为什么微量的CO2可以显著改变气候？—气候系统的复杂性

　　虽然影响气候变化的因素多种多样，但目前科学界主流观点认为，因人类燃烧大量化石燃料而释放的温室气体，如CO2, CH4, N2O等是导致自工业化以来全球大气普遍增温的主要原因。但事实上，人类排放的主要温室气体在大气中的总量只有百万分之（10-6），甚至十亿分之（10-9）的量级。相比于大气总质量而言如此微小浓度如何导致全球性增温异常呢？答案是气候系统中存在自然“放大镜”，那就是多种多样的反馈过程。在地球这个复杂系统中，大气的任何异常都可在海洋-大气或陆地-大气交界面引起能量和通量异常，从而影响海洋、陆地、生态、冰川等其它地球系统变化，而这些系统变化可以放大或减缓大气变化异常，这一系列过程就称为反馈。在气候系统内部发生的相互作用存有大量反馈过程，对气候系统起着内部调节。这也是为什么微量的温室气体有可能对气候系统产生如此重大影响的根本原因。

图2-1 气候系统中存在的过程和反馈

图中显示的太阳、大气、海洋、土壤、陆地径流、植被、火山、冰川等地球系统分支。

一般气候系统中的反馈过程包括：

　　(1)大气的水汽反馈。水汽是地球上已知的最丰富的自然温室气体，也是最重要的温室气体。大气温度上升会使地表蒸发加强，增暖大气又有较高的水汽饱和比，导致大气整体含水汽增加。这些增加的水汽将产生更强的温室效应，从而加剧气候变暖。计算表明，水汽反馈可使由CO2浓度加倍引起的全球平均温度升高额外增加60%。

图2-2大气中水汽反馈示意图

　　(2)云的辐射反馈。云覆盖了地球约三分之二的面积，对辐射有强烈的吸收、反射或放射作用，对气候系统的辐射收支有重要影响。云与辐射之间的反馈机制十分复杂，大体可分为两类：一是地表温度随着地面吸收的太阳辐射的增多而升高，这将促使地面蒸发加剧，从而导致大气中水汽含量增加，促使云得到发展，云量的增加将减少气候系统获得的太阳辐射，因而具有降温作用。另一方面云能有效地吸收云下地表和大气放射的长波辐射，起到保温的作用，减少地面向空间的热量损失，从而使云下大气层温度增加。

图2-3 云辐射效应

　　(3)冰雪反射率反馈。冰雪表面对入射的太阳辐射具有很大的反射作用，而地球表面的冰雪覆盖的面积却大大的取决于气温。全球温度升高将导致地球表面冰雪融化，冰川覆盖面积减少，从而引起全球反射率降低，更少的太阳辐射被反射回太空，从而大气温度进一步上升。据估算，冰雪反馈会使CO2加倍造成的增温再增加20%。

图2-4 冰雪反射率反馈

　　（4）土壤湿度反馈。土壤湿度会直接影响地面和大气间的热量交换。一般而言，土壤湿度偏低使地面温度增加，地表射出的长波辐射增加。同时干燥的土壤反射率大，导致地面吸收的太阳辐射减少，地面失去的热能较多，地面温度将降低。较潮湿的土壤有利于增加大气的含水量，从而有利于降水的发生。在全球变暖背景下，由于风场变化，导致全球降水重新分配。部分地区可能因此变得更加干燥，使得局地增温更加明显。

　　（5）陆地生态系统。全球变暖可使热带地区森林大火更加频繁。这会导致大气中二氧化碳浓度增加10到100ppm(1ppm为百万分之一)。这个恶性循环在于人类活动导致全球气温上升，就会有更多的森林面积丧失，而丧失的森林面积又转化成碳沉淀，进而成为新的碳源。从本质上讲，我们可以看到森林的碳反馈行为就像踩油门一样，我们无法确切知道森林碳反馈有多强，但明显的是，气候越暖，热带森林就越多地转化成空气中的二氧化碳。

　　气候系统中反馈机制对气候变化具有很大的意义。整个气候系统中各个组成部分之间的相互作用和反馈过程是极其复杂的，不能孤立的考虑其中一个过程而忽略其他过程。