什么是气候变化？从温室效应到极端天气，一文读懂背后的科学原理

什么是气候变化？一文读懂从温室效应到极端天气的科学原理

简单来说，气候变化是指地球气候系统长期、显著的变化，主要表现为全球平均气温持续上升（全球变暖），并由此引发一系列复杂的连锁反应，包括海平面上升、冰川融化、海洋酸化以及极端天气事件频率和强度的显著增加。 当前我们经历的气候变化主要是由人类活动引起的。

核心科学原理：从温室效应到全球变暖

自然的温室效应：地球的“保温毯”

• 过程： 太阳发出的短波辐射（主要是可见光）穿过大气层到达地球表面。地表吸收后升温，再以长波辐射（红外线）的形式向外释放热量。
• 关键角色： 大气中存在一些微量气体（温室气体），如二氧化碳、甲烷、水蒸气、氧化亚氮等。它们允许大部分太阳短波辐射通过，但能吸收地表释放的大部分长波辐射。
• 结果： 被吸收的热量会再次向四面八方辐射，其中一部分返回地表，就像给地球盖上了一层“保温毯”。没有自然的温室效应，地球的平均温度将是冰冷的-18°C左右，而非适宜生命存在的约15°C。

人为增强的温室效应：毯子变厚了

• 问题根源： 自工业革命（约1750年）以来，人类活动（主要是化石燃料燃烧、大规模森林砍伐、工业化农业）急剧增加了大气中温室气体的浓度，尤其是二氧化碳。
• 关键数据： 大气中二氧化碳浓度已从工业革命前的约280 ppm上升到目前的420 ppm以上（百万分率），这是过去80万年甚至更长时间内的最高水平。
• 物理机制： 更多的温室气体意味着大气层吸收和再辐射回地表的红外线热量更多了。这相当于给地球的“保温毯”加厚了。
• 核心结果： 全球能量收支失衡。地球系统吸收的太阳能量（主要在地表）大于其向太空散失的能量（主要通过大气层顶的长波辐射），导致整个地球系统（大气、海洋、陆地、冰雪圈）热量积累，表现为全球平均气温持续上升，即全球变暖。

全球变暖：气候系统的“发烧”

• 观测事实： 自19世纪末以来，全球平均地表温度已上升约1.1°C（IPCC AR6）。过去几十年是有现代气象记录以来最热的时期。
• 能量去向： 超过90%的额外热量被海洋吸收（导致海洋热含量激增），其余热量用于加热陆地、融化冰雪和加热大气。
• 连锁反应： 全球变暖是驱动整个地球气候系统发生一系列深刻变化的原动力。

全球变暖如何引发极端天气？

全球变暖并非均匀加热地球，而是通过改变大气和海洋的基本物理特性及环流模式，导致极端天气事件更频繁、更强烈、持续时间更长。主要机制包括：

更强烈的热浪和干旱：

• 基础温度升高： 全球平均气温上升意味着热浪的起点温度更高。
• 大气持水能力增加： 气温每升高1°C，大气可容纳的水汽量增加约7%（克劳修斯-克拉佩龙方程）。这导致干旱地区蒸发加剧，土壤更快变干，形成更严重的干旱条件。
• 高压系统增强与停滞： 变暖可能影响大气环流（如急流），导致高压系统更易形成、更强且移动更缓慢。高压系统带来晴朗少雨天气，长时间维持会导致极端高温和干旱持续。

更强的暴雨和洪水：

• 大气持水能力增加（同上）： 更温暖的大气能容纳更多水汽。
• 更强的水汽输送： 变暖的海洋蒸发更多水汽，风暴系统能从中获取更多“燃料”。
• 降水效率提高： 当风暴发生时（如台风、气旋、雷暴、锋面系统），它们能释放出更多的水汽，导致单位时间内的降雨强度显著增加，引发更严重的洪涝灾害。

更强烈的热带气旋（台风/飓风）：

• 更温暖的海洋表层： 热带气旋从温暖的海洋表面获取能量。全球变暖导致海洋上层热量增加，为风暴提供了更强大的“能量源”。
• 更高的潜在强度： 理论模型和观测均表明，在更温暖的环境下，热带气旋能达到的最大潜在强度更高。
• 更强的降水： 如上所述，风暴能携带和释放更多水汽，导致伴随风暴的极端降雨量大幅增加。
• 快速增强现象增多： 有证据表明，在非常温暖的海域上，风暴在短时间内急剧增强的现象变得更常见。

海平面上升加剧风暴潮：

• 热膨胀： 海水变暖后体积膨胀。
• 冰川和冰盖融化： 陆地上的冰（主要是格陵兰和南极冰盖）融化流入海洋。
• 后果： 海平面上升意味着风暴潮（台风/飓风推高海水涌向海岸）的基础水位更高，导致洪水淹没范围更广、破坏力更强。

复杂的影响：野火风险增加

• 更热更干的天气： 直接导致植被干燥易燃。
• 更长的火灾季： 温暖季节延长。
• 雷暴增加（但降水未必增加）： 可能带来更多引发火灾的闪电。
• 害虫爆发： 暖冬使破坏森林的害虫更易越冬，导致更多枯死树木（燃料）。

关键共识与现状

• 科学共识： 国际科学界（以联合国政府间气候变化专门委员会为代表）达成压倒性共识：当前的气候变化主要是由人类活动（特别是排放温室气体）驱动的。 自然因素（如太阳活动、火山喷发）无法解释近几十年的快速变暖。
• 观测证据： 全球平均气温上升、海洋热含量增加、冰川退缩、海平面上升、大气温室气体浓度飙升等趋势清晰且强劲。
• 极端天气归因： 随着气候科学的发展，“极端事件归因”研究已能定量评估气候变化对特定极端天气事件（如某次热浪、暴雨或飓风）的发生概率和强度增加了多少。大量研究证实，气候变化显著增加了许多极端事件发生的可能性和严重程度。
• 紧迫性： 2023年是有记录以来全球最热的一年。气候变化的影响正在全球范围内加速显现，对生态系统、水资源、粮食安全、人类健康、基础设施和经济发展构成严重威胁。

总结

气候变化的核心是人类活动导致温室气体浓度剧增，引发强烈的温室效应，造成全球变暖（地球系统热量积累）。 全球变暖并非简单地让每个地方都暖和一点，而是深刻地改变了驱动天气和气候的基本物理条件（如大气温度、水汽含量、海洋温度、海冰范围、大气环流模式）。这些改变使得极端天气事件（热浪、干旱、暴雨、洪水、强热带气旋、复合型灾害等）发生的频率、强度、持续时间和地理范围都发生了显著变化，总体趋势是变得更危险。

理解这一科学原理，是认识气候变化风险、制定有效应对策略（减缓和适应）的基础。气候变化已不再是遥远的威胁，而是正在发生的现实，需要我们共同积极应对。