气候是怎么变化的？
气候变化日益成为人们关注的焦点，但这一问题涉及诸多复杂的科学原理和知识，因为气候系统本身是一个巨大而复杂的系统。我们在关注气候问题时，有必要了解一些科学的常识。气候系统包括5个物理组成部分：大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈，5个部分是一个相互联系、相互作用的整体，5个部分都对气候产生影响。了解气候变化，就要先认识这5个部分是如何在气候调节上各司其职的。
（1）大气圈：大气圈也叫大气层，是气候系统中的主角，也是最容易变化的部分。例如，当外界热量输入(主要是太阳辐射)发生变化后，通过各种热量输送和交换过程能在1个月的时间内，调整对流层温度的分布。
（2）水圈：海洋占地球表面面积的71％左右，它能吸收到达地表的大部分太阳辐射能，海水又具有很大的热容量，所以它是气候系统中一个巨大的能量贮存库。洋流通过热量输送，调节全球热量平衡。
（3）岩石圈：岩石圈处在不停的运动中。海底扩张、大陆漂移、山地在隆起，这些变化，都会影响气候。比如，高原隆升，季风环流就会加强，气候的季节差异就会增大。
（4）冰冻圈：冰雪覆盖层包括大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪被等。冰川和冰原的体积变化与海平面的变化有密切的联系。冰雪具有很大的反射率，在气候系统中，它是一个致冷因素。
（5）生物圈：生物圈指的是陆地上和海洋中的植物以及生存在大气、海洋和陆地的动物。比如，植物可以改变地面反射率和粗糙度，影响水分的蒸发、蒸腾，以及地下水循环。动物需要得到适当的食物和栖息地，因而动物群体的变化，也反映了气候的改变。
温室原理
太阳辐射主要是短波辐射，地面辐射和大气辐射则为长波辐射。大气对长波辐射的吸收力较强，对短波辐射的吸收力比较弱。
温室效应的示意图
白天，太阳光照射到地球时，部分能量被大气吸收，部分被反射回宇宙，大约47％的能量被地球表面吸收。
夜晚，地球表面以红外线的方式向宇宙散发白天吸收的能量，大部分被大气吸收。
结果，大气层就如同覆盖着玻璃的温室一样，可以保存一定的热量，使地球不至于像月球一样，被太阳照射时温度急剧升高，不见日光时温度急剧下降。
那么，该怎样去认识温室效应呢？想象一下，如果没有温室效应，地球将会冷得不适合人类居住。据估计，如果没有大气层，地球表面温度会是-18℃。正是有了温室效应，才使地球温度维持在15℃。我们所熟知的月球，由于没有大气层，白天在阳光垂直照射的地方温度可达127℃，而夜晚温度却能降到-183℃。
导致温室效应的一大主因就是温室气体排放。温室气体的增加，加强了温室效应，而二氧化碳是数量最多的温室气体。如今，地表向外放出的长波热辐天然气燃烧产生的二氧化碳，远远超过了过去的水平。另一方面，由于对森林乱砍滥伐，大量农田建成城市和工厂，破坏了植被，减少了将二氧化碳转化为有机物的条件。再加上地表水域逐渐缩小，降水量大大降低，减少了吸收溶解二氧化碳的条件，破坏了二氧化碳生成与转化的动态平衡，就使大气中的二氧化碳含量逐年增加。空气中二氧化碳含量的增长，就使地球气温发生了改变。
冰冻圈的消逝与气候变化
冰冻圈(分为陆地冰冻圈、海洋冰冻圈)是气候系统的重要组成部分，冰冻圈的扩展或萎缩会导致参与局地、区域或全球能水循环的能量和水量减少或增加，并伴随着能水平衡的改变使其与气候、水文、环境和生态等之间产生一系列相互作用过程。
（1）陆地冰冻圈。包括积雪、湖冰、河冰、冰川覆盖、季节冻土、多年冻土。它通过影响地球表面水循环过程，调节气候。比如陆地上的雪冰作为水循环过程中水的储备形式，影响径流(主要在冻土地带)等。
（2）海洋冰冻圈。海冰约占全球海洋表面的10％，影响着海洋与大气之间的物质、能量交换过程。海冰冻结会析出卤水使得海洋表面混合层加厚，反之，海冰融化产生含盐度较小的水体使混合层进一步分层。通过这些过程，海冰在全球热量平衡、全球热盐环流等方面起着重要作用。
雪盖是冰冻圈的最大组成部分，覆盖地球陆地表面的33％的面积。约98％的季节性积雪分布于北半球。
过去100年间，海平面上升了10～26厘米，其中海洋热膨胀引起2～7厘米的上升量，其余主要归因于陆地冰的融化。影响全球海平面变化的诸因子中，最大的不确定因子是南北极冰盖。山地冰川目前多数处于退缩状态，因此也对海平面上升起很大作用。
气候变暖与生物圈变化有什么关系呢？最新研究认为，人为造成的全球气候变暖对世界生命体系影响巨大，表现为七大洲冰河的大量消耗，永久冻结带融化，北半球部分生物向纬度和经度较高的地区迁徙，欧洲、北美和澳洲的鸟类移居别的地域，海洋浮游动物以及鱼群生存海域的改变。在生物生存体系里，90％的变化与气候变暖有着密切的联系。
海平面升高，人类居住环境将受到何种影响
海平面如果升高，将引起海岸滩涂湿地、红树林和珊瑚礁等生态群丧失，海岸侵蚀全球变暖的可怕后果，海水入侵沿海地下淡水层，沿海土地盐渍化等，从而造成海岸、河口、海湾自然生态环境失衡，给海岸带生态环境系统带来灾难。
气候变暖，将如何影响生物多样性呢？英国科学家最近公布了一项惊人的研究成果：全球变暖将会导致地球上的动植物大量灭绝。尽管人类可能最终逃过这一劫，但地球上有1/2的物种将会消亡。英国约克大学和利兹大学的科学家对过去5.2亿年气候与生物多样性之间的关系进行了深入研究，研究范围几乎覆盖了所有的化石记录，第一次揭示了气候与生物多样性两者之间的关系。研究发现，当地球的温度处于“温室”气候阶段时，物种的灭绝率相对较高；与之相反，在较冷的“冰室”状况下，生物多样性会增加。
肯尼亚的狮子在锐减
肯尼亚野生动物保护局日前说，受气候变化等因素的影响，如果按目前的趋势发展下去，肯尼亚境内的狮子将在20年后完全消失。报告称，过去几年来，肯尼亚的狮子一直在以平均每年100头/年的速度减少，已从2002年的约2749头减少到现在的2000头左右。造成狮子种群规模缩减的原因包括人兽冲突、狮群栖息地的生态遭破坏、气候变化、疾病以及人口增长等。
地球轨道偏心率的变化
地球轨道偏心率的变化地球轨道偏心率的变化，地球是我们赖以生存的家园，但对于地球其实我们的认识还具有一定的局限性，例如很多人都不清楚地球轨道偏心率是什么，也不知道它的变化会对气候带来哪些影响，下面一起来看一下地球轨道偏心率的变化。
地球轨道偏心率的变化1
地球公转轨道的偏心率随时间在缓慢地变化，有时非常接近于正圆，有时椭率比较大。1984年美国天文学家伯格计算给出，椭圆轨道偏心率变化的范围为0．0005～0．0607。我国天文学家张家祥1982年计算得的结果是0．0024—0．0571。这意味着在偏心率最大时(按0．0571计算)地球和太阳最远的距离可达I．58140×108km，最近的距离为1．41056×108km，相差达到1．7083×107km。
当偏心率变为0．0005时，轨道接近为圆。目前轨道的偏心率约为0．016722，偏心率较小，地球的远日点和近日点的距离之差约为5．003×106km。地球公转轨道偏心率变化的周期约为9．5万年，大约在4万多年之前偏心率为最小值，再过4万多年后，偏心毕又达到最／J、值。那时地球公转轨道几乎接近正圆，地球的近日点和远日点的距离几乎相等。
地球公转的轨道面(黄道)和地球赤道面的夹角———黄赤交角也存在缓慢的变化，这是由于黄道面位置的变化产生的。黄赤交角变化的范围在22°00′到24°30′之间，变化的周期约为4．1×104年。上次黄赤交角最小值约距今2．8万年。近期计算黄赤道交角的公式为
ε＝23°27′8．26〃—0．4684〃t
式中t是1900年起算的儒略年数。目前黄赤交角正以每世纪约为47〃的速度减小。目前黄赤交角的数值为23°26′20〃。
地球绕太阳公转的轨道是椭圆，椭圆轨道的长轴（称为拱线）方向逐渐旋转，使地球的近日点和远日点在黄道上做旋转运动，称为近日点进动。目前，地球过近日点的时间是每年的1月3日或4日，过远日点的时间为每年的7月2日或3日。由于近日点在黄道上运动的方向和地球公转方向一致，近日点和春点在黄道上会合一周是2．17×104年。
以上叙述的黄赤交角的变化，轨道偏心率的变化以及近日点的进动都与行星对地球的长期引力的影响有关，称为行星摄动。
地球轨道偏心率的变化2
什么是轨道偏心率
中更新世气候转型是第四纪气候变化中的最重要的特征之一，它是指全球气候的主导周期在中更新世时由41ka转变为100ka，且气候波动的幅度也加大。对此，众说纷纭。
本文对中更新世气候转型进行探讨。地球气候是由地球接受到的有效阳光辐射所决定的。青藏高原的隆起导致全球冰量的增加，减少了地球接受到的有效阳光辐射。
全球气候的主导周期在中更新世时由41ka 向100ka的转变是由于全球冰量的增加及其分布对引起的地球近日点变化所作出的呼应。极地冰盖对阳光的反射能力在极昼强，极夜弱。低纬度冰川对阳光的反射能力很强。何况低纬度冰川的出现就是全球冰量的增加。
青藏高原的隆起，增加了全球冰量、增强冰盖对全球气候的影响力，引起中更新世气候转型。因海陆分布状况，有利于北半球冰盖扩张的地球轨道阶段，是冰期周期的冷期（最甚者是盛冰期）；不利于北半球冰盖扩张的地球轨道阶段，是冰期周期中的暖期。大的时与小的时相比地球的近日点离太阳较近；地球处其它地点时离太阳较远。
低纬度冰川对近日点变化敏感。极地冰盖对地球自转轴倾斜度变化敏感。地球处于小的地球自转轴倾斜度、大的、地球的近日点在北半球的冬至时，地球处于冷期。大的地球自转轴倾斜度、大的、地球的近日点在北半球的夏至时，地球处于暖期。
“100ka” 周期是地球的近日点周期。
关键词：中更新世气候转型、100ka 周期、、冰期、低纬度冰盖 、近日点
青藏高原的隆起与中更新世气候转型
在近二百多万年来地球屡次发生冰川的'大面积扩展及其消融事件，地球的一切当然也相应随之变化，这就是通常所说的更新世大冰期。
如同许多事情一样,人们的意见是不一致;对更新世的年代划分也是如此,虽然大家都同意更新世大冰期的提法。长更新世240万年,与黄土有关。短更新世约100万年以至更短(相当于长更新世的中更新世到约1万年前,作者所使用的是长更新世),当然也有其依据。
地球演化到中更新世,全球气候的主导周期由早更新世的41ka转变为此后的100ka周期。与此气候转型相对应，全球冰量在这一时期增加了约15%。[1]中更新世,全球气候才可以名副其实称为大冰期,早更新世只是气候波动而已！
何种原因导致了中更新世气候转型是第四纪气候演变中一个根本性的问题。
现有许多解释，但都不能令人满意。
地球的一切变化都是有其现实基础。在更新世地球的一个重大事件是青藏高原的快速上升。二叠纪后冈瓦纳大陆解体，印度板块北上。始新世中期（距今4000万年左右）新特提斯洋消亡，印度次大陆与亚洲主大陆碰撞，把喜马拉雅地体焊接到亚洲大陆上，统一的青藏高原才告完成。
此次运动一般称为第一期喜马拉雅运动。此次运动不很强烈，但喜马拉雅地区完全露出海面成陆。青藏高原的海拔还很低。新第三纪早期（距今2500～1000万年），青藏高原地壳运动较为活跃，开始缓慢抬升。此次运动一般称为第二期喜马拉雅运动。第二期喜马拉雅是一次十分强烈而又影响很广的运动。
第二期喜马拉雅运动以后，西藏地区保持相对稳定约达一千万年之久。上新世时高原海拔高度在一千米左右。自上新世末开始青藏高原进入以大幅度分阶段的强烈隆起的新时期。上新世以来近200万年间，青藏高原强烈隆起的幅度达3000～4000米。晚更新世以来的十多万年中上升量达1000多米，平均每年上升达10mm以上。
此次运动称为第三期喜马拉雅运动。此次运动使青藏高原展现出真正的高原面目。[2][3]
中更新世气候转型是由于第三期喜马拉雅运动使青藏高原在中更新世达到相当高度进入冰冻圈,展现高原冰盖面目，使地球气候表现出低纬度青藏高原冰盖的影响。
高原气候严寒不是由于阳光辐射的不足,相反高空的阳光辐射总是高于同地低地。
高原气候严寒主要是由于高原空气稀薄保存热量的能力不高,加之地面植被情况不佳保存热量的能力也不高。较强的高原风加速了热量的散失，也是高原气候严寒原因。青藏高原进入冰冻圈后,因冰的反射能力与冰热容量很高而成为负热量的保存地。
低纬度的青藏高原冰盖大大增强了地球的反射能力,减少了地球所接收的阳光辐射。
一方面是低纬度冰盖的出现本身就是全球冰量的增加。更重要的是低纬度冰盖的反射能力比极地冰盖强。原因是由于极地冰盖(极地圈内,地球自转轴倾斜度较大时面积较大)在极夜期间无阳光照射,自然无反射。低纬度冰盖常年反射且低纬度阳光辐射较强。而且至今还未停止的第三期喜马拉雅运动使青藏高原更多的进入冰冻圈。
此外，低纬度青藏高原冰盖的加入减少了地球所接收的阳光辐射，也促使极地冰盖及其自身发展。北极冰盖就是在中更新世时才达到目前规模。
在中更新世低纬度青藏高原冰盖与极地冰盖相促相成，共同发展使地球接受到的有效阳光辐射减少，地球温度下降，地球名副其实的进入大冰期！
但只谈青藏高原只能解决地球温度波动幅度增大的问题，而不能解决中更新世全球气候主导周期由早更新世的41ka转变为此后的“100ka”周期转型的问题！而不解决周期转型的问题则根本谈不上解决中更新世气候转型问题！
而冰、负热量间存在正反馈关系。
地球轨道偏心率的变化3
地球轨道三要素
众所周知，地球绕太阳运动的轨道并不是“西方绘画之父”乔托笔下的完美圆形，而更像是一个随着时间音符不断律动的椭圆形。而且这种绕行运动的方式有数十种之多，不过最广为人知的还是地球的公转和自转。
地球上万物能量皆来源于太阳，当地球绕太阳运行轨道发生变化时，地球表面所接受到的太阳辐射能量也随之改变，造成地球上气候发生相应的冷暖波动和风雨变迁。所以，地球上的气候变化与太阳绝对脱不了干系。
但要了解地球轨道变化对气候的影响，首先要了解地球轨道的三要素：偏心率、地轴倾斜度、岁差。
偏心率是指地球绕太阳旋转的椭圆形轨道并非一成不变，其变动范围是0-0.07，变化周期为40万年和10万年。偏心率的变化对地球表面接受的太阳能量影响很小，但它仍会通过调制岁差振幅进而影响地球表面太阳辐射量。
地轴倾斜度是指地球自转轴（赤道面）与公转轴（黄道面）的夹角，又称地轴倾角，它也一直在21.5°-24.5°之间缓慢变化，周期约4万年。这个倾角变化会影响着地球纬度之间太阳辐射入射量差异，较小的地轴倾斜度意味着高纬地区会接受更多太阳辐射。
岁差是气候季节性变化的主要诱因，造成南北半球四季正好相反。它是指地球运转时近日点和远日点在公转轨道上做的一种旋进运动，造成春（秋）分点在黄道面上位置产生变化。岁差的周期约为2.6万年和1.9万年。
寒潮≠气候突变
我们要明确一点：并不是偶尔几次寒潮，就能被称作“气候突变”。
地球气候除了经历万年尺度的冷、暖、干、湿的波动外，也会发生一系列更短尺度的突变事件。但真正的气候突变事件，都是指那种速度快、幅度大、影响广的变化，通常会导致人类和自然生态难以适应。例如，尼罗河与印度河的古文明和玛雅文明等的衰落，均与气候突变有关。
一直以来，科学工作者们都在寻找千年或更短时间尺度气候突变存在的证据，他们通过一些特殊的地质生物载体，如冰芯、树轮、砗磲，石笋、湖沼、黄土和深海沉积物等中的蛛丝马迹，找到了气候突变过程中留下的有关元素含量、同位素比值等的信息，慢慢试图揭开过去数万年来气候突变的神秘面纱。
人们发现，地球上经历的气候突变，表现不尽相同。有人认为洋流变化是气候突变的主要诱因，但也有人发现，地球轨道参数变化、冰川动力学、大气CO_2浓度波动等因素都可能会触发气候突变。
参加过气象局考试的请进
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地球那些事｜水循环是如何变化的？
本文节选自美国国家研究理事会（NRC）发布的《时域地球——美国国家科学基金会地球科学十年愿景（2020-2030）》（A Vision for NSF Earth Sciences 2020-2030: Earth in Time）第9个科学优先问题。水循环对于所有的陆生生物至关重要，因而开展由人类活动和气候变化引起的水循环变化日益迫切。全球的陆地储水系统，特别是地下水含水层和包气带，是在几千甚至上百万年气候和构造演化的影响下形成的。人类 社会 的生产生活用水和废水处理（如提高油气采收率过程产生的水）均依赖于这些储水系统。地球科学在提高水循环过程及其与地球系统中其它物理、化学和生物过程相互作用的基本认知方面，具有重要作用（NRC, 2012; NASEM, 2018）。
气候变化对水循环的影响及其对人类文明的衍生影响促进了当代水文学的诞生与发展。 其中，尤其令人关注的是气候变化如何影响干旱、洪水和火灾等极端事件的性质和发生频率，以及这些事件对人类的影响。随着可用开源模型和计算资源的增多，促进了模型在更大时空尺度下的应用（Wood et al., 2011; Bierkens et al., 2015）。特别地， 未来十年，综合考虑了从含水层到大气层的这类更加接近实际条件的水文系统模型，将会得到越来越多地应用 （Fan et al., 2019)。由于地下水流动是水循环中不可或缺的一部分，因此需要可靠地量化流经地表、浅部土壤和深部含水层之间的水通量。与此同时，流域或更大尺度上的生物地球化学研究，也亟需综合考虑水文和反应溶质运移的模型（Dwivedi et al., 2018; Li, 2019）。包括机器学习在内的数据融合和数据同化方法的进步，将是联合利用模型和数据的关键。
人类也逐渐认识到水循环和人类活动是密切相关的（Sivapalan et al., 2014; Sarojini et al., 2016）。因此， 在水文模拟过程中综合考虑水文和人类系统愈加重要 （NRC, 2012; Farhadi et al., 2016）。此外，未来食品和能源生产需要消耗大量的水，但水资源能否满足这一用水需求尚不明确（D’Odorico et al., 2018）。因此， 有效解决模型的不足是满足科学和 社会 用水需求的关键 （Givens et al., 2018; Lesmes et al., 2019）。
正在发生快速变化的高纬度和高海拔地区的地理学研究改变了水文学的认识。 科学界和 社会 都想要了解不断减小的冰冻圈对水循环的影响 （Williams et al., 2012; IPCC, 2019）。冰冻圈体积减小，例如冰川融化，可能会增加陆地其它储水系统的水储量（Liljedahl et al., 2017; Somers et al., 2019）。永冻土的融化促进了地表水和地下水的水量交换（Walvoord and Kurylyk, 2016; Evans and Ge, 2017）， 但关于冰冻圈变化对水循环的长期影响的研究尚处于起步阶段 （图2-14）。目前对于永冻土区域水文特征的时空变化、融化的永冻土区域中水和生物地球化学通量的变化过程同样知之甚少。
在过去的十年中，用于测量水储量和水通量的新技术手段激增。新的地球物理方法揭示了降水和蒸腾作用对地下水流的影响 （Voytek et al., 2019）。利用大地测量观测雪水和土壤水分含量方法的精度也在不断提高（Larson et al., 2008; McCreight et al., 2014; Koch et al., 2019）。传感器、微控制器和无线通信技术的进步也将继续促进水文观测系统的创新。太空观测对量化水循环不同部分的体积和时间变化将变得越来越重要。地下水动力学遥感表征的提高将有利于在更大的空间和深度尺度上研究水文系统。美国国家航空航天局GRACE卫星的观测结果帮助学界发现了推导的模型和基于太空观测的大陆水储存模型之间的差异，这可能暗示着模型在表征和气候强迫方面的缺陷（Scanlon et al., 2018)。在过去的十年中，美国航天局发射了各种卫星，分别重点关注降水（GPM），土壤湿度（SMAP）和地下水（GRACE-FO）等。此外，即将发射的卫星将重点关注地表水（SWOT）、地下水（GRACE2）和积雪（Deeb et al., 2017）。
由于其复杂性和重要性，水循环可以支持美国国家科学基金会（NSF）在基本知识发展领域的推进。 这其中特别令人感兴趣的是整合十年尺度下的气候、浅海、全球水资源和人类过程。 美国国家航空和宇航局（NASA）的地球观测卫星正在以惊人的速度产生新的观测数据，包括冰川和积雪、土地利用和土地覆盖、海平面和土壤湿度的变化等测量数据。地球科学部（EAR）和NASA可以考虑在水循环方面开展合作研究计划，可能的合作包括以应用和 社会 需求为重点的任务，以量化淡水储量的变化，并了解冰冻圈和陆地表面水流通量的动态变化。EAR的其他合作伙伴包括美国能源部（DOE）和美国地质调查局（USGS）等联邦机构，以及美国国家科学基金会（NSF）内的其他董事会和项目都对水循环有关的过程感兴趣（例如，SBE，ENG，生物科学局的环境生物学部， GEO的极地计划办公室，以及美国国家科学基金会（NSF）计算机与信息科学与工程局的内部智能系统及其他部门）。
图2-14 当前气候（左图）和未来变暖气候（右图）条件下永冻土区域的水循环潜在变化示意图。陆表的季节性融冻活跃层的厚度预计会随着气候变暖而增加。增厚的活跃层使高地内的水更多地流向下游的河流和湖泊中。当高地内来自冰川或积雪的水源减少，可能会使其内部的水流消失，进而导致高地变得干燥。图修改自USGS。