地球态变与全球气候异常

作者：雷仕湛  沈力  王慜超  戚婧媛

气候异常变化关系到人类的生存与发展，了解导致气候异常变化的各种因素及其发生根源，有助于全人类共同合力应对地球气候异常。

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全球气候异常

近几年全球出现气候异常，一些本来寒冷的地区变得温暖了，甚至是高温天气;而一些本来温暖的地区却出现严寒天气;一些地区本是雨量充沛的，却出现严重旱灾。因为气候异常，相应引起的各种自然灾害明显增多，给人类的生产和生活带来了严重影响，也给生命财产带来严重损失，有关资料显示，2021年自然灾害造成的经济损失超过1700亿美元(约合人民币10830亿元)，导致至少1075人死亡，约130万人流离失所。

气候寒冷地区现高温天气，气候温暖地区现严寒天气

欧洲 90%的人口居住在北纬 40°~56°之间，夏季时间短而且相对凉爽，但如今出现罕见的高温干旱天气，很多国家均出现了打破历史记录的高温天气,最高气温普遍超过40℃，其中意大利最高气温高达45℃;希腊曾一度出现 41℃的高温天气;塞浦路斯的气温高达43℃。向来以冷和冰封著称的北西伯利亚地区和北极地区的气温则出现32.2℃;在北极圈附近的一个名叫维尔霍扬斯克的小镇的气温还高达38℃，这是从来没有过的事情，对于小镇的居民来说，简直不可思议。常年在零下几十摄氏度的墨西哥小镇，气温也突然达到了38℃。一些地区的气温则大大超出往年，气温异常高，加拿大不列颠哥伦比亚省的小镇莱顿气温达到49.56℃，悉尼最高气温达47.3℃。摩洛哥出现43.4℃高温，阿尔及利亚的撒哈拉沙漠地区最高气温达到51.3摄氏度，美国有些地方的气温也达到50℃，天空像是被灼烧了一样。科威特的气温更高，其首都科威特城的气温一度达到73℃，停在街边的汽车都被烤化了。与此相反，常年处于热带雨林气候的巴西，气候温和，冬季很少下雪，2021年7月29日，巴西33座城镇却出现异常强降雪，积雪厚度达到了1米。

停在街边被烤化的汽车

夏天雪花飘飘，冬天温暖如春

按照往日的观念，不管生活在地球北半球或者南半球，气候情况大致是冬天的气温低，还不时下雪;夏天的气温高，雨水充沛，这些是人类长期生活见证的气候规律。然而，现在情况变化了，出现了各种异常现象。中国的三大火炉城市(南京、武汉、重庆)有一年夏天便出现“凉夏”的异常天气，打破近百年来夏季最低温记录;更奇葩的是，俄罗斯莫斯科出现夏天下雪天气;德国的巴伐利亚山区也曾上演过 7 月飞雪的一幕，2004年7月11日，该地区的暴风雨突然转变成大雪，德国海拔最高的山峰很快就变成了覆盖厚厚积雪的雪山, 降雪量达到10厘米;意大利东北部地区阿尔卑斯山在夏天也飘起过雪花。

冬季通常气温较低，一般会出现下雪天气，河流、海面通常会结冰。但现在暖冬时有出现。有一年北京只有3天就到农历的“大雪”，但正午的气温却一直保持在10℃以上,最高气温达19.5℃，突破了自1915年有气温记录以来的最高纪录,为多年同期平均温度的4倍。此外，广东、福建一些地区在冬天更是出现27℃以上的温度，局部地区还达到30℃。

雨量充沛地区现严重旱灾，干旱地区现洪灾

台湾岛往年的年均降雨量高达2500 毫米，是世界平均降雨量的2.6倍，2021年初却出现半个世纪以来罕见的旱情，在中南部多个水库见底，曾经“湖水碧绿”的日月潭土壤龟裂、杂草丛生，形成“大草原”，著名的景观意象“九蛙叠像”也现出全身。

而以干燥的草原气候和沙漠气候为主的西亚，则出现反常的大雨天气。2022年，属于热带沙漠气候的阿联酋，竟然在盛夏时分被连续大暴雨浇出了洪涝灾害，沙漠干旱地区被过膝的大水淹没。科威特也出现前所未有的强降雨，1小时的降雨量达到其全年降雨量的10%。伊朗接连两次发生洪水，导致数十人死亡。阿富汗也发生了几十年未遇的特大洪水，全国大约有1/4面积的地区受灾。也门中部和东部出现罕见的连续倾盆大雨，造成30年来最严重的洪水，300多人死亡，100多人失踪，300多万人的生活受到严重影响。一直被干旱蹂躏的津巴布韦也受到洪水袭击，一些道路、房屋及谷物被洪水冲毁。

大旱导致日月潭干涸，九蛙叠像现出全身

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气候异常根源

现在，全球气候异常已成世界各国广泛关注的话题，也是关系到人类命运的重大问题。全球气候异常的原因有多种说法，本文讨论地球态变对全球气候异常的影响。地球态变主要是指地球表面状态变化和地球运动状态变化，地球的这些变化将影响地球吸收的太阳光能量、地球向大气发散的能量以及其在空间分布的变化，相应地引起地球大气环流运动状态和分布状态的变化，从而导致气候异常变化。造成地球表面状态变化的主因是植被破坏，改变通过地球表面与大气的能量交换状况;造成地球运动状态变化的主因是地球物质质量迁移，改变地球物质质量分布状态。造成这种状况的因素有自然因素和人为因素，其中的人为因素是主要的。

植被破坏致气候异常

地球表面状态最显著的变化是植被退化破坏。地球陆地表面分布着许多种植物群落，如森林、草原、灌木林等，众所周知,地球能够形成有相对稳定的气候环境,很大程度上是地球表面植被起的作用，假如地球演化过程中没有植被，那么也不会有今天这种适于多种生物的生存环境。植被对气候的反馈作用通过影响当地大气环流或通过生物地球物理、生物地球化学循环等方式，对大尺度环流造成影响，最终影响大尺度气候变化，乃至全球气候变化。事实上,植被对气候的影响很早就被认识到，植被形成的生态系统是地球上最具活力的生态系统，它具有极强气候调节功能，这个系统的退化必然会反映到全球气候变化上来。人们也发现，植被增加幅度明显的地区，出现气候异常的概率较小，异常程度也较低;而在植被增加幅度较小或植被退化的地区，出现气候异常的概率较大，变化幅度也大。此外，有关气象资料也显示，干旱地区白昼的最高气温与当地的植被变化存在反向关系。我国南疆等地区近30年发生了较为明显的植被退化，这里的气候异常变化是比较剧烈的;沿长江一线的区域，植被原先相对茂盛，但近30年也遭到一定程度的破坏，气候异常情况也严重多了。

由于生产发展和经济活动的增加，植被在不断地遭受到人为破坏，森林消失尤为严重。为了获得更多的土地、木材资源，过度砍伐森林，造成森林面积大量减少。有关报道显示，南美厄瓜多尔从1969年以来，有95%的森林面积被辟为油田、居民住宅用地等;中国海南省的自然森林覆盖率也大幅减少，已经从1950年代初的25.7%下降至1980年代初的7.2%;云南省西双版纳的自然森林覆盖率在同期也由近60%下降至25%，平均每年下降2%。另据有关资料显示，世界热带森林已被砍伐44%，森林面积只剩下大约2670万公里2了，而且现在每年还在砍伐7.6~9.2公里2面积的森林，另外有大约10万公里2面积的森林遭受到严重破坏。相应的，出现气候异常的频率在增加。

地球物质质量迁移致气候异常

地球大气圈、水圈、生物圈及岩石圈这四大圈层的变化都与地球自转速度变化有密切的关系，相应导致地面和大气的热能量收支状况变化，从而影响气候变化。地球自转速度对于大气和海洋环流有决定性的作用，因此自转速率的变化必然会影响到气候变化。地球自转速度变化与全球温度变化存在强正相关性，利用地球自转速度变化与全球年均气温拟合模型建立线性回归方程，能够比较准确地预测全球年平均温度。地球自转速率的变化也促使形成厄尔尼诺现象(发生在热带太平洋大范围海温异常增暖的一种气候现象)，与全球大气环流和许多地区的气候异常有重大联系。同时，地球自转速率的变化也直接影响大气和海洋内部的振荡,在一定条件下还可以形成超低频振荡，从而影响全球气候的演变。

地球的自转速率变化通常也称日长变化。美国航空航天局的测量结果显示，现在地球每天的时间都比前一天延长1/700 秒，即每过一年，一天的时间就要延长0.5 秒，每过1个世纪，大约延长1分钟。

科学家也研究了人类活动导致地球自转运动速率变化的问题，研究显示，地球自转速率变化与地球本身的物质质量分布变化以及对地球施加额外作用力有着密切关系。人类在地球上的一些生产建设活动是在明显地改变着地球的物质质量分布，如拦截河流蓄水建电站、围海造田、开挖煤碳、开采石油、建造群立摩天大楼等。水力发电站是重要的能源，于是许多河流上都构筑大坝蓄水，河流上游水位大幅度升高，而下游水位大幅度下降。河流水位变化以及引入建坝的建筑材料，显然改变了地球质量分布。美国从1930年代开始对田纳西河进行多元开发利用，建造水电站等，经过多年的建设，在田纳西河上已建成了35个大水库和8个小水库，水力发电厂达49个。科学家计算过，每年有4万吨“宇宙灰尘”落在地球上，这些灰尘大部分虽可以返回宇宙空间，但仍有一部分留在地球表面，使地球的重量增加。根据转动角动量守恒定律，这也会导致地球自转速度发生变化。如此多水电站工程的土石方挖填、混凝土浇筑、钢材使用等，搬动的物质质量比起宇宙灰尘就重得多了。有资料显示，世界各国大建水电站对气候真的是产生了影响。

围海造地是另外一项改变地球物质质量分布的重要活动，这是用土石、建筑垃圾、工程组件等，将陆地、岛屿，甚至岛礁沿边缘填埋成新的陆地。世界多国都有向大海要地的情况，荷兰自13世纪起就开始大规模围海填地，如今荷兰国土面积的20%是人工填海造出来的，丘陵都被挖去填海了。日本早在11世纪就有了填海造地的历史记录，二战后日本大规模填海造地的情况更为普遍，1945—1975年，日本政府围海造地达11.8万公顷。

煤碳、石油等从一个地方开挖出来，搬运到其他地方，相当于把一座座山或者一个个湖泊搬到别处，这也是改变地球物质质量分布的重要方面。众多摩天大楼拔地而起，也改变了地球的物质质量分布。

地球受额外作用力致气候异常

地球受额外作用力，自转运动速度发生变化，也将引起气候异常变化。给地球施加额外作用力的行为也有不少，地下核爆炸就在地球内部产生巨大作用力，促使地球质量分布发生变化，并引起地球震动，诱发地球自转速度变化。发射太空飞行器、导弹和发展高速列车等活动，也将引起地球自转速度变化。太空飞行器、导弹等在发射的时候对地球产生的巨大反作用力，将改变地球的转动惯量，相应地改变着地球的自转速率。我们注意到一个事实，最近20年来世界发射的航天器数量在不断增加，2000年发射的次数是5次，2018年是114次，2021年是144次，并且主要是在北半球发射的;而去年的气候异常情况比往年严峻，北半球比南半球严峻。

地球表面粗糙度变化致气候异常

地球极移也是引起气候异常的主要因素之一。地球自转轴相对于地球本体的位置发生变化，这种运动称为地极移动，简称极移。地极不断地移动会引起地球的离心力位势及其分力在空间和时间上发生变化，也将引起大气质量输送发生变化，于是气压场和各大气活动中心的强度和位置也将产生相应的变化,导致大气环流变化，即气候出现异常变化。有关资料显示，极移与气候变化的确有关系，如极移振幅增高，亚欧中纬地区的经向环流指数增强，纬向环流指数减弱，副高点偏南，中纬地区海洋向大陆输送的水汽减少，于是降雨量将减少，冬季气温也降低。科学家还发现，厄尔尼诺现象也与极移有关。

引起地球产生极移的一个主要因素是地球表面的粗糙度发生变化。人类的一些生产和生活活动改变着地球表面的粗糙度，导致其对太阳光的反射率不同。我们知道，光辐射对被照射物体会产生压力，称为光压。地球任一纬度带内的光照射面上受到的太阳光压，与该纬度带内所含的光照射面的面积、该纬度带中心点所处的纬度以及该纬度带内陆球表面的光学反射率有关，而地球表面的反射率与地表面的粗糙度有关。人类在地球表面建设的各种形态和大小的建筑物、堆积的各种建筑材料和矿物材料，改变了地球表面的粗糙度;此外，在地面上开挖的各种尺寸大小和深浅不同的渠道、湖泊，土地沙漠化、城市化、森林砍伐、植被破坏等，也改变了地球表面的粗糙度，相应地改变了地球不同地区对太阳辐射的反射率不同，它们受到的光压相应不同，驱动地球作极移运动。

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合力应对全球气候异常

控制地球态变，并不是某个人或者某个国家所能及;地球的气候异常所带来的灾难，也不是某个人或者某个国家能单独承受。因此，为了避免气候异常变化，让人类有一个舒适稳定的气候环境，需要全人类共同努力应对，建议气候组织除了对温室气体减排做出规范之外，对上述各种会影响地球态变的生产和生活活动也做出必要的规范，以期控制地球的态变，避免气候异常变化。

作者简介雷仕湛：研究员，中科院上海光机所，上海 201800。[e-mail] Shizhan: Research Professor, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, CAS, Shanghai 201800.

[1]申文斌, 张振国. 利用空间大地测量数据探测地球膨胀效应. 测绘科学, 2008, 33(3): 5-6.

[2]魏二虎, 李岩林, 等. 地球自转速度变化与全球气温变化的相关性研究. 测绘地理信息, 2021, 46(6): 1-7.

[3]雷仕湛, 屈炜. 地球危机——中国的应对. 上海: 复旦大学出版社, 2021.

关键词：气候异常变化    极端气候    气候变暖    地球态变■

本文刊载于2023年第75卷第1期《科学》杂志（P42-P45）《科学》杂志于1915年1月在上海问世，

早年由任鸿隽，杨杏佛，胡明复，赵元任等学者编辑写作，是我国历史最长的综合性科学刊物。杂志定位为高级科普期刊，致力于科学知识、理念和科学精神的传播，科学与人文互动，历史和前沿并举，为提升我国全民科学素质和建设创新型国家服务。杂志现任主编为中国科学院院士白春礼先生，主办单位为上海科学技术出版社有限公司。

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