大規(guī)模人類活動對氣候的干擾_自然地理學(xué)

四、大規(guī)模人類活動對氣候的干擾

自工業(yè)革命以來，尤其是進(jìn)入20世紀(jì)以后，人類所支配的能量與排放的污染物迅速增加，人為活動對大范圍氣候影響的深度和廣度也空前增強(qiáng)。人類在創(chuàng)造輝煌的物質(zhì)文明的同時，大量環(huán)境退化及氣候異常的事實也同樣引起了人們的擔(dān)憂。在中南美洲、東南亞及非洲，原始森林的破壞愈演愈烈，草原退化、土地荒漠化有增無減，大城市及工業(yè)密集區(qū)不斷涌現(xiàn)，溫室氣體大量排放，鹵代烷烴等物質(zhì)對臭氧層耗竭的潛在威脅日益嚴(yán)重等，都將對全球尺度的氣候變異產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。人們在改造自然的努力中，有許多行為及計劃在不同程度上都對氣候產(chǎn)生了干擾。

更有甚者，早在半個世紀(jì)前就有人從事了“氣象武器”(Meteorological Weapons)研究。他們企圖把改變氣候分布形式和某些災(zāi)害性天氣過程用做克敵制勝的手段。試圖通過播撒催化劑，使臺風(fēng)的能量重新分布并把臺風(fēng)路徑引向敵區(qū)，造成災(zāi)害；設(shè)想人工影響臭氧層，利用核爆炸所產(chǎn)生的NO_x或?qū)⒒鸺l(fā)射到敵區(qū)臭氧層中，釋放某些物質(zhì)使O₃迅速耗竭，以傷害強(qiáng)紫外輻射下敵區(qū)的萬物生靈；在云中撒播金屬絲，改變云中的電場強(qiáng)度，造成一條無線電通道或弱電場通道，以利于飛行器通過；在敵國上空撒播能吸收太陽輻射的物質(zhì)或吸收地面長波輻射的物質(zhì)，使其境內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)寒或酷熱天氣。此外，還有人工制造酸雨、人工誘發(fā)閃電等。上述設(shè)想付諸實施的后果，往往被自然天氣過程所掩蓋而具有一定的隱蔽性?？梢詳嘌裕@些“氣象武器”一旦被投入使用并被擴(kuò)散，對人類生存環(huán)境的威脅并不亞于核武器，對生態(tài)環(huán)境和自然氣候帶來的可能沖擊和破壞也將難以估算。

(一)大規(guī)模改造自然活動的氣候影響

人類在長期的進(jìn)化過程中，為了自身利益，進(jìn)行了各種改造自然的活動：一方面改善了生態(tài)環(huán)境，使局地小氣候朝符合人們意愿的方向發(fā)展；另一方面卻在無意中對更大范圍的環(huán)境系統(tǒng)帶來了潛在的不利影響。由于后者的不明顯性、復(fù)雜性、不確定性及其潛在的風(fēng)險性，長期以來人們并未引起應(yīng)有的重視。

修渠灌溉、種植防護(hù)林帶以防風(fēng)蝕，可能是人工改造局地氣候的最早嘗試。早在18世紀(jì)，英國諾?？吮阋验_始建造防護(hù)林。中國的“三北”防護(hù)林體系是一項具有巨大經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的生態(tài)工程，但它對更大范圍的地-氣系統(tǒng)將產(chǎn)生什么影響還有待進(jìn)一步研究。

20世紀(jì)發(fā)展起來的一些局地、短時期的人工影響天氣(Weather Modification)的措施正日益普及。如為使機(jī)場濃霧消散而設(shè)置局地強(qiáng)熱源；為保護(hù)果園、苗圃免受凍害而施放煙幕；為人工增雨或消雹而在空中撒播AgI、干冰等各種凝結(jié)核；為使臺風(fēng)削弱而在其中心釋放化合物等，迄今，這些“氣象工程”還在不斷發(fā)展。人工增雨、人工防雹、人工消霧、人工抑制雷電、人工防霜凍等的主要途徑都是利用自然云雨過程中的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，通過播撒催化劑改變云霧結(jié)構(gòu)的辦法來影響其微物理過程和熱力、動力結(jié)構(gòu)。這些手段雖然可使局部天氣現(xiàn)象朝著有利于人們預(yù)定的方向發(fā)展，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)、改善環(huán)境的目的，但是由于催化劑的大量使用可能干擾某些元素的區(qū)域甚至全球循環(huán)，因此，科學(xué)界對人工控制天氣的效果和潛在影響尚存在著不同評價，它們對生物地球化學(xué)循環(huán)和氣候系統(tǒng)將產(chǎn)生什么潛在的、持久的影響，迄今尚未引起足夠的重視。

近半個世紀(jì)以來，一些國家先后提出了龐大的人工改造天氣、氣候的方案。Kellogg和Shneider在1974年曾總結(jié)過一些超大規(guī)模人工改造氣候的方案(如建造白令海峽大壩、北冰洋消冰計劃、南極冰山運(yùn)輸、非洲人造海、白令海峽巨型水閘、韃坦海峽填海、在高層大氣中播撒箔片以改變大氣對太陽輻射的吸收能力等)，并指出在我們能夠預(yù)報出大范圍改造氣候計劃的長期影響之前，任何將此類計劃付諸實施都有風(fēng)險。

舉世矚目的長江三峽水利樞紐無論是在工程的浩繁、技術(shù)的復(fù)雜、對生態(tài)環(huán)境影響的深遠(yuǎn)方面，還是龐大的移民數(shù)量等方面，在世界水利工程史上都是空前的。它是長江流域經(jīng)濟(jì)開發(fā)的主干工程，直接影響到中、下游億萬人民群眾的安危禍福。因而圍繞著泥沙、移民、航運(yùn)、防洪、發(fā)電、水工建筑、大型設(shè)備、生態(tài)與環(huán)境等七個方面的重大問題，曾進(jìn)行了長期、反復(fù)的研究和論證。其中的專項評價包括全球變暖與區(qū)域氣候變化模擬及風(fēng)險評估，以期把長江流域的區(qū)域氣候、水文、生態(tài)環(huán)境與全球變暖結(jié)合起來，探索大氣增溫效應(yīng)可能給庫區(qū)廣大承雨面積上空溫度場、濕度場所帶來的變化，以及隨之產(chǎn)生的旱澇時空分布、水汽輸送、云系發(fā)展、暴雨生消與強(qiáng)弱等方面的一系列變化。通過前瞻性的評估工作，將填補(bǔ)人們以往認(rèn)識上的某些空白。一方面使大壩安全、水庫調(diào)度、電力供應(yīng)、泄洪防洪的預(yù)期目標(biāo)得以實現(xiàn)；另一方面使該超巨型水利工程與氣候、水文、生態(tài)、環(huán)境得以保持持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的良性循環(huán)關(guān)系，為今后同類工作提供借鑒。

(二)下墊面性質(zhì)變化的氣候效應(yīng)

人類的許多經(jīng)濟(jì)活動，諸如毀林開荒、營造防護(hù)林、圍湖圍海、濕地排水造田、大型水庫興建、道路建設(shè)、大規(guī)模城市化等，都會引起下墊面性質(zhì)的改變，從而導(dǎo)致局地氣候以及生態(tài)環(huán)境的變化。

1.植被對區(qū)域降水量的影響

森林是一種特殊的下墊面，這個“綠色海洋”對于維護(hù)地球系統(tǒng)的水分循環(huán)、物質(zhì)循環(huán)和輻射平衡，改善局地氣候與生態(tài)環(huán)境，保護(hù)生物多樣性等均具有極其重要的作用。在歷史上，全球森林面積曾占陸地總面積的2/3，但由于人口增加、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、戰(zhàn)爭破壞等原因，到20世紀(jì)初該比例已下降到了37％。目前，除格陵蘭和南極洲之外，全球森林覆蓋率大約為25％。自1980年以來，工業(yè)化國家的森林面積略有增加，發(fā)展中國家的森林面積則減少了約10％(世界資源研究所等，2002)。

植被覆蓋可增加地表吸收的太陽輻射能，減少地表向下傳輸?shù)耐寥罒嵬浚档偷孛嬗行л椛?。在這三者共同作用下，地面向大氣傳輸?shù)母袩嵬吭龃螅蚨勾髿膺吔鐚觾?nèi)的對流活動相應(yīng)增強(qiáng)。一旦水汽條件適合，便可以形成對流性降水。一般在晴天的午后，指向大氣的感熱通量最大，對流性降水也最強(qiáng)。在干旱、半干旱地區(qū)，對流性降水在總降水量中占有相當(dāng)大的比重，所以地表向大氣傳輸?shù)母袩嵬繉值亟邓陵P(guān)重要。撒哈拉地區(qū)的研究證明，有植被覆蓋后，降水量平均可增加43％。

2.下墊面對氣候影響的途徑

主要反映在感熱通量變化和局地環(huán)流變化兩方面。

(1)感熱通量的變化。與裸地相比，白天植被覆蓋減小了地面反射率，也減小了從地面向下傳輸?shù)耐寥罒嵬?。因此，一般在有植被覆蓋的區(qū)域，地面向上傳輸?shù)母袩嵬勘嚷愕匾?.5～2.0倍。由于感熱通量是影響局地?zé)崃α靼l(fā)展和對流性降水的一個重要因子，因而人為活動所導(dǎo)致的下墊面改變對于對流性降水也有影響。

(2)局地環(huán)流的變化。地表水分的水平差異是影響局地低層大氣中風(fēng)場的水平和垂直結(jié)構(gòu)的重要因子之一。植被覆蓋地表與干旱裸地之間的差異以及大面積灌溉地與干旱裸地之間的差異，可以引發(fā)出與海陸風(fēng)環(huán)流相同量級的風(fēng)速。植樹造林和大面積灌溉等人類活動均可產(chǎn)生中尺度環(huán)流，具有潛在影響和改變局地氣候的能力。

(三)熱帶雨林破壞與氣候異常

熱帶雨林是陸地上物種最多、最穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，在地球演化的進(jìn)程中具有極其重要的作用。它在維持區(qū)域水熱平衡、促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)、維持全球氣候形式、供應(yīng)氧氣、保護(hù)生物多樣性、凈化空氣、為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供原料等方面對人類作出了難以估量的貢獻(xiàn)。有人認(rèn)為，熱帶雨林經(jīng)光合作用固定的CO₂數(shù)量是整個陸地固碳量的25％。因而大肆破壞熱帶雨林必然會導(dǎo)致大氣中CO₂含量的升高，進(jìn)而引起全球變暖。濫伐森林對氣候的影響主要是地表反射率增高，從而使近地層地-氣系統(tǒng)的能量收支平衡關(guān)系產(chǎn)生變化。一般熱帶雨林的反射率為0.07，當(dāng)其完全消失后則為0.25。

亞馬孫河流域曾擁有世界2/3的熱帶雨林以及30％的陸地生物資源，其河水流量比密西西比河大11倍，是一個巨大的淡水資源寶庫。巴西科學(xué)家推算該流域50％的降水是由原始森林產(chǎn)生的。所降下的雨量中約有一半?yún)R入大西洋，另一半被土壤吸收。土壤中的水分再通過葉面蒸騰返回大氣，構(gòu)成水分循環(huán)中的重要一環(huán)。

(四)區(qū)域尺度灌溉的綠洲效應(yīng)

對干旱及半干旱土地進(jìn)行灌溉可使土壤熱容量增大、水汽蒸發(fā)量增多，從而減小晝夜溫差，提高空氣濕度，形成與沙漠中綠洲相似的氣候效應(yīng)——“綠洲效應(yīng)”(Oasis Effect)。大規(guī)模灌溉可使區(qū)域甚至全球氣候發(fā)生變化。N.Rosin等曾報道了烏茲別克的對比觀測結(jié)果：灌溉條件良好的Pakhta－Aral地區(qū)0.2～2m高度范圍內(nèi)的氣溫比周圍半沙漠地區(qū)低3～5℃，相對濕度高25％以上，表面上土壤溫度低13～15℃。這種綠洲效應(yīng)的影響一直到200m上空仍清晰可辨。

Budyko認(rèn)為綠洲效應(yīng)引起地表反射率減小的平均幅度在10％以上，而1％的地表反射率即可導(dǎo)致地面平均溫度改變2.3℃。2000年全球灌溉用水大約為3100km³，由此引起的云量、降水及地－氣系統(tǒng)輻射收支的改變，將對全球氣候產(chǎn)生不可忽視的影響。

生物圈與大氣圈的相互作用是地球環(huán)境科學(xué)中最重要的研究課題之一。一些學(xué)者已對生態(tài)系統(tǒng)與氣候系統(tǒng)的相互作用進(jìn)行了數(shù)值模擬，比如BATS(Dickinson R.E.，et al.，1993)以及SiB(Seller P.J.，1996)，但至今似乎仍停留在起步階段。

(五)海洋石油污染的“荒漠化”效應(yīng)

幾乎所有的污染物都可通過人工傾倒、船舶排放、戰(zhàn)爭破壞、石油開采等途徑進(jìn)入海洋。目前，全球每年倒入海洋的廢棄物多達(dá)2×10¹⁰t，每年泄入海洋的石油約占全球石油總產(chǎn)量的0.5％。此外，陸源性污染、海上漏油、海底油田井噴等都會引起嚴(yán)重的海洋石油污染。日本近海、地中海(尤其是意大利)常常是全球海洋石油污染最嚴(yán)重的海域。

在海面上擴(kuò)展的石油阻斷了海－氣之間O₂以及其他物質(zhì)、能量的交換。海洋生物會因海水缺氧而窒息、中毒死亡。當(dāng)海鳥接觸到漂浮在海面上的油膜后，羽毛就會被粘住而不能飛翔。海洋動物若吞食了那些吸收了石油烴類的蜉蝣生物和藻類，或通過呼吸、飲水等途徑將石油帶入體內(nèi)，則可能導(dǎo)致畸形或死亡。海水中如含有1％的柴油乳化液，海藻幼苗的光合作用將被完全阻斷。一旦海區(qū)被石油嚴(yán)重污染，海洋生物需經(jīng)過5～7年才能重新繁殖(李愛貞、劉厚風(fēng)、張桂芹，2003)。

密度小于海水的石油進(jìn)入海洋后會漂浮在海面并逐漸擴(kuò)大。每升石油擴(kuò)展后的面積可達(dá)1000～10000m²。這些銀白色的油膜層能抑制海水蒸發(fā)，使海面空氣干燥，并阻礙潛熱的轉(zhuǎn)移。從而使海面溫度升高，加劇氣溫的月、年變化，削弱海洋對氣候的調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致降水減少，天氣異常，顯著地改變下墊面的性質(zhì)，特別是在比較閉塞的海面，如地中海、波羅的海、波斯灣和日本海等。它一旦出現(xiàn)在相對閉塞的海域，反應(yīng)往往要比開闊的洋面更為強(qiáng)烈。地中海作為歐洲濕潤氣候與非洲干熱氣候的過渡帶在氣候?qū)W上具有重要意義，“海洋荒漠化”(Marine Desertification)效應(yīng)一旦使地中海的過渡緩沖作用喪失，歐洲與非洲之間氣候要素的不連續(xù)性現(xiàn)象將加劇，地中海上空的鋒面活動將變得頻繁，從而可能導(dǎo)致異常氣候的產(chǎn)生。如果任憑海上石油污染繼續(xù)發(fā)展下去，不但會給全球氣候造成巨大的沖擊，還將給海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來災(zāi)難。