气候与气候变迁对自然科学基础的影响

气候与天气有密切的联系，但又属于两个不同的概念。天气指某地区时刻在变化的冷、热、干、湿、风、云、雨、雾等大气状况。气候则是指某地区多年时段大气的一般状态，是该时段各种天气过程的综合表现。一个地方的气候，总是通过各气候要素（如温度、降水、风等）的特征值来反映出来的。

（一）气候的成因

地球上不同的地域有不同的气候，它是在太阳辐射、大气环流、下垫面的影响下形成的多年天气状况的综合。

1.辐射因素

太阳辐射是地面和大气热能的源泉。而太阳辐射是受纬度所制约的，赤道获得的热量最多，随纬度的增高而减少，两极获得的热量最少。因此，远离赤道地区的气候要比靠近赤道地区冷得多。从赤道到两极依次出现热带、温带和寒带。

2.大气环流因素

大气环流在气候形成过程中具有重要的意义。从全球来看，大气环流促进不同纬度和海陆间热量和水分的交换，造成地区之间水热条件的相互影响，而不是单纯只受当地太阳辐射和地理条件的作用，缩小了因纬度分布不均而产生的差异性。我国大部分地区呈现的冬季寒冷干燥、夏季高温多雨，就是在一定的大气环流条件下形成的。

3.下垫面因素

下垫面是大气的主要热源和水源，又是低层空气运动的边界面，因此，它对气候的影响十分显著。下垫面因素对气候形成的影响表现在海陆分布、地形和洋流上。由于海洋和大陆具有不同的热力学特性，如容积热容量、导热率等海洋与陆地显著不同，因而海洋和大陆在气候上差异很大，形成不同的气候类型，可分为海洋性气候和大陆性气候；地势对气候形成的影响在于海拔高低，海拔高，太阳直接辐射增强，散射辐射降低，温度降低，湿度减小；而不同的地形也对气候有不同的影响，高原对气候的影响十分明显；此外，洋流对气候的影响也是因热量而成，海洋是地球表面热量的重要贮藏地。

（二）气候带

周淑贞（1938—）以斯查勒气候分类法为基础，并加以适当修改，将全球气候分为3个气候带16个气候型，另列高地气候一大类。

1.低纬度气候

低纬度气候主要受赤道气团和热带气团所控制。影响该气候的主要环流系统有赤道辐合带、瓦克环流、信风、赤道西风、热带气旋和副热带高压。气温全年皆高，最冷月平均气温在15℃以上，全年水分蒸散量在130 cm以上。本带可分为5个气候型，其中热带干旱与半干旱气候型又可划分为3个亚型。

（1）赤道多雨气候

分布于赤道及其南、北纬5°～10°以内，主要指非洲扎伊尔河流域、南美亚马逊河流域和亚洲与大洋洲间的从苏门答腊岛到伊里安岛一带。这里全年正午太阳高度都很大，因此，长夏无冬，年均气温在25～30℃。气温年较差极小，平均不到5℃，日较差较大，可达6～12℃，日较差远大于年较差，真所谓“一天有四季”。由于全年皆在赤道气团控制下，风力微弱，以辐合上升气流为主，多雷阵雨，因此，全年多雨，无明显的干季，年降水量在1000～2000 mm。

（2）热带海洋性气候

分布在南北纬10°～25°之间。全年盛行热带海洋气团，气候具有海洋性，最热月平均气温在28℃左右，最冷月平均气温在18～25℃之间，气温年较差和日较差皆小。由于东风（信风）带来湿热的海洋气团，所以，除对流雨、热带气旋雨外，还有地形雨，降水量充沛。年降水量在1000 mm以上，一般以5—10月较集中，无明显变化。

（3）热带干湿季气候

分布在南、北纬5°～25°之间。这里当正午太阳高度较小时，位于信风带下，受热带大陆气团控制，盛行下沉气流，为干季。当正午太阳高度较大时，赤道辐合带移来，有潮湿的辐合上升气流，是为雨季。一年中至少有1～2个月为干季。湿季中蒸散量小于降水量。全年降水量在750～1600 mm之间，降水变率很大。全年高温，最冷月平均气温在16～18℃之间；干季之末，雨季之前，气温最高，是为热季。

（4）热带季风气候

分布在纬度10°到回归线附近的亚洲大陆东南部，如我国台湾南部、雷州半岛和海南岛，中南半岛，印度半岛大部，菲律宾，澳大利亚北部沿海等地。这里热带季风发达，一年中风向的季节变化明显。在热带大陆气团控制时，降水稀少。而当赤道气团控制时，降水丰沛，又有大量的热带气旋雨，年降水量多，一般在1500～2000 mm，集中在6—10月（北半球）。全年高温，年平均气温在20℃以上，年较差在3～10℃，春秋季极短。

（5）热带干旱与半干旱气候

分布在副热带及信风带的大陆中心和大陆西岸。在南、北半球各约以回归线为中心向南北伸展，平均位置大致在纬度15°～25°之间。因干旱程度和气候特征不同，可分为热带干旱气候、热带（西岸）多雾干旱气候和热带半干旱气候三个亚型。

2.中纬度气候

这里是热带气团和极地气团相互角逐的地带。影响气候的主要环流系统有极锋、盛行西风、温带气旋和反气旋、副热带高压和热带气旋等。该地带一年中辐射能收支差额的变化比较大，因此，四季分明，最冷月的平均气温在15℃以下，有4～12个月平均气温在10℃以上。全年可能的蒸散量在130～52.5 cm之间。天气的非周期性变化和降水的季节变化都很显著。再加上北半球中纬度地带大陆面积较大，受海陆的热力对比和高耸庞大地形的影响，使得本带气候更加错综复杂。本带共分8个气候型。

（1）副热带干旱与半干旱气候

分布在热带干旱气候向高纬度的一侧，约在南北纬25°～35°的大陆西岸和内陆地区。它是在副热带高压下沉气流和信风带背岸风的作用下形成的。因干旱程度不同可分为副热带干旱气候与副热带半干旱气候两个亚型。

（2）副热带季风气候

分布于副热带亚欧大陆东岸25°～40°一带。这里是热带海洋气团与极地大陆气团交织角逐的地带，夏秋季节又受热带气旋活动的影响，因此夏热湿、冬温干，最热月平均气温在22℃以上，最冷月平均气温在0～15℃，气温年较差在15～25℃。降水量在1000 mm以上。夏雨较集中，无明显干季。四季分明，无霜期长。

（3）副热带湿润气候

分布于南北美洲、非洲和澳大利亚大陆副热带东岸，约南北纬20°～35°。冬季受极地大陆气团的影响，夏季受海洋高压西缘流来的潮湿海洋气团的控制。由于所处大陆面积小，未形成季风气候。冬夏温差比季风区小，降水的季节分配比季风区均匀。

（4）副热带夏干气候（地中海气候）

分布于副热带大陆西岸30°～40°之间的地带。这里受副热带高压季节移动的影响，在夏季正位于副热带高压中心范围之内或在其东缘，气流是下沉的，因此，干燥少雨，日照强烈。冬季副热带高压移向较低纬度，这里受西风带控制，锋面、气旋活动频繁，带来大量降水。全年降水量在300～1000 mm。冬季气温比较暖和，最冷月平均气温在4～10℃。因夏温不同，分为凉夏型和暖夏型两个亚型。

（5）温带海洋性气候

分布在温带大陆西岸40°～60°的地带。这里终年盛行西风，受温带海洋气团控制，沿岸有暖洋流经过。冬暖夏凉，最冷月平均气温在0℃以上，最热月平均气温在22℃以下，气温年较差小，约为6～14℃。全年湿润有雨，冬季较多。年降水量在750～1000 mm，迎风山地可达2000 mm以上。

（6）温带季风气候

分布在亚欧大陆东岸35°～55°的地带。这里冬季盛行偏北风，寒冷干燥，最冷月平均气温在0℃以下，南北气温差别大。夏季盛行东南风，温暖湿润，最热月平均气温在20℃以上，南北温差小。气温年较差比较大，全年降水量集中于夏季，降水分布由南向北、由沿海向内陆减少。天气的非周期性变化显著，冬季寒潮爆发时，气温在24 h内可下降10℃甚至20℃以上。

（7）温带大陆性湿润气候

分布在亚欧大陆温带海洋性气候区的东侧，北美100°W以东的温带的地区。冬季受极地大陆气团控制而寒冷，有少量气旋性降水。夏季受热带海洋气团的侵入，降水量较多，但不像季风区那样高度集中。这里季节鲜明，天气变化剧烈。

（8）温带干旱与半干旱气候

分布在35°～50°N的亚洲和北美洲大陆中心部分。由于距离海洋较远或受山地屏障，受不到海洋气团的影响，终年都在大陆气团的控制下，因此气候干燥，夏热冬寒，气温年较差很大。因干旱程度不同可分为温带干旱气候和温带半干旱气候两个亚型。

3.高纬度气候

高纬度气候带盛行极地气团和冰洋气团。冰洋锋上有气旋活动。这里地气系统的辐射差额为负值，所以气温低，无真正的夏季。空气中水汽含量少，降水量小，但蒸发弱，年可能蒸散量小于52.5 cm。本带可分为三个气候型。

（1）副极地大陆性气候

分布在北纬50°～65°的地区，在北美洲自阿拉斯加到纽芬兰，在亚欧大陆从斯堪的纳维亚半岛北部到远东地区的北部。年蒸发量在35～52.5 cm之间。冬季长，一年中至少有9个月为冬季，冬温极低。夏季白昼时间长，7月平均气温在15℃以上，气温年较差特大。全年降水量甚少，集中于暖季降落，冬雪较少，但蒸发弱，融化慢，每年有5～7个月为积雪覆盖，积雪厚度在600～700 mm，土壤冻结现象严重。由于暖季温度适中，又有一定降水量，适宜针叶林生长。

（2）极地苔原气候

分布在北美洲和欧亚大陆的北部边缘、格陵兰沿海的一部分和北冰洋中的若干岛屿中。在南半球则分布在马尔维纳斯群岛（福克兰群岛）、南设得兰群岛和南奥克尼群岛等地。年蒸发量小于35 cm。其纬度位置已接近或位于极圈以内，所以极昼和极夜现象已很明显。全年皆冬，最冷月平均气温在-20～40℃之间。最热月平均气温在1～5℃左右。在冰洋锋上有一定降水，一般年降水量在200～300 mm。在内陆地区尚不足200 mm，大都为干雪，暖季为雨或湿雪。由于风速大，常形成雪雾，地面积雪面积不大。自然植被只有苔藓、地衣及小灌木等，构成了苔原景观。

（3）极地冰原气候

分布在格陵兰、南极大陆和北冰洋的若干岛屿上。这里是冰洋气团和南极气团的源地，全年严寒，各月平均气温皆在0℃以下，具有全球的最低年平均气温。一年中有长时期的极昼、极夜现象。全年降水量小于250 mm，皆为干雪，不会融化，长期累积形成很厚的冰原。长年大风，寒风夹雪，能见度低。

4.高原山地气候

高原山地气候是指受高度和山脉地形的影响所形成的一种地方气候。主要分布在高大山地和大高原地区，如喜马拉雅山、青藏高原、南美洲安第斯山等。高大山地，气温随高度增高而降低，气候垂直变化显著，在一定高度内，湿度大、多云雾、降水多；愈向山地上部，风力愈强。

（三）气候的演变

地球上各种自然现象都在不断的变化之中，气候的变迁也不例外，所不同的是气候变迁经历的是大跨度的地质历史时期，科学家通过研究历史气象记录、古文献记载、考古实物、地质地貌现象以及理论推测来再现历史上发生的气候变迁。

1.地质时期的气候变迁

地质时期的气候变化是指距今22亿年至1万年前的气候变化。地质学上的证据显示：在地球整个的自然历史中，至少有9/10的时间是温暖气候所主宰的时代，如古生代早期，从寒武纪起，经奥陶纪、志留纪至泥盆纪，漫长的2.5亿年中，整个中生代至新生代的新第三纪的约2亿多年，气候都是以温暖为优势，当然其中肯定包含间隔着若干个短暂的寒冷时期（冰期）。据研究，地球上曾发生过3次大冰期，分别发生在前寒武纪（距今6亿年前）、石炭纪、二叠纪（距今3.5亿～2.25亿年）和最近200万年以来。冰期期间气候寒冷。大约1万年以前，气候转暖，冰川退缩，地球再次进入了温暖的间冰期。

2.人类历史时期的气候变迁

人类历史时期的气候变化是指1万年左右以来，特别是人类有文字记载以来的气候变化，是近代气候变化的背影。大冰期以后，地球大部分地区的气候在公元前5000—公元前3000年前最为温暖，被认为是冰期以后的气候最适期。当时的海平面比现在高出2～3 m，北冰洋的冰在夏季可能全部溶解；现在非洲的撒哈拉和中东的沙漠带，当时气候比现在要湿润得多。

在公元前900—公元前450年前，即所谓铁器时代的早期，欧洲的气候进入了冷湿时期，阿尔卑斯山的冰川显著扩张；从爱尔兰到德国的许多泥炭层剖面中显示出2500年前在这一广大地区分布着沼泽；北美洲落基山北纬50°以南所发现的现代冰川遗迹大多在这个时期形成。

此后，大致在公元1000—1200年，南、北半球的气候又处于适宜的温暖状态，也被称为“第二个气候最适期”。当时，格陵兰岛南部的气温据推测比现在高4℃左右。由于气候比较适宜，维京人在公元982年移民到格陵兰定居。

公元1430—1850年间，北半球的气候转冷，特别是在1650—1750年间，被称为“小冰期”。伴随着寒冷期气候而来的，是中纬度地带的湿润，雨量的增加，使这一时期里海的水平面较以前和以后几个世纪高出了5 m以上。

1850年以后，气候又出现增温的趋势。随着近、现代科学观测的日趋完善，气候变迁的研究有了可靠的数据基础，气候变迁的科学原理逐渐将被揭示出来。

3.近代气候变化

近代气候变化是指近300年以来的仪器观测时期。随着近代气象观测仪器的出现，已经普遍使用精确的气象观测记录来研究气候变化。

近百年来，我国气候变化的趋势与全球气候变化的总趋势基本一致。全球气候变化的总趋势是从19世纪末到20世纪40年代，世界气温曾出现明显的波动上升现象。这种增温现象到20世纪40年代达到顶点。此后，世界气候有变冷现象。进入20世纪60年代，高纬度地区气候变冷的趋势更加显著。进入20世纪70年代，世界气候又趋变暖，到20世纪80年代，世界气温增温的现象更加明显。

近百年来的气象资料表明，我国气候变化的趋势为气温上升0.4～0.5℃，略低于全球平均的0.6℃；我国20世纪90年代是近百年来最暖的时期之一，但尚未超过20世纪20—40年代的最暖时期。我国气候存在着大约30年左右的周期性变化，20世纪20—40年代为30年左右的暖周期，50—70年代为30年左右的冷周期，80年代以来又转入暖周期。

4.气候变化的原因

气候的形成和变化受多种因素的影响和制约，大气环流、成分和下垫面是气候系统的两个主要组成部分，太阳辐射和宇宙-地球物理因子则是外界因素。太阳辐射和宇宙-地球物理因子都是通过大气和下垫面来影响气候变化的。人类活动既能影响大气和下垫面，从而使气候发生变化，又能直接影响气候，在大气和下垫面间，人类活动和大气及下垫面间，又相互影响、相互制约，这样形成重叠的内部和外部反馈关系，从而使同一来源的太阳辐射影响不断地来回传递、组合、分化、发展。在这种长期的影响传递过程中，太阳辐射又出现许多新变动，它们对大气的影响与原有的变动所产生的影响叠加起来，交错结合，以各种形式表现出来，使地球气候的变化非常复杂。