南極博物館
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現(xiàn)代氣候變化的敏感區(qū)
從南極地區(qū)冰巖芯和湖底沉積樣品中提取古氣候資料的信息，為研究現(xiàn)代氣候變化提供了科學(xué)背景條件，有助于預(yù)告未來(lái)氣候演變。例如，我們從南極東方站冰巖芯樣品分析得到南極歷史氣溫變化曲線中可以看出，近16萬(wàn)年來(lái)，南極內(nèi)陸氣溫變化似乎有一個(gè)很長(zhǎng)的周期。在距今12萬(wàn)年～14萬(wàn)年期間出現(xiàn)的一次高溫期，之后，大約在距今130000年～116000年之間均為低溫期，直到距今10000年后，才出現(xiàn)第二次高溫期，兩高溫期間相距11萬(wàn)年。如果未來(lái)高溫出現(xiàn)與過去歷史相似的變化，則可估計(jì)未來(lái)1萬(wàn)年仍處于高溫期，且高溫?cái)?shù)值與距今12萬(wàn)年～14萬(wàn)年間的情況相近。又如，根據(jù)竺可楨先生(1973)的研究，中國(guó)近5000年氣溫的變化表明:在公元前3000年至公元1000年間，中國(guó)氣溫雖有波動(dòng)，但基本上均比當(dāng)今氣溫高(正距平值約為1℃～2℃)；在公元1000年至1910年910年中，氣溫均比當(dāng)今低約1℃；自1910年起，氣溫開始出現(xiàn)正距平。如果根據(jù)歷史氣候變化來(lái)推測(cè)未來(lái)氣溫變化的話，至少在公元2000年前均應(yīng)為高溫時(shí)段。
然而，未來(lái)氣候的變化不一定都能按照過去歷史演變過程而相似地進(jìn)行，有時(shí)甚至完全相反。這是因?yàn)�，要用歷史氣候演變來(lái)推斷未來(lái)氣候變化，只有當(dāng)未來(lái)氣候變化恰恰與歷史演變過程相似時(shí)才有可能。然而，氣候演變過程復(fù)雜多樣，它受著若干因素的影響，而且這些因素之間又是相互作用、相互影響的，這就使得推測(cè)未來(lái)氣候變化的難度增大。
那么，未來(lái)氣候的變化過程主要受什么因素影響呢？
大家知道，氣候變化的驅(qū)動(dòng)力是太陽(yáng)能。地球吸收太陽(yáng)輻射，其中大約三分之一被反射回太空，其余的被地球及其周圍大氣（稱作地-氣系統(tǒng)）所吸收；地-氣系統(tǒng)從太陽(yáng)輻射中吸收的能量應(yīng)當(dāng)通過別的方式再發(fā)射回太空去，且發(fā)射的能量應(yīng)基本上與吸收的相當(dāng)。然而，在地-氣系統(tǒng)中，有些因子能夠改變地-氣系統(tǒng)吸收發(fā)射輻射能量的能力，這就叫做對(duì)太陽(yáng)輻射能的強(qiáng)迫力，也就是影響氣候變化的外因之一。例如，由于地球表面的沙漠化和森林被破壞等原因，使得地球表面陸地的反射率增加，減少地球?qū)μ?yáng)輻射能的吸收，改變了地-氣系統(tǒng)的太陽(yáng)輻射能收支狀況，從而影響氣候變化。又如，1990年～1991年的中東戰(zhàn)爭(zhēng)后，連綿持續(xù)的石油大火與濃煙，嚴(yán)重改變了中東上空的大氣成分，阻斷了太陽(yáng)輻射能向地表發(fā)射，致使地面氣溫比正常情況低10℃左右。
影響氣候變化的更重要的外部強(qiáng)迫力是溫室效應(yīng)。什么叫溫室效應(yīng)呢？根據(jù)太陽(yáng)輻射波的長(zhǎng)短不同，可分為短波太陽(yáng)輻射和長(zhǎng)波太陽(yáng)輻射。短波太陽(yáng)輻射的能量不易被大氣吸收，但長(zhǎng)波輻射的能量卻易被幾種微量氣體（如，水汽，二氧化碳，甲烷，一氧化二氮及氟氯烴）吸收。當(dāng)太陽(yáng)輻射到達(dá)地表時(shí)，地表吸收其能量而增溫，之后，再以長(zhǎng)波輻射向大氣發(fā)射，大氣中的微量氣體吸收這種長(zhǎng)波輻射后增溫，并且再向地表發(fā)射長(zhǎng)波輻射，使近地面大氣升溫，這種現(xiàn)象就叫溫室效應(yīng)，這些微量氣體又叫溫室氣體。打個(gè)比方，這些溫室氣體的作用像溫室的玻璃一樣，既能吸收太陽(yáng)和地球表面發(fā)射的長(zhǎng)波輻射能，又能把吸收到的這些長(zhǎng)波輻射能反射到地球表面，升高氣溫。
除此以外，氣候本身也會(huì)變化，這就是氣候變化的內(nèi)因。例如，占全球表面70%以上的海洋，它和全球大氣間長(zhǎng)期的相互作用變化也能引起氣候變化；又如，地-氣系統(tǒng)自身的不斷變化也會(huì)影響氣候，諸如極地冰覆蓋面積變化對(duì)氣候影響，青藏高原雪覆蓋變化對(duì)氣候的作用，等等。
另外，影響氣候變化的內(nèi)因與外因之間也會(huì)有相互作用。例如，南極大陸周圍冰覆蓋面積的變化（內(nèi)因），必然影響太陽(yáng)反照率，從而強(qiáng)迫改變了太陽(yáng)輻射平衡值變化；再如，溫室氣體增加，使得氣候變暖（外因），促使南極大陸及其四周的冰消融，改變地-氣系統(tǒng)內(nèi)的地表狀態(tài)（內(nèi)因）。
看來(lái)，影響現(xiàn)代氣候變化的因素復(fù)雜多變，且各因素之間相互作用巨大，增加了預(yù)測(cè)氣候變化的難度。
知道了影響氣候變化的主要因素后，再來(lái)說明南極地區(qū)是全球氣候變化的敏感地區(qū)和關(guān)鍵地區(qū)，應(yīng)該比較容易了。
所謂敏感和關(guān)鍵地區(qū)，可從如下幾個(gè)方面來(lái)闡述。
第一，南極地區(qū)的地-氣系統(tǒng)是全球地-氣系統(tǒng)的主要冷源，赤道附近的地-氣系統(tǒng)是全球地-氣系統(tǒng)的主要熱源，兩者遙相呼應(yīng)，組成了全球熱機(jī)的重要部分，是影響全球氣候變化的主要因子。
眾所周知，南極地區(qū)的地-氣系統(tǒng)之所以成為全球地-氣系統(tǒng)的冷源，除了因緯度高而太陽(yáng)輻射弱以外，主要是由于具有廣大的冰雪表面把太陽(yáng)輻射反射回太空中的緣故。然而，氣候?qū)W家們更關(guān)注的是南極地區(qū)冷源強(qiáng)度的變化，即南極地區(qū)海冰面積和海冰性質(zhì)的變化。
首先是南極地區(qū)海冰面積的變化。觀測(cè)表明，南極地區(qū)海冰面積的季節(jié)變化很大。在南極地區(qū)，2月（夏季）面積最小，約300萬(wàn)平方公里；9月～10月（冬季）面積最大，約2000萬(wàn)平方公里。極區(qū)海冰的年際變化以南極地區(qū)為顯著。近10多年的衛(wèi)星資料表明，冬季，南極海冰面積于1974年最小，1977年最大，兩者相差約400萬(wàn)平方公里。
南極地區(qū)海冰面積的大小從兩方面來(lái)影響氣候的變化。第一，改變南極地區(qū)的海-冰-氣熱量和水汽交換。這是因?yàn)椋１采w面積大時(shí)，南極地區(qū)海域的水面減小，從海洋向大氣輸送的熱量和水汽減少；反之，水面增大，海洋向大氣輸送的熱量和水汽增加。第二，改變南極地區(qū)下墊面對(duì)太陽(yáng)輻射熱量的吸收。這是因?yàn)�，冰面的反照率要比水面的反照率高得多，海冰覆蓋面積大時(shí)，南極地區(qū)海面吸收太陽(yáng)輻射小，反之，吸收太陽(yáng)輻射大。
以1974年和1977年冬季為例，取海冰平均厚度為1米，則上述兩年南極海冰量相差為4×1012噸，其結(jié)冰時(shí)釋放出的熱量可達(dá)13.35×1020焦耳，若以其加熱3400萬(wàn)平方公里面積(即1974年海冰面積與南極大陸面積之總和)上100百帕層(約16.5公里高度)以下的大氣，可使整層大氣升溫4.3℃，即，1974年秋結(jié)冰過程中釋放出的熱量加熱整層大氣的結(jié)果要比1977年秋的升溫高出4.3℃。
上述不同的加熱狀況，應(yīng)該在相應(yīng)的氣壓場(chǎng)和溫度場(chǎng)上有反映。1974年9月，在南半球海平面圖上，在南極地區(qū)，海平面氣壓距平值為負(fù)，中心值達(dá)-8hPa(圖a)，即海平面氣壓比常年低；在離地約3000米高度上，南極地區(qū)的氣溫比常年高出2℃以上。相反，在1977年9月，在南極地區(qū)，海平面氣壓比常年高出2hPa，在離地約3000米高度上，南極地區(qū)氣溫比常年低2℃～8℃。
其次，是南極地區(qū)海冰物理特性的變化。
多年冰和一年冰（新冰）在與大氣熱量交換中的差異。據(jù)觀測(cè)，新冰（一年冰）在生成期間由于結(jié)晶而產(chǎn)生的月平均熱通量（33.50W/m2）約為多年冰月平均熱通量（12.95
W/m2）的2倍～3倍。統(tǒng)計(jì)表明，南極地區(qū)的冰多屬一年冰（約占80%）。根據(jù)衛(wèi)星資料統(tǒng)計(jì)，南極地區(qū)一年冰的面積約為16×106km2，多年冰的面積約為4×106km2。粗算起來(lái)，南極冰區(qū)與大氣的熱量交換約為587.8×1012W，它為考慮海洋-大氣相互作用的數(shù)值模式提供了一個(gè)重要的物理參數(shù)。
不同厚度的冰在與大氣熱量交換中的差異。觀測(cè)研究表明，在冰的厚度為1厘米～100厘米時(shí)，海冰與大氣間的熱量交換變化最大。其中，通過冰層的熱通量由500
W/m2減小到50 W/m2，變動(dòng)10倍；冰面上的感熱交換由330
W/m2幾乎減小為零；潛熱交換由70 W/m2減小到零；后兩者變化更大。然而，當(dāng)冰厚度越過100厘米后，各種熱通量的變化就很小了。
上述結(jié)果提示我們，準(zhǔn)確掌握南極地區(qū)冰厚度的分布以及冰厚度隨時(shí)間變化的資料，非常必要。假設(shè)在南極地區(qū)的某一年中，厚度為10厘米的冰的分布面積變動(dòng)10%，即2.04×1012m2，則通過冰層的熱通量將變化510×1012W�？梢�，南極地區(qū)冰厚度分布的變化遠(yuǎn)比一年冰分布面積的變化更為重要。
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