气候系统的反馈机制
气候系统是一个复杂的系统,包括各个分量之间的相互作用,例如,既包括大气、海洋、陆地、冰雪之间的相互作用,还涉及物理、化学和生物等过程。当其中一个分量发生变化时,这些相互作用将引起其他分量发生变化,并反馈给最初的变化,从而造成更大的变化。目前所关心的主要反馈过程包括:水汽正反馈、冰-雪反照率正反馈、云-辐射的反馈等。
水汽正反馈指的是,CO2增加导致地面和大气温度增加,造成更多的地表(海洋)液态水蒸发进入大气层,因为水汽本身也是温室气体,水汽的增加将使得地表和大气温度升高更多,从而导致更多的液态水蒸发进入大气层,产生更强的增温,从而构成一个正反馈的过程。例如,如果大气是干空气,单纯的CO2加倍造成的地面增温大约是1.1K,如果考虑水汽的正反馈,则CO2加倍造成的地面增温将是5.2K。
冰和雪的反照率比陆地和洋面大得多,洋面对太阳辐射的反照率一般小于0.1,陆地的反照率通常小于0.2,而冰的反照率一般大于0.6,雪的反照率大于0.8。因此,冰和雪覆盖面积的变化将造成地表接收太阳辐射能量的巨大变化。如果温度升高造成冰-雪覆盖面积减少,地表反照率将减少,地表接收太阳辐射增加,地表温度升高,从而造成冰-雪覆盖面积进一步减少,温度进一步升高,构成一个正反馈机制。以地球历史气候的长期变化为例,在冰川期和间冰期之间的气候转化过程中,冰-雪反照率正反馈起着至关重要的作用。以现代气候变化为例,北极附近的变暖比全球其他地方的变暖幅度大得多,这也是因为北冰洋的海冰和周边的雪盖的正反馈在起作用。
地表对太阳辐射的平均反照率大约只有0.15。但全球的天空平均大约有60%是被云层覆盖的,正是云层的覆盖,地球的行星反照率实际是大约0.3.相对于水汽和冰-雪反照率正反馈,云-辐射的反馈作用则比较复杂,因为低层的液态水云主要反射太阳辐射,降低地表温度,而高层的冰晶云则允许太阳辐射透过,阻挡地球的红外辐射,具有温室效应。另外,云量的测定也是一件困难的事情。因此,确定云-辐射反馈的强度和正负符号是非常困难的。云-辐射反馈是气候变化研究中最不确定的因素之一。