气候研究进展和二十一世纪发展战略.doc
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气候研究进展和二十一世纪发展战略,页数：3字数：7219摘要 简要回顾了近几十年来气候研究的发展，较为深入地探讨了其深层次原因，指出气候系统概念的提出、对气候多平衡态和气候突变现象的发现以及对人类活动已成为推动气候系统变化的强迫力的认识是气候研究取得突破性进展的关键。指出对气候和全球变化的适应问题的研究是上世纪九十年...
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气候研究进展和二十一世纪发展战略
页数：3 字数：7219
摘要 简要回顾了近几十年来气候研究的发展，较为深入地探讨了其深层次原因，指出气候系统概念的提出、对气候多平衡态和气候突变现象的发现以及对人类活动已成为推动气候系统变化的强迫力的认识是气候研究取得突破性进展的关键。指出对气候和全球变化的适应问题的研究是上世纪九十年代气候研究新生的重要方向。展望二十一世纪，气候研究在全球系统的观测，海量资料的分析及对机理认识的深化和模式的发展方面都将会有所突破。同时，在气候研究的应用领域，如对全球变化影响的适应与可持续发展方面、人类有序活动与人工调节气候方面取得实质性的进展。 一、引言 气候总是在不断的变化中。大量的观测事实表明上一世纪的气候变化并不是历史上发生过的最为激烈的变化，但上一世纪的气候变化确实具有历史气候变化所未曾有过的特点，如人类活动释放的温室气体使大气CO2浓度迅速地达到了42万年以来未曾有过的最高点[1]，而且将在本世纪不可避免地继续上升，而人类社会本身受气候变化的影响似乎也达到了有史以来未曾有过的深度和广度。问题是未来会怎么样？ 这不是一个可以简单回答的问题。但值得注意的是，近几十年来气候研究取得了明显的进展，为研究未来气候变化奠定了坚实的基础。这些进展主要表现为：随着观测技术的进步和资料的积累，一些重要气候（变化）现象被揭示，如季节尺度上的大气遥相关型[2]，ENSO现象〖3，4，5〗，广泛存在于各种气候系统（季风、北大西洋涛动NAO等）的年代际变化〖6，7，8〗，气候突变现象〖9，10〗，以及更长时间尺度上的新仙女木事件（Younger Dryas）〖11〗、Heinrich 事件〖12〗和Dansgaard-Oeschger 循环〖13〗等。这些发现极大地丰富了人们对气候变化复杂性的认识。同时伴随动力学理论的进步、计算技术和数值模式的发展，对气候变化规律和成因的认识明显深化，而气候模式已从单纯的大气模式发展到海陆气耦合模式，其功能从敏感性分析发展到实际的气候预测。在由世界气象组织和联合国环境署设立的政府间气候变化专业委员会（IPCC）组织编写的历次评估报告中〖14，15，16〗，较为全面地反映了气候变化研究各方面的进展和成就，IPCC报告本身也推动了气候变化研究的深入。 上面提到的进展和成就虽然重要，但本文不具体地讨论这些成就，而是希望探究一下所以能出现这些成就的深层原因，提出带动气候研究全面进步的突破性的进展，继而指出近十年来在气候研究上出现的一些新的方向，最后提出一些二十一世纪气候研究方向性的问题。 二、 几十年来气候研究突破性的进展 近几十年来气候研究有几项突破性的进展，它们在各个方面带动了气候研究。一次是上世纪70年代气候系统概念的提出〖17〗，它使气候走出了当时以大气为主海洋为辅的圈子，进入了地球系统，这不仅使气候研究领域大大扩充，更重要的是指出了气候变化的深层原因；二次是上世纪80年代发现了人类活动也可以使气候发生变化〖18〗；第三是发现了气候可以有一种以上的比较稳定的状态（即变化缓慢，强度也小），由一种稳态到另一种稳态的转变往往在较短的时间里发生，这就是气候突变〖9，10〗，气候突变对人类生存环境有重大影响。 1、 气候系统概念的出现 在1974年国际气象组织（WMO）和国际科学联盟（ICSU）联合召开的国际讨论会上，提出了气候系统的概念〖17〗。气候系统由大气、水、冰雪、岩石、生物等5个圈层组成，实际上也就是后来地球系统概念的雏形。这些子系统有着非常复杂的非线性相互联系，任何一个子系统发生变化，其它子系统都将发生相互制约的改变，从而引起各种时间和空间尺度的气候变化，同时各子系统之间的非线性相互作用也决定了气候系统对诸如太阳辐射变化之类的外部强迫的响应方式。 气候系统的概念对人们研究气候变化的机制有非常重大的影响。人们不再把各种时空尺度的气候变化仅仅看作为大气对来自其他圈层强迫的反应。例如南方涛动并不只是大气对海洋强迫的响应，更是大气和海洋之间耦合作用在大气方面的表现和作为整体的海气系统内ENSO现象的一个方面〖19〗；而上世纪60年代中期突然发生的非洲Sahel地区的干旱是和陆地表面与大气之间的反馈有关的〖20〗。 气候系统的概念对气候模式的构造有非常重大的影响。人们认识到一个理想的气候模式应该把5个子系统都耦合起来，这为气候模式跳跃的发展，提供了认识论的基础。气候模式在近几十年内从单纯的大气模式发展到复杂的海陆气耦合模式，其功能从敏感性分析发展到气候变化机理的研究和实际的气候预测，这样巨大的进步从单纯大气的观点出发是不可能得到的。 在气候系统的研究进展中，特别应提到生物圈的重要性。近年来认识到生物圈在包括气候在内的全球环境中的作用远比过去想象的重要。如它是地球表面（包括海洋和陆地）与大气之间的物质交换过程一个重要媒介；它对大气成份（如温室气体）变化有重大作用〖21〗；它对地球上的水循环过程也起重要作用，而这些都是和气候变化有直接联系的重要因子。 2、 人类活动已成为推动气候系统变化的强迫力 上世纪80年代中期出现了全球变化的研究〖22〗。在全球变化的研究中尤其提到了人类活动的重要性，明确指出它对包括气候在内的环境变化的强迫力在十年到百年尺度变化上已和自然界相当或过之。由于人类在社会和经济活动等诸多方面的活动彼此关联，其影响可以散布到地球各子系统，因此人类活动可以从多方面影响气候变化，气候变化反过来又会影响人类活动。因此出现了自然科学和社会科学的交叉。 人类活动中直接影响气候和其它环境的活动可以归结为两个主要方面，一个是温室气体和气溶胶的排放，一个是对地表状态的改变。前者通过大气化学和物理过程对气候变化产生影响，后者则通过陆面物理和生物过程影响气候变化。由此人们认识到不同时间尺度的气候变化并不只是物理过程的结果，而是由物理过程、化学过程和生物过程三者的相互作用引起的。值得提出的是，近年来生物地球化学循环研究在观测和模式方面取得了很大进展〖23，24，25〗，为生物地球化学循环模式和气候模式的耦合提供了基础。 3、 气候的多稳态特征和气候突变 众多研究发现气候有一种以上不同的稳定状态，当气候处于某一稳定状态时，气候的变化比较缓慢，其变幅也比较小。当系统受到的扰动超过某种阈值，它会在相对较短的时间里，由一种稳态变到另一种稳态，而产生气候突变。气候突变对人类生存环境有重大影响。气候突变可以是全球性的，也可以是区域性的，并且存在于不同的时间尺度。全球性气候稳态变化发生过多次，如一万年前后的新仙女木（Younger Dryas）事件；5千年以前的大暖期；十六、十七世纪的小冰期等，都是广为人知的。最近的是二十世纪中期全球平均温度的突然上升。图1是近一千多年来北半球平均温度变化曲线〖26〗，可以看出在过去的千余年里温度一直在微小的变动（稳态）中略有下降，但在20世纪的后半期温度发生剧烈上升（突变），这就是大家知道的全球变暖。大量研究表明，如果没有人类向大气释放的二氧化碳和其它的温室气体，仅自然界过程是不大可能引起这样变化的。气候突变也可以是区域性的。例如20世纪60年代中期北非Sahel地区也出现了一次气候状态的突变，如图2〖28〗。从图2可以看出60年代中该地区降水突然大量减少，造成几十年的干旱，给非洲人民带来严重灾难。实际上这次突变不仅发生在Sahel，而是同时出现于自Sahel向东北直到我国华北的一条长带，也就是亚非季风带〖29〗。图3是北半球各点年降水量与Sahel年雨量自1950年－1980年的相关系数分布图，图中一条的正相关带说明上述情况。实际上我国华北自1960年代中以来也进入少雨干旱时期〖30〗，不过我国的应变能力远强于Sahel，故干旱尚未造成大灾难。图4a，b分别是1958－1964和1967－1976北半球地面气压偏差分布图（相对于1958－1980的平均）〖31〗。从图4看出，从非洲往东到亚洲的亚非季风带在1958－1964为大范围的负偏差，在1967－1976变为正偏差。说明在1960年代中期亚非季风区突然由强变弱，从而产生Sahel地区的灾难〖31〗。 三、 上世纪九十年代新生的气候研究方向 上世纪的后三十年气候研究蓬勃发展，主要都是基础研究方面。但在九十年代中期，除基础研究仍是重点外，研究范围有了新的扩展。面对人口、资源和环境等重大问题的严重压力，科学家们把对气候变化规律的认识用到解决政府和民众最关心的问题，诸如淡水资源、粮食和食品供应、能源以及和气候变化有关的环境退化等。人们关心的不仅是当前的问题，而更忧虑未来会如何，也就是可持续发展问题。人类因素和自然因素引起的气候变化已经导致大范围环境恶化、土地退化、沙漠化和水资源严重短缺等现象，这些都是人类社会可持续发展的障碍。我们面临的一个问题是：人类社会现有的农业、林业、畜牧业的管理体系，水资源管理体系，能源体系以及经济的宏观布局等，都是根据过去积累的气候和环境状态信息和知识制定的。这些体系在气候和环境变化的条件下是否还适用？如何调整这些体系以适应已发生的和未来可能发生的变化，以达到趋利避害的目的，就是人类对气候和环境变化的适应问题。这是一个新的研究方向，是上世纪90年代中期提出来的〖32〗。 四、 二十一世纪气候学的挑战与发展 随着气候学几十年来的飞速发展，也出现了对其进一步发展的挑战。 首先，随着气候系统的出现，就有了对气候系统的5个子系统统一的相互协调的比较长期的观测问题，由于观测记录必定是海量的，如何分析研究这个海量记录并从中得出有创见的结果也是一个大的挑战。 其二，近百年的气候，尤其是全球变暖已对和人类社会发展密切相关的各种环境产生了影响，而且影响将继续下去，甚至加大，人类如何适应它并能持续发展，这是个挑战性的研究。再者人类社会的发展，对气候和其它环境预测的要求会越来越大。人类甚至可以提出这样问题：人类既然已经影响了气候和环境变化，为什么不能在一定程度上，一定区域内改变它们，使之向有益于人类的方向发展。这是更高一层的挑战。 面对上面的挑战，二十一世纪气候学将有以下的发展： 1、 全球系统的观测 气候研究的发展是以气候观测的进步和大量气候资料逐步积累为基础的。如果没有一个世纪以来全球天气观测网累积的长期器测气候资料和用于更长时间尺度气候研究的各种代用资料和对冰芯、树木年轮、黄土、海洋（湖泊）沉积物等的观测，就不可能发现引言中提到的一系列重要的气候现象。尽管对气候系统的观测在过去几十年里已有了巨大的进步，一个立体、动态的监测系统已经初步建立起来，如业已实施的全球气候观测系统（GCOS）〖33〗、全球海洋观测系统（GOOS）〖34〗和陆地生态观测系统（GTOS）〖35〗以及酝酿中的全球古气候观测系统（GPOS）〖36〗，但不同观测手段（如直接观测和遥测）之间的协调、气候系统不同子系统之间的协调、观测的空间覆盖率、海量资料的存储和处理等问题还有待解决。可以预见，人们将可以通过空间遥感监测系统（如卫星等）、地面各种观测系统（如大气、海洋、生态系统）和信息系统，组成地球的总体监测系统，实现对包括气候在内的地球环境及时和长期的立体、动态和高分辨的监测，为认识地球环境的整体行为，预测其未来变化的信息来源和观测提供依据。需要强调的是，全球系统的观测并不是独立于气候系统研究以外的泛泛而论的观测，而应始终以人类面临的重要气候变化问题为导向（problem-oriented）有的放矢地进行。并针对我们对重要过程认识上存在的缺陷，开展一些专门的观测项目。 2、 海量资料的分析及对机理认识的深化 年气候研究的发展有一条重要的经验,那就是以观测为基础，理论研究、资料分析和模式研究诸方面相互依赖和促进。我们已不再局限于对气候现象单纯统计性的描述，而是试图通过对资料的分析并以模式为重要工具对其机理作出解释，如对ENSO、气候的年代际变率、季风等气候和气候变化现象的机理的认识。这对实现对气候变化的预测是至为重要的。 以想象，随着全球系统观测的进一步发展，首先通过对海量地球环境信息的分析研究，并结合模式的进展，对包括气候在内地球系统的理论认识必将进一步深化，并在一些深层次的基本问题上取得突破。可以预期可能出现像上世纪70年代的气候系统和80年代人类活动的影响这样的突破性进展。至于可能出现的突破性进展的性质，现在不能预说。比较具体的预期进展可能有： 对全球性或区域性气候型态的突变机理将有进一步认识。而对其机理已有所认识的气候突变，（如新仙女木的气候突变，人们已认识到是由北大西洋海洋输送带引起的〖37〗），结合观测和气候模式我们可能对像新仙女木这样的气候突变在一定时期是否出现给出定论。 对某些重大气候变化（突变或非突变）前的前期强信号的认识也会有进展； 对引起气候变化的各个气候子系统之间非线性相互作用的认识会取得重大进展；如，对地球基本元素（如碳、氮）循环过程的研究取得大进展，并减小现在对这些过程认识存在的不确定性〖38〗。 更进一步地，随着对气候变化机理认识的深化，对气候变化的预测能力也将大大增强，如可能实现对ENSO循环、季风演变、气候的年际和年代际变化及各种重要的大气涛动（如北大西洋涛动NAO）等较为准确的预报。 3、 模式的进展 量资料的分析研究方面，更重要的在对包括气候在内的环境的预测方面，都离不开数学模型或模式的发展。 气候模式在过去的几十年中已经有了长足的进步，各子系统互相耦合的气候系统模式正在发展中〖39，40〗，但仍有不少的缺陷。这既和观测方面的欠缺造成对一些重要过程(如云-辐射)认识的不足有关，同时也和我们对如此复杂的系统基本规律的理论认识方面的缺乏有关。这使模式无论用于模拟或是用于预测都存在很大的不确定性〖41〗。更重要的是，不确定性还可能是气候系统作为一个非决定论系统的内在特性。 测手段的不断进步和观测系统的不断完善以及有针对性的观测试验的开展，对重要基本过程的认识定能得以深化，从而减小来自我们认识不足带来的不确定性。而即使是作为系统内在性质的不确定性，也有可能随着理论研究的进步而得到某种程度的认识，就象我们现在对传统线性系统无法描述的混沌〖42〗、突变现象的理解一样。 在模式的发展方面，有两点值得特别强调： 一是基于化学和生物过程在气候系统中的重要性，在进一步完善已有物理气候模式的同时，必须发展生物地球化学循环模式，并把二者耦合起来〖43，44〗。 二是发展人与自然相互关系的模式。人们已认识到除自然驱动力外，人类活动已成驱动气候系统变化的一个强迫力，已有一个国际计划（IHDP）正在研究人与自然之间的关系，将之模式化是IHDP的一个目的〖45〗。 在这基础上，二十一世纪里模式的进一步发展目标应当是把物理气候模式，生物地球化学循环模式和人与自然之间关系的模式三者耦合起来。一方面，这个模式将可以用于各种气候变化和各种环境变化的预测；另一方面可以用于各种目的的敏感性实验，如如何调节某一地区的某种气候或环境。不言而喻,这个模式必然异常庞大，很难日常应用，针对不同的目的，还要做相应的简化。 4、 全球变化影响的适应与可持续发展 末期人们已经提出对全球变化（包括气候变化）影响的适应问题，有人更进一步把对全球变化影响的适应与可持续发展联系起来。对全球变化影响的适应，无论是趋利或避害，都必须遵从可持续发展的原则。反之为了可持续发展，必须考虑未来全球变化的影响。针对未来全球变化中某些有比较明确结论的重大环境问题，通过示范区观测、实验、生态建设和有序人类活动的虚拟试验，促进社会科学同自然科学的逐步结合，发展新一代环境工程学。所谓“新一代环境工程学”，就是人类的积极参与下，以当地气候、土壤和水文等自然条件为依据，根据社会经济发展的需要，组织人类有序活动，实施生态环境建设工程。它要达到生态效益，社会效益和经济效益的高度统一，实现人类社会可持续发展的长远目标，并由此建立人类社会对全球变化的适应和可持续发展的理论。现在国际上也正在酝酿“全球可持续发展的全球科学”计划（Global Science for Global Sustainability），此计划初步将以碳循环、食物系统和水资源三者核心问题。 5、 人类有序活动和人工调节气候 次提到人类活动已对气候变化产生了影响，这些影响都是由于人类无序活动产生的，且大都是负面的影响。既然如此，所以最近有人提出了“人类有序活动”的新概念，该文给出了“人类有序活动”的定义，并讨论了如何提倡人类有序活动，以维持一个好的生存环境。这里也可以提出如何提倡人类有序活动以达调节气候的目的。事实上人工调节气候的行动已经开始进行，大范围来说，京都会议讨论各国减排CO2，其目的就是要影响全球变暖。小范围来说，我国提倡退耕还林还草，其目的之一也是为调节局地气候。再有几十年来人工降水的工作，就是人工影响天气的实践。既然实际工作已在进行，科学工作者就应正式提出人工影响天气和调节气候研究作为二十一世纪的一个挑战性的研究计划。可以提出以下几个初步研究： (1) 收集实际资料进行分析，并在实际操作地区（退耕还林还草，封山育林，过渡放牧和已限制过渡放牧地区，大范围灌溉地区等）进行观测； (2) 利用高科技手段观测和模拟产生降水系统发生发展过程，寻找系统的关键过程和它发生的地点和时间，然后研究在关键地区和时间影响它的方法（如对云撒播）； (3) 在缺水或干旱地区，常年寻找有利时机作业，将所得降水储存起来，以备利用； (4) 深入研究人类各种活动（如灌溉、毁林、造林、改良草场、过渡放牧、适度放牧、农业活动等）对局地气候影响，然后研究采取何种人类有序活动，以调节气候。 五、结论 来气候研究在很多方面都取得了很大的发展，而其中气候系统概念的提出、对气候多平衡态和气候突变现象的发现以及对人类活动已成为推动气候系统变化的强迫力的认识是气候研究取得突破性进展的关键。 发展必然伴随挑战，而挑战也将激发更进一步的发展。新的世纪中气候研究在全球系统的观测，海量资料的分析及对机理认识的深化和模式的发展方面都将会有所突破。 同时，在气候研究的应用领域，上世纪九十年代新生的研究方向，即对气候和全球变化的适应问题的研究，在新的世纪中也将得到更大的发展，并在对全球变化影响的适应与可持续发展方面、人类有序活动与人工调节气候方面取得实质性的进展
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摘要 简要回顾了近几十年来气候研究的发展，较为深入地探讨了其深层次原因，指出气候系统概念的提出、对气候多平衡态和气候突变现象的发现以及对人类活动已成为推动气候系统变化的强迫力的认识是气候研究取得突破性进展的关键。指出对气候和全球变化的适应问题的研究是上世纪九十年代气候研究新生的重要方向。展望二十一世纪，气候研究在全球系统的观测，海量资料的分析及对机理认识的深化和模式的发展方面都将会有所突破。同时，在气候研究的应用领域，如对全球变化影响的适应与可持续发展方面、人类有序活动与人工调节气候方面取得实质性的进展。 一、引言 气候总是在不断的变化中。大量的观测事实表明上一世纪的气候变化并不是历史上发生过的最为激烈的变化，但上一世纪的气候变化确实具有历史气候变化所未曾有过的特点，如人类活动释放的温室气体使大气CO2浓度迅速地达到了42万年以来未曾有过的最高点[1]，而且将在本世纪不可避免地继续上升，而人类社会本身受气候变化的影响似乎也达到了有史以来未曾有过的深度和广度。问题是未来会怎么样？ 这不是一个可以简单回答的问题。但值得注意的是，近几十年来气候研究取得了明显的进展，为研究未来气候变化奠定了坚实的基础。这些进展主要表现为：随着观测技术的进步和资料的积累，一些重要气候（变化）现象被揭示，如季节尺度上的大气遥相关型[2]，ENSO现象〖3，4，5〗，广泛存在于各种气候系统（季风、北大西洋涛动NAO等）的年代际变化〖6，7，8〗，气候突变现象〖9，10〗，以及更长时间尺度上的新仙女木事件（Younger Dryas）〖11〗、Heinrich 事件〖12〗和Dansgaard-Oeschger 循环〖13〗等。这些发现极大地丰富了人们对气候变化复杂性的认识。同时伴随动力学理论的进步、计算技术和数值模式的发展，对气候变化规律和成因的认识明显深化，而气候模式已从单纯的大气模式发展到海陆气耦合模式，其功能从敏感性分析发展到实际的气候预测。在由世界气象组织和联合国环境署设立的政府间气候变化专业委员会（IPCC）组织编写的历次评估报告中〖14，15，16〗，较为全面地反映了气候变化研究各方面的进展和成就，IPCC报告本身也推动了气候变化研究的深入。 上面提到的进展和成就虽然重要，但本文不具体地讨论这些成就，而是希望探究一下所以能出现这些成就的深层原因，提出带动气候研究全面进步的突破性的进展，继而指出近十年来在气候研究上出现的一些新的方向，最后提出一些二十一世纪气候研究方向性的问题。 二、 几十年来气候研究突破性的进展 近几十年来气候研究有几项突破性的进展，它们在各个方面带动了气候研究。一次是上世纪70年代气候系统概念的提出〖17〗，它使气候走出了当时以大气为主海洋为辅的圈子，进入了地球系统，这不仅使气候研究领域大大扩充，更重要的是指出了气候变化的深层原因；二次是上世纪80年代发现了人类活动也可以使气候发生变化〖18〗；第三是发现了气候可以有一种以上的比较稳定的状态（即变化缓慢，强度也小），由一种稳态到另一种稳态的转变往往在较短的时间里发生，这就是气候突变〖9，10〗，气候突变对人类生存环境有重大影响。 1、 气候系统概念的出现 在1974年国际气象组织（WMO）和国际科学联盟（ICSU）联合召开的国际讨论会上，提出了气候系统的概念〖17〗。气候系统由大气、水、冰雪、岩石、生物等5个圈层组成，实际上也就是后来地球系统概念的雏形。这些子系统有着非常复杂的非线性相互联系，任何一个子系统发生变化，其它子系统都将发生相互制约的改变，从而引起各种时间和空间尺度的气候变化，同时各子系统之间的非线性相互作用也决定了气候系统对诸如太阳辐射变化之类的外部强迫的响应方式。 气候系统的概念对人们研究气候变化的机制有非常重大的影响。人们不再把各种时空尺度的气候变化仅仅看作为大气对来自其他圈层强迫的反应。例如南方涛动并不只是大气对海洋强迫的响应，更是大气和海洋之间耦合作用在大气方面的表现和作为整体的海气系统内ENSO现象的一个方面〖19〗；而上世纪60年代中期突然发生的非洲Sahel地区的干旱是和陆地表面与大气之间的反馈有关的〖20〗。 气候系统的概念对气候模式的构造有非常重大的影响。人们认识到一个理想的气候模式应该把5个子系统都耦合起来，这为气候模式跳跃的发展，提供了认识论的基础。气候模式在近几十年内从单纯的大气模式发展到复杂的海陆气耦合模式，其功能从敏感性分析发展到气候变化机理的研究和实际的气候预测，这样巨大的进步从单纯大气的观点出发是不可能得到的。 在气候系统的研究进展中，特别应提到生物圈的重要性。近年来认识到生物圈在包括气候在内的全球环境中的作用远比过去想象的重要。如它是地球表面（包括海洋和陆地）与大气之间的物质交换过程一个重要媒介；它对大气成份（如温室气体）变化有重大作用〖21〗；它对地球上的水循环过程也起重要作用，而这些都是和气候变化有直接联系的重要因子。 2、 人类活动已成为推动气候系统变化的强迫力 上世纪80年代中期出现了全球变化的研究〖22〗。在全球变化的研究中尤其提到了人类活动的重要性，明确指出它对包括气候在内的环境变化的强迫力在十年到百年尺度变化上已和自然界相当或过之。由于人类在社会和经济活动等诸多方面的活动彼此关联，其影响可以散布到地球各子系统，因此人类活动可以从多方面影响气候变化，气候变化反过来又会影响人类活动。因此出现了自然科学和社会科学的交叉。 人类活动中直接影响气候和其它环境的活动可以归结为两个主要方面，一个是温室气体和气溶胶的排放，一个是对地表状态的改变。前者通过大气化学和物理过程对气候变化产生影响，后者则通过陆面物理和生物过程影响气候变化。由此人们认识到不同时间尺度的气候变化并不只是物理过程的结果，而是由物理过程、化学过程和生物过程三者的相互作用引起的。值得提出的是，近年来生物地球化学循环研究在观测和模式方面取得了很大进展〖23，24，25〗，为生物地球化学循环模式和气候模式的耦合提供了基础。 3、 气候的多稳态特征和气候突变 众多研究发现气候有一种以上不同的稳定状态，当气候处于某一稳定状态时，气候的变化比较缓慢，其变幅也比较小。当系统受到的扰动超过某种阈值，它会在相对较短的时间里，由一种稳态变到另一种稳态，而产生气候突变。气候突变对人类生存环境有重大影响。气候突变可以是全球性的，也可以是区域性的，并且存在于不同的时间尺度。全球性气候稳态变化发生过多次，如一万年前后的新仙女木（Younger Dryas）事件；5千年以前的大暖期；十六、十七世纪的小冰期等，都是广为人知的。最近的是二十世纪中期全球平均温度的突然上升。图1是近一千多年来北半球平均温度变化曲线〖26〗，可以看出在过去的千余年里温度一直在微小的变动（稳态）中略有下降，但在20世纪的后半期温度发生剧烈上升（突变），这就是大家知道的全球变暖。大量研究表明，如果没有人类向大气释放的二氧化碳和其它的温室气体，仅自然界过程是不大可能引起这样变化的。气候突变也可以是区域性的。例如20世纪60年代中期北非Sahel地区也出现了一次气候状态的突变，如图2〖28〗。从图2可以看出60年代中该地区降水突然大量减少，造成几十年的干旱，给非洲人民带来严重灾难。实际上这次突变不仅发生在Sahel，而是同时出现于自Sahel向东北直到我国华北的一条长带，也就是亚非季风带〖29〗。图3是北半球各点年降水量与Sahel年雨量自1950年－1980年的相关系数分布图，图中一条的正相关带说明上述情况。实际上我国华北自1960年代中以来也进入少雨干旱时期〖30〗，不过我国的应变能力远强于Sahel，故干旱尚未造成大灾难。图4a，b分别是1958－1964和1967－1976北半球地面气压偏差分布图（相对于1958－1980的平均）〖31〗。从图4看出，从非洲往东到亚洲的亚非季风带在1958－1964为大范围的负偏差，在1967－1976变为正偏差。说明在1960年代中期亚非季风区突然由强变弱，从而产生Sahel地区的灾难〖31〗。 三、 上世纪九十年代新生的气候研究方向 上世纪的后三十年气候研究蓬勃发展，主要都是基础研究方面。但在九十年代中期，除基础研究仍是重点外，研究范围有了新的扩展。面对人口、资源和环境等重大问题的严重压力，科学家们把对气候变化规律的认识用到解决政府和民众最关心的问题，诸如淡水资源、粮食和食品供应、能源以及和气候变化有关的环境退化等。人们关心的不仅是当前的问题，而更忧虑未来会如何，也就是可持续发展问题。人类因素和自然因素引起的气候变化已经导致大范围环境恶化、土地退化、沙漠化和水资源严重短缺等现象，这些都是人类社会可持续发展的障碍。我们面临的一个问题是：人类社会现有的农业、林业、畜牧业的管理体系，水资源管理体系，能源体系以及经济的宏观布局等，都是根据过去积累的气候和环境状态信息和知识制定的。这些体系在气候和环境变化的条件下是否还适用？如何调整这些体系以适应已发生的和未来可能发生的变化，以达到趋利避害的目的，就是人类对气候和环境变化的适应问题。这是一个新的研究方向，是上世纪90年代中期提出来的〖32〗。 四、 二十一世纪气候学的挑战与发展 随着气候学几十年来的飞速发展，也出现了对其进一步发展的挑战。 首先，随着气候系统的出现，就有了对气候系统的5个子系统统一的相互协调的比较长期的观测问题，由于观测记录必定是海量的，如何分析研究这个海量记录并从中得出有创见的结果也是一个大的挑战。 其二，近百年的气候，尤其是全球变暖已对和人类社会发展密切相关的各种环境产生了影响，而且影响将继续下去，甚至加大，人类如何适应它并能持续发展，这是个挑战性的研究。再者人类社会的发展，对气候和其它环境预测的要求会越来越大。人类甚至可以提出这样问题：人类既然已经影响了气候和环境变化，为什么不能在一定程度上，一定区域内改变它们，使之向有益于人类的方向发展。这是更高一层的挑战。 面对上面的挑战，二十一世纪气候学将有以下的发展： 1、 全球系统的观测 气候研究的发展是以气候观测的进步和大量气候资料逐步积累为基础的。如果没有一个世纪以来全球天气观测网累积的长期器测气候资料和用于更长时间尺度气候研究的各种代用资料和对冰芯、树木年轮、黄土、海洋（湖泊）沉积物等的观测，就不可能发现引言中提到的一系列重要的气候现象。尽管对气候系统的观测在过去几十年里已有了巨大的进步，一个立体、动态的监测系统已经初步建立起来，如业已实施的全球气候观测系统（GCOS）〖33〗、全球海洋观测系统（GOOS）〖34〗和陆地生态观测系统（GTOS）〖35〗以及酝酿中的全球古气候观测系统（GPOS）〖36〗，但不同观测手段（如直接观测和遥测）之间的协调、气候系统不同子系统之间的协调、观测的空间覆盖率、海量资料的存储和处理等问题还有待解决。可以预见，人们将可以通过空间遥感监测系统（如卫星等）、地面各种观测系统（如大气、海洋、生态系统）和信息系统，组成地球的总体监测系统，实现对包括气候在内的地球环境及时和长期的立体、动态和高分辨的监测，为认识地球环境的整体行为，预测其未来变化的信息来源和观测提供依据。需要强调的是，全球系统的观测并不是独立于气候系统研究以外的泛泛而论的观测，而应始终以人类面临的重要气候变化问题为导向（problem-oriented）有的放矢地进行。并针对我们对重要过程认识上存在的缺陷，开展一些专门的观测项目。 2、 海量资料的分析及对机理认识的深化 年气候研究的发展有一条重要的经验,那就是以观测为基础，理论研究、资料分析和模式研究诸方面相互依赖和促进。我们已不再局限于对气候现象单纯统计性的描述，而是试图通过对资料的分析并以模式为重要工具对其机理作出解释，如对ENSO、气候的年代际变率、季风等气候和气候变化现象的机理的认识。这对实现对气候变化的预测是至为重要的。 以想象，随着全球系统观测的进一步发展，首先通过对海量地球环境信息的分析研究，并结合模式的进展，对包括气候在内地球系统的理论认识必将进一步深化，并在一些深层次的基本问题上取得突破。可以预期可能出现像上世纪70年代的气候系统和80年代人类活动的影响这样的突破性进展。至于可能出现的突破性进展的性质，现在不能预说。比较具体的预期进展可能有： 对全球性或区域性气候型态的突变机理将有进一步认识。而对其机理已有所认识的气候突变，（如新仙女木的气候突变，人们已认识到是由北大西洋海洋输送带引起的〖37〗），结合观测和气候模式我们可能对像新仙女木这样的气候突变在一定时期是否出现给出定论。 对某些重大气候变化（突变或非突变）前的前期强信号的认识也会有进展； 对引起气候变化的各个气候子系统之间非线性相互作用的认识会取得重大进展；如，对地球基本元素（如碳、氮）循环过程的研究取得大进展，并减小现在对这些过程认识存在的不确定性〖38〗。 更进一步地，随着对气候变化机理认识的深化，对气候变化的预测能力也将大大增强，如可能实现对ENSO循环、季风演变、气候的年际和年代际变化及各种重要的大气涛动（如北大西洋涛动NAO）等较为准确的预报。 3、 模式的进展 量资料的分析研究方面，更重要的在对包括气候在内的环境的预测方面，都离不开数学模型或模式的发展。 气候模式在过去的几十年中已经有了长足的进步，各子系统互相耦合的气候系统模式正在发展中〖39，40〗，但仍有不少的缺陷。这既和观测方面的欠缺造成对一些重要过程(如云-辐射)认识的不足有关，同时也和我们对如此复杂的系统基本规律的理论认识方面的缺乏有关。这使模式无论用于模拟或是用于预测都存在很大的不确定性〖41〗。更重要的是，不确定性还可能是气候系统作为一个非决定论系统的内在特性。 测手段的不断进步和观测系统的不断完善以及有针对性的观测试验的开展，对重要基本过程的认识定能得以深化，从而减小来自我们认识不足带来的不确定性。而即使是作为系统内在性质的不确定性，也有可能随着理论研究的进步而得到某种程度的认识，就象我们现在对传统线性系统无法描述的混沌〖42〗、突变现象的理解一样。 在模式的发展方面，有两点值得特别强调： 一是基于化学和生物过程在气候系统中的重要性，在进一步完善已有物理气候模式的同时，必须发展生物地球化学循环模式，并把二者耦合起来〖43，44〗。 二是发展人与自然相互关系的模式。人们已认识到除自然驱动力外，人类活动已成驱动气候系统变化的一个强迫力，已有一个国际计划（IHDP）正在研究人与自然之间的关系，将之模式化是IHDP的一个目的〖45〗。 在这基础上，二十一世纪里模式的进一步发展目标应当是把物理气候模式，生物地球化学循环模式和人与自然之间关系的模式三者耦合起来。一方面，这个模式将可以用于各种气候变化和各种环境变化的预测；另一方面可以用于各种目的的敏感性实验，如如何调节某一地区的某种气候或环境。不言而喻,这个模式必然异常庞大，很难日常应用，针对不同的目的，还要做相应的简化。 4、 全球变化影响的适应与可持续发展 末期人们已经提出对全球变化（包括气候变化）影响的适应问题，有人更进一步把对全球变化影响的适应与可持续发展联系起来。对全球变化影响的适应，无论是趋利或避害，都必须遵从可持续发展的原则。反之为了可持续发展，必须考虑未来全球变化的影响。针对未来全球变化中某些有比较明确结论的重大环境问题，通过示范区观测、实验、生态建设和有序人类活动的虚拟试验，促进社会科学同自然科学的逐步结合，发展新一代环境工程学。所谓“新一代环境工程学”，就是人类的积极参与下，以当地气候、土壤和水文等自然条件为依据，根据社会经济发展的需要，组织人类有序活动，实施生态环境建设工程。它要达到生态效益，社会效益和经济效益的高度统一，实现人类社会可持续发展的长远目标，并由此建立人类社会对全球变化的适应和可持续发展的理论。现在国际上也正在酝酿“全球可持续发展的全球科学”计划（Global Science for Global Sustainability），此计划初步将以碳循环、食物系统和水资源三者核心问题。 5、 人类有序活动和人工调节气候 次提到人类活动已对气候变化产生了影响，这些影响都是由于人类无序活动产生的，且大都是负面的影响。既然如此，所以最近有人提出了“人类有序活动”的新概念，该文给出了“人类有序活动”的定义，并讨论了如何提倡人类有序活动，以维持一个好的生存环境。这里也可以提出如何提倡人类有序活动以达调节气候的目的。事实上人工调节气候的行动已经开始进行，大范围来说，京都会议讨论各国减排CO2，其目的就是要影响全球变暖。小范围来说，我国提倡退耕还林还草，其目的之一也是为调节局地气候。再有几十年来人工降水的工作，就是人工影响天气的实践。既然实际工作已在进行，科学工作者就应正式提出人工影响天气和调节气候研究作为二十一世纪的一个挑战性的研究计划。可以提出以下几个初步研究： (1) 收集实际资料进行分析，并在实际操作地区（退耕还林还草，封山育林，过渡放牧和已限制过渡放牧地区，大范围灌溉地区等）进行观测； (2) 利用高科技手段观测和模拟产生降水系统发生发展过程，寻找系统的关键过程和它发生的地点和时间，然后研究在关键地区和时间影响它的方法（如对云撒播）； (3) 在缺水或干旱地区，常年寻找有利时机作业，将所得降水储存起来，以备利用； (4) 深入研究人类各种活动（如灌溉、毁林、造林、改良草场、过渡放牧、适度放牧、农业活动等）对局地气候影响，然后研究采取何种人类有序活动，以调节气候。 五、结论 来气候研究在很多方面都取得了很大的发展，而其中气候系统概念的提出、对气候多平衡态和气候突变现象的发现以及对人类活动已成为推动气候系统变化的强迫力的认识是气候研究取得突破性进展的关键。 发展必然伴随挑战，而挑战也将激发更进一步的发展。新的世纪中气候研究在全球系统的观测，海量资料的分析及对机理认识的深化和模式的发展方面都将会有所突破。 同时，在气候研究的应用领域，上世纪九十年代新生的研究方向，即对气候和全球变化的适应问题的研究，在新的世纪中也将得到更大的发展，并在对全球变化影响的适应与可持续发展方面、人类有序活动与人工调节气候方面取得实质性的进展
