第1章 什么是地球气候系统
人类生存与地球气候息息相关，但在人类历史上从来没有一个时代的气候变化获得如此广泛地关注。二氧化碳（CO2）等温室气体的增加导致“全球气候变暖”，或者说其被认为导致了“全球气候变暖”，这个问题现在不仅是科学层面的问题，还成为政治和经济层面的问题，并且引起了全球不同阶层人士的关心。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）召集各国研究气候变化和其影响有关的科学家，他们和政府的政策决策者们聚集一堂，定期讨论由人类活动引起的“全球气候变暖”以及对策。
当看到过去100多年大气中CO2浓度增加的示意图和全球平均气温增加的示意图（图1-1）时，我们不仅可推测出气温的升高由温室气体的逐步增加而引起，也可从这两个图中读出气候状态的复杂性。CO2浓度以线性趋势增加，而且近年来其增加的程度越来越大，而气温变化虽然也具有增加趋势，但在某些时期有降低趋势，（在时间上）气温的增加趋势与CO2的增加趋势并非能够一一对应。我们会有如下直观感受：①各个观测事实是否都正确？②地球气候的变化非常复杂，气温变化除温室气体增加外，是不是还有其他各种因素的影响？对于②的认识尤其重要。鉴于地球气候系统是一个由大气、海洋、陆地、生物圈等各种重要因素组成的且非线性相互影响、相互作用的系统，因此有必要把地球气候作为一个整体来研究。
首先，我们有必要区分一下气候（climate）和天气（weather）。天气是我们每天记录的气温、湿度、辐射条件、风、降水现象等物理量。天气随着时间和地点时时刻刻都在变化，其每天的变化是在一定时间内的平均值，如夏季3个月的平均值，代表着某地某年夏天的气候，所以气候所表现的是前面所说的物理量的季节平均或年平均在地球上的地理分布和时间（季节或年）的函数。实际上，这些物理量相互之间并非独立，它们之间的影响和相互作用形式决定了气候。例如，现实中高温气候，可以是湿度高且多雨的湿润气候，也可以是干燥少雨的干燥气候。
气温变化中不同线条表示由不同的研究机构提供的数据（IPCC，2013）；1ppm=106决定气候形成的根本因素是太阳辐射。到达地球表面的太阳辐射量根据关注点的纬度和季节的不同而变化。地球表面海陆分布和地形等各种地面状态对从太阳到达地表的太阳辐射的吸收与反射也有影响。地表由于获得（吸收）或失去（反射）太阳能而被加热或冷却，*终根据能量平衡产生不同的地理和季节性分布。这种地表热量平衡的不同导致了地表大气的温度（气温）的地理和季节性差异。气温在地球表面的空间差异和季节性变化引起了大气运动（大气环流，即我们感受到的风），大气运动又将热和动量在地球表面进行再次分配。同样，海面上的能量收支平衡的不同产生了海水温度的差异，引起了海洋的运动（洋流或组成洋流的海流），同样起到将热量和动量在全球范围内传输和分配的作用。也就是说，大气和海洋的流动可以在空间上调整地球获得的太阳辐射，改变*初太阳辐射到达地球表面时的温度分布，这是一个反馈的过程。
我们所说的气候，是指经过大气、海洋系统中的热量和运动量的输送与再分配过程，在季节和地域的时空尺度中，到达准定常平衡状态时的气温、湿度和降水量的分布。把太阳辐射到达地表的能量和地球表层状态等各要素整体作为一个系统来考虑时，热量和运动量的（准定常）状态即可以认为是气候，这是其为“气候系统”的理由。
某个季节、地区或全球的气候变化受太阳辐射、大气成分、地表状态等影响，由地表能量平衡决定，当然也在不同的时间尺度上相互影响发生变化。在构成大气圈和地球表层的各要素中，根据时间尺度的不同，导致气候变动和变化的*有影响的要素也不同。对于我们将在下一节讲述的气候系统的构成要素，它根据气候变动和变化的时间尺度不同而不同。
本书的主题是把与地球气候有关的地球的大气圈、水圈，包含地圈（译者注：或称岩石圈）、植被和海洋生态系统的生物圈看成一个系统，更加广义地理解地球气候的持续变化。特别是，在研究大气中的物理和化学变化的气候环境条件时，生物圈经常被严格假定保持不变，但事实上，气候和气候变化又在某种程度上作用于其中（参看第2、第4、第5章）。对地球气候和生物圈的相互作用的理解是本书的目的之一。
1.1 系统是分析事物的一个视角
要论述气候系统，首先要搞清楚“什么是系统”，“系统”一词被任意频繁地使用，“系统化”主要应用在物理、化学或数学领域里，其可以理解为“有相互作用的各要素的结合”（冯 贝塔朗菲，1973）。那么我们会问，“为什么要结合在一起？或者有结合在一起才能理解的必要吗？”这种结合在一起的一个整体，绝对不仅仅是各种要素的总和，而是有更深一层的意思。我们一旦看到“系统”这个词，立刻会想到这个系统的机能或目的是什么，而当我们看见一堆某种特定的物质时，我们并不会想到要称其为系统。从这里，我们能够看出系统所定义的某种意义。也就是说，系统是“看待事物的视角”（温伯格，1979），构造一个系统的重要意义在于它的可选择性。当提到系统是看待事物的视角时，经常会用图1-2做例子，这是一幅心理学上常用的画。同样的画，有的人看到的是一位鹰钩鼻的老太太，有的人看到的是一位年轻贵妇人的后侧面。
当我们单纯地说“气候”和“气候系统”时，我们脑子里已经有了不同的想象。前面已经说过，气候是指表示天气状态的气温、湿度等天气要素的季节平均值或年平均值等在地球上的空间分布。其年变动和长期变化被称为气候变动（climate variation）或气候变化（climate change）。
提到气候系统，很多教科书里会有图1-3这个概念图，这张图中给出了与气候的维持和变动（变化）有关的所有可能的包含了地球表层的物理、化学、生物学的各种过程。
然而，在同样的地球表层的大气圈、水圈、地圈状态下，根据我们所关心的时间尺度、空间尺度或现象的不同，这个系统会成为考虑了不同要素的系统，这是这个气候系统包含的意义，需要特别留意它究竟在说考虑了什么要素的气候系统。即便是同样的气候系统，我们所关心的气候和其变动的时间或空间尺度不同，图1-3中需要注意的要素也不同，所以图1-3和图1-2一样，视角不同看到的图也不同。
那么，图1-3中所显示的气候系统，又有什么样的基本特性呢？如果预先不理解系统的特性，这个讨论无法进行下去。首先，气候系统的范围包括地球表层的大气圈、水圈和固体地球（地圈）表层的一部分。如果是说地球整体的话，其经常会被称为地球系统，这时要注意的是地球系统中包含了地球内部的地幔、地核和地球外部的电离层、磁层。气候系统不包含地球内部，这是因为我们已经假设了地球内部不直接影响气候系统，所以其不属于气候系统的考虑要素。那么，气候系统中的地圈表层要考虑到什么范围？这个根据各种情况不同考虑范围也会发生变化。例如，在第4章中所描述的数亿年时间尺度的地球系统中包含了地球碳素循环，地壳和地幔上层的板块运动部分也应该在气候系统中予以考虑，而当我们考虑气候的年变动或*长不过10万年时间尺度的冰川期的变动时，我们可以用图1-3所示范围内的气候系统，这也是一般的气象学和气候学主要涉及的时间尺度范围。假设我们要考虑1亿年时间尺度以上的气候变化，图1-3中黑框中所示的几种变化就会由气候系统的外因转换成气候系统的内因（参看第4章）。
1.2 地球气候系统的特征
1.2.1 能量开放系统和物质封闭系统
为了使气候系统具备系统的特征，赋予它的基本特性是能量的输入和输出。气候系统的能量输入是太阳能，输出是从地球向宇宙空间释放的红外辐射能，这是一个能量平衡的开放系统。另外，在质量平衡方面，系统的质量基本上只在系统内循环保持质量守恒。构成大气圈、水圈的氮、碳、氧、氢元素，或者氧和氢结合的水作为系统的条件在系统中是守恒的。
然而，当地球的物质守恒被一点点地破坏，其结果是能量平衡也逐渐崩溃。这就是人类活动引起的“全球气候变暖”。人类把迄今为止埋藏在地壳里的石油、煤炭等的碳元素以CO2的形式逐渐向大气层里输入，而CO2的增加会吸收本应释放到宇宙空间的红外辐射，也就是强化了大气的“温室效应”，使得地表的大气温度升高。另外，农业和畜牧业等人类活动导致地表土壤裸露或沙尘飞扬，增加了地表的反照率（译者注：土壤地表对太阳辐射的反射大约比植物地表大10%～15%），从而减少了输入地球表面的太阳辐射能。分析这样的气候变化时，在气候系统中需要考虑人类活动对大气圈和地表的影响（将会在本书第5章中详细解说）。
1.2.2 作为水行星的地球特性
我们从气候系统的概念图可以看出，云、地面蒸发、大气成分中的水蒸气、冰、雪、海洋等大部分要素和其过程都与水和水的相变化（液体水、冰雪、水蒸气）有关，所以说地球是水行星。作用在气候系统上的外力的太阳辐射能量抵达地球后由于水的存在，水和水的相变参与并极大地控制和改变了这个能量的输送与输送方向等过程。某种原因（如温室效应引起了向下的大气辐射能的增加）引起了海洋表面蒸发量的增加，继而大气中的水蒸气增加，作为温室气体的水蒸气会更加强化温室效应，使地表温度进一步升高，但是水蒸气的增加也会引起云量的增加，以及南北两极地区海冰和积雪的增加，如果这样的话，其会反射掉更多的进入大气圈的太阳能，使得地表温度降低。因此，水和其相变的水循环过程能够增强（减弱）系统的外力，调整系统内部的机能，具有正（负）反馈作用，水和水的相变具有决定气候系统的维持和变化的各种特征的重要机能。
在我们看来，三相状态（液体水、冰雪、水蒸气）的水理所当然地根据时间和地点的不同存在于我们居住的地球上，但与太阳系的其他行星比较，这种三相状态的存在并不是理所当然的。图1-4是离地球*近的金星和火星在目前的条件下的水的存在状态图。水的状态图显示了水在其所处的温度和压力的条件下所具有的水的三相的状态。图中的虚线是水的三相的边界线。离太阳近的水星、金星、火星被称为地球型行星（或称类地行星），其大小和质量与地球差别不大，其大气成分原本主要是CO2，在太阳系中的起源和进化过程与地球类似。水也是这类地球型行星共同具有的物质。
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