在曾經的歲月裏，從恐龍稱霸到猛獁消失，從瑪雅文化到吳哥遺跡，曆史長河無數次湮沒了星河燦爛的文明。究竟是什麼改變了山河，又是什麼悄悄地改變著地球的容顏？這裏原因當然很複雜，但有一個重要原因不能忽視，就是氣候。工業革命之前，地球氣候變化主要受自然因素的驅動；工業革命之後，人類活動的影響逐漸明顯，最近50年的氣候變化主要是由人類活動引起的。
氣候變化和人類安全的關係讓全球矚目。人類活動對氣候變化的影響以及兩者之間的聯係，是20世紀70年代以來的熱門話題。由於近百年來全球氣候有變暖的趨勢，同時科學家們又注意到人類向大氣中排放的微量氣體濃度明顯增加，因此兩者之間是否有因果聯係等，已成為各國科學家、公眾和政策製定者關注的問題。
氣候變化和人類安全的關係，也以震撼的科幻情景搬上屏幕。暴雨引發的洪災成為電影《水嘯霧都》的震撼場景；《未來水世界》上演著全球變暖後世界變成汪洋；《後天》幻化著溫暖升級的地球一天之內突然急劇降溫，溫室效應引發的災難，使全球跌進冰河世紀——科幻電影裏的災難場景似乎就是地球明天的現實。由前美國副總統戈爾主演、獲得第79屆奧斯卡金像獎最佳紀錄片《難以忽視的真相》，更是引起社會公眾對氣候變化的廣泛關注。
氣候學家主要利用氣候模式對氣候變化進行模擬和預測。氣候學家預測，未來20年，在合理的排放範圍內，全球氣溫將以每10年0.2℃的平均速度增長。如果不采取全球聯合行動減排溫室氣體，到2100年，全球平均地表溫度相對於1990年將上升1.4～5.8℃，政府間氣候變化專業委員會（IPCC）第四次評估報告將這一升溫值修正為1.1～6.4℃。
根據中國氣候學家的預測，未來20～100年中國地表氣溫將明顯增加，與2000年比較，2020年中國年平均氣溫將增加1.1～2.1℃，2030年增加1.5～2.8℃，2050年增加2.3～3.3℃。預計到2020年，全國平均年降水量將增加2％～3%，到2050年可能增加5％～7%。
6.1現代氣候變化問題
6.1.1焦點的爭論
關於氣候變化的爭論，多是源於人們對自然規律的認識不夠，大自然奧妙無窮、紛繁複雜，要正確理解大自然內部的因果關係，比認識大自然的外在美更難。伽利略和牛頓發現慣性定理以前，亞裏士多德的“沒有力就沒有運動”的說法，經曆了長達1000多年的時間才被認為是科學的。沒有愛因斯坦相對論的時候，牛頓體係和以太理論被認為是認識宇宙的科學。科學探索、研究、發現和爭論，必將促進科學的發展，使人類正確認識地球氣候變化。我們隻有學習、研究和科學認識氣候變化，才能明辨未來的氣候變化趨勢，平息現有的爭議。
氣候變化問題的爭論由來已久，科學界有三種觀點：變暖論、變冷論和懷疑論。20世紀70年代氣候“變冷說”一度成為主流。1971年，丹斯加德等人根據格陵蘭冰芯氧同位素譜分析，較早提出地球氣候將進入冷周期。美國威斯康星大學環境研究所布賴森認為，地球正緩慢進入另一個大冰河期。一批歐美知名學者曾聚會於美國布朗大學，召開題為“當前的間冰期何時及如何結束”的研討會。學者們舉出實例證明，目前的地球氣溫已經在開始下降，從暖到冷的變化很快，如果人類不加以幹涉，當前的暖期將會較快結束，可以預期不出幾千年，也許隻有幾百年，全球冰期以及相應的環境變遷就會來臨。這種“冰期將臨”的觀點一直持續了20年，當時的社會主流還要發起阻止氣候繼續變冷的行動。
那時隻有少數科學家堅持“全球變暖論”，其中就有中國著名的氣象學家竺可楨先生，他用中國曆史上的氣候變化事實駁斥了當時盛行的“全球變冷說”。他指出，溫度出現1℃上下的變動在過去5000年中極為普通，算不上地球變冷的證據。他還用紅筆在這段話前麵寫下“杞人憂天”四個字為標題，顯示了科學大師把握氣候變化的自信和超凡智慧。直到20世紀80年代以來，全球氣候沒有變冷反而迅速變暖的事實表明，竺可楨先生的預測是成功的。
1988年11月，世界氣象組織和聯合國環境規劃署聯合成立政府間氣候變化專業委員會(IPCC)。從1990年起，IPCC先後4次發布評估報告，逐步確認了全球變暖的真實性、與人類活動的相關性及節能減排的必要性。IPCC評估報告的核心內容是：全球變暖是不爭的事實，而且主要是由人類活動引起的，化石能源燃燒和毀林等導致大氣中溫室氣體濃度大幅上升，從而引起全球氣候變暖。全球變暖將會帶來海平麵上升、災害天氣增加、人類生存環境惡化等一係列後果，對可持續發展構成嚴重威脅。為減緩全球變暖進程，人類應該盡快大規模消減溫室氣體排放。由於有上千名各國科學家參與，IPCC評估報告有著很高的權威性，其觀點不僅作為聯合國相關談判的主要理論依據，也被國際社會廣泛認可，成為關於氣候變化的主流觀點。
事實上，IPCC評估報告預估未來變暖趨勢的結論並沒有被驗證，直到2012年全球氣溫並沒有超過最暖的1998年，20世紀前10年實際觀測到的全球平均溫度並沒有按照IPCC預期的上升0.2℃，氣溫也沒有按照預估的趨勢攀升。
一些科學家、學者對於IPCC的結論，以及溫室效應與全球變暖理論持保留甚至持懷疑和反對的態度，他們相繼在學術刊物上發表文章，針對全球變暖在科學上的不確定性，對其主流觀點進行反駁。2007年，氣候變化懷疑論者針對IPCC正式成立了一個NIPCC組織，也就是“非政府IPCC'”，並推出題為《重新思考氣候變化》的報告，提出了諸多與IPCC報告不同的觀點。
綜合起來，這些觀點主要包括：一是質疑全球變暖現象的真實性，認為全球變暖趨勢已經停止，或者認為全球氣候正在變冷。還有觀點認為，全球氣候變暖的程度微不足道，氣候一直在變暖和降溫間反複，全球氣候是否異常變暖尚無定論。二是太陽活動周期等是氣候變化的主要原因，人類活動對全球變暖影響有限。許多科學家認為世界氣候一直處於不穩定狀態，受太陽黑子周期性活動的影響，地球氣候也形成了一個不規則的氣候變化周期。三是全球變暖的後果並不可怕，甚至可能對人類是一個福音。四是當前解決氣候變化問題的思路有誤，人類無力逆轉氣候變暖趨勢。一部分懷疑論者承認全球變暖問題的真實性和嚴重性，但認為當前國際談判和溫室氣體減排等措施無力扭轉全球變暖趨勢。
關於氣候變化問題，中國的科學家在氣候變化領域開展了很多研究工作，許多方麵不僅在國內，而且在國際上也占有一席之地。2011年11月，中國科學技術部、中國氣象局、中國科學院等12個部門組織編製和發布了《第二次氣候變化國家評估報告》。
評估報告給出未來可能的變化：利用多個氣候係統模式集合平均，預計到21世紀末，中國年平均溫度在低排放、中排放、高排放情境下，將比1980~1999年平均分別增加約2.5℃、3.8℃和4.6℃。比全球平均溫度增幅大。中排放情境下，全國年平均降水有所增加，中心位於青藏高原南部及雲貴高原，以及長江中下遊地區。但上述降水變化趨勢並非全年一致。夏季降水在除塔裏木盆地西部等個別地區外，都表現為一致的增加趨勢，而冬季青藏高原南部和華南部分地區降水減少，其他地區降水增多。中國海平麵將繼續上升，到2030年，全海域海平麵上升將達到80～120毫米。21世紀末，中國大部分地區的降雪日數將減少，青藏高原東部、南部是減少最大的地區，達50天。積雪日數大於60天的區域麵積將減少10%左右。年平均積雪量的變化與積雪日數的變化總體上表現一致，但存在區域差別。
6.1.2氣候變化
氣候變化是指氣候平均狀態隨時間的變化，即氣候平均狀態和離差兩者中的一個或兩個一起出現了統計意義上顯著的變化。離差就是距離平均狀態的程度，離差值越大，表明氣候變化的幅度越大，氣候狀態不穩定性增加，氣候變化敏感性也增大。氣候變化的指標要素是降水和氣溫。
先介紹一下概率統計上的正態分布，這是自然界最常見的一種概率分布，由平均值和方差決定。方差就是與平均值差值平方的均值。正態分布關於平均值對稱，平均值處分布密度最大，距離平均值越遠，分布密度越小，畫出來的分布曲線形狀很像一個對稱的山體。假定某一地區的溫度多年平均條件下呈正態分布，則該地區的天氣在平均溫度處出現的可能性最大，偏冷和偏熱天氣出現的可能性較小，極冷或極熱的天氣出現的可能性很小或沒有。
人類對氣候和氣候係統的認識有一個過程，20世紀50年代之前，經典氣候概念被看作表征地球大氣的一些基本要素的平均值，一般認為30年的平均值就可以表征氣候的基本特征，並且認為這些平均值是基本穩定的。隨著科學的發展和氣候資料的增加，經典的氣候概念受到挑戰：一方麵30年氣候平均值是變化的、不穩定的，說明氣候變化在時空上是多尺度的；另一方麵人們認識到氣候變化與海洋、陸地、冰雪和人類活動相互影響，時空上具有全球的特點，並與區域性的氣候變化相互影響，形成了氣候係統的概念。1974年世界氣象組織和國際科學聯盟理事會聯合召開的國際討論會提出氣候係統的概念，指出氣候係統是能夠決定氣候形成及其變化的各種因子的統一體，包括大氣圈、水圈、冰雪圈、岩石圈（陸地表麵）和生物圈。因此，我們可以認為氣候變化是氣候係統的總體行為，既有大氣內部過程對氣候變化的影響，還有海洋、冰雪、地表以及生物過程對氣候變化的相互作用。
水汽在溫室效應反饋中起著重要的作用。大氣中的水汽作為溫室氣體之一有效地保持了地球表麵的溫度，如果氣候緩慢變暖，會使更多的水汽從海洋和陸麵上蒸發出來，從而增強了溫室效應，使氣溫增加更多，因此水汽反饋是正反饋。如果不抑製，海水將會蒸發完，出現失控的溫室效應。氣候係統中有許多抑製和平衡辦法來抵消這種反饋的變化。例如溫度升高，紅外輻射也隨著增強，因此減慢了溫度的升高。
冰雪在反射率反饋中起著重要作用。當溫度升高時，冰雪覆蓋減少，地表反射率減小，吸收的太陽輻射增加，因而溫度進一步升高；當溫度降低時，冰雪覆蓋增多，地表反射率增大，吸收的太陽輻射減少，因而溫度進一步降低。兩種情況都是正反饋。同樣，溫度降低的冰雪正反饋，如果無限製發展下去，會產生失控冰期。但其他機製可以調節降溫的幅度，抵消了這種反饋的變化。
雲在地麵溫度反饋中可能是正反饋，也可能是負反饋。一方麵，雲可以反射掉入射的部分太陽能，減少了地球係統可能獲得的有效能量，使地球變冷，稱為陽傘效應；另一方麵，雲具有溫室氣體的作用，既吸收地球下墊麵的紅外輻射，自身也放出紅外輻射，從而減少了地氣係統向空氣損失的能量，這種作用被稱為被毯效應。一般來講，高雲由冰晶組成，可以使太陽輻射通過，又因其溫度低，向太空輻射的紅外能量少，因而具有被毯效應，可使係統增溫。低雲由水滴組成，反射太陽輻射多，而且雲頂相對較暖，向太空輻射很多從地球吸收的能量，因而常導致降溫。例如，氣候變暖時，地麵溫度升高，水蒸發增多，低雲增多，反射增強，地麵吸熱減少，於是變暖減慢，此時雲反饋是負反饋。研究表明，總體來說，目前雲對我們星球有淨的冷卻效果。若無雲，則大氣會變暖。雲量和雲的結構等對氣候變化的影響是複雜而敏感的，地麵溫度通過反饋作用使雲的狀態發生變化的機製，還未完全弄懂，仍然是繼續探討的問題之一。
海洋在二氧化碳反饋作用中對氣候變化的影響存在著不確定性。如果氣候變暖海水升溫，將促使海上的浮遊植物生長，並吸收大氣中的二氧化碳，從而減少溫室氣體，減緩了氣候變暖，這是負反饋。同時，因為海水升溫，使得海水能容納的二氧化碳含量減少，使得溫室氣體二氧化碳增多，又促進了氣候變暖，這是正反饋。此外，海洋具有極大的熱容量，可以通過有效地調節熱量的收支和傳輸，減緩氣候變暖。
氣候係統的各圈層不是獨立存在的，它們之間發生著明顯的相互作用，決定著氣候形成及其變化。氣候係統的任何變化都會影響到人類的生存和發展，同時，人類活動通過諸如農牧業、工業生產及城市建設等活動，不斷改變土地、水等的利用狀況，改變地表的物理特性以及地表與大氣之間熱量與水分的交換，對氣候產生影響。氣候變化對人類有不利的影響，同時也有有利的影響。
造成氣候變化的因子包括內部因子和外部因子。內部因子主要指氣候係統內部各成員之間複雜的反饋作用，外部因子包括太陽輻射的變化、地球運動的變化、大陸漂移和火山活動和人類活動的影響等。2007年，IPCC發布的第四次評估報告指出，20世紀中葉以來大部分的全球平均溫度的升高很可能(大於90%的可能性)是由於人類活動造成溫室氣體濃度增加所導致的，也就是說最近50年的氣候變暖變化很可能主要是由於工業革命以來人類活動引起的。
6.2麵對全球變化
6.2.1“全球變化”概念的延伸和拓展
“全球變化”是近年來一個人人都耳熟能詳的新名詞，但“全球變化”的首次提出並不在自然科學領域。20世紀70年代，國際社會科學團體使用“全球變化”一詞主要用來表達人類社會、經濟和政治係統愈來愈不穩定、特別是國際安全和生活質量降低這一特定意義。那時候，“全球變化”與氣候變化等問題似乎並沒有什麼內在關係。
在隨後的不長時間裏，人類社會逐漸麵臨日趨嚴峻的資源、環境和發展等諸多問題的挑戰。到了20世紀80年代，自然科學家便借用並拓展了“全球變化”的概念，將原先的定義延伸至全球環境，也就是將地球的大氣圈、水圈、生物圈和岩石圈的變化納入了“全球變化”的範疇，並突出地強調環境係統及其變化。由於人類與地球環境的關係密不可分，因此，“地球環境係統”一詞也就涵蓋了相關的人類社會和經濟的內容。
現在，全球變化已經成了一個專門的學科，為世界各國政府和社會公眾所關注的規模最大的國際科學活動。全球變化研究的科學目標是：描述和理解人類賴以生存的地球係統運轉的機製、變化規律以及人類活動對地球環境的影響，從而提高對未來環境變化的預測能力，為全球環境問題的宏觀決策提供科學依據。
全球變化研究既涉及全球變暖、臭氧空洞、森林砍伐和生物多樣性銳減等全球性問題，也包括區域性酸雨、汙染物質遠距離輸送、熱帶雨林銳減、海岸帶退縮、海水入侵、湖泊萎縮和沙漠擴展等區域性問題。其中，全球氣候變化則是包含於全球變化之中的相對重要的問題。
我們賴以生存的地球是一個極其複雜的係統，而氣候係統是構成這個地球係統的重要一環。在漫長的地球曆史中，氣候始終處於不斷的變化中。氣候變化的原因，可概括為自然的氣候波動與人類活動影響兩大類。前者包括太陽輻射的變化、地殼的運動等，後者包括人類燃燒礦物燃料以及毀林引起的大氣中溫室氣體濃度的增加、硫化物氣溶膠濃度的變化、陸麵覆蓋和土地利用的變化等。
在氣候係統的自然變化中，最重要的方麵是大氣與海洋環流的變化，這種變化有時還可能伴隨著陸麵的變化。在年際時間尺度上，厄爾尼諾、南方濤動（ENSO）和北大西洋濤動（NAO）是大氣與海洋環流的重要例子，它們的變化影響著大範圍甚至半球或全球尺度的天氣與氣候變化。
不同時間尺度上氣候變化的原因是不一樣的。從千年或萬年以上時間尺度來看，地球軌道參數是主要的影響因子；在百年至千年的時間尺度上，則主要受太陽活動強度變化影響；在年代際及年際變化上，氣候係統的內部震蕩（海陸氣相互作用）發揮著相當重要的作用；在工業革命之前，地球氣候變化主要受自然因素的驅動；工業革命之後，人類活動的影響逐漸增加，近50年的氣候變化主要是由人類活動引起的。
氣候變化既有正麵影響，也有負麵影響，而後者則尤其受到關注，因為它會嚴重影響地球自然生態和人類生活，甚至給人類的生存帶來危機。於是，氣候變化就不再單單是一個科學問題、環境問題，而且上升為能源問題、經濟問題和政治問題。
6.2.2溫室氣體與溫室效應
談到氣候變暖，溫室效應是個繞不開的話題。溫室效應不是一個新名詞，早在1896年，瑞典科學家斯萬特·阿爾赫尼斯就預言燃料釋放二氧化碳將導致氣候變暖，並首創“溫室效應”一詞。我們不能不佩服斯萬特的前瞻性，因為工業革命以來，人類用自己的聰明大腦創造的經濟騰飛，其負麵影響正按照科學家的預言亦步亦趨。
“溫室效應”這個詞其實用得實在風趣也實在恰如其分。“溫室”當然是用玻璃建成的，這種用玻璃建成的房子，其光學上的最大的特點就是能透過短波輻射，吸收長波輻射。太陽光主要是短波輻射，而地球上絕大多數物體向外釋放的卻都是長波輻射。短波輻射可以透過玻璃照入室內，而室內的物體向外釋放的長波輻射卻被玻璃所阻擋，於是玻璃就起到了透光、保暖的作用。
使用類似玻璃、可以透過短波輻射、阻擋長波輻射特性的材料製造的農田蔬菜大棚和花卉基地的溫棚，就充分利用了“溫室效應”的原理。由於玻璃具備這種奇特的性能，所以長期以來就被人們所推崇，認為玻璃的發明其重要程度不亞於四大發明。
溫室氣體通常是指大氣中那些讓太陽短波輻射自由通過，同時強烈吸收地麵和空氣放出的長波輻射，對地表有一種遮擋作用的氣體。這些氣體的性質和溫室表麵的玻璃或塑料薄膜相似，給地球近地層帶來“溫室效應”，因此被稱為“溫室氣體”。1827年，大氣中溫室氣體的增暖效應，首先由一位法國科學家發現，並指出了大氣中和溫室玻璃內情況的相似性，這就是溫室效應名稱的由來。溫室氣體造成的增溫效應與全球變暖關係密切，其原理和自然溫室效應相同。全球變暖會對氣候帶、水資源、生態係統、海平麵的上升、自然災害的增加、農業和人體健康有重要的影響。防止溫室氣體最主要、最基本的對策是加強國際合作，減少溫室氣體的排放。溫室氣體主要有二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）、氟氯烴化合物（CFC）等。
在沒有人類活動影響時，大氣中二氧化碳的主要來源是海洋和地幔以及大氣中的化學反應，主要去向是陸地植物。與人類活動有關的大氣二氧化碳主要來源是化石燃料燃燒，工業生產，人和動物的呼吸，陸地植被的破壞及生物體燃燒等。其中最為主要的是化石燃料的燃燒，還有土地利用(森林砍伐和草地變成耕地)造成二氧化碳淨排放量。人類活動已經對二氧化碳的來源和去向產生了越來越明顯的影響。由於大量二氧化碳被排放，其吸收問題也日益受到關注，其中植物的光合作用和海洋的吸收是最主要的去向。
大氣中甲烷的增加，一般認為主要是人類活動使其來源增加造成的，但也不能排除大氣汙染造成的去向減少。大氣甲烷的主要來源是生物圈，生物活動產生甲烷的過程非常複雜，包括厭氧微生物作用下的有機物分解，產甲烷細菌作用下的氫氣和二氧化碳反應，乙醛的分解。任何使地表生態係統的局地環境缺氧或使其溫度發生變化的人類活動都可能使大氣甲烷的生物來源發生變化，造成甲烷濃度變化。與人類有關的大氣甲烷的生物來源主要是水稻田和食草家畜，大氣甲烷的非生物來源主要是生物體的各種燃燒過程和石油天然氣以及煤礦的排放。
大氣中一氧化氮的主要來源是土壤釋放，其次是各種燃燒過程。大量化肥施用也成為一類新的一氧化氮釋放來源。一氧化氮最主要的去向是大氣中的光化學分解。陸地水體和土壤有可能吸收一氧化氮，但目前對此尚無定量認識。
工業革命以來，人類向大氣中排放的二氧化碳等吸熱性強的溫室氣體逐年增加，大氣的溫室效應也隨之增強，已經引起了全球氣候變暖等一係列問題。最可怕的是二氧化碳，它雖然在空氣中的含量僅有0.03%，但由於人類活動（如石油、煤炭等燃燒）的影響，近年來在空氣中的含量猛增，濃度已由工業化前的280ppm增加到了現在的387ppm（注：1ppm=10-6，下同)。二氧化碳的生命期很長，一旦排放到大其中，最久可存在200年左右。目前大氣中二氧化碳的濃度已經達到了危險的界限，如果讓它恢複到100年前的280ppm，不但需要新釋放的二氧化碳被完全吸收，而且還需要種植至少650多萬平方千米的吸收能力比較強的植物，再用10年的時間來吸收才可能實現。650多萬平方千米是什麼概念呢？就是相當於4個新疆或者5.5個西藏的麵積。由於二氧化碳是溫室氣體中的主要氣體，因此便把溫室氣體排放簡稱為“碳排放”。