首都科学讲堂第633期《息息相关的“气候与水”》

信息来源:北京科学中心      发布时间:2020-03-23

  2020年3月21日,受新冠肺炎疫情影响,首都科学讲堂线上开讲,本次首都科学讲堂邀请了中国气象局公共气象服务中心气象服务首席,二级研究员朱定真,为大家带来主题为《息息相关的“气候与水”》的精彩讲座。

   

  应对疫情防控,首都科学讲堂线上开讲。为坚决贯彻落实习近平总书记对新型冠状病毒感染的肺炎疫情作出的重要指示精神,北京科学中心坚持“疫情不解除,科普不掉线”,积极开展疫情防控和应急科普,切实做好知识普及和引导科学防控等工作。本期首都科学讲堂使用科学加APP、腾讯新闻客户端、新浪科技客户端、一直播APP等平台开展直播,采用“直播+录播”双管齐下的新颖方式,让公众足不出户,也能获得最权威、最前沿的科普内容和资讯。首都科学讲堂在疫情防控期间将灵活运用各类载体形成宣传阵地,利用网络手段为公众带来更多丰富主题的线上活动,进一步发挥科普在疫情防控中的重要作用。

息息相关的“气候与水”

  2020年,世界气象日和世界水日共用了同一主题:“气候与水”。因为气候与水密不可分,两者都是可持续发展、气候变化和减少灾害风险等全球目标的核心。人类活动引起的气候变化及厄尔尼诺、拉尼娜等自然发生的气候驱动因素,也都对我们的生命之源——水产生了重大影响。

第一讲 认识大气:空气不“空”

  我们今天提到的水,包括了降水,包括江河湖海,也包括大气中的水汽。气候如果分类的话,可以从微气候、小气候,一直到大气候。气候和水的这个关系,我们主要强调的是一个大气候的关系。因为我是气象背景,所以可能更加侧重从气象角度来谈这个主题。

  什么是大气?让我们先从空气说起。空气是空的吗?如果空气是空的,就没有大气压力,那如果没有大气压力,抽水机抽不了;想喝饮料的同学吸管吸不出饮料;打气筒也打不了气;大家都喜爱看的足球比赛中的香蕉球,如果没有大气压力也是踢不出来的。如果空气是空的,还会有什么?大气中没有杂质,太阳要比现在亮许多倍。因为大气层有吸收、有反射、折射现象,所以太阳光线不应该跟纯净的、没有杂质的这种亮度一样。还有就是星星不会眨眼睛,没有大气杂质也不可能有雨水,这个是我们气象学上讲的,没有凝结核就也不容易下雨。如果说空气是空的,那显然也没有温室气体。我们的地球可能变成一个冰球,而不是现在生物和人能够生存的的一个温度适宜的地球。如果空气是空的,它就不会有水汽,漂亮的云、彩虹、云海霞光都不会有,没有云也没有雨,那也没有树木,没有花草。

  实际上,空气肯定不是空的,它包括了干洁的空气、水汽和大气杂质。但是对我们气候影响最多的是空气中的这些二氧化碳、臭氧和水汽等,因为含量不同,就不一一点出来了。二氧化碳、水汽、臭氧在温室效应里面,这三个相当于我们的三张毛毯。把地球大气、地球恒温控制住了,让地球成为一个平均温度达到15摄氏度的一个星球。也正有了这三张毛毯,我们才有生物、人类的生存。地球上面还有什么特征形成了气候?温度的分布。温度分布不均匀,才有了水汽输送,才有了风霜雨雪。地球70%以上是水,水对气候的热量分布、地球恒温都是有作用的,它在气候系统的五大圈层里面:大气圈,水圈,岩石圈,生物圈,冰冻圈,至少占了三个圈,所以整个的气候系统里面,水是至关重要的。它是气候的一个调节者,“制造”了非常复杂的有几十种气候带,那就是因为水在其中也有很大的作用,这个包括它的降水,包括它的洋流的作用。季风气候实际上也是水的作用,如果没有水陆温差是不会有季风的,有了水陆差异,我们有了季度变化的风。就是水陆在冬夏的这个差异造成了高低气压的转换,形成的近地层的这个风向季节性的变换,才让历史上,郑和在下西洋时,能够出得去,也能够回得来。

  本讲里面,我们再强调了这么几个概念,一个就是对于整个气候来讲,大气是一个物质。因为是大气有物质,所以它有压力,有传输。在这个过程中,水起到了非常大的作用:第一是可以让地球保持恒温;第二,水在受到热量分布不均匀而形成的风,或者说气流的传输过程中它又把热量进行了输送,包括在洋流,通过洋流进行了输送。再有,水因为水陆温差,在整个气候系统能调节季节和气温。水体热容量比陆面的热容量大,所以当太阳辐射照射以后,它是慢慢地储存在它的水体里面,然后再慢慢地释放,而陆地不是这样。陆地是有阳光的时候,那就马上升温,而到了夜晚的时候,如果是晴空,那么很快地就辐射降温,这样的话就形成了陆地的温度它的保持性,它的变化都跟海洋不一样。所以这个也是为什么地球上有三圈环流。有哈得来环流,到极地环流,包括费雷尔环流。这些环流就跟我们讲的热胀、热升,像烧开水一样,当水开了以后热气是向上蒸腾的。而赤道因为热,所以气流是向上的,然后向两极输送,输送到一定程度以后,一方面它是冷却,密度加大下沉,一方面是因为地球有一个自转偏向力,使这个空气受到了阻碍,堆积下沉。这样子就造成了从赤道到极地都有一个三圈环流。 

  有心的同学可能也注意到了,在三圈环流的下沉环流地区,特别是第一圈环流的下沉,也就是30度左右地区往往都是沙漠。所以这个时候我们又可以想到信风和季风的问题,三圈环流为什么在30度左右下沉地方是沙漠,因为它是常年的是东北的,比如我们北半球是东北的信风,这个时候它是干热的信风,这个时候在它的下沉区往往就是沙漠。可是当同学拿地球仪转的时候又发现,同样的30度地方很多地方包括我们国家都是绿洲,为什么?因为有了海陆分布和季风,让30度左右本该干旱荒漠的地区出现了水汽输送,形成了绿洲。最开始我们也提到大气层中的温室气体,没有温室气体存在,地球就是“冰球”。而大气层里面因为有水汽,我们有独特的地球气侯。同样因为地面上有洋流和江河湖海这些水体,造成了气候的复杂性。当然这个原因跟地球和太阳的位置,地球本身的倾斜程度都有关系。但是归根到底是因为我们有大气和水,才有了这么一个特殊气候,才让人类生存下来。

第二讲 气候变化:地球“健康水平”在下降

  当我们谈到天气和气候,它们是一样的吗?类比一下,一次考试成绩和一个学期的平均成绩一样吗?显然有区别。一次考试的成绩可能起伏会比较大,可能是满分,也可能刚刚好及格。但一个学期下来平均成绩可能更代表一个主流水平。实际上,天气和气候就有点这个意思。

  天气是什么?天气就是我们今天、明天、后天,我们看到的风雨这种现象,刮风了,下雨了,冰雹了,台风来了,这个时候我们叫做天气现象。我们在做预报的时候,我们预报天气,预报会不会出现这样的天气。气候是什么?气候是这一个地区或者这一个地方天气的平均状况,就是这个地方冬天就是冷,夏天就是热,没有台风影响,或者说这个地方就是四季如春,没有什么特别冷,特别热,这个就叫做它的气候,就是天气的平均状况,这就叫气候。

  实际上注意的话,气象在谈到天气的时候叫预报,谈到气候的时候叫预测,为什么?预报就是可以给你一个基本的结论,会不会有,甚至于在哪有,什么时候有。而预测就是推测,或者说跟短期的预报来相比,把握性就要差一些了,我们是推测有可能怎么样、怎么样。再深一步,气候和气候变化是不是一回事?气候我们知道是一个平均状况,所以我们研究气候是研究这个地方的天气的平均状况应该是怎么样的,为什么会这样。而气候变化是研究的这个地方的这种平均状况,这个地方的气候规律为什么会发生变化,或者发生了哪些变化,而这些变化又可能对我们有什么影响,所以研究气候变化的人是研究这个地方的气候和正常的气候的偏离程度,它的原因,它的影响,所以气候和气候变化它是两个研究方向。

  现在来看,气候越来越复杂了,也就是说气候变化了。那么这个变化体现在哪?如果我们拟人化地去讲它,给地球的气候做一个“体检”,这个体检的结论是什么?

  那就是,地球的“健康水平”下降了。为什么?一是因为长期“低烧”。全球的气候变暖的趋势持续了很长时间,温室气体浓度在内的许多项的过去的气候纪录,都被打破了。长期“低烧”这个情况过去还有争议,说统计的方法不一样,或者资料不一样,现在证明的事实越来越多。二是“血压”不稳定了。极端天气越来越多发,气候变化的速度已经是违反自然韵律了,忽上忽下,忽左忽右,这个就是我们要特别当心的事了。气候如果不稳定了,那对我们人的危害或者说对生物的危害就体现出来,它不是一个正常慢慢的暖,或者正常慢慢的冷,它是上下都在发生变化,小概率事件在增加。 三是“疑难杂症”多了,极端天气的小概率事件多了,就是更热、更旱、更涝都出现了。什么叫小概率?小概率就是一个正态分布,两头非常少的可能性现在开始出现多了,当我们说气候变暖以后,极端天气事件增加了,不代表都是热事件。同时包括了热事件和冷事件。曾经的“百年一遇”“千年一遇”,现在也变成了“三十年一遇”,甚至“十年一遇”。

  随着气候变暖会出现什么?冰川退缩。短期会造成滑坡、雪崩、洪水。反过来讲,冰川退缩也让水变多了,植被好了。但按长期来看,风险非常大。而且高山的冰川退缩,会影响农业的水力发电等许多行业,这个是要当心的。同样,气候变暖了水变少了,那就导致干旱。现在世界气象组织统计说,70年代以来受旱的面积翻了一倍。

  我们常说“涝一线、旱一片”,因为“涝”往往是锋面降水,就是冷暖空气交汇的锋面降水,那么它在一个流域造成洪水泛滥,往往像一条线,像一个长条的。而“旱”因为是单一气团的控制,它是一个面,是一个非常巨大的一个范围。所以我们说,干旱是世界上造成损失最大的灾害,而且受灾的人多,范围广,所以这个也是气候变化和水有关造成的这种影响。

  如果说气候变暖,海平面上升,怎么办?现在世界上所有发达地区的经济领头羊都是大湾区,而大湾代表什么?海边。所以海平面上升,这些人口最稠密地区首当其冲。还有对沿海植被造成影响,比如说珊瑚白化,就是整个生态的退化。 

  “南橘北枳”可能变为“北橘南枳”,北方“麦浪滚滚”可能变成“稻浪滔滔”,像这样,生物链如果出现变化是很危险的。比如说花提前开了,可是产蜜不足,而蜜蜂提前醒了,蜜蜂关联到的一系列生物链都紊乱了,那就不得了,那地球生态就会出问题了。所以,地球变暖实际上跟我们每个人都息息相关。

  有人会问了,这是不是杞人忧天?过去的地球也暖过,现在好像也没有什么问题。实际上真不是,科学家统计了,如果地球温度再上升近3摄氏度,差不多会有3亿人居住的地方被洪水淹没,海洋温度也会达到历史最高水平。海洋本身会吸收了二氧化碳,它整个生态就像一个人一样,过量吸收了其他气体,虽然帮着“减排”了,可是对海洋自己的生态产生影响了。气候再暖下去,冻土范围减少,甲烷等温室气体释放,大量原来在冻土层下的病毒会复活,几十年,几百年前的病毒,甚至于我们现在都未知的病毒出来了。这种事实在一些地区已经被监测到了,就是发现了过去的或者说我们还不认知的一些病毒,在冻土层解冻后出现了。海平面上升这个已经反复讲了,预测如果成真的话,可以上升7米,两三层楼高了。全球生物已经出现了五次大灭绝,如果说因为我们人类不作为,或者说在这个期间引起的气候变化,再形成第六次生物大灭绝会怎么样,人类能独善其身吗?

  地球的气候确实是一个非常理想,非常有趣,多样性,但是又使我们人类生物非常幸运的这么一个气候环境,已经存在了很多年了,可是现在在发生变化了。而这些变化真的可能在方方面面影响我们的未来,而且有可能因为我们的不作为,而造成不可逆的反应。

第三讲 气候与水:降水决定生态基本格局

  早期气象发展实际上在甲骨文上就有记录,“霾”这个词在甲骨文上已经出现了。很多人可能认为,“霾”是近代的词,这些年因为大气污染了,才有了“霾”。其实 “霾”自古有之。扬尘、火山的灰、森林大火……所谓古人叫做“下土”的这种事,就是因为空中的悬浮颗粒物造成能见度下降,这种比较脏的天气古人就叫“霾”。现在所谓这个“霾”的天气,是因为近地层的污染物已经毒化了过去的颗粒物,而对我们身体造成伤害。

  1637年,古希腊笛卡尔写出了《气象学》,虽然和现代的《气象学》也有很大的差别。但是,人类已经能渐渐认识到,观天象也好,实践的经验教训也好,空气、水、土、火这些是所谓“四因”,会影响世间万物的这个变化。

  我们国家在气象方面研究得更多更早。2000多年前,二十四节气中就有“斗转星移”:把一个回归年划成了二十四等份。其中“反应季节,反应气温,反应降水,反应凝结,反应物候”都跟气象有关。它是指导农耕时代生产、生活的一个指导手册。尤其值得我们自豪的是风的分类,近代大家都在用蒲福风级(Beaufort scale),实际上我们的古人早于西方1000年就已做出来了。现代的天气预报什么时候有?现在比较主流的意见是天气图出现以后才开始有了现代的天气预报,天气图是什么?1820年是最早出现,但是真正有气象观测网和使用天气图,开始气象服务了,则是因为军事。1854年,英法联合舰队遭到了强风暴的灭顶之灾,然后开始反思,是不是要把天气现象,把不同地方的数据都搜集过来,看看这个风暴到底从哪来的,怎么回事。一查发现,天气系统是有规律的,是移动性的,可以通过上游就发现它,然后推测影响下游的时间。

  气象对计算机整个的领域发展,也起了非常大的贡献。实际上,计算机之父冯•诺依曼首次用计算机做的题目是什么?就是气象。因为气象太复杂了,数据太多了,所以需要计算机来解决,所以一直到现在各个国家最快、最大的计算机一定会用于气象,没有例外。

  今年世界气象日的主题是“气候与水”。去年是“太阳、地球和天气”。有人统计过了,说60年来这个主题有八次,就是气象日的主题有八次提到了水,那么就是说这八次提到水意味着什么?意味着气候始终,天气和水的关系确实非常密切。那么今年的主题实际上是在强调六个部分,一个要珍惜每一滴水,实际上我们地球是一个缺水的地球,别看海洋70%,我们人类生存、生物生存是淡水,是一个缺水的地球,地球上的水只有0.5%是在为人类使用。还有一个就是冷冻水。冷冻水实际上就是冰冻圈的这些冰,就是冻结在那边的水。刚刚说了,随着气候变暖,它正在融化,正在消失。那么冷冻水实际上它作为这种高原“水塔”,受它的影响有十几亿人,如果它消失了,不光是十几亿人直接受到影响,整个冰极、冰盖的消失,对气候大环流也造成影响。整个气候的环流,是因为热量分布不均匀,如果冰盖没有了,它的受热条件和原来有冰盖的反射条件完全不一样,那这时候大气环流就会紊乱,我们不知道会发生什么。可能现在旱地就变涝地,现在涝地就完全变成干旱的地方。

  气候变化对水的影响,实际上从我们上面的这几点上就已经可以找到关联了,这个关联真的就是息息相关。世界气象组织强调,我们要充分利用好每一滴水,保护我们的水源和生态,要节约用水,净化水。

  中国为什么强调全球人类命运共同体,一个国家不能独善其身,应对气候变化和保护水资源,只有全球共同行动来做。世界气象日强调这个主题,也是希望督促科学家和各位在学校学习的同学们,你们当中未来的科学家能够关注这样的问题。你们需要在未来用知识能力以及影响力,改善现在跟自然的这种关系。

  那么气候变化和水又和我们到底有什么关系?有些人可能知道,有一个胡焕庸线(即中国地理学家胡焕庸1935年提出的划分我国人口密度的对比线),那么气象上来讲,400毫米的雨量线作为平均雨量线,正好也是这么区分的。雨量线也是一个生态线,它对我们的生态的影响就是这样出现了。

  那么我们再看,冰川消融创下纪录,这是2019年为节点的话,过去十年发表的。平均海平面升高的速率比2000年的平均更高,这个是我们最担心的。速率加快相当与涨潮,速度加快很棘手。如果全球变暖不控制在1.5摄氏度以内,甚至于要2摄氏度的话会怎么样?珊瑚礁减少70%-90%,甚至于消失。所以为什么科学家都在争论,政府也在采取措施,就是2摄氏度是一个全球目标。但是现在更提倡咱们再少一点,1.5摄氏度行不行,大家要去努力,当然这个努力必须是全球化的。

  我们还要防止它对农业和粮食安全的影响。这些大家都可以理解,我们粮食安全肯定跟雨水及蓄水都有关系。而且世界气象组织也说,担水本身对人就非常重要,所以一个人平均来讲要没有水,最多存活3天,当然有人说比这个还长,但是不管怎么说你没了水你活不了几天。那么粮食生产,水资源,而且水资源往往是跨国界的,那会引起外交纷争的。

  所以,水是21世纪最珍贵的资源之一。今年的世界气象组织也宣传,我们要细数精测每一滴水,滴滴当珍惜。

第四讲 从我做起:人类活动是气候变暖的主因

  既然气候变化对水有影响,而最终又影响我们人类,那我们怎么办?科学地讲的话,现在的气候变化或说气候变暖,是人类活动和自然原因的叠加造成的。简单地讲,人类活动至少造成了温室气体的增加或排放。而气候变暖又会影响到水,而水又会反过来影响到我们人类,所以这是一个循环,是一个系统性的,谁也逃脱不了。

  但是谈到了人类活动既然造成了影响,我们人类活动是不是应该停止,倒退?回到那个大家坐马车,没有物流,没有汽车,没有冰箱,没有空调的时代呢?显然不可能。畜牧业排放的温室气体占的比重也很高,是不是我们也要不再吃肉?显然也是不现实的。那么我们怎么办?我觉得我们现在是一定要承担起责任。不管你现在是学生还是科学家,是普通公民还是公务员,都必须承担起找到科学方法的责任。我们一定要去科学地去应对,不能停滞不前。我们要科学应对,用科学创造发明来减少排放,来减缓气候变化,这样才符合科学发展观。希望更多的人能够关注、投入研究这个问题,更多的人做更多的思考,然后用你学习的知识和未来发展出来的新技术来解决气候问题。

  节能减排不是空泛讲讲,不是说只有企业、政府去,只有科学家去研究,实际上是我们全社会都要动起来。我们可以节约用水,可以减少水的污染,可以用自己的知识、特长去研究水资源的利用,合理利用,我们可以减少温室气体的排放。再有就是我们一定要停止破坏我们的环境,一定要响应党和国家的号召,绿水青山就是金山银山,不要看眼前的一些利益,只要环境在,环境的循环在,气候资源不被破坏,气候资源的承载力能够保证,那么我们人类就能有序地发展。

  我们中国我们一直提倡叫“天人合一”,“天人合一”就是相互尊重,我们要尊重、顺应,保护自然,不要急功近利。再一个要“从我做起”,就一定要科学应对。如果具备了好奇心,好问精神,不怕试错,你就可能建立起一个科学思维。

  在云南考古曾发现一个四五亿年前的化石,大家都认为它是一个无头虾,据说还写了很多的论文。许多年以后,结果又发现了一个化石,结果发现什么?发现曾经已经写过很多论文的这个无头小虾,结果是一个大动物“奇虾”,前面的那个螯只是它的一小部分。我们的科学家怎么会这么糊涂?不是,这就是科学的态度,就是当我们认知水平在一个范围内的时候,我们要争取有所发现。随着科研水平提高,有可能突破我们原来的想象,发现另一片天地。

  我为什么喜欢用这个故事?就是说我们对待科学就是这样一步一步地去深入,一步一步地去走。可能会走弯路,可能会有错误,可能时间也很长,几十年甚至于更长。但是不要怕,科学态度是什么?你要不断地钻进去,要用所有的知识尽量去解读它,也不要怕随着新发现而推翻旧的结果。学生们也要养成好的习惯,除了课堂和课本上给我们的要求学习的知识以外,我们必须对大自然和周边环境,对生活的方方面面遇到的事都要有一个好奇心。例如“空气是空的吗”这个问题看似再简单不过,就是我们实实在在一直能够观察到的这么一个现象。

  希望大家从今往后也能养成这个习惯,无论做什么,在什么环境里,都可以针对你学的知识去验证一下,或说发现一些要补的知识,然后带到课堂上去,向老师请教,在读书的时候去认真地思考,而不是说只是记住它,背它,我想这就是一个科学的态度。

  所以,我们所谓做科普不是说一次、两次的课,一小时、两小时能够教授多少东西。而是希望在这么一个过程中,利用话题能够传达一个科学思想,引起大家的共鸣。比如说今天我们就希望大家关注气候,关注气候和水的关系,关注水对气候系统里面所产生的这种作用,而引起我们的注意。

  如果你想成为上知天文、下知地理的这种人,至少要热爱大自然,喜欢问为什么,掌握科学方法,并且要德、智、体的全面发展,那真的就是有可能努力实现这个方向。最后我还是希望,我们大家爱祖国、爱科学、爱自然。只有这样我们共同努力,这个星球才能更美好,我们的国家才能繁荣。

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