2.1 气候系统与气候变化
2.1.1 气候系统
2.1.1.1 气候系统的概念与组成
在经典气候学中，气候被视为一个静态、大体稳定的孤立系统，用某地在某一时段内气候要素的平均值和变率的统计描述表征大气物理特征的长期平均状态。随着现代气候学的发展，过去对于气候的理解和认识已逐渐显得狭隘。1979年，第一次世界气候大会将“气候”的概念发展为“气候系统”，提出气候系统是由大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈（陆面）及生物圈共同组成并且相互作用的高度复杂耦合的系统。其中，大气圈是指包围地球的一层气体，是气候系统的主体部分，也是气候系统中最活跃、变化最大的部分，主要通过大气成分及辐射收支的变化来影响气候系统。水圈包括海洋、河流、湖泊、地下水和大气中的液态水，其三相变化的过程构成了纷纭复杂的自然现象和气候类型。冰雪圈指全球的冰体和积雪，由极地冰原、季节性雪盖、海冰、高山冰川和永冻层组成，影响地表辐射平衡和热量平衡。岩石圈是地球表层固体的壳体，包括大陆的陆块，即山体、地表岩石、沉积和土壤以及海洋底部形态，通过地形的动力作用、地表热力特性的差异及陆面水分循环影响气候系统。生物圈是大气中、陆地上、海洋中的植物、动物以及人类本身，主要影响气候系统的能量平衡和水分平衡和碳循环。在太阳辐射等外界能量输入下，气候系统各组成部分之间在不同时间和空间尺度上进行能量、动量和物质的输送与交换，形成非线性的开放系统。这些子系统之间复杂的物理、化学和生物作用，决定了全球气候过程和气候环境变化，也形成了气候系统行为的多样性和复杂性。
2.1.1.2 气候系统的基本特征
气候系统是高度复杂耦合的系统，主要表现为复杂性、稳定与可变的二重性以及可预报性三个主要基本特征。
1.复杂性
气候系统是一个庞大的、非线性的、开放的复杂系统，由若干子系统耦合而成，且这些子系统又各自包含更小的二级子系统，具有复杂的多级结构。子系统之间以多种方式发生复杂的非线性和非平衡的相互作用，导致其在时间和空间上产生各种复杂形式的相关结构，形成了气候系统的空间复杂性特征。气候系统是有序态、随机态和混沌态共同存在于同一个复杂系统中，依系统内外不同参数条件随时间和空间不断发生变化，且对初始条件、参数和环境的微小扰动高度敏感。从热力学的角度看，气候系统是开放的，既有能量的不断耗散，又有一些相对稳定的周期性变化，还具有某些随机扰动的性质。从气候系统随时间的演变看，其复杂性表现在既有相对缓慢稳定的趋势变化，又有剧烈的突变现象；既有相对规则的周期性变化，也存在随机性的不规则变化。
2.稳定与可变的二重性
气候系统兼具稳定与可变的双重特性。其中，稳定性是气候系统演变过程中的重要特性，气候系统的相对稳定性主要受两个因素的制约：一是能量收支方面的外部因素；二是气候系统内部的性质。气候系统的可变性往往表现为由一种稳定的气候状态向另一种稳定的气候状态的转化。
3.可预报性
气候预测分为两类：第一类与时间有关，即习惯上的气候可预测性问题；第二类与时间无关且非线性的，即气候变化的不确定性问题。气候本身从某种意义上讲具有统计性和概率性，所以气候系统的可预报性具有对所考虑时空尺度的依赖性。
2.1.2 气候变化
2.1.2.1 气候变化的概念
气候系统是一个庞大的、非线性的、开放的复杂系统，自地球形成以来，在自身动力和外部强迫作用下，气候系统不断发生具有不同时空尺度的变化和变率，如250万年前的第四纪时期的冰期-间冰期旋回以及中世纪暖期（AD 900—1300年）和小冰期（AD 1550—1850年）等。当前，全球气候系统正处于温暖的全新世中，与过去相比，人类活动以及工业化对气候系统的影响愈加突出，同时气候系统的变化对人类活动的作用也更显著。
气候变化的事实已在全球得到确证，而对于“气候变化”的概念目前仍存在一定分歧。政府间气候变化专门委员会定义气候变化为：“气候随时间的任何变化，无论其原因是自然变率，还是人类活动的结果。”然而，《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）第一款中，将气候变化定义为“经过相当一段时间的观察，在自然气候变化之外由人类活动直接或间接地改变全球大气组成所导致的气候改变”，将因人类活动而改变大气组成的气候变化与归因于自然原因的气候变率区分开来。
本书综合考虑气候系统的自然变率和人类活动影响，重点研究自20世纪初期以来以全球变暖为主要特征的一系列气候变化现象。
2.1.2.2 全球气候变化特征
近百年来，气候变暖是气候系统发生变化的最显著特征，并由此引发了一系列气候效应，其中最突出的变化包括海洋变暖与海平面上升、冰雪覆盖减少以及碳循环与生物地球化学循环的变化。
1.大气变暖
自人类工业化以来，全球大气温度呈明显上升趋势。IPCC第五次气候变化评估报告指出：1880—2012年间，全球平均海陆表面温度升高0.85（0.65～1.06）℃，几乎所有地区都经历了地表增暖过程。同时，全球大气的升温速率在加快，1983—2012年可能是过去1400年中最暖的30年，并且过去三个十年的地表已连续偏暖于1850年以来的任何一个十年。除了多年代际变暖外，全球地表平均温度还表现出明显的年代际、年际和季节变化。例如，1998年是同期最暖的一年，1976—2000年，全球地表冬季平均气温升高最为显著。特别是北半球中高纬度地区更为明显，春季的增温幅度次之，秋季最弱。此外，在全球尺度上冷昼和冷夜的天数已减少，而暖昼和暖夜的天数已增加。在欧洲、亚洲和澳大利亚的大部分地区，热浪的发生频率可能已增加。
2.海洋变暖与海平面上升
海洋是气候系统的基础组成部分，也是气候系统热惯性的决定因素，其对热量的吸收能力和对大气的加热过程在全球气候变化中起着十分重要的作用。自20世纪初以来，全球海洋持续变暖，1971—2010年间所吸收和存储的能量占气候系统的90%以上。其中，海洋表层温度升幅最大，1971—2010年期间海洋上层75m以上深度的海水温度升幅为0.11（0.09～0.13）℃/10年。同时，热量逐渐从海表向深海穿透，现已延伸到至少2000m的深海，并对海洋环流造成影响。
受海水变暖以及极地冰盖和陆源冰川冰帽融化等因素影响，全球海平面上升问题日益突出。1901—2010年间，全球平均海平面上升0.19（0.17～0.21）m，且上升速率不断加快，1971—2010年间为每年2.0（1.7～2.3）mm，1993—2010年间为每年3.2（2.8～3.6）mm。海平面的加速上升易导致陆地河口盐水入侵，引发淡水盐化和沿海土地盐渍化等问题，并给沿海地区的防洪和供水安全带来威胁。同时，异常气候事件多发生于季节性高海平面期间，极易加重海洋灾害，造成灾难性后果。
3.冰雪覆盖减少
冰雪圈是全球水循环的重要环节，也是全球气候和其他多种环境因子变化的驱动力，主要通过冰雪反射率、水文循环和能量交换影响和反馈气候系统，对于气候系统的变化十分敏感。1992—2011年，冰冻圈各要素的冰量处于持续损失状态。首先，格陵兰冰盖和南极冰盖的冰量一直在损失。其中，格陵兰冰盖的冰量损失平均速率很可能已从1992—2001年间的每年34（-6～74）Gt增至2002—2011年间的每年215（157～274）Gt；南极冰盖的冰量损失平均速率可能从1992—2001年间的每年30（-37～97）Gt增至2002—2011年间的每年147（72～221）Gt。同时，全球范围内的冰川几乎都在继续退缩，1971—2009年间，全世界冰川的冰量损失平均速率很可能是每年226（91～361）Gt，在1993—2009年间很可能达到每年275（140～410）Gt。此外，北极海冰和北半球春季积雪范围也在持续缩小。1979—2012年间，北极年均海冰缩小速率很可能为每年0.35%～0.41%（约4.5万～5.1万km2），夏季最低海冰范围很可能每年缩小0.94%～1.36%（约7.3万～10.7万km2）。1967—2012年间，北半球3、4月平均积雪范围每年缩小1.6%（0.8%～2.4%），6月每年缩小1.17%（0.88%～1.46%）。
4.碳循环与生物地球化学循环变化
碳循环与生物地球化学循环是生态系统对全球变化响应的综合表现，和大气中CO2、CH4等温室气体物质的浓度的变化密切相关，直接影响全球气候的稳定与变化。自人类社会工业化（1750年）以来，受化石燃料燃烧和土地利用变化影响，大气中CO2、CH4和N2O浓度显著增加，均已达到过去80万年以来的最高值，增速也超过过去2万年的平均值。其中，CO2浓度从工业化前的278mL/m3上升到2011年的390mL/m3，且2002—2011年大气中CO2浓度上升速率是自1958年有观测记录以来最快的10年；CH4浓度从工业化前的715mL/m3增加到2011年的1803mL/m3，增幅近150%；N2O浓度也从工业化前约270mL/m3增加到2005年的319mL/m3。
2.1.2.3 气候变化主要影响因素分析
气候系统是一个庞大、非线性、开放的复杂系统，在自身动力和外部强迫作用下，气候系统不断地随时间而发生具有不同时空尺度的变化和变率，其中既有相对缓慢稳定的趋势变化，又有剧烈的突变现象；既有相对规则的周期性变化，也有随机性的不规则变化。
气候变化的机理十分复杂，涉及因子众多，但其原因总体可分为自然强迫和人为强迫（人类活动）影响两类。其中，自然强迫包括两方面：一是系统外的影响，如太阳辐射变化、火山爆发等；二是系统内部通过“海洋—陆地—大气—海冰”相互作用而产生的影响，如热盐环流、季风等。在自然强迫下，气候变化的程度取决于强迫的大小及气候系统对强迫的敏感性。若自然强迫较轻微或缓慢，则气候系统各圈层均维持平衡。若自然强迫的变化是瞬时的，或仅维持较短时间，气候系统则将在多个时间尺度上产生响应。另一方面，人类活动的加剧引起了地球大气中温室气体、气溶胶含量以及云量等成分的变化，扰动地气系统的辐射平衡，影响陆—气、海—气之间的能量与物质交换，成为气候变化的主要影响因素之一，其主要作用表现在以下三方面：首先，人类通过燃烧化石燃料以及其他农业和工业活动排放出大量CH4、CO2、N2O、PFC、HFC、SF6等温室气体，其所形成的温室效应是造成气候变暖的主要驱动力之一。第二，人类活动加剧了土地利用和土地覆盖的变化，包括诸如森林砍伐、农田占用、城市化发展等直接由人类活动所引起的变化，以及在气候变化背景下生物群落的植被结构和功能所发生的间接变化。土地利用和覆盖的变化一方面导致温室气体源发生改变，另一方面造成地表反照率的变化，致使更多的入射太阳辐射返回太空，对地面产生冷却效应。第三，人类活动所排放的硫化物以及黑碳等气溶胶也是影响气候变化的因素之一，但气溶胶的作用是令地球表面变冷。在地球的气候长期演变过程中，气溶胶（导致变冷）和温室气体（导致变暖）始终是两个主要的影响因子，气候变化是二者共同作用的结果。
目前，全球气候变化是指以气候变暖为主要特征的一系列变化，从1000年尺度来看，前900年的气候变化主要是受自然强迫影响。而对于近100年的气候变化的主要原因，IPCC在AR5中进行了检测和归因分析，报告在大气和海洋变暖、积雪和冰川减少、全球水循环变化、全球平均海平面上升以及极端气候事件的变化中均检测到人为影响的信息，同时发现太阳活动、火山爆发等自然强迫和气候系统内部变率不是自1950年以来全球变暖的最强驱动因子。因此，自20世纪中叶以来，人类活动已被认为是可能造成全球变暖的主要原因。同时，AR5还指出该结论的可能性超过95%，这比2007年AR4提出的“可能性超过90%（可能）”更高，表明人类活动对气候变化的影响更为明确。