气候变化是怎样引起的?

地球是一个极其复杂的系统，地球气候系统是构成这个地球系统的重要一环。在漫长的地球历史中，气候始终处在不断地变化之中。究其原因，概括起来可分成自然的气候波动与人类活动的影响两大类。前者包括太阳辐射的变化、火山爆发等。后者包括人类燃烧矿物燃料以及毁林引起的大气中温室气体浓度的增加、硫化物气溶胶浓度的变化、陆面覆盖和土地利用的变化等。
太阳辐射是驱动地球上所有天气和气候现象的能量来源。就全球和年平均而言，有343W/m2的太阳辐射（又称短波辐射）入射到大气顶，但其中三分之一（103W/m2）被云层和地表面又反射回太空，因而只留下240W/m2被地球的气候系统所吸收。大气本身对太阳辐射的直接吸收很少，大部分被陆面、海洋、冰面所吸收，使它们温度升高。为了维持地球的气候长期不变，根据辐射平衡的原理，地球作为一个黑体（严格说应为灰体）被地表和大气吸收的太阳辐射必须在大气顶被地球自身放射的红外辐射（又称长波辐射）所平衡，其量值也应该是240W/m2。这种情况下，地球系统由于没有任何净能量输入，则能保持地球气候状况（主要由全球地表平均温度表征）不变。因而全球辐射平衡是维持稳定地球气候的基本原理。不论何种原因，如果这种平衡一旦被破坏，则全球辐射平衡不能维持，地球系统将获得或损失能量，从而导致地球气候的变化。

破坏全球辐射平衡可以有两种方式：一是入射到大气顶的太阳短波辐射量发生了改变，它主要由太阳活动本身的变化或太阳常数的变化引起，也可以由地球围绕太阳公转的轨道参数（偏心率，进动和倾斜角）变化引起（即米兰科维奇循环），也可以是大气中的云层覆盖面积或大气气溶胶颗粒物含量发生了变化，从而使反射的太阳辐射量发生了变化（用反照率表示）。这些变化是引起气候自然变化的主要原因之一。它可以影响不同时间尺度的气候变化。二是射出长波辐射的变化。能够影响地球射出长波辐射向外空传输的主要因子是大气中的水汽，O3和温室气体等。它们能捕获或拦截地球和大气向外射出的长波辐射，使射出的长波辐射减少，从而破坏了全球辐射平衡。由上可知，能够改变大气顶净辐射或使辐射平衡发生扰动或破坏的任何因子都可以引起全球气候变化，它们被称为辐射强迫。实际上，全球气候变化是对辐射强迫的响应，通过这种响应过程，地球系统改变自身的气候状况，以重新恢复原来的或建立新的全球辐射平衡。在这个过程中，由于气候系统中各圈层响应的快慢不一样，其所表现出的气候变化状况就不一样。
温室效应是全球气候变化原因的最重要的物理基础之一。温室效应有两种，一种是自然的温室效应，一种是增强的温室效应，即人类活动引起的温室效应。我们首先考察一下自然的温室效应，它不但发生地球的气候演变中，也发生在其它行星的气候形成中，就目前的知识而言，至少在我们地球的近邻行星金星（离太阳比地球近）与火星上（离太阳比地球远）。地球大气中，除了含有占99%氮、氧以外还含有其它少量的微量气体如CO2，CH4等以及云，水和尘埃等，后者虽然所占体积和数量很少，但它们可以吸收地表放射的一部分红外热辐射，根据基尔霍夫定律（Kirchoff定律），大气中的一个气层如果吸收辐射，它也在同一频率下，正比于吸收再以自己的温度放射出辐射。
因而大气中 这些微量气体和水汽、云等在吸收大气与地表发射的长波热辐射的同时，也以自身的温度向外空放射出热辐射。在大气高层的这些气体、水汽与云，由于其温度比地表低得多（大气中的气温从地表到对流层顶（平均约12Km）平均以6℃/Km下降，因而在5-10Km的高层大气，比地表冷30-50℃），发射的热辐射量比较小，因此这些高层的温室气体吸收了大量或全部（看作黑体）由地表和低层大气发射的长波辐射，但向外发射了比其吸收小得多的长波辐射。这比没有这些水汽与温室气体情况下的大气损失于外空的热辐射要小得多。因而这些温室气体的作用犹如覆盖在地表上的一层棉被（即被毯作用），棉被的外表比里表要冷，使地表热辐射不致于无阻挡地逸向外空，从而使地表比没有这些温室气体时更为温暖。从辐射传输的观点看，也可以认为是增加了中、上层大气中温室气体、水汽、云等向下放射的长波辐射，使地表和近地面空气增温。人类活动可以造成全球辐射平衡破坏的主要因子也可以是由于人类活动引起的大气中温室气体的增加。由此而造成的地表温度的进一步增加被称为增强的温室效应。因而，这种增强的温室效应实际上是由于人类活动引起的附加在自然温室效应之上的一种温室效应
迭加在气候变暖趋势线上的冷暖异常期被称为气候脉动或气候变率。这种气候变率具有不同时间尺度和空间尺度。短的只有几十天，长的可达几十年；范围小的只有几百或上千公里，范围大的可达半球尺度。它们形成的原因与外强迫或温室气体增加引起全球气候变化不同，主要是由大气内部的变率和气候系统各圈层之间的耦合变率造成，统称为气候的内部变率。值得指出，耦合变率由圈层之间的相互作用产生。可由海洋、陆地、生物圈和冰冻圈对大气的强迫产生，它在本质上与大气内部动力过程产生的内部变率不同。这种变率本质上由大气波动的形成，传播，振荡和不稳定发展造成。它们不但可以通过波能的传播或波导影响下游的天气气候异常，而且可以发生定常性传播，使一个地区的天气或气候异常传播到很远的地区（即大气遥相关）。
以上因素是影响气候变化的主要因素。