专栏51正面反馈
在环境科学中，越来越明显的是，一种被称为反馈的现象是理解全球过程的关键。我们所说的反馈是什么意思?这个过程(在某些情况下)“自我消化”，就像滚雪球往下滚一样积聚动力，或者相反(在其他情况下)，像房子的中央供暖系统一样，由恒温器控制，降低自己的速度，减缓自己的影响。
反馈的一个例子是，如果你去当地酒吧看一些糟糕的乐队表演。他们会倾向于把歌手的麦克风布置得离扬声器太近。麦克风接收并放大吉他的声音。它放大的声音越大，从扬声器传出的声音就越大，又有更多的声音回到麦克风中，如此往复，最终形成一种刺耳的尖叫声。这种自我强化的过程就是积极反馈。这是一个“放大”变化的过程，一旦最初的小触发事件(进入麦克风的第一个小噪音)发生。自然环境也是如此:最初的微小变化被捕捉并放大成气候的巨大变化。raybet雷竞技最新
或者考虑另一种类型的反馈:房子里的中央供暖系统。当自动调温器感觉到房子太热，超过设定值时，它就会关掉暖气。如果它把温度调低太多，恒温器就会感应到温度下降结果，并使它稍微回升。温度在一个固定点附近轻微波动。此外，如果室外的天气变化，变得更热或更热，并倾向于改变房子的温度，恒温器感应到房子内部的变化，并调整加热。中央供暖系统的运行是一种不同类型的反馈:负反馈。这是一个“压制”变化的过程。在自然环境中，负反馈循环有助于保持气候稳定，抵御正反馈的冲击和不稳定影响。raybet雷竞技最新
我们在自然界的哪些地方看到了正反馈?它无处不在。一个重要的例子是积雪和冰盖范围。一大片的冰或雪会使地表冷却(通过反射大部分太阳的热量，防止它使地表变暖)，从而确保更多的冰能形成。这失控的影响这有助于解释为什么地球在过去经历了冰河时代，那时巨大的冰原由固化雪覆盖了世界的高纬度地区。未能融化的积雪会反射阳光，冷却空气，使更多的雪更容易在下一年存活下来，以此类推。本章和下一章将解释其他涉及活植物的重要正反馈。
所以，正反馈因子是增强气候差异的放大器raybet雷竞技最新从一个地方到另一个地方，也会随着时间的推移增加地球气候和环境的可变性。raybet雷竞技最新在地球地质历史上，特别是在过去的几百万年里，它们肯定在引起气候的许多突然变化方面起了重要作用。raybet雷竞技最新
它需要一个触发事件来设置正反馈循环。在过去的气候中，可能触发正反馈的特定因素包括米兰科维奇节律，这是由于地球轨道的摆动而导致的阳光分布的变化。raybet雷竞技最新季节性阳光强度的变化产生了广泛的正反馈循环，包括冰、植被(第5章和第6章)和海洋中的浮游生物(第7章)。如果它向一个方向移动，米兰科维奇变化可以通过所有这些循环触发全球变冷。相反方向的轻微变化，地球可以通过反向的正反馈突然变暖。
尽管气候中的正反馈可以极大地加剧变化，但事物的变化幅度将受到限raybet雷竞技最新制。正反馈循环通常是“阻尼”的——超过某一点，放大循环就停止响应，系统就不会超过这个极限。刺耳的吉他扩音器并没有变得越来越大，直到整个建筑都被声波摧毁。它在音量方面达到了极限，因为扬声器的瓦数限制了反馈的功率。在正反馈循环导致变暖的地方，温度不会消失，直到地球完全烧毁，只是因为反馈在运作，使地球升温。当一个导致冷却的反馈运行时，它也不会下降到绝对零度。所有的正反馈所做的就是放大所发生的变化的量，直到某个点。
如果你把它看成一个图表，正反馈机制所做的是增加系统对外部变化的响应斜率，例如，米兰科维奇节奏，区域天气模式的随机变化或大气成分的变化。如果沿着下轴a改变某个因素的量(例如，增加大气中温室气体的量)，则在垂直轴B(例如，温度，对温室气体增加的响应)方面可以看到一定数量的响应，从而得到一条倾斜的线(图5.2)。加入正反馈会改变响应的斜率:它变得更陡了。在显示响应量的图表中间会有一个保持不变的“铰点”，但中间的每一侧变化都更大，或向上或向下。
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- 因素A(原因)反应更剧烈。
背景条件的缓慢而持久的变化可以引发气候的正反raybet雷竞技最新馈。例如，这可能是由于米兰科维奇节律导致的季节性阳光分布的变化，将地球从冰川期移动到间冰期状态。一旦发生翻转，这个系统在数千年里趋于相当稳定，因为阳光的变化非常缓慢。
然而，积极反馈的触发因素也可能只是一组暂时的条件，一些随机事件，比如比平均水平多湿的夏天或比平均水平低得多的冬天。或者甚至可能是某一年在沙漠边缘吃了太多的山羊。然后反馈放大了这个初始的开关，直到它达到极限，本来是一个小的临时变化已经被放大并进入一个新的稳定状态。然而，新的稳定状态并不是永远不变的。它总是可以被一个随机的临时变化抛回到另一个方向，被反向运行的正反馈循环所控制。因此，这样一个系统的状态从来不是稳定的，而是亚稳态的，如果给予一个小的推力，就容易突然翻转(图5.3)。在一个亚稳态系统中，两种状态实际上都是稳定的，任何时候事物的状态都取决于事物所依赖的特定“挂钩”。这种亚稳态对于理解干旱地区的气候历史和许多其他随时间变化的历史非常重要，包括化石记录中的一些大型全球气候变化。raybet雷竞技最新正如我们将看到的，植被可能经常参与使系统亚稳态和易于翻转。
图5.3。亚稳态系统有多种状态。它将在一种状态下保持稳定，直到被某个临时触发事件“踢”到另一种状态。
图5.3。亚稳态系统有多种状态。它将在一种状态下保持稳定，直到被某个临时触发事件“踢”到另一种状态。
5.2.1萨赫勒地区与植被反馈
在南部的边缘撒哈拉沙漠是一片开阔的灌木丛地带，被称为萨赫勒。在阿拉伯语中，“萨赫勒”一词的意思是“海岸线”，这是一个很好的比喻，这条长而细的地带，大约有200公里深，毗邻伟大的沙漠(图5.4)。几千年来，萨赫勒地区一直居住着牧民和农民，但他们的生存一直受到降雨波动的影响。在世界上大多数其他干旱地区，干湿年是随机穿插的，所以如果某一年特别干燥，并不能预测下一年也会干燥。但是，在萨赫勒地区，气候往往会经历不同的潮湿raybet雷竞技最新或干燥“阶段”，持续几十年。如果萨赫勒地区的某一年比长期平均干旱，那么很有可能下一年也会相对干燥，大后年也是如此。在19世纪后期，该地区经历了一个湿润的阶段，农业产量相当不错。1900年左右(图5.5)，降雨记录显示有一个干旱阶段，持续约20年。然后，降雨量突然增加
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- 图5.4。撒哈拉沙漠南部边界的萨赫勒地区。资料来源:作者。
大部分在1970年之前一直处于高位，然后突然下降，并在整个20世纪70年代和80年代保持低位，此后有部分复苏。萨赫勒地区大部分地区的降雨量减少了20-35%，有些地区甚至更加干旱。
萨赫勒地区这一干旱时期所造成的苦难已被世界媒体充分记录。在20世纪中期的高降雨条件下，萨赫勒地区的人口因食物丰富而扩大。突然间，吃的少了，农民和牧民无处可去。萨赫勒某些地区的内战使整个局势更加恶化，各种事件加在一起导致了饥荒和数千人死亡。
环保运动在20世纪70年代还在站稳脚跟，当一些受人尊敬的气候科学家提出这次干旱并不完全是一场灾难时，这一运动受到了震动raybet雷竞技最新
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平均超过20-10N, 20W-I0E;NOAA NCDC全球历史气候学网络数据
图5.5。萨赫勒地区1900年以来的降雨记录(JJASO 1900-2008年萨赫勒地区平均降水异常)。一个相对湿润的阶段持续到1970年左右，随后在20世纪70年代和80年代降雨量大幅减少。资料来源:Mitchell(2005)。
自然事件。牲畜的过度饲养可能在植被-气候系统中引发了一个正反馈过程，从而引发或极大地扩大了干旱。raybet雷竞技最新在萨赫勒地区对这一观点的讨论似乎始于Otterman的研究。他认为牲畜的过度放牧已经消除了萨赫勒地区的深色植被覆盖，减少了整个地区的降雨量反照率效应上面提到的。因此，随着植被的移除，大气中向上移动的空气就会减少。缺乏上升流的温暖地表空气也意味着高空的大气趋向于保持凉爽。这种冷空气倾向于轻轻向下下沉，在下降的过程中更紧密地压缩和保持水汽。结果是沙漠气候raybet雷竞技最新:一层向下的空气，而且不下雨。所以，本质上，地表的高反射率，由于缺乏植被，将产生一个干燥的气raybet雷竞技最新候这将不支持植被，确保裸露表面的高反射率，等等……
降雨周期背后有一个正反馈循环的想法是一个令人信服的想法，事实上，它不一定是由人类引起的。这可能是因为反照率反馈几乎独立于人类的行为——人类和他们的牲畜无法对反照率产生足够大的影响，从而导致持久的干旱。在这种情况下，干旱的触发因素可能是来自该地区以外的某种事件。例如，可能会有自然变化风的流型这导致了最初的干旱，然后植被覆盖的变化加剧了干旱。所以,反照率反馈回路在萨赫勒地区，植被可能仍然是产生干燥或潮湿阶段的重要因素，但人类可能不是触发因素的重要组成部分。
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在奥特曼开始谈论反照率之后，气候科学家们考虑了沙漠和raybet雷竞技最新干旱的地区可能会创造自己的气候。raybet雷竞技最新他们引入了一些可能改变植被对气候影响的额外因素，包括“粗糙度”，即与裸露的地面相比，植被表面的凹凸不平。raybet雷竞技最新这种粗糙度越大，风吹过时就越容易产生湍流。这会改变风速垂直运动大气的。空气中的垂直运动对降雨的产生至关重要传递热量从地面上升;所以，这可能是植被改变自身气候的另一种重要方式。raybet雷竞技最新
气候建模raybet雷竞技最新者还考虑了植被地区和裸地之间蒸发量的差异。蒸发产生的水蒸气可以再次凝结成雨，在同一地区或数百公里外的天空中。它还会影响地面空气上升到大气中的对流强度，通过提供潜热来保持空气变暖从而上升，从而充当上升运动的“燃料”。植物表面蒸发——蒸发——更多的水，因为它们在根垫和下面松散的土壤中吸收了更多的雨水，然后从叶子中释放出来。而且，光秃秃的土壤往往会很快蒸发掉所有(相对较少的)储存的水分，而植被覆盖的地区则需要更长的时间才能逐渐失去水分。在气候模型中包括这些额外的因素表明，在这些方面，植被也倾向于“创raybet雷竞技最新造”自己的气候。
因此，除了反照率效应之外，这里还有两个关于降雨的额外反馈:
蒸发反馈植被土地^更多的蒸发^更多的降雨^植被土地
粗糙反馈植被的土地^粗糙的表面更多的湍流^更多的雨水^植被的土地
更复杂的建模研究，包括这些额外的反馈，同意初步的结论，在一个干旱的地区你最终得raybet雷竞技最新到的气候在很大程度上取决于你从植被覆盖的角度出发。例如，在萨赫勒地区，如果你从茂密的植被开始，这种景观会产生更多的雨水，而不是从稀疏的植被开始。事实上，在模型中，植被更密集的萨赫勒地区——就像在上世纪较潮湿的时期那样——产生了足够多的额外降雨来维持其植被覆盖的密集程度。因此，这是一个自我稳定的系统:一旦建立起来，它就可以自我延续(通过积极的反馈循环)。反过来也是一样的——从贫瘠的萨赫勒开始，陆地表面的气候更加干燥，植被仍然稀少。raybet雷竞技最新所以，在这两组不同的起始条件下有两个潜在的稳态。
然而，这些状态并不是真正稳定的;它们是“亚稳态的”(见框5.1)，如果受到外部气候影响的冲击，这些影响会改变该地区更广泛的大气环流，导致比正常情况下多雨或少雨的年份。raybet雷竞技最新造成这种撞击的因素是海洋环流和温度的变化，比如可能发生在一个厄尔尼诺事件或在气候系统中的其他广泛气候振荡期间，如北大raybet雷竞技最新西洋涛动(相对强度的变化)气压系统大西洋北部和中部之间)。一旦地表植被覆盖被这种强大的外部因素强迫改变，植被-气候反馈系统就会突然向另一个方向倾斜，最终进入“另一种”状态。raybet雷竞技最新
我们在气候站记录的降雨的十年时间尺度振荡和萨赫勒地区的饥荒中看到了这两种稳定状态存在的迹象。raybet雷竞技最新在这个较长的时间尺度上的振荡不能用外部影响来解释，例如源自大西洋的温度变化(这种变化往往非常短暂);它们必须是内部生成的。因此，一旦萨赫勒地区变得干燥，这种情况至少会持续几年。干旱状态是自我延续的，因为稀疏的植被影响着气候。raybet雷竞技最新只有当它被外部气候变化(由于海洋表面温度的变化迫使降雨)所压倒时，一切才会最终转变为一个新的状态，即绿色和raybet雷竞技最新更高的降雨量，这也会在一段时间内自我延续。这些模型表明，事实上，更绿、更潮湿的状态比枯死的干燥状态更稳定，因为萨赫勒地区的灌木丛在逐渐放弃并死亡之前可以忍受很多干旱。相反，它不需要太多的雨水就能带来植被的重新生长，使系统迅速摆脱长期干旱。观察结果与这一预期一致:随着植被的枯萎，干旱期开始得不情愿且缓慢，而干旱期结束得突然，因为植被对雨水有反应。
降雨的可变性也被认为对撒哈拉南部边缘沙漠和非沙漠边界的突然性有影响。马里兰大学的曾宁(音译)的raybet雷竞技最新植被-气候模型表明，像萨赫勒这样的灌木过渡地带之所以存在，完全是因为降雨的变化无常，在某些年份，降雨会比其他年份更靠北。如果每年的降雨都落在北方的同一地点，就会形成密集的树木覆盖，这些小树能够利用该地点以南的湿润条件，突然就会让位于非常稀疏的开阔灌木丛，这样雨水就无法再维持下去了。由于树木本身的存在，植被-气候的反馈会放大这种转变的尖锐性。raybet雷竞技最新在现实世界中，降雨的年变异性本身被植被-气候反馈放大，产生了一个广泛的区域，其中水分供应太不稳定，不利于树木的生长。raybet雷竞技最新萨赫勒地区更保守、耐旱的灌木能够在这种多变的环境中坚持下去，正是它们自己喜欢多变的环境和更宽的植被梯度!这一连串的原因是这样的……
由海面温度变化引起的可变降雨量^变化被来自萨赫勒植被的植被反馈放大^有利于容忍变化的萨赫勒灌木^变化被萨赫勒植被反馈等放大。
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