氣候研究進展和二十一世紀發(fā)展戰(zhàn)略


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摘要 　　簡要回顧了近幾十年來氣候研究的發(fā)展，較為深入地探討了其深層次原因，指出氣候系統(tǒng)概念的提出、對氣候多平衡態(tài)和氣候突變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)以及對人類活動已成為推動氣候系統(tǒng)變化的強迫力的認識是氣候研究取得突破性進展的關(guān)鍵。指出對氣候和全球變化的適應問題的研究是上世紀九十年代氣候研究新生的重要方向。展望二十一世紀，氣候研究在全球系統(tǒng)的觀測，海量資料的分析及對機理認識的深化和模式的發(fā)展方面都將會有所突破。同時，在氣候研究的應用領(lǐng)域，如對全球變化影響的適應與可持續(xù)發(fā)展方面、人類有序活動與人工調(diào)節(jié)氣候方面取得實質(zhì)性的進展。 一、引言 　　氣候總是在不斷的變化中。大量的觀測事實表明上一世紀的氣候變化并不是歷史上發(fā)生過的最為激烈的變化，但上一世紀的氣候變化確實具有歷史氣候變化所未曾有過的特點，如人類活動釋放的溫室氣體使大氣CO2濃度迅速地達到了42萬年以來未曾有過的最高點[1]，而且將在本世紀不可避免地繼續(xù)上升，而人類社會本身受氣候變化的影響似乎也達到了有史以來未曾有過的深度和廣度。問題是未來會怎么樣？ 　　這不是一個可以簡單回答的問題。但值得注意的是，近幾十年來氣候研究取得了明顯的進展，為研究未來氣候變化奠定了堅實的基礎(chǔ)。這些進展主要表現(xiàn)為：隨著觀測技術(shù)的進步和資料的積累，一些重要氣候（變化）現(xiàn)象被揭示，如季節(jié)尺度上的大氣遙相關(guān)型[2]，ENSO現(xiàn)象〖3，4，5〗，廣泛存在于各種氣候系統(tǒng)（季風、北大西洋濤動NAO等）的年代際變化〖6，7，8〗，氣候突變現(xiàn)象〖9，10〗，以及更長時間尺度上的新仙女木事件（Younger Dryas）〖11〗、Heinrich 事件〖12〗和Dansgaard-Oeschger 循環(huán)〖13〗等。這些發(fā)現(xiàn)極大地豐富了人們對氣候變化復雜性的認識。同時伴隨動力學理論的進步、計算技術(shù)和數(shù)值模式的發(fā)展，對氣候變化規(guī)律和成因的認識明顯深化，而氣候模式已從單純的大氣模式發(fā)展到海陸氣耦合模式，其功能從敏感性分析發(fā)展到實際的氣候預測。在由世界氣象組織和聯(lián)合國環(huán)境署設(shè)立的政府間氣候變化專業(yè)委員會（IPCC）組織編寫的歷次評估報告中〖14，15，16〗，較為全面地反映了氣候變化研究各方面的進展和成就，IPCC報告本身也推動了氣候變化研究的深入。 　　上面提到的進展和成就雖然重要，但本文不具體地討論這些成就，而是希望探究一下所以能出現(xiàn)這些成就的深層原因，提出帶動氣候研究全面進步的突破性的進展，繼而指出近十年來在氣候研究上出現(xiàn)的一些新的方向，最后提出一些二十一世紀氣候研究方向性的問題。 二、 幾十年來氣候研究突破性的進展 　　近幾十年來氣候研究有幾項突破性的進展，它們在各個方面帶動了氣候研究。一次是上世紀70年代氣候系統(tǒng)概念的提出〖17〗，它使氣候走出了當時以大氣為主海洋為輔的圈子，進入了地球系統(tǒng)，這不僅使氣候研究領(lǐng)域大大擴充，更重要的是指出了氣候變化的深層原因；二次是上世紀80年代發(fā)現(xiàn)了人類活動也可以使氣候發(fā)生變化〖18〗；第三是發(fā)現(xiàn)了氣候可以有一種以上的比較穩(wěn)定的狀態(tài)（即變化緩慢，強度也?。梢环N穩(wěn)態(tài)到另一種穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變往往在較短的時間里發(fā)生，這就是氣候突變〖9，10〗，氣候突變對人類生存環(huán)境有重大影響。 1、 氣候系統(tǒng)概念的出現(xiàn) 　　在1974年國際氣象組織（WMO）和國際科學聯(lián)盟（ICSU）聯(lián)合召開的國際討論會上，提出了氣候系統(tǒng)的概念〖17〗。氣候系統(tǒng)由大氣、水、冰雪、巖石、生物等5個圈層組成，實際上也就是后來地球系統(tǒng)概念的雛形。這些子系統(tǒng)有著非常復雜的非線性相互聯(lián)系，任何一個子系統(tǒng)發(fā)生變化，其它子系統(tǒng)都將發(fā)生相互制約的改變，從而引起各種時間和空間尺度的氣候變化，同時各子系統(tǒng)之間的非線性相互作用也決定了氣候系統(tǒng)對諸如太陽輻射變化之類的外部強迫的響應方式。 氣候系統(tǒng)的概念對人們研究氣候變化的機制有非常重大的影響。人們不再把各種時空尺度的氣候變化僅僅看作為大氣對來自其他圈層強迫的反應。例如南方濤動并不只是大氣對海洋強迫的響應，更是大氣和海洋之間耦合作用在大氣方面的表現(xiàn)和作為整體的海氣系統(tǒng)內(nèi)ENSO現(xiàn)象的一個方面〖19〗；而上世紀60年代中期突然發(fā)生的非洲Sahel地區(qū)的干旱是和陸地表面與大氣之間的反饋有關(guān)的〖20〗。 氣候系統(tǒng)的概念對氣候模式的構(gòu)造有非常重大的影響。人們認識到一個理想的氣候模式應該把5個子系統(tǒng)都耦合起來，這為氣候模式跳躍的發(fā)展，提供了認識論的基礎(chǔ)。氣候模式在近幾十年內(nèi)從單純的大氣模式發(fā)展到復雜的海陸氣耦合模式，其功能從敏感性分析發(fā)展到氣候變化機理的研究和實際的氣候預測，這樣巨大的進步從單純大氣的觀點出發(fā)是不可能得到的。 　　在氣候系統(tǒng)的研究進展中，特別應提到生物圈的重要性。近年來認識到生物圈在包括氣候在內(nèi)的全球環(huán)境中的作用遠比過去想象的重要。如它是地球表面（包括海洋和陸地）與大氣之間的物質(zhì)交換過程一個重要媒介；它對大氣成份（如溫室氣體）變化有重大作用〖21〗；它對地球上的水循環(huán)過程也起重要作用，而這些都是和氣候變化有直接聯(lián)系的重要因子。 2、 人類活動已成為推動氣候系統(tǒng)變化的強迫力 　　上世紀80年代中期出現(xiàn)了全球變化的研究〖22〗。在全球變化的研究中尤其提到了人類活動的重要性，明確指出它對包括氣候在內(nèi)的環(huán)境變化的強迫力在十年到百年尺度變化上已和自然界相當或過之。由于人類在社會和經(jīng)濟活動等諸多方面的活動彼此關(guān)聯(lián)，其影響可以散布到地球各子系統(tǒng)，因此人類活動可以從多方面影響氣候變化，氣候變化反過來又會影響人類活動。因此出現(xiàn)了自然科學和社會科學的交叉。 　　人類活動中直接影響氣候和其它環(huán)境的活動可以歸結(jié)為兩個主要方面，一個是溫室氣體和氣溶膠的排放，一個是對地表狀態(tài)的改變。前者通過大氣化學和物理過程對氣候變化產(chǎn)生影響，后者則通過陸面物理和生物過程影響氣候變化。由此人們認識到不同時間尺度的氣候變化并不只是物理過程的結(jié)果，而是由物理過程、化學過程和生物過程三者的相互作用引起的。值得提出的是，近年來生物地球化學循環(huán)研究在觀測和模式方面取得了很大進展〖23，24，25〗，為生物地球化學循環(huán)模式和氣候模式的耦合提供了基礎(chǔ)。 3、 氣候的多穩(wěn)態(tài)特征和氣候突變 　　眾多研究發(fā)現(xiàn)氣候有一種以上不同的穩(wěn)定狀態(tài)，當氣候處于某一穩(wěn)定狀態(tài)時，氣候的變化比較緩慢，其變幅也比較小。當系統(tǒng)受到的擾動超過某種閾值，它會在相對較短的時間里，由一種穩(wěn)態(tài)變到另一種穩(wěn)態(tài)，而產(chǎn)生氣候突變。氣候突變對人類生存環(huán)境有重大影響。氣候突變可以是全球性的，也可以是區(qū)域性的，并且存在于不同的時間尺度。全球性氣候穩(wěn)態(tài)變化發(fā)生過多次，如一萬年前后的新仙女木（Younger Dryas）事件；5千年以前的大暖期；十六、十七世紀的小冰期等，都是廣為人知的。最近的是二十世紀中期全球平均溫度的突然上升。圖1是近一千多年來北半球平均溫度變化曲線〖26〗，可以看出在過去的千余年里溫度一直在微小的變動（穩(wěn)態(tài)）中略有下降，但在20世紀的后半期溫度發(fā)生劇烈上升（突變），這就是大家知道的全球變暖。大量研究表明，如果沒有人類向大氣釋放的二氧化碳和其它的溫室氣體，僅自然界過程是不大可能引起這樣變化的。氣候突變也可以是區(qū)域性的。例如20世紀60年代中期北非Sahel地區(qū)也出現(xiàn)了一次氣候狀態(tài)的突變，如圖2〖28〗。從圖2可以看出60年代中該地區(qū)降水突然大量減少，造成幾十年的干旱，給非洲人民帶來嚴重災難。實際上這次突變不僅發(fā)生在Sahel，而是同時出現(xiàn)于自Sahel向東北直到我國華北的一條長帶，也就是亞非季風帶〖29〗。圖3是北半球各點年降水量與Sahel年雨量自1950年－1980年的相關(guān)系數(shù)分布圖，圖中一條的正相關(guān)帶說明上述情況。實際上我國華北自1960年代中以來也進入少雨干旱時期〖30〗，不過我國的應變能力遠強于Sahel，故干旱尚未造成大災難。圖4a，b分別是1958－1964和1967－1976北半球地面氣壓偏差分布圖（相對于1958－1980的平均）〖31〗。從圖4看出，從非洲往東到亞洲的亞非季風帶在1958－1964為大范圍的負偏差，在1967－1976變?yōu)檎睢Ｕf明在1960年代中期亞非季風區(qū)突然由強變?nèi)?，從而產(chǎn)生Sahel地區(qū)的災難〖31〗。 三、 上世紀九十年代新生的氣候研究方向 　　上世紀的后三十年氣候研究蓬勃發(fā)展，主要都是基礎(chǔ)研究方面。但在九十年代中期，除基礎(chǔ)研究仍是重點外，研究范圍有了新的擴展。面對人口、資源和環(huán)境等重大問題的嚴重壓力，科學家們把對氣候變化規(guī)律的認識用到解決政府和民眾最關(guān)心的問題，諸如淡水資源、糧食和食品供應、能源以及和氣候變化有關(guān)的環(huán)境退化等。人們關(guān)心的不僅是當前的問題，而更憂慮未來會如何，也就是可持續(xù)發(fā)展問題。人類因素和自然因素引起的氣候變化已經(jīng)導致大范圍環(huán)境惡化、土地退化、沙漠化和水資源嚴重短缺等現(xiàn)象，這些都是人類社會可持續(xù)發(fā)展的障礙。我們面臨的一個問題是：人類社會現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)的管理體系，水資源管理體系，能源體系以及經(jīng)濟的宏觀布局等，都是根據(jù)過去積累的氣候和環(huán)境狀態(tài)信息和知識制定的。這些體系在氣候和環(huán)境變化的條件下是否還適用？如何調(diào)整這些體系以適應已發(fā)生的和未來可能發(fā)生的變化，以達到趨利避害的目的，就是人類對氣候和環(huán)境變化的適應問題。這是一個新的研究方向，是上世紀90年代中期提出來的〖32〗。 四、 二十一世紀氣候?qū)W的挑戰(zhàn)與發(fā)展 　　隨著氣候?qū)W幾十年來的飛速發(fā)展，也出現(xiàn)了對其進一步發(fā)展的挑戰(zhàn)。 首先，隨著氣候系統(tǒng)的出現(xiàn)，就有了對氣候系統(tǒng)的5個子系統(tǒng)統(tǒng)一的相互協(xié)調(diào)的比較長期的觀測問題，由于觀測記錄必定是海量的，如何分析研究這個海量記錄并從中得出有創(chuàng)見的結(jié)果也是一個大的挑戰(zhàn)。 其二，近百年的氣候，尤其是全球變暖已對和人類社會發(fā)展密切相關(guān)的各種環(huán)境產(chǎn)生了影響，而且影響將繼續(xù)下去，甚至加大，人類如何適應它并能持續(xù)發(fā)展，這是個挑戰(zhàn)性的研究。再者人類社會的發(fā)展，對氣候和其它環(huán)境預測的要求會越來越大。人類甚至可以提出這樣問題：人類既然已經(jīng)影響了氣候和環(huán)境變化，為什么不能在一定程度上，一定區(qū)域內(nèi)改變它們，使之向有益于人類的方向發(fā)展。這是更高一層的挑戰(zhàn)。 面對上面的挑戰(zhàn)，二十一世紀氣候?qū)W將有以下的發(fā)展： 1、 全球系統(tǒng)的觀測 　　氣候研究的發(fā)展是以氣候觀測的進步和大量氣候資料逐步積累為基礎(chǔ)的。如果沒有一個世紀以來全球天氣觀測網(wǎng)累積的長期器測氣候資料和用于更長時間尺度氣候研究的各種代用資料和對冰芯、樹木年輪、黃土、海洋（湖泊）沉積物等的觀測，就不可能發(fā)現(xiàn)引言中提到的一系列重要的氣候現(xiàn)象。盡管對氣候系統(tǒng)的觀測在過去幾十年里已有了巨大的進步，一個立體、動態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)初步建立起來，如業(yè)已實施的全球氣候觀測系統(tǒng)（GCOS）〖33〗、全球海洋觀測系統(tǒng)（GOOS）〖34〗和陸地生態(tài)觀測系統(tǒng)（GTOS）〖35〗以及醞釀中的全球古氣候觀測系統(tǒng)（GPOS）〖36〗，但不同觀測手段（如直接觀測和遙測）之間的協(xié)調(diào)、氣候系統(tǒng)不同子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)、觀測的空間覆蓋率、海量資料的存儲和處理等問題還有待解決?？梢灶A見，人們將可以通過空間遙感監(jiān)測系統(tǒng)（如衛(wèi)星等）、地面各種觀測系統(tǒng)（如大氣、海洋、生態(tài)系統(tǒng)）和信息系統(tǒng)，組成地球的總體監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對包括氣候在內(nèi)的地球環(huán)境及時和長期的立體、動態(tài)和高分辨的監(jiān)測，為認識地球環(huán)境的整體行為，預測其未來變化的信息來源和觀測提供依據(jù)。需要強調(diào)的是，全球系統(tǒng)的觀測并不是獨立于氣候系統(tǒng)研究以外的泛泛而論的觀測，而應始終以人類面臨的重要氣候變化問題為導向（problem-oriented）有的放矢地進行。并針對我們對重要過程認識上存在的缺陷，開展一些專門的觀測項目。 2、 海量資料的分析及對機理認識的深化 　　年氣候研究的發(fā)展有一條重要的經(jīng)驗,那就是以觀測為基礎(chǔ)，理論研究、資料分析和模式研究諸方面相互依賴和促進。我們已不再局限于對氣候現(xiàn)象單純統(tǒng)計性的描述，而是試圖通過對資料的分析并以模式為重要工具對其機理作出解釋，如對ENSO、氣候的年代際變率、季風等氣候和氣候變化現(xiàn)象的機理的認識。這對實現(xiàn)對氣候變化的預測是至為重要的。 　　以想象，隨著全球系統(tǒng)觀測的進一步發(fā)展，首先通過對海量地球環(huán)境信息的分析研究，并結(jié)合模式的進展，對包括氣候在內(nèi)地球系統(tǒng)的理論認識必將進一步深化，并在一些深層次的基本問題上取得突破?？梢灶A期可能出現(xiàn)像上世紀70年代的氣候系統(tǒng)和80年代人類活動的影響這樣的突破性進展。至于可能出現(xiàn)的突破性進展的性質(zhì)，現(xiàn)在不能預說。比較具體的預期進展可能有： 對全球性或區(qū)域性氣候型態(tài)的突變機理將有進一步認識。而對其機理已有所認識的氣候突變，（如新仙女木的氣候突變，人們已認識到是由北大西洋海洋輸送帶引起的〖37〗），結(jié)合觀測和氣候模式我們可能對像新仙女木這樣的氣候突變在一定時期是否出現(xiàn)給出定論。 　　對某些重大氣候變化（突變或非突變）前的前期強信號的認識也會有進展； 　　對引起氣候變化的各個氣候子系統(tǒng)之間非線性相互作用的認識會取得重大進展；如，對地球基本元素（如碳、氮）循環(huán)過程的研究取得大進展，并減小現(xiàn)在對這些過程認識存在的不確定性〖38〗。 　 更進一步地，隨著對氣候變化機理認識的深化，對氣候變化的預測能力也將大大增強，如可能實現(xiàn)對ENSO循環(huán)、季風演變、氣候的年際和年代際變化及各種重要的大氣濤動（如北大西洋濤動NAO）等較為準確的預報。 3、 模式的進展 　　量資料的分析研究方面，更重要的在對包括氣候在內(nèi)的環(huán)境的預測方面，都離不開數(shù)學模型或模式的發(fā)展。 氣候模式在過去的幾十年中已經(jīng)有了長足的進步，各子系統(tǒng)互相耦合的氣候系統(tǒng)模式正在發(fā)展中〖39，40〗，但仍有不少的缺陷。這既和觀測方面的欠缺造成對一些重要過程(如云-輻射)認識的不足有關(guān)，同時也和我們對如此復雜的系統(tǒng)基本規(guī)律的理論認識方面的缺乏有關(guān)。這使模式無論用于模擬或是用于預測都存在很大的不確定性〖41〗。更重要的是，不確定性還可能是氣候系統(tǒng)作為一個非決定論系統(tǒng)的內(nèi)在特性。 　　測手段的不斷進步和觀測系統(tǒng)的不斷完善以及有針對性的觀測試驗的開展，對重要基本過程的認識定能得以深化，從而減小來自我們認識不足帶來的不確定性。而即使是作為系統(tǒng)內(nèi)在性質(zhì)的不確定性，也有可能隨著理論研究的進步而得到某種程度的認識，就象我們現(xiàn)在對傳統(tǒng)線性系統(tǒng)無法描述的混沌〖42〗、突變現(xiàn)象的理解一樣。 　　在模式的發(fā)展方面，有兩點值得特別強調(diào)： 一是基于化學和生物過程在氣候系統(tǒng)中的重要性，在進一步完善已有物理氣候模式的同時，必須發(fā)展生物地球化學循環(huán)模式，并把二者耦合起來〖43，44〗。 二是發(fā)展人與自然相互關(guān)系的模式。人們已認識到除自然驅(qū)動力外，人類活動已成驅(qū)動氣候系統(tǒng)變化的一個強迫力，已有一個國際計劃（IHDP）正在研究人與自然之間的關(guān)系，將之模式化是IHDP的一個目的〖45〗。 在這基礎(chǔ)上，二十一世紀里模式的進一步發(fā)展目標應當是把物理氣候模式，生物地球化學循環(huán)模式和人與自然之間關(guān)系的模式三者耦合起來。一方面，這個模式將可以用于各種氣候變化和各種環(huán)境變化的預測；另一方面可以用于各種目的的敏感性實驗，如如何調(diào)節(jié)某一地區(qū)的某種氣候或環(huán)境。不言而喻,這個模式必然異常龐大，很難日常應用，針對不同的目的，還要做相應的簡化。 4、 全球變化影響的適應與可持續(xù)發(fā)展 　　末期人們已經(jīng)提出對全球變化（包括氣候變化）影響的適應問題，有人更進一步把對全球變化影響的適應與可持續(xù)發(fā)展聯(lián)系起來。對全球變化影響的適應，無論是趨利或避害，都必須遵從可持續(xù)發(fā)展的原則。反之為了可持續(xù)發(fā)展，必須考慮未來全球變化的影響。針對未來全球變化中某些有比較明確結(jié)論的重大環(huán)境問題，通過示范區(qū)觀測、實驗、生態(tài)建設(shè)和有序人類活動的虛擬試驗，促進社會科學同自然科學的逐步結(jié)合，發(fā)展新一代環(huán)境工程學。所謂“新一代環(huán)境工程學”，就是人類的積極參與下，以當?shù)貧夂?、土壤和水文等自然條件為依據(jù)，根據(jù)社會經(jīng)濟發(fā)展的需要，組織人類有序活動，實施生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程。它要達到生態(tài)效益，社會效益和經(jīng)濟效益的高度統(tǒng)一，實現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展的長遠目標，并由此建立人類社會對全球變化的適應和可持續(xù)發(fā)展的理論。現(xiàn)在國際上也正在醞釀“全球可持續(xù)發(fā)展的全球科學”計劃（Global Science for Global Sustainability），此計劃初步將以碳循環(huán)、食物系統(tǒng)和水資源三者核心問題。 5、 人類有序活動和人工調(diào)節(jié)氣候 　　次提到人類活動已對氣候變化產(chǎn)生了影響，這些影響都是由于人類無序活動產(chǎn)生的，且大都是負面的影響。既然如此，所以最近有人提出了“人類有序活動”的新概念，該文給出了“人類有序活動”的定義，并討論了如何提倡人類有序活動，以維持一個好的生存環(huán)境。這里也可以提出如何提倡人類有序活動以達調(diào)節(jié)氣候的目的。事實上人工調(diào)節(jié)氣候的行動已經(jīng)開始進行，大范圍來說，京都會議討論各國減排CO2，其目的就是要影響全球變暖。小范圍來說，我國提倡退耕還林還草，其目的之一也是為調(diào)節(jié)局地氣候。再有幾十年來人工降水的工作，就是人工影響天氣的實踐。既然實際工作已在進行，科學工作者就應正式提出人工影響天氣和調(diào)節(jié)氣候研究作為二十一世紀的一個挑戰(zhàn)性的研究計劃?？梢蕴岢鲆韵聨讉€初步研究： (1) 收集實際資料進行分析，并在實際操作地區(qū)（退耕還林還草，封山育林，過渡放牧和已限制過渡放牧地區(qū)，大范圍灌溉地區(qū)等）進行觀測； (2) 利用高科技手段觀測和模擬產(chǎn)生降水系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展過程，尋找系統(tǒng)的關(guān)鍵過程和它發(fā)生的地點和時間，然后研究在關(guān)鍵地區(qū)和時間影響它的方法（如對云撒播）； (3) 在缺水或干旱地區(qū)，常年尋找有利時機作業(yè)，將所得降水儲存起來，以備利用； (4) 深入研究人類各種活動（如灌溉、毀林、造林、改良草場、過渡放牧、適度放牧、農(nóng)業(yè)活動等）對局地氣候影響，然后研究采取何種人類有序活動，以調(diào)節(jié)氣候。 五、結(jié)論 　　來氣候研究在很多方面都取得了很大的發(fā)展，而其中氣候系統(tǒng)概念的提出、對氣候多平衡態(tài)和氣候突變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)以及對人類活動已成為推動氣候系統(tǒng)變化的強迫力的認識是氣候研究取得突破性進展的關(guān)鍵。 發(fā)展必然伴隨挑戰(zhàn)，而挑戰(zhàn)也將激發(fā)更進一步的發(fā)展。新的世紀中氣候研究在全球系統(tǒng)的觀測，海量資料的分析及對機理認識的深化和模式的發(fā)展方面都將會有所突破。 　 同時，在氣候研究的應用領(lǐng)域，上世紀九十年代新生的研究方向，即對氣候和全球變化的適應問題的研究，在新的世紀中也將得到更大的發(fā)展，并在對全球變化影響的適應與可持續(xù)發(fā)展方面、人類有序活動與人工調(diào)節(jié)氣候方面取得實質(zhì)性的進展