百年一遇的暴雨、沙漠洪水、旱澇急轉(zhuǎn)，近年極端天氣愈發(fā)頻繁。這些是自然波動(dòng)還是人類所致？科學(xué)家通過研究發(fā)現(xiàn)，全球降水多變性正系統(tǒng)性增強(qiáng)，工業(yè)化以來(lái)人類活動(dòng)是主因，但是在東亞地區(qū)，這個(gè)結(jié)論卻截然相反…

出品：格致論道講壇

以下內(nèi)容為南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院教授張文霞演講實(shí)錄：

大家好，我是來(lái)自南京大學(xué)的張文霞，主要從事氣候變化和極端天氣氣候研究。

最近幾年，我們經(jīng)歷了非常頻繁的極端天氣氣候事件。經(jīng)常聽到“幾天下了一年的雨”或者“百年一遇”這樣的報(bào)道，也經(jīng)常有人問我：“現(xiàn)在這么頻繁的暴雨，是人類活動(dòng)導(dǎo)致的嗎？”那今天我們就來(lái)聊聊這個(gè)話題。

我上初中的時(shí)候，和很多同學(xué)一樣，暑假被學(xué)校安排了要上競(jìng)賽課。我是浙江人，所以當(dāng)時(shí)最開心的莫過于老師通知說(shuō)，第二天要下暴雨或者臺(tái)風(fēng)過境而停課。后來(lái)長(zhǎng)大了才知道，每一次暴雨的背后都隱藏著社會(huì)經(jīng)濟(jì)甚至生命損失的風(fēng)險(xiǎn)。

“喜怒無(wú)常”的降雨

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我們就從身邊講起吧。大家可能還記憶猶新，2023年的7月底，京津冀地區(qū)下了連續(xù)4天的暴雨，區(qū)域平均累計(jì)降水量達(dá)到了175 mm。這是什么概念呢？就相當(dāng)于把2600個(gè)西湖的水量潑到了京津冀地區(qū)，這對(duì)于北方城市來(lái)說(shuō)是難以承受的。其中最大的雨量發(fā)生在河北邢臺(tái)，這一場(chǎng)暴雨下了1003mm，相當(dāng)于一次下了兩年的雨量。這次暴雨總共導(dǎo)致了500多萬(wàn)人受災(zāi)。

不僅是濕潤(rùn)區(qū)下暴雨，干旱區(qū)甚至沙漠也會(huì)發(fā)洪水。2024年4月，沙漠城市迪拜就遭遇了一次暴雨，它一天下了一年半的雨，這也是阿聯(lián)酋75年來(lái)經(jīng)歷的最強(qiáng)暴雨。幾個(gè)月之后，也就是2024年8月，我國(guó)塔克拉瑪干沙漠也發(fā)生了洪水，對(duì)油田的生產(chǎn)工作帶來(lái)了巨大的影響。

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▲左：2024年4月迪拜暴雨

右：2024年8月塔克拉瑪干沙漠洪水

當(dāng)強(qiáng)降水和其他極端事件復(fù)合發(fā)生的時(shí)候，它的致災(zāi)性也會(huì)更強(qiáng)。一類典型的復(fù)合極端降水事件就是旱澇急轉(zhuǎn)。2024年夏季，河南就經(jīng)歷了6月抗旱、7月抗洪這樣的復(fù)合旱澇轉(zhuǎn)換事件。河南是農(nóng)業(yè)大省，所以當(dāng)時(shí)很多農(nóng)民為了抗旱，多給地里澆幾次水，就全家在地里吃住。好不容易救過來(lái)的農(nóng)作物，7月份大水一來(lái)又全被毀了。

甚至還有更長(zhǎng)的災(zāi)害鏈。這是幾年前美國(guó)加利福尼亞州的一個(gè)例子：它在經(jīng)歷了多年際的旱澇急轉(zhuǎn)之后植被瘋長(zhǎng)，在隨后的一個(gè)夏季又經(jīng)歷了高溫干燥。這使得植被干枯，最終在強(qiáng)風(fēng)助燃下野火爆發(fā)。過火地區(qū)失去了植被覆蓋，土壤板結(jié)，極端降水一來(lái)，就又導(dǎo)致了泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

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▲圖片來(lái)自：AghaKouchak et al., 2020

面對(duì)如此嚴(yán)峻的極端事件現(xiàn)狀，我們意識(shí)到非常有必要對(duì)全球的重大極端事件進(jìn)行定期的回顧和盤點(diǎn)。所以，從四年前開始，我們團(tuán)隊(duì)就和國(guó)際同行合作，每年底針對(duì)全球發(fā)生的重大極端事件進(jìn)行盤點(diǎn)，并且發(fā)布年度報(bào)告。

這是2024年的一個(gè)例子。圖上的藍(lán)色代表暴雨、洪澇或者臺(tái)風(fēng)事件，棕色代表干旱事件。

我們可以看到，2024年是暴雨洪澇席卷全球的一年。其中不乏破紀(jì)錄的事件，比如中歐、西班牙、阿聯(lián)酋、中亞等都發(fā)生了破紀(jì)錄的暴雨或者洪澇。

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看到這么頻繁的極端事件，不僅普通老百姓關(guān)心地球到底怎么了，我們科研人員也很困惑。通過這幾年的盤點(diǎn)，我們似乎感覺到地球降水在變得越來(lái)越不穩(wěn)定。但是事實(shí)真的是這樣嗎？如果是，為什么會(huì)這樣？這顯然需要確鑿的科學(xué)證據(jù)。

為此，我們對(duì)全球所有區(qū)域的逐日降水觀測(cè)資料進(jìn)行了收集和嚴(yán)格的診斷。我們研究了1900年以來(lái)，也就是過去一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，降水多變性的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。

這個(gè)圖上的棕色點(diǎn)代表降水事件變得越來(lái)越溫和，也就是極端的干濕事件越來(lái)越少；綠色點(diǎn)代表降水越來(lái)越多變，也就是極端的干濕事件在增多。

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我們發(fā)現(xiàn)，過去一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，在全球尺度上，可以觀測(cè)到降水多變性在出現(xiàn)系統(tǒng)性的增強(qiáng)。在有資料的區(qū)域，也就是圖上打點(diǎn)的區(qū)域，75%的陸地上已經(jīng)可以觀測(cè)到降水多變性在增強(qiáng)。降水越來(lái)越多變，就好像一個(gè)人的情緒越來(lái)越陰晴不定和喜怒無(wú)常。

關(guān)于降水多變性增強(qiáng)的新現(xiàn)象發(fā)表之后，《科學(xué)》（Science）期刊把它選為研究亮點(diǎn)封面，并且點(diǎn)評(píng)到:“盡管降水多變性增強(qiáng)很難觀測(cè)，但該研究證實(shí)了這一觀測(cè)新特征，這將對(duì)社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)?！?/p>

造一個(gè)“數(shù)字孿生地球”

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接下來(lái)一個(gè)自然而然的問題是：降水越來(lái)越多變是自然的變化嗎？和人類活動(dòng)有關(guān)嗎？

新的問題也來(lái)了：我們?nèi)绾窝芯咳祟惢顒?dòng)對(duì)地球氣候的影響呢？我們可以把地球搬到實(shí)驗(yàn)室嗎？顯然不能。

但是我們的前人非常智慧——?dú)庀髮W(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了一個(gè)地球，一個(gè)“數(shù)字孿生地球”，專業(yè)術(shù)語(yǔ)叫做“氣候模式”。氣候模式是用于定量表述氣候系統(tǒng)的一個(gè)數(shù)學(xué)模型，它是基于大量物理定律構(gòu)建的一套計(jì)算機(jī)程序。

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我們知道，地球大氣的運(yùn)行需要遵循一些基本的守恒定律，包括質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、熱力學(xué)定律等等?；谶@些原理和定律，科學(xué)家就可以用一系列精確的地球流體力學(xué)方程來(lái)描述大氣的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)，濕度、風(fēng)速、氣壓等等這些大氣要素。我們通過求解這些方程，就可以去模擬和預(yù)測(cè)地球氣候的演變，這個(gè)就叫“氣候模擬”或者是“數(shù)值模擬”。

大家可以看看，這些地球流體力學(xué)方程非常復(fù)雜，而且是非線性、非閉合的。它不像解一個(gè)二元一次方程一樣可以清晰地獲得一個(gè)解析解，所以我們只能用數(shù)值方法去求得一個(gè)數(shù)值解。

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那要怎么做呢？我們需要對(duì)時(shí)間和空間進(jìn)行離散化，也就是把地球劃分成一個(gè)一個(gè)小網(wǎng)格。在每一個(gè)小網(wǎng)格上，根據(jù)上一個(gè)時(shí)刻的大氣狀態(tài)，求解這些方程，就可以預(yù)測(cè)下一個(gè)時(shí)刻的大氣狀態(tài)。在每一個(gè)小網(wǎng)格上求得這些方程之后，再把每一個(gè)網(wǎng)格上的解拼起來(lái)，這樣就得到了整個(gè)地球氣候系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和演變。

這樣的時(shí)空迭代計(jì)算量是巨大的，所以我們需要依賴于超級(jí)計(jì)算機(jī)去求解。其實(shí)在電子計(jì)算機(jī)發(fā)明之初，科學(xué)家就意識(shí)到用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬，具有巨大的潛力。

1946年世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC發(fā)明之后，僅僅4年之后——也就是1950年，由美國(guó)氣象學(xué)家查尼和計(jì)算機(jī)之父馮·諾依曼合作，成功地在第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。從大氣科學(xué)的發(fā)展歷程上來(lái)看，這可以被稱作是一次靜悄悄的革命。

當(dāng)然，由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的能力比較有限，所以需要對(duì)這些大氣運(yùn)動(dòng)的方程進(jìn)行很多簡(jiǎn)化后才能夠順利求解?，F(xiàn)在隨著超算能力越來(lái)越強(qiáng)，氣候模式的復(fù)雜程度以及數(shù)值模擬的精度也越來(lái)越高。

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有了氣候模式和超級(jí)計(jì)算機(jī)，科學(xué)家就可以對(duì)地球氣候做試驗(yàn)。為了研究人類活動(dòng)對(duì)地球氣候的影響，我們首先可以做兩組對(duì)照試驗(yàn)：第一組就是去模擬一個(gè)有人為影響的真實(shí)世界，也就是我們用實(shí)際觀測(cè)到的人類活動(dòng)和自然強(qiáng)迫因子去驅(qū)動(dòng)數(shù)字地球。其中人類活動(dòng)包括溫室氣體、氣溶膠、臭氧排放以及土地利用變化等，自然強(qiáng)迫因子主要包括太陽(yáng)和火山活動(dòng)。

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在第二組試驗(yàn)中，我們要模擬一個(gè)沒有人類活動(dòng)影響的虛擬世界。在這里，我們?nèi)匀挥谜鎸?shí)的自然強(qiáng)迫因子去驅(qū)動(dòng)，唯一的區(qū)別就在于我們把人類活動(dòng)控制在工業(yè)化前水平不變。也就是說(shuō)在這組模擬中，我們假定沒有人類排放的溫室氣體、氣溶膠、臭氧等，也沒有土地利用的變化。那么這兩組試驗(yàn)對(duì)比下來(lái)，它們的差異就反映了人類活動(dòng)的影響。

這就是兩組試驗(yàn)的結(jié)果。我們可以看到，如果說(shuō)沒有人類活動(dòng)（見右圖），圖上基本上是灰色的，這說(shuō)明沒有出現(xiàn)降水多變化的趨勢(shì)；而只有在人類活動(dòng)的影響下（見左圖），地圖上基本上是綠色的，說(shuō)明人類活動(dòng)導(dǎo)致了降水更加多變，這和我們觀測(cè)到的全球降水更多變是一致的。換言之，工業(yè)化以來(lái)的人類活動(dòng)，已經(jīng)使得地球的氣候和降水越來(lái)越多變。

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▲圖片來(lái)自Zhanget al., 2024

極端降水變化背后的人為因素

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人類活動(dòng)也有很多因子，如溫室氣體、氣溶膠、臭氧排放，還有土地利用變化等等。究竟是哪些人為因子導(dǎo)致了降水更多變呢？

為了回答這個(gè)問題，我們可以進(jìn)一步做試驗(yàn)：每次只改變一種人為強(qiáng)迫因子，這樣就可以考察這種特定的人為因子對(duì)地球氣候的影響。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)——在全球尺度上，對(duì)降水有重要影響的主要是溫室氣體和氣溶膠兩種人為因子。我們先來(lái)看氣溶膠的作用：人為氣溶膠就是由人類活動(dòng)產(chǎn)生的懸浮在空氣中的微小顆粒。大家能直觀感受到的氣溶膠形式應(yīng)該就是霧霾。其實(shí)很多人類活動(dòng)，像化石燃料燃燒、汽車尾氣排放都是氣溶膠產(chǎn)生的來(lái)源。

家長(zhǎng)們可能還記得，許多年前北京的霧霾和空氣污染還比較嚴(yán)重，所以當(dāng)時(shí)公眾都非常關(guān)心氣溶膠對(duì)人體健康的影響。實(shí)際上氣溶膠對(duì)于氣候，包括溫度、降水都有很重要的影響。

對(duì)于降水多變性，我們發(fā)現(xiàn)，工業(yè)化以來(lái)的人為氣溶膠排放，使得降水事件變得越來(lái)越溫和。換言之，極端干濕事件在減少——這和我們觀測(cè)到的變化是相反的。

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▲左：工業(yè)化以來(lái)的人為氣溶膠排放對(duì)降水多變性的影響

右：工業(yè)化以來(lái)的溫室氣體排放對(duì)降水多變性的影響

圖片來(lái)自Zhang et al., 2024

這是因?yàn)槲覀冇^測(cè)到的降水多變性增強(qiáng)，實(shí)際上是溫室氣體排放導(dǎo)致的?？梢钥吹?，在溫室氣體的作用下，全球大部分地區(qū)包括陸地降水在越來(lái)越多變，也就是說(shuō)極端干濕事件在變得更多和更強(qiáng)。

溫室氣體排放為什么會(huì)導(dǎo)致降水更多變和更強(qiáng)呢？這就需要從溫室效應(yīng)和地球能量平衡講起。在自然狀態(tài)下，地球要維持能量的收支平衡，因此入射的太陽(yáng)短波輻射一部分會(huì)從地面和大氣層頂反射，或者以長(zhǎng)波輻射的形式散發(fā)回太空。大氣中的溫室氣體（主要是二氧化碳、甲烷等）就像一把“陽(yáng)傘”，把長(zhǎng)波輻射又重新反射回地球，從而對(duì)地球起到加熱的作用。

這里需要說(shuō)明的是：其實(shí)自然的溫室效應(yīng)是有益的。我們假設(shè)地球上沒有溫室氣體，那么這個(gè)地球的平衡溫度理論上應(yīng)該是-18℃左右，這顯然是不適合人類生存的。正是因?yàn)榇髿庵袦厥覛怏w的存在，它對(duì)地球有大概33℃的增溫作用，所以我們實(shí)際觀測(cè)到的地球表面溫度在15℃左右，這才是適合我們?nèi)祟惿娴摹?/p>

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但現(xiàn)在的問題是，工業(yè)化以來(lái)人類活動(dòng)排放了太多的溫室氣體。這些額外的溫室氣體把很多本該反射回太空的熱量又重新反射回地球，從而使地球變暖。在剛剛過去的十年間，全球平均的增溫幅度和工業(yè)化前水平相比，已經(jīng)達(dá)到了1.25℃左右。

氣候增暖之后，對(duì)水循環(huán)有什么影響呢？我們可以把大氣想象成一塊海綿，這塊海綿能吸收和釋放水分。氣候增暖之后，這塊大氣海綿會(huì)變大，它的吸水能力也會(huì)增加。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，氣溫每升高1℃，大氣海綿的吸水能力大概增加7%左右。

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當(dāng)遇到合適的天氣條件，比如說(shuō)上升運(yùn)動(dòng)或者冷暖空氣交匯，這塊海綿就會(huì)像被用力擰干一樣，釋放出更多的水分，從而導(dǎo)致更強(qiáng)的暴雨。這就是溫室氣體排放導(dǎo)致降水更多變和更極端的一個(gè)基本原因，也就是大氣的熱力響應(yīng)。

人類活動(dòng)與極端氣候變化關(guān)系復(fù)雜

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實(shí)際上不僅僅是強(qiáng)降水，圍繞著人類活動(dòng)對(duì)其他極端事件的影響，現(xiàn)在科學(xué)界也有了越來(lái)越確鑿的證據(jù)。根據(jù)國(guó)際權(quán)威氣候變化評(píng)估報(bào)告——也就是政府間氣候變化專門委員會(huì)（簡(jiǎn)稱IPCC）2021年發(fā)布的第六次評(píng)估報(bào)告：“毋庸置疑，人類活動(dòng)正在造成氣候變化，使得包括熱浪、強(qiáng)降水和干旱在內(nèi)的極端氣候事件變得更頻繁和更強(qiáng)?！?/p>

同時(shí)，在給政府決策者的摘要中，該報(bào)告也明確指出，為了限制全球變暖，需要對(duì)二氧化碳、甲烷以及其他溫室氣體進(jìn)行強(qiáng)勁、快速和持續(xù)的減排。

當(dāng)然，減排和減緩氣候變化說(shuō)起來(lái)容易，做起來(lái)難——具體涉及到每個(gè)國(guó)家、每個(gè)地區(qū)、每個(gè)行業(yè)減排多少、如何減排等等，而這中間又涉及到巨大的利益沖突和博弈。所以說(shuō)，全球氣候治理需要國(guó)際和區(qū)域間的合作和協(xié)調(diào)。

其中很重要的一個(gè)國(guó)際平臺(tái)就是《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》每年一次的締約方大會(huì)，簡(jiǎn)稱聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)或者COP大會(huì)。COP大會(huì)是國(guó)際氣候談判的一個(gè)關(guān)鍵平臺(tái)，通過多邊談判，為國(guó)際社會(huì)制定氣候政策和協(xié)調(diào)行動(dòng)提供機(jī)制。

我國(guó)除了積極參與氣候談判，也持續(xù)在歷屆締約方大會(huì)上展示我國(guó)的氣候變化進(jìn)展。我非常有幸參與了2023年在迪拜舉行的第28屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)。我們?cè)谥袊?guó)角舉辦了一系列活動(dòng)，來(lái)展示我們國(guó)家圍繞氣候變化的科研進(jìn)展和技術(shù)發(fā)展。這個(gè)活動(dòng)受到了很多媒體和公眾的關(guān)注。

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講到這里，大家可能覺得結(jié)論似乎已經(jīng)很清楚了：人類活動(dòng)加劇了極端事件。從全球尺度上來(lái)看，總體上是這樣的。但是人類活動(dòng)和極端事件的關(guān)系真的這么簡(jiǎn)單嗎？特別是在區(qū)域尺度上，人類活動(dòng)總是在加劇極端降水嗎？其實(shí)在許多區(qū)域，對(duì)于有些極端事件，結(jié)論并不這么簡(jiǎn)單。

我們來(lái)看東亞地區(qū)的一個(gè)例子。這是幾年前的一項(xiàng)研究，我們發(fā)現(xiàn)：對(duì)于日尺度這種相對(duì)短時(shí)的極端降水事件，人類活動(dòng)確實(shí)增加了它的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，這和我們此前的認(rèn)識(shí)（也就是溫室氣體排放增加了極端降水）是一致的。但同時(shí)，我們也意外地發(fā)現(xiàn)，對(duì)于月尺度這種持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾周的強(qiáng)降水事件，過去的人類活動(dòng)反而是減少了它的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

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▲圖片來(lái)自Zhang et al., 2020

這兩個(gè)結(jié)論看起來(lái)似乎是矛盾的，當(dāng)時(shí)也非常出乎我們的意料。后來(lái)經(jīng)過深入研究才發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)樵跂|亞氣溶膠排放的大值區(qū)（氣溶膠排放量高的區(qū)域），人為氣溶膠的排放，削弱了東亞夏季風(fēng)環(huán)流，這對(duì)于持續(xù)性強(qiáng)降水有非常重要的影響。

也就是說(shuō)，人為氣溶膠排放導(dǎo)致的動(dòng)力的抑制作用，超過了溫室氣體的作用，最終使持續(xù)性強(qiáng)降水減弱。這項(xiàng)研究非常清楚地展示了人類活動(dòng)對(duì)于極端降水的影響是非常復(fù)雜的，所以它也被IPCC報(bào)告所引用。

在此，我也想澄清一個(gè)科學(xué)觀點(diǎn)：因?yàn)樽罱鼛啄陿O端事件非常頻繁，所以許多時(shí)候一旦極端事件發(fā)生，有一些輿論和媒體就傾向于簡(jiǎn)單地把它歸咎于人類活動(dòng)?，F(xiàn)在我們知道，人類活動(dòng)對(duì)于極端事件的影響實(shí)際上是非常復(fù)雜的，尤其是對(duì)于區(qū)域尺度的極端降水事件，它的影響因子很復(fù)雜。所以說(shuō)，我們不能把它簡(jiǎn)單地歸因于人類活動(dòng)，而是必須經(jīng)過嚴(yán)格的科學(xué)研究，才能夠給出可靠的結(jié)論。

圍繞著極端事件的變化和影響，還有很多亟待解決的科學(xué)問題。國(guó)際氣候?qū)W界也正在致力于推動(dòng)這方面的進(jìn)展，比如世界氣候研究計(jì)劃設(shè)立了“五大燈塔行動(dòng)”，極端事件就是其中非常重要的一個(gè)議題。我也是燈塔行動(dòng)“解釋和預(yù)測(cè)地球系統(tǒng)變化”中的一名工作組委員，我們的核心目標(biāo)就是去推動(dòng)圍繞氣候?yàn)?zāi)害的科學(xué)研究和國(guó)際合作。

全球氣候治理需要持續(xù)地推動(dòng)——既需要科學(xué)上的推動(dòng)，也需要實(shí)際行動(dòng)的推動(dòng)。所以也希望大家能夠積極參與到這些行動(dòng)中來(lái)，為我們自己和后代留下一個(gè)更宜居的地球。

謝謝大家。

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