《海洋科学导论》第十一章 海洋-大气相互作用-气候

1、第十一章 海洋-大气相互作用-气候海洋-气候的调节器1D.Zhao,OUC天气与气候天气是一定时间和空间内的大气状态气候是长时间内气象要素（温度、湿度、气压等）和天气现象的平均状态气候的时间尺度为月、季、年、数年到数百年以上2D.Zhao,OUC气候系统气候系统的提出是气候学研究发展的重要标志气候系统由5部分组成，分别为大气圈、水圈（海洋）、冰雪圈、岩石圈和生物圈3D.Zhao,OUC气候系统的性质各子系统是开放的非孤立系统。 从各子系统保持相对独立，能量交换保持开放状态物理过程包括穿越边界的能量、动量和物质输送各子系统内部是非均匀的热力学-动力学系统。可以用化学组成，热力学及力学状态加以描述

2、。不同物理量的时间和空间尺度在不同子系统之间变化很大，甚至在同一个子系统内变化也很大大气边界层：时间尺度从几分钟到数小时自由大气：时间尺度由数周到几个月海洋上混合层：数周到几年深层水：从几十年到几千年海冰：几周到几十年内陆水和植被：几个月到几百年冰川：百年量级冰原：几千年以上地壳变动：千万年量级4D.Zhao,OUC气候系统的性质气候系统主要由两个外强迫所控制：重力和太阳辐射全球海洋吸收的太阳辐射约占进入大气顶的总太阳辐射量的70%海洋巨大的热容量使气温变化减小5D.Zhao,OUC海洋在气候系统中的作用从整体平均来看，热带地区得到热量，而极地地区失去热量热带地区为气候系统提供了基本原动力，是

3、台风的源地6D.Zhao,OUC海洋在气候系统中的作用海洋贮存的能量将以潜热、感热交换和长波辐射的形式输送给大气，驱动大气运动全球平均有近70%的经向能量输送由大气完成，30%由海洋来承担在0-30低纬度区域，海洋输送的热量超过大气（西边界流）在30以上区域，大气输送的热量超过海洋50附近，海洋将热量输送给大气，大气环流输送到高纬7D.Zhao,OUC海洋与大气相互作用的基本特征海洋-大气相互作用：海洋主要通过向大气输送热量来影响大气运动，大气主要通过风应力向海洋提供动量 海洋对大气的热力作用：热带海洋是最重要的热量源地，海洋热状况的改变对大气环流和气侯有重要影响：如厄尔尼诺、西太平洋暖池 提

4、供热量方式有潜热和感热两种，主要是潜热，要求水汽辐合上升，即相应的大气环流条件。8D.Zhao,OUC海洋与大气相互作用的基本特征大气对海洋的风应力强迫：大洋环流与风应力强迫有密切关系，北半球的大洋环流为顺时针方向，南半球为反时针方向9D.Zhao,OUC海洋在气候系统中的作用大气中水汽量的86%由海洋提供。尤其低纬度海洋，是大气水汽的主要源地。10D.Zhao,OUC风速风向传感器GPS气压传感器温湿传感器自动气象站超声风速仪红外水汽CO2分析仪红外温度传感器温湿传感器通量观测站海-气界面动量、热量和气体通量的观测D.Zhao,OUC11海洋在气候系统中的作用海洋是地球大气系统中CO2的最大

5、的汇，可吸收化石燃料排放到大气中CO2 的20-30%海洋通过吸收温室气体极大地减缓了地球变暖12D.Zhao,OUC大气中的二氧化碳浓度逐年增加夏威夷岛南极洲13D.Zhao,OUC海洋-大气之间的气体交换气体通量等于气体交换速率kL、CO2溶解度s和其分压差的乘积14Net air-sea CO2 flux based on interpolation of air-sea pCO2 differences (Takahashi et al., 2002)D.Zhao,OUC地球的温室效应：Greenhouse effect15D.Zhao,OUC地球的温室效应：Greenhouse ef

6、fect16已经证明，累积在大气中的二氧化碳增加会导致地球表面温度上升如何测量二氧化碳水平还存在困难，使得气候模型的预测不准确当地球变暖，辐射到太空的能量增加，这是一个负反馈过程变暖使蒸发加剧，大气中增加的水汽会俘获更多的热量，这是一个正反馈过程地球气候变化就是失去和得到能量两个过程的平衡问题D.Zhao,OUC17平均SST正在上升D.Zhao,OUC18Global warming is true!D.Zhao,OUC19Snow and glaciers are declining1984200220041875Melted water runs over the Greenlandic

7、 icecap D.Zhao,OUC20全球变暖与海平面上升Current sea level rise has estimated at rates near 2.8 to 3.1mm per year.Why? Thermal expansion and melting of land ice IPCC (2007) predicted that global warming will lead to a sea level rise of 18 to 59cm by 2100最近的研究表明，全球海平面到2100年上升0.911.83mD.Zhao,OUC21全球变暖与海平面上升研究指出，

8、如果海平面上升1.83m,会使美国本土1300多万人受洪水等自然灾害的影响，即使0.91m,也会有超过420万人受影响 This is New York?Hauer, et al., 2016, Nature Climate ChangeD.Zhao,OUC22Island countries will be wiped out?The government of the Maldives has held a cabinet meeting underwater to highlight the threat of global warming on 17 Oct. 2009.Maldive

9、s stand an average of 2.1 meters (7ft) above sea level D.Zhao,OUC23Rapid increase in atmospheric temperatureIPCC reported the rapid increase in atmospheric temperature in the following 100 years.D.Zhao,OUC24It is found that there is a risk of 50% glacier melt in the Beas River basin, which covers no

10、rthwest India and northeast Pakistan, by 2050.A weakening trend in the monsoon circulation and a precipitation decline over South Asia during recent decades, largely attributable to anthropogenic forcing.气候变化对南亚的影响D.Zhao,OUCMesquita, et al. 2016,Forecasting Indias water future,Eos, 97,doi:10.1029/20

11、16EO049099.25Donat et al., 2016, Nature Climate Change, DOI: 10.1038/NCLIMATE2941图中 PRCPTOT为 年 降水总量; Rx1day为 年最大日降水量最新研究表明，气候变化已经开始导致全球大部分地区极端降水增加，即使在干旱地区也是如此D.Zhao,OUC2000年以来的气候变暖停滞Warming hiatus推测原因：（1）中东热带太平洋变冷； （2）低纬度火山爆发引起的气溶胶强迫； （3）北大西洋次表层变暖26D.Zhao,OUC气候变暖停滞！？2014年全球平均气温为14.6摄氏度，比1961至1990年的平

12、均值高出0.6摄氏度，也比历史上最暖的2005年和2010年高出约0.04摄氏度2014年成为自1880年有记录以来最暖的一年2015年的全球平均气温比1951至1980年的均值高出0.87摄氏度，比1901至2000年均值高出0.9摄氏度，比2014年高出0.16摄氏度（NOAA）或0.13摄氏度（NASA）！2015年也是局部最寒冷的一年（2016年1月）27D.Zhao,OUC2015年是有记录以来最暖年！28The average global temperature in 2015 broke all previous records. This map shows the hott

13、est areas in red and the coldest in blue. Credit:Scientific Visualization Studio/Goddard Space Flight CenterD.Zhao,OUC气候变暖停滞！？It has been claimed that the early-2000s global warming slowdown or hiatus, characterized by a reduced rate of global surface warming, has been overstated, lacks sound scient

14、ific basis, or is unsupported by observations. The evidence presented here contradicts these claims.29Fyfe, et al. (2016): Making sense of the early-2000s warming slowdown. Nature Climate Change 6, 224228.D.Zhao,OUC气候“翻转事件”30持续碳排放有可能触发5个方面的气候“翻转事件”：（1）大西洋经向翻转环流异常（2）格陵兰岛冰盖融化（3）南极西部冰原崩塌（4）亚马孙雨林生长受影响（5

15、）厄尔尼诺现象发生的频率改变未来这5个“翻转事件”一旦触发，将让当前的“碳排放社会成本”增加近8倍，从目前每排放1吨二氧化碳带来的15美元成本升至每吨116美元Cai et al., 2016D.Zhao,OUC2008年CO2排放世界地图中国排碳量世界第一！31D.Zhao,OUC32大气中的二氧化碳对策海洋中加硫酸铁促进植物生长，让蓝色的海洋变成绿色海洋？将二氧化碳深埋地球岩石中？控制减少排放量正在变干的盐塘（法国）D.Zhao,OUC海洋铁假设“给我半货轮的铁，我给你一个冰川时代” John Martin.2008年7月 青岛近海滨33D.Zhao,OUC海洋酸化问题珊瑚礁生长的海域水温

16、必须高于20，适宜温度为年平均值25左右 ，对环境污染比较敏感34D.Zhao,OUC京都议定书目标：欧盟和37个工业化国家，在2008-2012间，相对1990年的排放水平，将温室气体的排放量降低5.2% 具体目标： 欧盟降低8%，美国7%，日本6%，俄罗斯0% 澳大利亚增加8%，爱尔兰增加10%1997年12月1日签署 2005年2月16日生效 2012年结束35D.Zhao,OUC世界气候变化大会印尼巴厘岛路线图(2007,12.3-17) 丹麦哥本哈根协定 (2009,12.7-18) 墨西哥坎昆气候大会（2010,11.29-12.10） 南非德班气候大会（2011,11.28-12

17、.11） 同意为应对气候变化达成一项国际减排协议实施京都议定书第二承诺期启动绿色气候基金。 确定与工业化前相比，2050年前的气候变暖不超过 20C发达国家在2012年前提供300亿美元的“绿色气候基金”，2012-2020年，每年提供1000亿美元 36D.Zhao,OUC2014年11月中美达成减排协议中美气候变化联合声明目标：美国计划于2025年实现在2005年基础上减排26%28%的全经济范围减排目标并将努力减排28%。中国计划2030年左右二氧化碳排放达到峰值且将努力早日达峰，并计划到2030年非化石能源占一次能源消费比重提高到20%左右。37D.Zhao,OUC2015年巴黎气候大

18、会2015年12月12日，195个缔约方在巴黎达成了新的全球气候协议巴黎协定，标志着哥本哈根会议之后“减排裸奔时代”的终结。协议共29条，包括目标、减缓、适应、损失损害、资金、技术、能力建设、透明度、全球盘点等内容。目标：把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2C之内，并为把升温控制在1.5C之内而努力。巴黎协定确定，为解决各国“自主贡献”力度不足难以实现控温目标的问题，从2023年开始，每5年将对全球行动总体进展进行一次盘点。38D.Zhao,OUC39中国对气候变化的贡献2016年，北京大学李本纲研究组首次全面评估了中国对全球气候变化的贡献及其时间变化趋势发现中国排放对全球正辐射强迫（致暖效应）的贡献为12%2%（主要是CO2、CH4等温室气体和黑炭），对全球负辐射强迫（制冷效应）的贡献为15%6%（主要是SO4、NOx、POM等气溶胶组分）。其中贡献最大的依次为化石燃料燃烧排放的CO2、CH4、硫酸盐和碳黑。中国正在实施的空气质量控制措施会减少大气气溶胶的排放，将降低负辐射强迫，可能增加中国排放对全球气候变化的贡献比例。D.Zhao,OUCLi et al., 2016, Nature吴立新院士发现了20世纪全球大洋副热带西边界流区“热斑”现象，系统阐述了副热带环流在太平洋气候年代际及长期变化中的作用机理；提出了利用Argo浮标