第八章 气候变化

第八章气候变化

一、气候-气候学二、气候系统三、气候变化四、近百年气候变化事实五、气候变化的自然原因六、人类活动与气候变化七、气候变化的影响与应对

课程主要内容一、气候的定义经典气候的定义气候是一定地点或一定地区上大气的平均状况”、“气候代表天气的一般综合”“气候是地球上某一地区大气多年的一般状态，它既反映平均情况，也反映极端情况，是多年间各种天气过程的综合表现；气象要素的各种统计量是表述气候的基本依据”现代气候的定义气候系统的全部成分在较长时段内的平均统计特征现代气候学的三个特点：(1)从气候变化来研究气候。这一点十分重要，由于认识到气候变化有一个很宽的时间谱，长者在10000年以上，短到1年、季尺度。所以，现代气候是从变动中认识气候，而不再仅仅局限于追求解释气候平均值。

(2)从气候系统来研究气候。这是把研究范围扩大到整个气候系统，即包括大气、海洋、冰雪、陆地、生物圈。因为人们已经发现，仅仅研究大气，不可能认识气候形成的过程，也不可能对气候变化作出有效的预测。

(3)从气候动力学来研究气候。这是现代气候学研究的灵魂。现代气候学的特点二、气候系统气候系统是指由大气、海洋、陆地表面、冰雪圈和生物圈等组成的相互作用的整体。大气系统

大气系统是包围地球的一层气体，与地球的固体部分相比，大气系统仅为地球半径的0.5%厚的浅薄气体。但它是人类赖以生存的最重要的环境，是气候系统的主体部分，也是气候系统中最活跃、变化最大的部分。大气和气候系统其他成员间的热量、水分和物质交换是气候系统中各圈层之间相互作用的最基本过程水圈包括海洋、河流、湖泊和地下水，也应包括大气中的液态水。水圈也是气候系统中最活跃的组成之一，其三相变化的过程是气候系统最重要的过程之一，它的存在和运动构成了地表、空中、水中的形形色色的自然现象，也是生命赖以生存的基本要素。。

海洋是水圈的主体部分，覆盖了约71％的地球表面。在水系统中海洋对气候变化的影响最重要海洋能吸收到达地表的太阳辐射的绝大部分。是气候系统中的能量储存库，洋流驱动着全球的热量输送。是气候系统的水源地。海洋与大气主要有物质（水分、CO2）、能量、动量交换冰雪圈:冰雪圈指全球的冰体和积雪，是气候寒冷的产物。由极地冰原、季节性雪盖、海冰、高山冰川和永冻(层)组成。全球陆地约有10.6%被冰雪覆盖，海洋有6.7%为海冰覆盖。海冰和雪盖都有很大的季节变化和较大的年际变化雪盖和海冰具有从数月到几十年的时间变化尺度，冰雪圈中的其他组成部分变化的特征时间尺度很长，一般都大于数百年，甚至可达几百万年。。对气候影响主要有两方面，影响地表辐射平衡和热量平衡

。岩石圈:岩石圈是地球表层固体的壳体，包括大陆的陆块，即山体、地表岩石、沉积和土壤，也包括海洋底部形态，广义的也还应包括河、湖与地下水。

陆地地形，其时间尺度是气候系统的所有组成中最长的，约为105-106年以上。

岩石圈对气候系统的影响主要表现在地形的动力作用、地表热力特性的差异及陆面水分循环这三个方面。动力作用主要是陆地地形对气流和洋底地形对海流的影响。热力作用则由于大气的能量直接补充主要是由地面热量输送，不同地形对地表吸收太阳辐射产生影响，也对地表热量输送产生影响

陆面过程在全球水分循环中有重要意义生物圈:生物圈，也称为生物系统。是大气中、陆地上、海洋中的植物和动物，也包括人类本身（广义的还包括微生物）。

调节和控制温室气体(主要是C02和CH4)通量的大小。对地表植被影响，通过影响地面反照率、粗糙度、蒸发和渗透等等进而影响陆气相互作用的各个环节。大气－海洋－冰－陆面－生物量耦合气候系统示意图

三、气候变化概念气候变化是指气候系统的全部成分及其变量（如气温、降水、气压等）在较长时段内统计特征的变化，其变化的形式主要有趋势变化、气候突变、气候波动（振荡）等。

气候趋势是指气候的长期变化倾向，即在记录时期具有平滑而单调地上升或下降特点的气候变化。气候突变是气候从一种稳定态（或稳定持续的变化趋势）跳跃式地转变到另一种稳定态（或稳定持续的变化趋势）的现象气候波动（振荡）表示气候呈现准周期性的平滑的变化趋势，如ENSO的2-7年的年际振荡。

气候变化的检测手段现代气候变化的研究，主要依靠直接的观测资料

地质、历史时期的气候变化，主要依靠气候代用资料来检测：

1)，树木年轮

2)，冰芯

3)，孢粉

4)，珊瑚

5)，史料分析

近百年全球气温变化基本事实近百年以来全球气温变化最突出的特征是显著变暖，但增暖过程呈现波动性上升。全球平均气温近百年（1906-2005年）线性变暖趋势为0.74±0.18℃/100a，而近50年（1956-2005年）的变暖趋势为1.3±0.3℃/100a，是近百年的2倍，表明变暖过程表现出加速趋势。20世纪增暖主要发生在两个阶段，分别是1915-1945年以及1975年以后，其中近百年来最暖的5年发生于1997年后，1996-2005年的12年中有11个最暖年。四、近百年气候变化事实最近130年的温度变化

（最近30年温度升高很快）空间分布特点20世纪以来，除了格陵兰南部区域和美国东南部的三个较小地区，以及玻利维亚和刚果盆地的部分地区以外，世界大部分区域地表气温都呈增加趋势。

增暖最显著的地区在40°N~70°N（即亚洲内陆、北美西北部）以及南半球中纬度地区和巴西等地。

陆地表面气温的变暖速率都比海洋快，特别是1970年以来。近20年来陆地和海洋的增暖速率分别为0.27℃/10a和0.13℃/10a

有些地区则增暖现象不明显或者变冷。比如，在65°S以南的南极大陆近几十年没有明显的增温现象。

增暖的季节差异冬季全球地表平均气温升高最为显著，特别是北半球中高纬地区，其次是春季；而秋季和夏季的增暖相对较弱。

各季节增暖最强的区域也有所不同，冬季增暖最强区主要位于北美西部、北欧和中国，春季在欧洲、亚洲的北部和东部，夏季和秋季则分别对应于欧洲、北非和北美北部、格陵兰及东亚。

值得注意的是个别区域某些季节也出现弱的变冷趋势，主要在中纬度的南半球海洋和春季的加拿大东部地区，这些区域的降温可能与NAO（北大西洋涛动）的加强有关。全球陆地年降水量变化特点总体来讲，全球降水还是存在一定的上升趋势。

全球平均陆地降水存在显著的年代际变化，从1900年至1950年整体呈增长趋势，1950-1980年是一个相对多雨的时期，至20世纪90年代早期呈下降趋势，21世纪初又开始回升。1951-2005年，全球降水变化的趋势为2~7mm/10a；1979-2005年趋势增加为13~16mm/10a。不同降水数据集趋势间存在明显差异，这也从一个侧面反映监测降水变量的难度，因为其在空间和时间上都存在很大的变率。降水变化的空间分布特点自1901年起，北半球中高纬度大陆地区降水增加明显，特别是30°N-85°N之间多数地区降水增长幅度达6%-8%/10a

。

而在美国西南部，墨西哥西北部以及巴哈半岛降水呈减少趋势，平均减少约1%-2%/10a，最大降水量负趋势区在东非、西非和撒哈拉和南亚等地，其中撒哈拉地区出现最早。

1979年以来降水变化趋势呈现更为复杂的分布，个别区域变干明显，比如北美洲西南部；欧亚大陆则降水增加的区域多于减少的区域；北欧和地中海之间可能存在反向变化趋势。即使位于同一纬度，不同区域的降水量也仍然存在相当大的差异；例如，东南亚地区降水量有所下降时，印度地区则呈上升趋势；非洲热带地区雨量减少时，南美洲则增加

雪盖的变化大多数区域的雪盖已经减少，特别是在春季。通过卫星观测发现1966年至2005年这一时期北半球的雪盖每个月都在减少，11月和12月除外，上世纪八十年代后期，其年均值以5%的速度逐步下降。在南半球，为数不多的长期记录或代用资料大多数表明在过去的40多年里情况或者是减少或者是没有变化。海冰面积的变化根据卫星观测，自1978年以来，北冰洋年平均海冰范围以每十年大约2.7±0.6%的速度在缩小海平面的变化二十世纪期间，冰川和冰帽遭受大范围损失并造成全球海平面上升中国区域气温变化特点6条序列在近50年的增暖幅度较为一致，而在近百年尺度的增暖幅度上存在着一定的差异。

不管是近百年，还是近50年，中国气温变暖幅度要高于全球平均水平。波动上升趋势中国区域降水变化特点近百年来，中国年降水量变化的总体趋势并不明显，同时，年降水量呈现出明显的年际和年代际振荡，主要周期是20-30年。

近50年来中国东北东部、华北南部的黄淮海平原和山东半岛、四川盆地及其高原部分地区降水出现不同程度的下降趋势，在全国的其余地区，包括西部地区的大部分、东北北部、西南西部、长江三角洲和东南丘陵地区，年降水量均呈现不同程度的增加，其中长江下游、华南沿海和西北地区的增加比较显著。极端温度变化最低和最高气温的线性变化趋势分别是0.2°C/10a和0.14°C/10a，表明极端最低气温的增暖速度高于最高温度，故平均日较差（DTR）的呈下降趋势（0.07°C/10a）日较差变小，但1979以后，日较差变化较小全球极端降水变化极端降水变化的空间一致性相比于温度的变化要小很多，但强降水事件大体上呈现增加趋势。尤为显著的是，近30年来伴随着全球的显著变暖，世界许多地区的强降水事件呈现明显增多和增强的趋势，即使平均总降水和雨日数没发生变化或减少的地区，也都发现近30年强降水量及其频数的增加

中国区域极端降水的变化中国区域极端降水变化态势与全球是基本一致的，其主要特点仍然是区域性和局地性明显。在过去的几十年中，西部地区有明显的降水增长，降水日数也有明显增加趋势；长江流域及其以南地区降水趋于增多，主要表现在极端降水日数呈增加趋势；华北地区虽然极端降水事件频数明显减少,但极端降水量占总降水量的比例仍有所增加。降水日数和微量降水日数减少是近年来中国干旱化趋势发展的一个重要特点五、气候变化的自然原因5.1、日-地关系的变化

假定太阳辐射源强度不变的情况,到达地球的太阳辐射量的变化是由于地球公转轨道天文参数的长期变化，即地球轨道偏心率、地轴倾斜度的变化以及岁差现象引起的。

A地球轨道偏心率的变化

地球轨道偏心率以96600年为周期缓慢地变化于0.000-0.068之间,偏心率的变化意味着远日点和近日点发生变化，因而导致地球在一年中接受的太阳辐射能发生变化。当偏心率最大时,地球从太阳接受的热量比现在增加3％；近日点受太阳辐射比远日点约多30％。

地球公转轨道的变化B地轴倾斜度(即黄赤交角)的变化地轴倾斜度大约也以40000年为周期变化于22°一24°30’之间,地轴倾斜度的变化使北半球夏季太阳直射的极限纬度和冬季极夜达到的极限纬度发生变动，结果可使南北回归线位置最高时可达南、北纬24。30’，最低时可达南、北纬22°，所以它的变化可使各纬度接受的太阳辐射量发生变化。当地轴倾斜度变小时，低纬地区接受的太阳辐射量增加，高纬地区太阳辐射量减少,当地轴倾斜度增大时，结果正好相反。C岁差(即春分点的移动)现象地球公转轨道面和赤道面的交点(即二分点)每年沿黄道向西缓慢移动；春分点绕地球轨道运行一周大约需要为21000年。岁差现象能引起地球近日点和远日点所在季节的变化，使地球上各地季节开始时间及季节长短发生变化。春分点位置变动的结果，引起四季开始时间的移动和近日点与远日点的变化。地球近日点所在季节的变化，每70年推迟1天。大约在1万年前，北半球在冬季是处于远日点的位置（现在是近日点），那时北半球冬季比现在要更冷，南半球则相反。米兰柯维奇（M.M.-Lankovitch）曾综合这三者的作用计算出65°N纬度上夏季太阳辐射量在60万年内的变化，并用相对纬度来表示。例如，23万年前在65°N上的太阳辐射量和现在77°N上的一样，而在13万年前又和现在59°N上的一样。他认为当夏季温度降低约4—5℃，冬季反而略有升高的年份，冬天降雪较多，而到夏天雪还未来得及融化时，冬天又接着到来，这样反复进行，就会形成冰期。5.2板块漂移和地形变化

大陆漂移海陆分布的变化在整个地质时期中，气候史上最大的冰川活动时期都发生在地球上最重要的造山运动之后。板块漂移、地形变化不断改变着地球海陆分布的形态，它们对地球气候的形成、演变具有重大影响。目前大部分陆地主要集中在北半球，尤其是30°～60°N之间，因此北半球中纬度地区冬季气温比南半球冬季低，年温差也大。海陆分布也直接影响海洋环流，进而间接影响气候变化。5.3太阳活动对气候的影响

太阳活动是指太阳上的各种物理活动的总称。目前观测到的太阳活动仅仅是最外层的太阳大气区，对于太阳内部的活动以及内外层的关系还需深入研究。太阳活动主要包括五种方式，分别是太阳黑子、光斑与谱斑、耀斑、日珥、和射电辐射。证明太阳常数并不是一个常数；太阳活动强弱以太阳黑子多少表示，它与地面气象要素、对流层大气环流和平流层大气过程之间都有一定的关系历史时期气候变化研究初步证实太阳活动强时地球气候暖，太阳活动弱时冷。太阳活动有周期性，主要有11年、22年和80一90年三种周期、35年周期以及时间更长的169年400年和600等超世纪周期。问题机制不清楚太阳常数增加2％时，全球地表气温增暖约4℃。高纬度地表增暖比低纬度更明显，冬季增暖比夏季强烈；与冰／反照率一温度反馈有关。低纬度对流层上部有最大增暖幅度超过8℃。5.4火山活动与气候

强火山爆发把二氧化硫和火山灰带入平流层，形成一个稳定层。这些气体与大气中的水汽结合形成液体状浓硫酸盐滴，称为气溶胶。这些火山灰和气溶胶可在平流层中漂浮2~3a，个别可能存留10a以上。它们可以散射太阳辐射，增加大气的反照率，也就减少了到达地面的直接太阳辐射，从而导致地球表面变冷，因此火山爆发对气候的影响也称为“阳伞效应”。影响短期月际到数年的时间尺度，强火山喷发可全球或半球平均温度下降0.3℃，长期数年到百年以上尺度，强火山喷发对应着其后数年的全球和半球平均的显著降温；火山活动活跃的时期对应着冷期,反之亦然。火山活动可解释近百年全球或半球平均温度变化方差的40％一50％。5.5温（热）盐流对气候的影响

形成:温（热）盐流是由于海面受热冷却不均、蒸发降水不匀所产生的温度和盐度变化，导致密度分布不均匀形成的热力学海流热盐流属于冷水系环流，与大洋水团的形成与分布有关。大洋底层水在两极海域，上层海水急剧冷却，密度增大而剧烈下沉，成为大洋中层、深层和底层水的主要源地南极底层水（AABW）。北大西洋深层水（NADW)形成于北大西洋深层水在深层以西边界流的形式向南流去，之后围绕着南极绕极急流，北大西洋深层水部分和形成于威德尔海的南极底层水混合，流向太平洋和印度祥，在那里上翻穿过温跃层达到上层海洋，它被称作“北大西洋深层水输送带”。洋流的返回路径可能至少有两条：一是沿“暖水系路径”，经过南印度洋流人南大西洋,一个是沿“冷水系路径”，从南太平洋流入南大西洋简化的北大西洋深层水流动循环图，深色的线表示海底的寒流，淡色的线代表海面的暖流新仙女木冷事件(YoungerDryas)是从冰期到间冰期回暖过程中的一次气候恶化事件,发生于11000-10000年前，是末次冰消期持续升温过程中的一次突然降温仙女木是一种有代表性的苔原植被，用来命名这次寒冷事件。新仙女木事件的例证海洋中的温盐环流(被称之为传送带)的变化来解释新仙女木冷事件。由于大量的冰（北美冰河）融化引起大量的淡水涌入北大西洋将降低它的盐度，表面海水因之变轻，使深水制造停止，下沉海水量变少，温盐环流因而变弱。海表面往北洋流也连带的减弱，北传的热量减少，热传送带“断开”：气温因此迅速下降，促使仙女木冷事件形成。六、人类活动与气候变化人类影响气候的活动方式主要有：（1）化石燃料利用及农业和工业活动排放的二氧化碳等温室气体增加大气中温室气体浓度；（2）人类活动排放导致大气中气溶胶浓度的变化；（3）人类社会的发展不断改变土地利用形式和下垫面的性质。人类活动与温室效应加剧太阳主要辐射能量集中在可见光区或近可见光区（太阳短波辐射）。太阳短波辐射绝大部分完全透过大气而被地表吸收（约50%），大气吸收份额很小，为了平衡所吸收的入射能量，地球必须也向太空发射同样数量的能量。地球辐射能量集中在波长较长的红外谱区，根据大气对辐射光谱的选择吸收性，大气对太阳短波辐射吸收很小，但地表向上放射的长波辐射，绝大部分被水汽、二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）甲烷（CH4）等吸收，并向下放出长波辐射，使地表热辐射不至于无阻档地射向外空，地面气温要比无大气时高出许多，因其作用类似于栽培农作物的温室，这一特性称为地球的温室效应如果没有地球的自然温室效应，地球表面的平均温度将低于冰点。因此，地球的温室效应使我们现在已知的所有生命活动成为可能。由于人类活动的影响，一些大气中本来就存在的温室气体含量在不断的增加，另一些完全由人类制造的温室气体也被排放到大气中。大气中温室气体的增加使地球表面变暖。显然，人类活动加剧了温室效应，全球变暖与温室效应的加剧有关。温室气体的变化自从工业化时代(大约1750年)开始以来，人类活动导致了四种主要温室气体的排放的大幅增加：二氧化碳(CO2)，甲烷(CH4)，氧化亚氮(N2O)和卤烃(一组含氟、氯和溴的气体)，温室效应加剧，2人为气溶胶及其气候效应

气溶胶是悬浮在空气中的微小颗粒(直径在0.001－10μm)的总称，包括自然过程产生的和人类活动产生的气溶胶两种。对流层气溶胶的存在两种效应，分为直接效应和间接效应。直接效应是指气溶胶使入射的太阳短波辐射被反射到空间，而不能到达地表面。其效果使近地面层接受太阳短波辐射减少，同时放射长波辐射不能回到地面，致使近地面层变冷，阳伞效应。气溶胶的间接效应就是通过气溶胶改变云微物理过程，从而改变云的辐射特性、云量和云的存在期，影响地—气系统的辐射平衡。导致大气及地表吸收太阳辐射减少。由此可见，气溶胶通过充当凝结核对地气系统的间接影响也是辐射冷却，可能使得对流层及地表气温降低。3土地利用的变化及其气候效应

人类活动影响气候变化的另一因素是土地利用的变化。这是因为土地利用的变化直接造成陆面物理特性的变化，从而影响辐射、热量和水的交换；人为改变大尺度的植被特性可影响地表反照率。农田的反照率与自然地表有很大的不同，尤其是森林。森林地表的反射率一般比开阔地要低。

高密度人口居住区域特别是城市化进程的加快，形成了城市复杂多样的地表覆盖布局，这种特殊的土地利用格局对局地气候也可产生显著影响。地表风速减小，减少了蒸发和空气湿度，大大加快了径流，降低了地表反照率，而热传导和热容量变大。这改变了地表热量和水分收支各项的相对大小。城市气温比周围郊区高。这一现象通常称为“城市热岛效应”或“城市热岛”。

七、气候变化的影响与应对措施

（1）海平面升高的影响据估算，预计到2030年平均海平面高度将升高15cm，到了2100年升高50cm。全世界约有一半的人口居住在沿海地区，对于生活在这些地区的人们，即使几分之一米的海平面升高，也将对他们产生严重影响。海平面的升高将通过盐水侵入地下淡水资源，进一步影响农业土地的生产力。在埃及的尼罗河三角洲地区、中国的东部沿海地区等也会受到影响。影响（2）对农业和粮食供给的影响种植作物的类别必须与当地的气候相适应，特别是一年中温度和降水的分布是决定种植何种作物的关键因素。当受到全球变暖，热量资源增加的影响时，这一切都将发生变化。因此，作物的分布也将改变。可利用水量是影响农业和粮食生产的最重要的因素。水分供给对气候变化的脆弱性转变成作物种植和粮食生产中的脆弱性，因而，干旱或半干旱地区（大多数位于发展中国家）的风险最大。世界农业将如何响应极端事件，例如长期干旱。发达国家的粮食过剩可能继续增加，而发展中国家，大量的人口增加将伴随这粮食生产的相对减少。这样一种状况将引起极大的问题，尤其是在发展中国家。影响（3）对淡水资源的影响

许多地区对水分短缺的脆弱性，尤其是在干旱和半干旱地区，人类社会需求的增长意味着，即使是短期干旱，也将比以前带来更大的灾难。由于人口增长，脆弱性也将增加，从而将加重全球变暖的负面影响。全球变暖引起的气候变化将在许多地方导致水分供给的巨大变化。如干旱和半干旱地区（那里，降水减少将造成严重的干旱甚至沙漠化），大陆地区（那里，夏季降水减少和温度增加将导致土壤水分的大量损失，从而增加了对干旱的脆弱性）以及亚洲季风区（那里，降水增加将导致洪水发生几率的增大）。气候极端事件型的改变（尤其是干旱和洪水）影响（4）对自然生态系统的影响自然生态系统与气候之间