武大环境灾害学第九章

第九章全球变化和环境灾害

主讲人：王艳

武汉大学

2011年3月厄尔尼诺及其旱涝灾害5主要内容5

全球变化1气候变暖的环境影响

2海平面上升及其灾害

341.全球变化的概念模型

全球变化是指全球环境中的能改变地球承载生命能力的各圈层系统的变化，包括气候变化、陆地生产力变化、海洋和其他水资源变化、大气化学变化以及生态系统变化等。全球变化学是研究地球系统整体行为的一门科学。它把地球的各个层圈（如大气圈、水圈、岩石圈和生物圈）作为一个整体，研究地球系统过去、现在和未来的变化规律和控制这些变化的原因和机制，从而建立全球变化预测的科学基础，并为地球系统的管理提供科学依据。全球变化的过程涉及三个基本方面：物理过程、化学过程和生物过程，在这三个过程之间存在着相互作用和相互制约的机制。其中物理气候系统和生物地球化学系统是两大主要循环系统。第一节全球变化2.全球变化的历史

历史文献、树木年轮、沉积物、冰芯以及其他资料间接地为人们提供了全球变化历史。⑴第四纪气候变化在大时间尺度上，地球环境的变化主要是冰期、间冰期的交替，称为冰期旋回。在冰期旋回中，全球温度、冰量和大气中二氧化碳含量具有巨大的波动。新近纪（距今2500万年）全球气候炎热，发育并堆积了大量的红土层。进入第四纪（距今300万年）全球气候变冷，出现了多次冰期旋回。⑵全新世气候变化全球末次冰期结束后，大约一万年前开始的一个地质时期称为全新世。全新世气候普遍转暖，中、高纬度的冰川大量消融，海平面迅速上升，喜暖动植物逐渐向较高纬度和较高山迁移，全球自然地理环境完全演进到现代面貌。全新世时期我国气候多变化，冷暖气候曾变化十多次。⑶我国历史时期的气候变化我国5000多年来的气候变化可划分为4个温暖期和四个寒冷期（见图）。⑷我国近百年来的气候变化

20世纪初至20年代及50年代末至70年代中期我国为相对寒冷期，而30年代至50年代及70年代中期以来为相对温暖期。70年代以后气候变暖的速度加快。第一节全球变化3.全球变化的原因

近几十年来，世界正以异乎寻常的速度变暖。目前的全球变暖、大气温室效应增长、低纬度夏季风系统受到的影响、海平面上升、沙漠化等气候、环境问题与日益扩大的人类活动有关。主要体现在以下几个方面：⑴人为的局部污染源与大气运动对污染物的远距离携带；⑵人为的局部污染源与河流、海流对污染物的远距离携带；⑶人类运载工具运行的空间范围扩大，把污染和“垃圾”带向全球和高空；⑷人类的全球性流通，把疾病和污染带向全球各地；⑸人类活动对森林和水域的大规模改变，影响大气环境的全球性变化。以上五大过程使世界上的局部环境变化最终都参与了全球变化，导致了全球环境变化。第一节全球变化4.全球变化的研究重点

全球变化问题是21世纪最关键的问题之一，全球变化研究在对自然变率、环境演变进行研究的同时，也广泛地渗入到人文社会领域，对诸如人类健康、生产安全、粮食生产与食物供应、碳排放及其减排、国家安全等方面的全球变化因素开展了全面的研究。具体内容包括：大气组成变化、生态系统变化、全球碳循环、全球人文、气候多样性的变化、全球水循环等专题。根据变化模式和形成过程可从以下四个作用机理入手：⑴生物地球化学过程⑵陆地生态与气候的相互作用⑶地球系统的综合分析和模拟⑷社会、经济影响评估第一节全球变化5.全球变化影响的主要途径

全球变化通过三个途径对人类构成影响：①直接对人类的健康产生影响；②全球变化事件也可能对某些社会事件的发生产生影响；③通过对资源和灾害的变化改变自然系统的承载能力，影响为人类提供物质基础的人为环境系统的生存能力，进而影响人类的供需平衡，并进一步影响人类和人类社会。第一节全球变化6.全球变化影响的层次

全球变化对人类的影响按其所达到的程度可以分为土地承载能力、生产系统、经济与生活、社会政治四个层次。⑴对土地承载能力的影响全球变化从改变资源的供需关系，改变灾害的频率和强度，以及改变自然系统本身的脆弱性等途径改变土地的承载力，这是全球变化影响的第一个层次。⑵对生态系统的影响全球变化影响的第二个层次是对资源和灾害的变化相联系的生产系统的影响，包括直接受资源和灾害影响的生产水平或生产结构变化，以及为满足全球变化所引起的人类需求的改变而进行的生产系统产业结构调整。⑶对生活和经济的影响全球变化影响的第三个层次是社会对生产和消费平衡关系变化的响应。⑷对社会政治文化的影响全球变化影响的第四个层次是对人类本身及社会政治文化平衡的影响，其不利的方面表现为重大生命损失、社会矛盾的激化、社会秩序的破坏、地区冲突的加剧甚至文明的兴衰等。第一节全球变化7.全球变化的敏感区

由于区域差异的存在，地球上不同地区对全球变化的反应和感受存在着差别。对全球变化最敏感、能提供早期信号的地区，反馈作用最显著、能将微弱的变化放大的地区，都是当今全球变化研究关注的重点。气候边界地带与生态脆弱带是最易受全球变化冲击的地区，这些地区土地的可利用性及其生产能力的大小常随全球变化而发生显著变化。海洋和陆地的交界面，即海岸带，是受海面升降控制、各种营力过程综合作用的地区，也是全球变化及变化对人类的影响表现最为强烈的敏感地区之一。海岸带是具有显著的生物和非生物特性及相互作用过程的海岸系统，对全球生物化学循环及其与气候的相互作用有显著的贡献。位于非洲撒哈拉地带和我国北方农牧交错带的广大半干旱地区是降水变化响应十分敏感的生态脆弱带，降水稍有变化不仅会导致干旱草原带位置的大幅度摆动，而且会造成土地出现可耕种与不可耕种的变化，这些地区的生产方式也极为不稳定，变化于牧业和农业之间。全球变化的不利影响对社会最脆弱的地区打击最大。第一节全球变化气候变化是研究全球变化的核心问题和重要内容。科学研究表明，虽然地球演化史上曾经多次发生变暖—变冷的气候波动，但近百年来，地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化。特别是近50年来的气候变暖，主要是由人类使用矿物燃料排放的大量二氧化碳等温室气体造成的。气候变暖对全球的生态系统和社会经济已经产生并将继续产生巨大的影响。如冰川消退、海平面上升、荒漠化、生态破坏、农业生产下降等。这些影响将使人类的生存和发展面临巨大的挑战。第二节气候变暖的环境影响1.气候变暖的原因气候变化是自然界的一种自然现象。自从地球诞生以来，在地质历史时期经历了无数次的气候波动。当时引起气候变化的要素和动力主要是太阳辐射的周期变化、地壳物质的对流及板块运动的周期性活动、地球在宇宙中位置的变化、地球公转和其他星体相对运动的变化等。人类有史以来气候变化的原因增加了人类活动的影响，其作用强度日益增加。20世纪以来，气候以变暖为主趋势，以变化频率高、周期短、增温幅度大为特点。⑴二氧化碳的增温效应在地质历史时期，二氧化碳对地球气候变化就有调节作用。人类有史以来，人类活动对大气中二氧化碳含量的变化影响巨大。二氧化碳是一种重要的“温室”气体，它对入射的太阳辐射基本上是透明的，但对地球向外辐射的红外线波段有很强的吸收能力。如煤的燃烧、工业、交通中气体排放等，都可以使大气中二氧化碳含量增加，导致气候变暖。⑵城市热岛效应城市发展中，人为的热释放、空气污染和下垫面改变，使城市地区气温高于市郊农村气温的现象，称为城市热岛效应。随着城市数量的增多，城市规模的不断扩大，这种效应将会继续增强。第二节气候变暖的环境影响CO2的增温效应城市热岛效应2.气候变暖的环境影响⑴冰川消退气温的轻微上升都会使高山冰川的雪线上移，海洋冰川范围缩小。近百年海温变暖造成海平面上升量为2~6cm。全球气候变暖使我国冰川面积近40年来平均减少7%。⑵旱涝灾害和荒漠化面积扩大我国中纬度地区，气温升高会引起灌溉需水量、农田蒸发量增加，北方江河径流量减少及内陆河流地区蒸发量增大。因此，旱涝等灾害的出现频率将会增加。世界上一些水资源短缺地区，气候变暖，水资源将变得更加短缺，荒漠化是必然结果。⑶气候变暖对生态系统的影响①物种多样性的变化。当环境改变时，适者生存，劣者淘汰。②生态系统功能的变化。由于二氧化碳浓度、大气温度和降水的变化，全球整个生态系统的生物生产力发生改变。③气候变暖对生态景观的影响直接表现在植被分布格局的变化。在北半球，随着气温和地温的升高，植被将会大幅度北移。整个地球植被将会发生较大的地带性变化。④生态系统演化的滞后性。全球变暖引起的气候变化将在几十年里发生，而大多数生态系统不可能如此快地响应或迁移，存在一个生物过程的滞后性。⑤海洋生态系统受全球变暖的影响更大。海水温度变化可能引起鱼类聚集地的变化。第二节气候变暖的环境影响冰川消退2.气候变暖的环境影响⑷气候变暖对农业生产的影响①气候带和农业带的移动气候变暖可能使气候带和农业带向两极方向移动，表现为农业区和作物布局和面积将会发生较大的变化由于极地附近的增温幅度大于赤道附近，所以气候带的北向移动在高纬度地区更加明显，相应的植物生长带也会北移，适应生长的时间就会延长，适应生长的物种就会增加。在中纬度地区，气温升高的同时，蒸发量增高，可利用水量减少，使干旱或半干旱地区的农业生产风险增大。从全球来讲，气候变暖给农业带来的是负效应。②农业病虫害增加③植物品种发生变化气候变暖使得许多植物品种不适应环境而被淘汰或迁移。⑸气候变暖对人体健康的影响气候变化可以导致人体发病率的增加和病情的加重。第二节气候变暖的环境影响海平面上升由全球气候变暖、极地冰川融化、上层海水变热膨胀等原因引起的全球性海平面上升现象。海平面上升对人类的生存和经济发展是一种缓发性的自然灾害，具有明显的累进性。海平面上升对沿海地区社会经济、自然环境及生态系统等有着重大影响。首先，海平面的上升可淹没一些低洼的沿海地区，加强了的海洋动力因素向海滩推进，侵蚀海岸;其次，海平面的上升会使风暴潮强度加剧，频次增多，不仅危及沿海地区人民生命财产，而且还会使土地盐碱化。海平面随时都在上升化，海水内侵，造成农业减产，破坏生态环境。在中国，受海平面上升影响严重的地区主要是渤海湾地区、长江三角洲地区和珠江三角洲地区。第三节海平面上升及其灾害1.海平面上升的原因海平面上升是由海平面高度与陆地地面高度相对高差变化造成的。在人类历史时期，全球气温上升和陆地高度降低是二者高差变化的主要原因。⑴二氧化碳及其他痕迹气体的温室效应和海平面上升。

二氧化碳及其他痕迹量气体的温室效应，造成了全球性气温的上升，导致了海水受热膨胀、高山冰川融化、南极冰盖解体，海平面上升。⑵地面沉降与海平面上升大量的研究资料表明，现代地面沉降主要是由于超量开采地下资源而引起的。新构造运动导致的地面沉降量只占总沉降量的3%左右。沉积地层自然压实沉降基本上可以被排除。尽管不同研究人员的结果可能不同，但近百年来，海平面上升却是不容置疑的事实。自19世纪末以来，海平面上升约有10cm或稍多。据预测，到21世纪末，海平面将比现在上升50cm，甚至更多。第三节海平面上升及其灾害地面沉降2.海平面上升的成灾机制

海平面上升主要是通过海水淹没沿海平原，潮灾频率增加、强度增大，沉降漏斗洼地积水影响生产和交通，洪水威胁增加，盐水入侵、水质恶化造成土地盐渍化等给人类造成灾难。⑴沿海地区地面标高损失我国大陆沿海11个省、市地区地面高程较低，是沿海灾害最危险地区。⑵潮灾频率增加、强度加大沿海地区地面标高损失的直接后果之一是，风暴潮灾害频率增加和强度加大。⑶海水入侵，造成土地盐渍化和粮食减产，生活和生产用水危机，地方病流行⑷潮灾频率增加、强度加大沿海地区地势低洼，易受洪涝灾害的威胁。未来海平面上升，入江入海河道排水能力下降，将加剧沿海低洼地的洪涝灾害。第三节海平面上升及其灾害1.厄尔尼诺一词来源和含义

“厄尔尼诺”一词来源于西班牙语，原意为“圣婴”。19世纪初，在南美洲的厄瓜多尔、秘鲁等国家，渔民们发现，每隔几年，从10月至第二年的3月便会出现一股沿海岸南移的暖流，使表层海水温度明显升高。

在科学上此词语用于表示在秘鲁和厄瓜多尔附近几千公里的东太平洋海面温度的异常增暖现象——厄尔尼诺现象。一般认为海温连续三个月正剧平在0.5℃以上，即可认为是一次厄尔尼诺事件。当这种现象发生时，大范围的海水温度可比常年高出3~6℃。太平洋广大水域的水温升高，改变了传统的赤道洋流和东南信风，导致全球性的气候反常。

厄尔尼诺现象又称厄尔尼诺海流，是太平洋赤道带大范围内海洋和大气相互作用后失去平衡而产生的一种气象现象，是发生在大气环流和海洋环流之间的强耦合事件的例子。厄尔尼诺现象的基本特征是太平洋沿岸的海面水温异常升高，海水水位上涨，并形成了一股暖流向南流动。它使原属冷水域的太平洋东部水域变暖。结果引起海啸和暴风骤雨，造成一些地区干旱，另一些地区又降雨过多的异常气候现象。第四节厄尔尼诺及其旱涝灾害2.厄尔尼诺的起因及形成过程厄尔尼诺现象不是孤立的海洋现象，它是热带海洋洋流与大气相互作用的产物。厄尔尼诺的全过程分为发生期、发展期、维持期和衰减期，历时一般一年左右，大气的变化滞后于海水温度的变化。厄尔尼诺形成的主要原因：①全球气温的上升；②春季西风带的加强；③沃克环流回归点的东移；④安第斯山对回归的沃克环流的阻挡。前两个属于全球性的，后两个属于区域性的。而造成厄尔尼诺的关键是沃克环流的变化。⑴沃克环流和南方涛动太平洋的中央部分是北半球夏季风气候变化的主要动力源。通常情况下，太平洋沿南美大陆西侧有一股北上的秘鲁寒流，其中一部分变成赤道海流向西移动，此时，沿赤道附近海域向西吹的季风使暖流向太平洋西侧积聚，而下层冷海水则在东侧涌升，使得太平洋西段菲律宾以南、新几内亚以北的海水温度升高，这一段海域被称为“赤道暖池”，同纬度东段海温则相对较低。对应这两个海域上空的大气也存在温差，东边的温度低、气压高，冷空气下沉后向西流动；西边的温度高、气压低，热空气上升后转向东流，这样，在太平洋中部就形成了一个海平面冷空气向西流，高空热空气向东流的大气环流（沃克环流），这个环流在海平面附近就形成了东南信风。但有些时候，这个气压差会低于多年平均值，有时又会增大，这种大气变动现象被称为“南方涛动”。20世纪60年代，气象学家发现厄尔尼诺和南方涛动密切相关，气压减小时，便会出现厄尔尼诺现象第四节厄尔尼诺及其旱涝灾害⑵厄尔尼诺的形成

在正常状况下，北半球赤道附近吹东北信风，南半球赤道附近吹东南信风。信风带动海水自东向西流动，分别形成北赤道洋流和南赤道暖流。从赤道东太平洋流出的海水，靠下层上升涌流补充，从而使这一地区下层冷水上翻，水温低于四周，形成东西部海温差。由于某种原因使得信风减弱时，维持赤道太平洋海面西高东低的支柱破坏，西太平洋暖海水迅速向东蔓延，原先覆盖在热带太平洋海域的暖水层变薄，海温在太平洋西侧下降，东侧上升。东太平洋的气压也随之下降，赤道信风被进一步削弱，更有利于海温上升，形成了一种正反馈机制，促使暖水发展，厄尔尼诺形成。相反，当信风持续加强时，赤道太平洋东侧表面暖水被刮走，赤道东太平洋深层海水上翻现象更加剧烈，导致海表温度异常偏低，使得气流在赤道太平洋东部下沉，而气流在西部的上升运动更为加剧，有利于信风加强，它把暖水源源不断地向西输送，这进一步加剧赤道中、东太平洋冷水发展，引发所谓的拉尼娜现象。第四节厄尔尼诺及其旱涝灾害正常情况下，不发生厄尔尼诺信风减弱时，发生厄尔尼诺⑶厄尔尼诺的模型

在整个厄尔尼诺事件中，赤道附近东太平洋异常暖水区形成了一股由东向西传播的波，这个波称为罗斯贝波；当它到达太平洋的西边界时，会被反射成为一种不同的波称为开尔文波，这种波由西向东传播，它起着抵消或改