全球变化课件08 近现代全球变化

第八章近现代全球变化12/2/2023主要内容第一节全球气候系统的变化第二节生态系统的变化12/2/2023第一节全球气候系统的变化近现代的物理气候系统变化基于各种观测资料的基础上，数据精确程度比代用资料高。然而，由于时空尺度的局限，却给问题的认识带来困难。如：某些大范围、大幅度的变化放在较长时间尺度上看可能只是自然界的正常振动，而不是真正意义上的“变化”；全球变化响应在区域上表面上看来是纷异复杂的差异，这种地区性现象却有可能是某种真正的全球变化的不同表现。12/2/2023第一节全球气候系统的变化1.1大气圈组成成分的变化1.2温度和降水变化1.3气候变化的自然原因分析1.4海平面变化12/2/20231.1大气圈组成成分的变化大气圈由于自然与人为因素的干扰处于不断变化之中。大气成分的变化实际是地球系统的生物地球化学循环受到某种破坏的表现。人类对全球大气成分的变化负有十分重要的责任。12/2/20231.1大气圈组成成分变化人类活动改变大气成分的三个途径：通过工农业生产、生活过程中的人为排放；由土地覆盖变化而改变与大气交换的比例；人为排放到大气中的某些化学物质在大气中产生一系列化学反应，改变大气中原有的平衡。人类活动造成的大气成分变化主要表现在四个方面：使一些成分的含量增加，如CO2、SO2、CO、N2O、CH4等；使另一些大气成分含量减少，如O3；改变一些大气成分性质，如大气中水的酸化；向大气中增添人工合成的成分，如氟利昂。12/2/2023温室效应和全球变暖气溶胶的气候影响臭氧洞12/2/2023温室效应和全球变暖全球增暖的表现温室气体、温室效应12/2/2023

全球增暖的表现12/2/2023全球增暖的直接证据全球地面平均气温与14世纪相比升高0.6℃±0.2℃(比1995年评估报告大了0.15℃)。新的分析表明,二十世纪(1900年开始)是过去的1000年间最暖的世纪,90年代又是最暖的十年,98年是最暖的年份。12/2/2023全球增暖的间接证据雪盖和海、陆冰雪盖和陆冰的减少与温度升高正相关，卫星观测表明雪盖范围自1960年代末减少了10％。北半球海冰量减少显著（50年代以来,北半球春夏的海冰范围后退10－15%），但南半球海冰量无显著变化趋势。根据近地层资料,年平均江湖冰冻期缩短两个星期。无霜期延长了约两个星期海平面验潮站观测表明，20世纪海平面以每年1.0-2.0mm的速度升高。植被生长季北半球高纬度地区的植被生长季延长了1个星期以上。12/2/2023温室气体和温室效应温室气体：那些因特殊的分子结构，能够对红外辐射进行吸收的气体。温室效应：对到达地球表面的短波太阳辐射近乎无阻挡，但部分地吸收地球表面向外发射的长波辐射，并通过大气的再发射向地面传递能量，使地面温度上升。这一过程类似玻璃温室产生的作用，被称为温室效应。12/2/2023大气中的主要温室气体12/2/2023温室效应原理12/2/2023温室效应12/2/2023温室效应在全球能量平衡中的作用

自然过程控制下的温室效应使得地表平均温度提高了33°C。地球表面平均温度：15°C

月球表面平均温度：-18°C如果没有温室效应，生命就不可能存在。人类活动造成大气中温室气体的急剧增加，从而加强的温室效应，导致地球系统面临全球增暖的威胁。12/2/202318世纪以前的CO2变化范围19世纪到现在

CO2变化近半个世纪CO2的变化大气中的CO2含量在近200年时间里一直在上升12/2/2023观测到的全球充分混合的温室气体含量CO2

：大气中CO2浓度从1750年的280ppm增加到1999年的367ppm，增加了31%，尚未超过过去42万年和似乎过去2000万年的变化范围。本世纪的大气中CO2浓度增长率是前所未有的，至少在过去2万年中未出现过。12/2/2023CH4自1750年以来，大气中CH4浓度增长了150%，现在的浓度达到过去42万年以来最高值。12/2/2023N2O

自1750年以来，大气中N2O浓度以稳定增长了16%，达到46ppb。

N2O是一种重要的大气辐射活性成分。其单个分子的辐射效应远大于CH4和CO2。12/2/2023大气中的含卤成分氯氟烃（CFCs)：大气中一系列含有C、Cl及F原子的卤代烃的总称。它们常作为制冷剂、喷雾剂及溶剂广泛应用在工业生产中。可破坏平流层的O3；极强的温室效应，某些CFCs分子的温室效应强度超过CO2分子1万倍以上。对流层通常缺乏清除它们的有效化学机制（通常的氧化、光解离和干湿沉降等不起作用），所以其在大气中的化学寿命一般很长（CF4的寿命超过5万年），其影响时间很长。HCFCs和HFCs

：CFCs代用品的部分O3损耗潜能较小；由于它们的分子中含有一个或多个H原子，所以可通过与氢氧基的反应而被破坏，因而HCFCs的大气寿命较短（从几个月到几十年）；温室效应仍不可忽视。12/2/2023对流层和平流层中的O3

都是重要的温室气体。过去二十年平流层O3减少导致的平流层系统负辐射强迫量为0.15W/M2

。另外，据有限的观测和模拟估计，1750年以来对流层的O3含量增加了约35％，导致的全球平均辐射强迫增加0.35±0.2W/M2。一些气体只产生间接辐射强迫作用，包括NOx

、CO和各种有机物等。观测到的其它有辐射重要性的气体的变化12/2/2023温室气体产生的温室效应能否饱和刘玉芝、肖稳安、石广玉

利用最新版本的大气气体吸收光谱资料HITRAN2000，用精确的逐线积分算法，计算了大气CO2浓度加倍后产生的辐射强迫，研究了CO2温室效应的饱和度，以及饱和与非饱和的光谱范围。结论（1）在目前大气CO2含量下，CO2的15μm（660－670cm-1）带中心已达到 饱和；（2）CO2浓度变化对辐射强迫的贡献主要来自15μm带的两翼 （左510－650cm-1

；右690－840cm-1

）；（3）10μm带远远没有饱和。虽然其带强比15μm带的峰值强度要小6个 数量级以上，担它对总的辐射强迫仍有重要贡献。（4）其他的CO2吸收带贡献较小。12/2/2023气溶胶及其性质和分布气溶胶的主要气候作用

直接辐射强迫作用 间接辐射强迫作用12/2/2023大气气溶胶（aerosols）迄今为止没有统一的定义，普遍采用的定义：指液体或固体微粒均匀地分散在气体中形成相对稳定悬浮体系。12/2/2023气溶胶的粒径：10-3－102μm气溶胶的物理化学性质具有高度的时空可变性。在大气中寿命只有几天到几周。其清除机制是干沉降（从大气中直接降落到地面）和湿沉降（在降水过程中与雨滴一起落到地面）。性质12/2/2023气溶胶的化学组成气溶胶的化学组成非常复杂，含有各种微量金属、无机氧化物、硫酸盐、硝酸盐和含氧有机化合物等。12/2/2023气溶胶随高度的分布半径<0.1μm的粒子，其数密度随离高度的增加而减少。（表明其来自地表）半径0.1－1μm的粒子，其数密度在对流层顶上部随离高度逐渐增加，并在15－20km附近出现极大值，形成平流层内的气溶胶层。这层气溶胶可能是火山喷发物气体在平流层中氧化成固体形成的，占大气气溶胶总量的百分之几。因其稳定存在，对大气气温有重要作用。12/2/2023气溶胶的直接辐射强迫对太阳辐射和红外辐射的吸收和散射总体而言，气溶胶产生显著的负的直接辐射强迫。与温室气体相比较，气溶胶的大气存留时间很短，不能简单 地认为对抵销温室效应具有长期意义。12/2/2023气溶胶的间接辐射强迫大气气溶胶可作为云的凝结核影响云滴谱进而影响云的反照率以及云的寿命和降水效率来改变地球气候。北美和亚洲一些最大的云量增长区位于硫酸盐气溶胶排放源的下风方向。欧洲、亚洲东部、南美和非洲工业区的上空常存在浓厚的霾。12/2/2023气溶胶辐射强迫定量化的主要困难大气存留时间短气溶胶的与辐射强迫相关的重要参数及其大的时空变率

粒径、相对湿度变化导致的粒径变化、复折射指数、粒子溶解性……粒径(μm)0.1110100沉降速度(cm.s-1)4x10-64x10-53x10-13x101在受到的阻力和重力作用达到平衡时的沉降速度12/2/2023大气臭氧及其气候、环境和生态作用大气臭氧的分布、变化规律和臭氧洞平流层臭氧的控制因素和臭氧洞的形成原因臭氧洞12/2/2023臭氧的形成12/2/20231930年美国查普曼（Chapman）因发现臭氧形成的化学理论而获诺贝尔奖。O2+hv(<240nm)=O+OO2+O=O32O3+hv=3O2实际上，除了查普曼的臭氧去除机制外，更重要的途径是催化反应机制：Y+O3=YO+O2YO+O=Y+O2其净结果是：O3+O=2O2其中Y主要指平流层中的三类物质，即奇氮（NO，NO2）、奇氢（OH，HO2）和奇氯（Cl，ClO)。物质Y破坏了一个臭氧分子，但Y本身并没有被消耗，可以继续破坏下一个臭氧分子。12/2/2023臭氧的气候、环境和生态作用平流层臭氧 吸收紫外辐射，保护地面生物和人类 加热平流层大气的主要热源对流层臭氧 吸收红外辐射，是一种温室气体作为化学活性气体，对许多大气污染物的转化起重要作用12/2/2023对人体健康的影响：高浓度臭氧对人的呼吸系统的破坏。UV-B的增加引发眼部疾病、皮肤癌和传染性疾病。对陆生植物的影响：矮化、农产品质量下降、死亡对水生生态系统的影响：影响浮游植物的分布（通常在高纬度地区密度较大）等。对生物化学循环的影响：降低光合作用、促进有机物分解、促进水中溶解有机质的降解等。对对流层大气组成及空气质量影响：UV-B增加对流层O3和其它氧化剂如H2O2的生成，使一些城市地区的O3超标。而这些氧化剂对人体健康、动植物不利。12/2/2023臭氧的垂直分布12/2/2023南极臭氧洞臭氧洞的含义臭氧的柱浓度小于200DU，即臭氧浓度较臭氧洞发生前减少超过30%的区域12/2/2023

两个时间段臭氧含量偏离平均值,但在9、10、11月更明显。目前，这种趋势在加强。总之，臭氧总量不断减少！-10南极臭氧空洞12/2/2023NASAHistoricalImagingOfTheOzoneHole'sRapidGrowth

TotalOzoneMappingSpectrometer(TOMS)

October141980-2000

南极臭氧洞的年际变化趋势12/2/2023北极地区臭氧的变化Scientistshavenotyetobserved,onanannualbasis,assevereathinningoftheprotectiveozonelayerintheatmosphereovertheArctic.TheozonelayershieldslifeonEarthfromharmfulultravioletradiation.AnorthernozoneholecouldbesignificantsincemorepeopleliveinArcticregionsthanneartheSouthPole.UnliketheAntarcticwhereitiscoldeverywinter,thewinterintheArcticstratosphereishighlyvariable.NASAsatelliteandairborneobservationsshowthatsignificantArcticozonelossoccursonlyfollowingverycoldwinters.12/2/2023中纬度和热带地区臭氧的变化由于火山活动的影响，南北纬20º－60º之间地区的大气臭氧总量存在少量的减少；未发现20ºN－20ºS之间地区的大气臭氧总量发生变化。“青藏高原臭氧低谷”12/2/2023人类活动的影响CFCs和氮氧化物等臭氧层消耗物质的作用TheverythingthatmakesOzonegoodforfilteringUVradiationmakesiteasilydestroyed:itisveryunstable12/2/2023CFCs等破坏臭氧层的光化学过程（在实验室经过大量实验证明）12/2/2023CFCs等臭氧层消耗物质的源进入平流层的臭氧层消耗物质的绝大多数来自人类活动。大气的运动和化学物质在大气中的混合，使CFCs等臭氧层消耗物质进入平流层。12/2/2023虽然这些物质的排放有呈减小趋势，但由于氟里昂和含溴化合物哈龙性质较稳定，大气中缺乏其有效的清除机制，因而其对臭氧的破坏将是长期的。一个氯原子自由基可破坏几万个臭氧分子，一个溴原子自由基其破坏能力是氯的30-60倍。且两者间还存在协同作用，同时存在时，破坏臭氧的能力大于二者简单的加和。12/2/2023

实际上，上述催化反应并不能解释南极臭氧洞形成的全部过程。

CFCs和哈龙进入平流层后，通常是以化学惰性形态存在，并无原子态的活性氯和溴释放。南极冬天极低温度造成的两种重要过程却起了重要作用。极地涡旋：极地空气受冷下沉，形成一个强烈的西向环流，使南极空气与大气的其余部分隔离，从而使涡旋内部的大气成为一个巨大的反应器。12/2/2023太阳活动和火山活动对平流层臭氧变化长期趋势的影响迄今为止，没有证据表面，太阳活动和火山活动等自然强迫力对平流层臭氧变化的长期趋势产生显著影响。12/2/2023温度变化在过去100多年来，全球平均温度上升了0.3-0.6C。增温在时间上和空间上都不均匀。时间上，20世纪前40年和最近20年两个时段增暖最明显；在季节上冬季和春季增暖最多，夏季变暖不明显；在日变化上，夜间变暖大于日间，日较差减小。在空间上，中高纬度陆地地区升温幅度较大，南半球升温比北半球明显。20世纪60年代以来对流层中下层升温而对流层上部和平流层却变冷。1.2温度和降水变化12/2/2023总体变化了0.6℃总体变化了0.6℃，表现更明显总体变化了0.6℃陆地比海洋变化大，陆地温度变化达到１℃。温度变化具体数据12/2/20231850年～2006年间12个最暖的年份

199119951997199819992000200120022003200420052006资料来源：IPCC第四次科学评估报告12/2/2023现有的分析没有发现全球性的降水量变化趋势。但在北半球中高纬度陆地地区，降水量在过去100年里一般明显地增加了。在北半球，高纬地区大部分陆地区域每10年降水增加0.5-1.0%；10-30°N的大部分陆地区域降雨量每10年减少了0.3%；10°N-10°S的热带地区降雨量每10年增加0.2-0.3%。与北半球相反，南半球不同纬度没有检测出类似的系统性降水变化。研究表明，1951年~1989年中国年平均降水量存在弱的减少趋势，但区域性差异明显，降水减少最严重的是华北，其次是长江中下游、华东和西南地区。进入20世纪90年代，降水明显增多，但主要集中在长江中下游、华南和东北部分地区。降水变化12/2/20231.3气候变化的自然原因分析气候系统内、外自然强迫因子主要包括：太阳辐射火山喷发厄尔尼诺与南方涛动（ENSO）等12/2/2023太阳辐射太阳活动表现出太阳辐射变化，太阳黑子是太阳活动的重要表现形式。根据重建的过去太阳辐射资料，20世纪的全球增暖可能有三分之一到一半是由太阳辐射增加引起的。有学者研究指出，北美大平原上最近的几个干旱期的中值年份与太阳黑子最小值时间有很好的对应关系。总之，太阳辐射对气候的变化有很大的贡献。12/2/2023Δ14C(‰)Tem.(ºC)Calendarage(AD)1利用石笋重建最近2600年夏季温度与树轮碳14对比(粗线为10次多项式拟合)树轮碳14的衰减同与太阳活动相联系的宇宙射线强度有关12/2/2023根据Lamb的研究，17世纪以来英国历史上最阴冷的夏天都发生在火山尘埃影响的年份。1815年，印尼坦博腊火山爆发深刻影响全球气候。北半球17世纪以及整个“小冰期”的降温。火山喷发12/2/20231963年，欧亚及北美大陆中高纬度地区极端寒冷天气记录。1972年，非洲萨赫勒地区、印度、我国华北地区、以及澳大利亚的干旱，苏联草原地带少雨，秘鲁大洪水。1983年，南美多处严重洪水，澳大利亚等地干旱。1997年，印尼及新几内亚森林大火。厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）12/2/20231.4海平面变化观测手段：利用验潮站记录精度很高，但只是验潮仪记录点的相对海面变化。12/2/2023海平面上升尽管不同研究人员的结果有所不同，近百年海平面上升却是不容置疑的事实：自上世纪末以来、海面上升约10~15cm12/2/2023全球温度的上升，必然一些冰川的消融及其海洋表层温度的升高！如图：全球平均温度增暖现象与全球海平面升高具体相关性。全球变暖与海平面：12/2/202312/2/2023原因分析一般认为气候变化是最主要的原因。但也有观点提出包括：地壳升降运动、地极位置的变化、冰川退缩和海洋环流变化……Barnett(1983)12/2/2023气候变化气候变化主要由于大气温室气体浓度上升所导致的，对整个地球气候系统产生了深刻影响，主要包括全球变暖、降水图式变化，并进一步导致全球海平面升高、陆地和海洋生态系统受到干扰等，从而扰乱整个地球系统的平衡！12/2/20232.1森林生态系统的变化2.2生物多样性的变化2.3荒漠化第二节生态系统的变化12/2/2023

全球森林减少状况。目前，全球森林面积约占陆地总面积的32％。2.1森林生态系统的变化12/2/20231990-2000年每年减少9.4万km2（砍伐14.6万km2

，新增5.2万km2

），目前全球森林覆盖率仅30%。热带雨林破坏最严重：非洲每年1.3万km2

，亚洲1.8万km2

，中南美洲4.2万km2

。20世纪100年间，热带雨林面积减少了1/5。热带稀树草原：仅非洲2.3万km2

。森林破坏12/2/2023正在消失中的绿色宝库森林生态系统的变化12/2/2023森林的破坏12/2/2023森林破坏原因：A、林木砍伐：发达国家开始利用热带雨林时间仅30年，欧洲进入非洲，美国进入南美洲，日本进入东南亚寻求森林资源。此间发达国家热带木材进口量增长了十几倍。B、森林转换为耕地：热带森林采伐约一半是烧荒造田。C、森林转换为牧场：特别在亚马逊河流域，养牛场。D、作为薪材：世界一半人口炊事用薪材，特别是落后国家和地区。12/2/2023Globalforestcanopydensityandcover12/2/2023

生物多样性的变化作为全球森林面积减少必然相联系一个全球性问题：植物和动物的灭绝和趋于消失。2.2生物多样性的变化12/2/2023生物多样性锐减生物多样性(biodiversity)：指地球上生存的所有生物的纷繁多样性，它们的遗传、变异及生境、生态系统的复杂性。包括：基因库多样性、物种多样性和生态系统多样性。物种多样性是生物多样性的核心。生物多样性是维护自然生态平衡和人类生存和发展必不可少的生态基础。12/2/2023生物多样性降低表现在：A、栖息地改变和破坏：意味着生态系统多样性、物种多样性和遗传多样性的同时丢失。热带森林、温带森林和大平原及沿海湿地大规模地转变成农业用地、城市、房屋等。同时，亦有许多栖息地受人类干扰破坏而变得支离破碎，不利于原有物种的生存。B、物种多样性锐减：物种的人为灭绝速率远大于自然灭绝速率。物种灭绝：指某一物种在整个地球上丢失。物种消失：一个物种在其大部分分布区内丢失，但在个别分布区内仍有存活。12/2/2023物种自然灭绝：生物间的竞争、疾病、捕食等长期变化；随机灾难性环境事件。物种人为灭绝：自古有之，如“更新世滥杀”。工业化以来物种灭绝速率加快。地球上每天100种生物灭绝，21世纪初可能消失的物种为100万种。地球30-70%的植物今后100年内不复存在，20世纪末处于灭绝的哺乳动物406种，鸟类593种，爬行动物209种，鱼类242种。12/2/20231800年之后，两类动物灭绝的数量明显增加！生物灭绝(资料来源：全球变化.张兰生等编著.高等教育出版社.249)12/2/2023生物多样性减少原因与全球变化有关的、引起生物多样性减少的主要原因包括：由于森林砍伐引起的生境片段化和栖息地的丧失，由于全球变暖引起的生物物候期和分布范围的变化、传染性疾病的发生、大气氮沉降和施肥等。

--陈宣瑜院士/html/Dir/2007