《海洋科學(xué)導(dǎo)論》第十一章 海洋-大氣相互作用-氣候

1、第十一章 海洋-大氣相互作用-氣候海洋-氣候的調(diào)節(jié)器1D.Zhao,OUC天氣與氣候天氣是一定時(shí)間和空間內(nèi)的大氣狀態(tài)氣候是長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)氣象要素（溫度、濕度、氣壓等）和天氣現(xiàn)象的平均狀態(tài)氣候的時(shí)間尺度為月、季、年、數(shù)年到數(shù)百年以上2D.Zhao,OUC氣候系統(tǒng)氣候系統(tǒng)的提出是氣候?qū)W研究發(fā)展的重要標(biāo)志氣候系統(tǒng)由5部分組成，分別為大氣圈、水圈（海洋）、冰雪圈、巖石圈和生物圈3D.Zhao,OUC氣候系統(tǒng)的性質(zhì)各子系統(tǒng)是開放的非孤立系統(tǒng)。 從各子系統(tǒng)保持相對(duì)獨(dú)立，能量交換保持開放狀態(tài)物理過程包括穿越邊界的能量、動(dòng)量和物質(zhì)輸送各子系統(tǒng)內(nèi)部是非均勻的熱力學(xué)-動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)?？梢杂没瘜W(xué)組成，熱力學(xué)及力學(xué)狀態(tài)加以描述

2、。不同物理量的時(shí)間和空間尺度在不同子系統(tǒng)之間變化很大，甚至在同一個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)變化也很大大氣邊界層：時(shí)間尺度從幾分鐘到數(shù)小時(shí)自由大氣：時(shí)間尺度由數(shù)周到幾個(gè)月海洋上混合層：數(shù)周到幾年深層水：從幾十年到幾千年海冰：幾周到幾十年內(nèi)陸水和植被：幾個(gè)月到幾百年冰川：百年量級(jí)冰原：幾千年以上地殼變動(dòng)：千萬(wàn)年量級(jí)4D.Zhao,OUC氣候系統(tǒng)的性質(zhì)氣候系統(tǒng)主要由兩個(gè)外強(qiáng)迫所控制：重力和太陽(yáng)輻射全球海洋吸收的太陽(yáng)輻射約占進(jìn)入大氣頂?shù)目偺?yáng)輻射量的70%海洋巨大的熱容量使氣溫變化減小5D.Zhao,OUC海洋在氣候系統(tǒng)中的作用從整體平均來(lái)看，熱帶地區(qū)得到熱量，而極地地區(qū)失去熱量熱帶地區(qū)為氣候系統(tǒng)提供了基本原動(dòng)力，是

3、臺(tái)風(fēng)的源地6D.Zhao,OUC海洋在氣候系統(tǒng)中的作用海洋貯存的能量將以潛熱、感熱交換和長(zhǎng)波輻射的形式輸送給大氣，驅(qū)動(dòng)大氣運(yùn)動(dòng)全球平均有近70%的經(jīng)向能量輸送由大氣完成，30%由海洋來(lái)承擔(dān)在0-30低緯度區(qū)域，海洋輸送的熱量超過大氣（西邊界流）在30以上區(qū)域，大氣輸送的熱量超過海洋50附近，海洋將熱量輸送給大氣，大氣環(huán)流輸送到高緯7D.Zhao,OUC海洋與大氣相互作用的基本特征海洋-大氣相互作用：海洋主要通過向大氣輸送熱量來(lái)影響大氣運(yùn)動(dòng)，大氣主要通過風(fēng)應(yīng)力向海洋提供動(dòng)量 海洋對(duì)大氣的熱力作用：熱帶海洋是最重要的熱量源地，海洋熱狀況的改變對(duì)大氣環(huán)流和氣侯有重要影響：如厄爾尼諾、西太平洋暖池 提

4、供熱量方式有潛熱和感熱兩種，主要是潛熱，要求水汽輻合上升，即相應(yīng)的大氣環(huán)流條件。8D.Zhao,OUC海洋與大氣相互作用的基本特征大氣對(duì)海洋的風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫：大洋環(huán)流與風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫有密切關(guān)系，北半球的大洋環(huán)流為順時(shí)針方向，南半球?yàn)榉磿r(shí)針方向9D.Zhao,OUC海洋在氣候系統(tǒng)中的作用大氣中水汽量的86%由海洋提供。尤其低緯度海洋，是大氣水汽的主要源地。10D.Zhao,OUC風(fēng)速風(fēng)向傳感器GPS氣壓傳感器溫濕傳感器自動(dòng)氣象站超聲風(fēng)速儀紅外水汽CO2分析儀紅外溫度傳感器溫濕傳感器通量觀測(cè)站海-氣界面動(dòng)量、熱量和氣體通量的觀測(cè)D.Zhao,OUC11海洋在氣候系統(tǒng)中的作用海洋是地球大氣系統(tǒng)中CO2的最大

5、的匯，可吸收化石燃料排放到大氣中CO2 的20-30%海洋通過吸收溫室氣體極大地減緩了地球變暖12D.Zhao,OUC大氣中的二氧化碳濃度逐年增加夏威夷島南極洲13D.Zhao,OUC海洋-大氣之間的氣體交換氣體通量等于氣體交換速率kL、CO2溶解度s和其分壓差的乘積14Net air-sea CO2 flux based on interpolation of air-sea pCO2 differences (Takahashi et al., 2002)D.Zhao,OUC地球的溫室效應(yīng)：Greenhouse effect15D.Zhao,OUC地球的溫室效應(yīng)：Greenhouse ef

6、fect16已經(jīng)證明，累積在大氣中的二氧化碳增加會(huì)導(dǎo)致地球表面溫度上升如何測(cè)量二氧化碳水平還存在困難，使得氣候模型的預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確當(dāng)?shù)厍蜃兣椛涞教盏哪芰吭黾?，這是一個(gè)負(fù)反饋過程變暖使蒸發(fā)加劇，大氣中增加的水汽會(huì)俘獲更多的熱量，這是一個(gè)正反饋過程地球氣候變化就是失去和得到能量?jī)蓚€(gè)過程的平衡問題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全球變暖與海平面上升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全球變暖與海平面上升研究指出，

8、如果海平面上升1.83m,會(huì)使美國(guó)本土1300多萬(wàn)人受洪水等自然災(zāi)害的影響，即使0.91m,也會(huì)有超過420萬(wàn)人受影響 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.氣候變化對(duì)南亞的影響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圖中 PRCPTOT為 年 降水總量; Rx1day為 年最大日降水量最新研究表明，氣候變化已經(jīng)開始導(dǎo)致全球大部分地區(qū)極端降水增加，即使在干旱地區(qū)也是如此D.Zhao,OUC2000年以來(lái)的氣候變暖停滯Warming hiatus推測(cè)原因：（1）中東熱帶太平洋變冷； （2）低緯度火山爆發(fā)引起的氣溶膠強(qiáng)迫； （3）北大西洋次表層變暖26D.Zhao,OUC氣候變暖停滯??？2014年全球平均氣溫為14.6攝氏度，比1961至1990年的平

12、均值高出0.6攝氏度，也比歷史上最暖的2005年和2010年高出約0.04攝氏度2014年成為自1880年有記錄以來(lái)最暖的一年2015年的全球平均氣溫比1951至1980年的均值高出0.87攝氏度，比1901至2000年均值高出0.9攝氏度，比2014年高出0.16攝氏度（NOAA）或0.13攝氏度（NASA）！2015年也是局部最寒冷的一年（2016年1月）27D.Zhao,OUC2015年是有記錄以來(lái)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氣候變暖停滯?。縄t 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氣候“翻轉(zhuǎn)事件”30持續(xù)碳排放有可能觸發(fā)5個(gè)方面的氣候“翻轉(zhuǎn)事件”：（1）大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流異常（2）格陵蘭島冰蓋融化（3）南極西部冰原崩塌（4）亞馬孫雨林生長(zhǎng)受影響（5

15、）厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生的頻率改變未來(lái)這5個(gè)“翻轉(zhuǎn)事件”一旦觸發(fā)，將讓當(dāng)前的“碳排放社會(huì)成本”增加近8倍，從目前每排放1噸二氧化碳帶來(lái)的15美元成本升至每噸116美元Cai et al., 2016D.Zhao,OUC2008年CO2排放世界地圖中國(guó)排碳量世界第一！31D.Zhao,OUC32大氣中的二氧化碳對(duì)策海洋中加硫酸鐵促進(jìn)植物生長(zhǎng)，讓藍(lán)色的海洋變成綠色海洋？將二氧化碳深埋地球巖石中？控制減少排放量正在變干的鹽塘（法國(guó)）D.Zhao,OUC海洋鐵假設(shè)“給我半貨輪的鐵，我給你一個(gè)冰川時(shí)代” John Martin.2008年7月 青島近海濱33D.Zhao,OUC海洋酸化問題珊瑚礁生長(zhǎng)的海域水溫

16、必須高于20，適宜溫度為年平均值25左右 ，對(duì)環(huán)境污染比較敏感34D.Zhao,OUC京都議定書目標(biāo)：歐盟和37個(gè)工業(yè)化國(guó)家，在2008-2012間，相對(duì)1990年的排放水平，將溫室氣體的排放量降低5.2% 具體目標(biāo)： 歐盟降低8%，美國(guó)7%，日本6%，俄羅斯0% 澳大利亞增加8%，愛爾蘭增加10%1997年12月1日簽署 2005年2月16日生效 2012年結(jié)束35D.Zhao,OUC世界氣候變化大會(huì)印尼巴厘島路線圖(2007,12.3-17) 丹麥哥本哈根協(xié)定 (2009,12.7-18) 墨西哥坎昆氣候大會(huì)（2010,11.29-12.10） 南非德班氣候大會(huì)（2011,11.28-12

17、.11） 同意為應(yīng)對(duì)氣候變化達(dá)成一項(xiàng)國(guó)際減排協(xié)議實(shí)施京都議定書第二承諾期啟動(dòng)綠色氣候基金。 確定與工業(yè)化前相比，2050年前的氣候變暖不超過 20C發(fā)達(dá)國(guó)家在2012年前提供300億美元的“綠色氣候基金”，2012-2020年，每年提供1000億美元 36D.Zhao,OUC2014年11月中美達(dá)成減排協(xié)議中美氣候變化聯(lián)合聲明目標(biāo)：美國(guó)計(jì)劃于2025年實(shí)現(xiàn)在2005年基礎(chǔ)上減排26%28%的全經(jīng)濟(jì)范圍減排目標(biāo)并將努力減排28%。中國(guó)計(jì)劃2030年左右二氧化碳排放達(dá)到峰值且將努力早日達(dá)峰，并計(jì)劃到2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重提高到20%左右。37D.Zhao,OUC2015年巴黎氣候大

18、會(huì)2015年12月12日，195個(gè)締約方在巴黎達(dá)成了新的全球氣候協(xié)議巴黎協(xié)定，標(biāo)志著哥本哈根會(huì)議之后“減排裸奔時(shí)代”的終結(jié)。協(xié)議共29條，包括目標(biāo)、減緩、適應(yīng)、損失損害、資金、技術(shù)、能力建設(shè)、透明度、全球盤點(diǎn)等內(nèi)容。目標(biāo)：把全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高控制在2C之內(nèi)，并為把升溫控制在1.5C之內(nèi)而努力。巴黎協(xié)定確定，為解決各國(guó)“自主貢獻(xiàn)”力度不足難以實(shí)現(xiàn)控溫目標(biāo)的問題，從2023年開始，每5年將對(duì)全球行動(dòng)總體進(jìn)展進(jìn)行一次盤點(diǎn)。38D.Zhao,OUC39中國(guó)對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)2016年，北京大學(xué)李本綱研究組首次全面評(píng)估了中國(guó)對(duì)全球氣候變化的貢獻(xiàn)及其時(shí)間變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)中國(guó)排放對(duì)全球正輻射強(qiáng)迫（致暖效應(yīng)）的貢獻(xiàn)為12%2%（主要是CO2、CH4等溫室氣體和黑炭），對(duì)全球負(fù)輻射強(qiáng)迫（制冷效應(yīng)）的貢獻(xiàn)為15%6%（主要是SO4、NOx、POM等氣溶膠組分）。其中貢獻(xiàn)最大的依次為化石燃料燃燒排放的CO2、CH4、硫酸鹽和碳黑。中國(guó)正在實(shí)施的空氣質(zhì)量控制措施會(huì)減少大氣氣溶膠的排放，將降低負(fù)輻射強(qiáng)迫，可能增加中國(guó)排放對(duì)全球氣候變化的貢獻(xiàn)比例。D.Zhao,OUCLi et al., 2016, Nature吳立新院士發(fā)現(xiàn)了20世紀(jì)全球大洋副熱帶西邊界流區(qū)“熱斑”現(xiàn)象，系統(tǒng)闡述了副熱帶環(huán)流在太平洋氣候年代際及長(zhǎng)期變化中的作用機(jī)理；提出了利用Argo浮標(biāo)