第9章氣候變化

1第九章氣候變化第一節(jié)氣候變化的概念第二節(jié)氣候變化史實第三節(jié)氣候變化的影響因素第四節(jié)氣候變化研究方法2第一節(jié)9.1.1氣候變化概念1氣候變化與氣候異常：由各種要素（氣溫、降水、氣壓等）所表征的氣候狀態(tài)相對于某一氣候標準態(tài)的偏差或同類氣候狀態(tài)間的變化稱為氣候變化；當這種偏差（變化）超過一定程度稱為氣候異常。氣候（標準態(tài)）：在太陽輻射和氣候系統(tǒng)各子系統(tǒng)相互作用下，地球上某一區(qū)域在某一特定時段內(nèi)天氣的多年平均狀況及其極端情形。32氣候狀態(tài)：地球上某一區(qū)域在某一特定時段內(nèi)天氣的某一年份或指定年份平均狀況。3氣候變率：大量同類氣候狀態(tài)間的方差，也經(jīng)常用來專指年際及年代際的氣候變化?；蛘撸簳r間尺度大于天氣尺度的氣候變量圍繞平均值的變化。氣候變化包含氣候變率4世界1月海平面氣溫（攝氏度）的分布5溫度距平（℃）年公元1856－2003年全球地表溫度變化（相對于1961－1990年30年氣候平均）(updatedfromJonesetal.,2003)1860-2000年全球地表溫度上升0.4－0.8℃(平均0.6℃)；近百年間17個最暖年份出現(xiàn)在1983年以后。20世紀以來，1998年最暖，2002年和2003年分別為第二和第三暖年。61980-1999與1950-1969年均SST差值場（年代際變化）74氣候趨勢：氣候的長期變化傾向，即在記錄時期(特定時期）具有單調(diào)地上升或下降特點的氣候變化（線性和非線性趨勢）8奇異譜分析（SSA）對全球平均地面氣溫序列的趨勢擬合9樣條插值函數(shù)對全球平均地面氣溫的趨勢擬合105

氣候波動（振蕩）：氣候狀態(tài)圍繞氣候平均態(tài)的波動式變化，表現(xiàn)為準周期性振蕩特征，有年際、年代際等時間尺度.1880-1996年中國東部35站的年降水量距平（以1961-1990年為基準期）（王紹武，1998）11全球平均氣溫的功率譜分析波數(shù)6（5年周期）波數(shù)17（22.5月周期）12準5年周期振蕩準2年周期振蕩全球平均氣溫SSA的重建分量序列13影響華北汛期降水登陸臺風頻數(shù)小波變換周期（年）146氣候突變：從一種氣候狀態(tài)（或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢或氣候波動）跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種氣候狀態(tài)（或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢或氣候波動）的現(xiàn)象。臺風頻數(shù)在1976-77年發(fā)生了突變（均值）氣候趨勢15氣候變化氣候波動：年際、年代際等尺度波動氣候突變隨機變化16周期段時間尺度振幅（Co）大冰期與大間冰期幾百萬年-幾億年10亞冰期與亞間冰期十萬年8-9副冰期與副間冰期

一-幾萬年5-7寒冷期（小冰期）與溫暖期（小間冰期）幾百年-幾千年2世紀及世紀內(nèi)的氣候變動幾年-幾十年0.5各種周期氣候波動17變化的時間尺度

主要特征、形成原因資料來源、分析和研究方法地質(zhì)時期氣候變化

歷史時期氣候變化

現(xiàn)代氣候變化

氣候變化時期的劃分1.氣候變化的多時間尺度性①短期氣候變化（月，季，年）；②中期氣候變化，其時間尺度為幾年（年際變化）；③長期氣候變化，其時間尺度為幾十年（年代際變化）；④超長期氣候變化，其時間尺度為幾百年（世紀際變化）；⑤歷史時期氣候變化，其時間尺度為千年；⑥地質(zhì)期氣候變化，其時間尺度為萬年或更長。由于有氣候資料記載的時間不過幾百年，對于氣候變化研究也就主要集中在前四個時間尺度，尤其是前三個時間尺度的變化。但是，為了深入認識氣候演變規(guī)律，探索氣候變化的原因，歷史時期和地質(zhì)時期的氣候變化問題也是很值得研究的。9.1.2氣候變化的特征多時間尺度性階段性突變性

氣候變化的階段性同氣候變化的時間尺度是緊密聯(lián)系的，不同時間尺度的變化也就有不同的階段性。近千年來的氣候變化也有其階段性，在1300～1800年間的小冰期平均氣溫偏低，而在小冰期前后平均溫度卻相當高。在過去的50萬年的時間里，冰期和間冰期有交替出現(xiàn)的現(xiàn)象。2.氣候變化的階段性間冰期暖期千年20中國東部夏季降水均值突變：從一個氣候基本狀態(tài)（以某一平均值表示）向另一個氣候基本狀態(tài)的急劇變化。趨勢突變：兩個氣候階段有完全不同的變化趨勢，例如，某個氣候階段溫度一致持續(xù)下降，其后一個氣候階段的溫度一致持續(xù)上升。變率突變：變率突變包括兩種情況，其一是振幅有明顯差異的突變；其二是頻率有明顯差異的突變。3.氣候變化的突變性三類氣候突變示意圖(a)均值突變；(b)趨勢突變；(c)變率突變23第二節(jié)氣候變化史實一、地質(zhì)時期的氣候變化1定義：時間尺度在幾萬年以上的氣候變化.地質(zhì)年代：代→紀→世世：時間尺度萬年以上24地質(zhì)年代氣候概況代紀世紀持續(xù)時間（百萬年）紀開始年齡（百萬年BP）新生代第四紀全新世22大冰期更新世大間冰期第三紀上新世6466中新世漸新世始新世古新世中生代白堊紀66132侏羅紀53185三疊紀50235古生代二疊紀45280大冰期石炭紀65345泥盆紀55400大間冰期志留紀35435奧陶紀55490寒武紀80570元古代震旦紀30600大冰期太古代2526以溫暖為主，大冰期和大間冰期交替出現(xiàn)。變溫幅度平均約為10度三次大冰期二次大間冰期成煤紀2特點：大冰期與大間冰期旋回

1）三大冰期（1）震旦紀大冰期發(fā)生時間：在早古生代，距今約6億年前。主要特點：這次冰期的影響范圍幾乎遍及世界五大洲，我國長江中下游地區(qū)都有震旦紀冰磧層。（呂梁運動）28（2）石碳—二疊紀大冰期發(fā)生時間：距今2.5~3億年氣候特點：冰期氣候影響的主要在南半球；在北半球(除印度外)到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)屬于這次冰期的可靠遺跡。（3）第四紀大冰期發(fā)生時間：距今240萬年前開始直到現(xiàn)在；主要特征：存在亞冰期與亞間冰期的冷暖反復(fù)交替。29第四紀大冰期中的亞冰期距今年數(shù)（萬年）歐洲的亞冰期中國的亞冰期10武木亞冰期大理亞冰期20里斯-武木間冰期30里斯亞冰期廬山亞冰期40-60民德-里斯間冰期70民德亞冰期大姑亞冰期80-90群智-民德間冰期100-110群智亞冰期鄱陽湖亞冰期120-130多腦-群智間冰期140-160多腦亞冰期30據(jù)研究，在距今2.1萬年前為第四紀冰川最盛時期，溫度比現(xiàn)在低8-12度，一直到1.65萬年前，冰川開始融化，大約在1萬年前大理亞冰期（歐洲武木亞冰期）消退，此后氣候逐漸回暖。31近40萬年以來的氣候變化

副冰期-副間冰期旋回南極東方站（Vostok）冰芯反演得到的氣溫、CO2、CH4的變化末次冰期冰盛期（LastGlacialMaximum:LGM)~21kaBP末次冰期（1.8萬年BP）中氣候最冷、冰川規(guī)模最大時段全球降溫5-10C，降水普遍減少，冷干氣候特征末次間冰期最暖時期（12萬年BP）322）二大間冰期（1）寒武紀—石炭紀大間冰期發(fā)生時間：距今約3—6億年。基本特征：雪線升高，冰川后退，氣候顯著變暖?！考o’在地質(zhì)史上又稱為‘成煤紀’。我國都處于熱帶氣候。33（2）三疊紀一第三紀大間冰期發(fā)生時間：距今約2.5億年-200萬年，包括三疊紀、侏羅紀、白堊紀和新生代的第三紀。主要特征：三疊紀時氣候炎熱而干燥，其后侏羅紀的氣候由干熱轉(zhuǎn)為濕熱，有利于植物生長，造成繼石炭紀之后的第二個成煤時期。34二、歷史時期的氣候變化1定義:從第四紀大冰期中的武木（大理）亞冰期的最近一次副冰期之后的1萬年至有器測資料的“冰后期”氣候。從地質(zhì)年代來看，該時期也稱為全新世氣候。2資料來源：冰芯、樹木年輪、黃土、湖泊沉積、歷史文獻等3特點：溫暖期與寒冷期交替出現(xiàn)354主要氣候事件末次冰期冰盛期（LastGlacialMaximum:LGM)~21kaBP新仙女木事件（YoungerDryas:YD）~12.2-10.5kaBP全新世大暖期（MegathermalinHolocene）~8.5-3.0kaBP中世紀暖期(MedievalWarmPeriod)~AD900-1300

小冰期(LittleIceAge)~AD1320-192036新仙女木事件（YD）12.2-10.5kaBP全球冰川消退、氣候回暖過程中發(fā)生的氣候突變事件，YD結(jié)束后即進入溫暖濕潤的全新世全新世大暖期8.5-3.0kaBP間冰期中最暖階段，該階段時限較寬，包含一些氣候波動。總體上暖于現(xiàn)代，降水多于現(xiàn)代全新世千年尺度氣候波動與氣候事件全新世存在千年尺度氣候波動平均周期1.45ka

。11kaBP以來有9個寒冷期，最近一次為小冰期.大暖期（8.5-3.0kaBP）8.2kaBP冷事件中世紀暖期(AD900-1300)小冰期（AD1320-1920）現(xiàn)代增暖（20世紀）近2萬年以來的氣候變化37一萬年來挪威雪線高度（實線）與五千年來我國溫度（虛線）變遷中國近五千年內(nèi)可以相對地分出四個溫暖期與四個寒冷期。

200018001600140012001300150017001900+4+3+2+1-10-2-3-4100005000400030002000100050005001000150016001700180019001950高度（m）溫度（℃）年代溫暖期溫暖期溫暖期溫暖期寒冷期寒冷期寒冷期寒冷期歷史時期的氣候變遷（近數(shù)千年的氣候史）38全新世暖期中國溫度較現(xiàn)代增加的幅度（單位:℃。施雅風等，1992）

oooooooooo12013012535451102350045700250750km100809039上圖：中國過去2000年（加權(quán)）溫度距平，分辨率：10年。粗線為3點滑動（Yangetal,2002）下圖：東部過去1200年的溫度距平，分辨率：50年。（據(jù)王紹武等，2000b）過去2000年中國東部溫度變化中世紀暖期小冰期40青海湖孢粉所顯示的近10ka氣溫（℃）、降水量（%）變化（王紹武等，2002a）全新世大暖期41三、近代氣候變化特征1

器測資料：最早有氣象觀測記錄地方佛羅倫薩（1652），倫敦（1668），巴黎（1752）2主要氣候變化現(xiàn)象1）全球增暖(GlobalWarming)

波動階段性上升不同區(qū)域增暖幅度不同，極區(qū)最顯著42過去140年來地球表面氣溫變化情況

IPCCTAR:0.6±0.2?C,0.58?C/100a43過去150年來地球表面氣溫變化情況

IPCCAR4:0.45±0.12?C,0.74?C/100a20世紀增暖主要發(fā)生在兩個階段：1915-19451975后44LSATSSTGMST45全球、南北半球溫度變化趨勢對比（CRU）（℃/10a）（IPCC，2007）1850~2005年1901~2005年1979~2005年全球0.042±0.0120.071±0.0170.163±0.046北半球0.047±0.0130.075±0.0230.234±0.070南半球0.038±0.0140.068±0.0170.092±0.038陸地0.054±0.0160.084±0.0210.268±0.069海洋0.038±0.0110.067±0.0150.133±0.047陸地溫度增暖速率比海洋快46全球溫度變化趨勢（℃/10a）（IPCCAR5）1901–2012：0.89°C(0.69°C–1.08°C)1951–2012：0.72°C(0.49°C–0.89°C)年平均氣溫的變化趨勢4748極區(qū)增溫更顯著49Johannessenetal.(2004)全球增暖的證據(jù)：北極海冰面積減少50全球增暖的證據(jù)：海平面上升515253中國年平均氣溫距平(1880-1999年)

(國家評估報告：0.2~0.8?C/100a)1998年是近百年最暖的1年，1990s是最暖的10年54中國年平均氣溫變化趨勢（%/10a）分布圖（1960—1999）55全球氣候變化的基本特征全球地質(zhì)時期氣候變化的時間尺度在22億年到1萬年以上，以大冰期和大間冰期的交替出現(xiàn)為特征，氣溫變化幅度在10°C以上歷史時期的氣候變化是近1萬年來，主要是近5000年來的氣候變化，變化的幅度最大不超過2-3°C近代的氣候變化主要是指近百年或20世紀以來的氣候變化，氣溫振幅在0.5-1.0°C之間。562）近百年全球降水變化1900-2005年全球陸地降水距平的時間序列（以1981-2000年GHCN為平均值）（IPCC，2007）無顯著趨勢變化5758近百年來，全球平均降水無顯著趨勢變化不同數(shù)據(jù)集趨勢間存在明顯差異，同時降水也有較大時空變率。北半球中緯度陸地降水很可能總體上呈增加趨勢。59603）近百年中國降水變化1880-1996年中國東部35站的年降水量距平（以1961-1990年為基準期）（王紹武，1998）根據(jù)史料和降水量觀測結(jié)合無明顯趨勢20-30年周期61（1）近百年降水量并無明顯趨勢。（2）降水量的變化存在20-30年的干濕期交替：旱期：19世紀末到20世紀初有強旱期

20世紀30年代

20世紀60-70年代豐水期：20世紀初期

20世紀50年代氣候變化與平均值或離差值變化的關(guān)系相對于1961–1990平均4）極端氣候的變化63極端溫度事件64極端溫度事件65極端降水事件66熱帶氣旋67氣候變化的影響因素

自然原因

銀河系變化、太陽演化、太陽活動地球軌道參數(shù)（軸傾、歲差、偏心率）大陸漂移、造山運動、火山活動海洋環(huán)流與海-冰-氣-陸相互作用人為原因溫室氣體、氣溶膠排放土地使用、熱帶雨林破壞城市化

……

時間尺度

不同時間尺度氣候變化、形成機制不同第三節(jié)68冰期-間冰期循環(huán)（萬年尺度）的形成機制米蘭科維奇理論(Milankovitch,1941)~冰期天文理論軌道參數(shù)的周期性變動由于天體間引力的影響，地球軌道偏心率、地軸傾斜度和歲差等地球軌道參數(shù)發(fā)生變化，使地球接收到的太陽輻射產(chǎn)生差異，從而引起數(shù)十萬年間的氣候變遷。69160萬年以來地球軌道參數(shù)變化地軸傾角（黃赤交角）4.1萬年周期歲差2.2萬年周期偏心率9.58萬年周期1）地球軌道偏心率描述地球繞太陽運動軌道的圓扁程度，值越大越扁，值越小越圓。軌道偏心率越小(越接近圓形)時，四季變化相對較不明顯，也不易有冰期的發(fā)生。反之，偏心率越接近1(但不等于)的軌道，四季明顯，也較易產(chǎn)生冰期。。每隔10萬年，地球公轉(zhuǎn)軌道的偏心率變化一個周期e=0e=0.57121.8~24.5，現(xiàn)在為23.44地軸傾斜度的影響表現(xiàn)在：角度越大，高緯度地區(qū)因接受輻射的時間差異較大，易形成冰期。地軸傾斜度增加：高緯度輻射量夏季增大，冬季減少，年較差增大，且年輻射量增加；赤道地區(qū)年輻射量減少。2）地軸傾斜度(黃赤交角的變化)723）歲差在遠日點時，若北半球傾向太陽冬天溫度將會相對較高；若因進動而導(dǎo)致南半球在遠日點時傾向太陽，北半球的冬天將較為酷寒。加上北半球陸地多，比熱小，溫度容易下降，而較容易形稱冰期。732火山活動1）火山活動的影響：增加大氣氣溶膠。使地面氣溫下降，火山活動的“陽傘效應(yīng)”。火山灰塵和硫酸氣溶膠進入到平流層下層，由于不會受到于水的沖刷，它能擴散到整個半球，低緯度的噴發(fā)能擴散到全球，并在中高緯保持最大濃度，最后在極冠落下。強烈反射和散射太陽輻射，削弱到達地面的直接輻射火山灰停留時間短（幾個月），硫酸氣溶膠可停留數(shù)年，可長時間對地面產(chǎn)生凈冷卻效應(yīng)。引起不同程度的全球氣候波動：全球性的氣溫降低、降水增加、直接輻射減弱、散射輻射增加等。2）火山活動呈現(xiàn)周期性變化（如高橋浩一郎（1986）指出：70年周期）7475Krakatoa26August1883ElChichón3April1982761）太陽活動的表征：太陽黑子。太陽黑子多，太陽活動強，太陽光斑增加，太陽輻射增加.2）太陽活動的周期性特征：11年（太陽活動周）、22年（海爾周期）、世紀尺度；3）太陽活動周期與氣候振動11年周期里，地球氣候表現(xiàn)單的和雙振動現(xiàn)象。如地球上雷暴頻數(shù)、大氣環(huán)流特征、氣溫等存在雙振動現(xiàn)象（5-6年周期）地球氣候表現(xiàn)出與太陽活動22年周期一致的海爾周期現(xiàn)象，如氣壓、氣溫、降水、阻塞高壓頻率、大氣活動中心位置等太陽活動世紀周期與氣候振動具有密切的聯(lián)系，環(huán)流強度、臺風頻數(shù)等3太陽活動774大陸漂移與氣候變化板塊漂移、地形變化改變著地球海陸分布的形態(tài)，對地球氣候的形成、演變具有重大影響78百年-千年尺度氣候變化的形成機制海-氣相互作用大西洋溫鹽環(huán)流（THC）變化79全球溫鹽環(huán)流回路80北大西洋溫鹽環(huán)流的變化導(dǎo)致千年尺度氣候變化冰期冰盛期現(xiàn)代81北大西洋溫鹽環(huán)流的減弱或停止導(dǎo)致冷的氣候突變事件海表溫度鹽度（新仙女木事件）82為何現(xiàn)代氣候增暖歸因于人類活動？

增強的溫室效應(yīng)機制數(shù)值模擬研究表明：單純的自然變率不足以導(dǎo)致工業(yè)化以來以全球增暖為主要特征的氣候變化氣候變化的人為原因83溫室氣體增加產(chǎn)生的氣候效應(yīng):

氣候變暖海平面升高對降水量及分布的影響對全球生態(tài)系統(tǒng)的影響84未來氣候變化的預(yù)估（Projection)溫室氣體的排放情景

(Scenario)不確定性（Uncertainty）氣候突變

(AbruptChange)858621世紀全球氣溫預(yù)估

（不同模式、不同排放情景，IPCCTAR）8788由于二氧化碳在大氣中能穩(wěn)定存在約200年，即使保持當前的排放水平，也無法在短時間內(nèi)使得二氧化碳濃度達到穩(wěn)定CO2釋放情景大氣中CO2濃度氣溫的響應(yīng)89LandareasareprojectedtowarmmorethantheoceanswiththegreatestwarmingathighlatitudesAnnualmeantemperaturechange,2071to2100relativeto1990:GlobalAveragein2085=3.1oC90全球變暖模擬的不確定性1）人類活動的不確定性：能源排放、人口增長、土地利用等方面的發(fā)展狀況；2）人類活動排放的微量氣體在輻射過程中的作用的復(fù)雜性；3）氣候模式的不確定性。91未來氣候突變的可能性美國國防部秘密報告：AnAbruptClimateChangeScenarioandItsImplicationforUnitedStatesNationalSecurity（氣候突變情景及其對美國國家安全的含義）電影：TheDayafterTomorrow

（后天）201221世紀某個時段北大西洋溫鹽環(huán)流減弱或崩潰？92全球增暖情景下模擬的大西洋溫鹽環(huán)流崩潰及其氣候后果93

全球變暖對人類與社會發(fā)展的影響1）農(nóng)業(yè)：產(chǎn)量、生長的積溫分布的可能變化、農(nóng)作物耕作制度；2）林業(yè)：植被（森林）分布3）地球生態(tài)系統(tǒng)4）水資源：水循環(huán)、降水、徑流；5）海洋和海岸帶：海平面、海洋環(huán)流、海洋生態(tài)系統(tǒng)；6）人類健康；7）工業(yè)、運輸?shù)?48）氣候影響的不確定性（1）未來社會與經(jīng)濟發(fā)展的不確定性；（2）未來氣候變化的不確定性；（3）氣候影響模式的不確定性；（4）氣候影響的局地性很強95

全球氣候變暖