講稿-第五章-氣候變化的原因教材課件

第五章氣候變化的原因

§1.5控制氣候變化的外部因子

第五章氣候變化的原因§1.5控制氣候變化的外部因1一、太陽活動與氣候變化1、

太陽活動（1）太陽黑子太陽是一顆熾熱的恒星，內部溫度高達1500萬k，表層溫度高達6600k。太陽也有著各種各樣的活動，最為人類所熟知的活動就是太陽黑子。太陽黑子是太陽光球上的暗黑斑點。當太陽光球表面溫度為6050k時，太陽中部溫度約為4240k，因溫度較低，故看起來時太陽表面上的一個黑點。太陽黑子的變化有11年的準周期，它是代表太陽活動強弱的最主要的現(xiàn)象。人們常利用太陽黑子的多少、周期長度等指標，來研究太陽活動與地球全球變化之間的關系。一、太陽活動與氣候變化1、

太陽活動21、

太陽活動（2）太陽活動還有其它一些現(xiàn)象，如光斑、譜斑、耀斑、日珥、射電輻射等。這些現(xiàn)象一般研究較少。1、

太陽活動（2）太陽活動還有其它一些現(xiàn)象，如光斑、譜斑3（3）太陽活動與氣候變化①

11年周期（短期影響）前面介紹太陽活動時提到，太陽活動有準11年的周期，但世紀這個周期并不是固定不變的，其變化最小可小于8年，最長也可達16年。也就是太陽活動周期為8－16年，這一重要周期，在地球氣候變化中到目前為止沒有發(fā)現(xiàn)明顯的和可靠穩(wěn)定的對應變化周期。也就是說地球氣候變化沒有11年周期現(xiàn)象。（3）太陽活動與氣候變化①

11年周期（短期影響）4（3）太陽活動與氣候變化關于太陽11年周期活動對氣候的影響，有多少支持就有多少人反對。關于這一問題的研究已經進行了許多年，到目前為止也沒有一個定論。值得注意的是最近一些年，人們不在直接利用太陽黑子數(shù)等來研究太陽活動與氣候變化的關系，而是定義了一個新的量：叫作太陽活動周期長度（SCL）。利用這樣一個物理量，蘭高所馮松研究了近2500年來SCL與氣溫的關系，發(fā)現(xiàn)SCL與氣溫之間有很好的相關關系，但這一關系卻無法給出其機制解釋。（3）太陽活動與氣候變化關于太陽11年周期活動對氣候的影響，5（3）太陽活動與氣候變化②

長期變化的影響有大量研究表明，太陽活動強弱有較長時期的變化。如1894年蒙德爾發(fā)現(xiàn)1645－1715年間，太陽活動非常弱。后來這一時期被稱為蒙德爾極冰期。這樣的極冰期和極大期還有很多，一般認為極冰期對應氣候相對冷期（小冰期），極大期對應暖期。（3）太陽活動與氣候變化②

長期變化的影響6（3）太陽活動與氣候變化③太陽常數(shù)（現(xiàn)代氣候模式中取為常數(shù)，古氣候模式中應有一些變化）1837年，普依列特指出到達大氣上界的太陽輻射是一個常數(shù)。許多科學家同意這一觀點。直到現(xiàn)在，人們基本認為這個數(shù)字是變化的，但變化很小，在允許的誤差范圍內可以認為是一個常數(shù)?，F(xiàn)在還有許多太空計劃將這一問題列為主要的觀測項目?，F(xiàn)在觀測計算認為太陽常數(shù)的變化在1％左右。有研究表明，太陽常數(shù)增加2％，地面氣溫可上升3oC，減少2％，氣溫可下降4.3oC。太陽常數(shù)的微笑變化，可引起劇烈的氣候變化。（3）太陽活動與氣候變化③太陽常數(shù)（現(xiàn)代氣候模式中取為常7二、地球軌道變化（米蘭科維奇理論）—太陽輻射的變化1、

地球公轉特征地球繞太陽公轉，其軌道是不斷變化的。造成這種變化的原因有三個：偏心率、地軸擺動和黃赤交角的變化。二、地球軌道變化（米蘭科維奇理論）—太陽輻射的變化1、

8①偏心率地球公轉軌道是橢圓形的，但這個橢圓形并不是一成不變的，而是不斷地由幾乎正圓變動到較明顯的橢圓，再逐漸變回到正圓。這一變化的周期約為9－10萬年。它會造成地球在某個季節(jié)最靠近太陽。①偏心率地球公轉軌道是橢圓形的，但這個橢圓形并不是一成不變的9①偏心率①偏心率10②地軸擺動地球自轉的地軸存在擺動，這一擺動的周期約為2.1萬年。它會造成靠近太陽的季節(jié)發(fā)生變動。如1萬年前，近日點出現(xiàn)在北半球夏季，而現(xiàn)在則出現(xiàn)在冬季。②地軸擺動地球自轉的地軸存在擺動，這一擺動的周期約為2.1萬11②地軸擺動（歲差）②地軸擺動（歲差）12③黃赤交角地球自轉軸相對于地球軌道平面的偏角，大約有4萬年的周期，這會造成太陽輻射在冬夏季以及南北半球輸送量有差異。③黃赤交角地球自轉軸相對于地球軌道平面的偏角，大約有4萬年的13③黃赤交角③黃赤交角14③黃赤交角③黃赤交角152、

米氏理論20世紀初，科學家在研究60萬年來歐洲阿爾卑斯山地區(qū)氣候變化時，發(fā)現(xiàn)存在4次冰期和3次間冰期。為了解釋這種現(xiàn)象，南斯拉夫的米蘭科維奇窮20年的時間，計算了由于地球軌道3個參數(shù)變化可能引起的太陽輻射變化。從而解釋了近60萬年來的4次冰期過程。這一理論卑奉為天文氣候學的典范。2、

米氏理論20世紀初，科學家在研究60萬年來歐洲阿爾卑16三、地殼運動1、

大陸漂移學說：根據(jù)大陸漂移學說，大約在兩億年后，地球上現(xiàn)有的大陸彼此是連在一起的，組成一個古大陸，稱為岡瓦納大陸，后來岡瓦納大陸破裂成幾塊，分別漂移，最終形成現(xiàn)在的大路分布格局，在這一過程中，毫無疑問會對地球氣候造成重大影響。2、

造山運動：造山運動對全會的影響可以是區(qū)域的，也可以是全球性的。如高原的隆起對高壓地區(qū)以及其周邊地區(qū)，甚至對整個地球氣候都產生了重大影響。如范廣洲——高壓隆升對西北高寒區(qū)形成的作用。3、

火山爆發(fā)三、地殼運動1、

大陸漂移學說：根據(jù)大陸漂移學說，大約在兩17三、地殼運動三、地殼運動18四、人類活動人類活動對氣候的影響主要表現(xiàn)于兩個方面：1、

改變大氣成分化石燃料的燃燒→CO2濃度變化→氣候變化四、人類活動人類活動對氣候的影響主要表現(xiàn)于兩個方面：192、改變地表特征（1）現(xiàn)狀①早在數(shù)千年前，人類為了墾荒種地、放牧等，大量砍伐森林，特別在非洲撒哈拉地區(qū)、亞洲中東的阿拉伯地區(qū)、我國黃河上游地區(qū)等，使這些地區(qū)植被覆蓋率下降，地表狀況惡化，氣候變化，以至成為沙漠或半沙漠地區(qū)。2、改變地表特征（1）現(xiàn)狀202、改變地表特征②

近代這種現(xiàn)象也非常嚴重。如30年代美國大平原地區(qū)的不合理開墾和耕種，使這里遭受嚴重的沙塵暴災害氣候變干。再如50年代－60年代，蘇聯(lián)在哈薩克、西伯利亞、烏拉爾等地大量開墾荒地，結果使氣候干旱，沙塵遍地，經常造成“黑風暴”。我國新安江水庫于1960年建成后，其附近淳安縣夏季較以前涼爽，冬季比過去暖和，氣溫年較差變小，初霜推遲，終霜提前，無霜期平均延長20天左右。（2）影響機理：改變地表能量平衡，水分平衡等，從而產生局地氣候變化。2、改變地表特征②

近代這種現(xiàn)象也非常嚴重。如30年212、改變地表特征2、改變地表特征223、人為熱和人為水汽的排放（1）人為熱隨著工業(yè)、交通運輸和城市化的發(fā)展，世界能量的消耗迅速增長，在工業(yè)生產、機動車運輸中有大量廢熱排出，居民爐灶和空調以及人、畜的新陳代謝等亦放出一定的熱量，這些“人為熱”像火爐一樣直接增暖大氣。。從數(shù)值上講，它和整個地球平均從太陽獲得的凈輻射熱相比是微不足道的，但是由于人為熱的釋放集中于某些人口稠密、工商業(yè)發(fā)達的大城市，其局地增暖的效應就相當顯著。3、人為熱和人為水汽的排放（1）人為熱233、人為熱和人為水汽的排放（2）人為水汽在燃燒大量化石燃料時除排放廢熱外，還釋放一定量的“人為水汽”，人為水汽量要比自然蒸散的水汽量小得多，但它對局地低云量的增加有一定作用。航空煤油的人為水汽。3、人為熱和人為水汽的排放（2）人為水汽244、城市氣候城市是人類活動的中心，在城市里人口密集，下墊面變化最大。工商業(yè)和交通運輸頻繁，耗能最多，有大量溫室氣體、“人為熱”、“人為水汽”、微塵和污染物排放至大氣中。因此人類活動對氣候的影響在城市中表現(xiàn)最為突出。城市氣候是在區(qū)域氣候背景上，經過城市化后，在人類活動影響下而形成的一種特殊局地氣候。4、城市氣候城市是人類活動的中心，在城市里人口密集，下墊面變254、城市氣候從大量觀測事實看來，城市氣候的特征可歸納為城市“五島”效應（混濁島、熱島、干島、濕島、雨島）和風速減小、多變。4、城市氣候從大量觀測事實看來，城市氣候的特征可歸納為城市“26（1）城市混濁島效應城市混濁島效應主要有四個方面的表現(xiàn)。①城市大氣中的污染物質比郊區(qū)多。②低云量和以低云量為標準的陰天日數(shù)遠比郊區(qū)多，城市大氣中因凝結核多，低空的熱力湍流和機械湍流又比較強，③混濁度強：城市大氣中因污染物和低云量多，使日照時數(shù)減少，太陽直接輻射（S）大大削弱，而因散射粒子多，其太陽散射輻射（D）卻比干潔空氣中為強。在以D/S表示的大氣混濁度（又稱混濁度因子turbidityfoctor）的地區(qū)分布上，城區(qū)明顯大于郊區(qū)。（1）城市混濁島效應城市混濁島效應主要有四個方面的表現(xiàn)。①27（1）城市混濁島效應④城區(qū)的能見度小于郊區(qū)。這是因為城市大氣中顆粒狀污染物多，它們對光線有散射和吸收作用，有減小能見度的效應。當城區(qū)空氣中二氧化氮NO2濃度極大時，會使天空呈棕褐色，在這樣的天色背景下，使分辨目標物的距離發(fā)生困難，造成視程障礙。此外城市中由于汽車排出廢氣中的一次污染物——氮氧化合物和碳氫化物，在強烈陽光照射下，經光化學反應，會形成一種淺藍色煙霧，稱為光化學煙霧，能導致城市能見度惡化。美國洛杉磯、日本東京和我國蘭州等城市均有此現(xiàn)象。（1）城市混濁島效應④城區(qū)的能見度小于郊區(qū)。這是因為城市大28（2）城市熱島效應根據(jù)大量觀測事實證明，城市氣溫經常比其四周郊區(qū)為高。特別是當天氣晴朗無風時，城區(qū)氣溫Tu與郊區(qū)氣溫Tr的差值ΔTu-r（又稱熱島強度）更大。城市中人口密集區(qū)和工廠區(qū)氣溫最高，成為熱島中的“高峰”（又稱熱島中心）。但在同一城市，在不同天氣形勢和氣象條件下，熱島效應有時非常明顯（晴穩(wěn)、無風），熱島強度可達6℃—10℃上下，有時則甚微弱或不明顯（大風、極端不穩(wěn)定）。由于熱島效應經常存在，大城市的月平均和年平均氣溫經常高于附近郊區(qū)。（2）城市熱島效應根據(jù)大量觀測事實證明，城市氣溫經常比其四周29（3）城市干島和濕島效應城市相對濕度比郊區(qū)小，有明顯的干島效應，這是城市氣候中普遍的特征。城市對大氣中水汽壓的影響則比較復雜，在白天太陽照射下，對于下墊面通過蒸散過程而進入低層空氣中的水汽量，城區(qū)（綠地面積小，可供蒸發(fā)的水汽量少）小于郊區(qū)。特別是在盛夏季節(jié)，郊區(qū)農作物生長茂密，城郊之間自然蒸散量的差值更大。城區(qū)由于下墊面粗糙度大（建筑群密集、高低不齊），又有熱島效應，其機械湍流和熱力湍流都比郊區(qū)強，通過湍流的垂直交換，城區(qū)低層水汽向上層空氣的輸送量又比郊區(qū)多，這兩者都導致城區(qū)近地面的水汽壓小于郊區(qū)，形成“城市干島”。（3）城市干島和濕島效應城市相對濕度比郊區(qū)小，有明顯的干島30（3）城市干島和濕島效應到了夜晚，風速減小，空氣層結穩(wěn)定，郊區(qū)氣溫下降快，飽和水汽壓減低，有大量水汽在地表凝結成露水，存留于低層空氣中的水汽量少，水汽壓迅速降低。城區(qū)因有熱島效應，其凝露量遠比郊區(qū)少，夜晚湍流弱，與上層空氣間的水汽交換量小，城區(qū)近地面的水汽壓乃高于郊區(qū)，出現(xiàn)“城市濕島”。這種由于城郊凝露量不同而形成的城市濕島，稱為“凝露濕島”，且大都在日落后若干小時內形成，在夜間維持。（3）城市干島和濕島效應到了夜晚，風速減小，空氣層結穩(wěn)定，郊31（4）城市雨島效應城市對降水影響問題，國際上存在著不少爭論。1971—1975年美國曾在其中部平原密蘇里州的圣路易斯城及其附近郊區(qū)設置了稠密的雨量觀測網，運用先進技術進行持續(xù)5年的大城市氣象觀測實驗（METROMEX），證實了城市及其下風方向確有促使降水增多的“雨島”效應。（4）城市雨島效應城市對降水影響問題，國際上存在著不少爭論。32（4）城市雨島效應城市雨島形成的條件是①在大氣環(huán)流較弱，有利于在城區(qū)產生降水的大尺度天氣形勢下，由于城市熱島環(huán)流所產生的局地氣流的輻合上升，有利于對流雨的發(fā)展；②城市下墊面粗糙度大，對移動滯緩的降雨系統(tǒng)有阻障效應，使其移速更為緩慢，延長城區(qū)降雨時間；③城區(qū)空氣中凝結核多，其化學組分不同，粒徑大小不一，當有較多大核（如硝酸鹽類）存在時，有促進暖云降水作用。上述種種因素的影響，會“誘導”暴雨最大強度的落點位于市區(qū)及其下風方向形成雨島。（4）城市雨島效應城市雨島形成的條件是①在大氣環(huán)流較弱，有利33（5）城市平均風速小、局地差異大、有熱島環(huán)流城市下墊面粗糙度大，有減低平均風速的效應。這可以通過以下兩方面的對比來證明：①同一地點在其城市發(fā)展的歷史過程中風速的前后對比；②同一時期城市和郊區(qū)風速的對比。此外，城市內部因街道走向、寬度、兩側建筑物的高度、型式和朝向不同，各地所獲得的太陽輻射能就有明顯的差異，在盛行風微弱時或無風時會產生局地熱力環(huán)流。又當盛行風吹過鱗次櫛比、參差不齊的建筑物時，因阻障效應產生不同的升降氣流、渦動和繞流等，使風的局地變化更為復雜。城區(qū)建設對局地環(huán)流影響的數(shù)值模擬。（5）城市平均風速小、局地差異大、有熱島環(huán)流城市下墊面粗糙度34五、宇宙-地球物理因子宇宙因子指的是月球和太陽的引潮力，地球物理因子指的是地球重力空間變化，地球轉動瞬時極的運動和地球自轉速度的變化等。五、宇宙-地球物理因子宇宙因子指的是月球和太陽的引潮力，地351、引潮力月球和太陽對地球都具有一定的引潮力，月球的質量雖比太陽小得多，但因離地球近，它的引潮力等于太陽引潮力的2.17倍。月球引潮力多年變化在海洋中產生多年月球潮汐大尺度的波動，這種波動在極地最顯著，可使海平面高度改變40—50mm，因而使海洋環(huán)流系統(tǒng)發(fā)生變化，進而影響海-氣間的熱交換，引