第八章氣候變化

一、氣候-氣候學二、氣候系統三、氣候變化四、近百年氣候變化事實五、氣候變化的自然原因六、人類活動與氣候變化七、氣候變化的影響與應對

課程主要內容一、氣候的定義經典氣候的定義氣候是一定地點或一定地區上大氣的平均狀況”、“氣候代表天氣的一般綜合”“氣候是地球上某一地區大氣多年的一般狀態，它既反映平均情況，也反映極端情況，是多年間各種天氣過程的綜合表現；氣象要素的各種統計量是表述氣候的基本依據”現代氣候的定義氣候系統的全部成分在較長時段內的平均統計特征現代氣候學的三個特點：(1)從氣候變化來研究氣候。這一點十分重要，由于認識到氣候變化有一個很寬的時間譜，長者在10000年以上，短到1年、季尺度。所以，現代氣候是從變動中認識氣候，而不再僅僅局限于追求解釋氣候平均值。

(2)從氣候系統來研究氣候。這是把研究范圍擴大到整個氣候系統，即包括大氣、海洋、冰雪、陸地、生物圈。因為人們已經發現，僅僅研究大氣，不可能認識氣候形成的過程，也不可能對氣候變化作出有效的預測。

(3)從氣候動力學來研究氣候。這是現代氣候學研究的靈魂。現代氣候學的特點二、氣候系統氣候系統是指由大氣、海洋、陸地表面、冰雪圈和生物圈等組成的相互作用的整體。大氣系統

大氣系統是包圍地球的一層氣體，與地球的固體部分相比，大氣系統僅為地球半徑的0.5%厚的淺薄氣體。但它是人類賴以生存的最重要的環境，是氣候系統的主體部分，也是氣候系統中最活躍、變化最大的部分。大氣和氣候系統其他成員間的熱量、水分和物質交換是氣候系統中各圈層之間相互作用的最基本過程水圈包括海洋、河流、湖泊和地下水，也應包括大氣中的液態水。水圈也是氣候系統中最活躍的組成之一，其三相變化的過程是氣候系統最重要的過程之一，它的存在和運動構成了地表、空中、水中的形形色色的自然現象，也是生命賴以生存的基本要素。。

海洋是水圈的主體部分，覆蓋了約71％的地球表面。在水系統中海洋對氣候變化的影響最重要海洋能吸收到達地表的太陽輻射的絕大部分。是氣候系統中的能量儲存庫，洋流驅動著全球的熱量輸送。是氣候系統的水源地。海洋與大氣主要有物質（水分、CO2）、能量、動量交換冰雪圈:冰雪圈指全球的冰體和積雪，是氣候寒冷的產物。由極地冰原、季節性雪蓋、海冰、高山冰川和永凍(層)組成。全球陸地約有10.6%被冰雪覆蓋，海洋有6.7%為海冰覆蓋。海冰和雪蓋都有很大的季節變化和較大的年際變化雪蓋和海冰具有從數月到幾十年的時間變化尺度，冰雪圈中的其他組成部分變化的特征時間尺度很長，一般都大于數百年，甚至可達幾百萬年。。對氣候影響主要有兩方面，影響地表輻射平衡和熱量平衡

。巖石圈:巖石圈是地球表層固體的殼體，包括大陸的陸塊，即山體、地表巖石、沉積和土壤，也包括海洋底部形態，廣義的也還應包括河、湖與地下水。

陸地地形，其時間尺度是氣候系統的所有組成中最長的，約為105-106年以上。

巖石圈對氣候系統的影響主要表現在地形的動力作用、地表熱力特性的差異及陸面水分循環這三個方面。動力作用主要是陸地地形對氣流和洋底地形對海流的影響。熱力作用則由于大氣的能量直接補充主要是由地面熱量輸送，不同地形對地表吸收太陽輻射產生影響，也對地表熱量輸送產生影響

陸面過程在全球水分循環中有重要意義生物圈:生物圈，也稱為生物系統。是大氣中、陸地上、海洋中的植物和動物，也包括人類本身（廣義的還包括微生物）。

調節和控制溫室氣體(主要是C02和CH4)通量的大小。對地表植被影響，通過影響地面反照率、粗糙度、蒸發和滲透等等進而影響陸氣相互作用的各個環節。大氣－海洋－冰－陸面－生物量耦合氣候系統示意圖

三、氣候變化概念氣候變化是指氣候系統的全部成分及其變量（如氣溫、降水、氣壓等）在較長時段內統計特征的變化，其變化的形式主要有趨勢變化、氣候突變、氣候波動（振蕩）等。

氣候趨勢是指氣候的長期變化傾向，即在記錄時期具有平滑而單調地上升或下降特點的氣候變化。氣候突變是氣候從一種穩定態（或穩定持續的變化趨勢）跳躍式地轉變到另一種穩定態（或穩定持續的變化趨勢）的現象氣候波動（振蕩）表示氣候呈現準周期性的平滑的變化趨勢，如ENSO的2-7年的年際振蕩。

氣候變化的檢測手段現代氣候變化的研究，主要依靠直接的觀測資料

地質、歷史時期的氣候變化，主要依靠氣候代用資料來檢測：

1)，樹木年輪

2)，冰芯

3)，孢粉

4)，珊瑚

5)，史料分析

近百年全球氣溫變化基本事實近百年以來全球氣溫變化最突出的特征是顯著變暖，但增暖過程呈現波動性上升。全球平均氣溫近百年（1906-2005年）線性變暖趨勢為0.74±0.18℃/100a，而近50年（1956-2005年）的變暖趨勢為1.3±0.3℃/100a，是近百年的2倍，表明變暖過程表現出加速趨勢。20世紀增暖主要發生在兩個階段，分別是1915-1945年以及1975年以后，其中近百年來最暖的5年發生于1997年后，1996-2005年的12年中有11個最暖年。四、近百年氣候變化事實最近130年的溫度變化

（最近30年溫度升高很快）空間分布特點20世紀以來，除了格陵蘭南部區域和美國東南部的三個較小地區，以及玻利維亞和剛果盆地的部分地區以外，世界大部分區域地表氣溫都呈增加趨勢。

增暖最顯著的地區在40°N~70°N（即亞洲內陸、北美西北部）以及南半球中緯度地區和巴西等地。

陸地表面氣溫的變暖速率都比海洋快，特別是1970年以來。近20年來陸地和海洋的增暖速率分別為0.27℃/10a和0.13℃/10a

有些地區則增暖現象不明顯或者變冷。比如，在65°S以南的南極大陸近幾十年沒有明顯的增溫現象。

增暖的季節差異冬季全球地表平均氣溫升高最為顯著，特別是北半球中高緯地區，其次是春季；而秋季和夏季的增暖相對較弱。

各季節增暖最強的區域也有所不同，冬季增暖最強區主要位于北美西部、北歐和中國，春季在歐洲、亞洲的北部和東部，夏季和秋季則分別對應于歐洲、北非和北美北部、格陵蘭及東亞。

值得注意的是個別區域某些季節也出現弱的變冷趨勢，主要在中緯度的南半球海洋和春季的加拿大東部地區，這些區域的降溫可能與NAO（北大西洋濤動）的加強有關。全球陸地年降水量變化特點總體來講，全球降水還是存在一定的上升趨勢。

全球平均陸地降水存在顯著的年代際變化，從1900年至1950年整體呈增長趨勢，1950-1980年是一個相對多雨的時期，至20世紀90年代早期呈下降趨勢，21世紀初又開始回升。1951-2005年，全球降水變化的趨勢為2~7mm/10a；1979-2005年趨勢增加為13~16mm/10a。不同降水數據集趨勢間存在明顯差異，這也從一個側面反映監測降水變量的難度，因為其在空間和時間上都存在很大的變率。降水變化的空間分布特點自1901年起，北半球中高緯度大陸地區降水增加明顯，特別是30°N-85°N之間多數地區降水增長幅度達6%-8%/10a

。

而在美國西南部，墨西哥西北部以及巴哈半島降水呈減少趨勢，平均減少約1%-2%/10a，最大降水量負趨勢區在東非、西非和撒哈拉和南亞等地，其中撒哈拉地區出現最早。

1979年以來降水變化趨勢呈現更為復雜的分布，個別區域變干明顯，比如北美洲西南部；歐亞大陸則降水增加的區域多于減少的區域；北歐和地中海之間可能存在反向變化趨勢。即使位于同一緯度，不同區域的降水量也仍然存在相當大的差異；例如，東南亞地區降水量有所下降時，印度地區則呈上升趨勢；非洲熱帶地區雨量減少時，南美洲則增加

雪蓋的變化大多數區域的雪蓋已經減少，特別是在春季。通過衛星觀測發現1966年至2005年這一時期北半球的雪蓋每個月都在減少，11月和12月除外，上世紀八十年代后期，其年均值以5%的速度逐步下降。在南半球，為數不多的長期記錄或代用資料大多數表明在過去的40多年里情況或者是減少或者是沒有變化。海冰面積的變化根據衛星觀測，自1978年以來，北冰洋年平均海冰范圍以每十年大約2.7±0.6%的速度在縮小海平面的變化二十世紀期間，冰川和冰帽遭受大范圍損失并造成全球海平面上升中國區域氣溫變化特點6條序列在近50年的增暖幅度較為一致，而在近百年尺度的增暖幅度上存在著一定的差異。

不管是近百年，還是近50年，中國氣溫變暖幅度要高于全球平均水平。波動上升趨勢中國區域降水變化特點近百年來，中國年降水量變化的總體趨勢并不明顯，同時，年降水量呈現出明顯的年際和年代際振蕩，主要周期是20-30年。

近50年來中國東北東部、華北南部的黃淮海平原和山東半島、四川盆地及其高原部分地區降水出現不同程度的下降趨勢，在全國的其余地區，包括西部地區的大部分、東北北部、西南西部、長江三角洲和東南丘陵地區，年降水量均呈現不同程度的增加，其中長江下游、華南沿海和西北地區的增加比較顯著。極端溫度變化最低和最高氣溫的線性變化趨勢分別是0.2°C/10a和0.14°C/10a，表明極端最低氣溫的增暖速度高于最高溫度，故平均日較差（DTR）的呈下降趨勢（0.07°C/10a）日較差變小，但1979以后，日較差變化較小全球極端降水變化極端降水變化的空間一致性相比于溫度的變化要小很多，但強降水事件大體上呈現增加趨勢。尤為顯著的是，近30年來伴隨著全球的顯著變暖，世界許多地區的強降水事件呈現明顯增多和增強的趨勢，即使平均總降水和雨日數沒發生變化或減少的地區，也都發現近30年強降水量及其頻數的增加

中國區域極端降水的變化中國區域極端降水變化態勢與全球是基本一致的，其主要特點仍然是區域性和局地性明顯。在過去的幾十年中，西部地區有明顯的降水增長，降水日數也有明顯增加趨勢；長江流域及其以南地區降水趨于增多，主要表現在極端降水日數呈增加趨勢；華北地區雖然極端降水事件頻數明顯減少,但極端降水量占總降水量的比例仍有所增加。降水日數和微量降水日數減少是近年來中國干旱化趨勢發展的一個重要特點五、氣候變化的自然原因5.1、日-地關系的變化

假定太陽輻射源強度不變的情況,到達地球的太陽輻射量的變化是由于地球公轉軌道天文參數的長期變化，即地球軌道偏心率、地軸傾斜度的變化以及歲差現象引起的。

A地球軌道偏心率的變化

地球軌道偏心率以96600年為周期緩慢地變化于0.000-0.068之間,偏心率的變化意味著遠日點和近日點發生變化，因而導致地球在一年中接受的太陽輻射能發生變化。當偏心率最大時,地球從太陽接受的熱量比現在增加3％；近日點受太陽輻射比遠日點約多30％。

地球公轉軌道的變化B地軸傾斜度(即黃赤交角)的變化地軸傾斜度大約也以40000年為周期變化于22°一24°30’之間,地軸傾斜度的變化使北半球夏季太陽直射的極限緯度和冬季極夜達到的極限緯度發生變動，結果可使南北回歸線位置最高時可達南、北緯24。30’，最低時可達南、北緯22°，所以它的變化可使各緯度接受的太陽輻射量發生變化。當地軸傾斜度變小時，低緯地區接受的太陽輻射量增加，高緯地區太陽輻射量減少,當地軸傾斜度增大時，結果正好相反。C歲差(即春分點的移動)現象地球公轉軌道面和赤道面的交點(即二分點)每年沿黃道向西緩慢移動；春分點繞地球軌道運行一周大約需要為21000年。歲差現象能引起地球近日點和遠日點所在季節的變化，使地球上各地季節開始時間及季節長短發生變化。春分點位置變動的結果，引起四季開始時間的移動和近日點與遠日點的變化。地球近日點所在季節的變化，每70年推遲1天。大約在1萬年前，北半球在冬季是處于遠日點的位置（現在是近日點），那時北半球冬季比現在要更冷，南半球則相反。米蘭柯維奇（M.M.-Lankovitch）曾綜合這三者的作用計算出65°N緯度上夏季太陽輻射量在60萬年內的變化，并用相對緯度來表示。例如，23萬年前在65°N上的太陽輻射量和現在77°N上的一樣，而在13萬年前又和現在59°N上的一樣。他認為當夏季溫度降低約4—5℃，冬季反而略有升高的年份，冬天降雪較多，而到夏天雪還未來得及融化時，冬天又接著到來，這樣反復進行，就會形成冰期。5.2板塊漂移和地形變化

大陸漂移海陸分布的變化在整個地質時期中，氣候史上最大的冰川活動時期都發生在地球上最重要的造山運動之后。板塊漂移、地形變化不斷改變著地球海陸分布的形態，它們對地球氣候的形成、演變具有重大影響。目前大部分陸地主要集中在北半球，尤其是30°～60°N之間，因此北半球中緯度地區冬季氣溫比南半球冬季低，年溫差也大。海陸分布也直接影響海洋環流，進而間接影響氣候變化。5.3太陽活動對氣候的影響

太陽活動是指太陽上的各種物理活動的總稱。目前觀測到的太陽活動僅僅是最外層的太陽大氣區，對于太陽內部的活動以及內外層的關系還需深入研究。太陽活動主要包括五種方式，分別是太陽黑子、光斑與譜斑、耀斑、日珥、和射電輻射。證明太陽常數并不是一個常數；太陽活動強弱以太陽黑子多少表示，它與地面氣象要素、對流層大氣環流和平流層大氣過程之間都有一定的關系歷史時期氣候變化研究初步證實太陽活動強時地球氣候暖，太陽活動弱時冷。太陽活動有周期性，主要有11年、22年和80一90年三種周期、35年周期以及時間更長的169年400年和600等超世紀周期。問題機制不清楚太陽常數增加2％時，全球地表氣溫增暖約4℃。高緯度地表增暖比低緯度更明顯，冬季增暖比夏季強烈；與冰／反照率一溫度反饋有關。低緯度對流層上部有最大增暖幅度超過8℃。5.4火山活動與氣候

強火山爆發把二氧化硫和火山灰帶入平流層，形成一個穩定層。這些氣體與大氣中的水汽結合形成液體狀濃硫酸鹽滴，稱為氣溶膠。這些火山灰和氣溶膠可在平流層中漂浮2~3a，個別可能存留10a以上。它們可以散射太陽輻射，增加大氣的反照率，也就減少了到達地面的直接太陽輻射，從而導致地球表面變冷，因此火山爆發對氣候的影響也稱為“陽傘效應”。影響短期月際到數年的時間尺度，強火山噴發可全球或半球平均溫度下降0.3℃，長期數年到百年以上尺度，強火山噴發對應著其后數年的全球和半球平均的顯著降溫；火山活動活躍的時期對應著冷期,反之亦然?；鹕交顒涌山忉尳倌耆蚧虬肭蚱骄鶞囟茸兓讲畹?0％一50％。5.5溫（熱）鹽流對氣候的影響

形成:溫（熱）鹽流是由于海面受熱冷卻不均、蒸發降水不勻所產生的溫度和鹽度變化，導致密度分布不均勻形成的熱力學海流熱鹽流屬于冷水系環流，與大洋水團的形成與分布有關。大洋底層水在兩極海域，上層海水急劇冷卻，密度增大而劇烈下沉，成為大洋中層、深層和底層水的主要源地南極底層水（AABW）。北大西洋深層水（NADW)形成于北大西洋深層水在深層以西邊界流的形式向南流去，之后圍繞著南極繞極急流，北大西洋深層水部分和形成于威德爾海的南極底層水混合，流向太平洋和印度祥，在那里上翻穿過溫躍層達到上層海洋，它被稱作“北大西洋深層水輸送帶”。洋流的返回路徑可能至少有兩條：一是沿“暖水系路徑”，經過南印度洋流人南大西洋,一個是沿“冷水系路徑”，從南太平洋流入南大西洋簡化的北大西洋深層水流動循環圖，深色的線表示海底的寒流，淡色的線代表海面的暖流新仙女木冷事件(YoungerDryas)是從冰期到間冰期回暖過程中的一次氣候惡化事件,發生于11000-10000年前，是末次冰消期持續升溫過程中的一次突然降溫仙女木是一種有代表性的苔原植被，用來命名這次寒冷事件。新仙女木事件的例證海洋中的溫鹽環流(被稱之為傳送帶)的變化來解釋新仙女木冷事件。由于大量的冰（北美冰河）融化引起大量的淡水涌入北大西洋將降低它的鹽度，表面海水因之變輕，使深水制造停止，下沉海水量變少，溫鹽環流因而變弱。海表面往北洋流也連帶的減弱，北傳的熱量減少，熱傳送帶“斷開”：氣溫因此迅速下降，促使仙女木冷事件形成。六、人類活動與氣候變化人類影響氣候的活動方式主要有：（1）化石燃料利用及農業和工業活動排放的二氧化碳等溫室氣體增加大氣中溫室氣體濃度；（2）人類活動排放導致大氣中氣溶膠濃度的變化；（3）人類社會的發展不斷改變土地利用形式和下墊面的性質。人類活動與溫室效應加劇太陽主要輻射能量集中在可見光區或近可見光區（太陽短波輻射）。太陽短波輻射絕大部分完全透過大氣而被地表吸收（約50%），大氣吸收份額很小，為了平衡所吸收的入射能量，地球必須也向太空發射同樣數量的能量。地球輻射能量集中在波長較長的紅外譜區，根據大氣對輻射光譜的選擇吸收性，大氣對太陽短波輻射吸收很小，但地表向上放射的長波輻射，絕大部分被水汽、二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）甲烷（CH4）等吸收，并向下放出長波輻射，使地表熱輻射不至于無阻檔地射向外空，地面氣溫要比無大氣時高出許多，因其作用類似于栽培農作物的溫室，這一特性稱為地球的溫室效應如果沒有地球的自然溫室效應，地球表面的平均溫度將低于冰點。因此，地球的溫室效應使我們現在已知的所有生命活動成為可能。由于人類活動的影響，一些大氣中本來就存在的溫室氣體含量在不斷的增加，另一些完全由人類制造的溫室氣體也被排放到大氣中。大氣中溫室氣體的增加使地球表面變暖。顯然，人類活動加劇了溫室效應，全球變暖與溫室效應的加劇有關。溫室氣體的變化自從工業化時代(大約1750年)開始以來，人類活動導致了四種主要溫室氣體的排放的大幅增加：二氧化碳(CO2)，甲烷(CH4)，氧化亞氮(N2O)和鹵烴(一組含氟、氯和溴的氣體)，溫室效應加劇，2人為氣溶膠及其氣候效應

氣溶膠是懸浮在空氣中的微小顆粒(直徑在0.001－10μm)的總稱，包括自然過程產生的和人類活動產生的氣溶膠兩種。對流層氣溶膠的存在兩種效應，分為直接效應和間接效應。直接效應是指氣溶膠使入射的太陽短波輻射被反射到空間，而不能到達地表面。其效果使近地面層接受太陽短波輻射減少，同時放射長波輻射不能回到地面，致使近地面層變冷，陽傘效應。氣溶膠的間接效應就是通過氣溶膠改變云微物理過程，從而改變云的輻射特性、云量和云的存在期，影響地—氣系統的輻射平衡。導致大氣及地表吸收太陽輻射減少。由此可見，氣溶膠通過充當凝結核對地氣系統的間接影響也是輻射冷卻，可能使得對流層及地表氣溫降低。3土地利用的變化及其氣候效應

人類活動影響氣候變化的另一因素是土地利用的變化。這是因為土地利用的變化直接造成陸面物理特性的變化，從而影響輻射、熱量和水的交換；人為改變大尺度的植被特性可影響地表反照率。農田的反照率與自然地表有很大的不同，尤其是森林。森林地表的反射率一般比開闊地要低。

高密度人口居住區域特別是城市化進程的加快，形成了城市復雜多樣的地表覆蓋布局，這種特殊的土地利用格局對局地氣候也可產生顯著影響。地表風速減小，減少了蒸發和空氣濕度，大大加快了徑流，降低了地表反照率，而熱傳導和熱容量變大。這改變了地表熱量和水分收支各項的相對大小。城市氣溫比周圍郊區高。這一現象通常稱為“城市熱島效應”或“城市熱島”。

七、氣候變化的影響與應對措施

（1）海平面升高的影響據估算，預計到2030年平均海平面高度將升高15cm，到了2100年升高50cm。全世界約有一半的人口居住在沿海地區，對于生活在這些地區的人們，即使幾分之一米的海平面升高，也將對他們產生嚴重影響。海平面的升高將通過鹽水侵入地下淡水資源，進一步影響農業土地的生產力。在埃及的尼羅河三角洲地區、中國的東部沿海地區等也會受到影響。影響（2）對農業和糧食供給的影響種植作物的類別必須與當地的氣候相適應，特別是一年中溫度和降水的分布是決定種植何種作物的關鍵因素。當受到全球變暖，熱量資源增加的影響時，這一切都將發生變化。因此，作物的分布也將改變?？衫盟渴怯绊戅r業和糧食生產的最重要的因素。水分供給對氣候變化的脆弱性轉變成作物種植和糧食生產中的脆弱性，因而，干旱或半干旱地區（大多數位于發展中國家）的風險最大。世界農業將如何響應極端事件，例如長期干旱。發達國家的糧食過?？赡芾^續增加，而發展中國家，大量的人口增加將伴隨這糧食生產的相對減少。這樣一種狀況將引起極大的問題，尤其是在發展中國家。影響（3）對淡水資源的影響

許多地區對水分短缺的脆弱性，尤其是在干旱和半干旱地區，人類社會需求的增長意味著，即使是短期干旱，也將比以前帶來更大的災難。由于人口增長，脆弱性也將增加，從而將加重全球變暖的負面影響。全球變暖引起的氣候變化將在許多地方導致水分供給的巨大變化。如干旱和半干旱地區（那里，降水減少將造成嚴重的干旱甚至沙漠化），大陸地區（那里，夏季降水減少和溫度增加將導致土壤水分的大量損失，從而增加了對干旱的脆弱性）以及亞洲季風區（那里，降水增加將導致洪水發生幾率的增大）。氣候極端事件型的改變（尤其是干旱和洪水）影響（4）對自然生態系統的影響自然生態系統與氣候之間