第8章 气候变化和人类活动对气候的影响

第八章气候变化和人类对气候的影响一、研究气候变化的方法二、气候变化的史实三、气候变化的因素四、人类活动对气候的影响第八章气候变化和人类对气候的影响在研究气候变化时，可分两大阶段：一是地质时期的气候变化，一是历史时期的气候变化。前者从时间上来说要比后者长得多。气候变迁与气候变化气候是不稳定的，具有连续波动的性质。只有波动长期向一个方向变化，并使自然地理环境的其他因素发生改变时，才称气候变迁。较长时期的气候演变，也泛指各种时间尺度的气候演变。气候变化（ClimaticChange）气候变迁第八章气候变化和人类对气候的影响一、研究气候变化的方法二、气候变化的史实三、气候变化的因素四、人类活动对气候的影响第一节研究气候变化的方法研究气候变化最好要有长时期的气候观测资料，但是世界上大多数地区只有几十年，最多亦只有二、三百年的记录，因此仅凭仪器观测的资料是无法了解地球长期气候变化的规律的。由于气候是一个庞大的系统，大气过程发生变化时，其他组成部分如海洋(海水温度，海面升降等)，大陆(岩石、土壤等)、冰雪覆盖(冰川、大陆冰原、海冰等)和生物圈(植物、动物等)都会发生相应的变化，并在地球表面遗留下它们变化的痕迹；为人们研究地球气候变化的主要依据。第八章气候变化和人类对气候的影响一、研究气候变化的方法二、气候变化的史实三、气候变化的因素四、人类活动对气候的影响第二节气候变化的史实地球形成为行星的时间尺度约为55±5亿年，但是地球气候史的时间尺度，目前可以追溯到的约在20亿年左右。在地球史中是以温暖时期与寒冷时期交替出现为基本特征的，而温暖时期约占整个气候史的9／10。据分析，世界和我国气候都经历着长度为几十年到几亿年为周年的气候变化，现在为世界科学界所公认的至少有：（1）大冰期与大间冰期气候--时间尺度约为几千万年到几万万年。（2）亚冰期气候与亚间冰期气候--时间尺度约为几十万年。（3）副冰期与副间冰期气候--时间尺度约为几万年。（4）寒冷期(或小冰期)与温暖期(或小间冰期)气候--时间尺度约为几百年到几千年。（5）世纪及世纪内的气候变动--时间尺度为几十年到几百年。一、地质时期的气候变化暖冷震旦纪冰期距今6亿年前石炭二叠纪冰期第一大间冰期第四纪冰期第二大间冰期现今全球年平均气温15ºC图8地球6亿年来经历的三大冰期和两大间冰期示意图地球距今6亿年以来经历的三个大冰期和两个大间冰期与全球平均气温变化示意图。由图可知，从地球发展形成的时空史来看，我们现仍处在全球第三个大冰期即将结束的阶段，即仍处于第四纪大冰期之内。此图还表明地球6亿年以来大部分时间年平均气温都比现今要高。地质时期的气候变迁寒冷的大冰期与温暖的大间冰期交替出现。全球已出现过3次大冰期和2次大间冰期。地质时期古气候变迁的基本特征大间冰期持续时间约3亿年，气候变暖，冰川退缩，气温和雪线上升，中纬度温度变化幅度高达10℃。大冰期持续时间约1,000万～2,000万年，气温和雪线下降；震旦纪大冰期时间范围：距今6亿年前。气候特征：气候寒冷，全球大陆都覆盖着大面积的冰盖和山地冰川，留下了大规模的冰碛层。寒武纪—石炭纪大间冰期时间范围：距今约6亿～2.7亿年，历时3.3亿年。气候特征：气候变暖，冰川后退，雪线上升。寒武纪：气候增暖且干湿气候带明显。石炭纪：温和湿润气候。这一时期出现的生物寒武纪的生物界以海生无脊椎动物和海生藻类为主。志留纪笔石的时代，陆生植物和有颌类出现宽角螺细网笔石全脐螺双股海百合神螺星苔藓虫泥盆纪（鱼类时代）陆生植物、鱼形动物空前发展，两栖动物开始出现，无脊椎动物成分也显著改变。水角石大叶藻亨顿虫杯海百合海神石方锥珊瑚石炭纪(两栖动物的时代)爪海胆星百合格雷伊夫虫腹菊石雷用诺角石原生木贼石炭纪—二叠纪大冰期距今约2.7亿～2.4亿年。这一时期出现的生物二叠纪(重要的成煤期）脊椎动物在二叠纪发展到了一个新阶段。原始海胆瓣齿鱼古鳕盗首螈威尔金蛤基龙三叠纪—第三纪大间冰期时间范围：距今约2.4亿～200万年，历时2.2亿年。气候特征：气候温暖、湿润。第三纪末期，北半球气温下降，气候趋于变冷。这一时期出现的生物三叠纪（爬行动物和裸子植物的崛起）爬行动物主要由槽齿类、恐龙类、似哺乳的爬行类组成。裸子植物的苏铁、本内苏铁、尼尔桑、银杏及松柏类自三叠纪起迅速发展起来。双齿旱鱼鸟鳄松柏木材箭齿龙茅台混鱼龙椰子鱼侏罗纪(爬行动物和裸子植物的时代）云杉细鳄龙条棘小嘴贝剑鼻鱼蛇颈龙棱角鳞鳄白垩纪爬行动物和裸子植物由极盛走向衰灭，新兴的被子植物、鸟类、哺乳动物及腹足类、双壳类等都有所发展。泰坦龙粗板恐龙宽鳍鱼大盖鱼水杉土豚第三纪被子植物的时代。第三纪的重要生物类别是被子植物、哺乳动物、鸟类、真骨鱼类、双壳类、腹足类、有孔虫等，与中生代的生物界面貌迥异，标志着“现代生物时代”的来临。栎属恐象乳齿象棕榈木榕属背脊鲸第四纪大冰期时间范围：距今200万年前至今。气候特征：全球性变冷，同时又曾出现多次冷暖、干湿波动。第四纪劳动创造了人类。哺乳动物的进化在此阶段最为明显，而人类的出现与进化则更是第四纪最重要的事件之一。形成寒带、温带、亚热带和热带植物群。智慧人泥安德特人居住人巨型猿人澳洲猿人南洋杉二、历史时期的气候变化自第四纪更新世晚期约距今1万年左右的时期开始，全球进入冰后期。挪威的冰川学家曾作出冰后期的近1万年来挪威的雪线升降图(图8-7)。从图上看来，近1万年雪线升降幅度并不小，它显示冰后期气候的变化是相当明显的。竺可桢先生的《中国近五千年来气候变迁的初步研究》一文为纲，简述我国近五千年历史时期的气候变化于下：在近五千年的最初两千年，即从仰韶文化到安阳殷墟，大部分时间的年平均温度比现在高出2℃左右，冬季1月的温度大约比现在高3-5℃。一万年来挪威雪线高度变化和我国温度变化的比较温暖期：1)公元前3000-1000年左右(仰韶文化时代和河南安阳殷墟时代)；2)公元前770年到公元初(秦汉时代)；3)公元600-1000年(隋唐时代)；4)公元1200-1300年(元朝初期)。寒冷期：1)公元前1000年左右到公元前850年(周代初期)；2)公元初年到公元600年(东汉、三国到六朝时代)；3)公元1000-1200年(南宋时代)；4)公元1400年(明末清初)开始。历史时期的气候变迁（近数千年的气候史）中国近五千年内可以相对地分出四个温暖期与四个寒冷期。200018001600140012001300150017001900+4+3+2+1-10-2-3-4100005000400030002000100050005001000150016001700180019001950高度（m）温度（℃）年代温暖期温暖期温暖期温暖期寒冷期寒冷期寒冷期寒冷期一万年来挪威雪线高度（实线）与五千年来我国温度（虚线）变迁中国从15世纪到20世纪的500多年中，温度仍有明显的起伏，有四次较冷期和三次回暖期。1400150016001700180019002000-2-10温度（℃）年代我国近500年温度变化曲线回暖期回暖期回暖期较冷期较冷期较冷期较冷期三、近代气候变化特征近代气候变化特征（近200年以来）气温升高，气候变暖。降水变化复杂，总的趋势是变干。水体和自然植被减少，土壤侵蚀加剧。20世纪以来中国每10年的气候特征年代(年)1911-19191920-19291930-19391940-19491950-19591960-19691970-19791980-1989降水与温度湿冷干暖干冷湿暖湿冷干暖干冷湿暖归纳：全球气候变化特征：全球地质时期气候变化的时间尺度在22亿年到1万年以上，以冰期和间冰期的出现为特征，气温变化幅度在10℃以上。冰期来临时，不仅整个气候系统发生变化，甚至导致地理环境的改变。历史时期的气候变化是近1万来，主要是近5000年来的气候变化，变化的幅度最大不超过2~3℃，大都是在地理环境不变的情况下发生的，近代的气候变化主要是指近百年或20世纪以来的气候变化，气温振幅在0.5~1.0℃。第八章气候变化和人类对气候的影响一、研究气候变化的方法二、气候变化的史实三、气候变化的因素四、人类活动对气候的影响第三节气候变化的因素气候的形成和变化受多种因子的影响和制约，下图表示各因子之间的主要关系，图中C.D是气候系统的两个主要组成部分，A、B、F则是外界因子。一、太阳辐射的变化太阳辐射是气候形成的最主要因素。气候的变迁与到达地表的辐射能的变化关系至为密切。引起太阳辐射能变化的条件是多方面的。(一)地球轨道因素的改变地球在自己的公转轨道上，接受太阳辐射能。而地球公转轨道的三个因素：地球轨道的偏心率、地轴的倾斜度和春分点的位置等都是以一定的周期在变动着的，这就导致地球上所受到的太阳天文辐射发生变动，引起气候变迁。1.地球轨道偏心率的变化：由天文辐射原理可知：到达地球表面单位面积上的天文辐射强度是与日地距离(b)的平方成反比的，地球绕太阳公转轨道是一个椭圆形，现在这个椭圆形的偏心率(e)约为0.016。目前北半球冬季位于近日点附近，因此北半球冬半年比较短(从秋分至春分，比夏半年短7.5日)。但偏心率是在0.00-0.06之间变动的，其周期约为96000年，以目前情况而论地球在近日点时所获得的天文辐射量(不考虑其他条件的影响)较现在远日点的辐射量约大1／15。当偏心率e值为极大时，则此差异就成为1／3；如果冬季在远日点，夏季在近日点，则冬季长而冷，夏季热而短，使一年之内冷热差异非常大。这种变化情况南北半球是相反的。2.地轴倾斜度的变化：地轴的倾斜是产生四季的原因。由于地球轨道平面在空间有变动，所以地轴对于这个平面的倾斜度(f)也在变动。现在地轴倾斜度是23.44°，最大时可达24.24°，最小日寸为22.1°，变动周期约40000年。这个变动使得夏季太阳直射达到的极限纬度(北回归线)和冬季极夜达到的极限纬度(北极圈)发生变动如下图所示。3.春分点的移动：春分点沿黄道向西缓慢移动，大纣每21000年，春分点绕地球轨道一周。春分点位置变动的结果，引起四季开始时间的移动和近日点与远日点的变化。地球近日点所在季节的变化，每70年推迟一天。大约在一万年前，北半球在冬季是处于远日点的位置(现在是近日点)，那时北半球冬季比现在要更冷，南半球则相反。(二)大气透明度的变化到达地表的太阳辐射的强弱，要受大气透明度的影响。火山活动对大气透明度的影响最大，火山爆发喷出的灰尘能强烈地反射和散射太阳辐射，而对地面发出的长波辐射没有显著影响。据计算，火山尘埃散射太阳辐射的能力比散射地面长波辐射大30倍，尘埃反射太阳辐射的作用比大气分子强得多。此外，太阳黑子活动具有一定的周期性，例如太阳黑子11年周期称为太阳活动周。二、宇宙-地球物理因子的影响宇宙因子指的是月球和太阳的引潮力以及太阳活动；地球物理因子指的是地球重力空间变化，地球转动瞬时极的运动和地球自转速度的变化，这些宇宙一地球物理因子的时间或空间变化，引起地球上变形力的产生，从而导致地球上海洋和大气的变形，并进而影响气候发生变化。三、下垫面地理条件的变化在整个地质时期中，下垫面的地理条件发生了多次变化，对气候变化产生了深刻的影响。其中以海陆分布和地形的变化对气候变迁影响最大。(一)海陆分布的变化(二)地形变化-“沧海桑田”在地球史上地形的变化是十分显著的。高大的喜马拉雅山脉，有“世界屋脊”之称。四、大气环流和洋流的变化大气环流形势的变化是导致气候变化和产生异常气候的一个重要因素。举例：厄尔尼诺现象就是一个典型的例证。厄尔尼诺一词来源于西班牙文“Elnino”，原意是“圣子”，最初用来表示每年圣诞节前后，沿厄瓜多尔海岸出现一支微弱且向南移动的暖海流。后来科学上用此词表示在南美秘鲁和厄瓜多尔附近尺度为几千公里的东赤道太平洋上海面温度的异常增暖现象，它的起始机制，目前还不很清楚。根据已有的研究，可以认为：当南半球东南信风盛行时，在南美秘鲁、厄瓜多尔沿岸为冷洋流(见图6-33)，在离岸风的作用，使沿岸一带冷水上翻，沿岸水温特别低，洋面的东西坡度增大，赤道逆流的强度减弱。南美秘鲁、厄瓜多尔沿