第2章-第1节--全球变化的主要过程

第二章全球变化的主要过程与驱动力本章内容：第1节全球变化的主要过程第2节全球变化的驱动力第1节全球变化的主要过程全球变化的原因是维持地球系统的平衡关系发生了变化。这种变化是通过维持地球系统状态的某些过程的变异来实现的：初始的变化过程中通过一系列复杂的驱动与响应的反馈作用而放大，并最终导致各圈层性质与全球环境状态的相应改变。如气候变化、海陆分布与地貌形态的变化、生物地带的变化等。1、气候系统与水文循环过程2、固体地球系统与岩石圈循环过程3、生态系统与生物地球化学循环过程4、人类生态系统与人类活动过程全球变化的主要过程：物理气候系统由大气、海洋、冰雪、陆地表面和生物圈组成。1、气候系统与水文循环过程如果气候系统的能量收支与时空分布的平衡受到破坏，将导致物理气候系统状态发生改变，即发生气候变化。虽然气候系统中的能量变化主要与大气和海洋的热力学和动力学有关，但能量循环过程很大程度上由气、液和固态水物质所支配，是通过水的循环来实现的，与水循环相联系的各种过程在气候系统中至关重要。气候变化不仅与气候系统内部的过程有关，也与地球系统的其它子系统的过程密切相关。1）气候系统能量收支平衡与温室效应与太阳辐射强度及地球轨道要素相关联的到达地球的太阳辐射能的多少。地球的行星反射率，决定了到达地球的太阳能被直接反射回太空的份额的多少。这二者改变所引起的反射率变化均可导致地球实际接收到的太阳辐射的份额相应改变。进入到地球系统中的太阳能在地球系统中滞留的时间，与地球的温室效应相联系。引起气候系统能量收支平衡的三个方面：温室效应温室气体（CO2、水汽、氧化亚氮、甲烷和氯氟烃等）对太阳的短波辐射进入地球影响不大，却能强烈地吸收地球的长波辐射，从而在地球的表面形成一层保温层，使地球所接收的太阳能不是马上就散失掉，而是在其返回宇宙空间之前反复地加热地球，使地球变得象温室一样温暖，这就是通常所说的“温室效应”。温室气体的增减会增强或减弱地球的温室效应，导致地球表面温度发生相应的变化。人类活动向大气排放大量的温室气体导致自然平衡受到破坏45万年以来大气二氧化碳浓度的变化目前的CO2浓度是42万年的最大值CO2浓度的变化2）大气和海洋环流大气和海水都是流体，地球在吸收和释放热量的过程中驱动着大气和海洋的运动。大气从地面获得的能量是大气直接从太阳获得的能量的2.3倍，因此地面是大气热机的主要热源。穿过大气到达地面的太阳辐射，约有80％被海洋吸收，然后，通过长波辐射、潜热释放及感热输送的形式传输给大气。潜热：即相变潜热的简称，指单位质量的物质在等温等压情况下，从一个相变化到另一个相吸收或放出的热量。是物体在固、液、气三相之间以及不同的固相之间相互转变时具有的特点之一。固、液之间的潜热称为熔解热(或凝固热),液、气之间的称为汽化热(或凝结热)，而固、气之间的称为升华热(或凝华热)。感热：亦称显热，物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量，称为“显热”。它能使人们有明显的冷热变化感觉，通常可用温度计测量出来。海洋主要通过对潜热和感热的输送推动其上面的大气运动，强烈地影响气候；而大气主要通过风应力将动量送给海洋，影响海洋环流，气候系统正是通过大气和海洋的运动实现物质和能量的传输与转化。大气和海洋过程之间在气候尺度内存在着密切的、甚至是共生的耦合关系，气候系统正是通过大气和海洋的运动实现物质和能量的传输与转化。（1）大气环流大气环流是指大范围的大气运动状态。其水平范围达数千千米，垂直尺度在10千米以上，时间尺度在1~2日以上。大气环流反映了大气运动的基本状态，并孕育和制约着较小规模的气流运动。它是各种不同尺度的天气系统发生、发展和移动的背景条件。大气环流的主要状况（形式）往往决定着全球的或区域的天气和气候类型及其变化。尤其是气候的异常（如大范围旱涝的发生）往往都同大气环流的某种持续异常有关。全球尺度大气环流形式有：赤道—极地之间的能量梯度作用和地球自转的影响所产生的大气平均经圈环流。赤道地区大洋东、西两侧海水冷暖差异形成的大气纬圈环流，即沃克环流。由于海、陆分布及其物理性质的不同所产生的热力差异而导致的季风环流。平均经圈环流主要成员包括东、西风带（包括急流）和准定常的槽脊等。由于太阳直射点季节变化和海陆对此响应的差异，并未出现环绕全球的高压或低压带，而是形成若干个高压或低压中心。这些中心不仅有季节变化，而且存在着明显的年际变化，成为广大地区气候变化的直接原因。在北半球，夏季时向北移，冬季时向南移。环流强度也有变化（冬季增强，夏季减弱），甚至经度上的瞬时经圈环流也有差异。例如中纬度地区各个经度上并不都是逆环流圈，而往往沿整个纬圈有正、逆环流圈相间出现。东赤道太平洋冷水域的上空大气强烈下沉，西赤道太平洋印度尼西亚海洋大陆上空大气对流强烈，大气以上升为主，形成的一个闭合的东西向环流圈，称为沃克环流。沃克环流沃克环流通过大气的遥相关作用影响到世界其它地区，在整个赤道纬圈均存在沃克环流。沃克环流是赤道地区海气作用的产物，并通过大气的遥相关作用影响到世界其它地区，在整个赤道纬圈均存在沃克环流。季风环流季风环流产生了独特的天气气候现象和气候变化。冬季，由于大陆比海洋冷，在西伯利亚形成强大的冷高压，给东亚带来了东北季风，低温干燥，风力强劲，此偏北风强烈时即为寒潮；夏季，由于大陆比海洋暖，在印度半岛的西北部形成热低压，产生著名的印度西南季风，高温、湿润和多雨。偏南气流和偏北气流相遇，往往会形成大范围的降雨带。大气和海洋以十分复杂的非线性方式紧密联结在一起，形成一个十分敏感的耦合系统，共同承担着地球上能量的传递作用，是热量从赤道向极地传输的重要方式。大气环流驱动大洋表层水体发生相应的运动，形成表层环流。并通过海气作用导致沃克环流异常，造成大尺度的环流异常与全球气候异常。（2）海洋表层环流厄尔尼诺现象拉尼娜现象海洋环流海洋环流是海洋盆地的水域中大规模运动。海洋环流由海水的密度分布决定，密度又取决于温度和盐度，所以也称为热盐环流。北大西洋的寒冷、高密度、高盐度水以深层流（或底层流）的形式向南流，在绕过非洲南端后，除部分向北流到印度洋外，其余的一直向东流入太平洋，在此受温暖和入注淡水的稀释作用，海水密度降低并上升到表面，然后向西运动返回到大西洋以平衡外流的水体。构成了一个跨越大西洋和太平洋之间的水体流动的海洋“传送带”。由此造成的水汽交换量达20×106m3/s。向北流动的供给水平均温度为10℃，向南流动的深层水为2℃，每形成1cm3的深水将释放33.48J的热量，一年中由此所释放的总热量达20.9×1021J，远远超过了地球轨道要素所引起的日照率变化所产生的影响，这些热量的有无对高纬度的温度与大陆冰盖的生消有重大的影响。有人提出大洋环流-气候关系模式来解释第四纪冰期-间冰期的转换机制，认为：冰期-间冰期的转换是通过大洋传送带的开启与关闭来控制的，在大洋传送带开启的时期维持与现代相当的间冰期气候，当大洋传送带被关闭或严重削弱的时期转变为冰期气候。是指地球上气候显著变冷的时期。高纬度地区的冰盖扩张，向中纬度推进，高山地区的山岳冰川向低地伸展，引起海平面降低、气候和土壤生物带向赤道方向迁移。在各个大陆以夏季风降水为主的地区，冰期时气候寒冷干燥，植被退化，某些内陆干旱地区沙漠扩张，黄土堆积，湖面收缩下降。在以冬季风降水为主的内陆干旱地区气候则寒冷湿润，湖面上升扩张。冰期（glacialepoch)：是指两次冰期之间的温暖时期。冰川退缩，海平面回升，气候和生物带向两极方向迁移。以夏季风降水为主的地区间冰期时气候温暖湿润，湖面扩张，生物繁荣，内陆干旱地区流沙固定，黄土地表会有土壤发育。以冬季风降水为主的内陆干旱区的气候温暖干燥，湖泊收缩或者干涸，沙漠扩张。间冰期（interglacialepoch)：冰阶和间冰阶：冰阶（stadial）：是指间冰期的寒冷阶段。间冰阶（interstadial）：是指冰期中的相对温暖阶段。冰阶和间冰阶为叠加于冰期和间冰期之中的次一级气候波动。冰后期：全新世是第四纪最后一次冰期结束至今的这一段时间，因而又被称之为冰后期，也称之为全新世。2、水文循环与气候系统中的反馈过程水是地球上唯一同时以液态、固态或气态的形式存在的物质，它是地球系统许多子系统中必不可少的成分，许多过程都是在水的参与下才得以实现的。水循环是多环节的自然过程，全球性的水循环涉及蒸发、大气水分输送、地表水和地下水循环以及多种形式的水量贮蓄。降水、蒸发和径流是水循环过程的三个最主要环节，这三者构成的水循环途径决定着全球的水量平衡，也决定着一个地区的水资源总量。水循环过程与气候系统的过程是有机联系在一起的。水循环过程控制着地球的温度和云层的形成、输送和消散，以及其与太阳辐射的关系；气候过程则通过水、热、物质和动能的输送，控制着陆、海表面和大气的相互作用，在气候系统中引起一系列重要的反馈过程。水在陆地表面过程中的反馈机制1）水汽反馈水汽反馈是最重要的一种反馈，为正反馈。大气中的水汽保持地球表面的温度，会使更多的水汽从海洋和陆面上蒸发出来，增强大气的温室效应。2）云辐射反馈为短波辐射的极好反射体，能够反射掉入射的太阳能，减少系统可能获得的总的有用能量，使地球变冷；为红外辐射的良好吸收体，具有类似温室气体的作用，吸收其下地表的热辐射，同时自身也放出热辐射，起到减少地面向空间损失热量的作用。云对大气中辐射影响的方式：云对短波辐射的反射和对长波辐射的放射约占留在大气中总辐射的50％，若只算短波辐射，云占行星反射率的大约2/3。具体哪种作用占主导地位取决于云的温度（高度）和云的光学特性（决定于云中水和冰的比例和云滴的大小）：一般来说，低云以反射作用为主，常导致降温，而高云则以被毯效应为主，常使系统增暖，因此云的反馈既可能是正反馈也可能是负反馈。3）冰雪圈反馈冰雪圈过程是水循环过程的一个中间环节，能够有效地调节地球表面的能量收支和温度平衡，包括雪盖和海冰、冰川和冰原。冰雪通过其高反射率和融解成为有效的热汇，在大气热量平衡中起着冷却面的作用。冰雪圈的反照率具有强烈的正反馈放大作用：温度降低（升高）→冰雪覆盖增大（减小）→地表反射率增大（减小）→吸收太阳辐射减少（增多）→温度降低（升高）。通过反馈作用，微小的扰动有可能被放大，并最终导致全球变化。地球上的冰雪覆盖主要分布在极地地区，冰雪过程导致的高纬地区的降温作用使赤道与极地之间的温度梯度增大，纬向西风会因此加强，而季风环流可能会被削弱。4）海洋的反馈海洋占地球表面71％、占地球水量97％以上，辐射到海洋表面的日辐射，大部分都能被吸收，正是海洋贮藏了地球所接收的太阳能并将其转化为驱动物理气候系统的动力。大气环流和气候变化问题，从能量平衡的角度看，要十分重视海洋的作用。海洋对大气运动和气候系统的重大影响，具体表现在以下4个方面：（1）影响地球大气系统的热力平衡由于海洋所吸收的能量绝大部分（85％左右）贮存在海洋的表层（混合层）中，并以潜热、长波辐射和感热交换的形式传输给大气，驱动大气的运动，控制着大气的温度。因此海洋的热状况及其表面蒸发的强度都对大气运动的能量发生重要影响。海洋作为一种流体，存在各种尺度的运动，海洋环流对地球大气系统的能量输送和平衡也有重要作用。（2）影响水汽循环。海洋，尤其是低纬度海洋，是大气中水汽的主要源地，通过对蒸发和凝结过程影响水汽循环从而影响气候及其变化。（3）调谐大气运动。受海洋独特的热力学和动力学性质影响，海洋的运动和变化有明显的缓慢性和持续性。海洋的这一特性一方面使海洋具有较强的“记忆”能力，可以把大气环流的变化通过海气相互作用把信息贮存于海洋中，然后再对大气运动产生作用；另一方面，海洋的热惯性使海洋状况的变化有滞后效应；通过海气耦合作用可以使大气中较高频的变化转化为较低频的变化。（4）降低气候系统的敏感性，调节温室效应。海洋有极大的热容量，相对大气而言，海洋的运动比较稳定，运动和变化比较缓慢，海洋通过有效地调节热量的收支和传输、水汽循环以及生物地球化学循环过程，能够对气候系统的状态进行有效的调节，降低气