全球变化的主要特征与过程

第二章全球变化的主要特征与过程第一节全球变化的时空谱特征第二节全球变化的驱动力第三节全球变化的三大循环过程第一节全球变化的时空谱特征全球变化的时间尺度全球变化的空间尺度时空尺度的联系性一、全球变化的时间尺度（陈速逑2001）≥106年尺度，地质历史时期内，涉及到所有圈层,构造运动对气候变化的驱动作用占据主导地位。103-106年尺度，第四纪晚期及人类历史时期内，受地球轨道参数变化的驱动，冰期—间冰期变化表现显著。100-103年尺度，年际、年代际、世纪际时期内，太阳活动、火山活动、大气环流的长期变化、厄尔尼诺-南方涛动等自然因子；大气温室效应的增强等人为因子驱动着气候变化。10-1-100几天-几个季度尺度，一年内的变化。10-4-10-1几秒-几小时尺度，一天内的变化。全球变化事件与过程的时空尺度SMin特征时间尺度log(s)DayYear(a)Centary104a106a109a全球104特征空间103尺度（公里）102101100局地大气湍流大气对流地震周期火山爆发营养物循环季节性植物循环土壤侵蚀成矿作用土壤温度变化上层海洋混合天气尺度系统土壤形成海洋环流全球天气变化CO2变化气候ElNino大气组分冰期间冰期物种形成灭绝事件造山事件板块构造地幔对流地球和生命起源要认识这些事件和过程的性质，就必须在特定的时空尺度上对它们进行研究。1、几百万年以上尺度变化的概念模式在最初十几亿年，全球变化以发生在地球历史的的各种早期地球过程为起点,从地球的起源、生命的出现，决定地球早期的历史并构成了以后全球变化的基础。该时间尺度的事件受地球行星演化规律与进程的控制，基本为不可逆过程。包括的事件有：造山造陆导致的地球上沧海桑田的演变、大气圈和水圈的形成的演变、生命的起源等。SMinDay特征时间尺度log(s)Year(a)Centary104a106a109a全球征104空103间102尺101100度局（地公里特）成矿作用物种形成地幔对流灭绝事件造山事件板块起构源造地球和生命2、几千年~几十万年尺度变化的概念模式在几千年-几十万年尺度上,第四纪晚期（距今最近的一个地质时期）和人类历史时期，全球变化主要由地球轨道要素的周期变化而引起的。板块运动造成的大地貌单元的变化与火山活动通过地球轨道参数变化发生耦合作用，共同决定全球变化的状态。（可逆事件）海面升降；大气成分的变化生物种的分布、迁移、灭绝人类文明的诞生和发展该时间尺度的事件受地球轨道参数（如偏心率、黄赤交角和岁差）等变化的影响。属于可逆事件。包括的事件有：第四纪冰期－间冰期的交替、海面的升降、伴随冷暖干湿的大气成分的改变、古土壤层的发育、生物中的分布、迁移和灭绝，以及人类文明的诞生和发展。SMin特征时间尺度log(s)DayYear(a)Centary104a106a109a全球104103特征102空间101尺度100（公局地里）成矿作用土壤形成海洋环流大气组分冰期间冰期物种形成灭绝事件人类文明的诞生和发展3、几年~几百年尺度变化的概念模式全球变化最受关注。在此时间尺度上,年际、年代际、世纪际事件。同时人类活动对全球变化的影响也最为明显。主要驱动因子：太阳活动、火山活动、大气环流的长期变化、厄尔尼诺-南方涛动等自然因子；大气温室效应的增强等人为因子。该时间尺度的事件受太阳活动、火山活动、大气环流的长期变化、ENSO等自然因子和大气温室效应的增强等认为因子的控制和驱动。包括的事件有：全球气温的趋势上升、气温、海温、降水量、径流量、植物物候期及生长季节等的准周期性波动和突变，植物群落结构变化和植被带的可能移动。SMin特征时间尺度log(s)DayYear(a)Centary104a106a109a全球104103特征102空间101尺度100（局公地里）营养物循环季节性植土壤侵蚀物循环土壤温度变化上层海洋海洋环流混合CO2变化气候ElNino4、几天~几个季度尺度变化的概念模式季节更替为本质特征。主要驱动因子：太阳辐射输入的年循环。SMin特征时间尺度log(s)DayYear(a)Centary104a106a109a全球104103特征空102间尺101度（100公里局地）地震周期火山爆发营养物循环季节性植物循环土壤温度变化上层海洋混合天气尺度系统全球天气变化5、几秒~几小时尺度变化的概念模式日变化为本质特征。主要驱动因子：太阳辐射输入的日循环。日变化为本质特征。主要驱动因子：太阳辐射输入的日循环。包括的事件有：风温压湿的日变化、地表植物冠层与大气界面上的分子扩散和湍流交换、物质交换过程★气候变化的时间尺度从时间尺度来看，气候变化可以分为六类：地质时期气候变化历史时期气候变化超长期气候变化长期气候变化中期气候变化短期气候变化万年或万年以上（104~108年）几千年（103~104年）几百年（世纪际102~103）几十年（年代际101~102年）几年（年际100~101年）月或季（100年）二、全球变化的空间尺度：1、全球尺度≥20000km特征事件：太阳辐射分布、大气环流和洋流、温室效应加剧、全球气候变化、臭氧层破坏、地球和生命的起源等2、区域尺度≤100-20000km特征事件：季风、大型天气过程、海流、ENSO、构造运动、造山运动、冰期-间冰期交替、气候带与地带性植被的形成等3、地方尺度≤10-100km特征事件：地震、流域水土流失、中尺度天气系统、植物物候、城市气候与大气污染、河流与水域的污染、成矿作用等4、局地尺度≤103m特征事件：火山爆发、小流域地表侵蚀、小尺度天气系统等全球尺度(空间范围在20000公里以上，为半球至全球尺度)特征事件有：太阳辐射的分布，大气环流和洋流，温室效应加剧与全球气候变化，臭氧层的破坏，地球和生命的起源等。这些事件对应的时间谱相当宽泛（从年至几十亿年），并且不同时空尺度的过程是相互影响的。如温室气体和臭氧层的破坏是近百年的事情，但它们对季节、年际、几十年至上百年的全球和区域气候变化和生态系统演变产生深远的影响。区域尺度（100公里－20000公里，地域单元为：大陆、大洋、陆地上的自然带和自然区及海区等）特征事件有：季风、大型天气过程（台风、气旋反气旋）、海流、ENSO、岩石圈板块构造运动与造山运动、冰期－间冰期交替、气候带与地带性植被－土壤的形成。这些事件对应的时间谱相当宽泛（从年至几十亿年），并且不同时空尺度的过程湿相互影响的。如青藏高原隆起的效应。地方尺度（10公里－100公里）特征事件有：地震、流域的水土流失、中尺度天气系统（如雷暴）、植物物候期的水平变化、城市气候与大气污染、河流与水域的污染、成矿作用等。这些事件对应的时间谱可以从小于1天到百万年。事件的个体性增强，彼此间的联系减弱，事件的影响多限于当地。局地尺度（10公里以下）特征事件有：火山爆发、小流域地表侵蚀、小尺度天气系统（如龙卷风、山谷风）、植物物候期的随地形的变化、植被冠层的微气象、土壤的养分循环、气体等的点污染。这些事件对应的时间谱短，从几秒到一年内，空间特性明显。三、时空尺度的联系性：1、大气圈的变化最活跃2、生物圈的变化较为复杂3、土壤的成土过程从几百年-几千年，但其侵蚀过程仅几年-几十年，甚至是一次暴雨过程4、海洋过程5、地质过程中的板块运动、地幔对流、造山运动、地球的起源第二节全球变化的驱动力Questions驱动全球变化的外力因素？驱动全球变化的内力因素？人类是怎样影响全球变化的？地球系统内部的反馈作用。全球变化驱动因素:地球外力因素；地球内力因素；人类活动对全球变化的影响；地球系统自身相互间的影响和反馈。影响全球变化因素:①周期变化因素。太阳活动、地球轨道参数的变化,致全球环境的周期性变化;②非可逆性变化因素。太阳长期演化、板块运动,可致环境的不可逆的变化;③随机发生的因素。火山活动、小行星碰撞,致全球变化有短期的扰动,也有长期的不可逆的变化。每种因素在不同时间尺度上具有不同的重要程度和表现方式。一、驱动全球变化的地球外因素□太阳辐射的变化□地球轨道参数的变化□地外物体的撞击作用太阳辐射、其他天体引力作用、星体对地球的撞击。太阳辐射直接驱动了发生在地球表面的各种过程。太阳辐射变化改变到达大气顶能量，影响能量收支导致气候变化全球变化。其他天体引力作用星体对地球的撞击物种的灭绝和产生地球运动轨道参数改变地球运动轨道参数改变，地貌改变、地球全球变化。自1750年至今，太阳辐射变化导致的辐射强迫约为0.3±0.2W/M2，据估计主要发生在20世纪的前50年中。1970年代以来，卫星观测到的太阳辐射没有大的变化。Data1）太阳活动：太阳活动指太阳表面上一切扰动现象的总称。如太阳黑子、光斑,谱斑、耀斑,日饵等。2）太阳活动的周期：太阳黑子活动在101~102年尺度上存在显著的周期变化。如11年的沃尔夫周期、22年的海尔周期、80年的世纪周期、180年的双世纪周期等。据估计：太阳辐射变化1%，地面平均温度可变化约1℃，冬半球高纬度温度变化更为明显；模拟结果显示：太阳常数增加2%，地面温度可上升约3℃；太阳常数减少2%，地面温度可下降约4.3℃。有资料表明：太阳黑子活动弱时气温偏低，历史上太阳活动极小期对应冷期，如17世纪的小冰期，是太阳黑子活动的蒙得尔极小期，太阳常数比现代低1%。据估计：太阳辐射变化1%，地面平均温度可变化约1℃，冬半球高纬度温度变化更为明显；模拟结果显示：太阳常数增加2%，地面温度可上升约3℃；太阳常数减少2%，地面温度可下降约4.3℃。有资料表明：太阳黑子活动弱时气温偏低，历史上太阳活动极小期对应冷期，如17世纪的小冰期，是太阳黑子活动的蒙得尔极小期，太阳常数比现代低1%。□地球轨道参数的变化地球轨道要素主要有3个:偏心率、黄赤交角与岁差。20世纪30年代米兰科维奇提出用地球轨道要素的变化来解释第四纪冰期——间冰期的交替。（1）地球绕太阳运行的轨道参数的变化会引起日地距离的变化,从而改变地球接受的太阳辐射量。（2）轨道参数的变化则可能影响地球接受太阳辐射的季节变化及地理分布的变化,进而改变气候。认为：夏季接受太阳辐射的多少是冰盖盛衰的关键。夏季凉爽会使冬季积雪融化较少,因而导致冰进。夏季炎热则可以使冰雪融化,造成冰退。1）地球轨道偏心率：地球绕日椭圆轨道的焦距与主轴长度之比。2）黄赤交角：地球自转轴与对黄道面的垂直轴之间的交角。3）岁差：春分点的进动。4)耀斑是太阳大气中的爆炸现象，表现为日面突然出现迅速发展的亮斑闪耀，其寿命仅在几分钟到几十分钟之间，释放出相当于上百亿颗百吨级氢弹爆炸的巨大能量。①偏心率：偏心率变化于0.005~0.06之间，周期约9.6万年,另有40万年的周期变化。目前偏心率约0.0167。偏心率愈小，地球绕日轨道愈接近圆形。目前的近日点与远日点接受的太阳辐射量约差7%，若偏心率最大时接受的太阳辐射量可差30%。现代北半球为冬季时在近日点,夏季在远日点,夏季虽然太阳辐射强度下降但夏季增长,有利于冰融化。②黄赤交角：黄赤交角的变化影响地球上不同纬度和不同季节的气候差异程度的大小，黄赤交角越大，冬季和夏季的差异越大。黄赤交角变化对极区影响最大，极地地区夏季变凉，冬季变暖；反之，极地地区更为寒冷。若黄赤交角增大，高纬度夏季辐射量增大，冬季减少，年较差增大，且年辐射量增加（4.02%/1)；赤道地区年辐射量减少(0.35%/1)。若黄赤交角减小，高纬度夏季辐射量减少(凉夏，有利于冰川发展），冬季增加（冬暖），年较差减小；赤道地区年辐射量增加。黄赤交角的变幅21º39′~24º36′，变化周期约4.1万年。目前倾角为23º27′。2.83万年前为22º06′，即冬暖夏凉有利冰川发展。（冬夏差异小）9100年前为24º14′，冬寒夏热有利冰川融化。（冬夏差异大）③岁差：近日点在一年中所处位置的变化，约有2.1万年的周期变化。冬至位于近日点时冬暖夏凉；夏至位于近日点时冬寒夏热。大约1万年前北半球冬季为远日点，目前为近日点。米兰柯维奇理论：于1920年提出的第四纪冰期的天文假说。认为：偏心率、黄赤交角和岁差的周期