大氣污染控制工程：第十二章 大氣污染與全球氣候

1、,第十二章 大氣污染與全球氣候,溫室氣體與全球氣候變化 臭氧層破壞問題 致酸前體物與酸雨 大氣棕色云,本章主要內(nèi)容,2,全球氣候變化與溫室效應(yīng) 影響氣候變化的大氣成分 人類活動對氣候的影響 氣候變化的影響 應(yīng)對措施與策略,一、溫室氣體與全球氣候變化,3,4,一、溫室氣體與全球氣候變化,全球氣候變化與溫室效應(yīng),全球氣候變化 在全球范圍內(nèi)，氣候平均狀態(tài)統(tǒng)計學(xué)意義上的巨大改變或者持續(xù)較長一段時間的氣候變動。,IPCC, 2014,5,一、溫室氣體與全球氣候變化,全球氣候變化與溫室效應(yīng),溫室效應(yīng)：溫室氣體吸收長波輻射并再反射回地球，減少向外層空間的能量凈排放，使大氣層和地球表面變熱,溫室氣體：CO2、

2、CH4、N2O、CFCs、BC、O3,6,一、溫室氣體與全球氣候變化,影響氣候變化的大氣成分,南極冰芯中提取的大氣中溫室氣體濃度變化,7,一、溫室氣體與全球氣候變化,影響氣候變化的大氣成分,CO2,全球大氣中CO2濃度已由工業(yè)化前時代的約280ppm增加到2011年的390ppm,在過去一萬年(大圖)中和自1750年(嵌入圖)以來，大氣二氧化碳濃度的變化。圖中所示測量值分別取自冰芯(不同顏色的符號表示不同的研究結(jié)果)和大氣樣本(紅線)。,IPCC, 2007,8,一、溫室氣體與全球氣候變化,影響氣候變化的大氣成分,CO2,過去10年大氣中CO2濃度以1.8ppmv/年 的速率增長，而過去50年

3、平均僅為1ppmv/年。,9,一、溫室氣體與全球氣候變化,影響氣候變化的大氣成分,CH4,全球大氣CH4濃度值從工業(yè)化前的約715ppb增至2011年的1803ppb,在過去一萬年(大圖)中和自1750年(嵌入圖)以來，大氣甲烷濃度的變化。圖中所示測量值分別取自冰芯(不同顏色的符號表示不同的研究結(jié)果)和大氣樣本(紅線)。,IPCC, 2007,10,一、溫室氣體與全球氣候變化,影響氣候變化的大氣成分,N2O,全球大氣中N2O濃度值已從工業(yè)化前時代的約270ppb增至2011年的324ppb,在過去一萬年(大圖)中和自1750年(嵌入圖)以來，大氣氧化亞氮濃度的變化。圖中所示測量值分別取自冰芯(

4、不同顏色的符號表示不同的研究結(jié)果)和大氣樣本(紅線)。,IPCC, 2007,11,一、溫室氣體與全球氣候變化,影響氣候變化的大氣成分,CFCs,12,一、溫室氣體與全球氣候變化,影響氣候變化的大氣成分,氣溶膠,大氣氣溶膠和溫室氣體對全球溫度的聯(lián)合作用,蘭線是包括溫室氣體和氣溶膠的共同作用；紅線是去除了硫酸鹽氣溶膠作用后，全球平均溫度的變化,13,一、溫室氣體與全球氣候變化,輻射強(qiáng)迫(Radiative forcing) 全球地球-大氣系統(tǒng)可獲得的凈輻射能量，W/m2 正的輻射強(qiáng)迫會使地球表面和低層大氣變暖，負(fù)的輻射強(qiáng)迫使其變冷。 輻射強(qiáng)迫值依賴于每種溫室氣體濃度增加的大小，相關(guān)氣體的輻射特性

5、，以及業(yè)已存在在大氣中的其它溫室氣體的濃度。,影響氣候變化的大氣成分,全球變暖潛勢(global warming potential, GWP) 某一給定物質(zhì)在一定時間積分范圍內(nèi)與二氧化碳相比而得到的相對輻射影響值。,14,一、溫室氣體與全球氣候變化,影響氣候變化的大氣成分,輻射強(qiáng)迫：1750-2011年氣候變化的輻射強(qiáng)迫,IPCC, 2013,15,一、溫室氣體與全球氣候變化,影響氣候變化的大氣成分,主要溫室氣體及其特征,16,一、溫室氣體與全球氣候變化,人類活動對氣候的影響,人類活動是不是氣候變化的主要原因?,極有可能的是，觀測到的1951-2010年全球平均地表溫度升高的一半以上是由溫室

6、氣體濃度的人為增加和其他人為強(qiáng)迫共同導(dǎo)致的。人類活動引起的變暖最佳估計值與這個時期觀測到的變暖相似。,利用大氣、冰凍圈和海洋的三個大尺度指標(biāo)比較觀測到的和模擬的氣候變化,17,一、溫室氣體與全球氣候變化,人類活動對氣候的影響,受人類活動影響的全球碳循環(huán)(2002-2011年),Source: Le Qur et al. 2012; Global Carbon Project 2012,單位：pg,18,一、溫室氣體與全球氣候變化,人類活動對氣候的影響,化石燃料和水泥生產(chǎn)的CO2排放,Source: Peters et al. 2012a; Le Qur et al. 2012; CDIAC D

7、ata; Global Carbon Project 2012,19,一、溫室氣體與全球氣候變化,人類活動對氣候的影響,化石燃料和水泥生產(chǎn)的CO2排放：燃料與部門貢獻(xiàn),燃煤：43%,燃油：36%,燃?xì)猓?8%,水泥：3%,20,一、溫室氣體與全球氣候變化,人類活動對氣候的影響,化石燃料和水泥生產(chǎn)的CO2排放：按國家排序,2011年全球二氧化碳排放量前14國家,人口：45% GDP：46% CO2排放：56%,21,一、溫室氣體與全球氣候變化,人類活動對氣候的影響,化石燃料和水泥生產(chǎn)的CO2排放：人均排放,2011年人均二氧化碳排放量,22,一、溫室氣體與全球氣候變化,氣候變化的影響,Extre

8、me weather,Glacier retreat,Sea level rise,Human health,Ecosystem 1993-2010年年均上升2.3-3.3mm/年,全球平均海平面(GMSL)相比于1900年的變化情況,24,一、溫室氣體與全球氣候變化,氣候變化的影響,海平面上升,海平面上升將影響河口灣生態(tài)系統(tǒng)和海岸帶經(jīng)濟(jì),1.遼河下游平原 2.華北平原 3.華東平原 4.涵江三角洲 5.珠江三角洲 6.廣西沿海平原 7.瓊北平原 8.臺灣沿海平原,中國沿海平原脆弱帶,70%大城市、一半人口和60%國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)位于海岸帶低洼地區(qū),廣州,北京,天津,上海,汕頭,1,2,3,4,8

9、,5,7,6,25,一、溫室氣體與全球氣候變化,氣候變化的影響,雪蓋/冰川面積減少,Observed sea ice changesSource: NASA,格陵蘭冰蓋的冰量損失平均速率很可能已從1992-2001年間的每年34Gt大幅度增至2002-2011年間的每年215Gt。,26,一、溫室氣體與全球氣候變化,氣候變化的影響,雪蓋/冰川面積減少,1979-2012年，北極年平均海冰面積以每10年3.5-4.1%的速率(0.45-0.51百萬平方公里)減少 1967-2012年時期，北半球三月和四月份平均積雪范圍每十年縮小1.6%,27,一、溫室氣體與全球氣候變化,氣候變化的影響,雪蓋/冰

10、川面積減少,(Ice/Snow albedo: 0.9) (Ocean albedo: 0.1),ICE/SNOW,Water,0.9,0.1,28,一、溫室氣體與全球氣候變化,氣候變化的影響,農(nóng)業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng),Change in latitude of bird center of abundance,29,一、溫室氣體與全球氣候變化,氣候變化的影響,氣象災(zāi)害事件,1980-2010年全球重大氣象災(zāi)害次數(shù)顯著增加,30,一、溫室氣體與全球氣候變化,氣候變化的影響,如果全球平均增溫幅度超過23，在目前所評估到的物種中，約20%30%可能會滅絕,升溫11.5，缺水人口增加4-11億 升溫34，

11、缺水人口增加11-32億,全球升溫1.5-2C，糧食減產(chǎn)的風(fēng)險增大,2以下的升溫都很可能對健康造成不利影響,2以下的升溫會導(dǎo)致極端事件強(qiáng)度、頻度和位置發(fā)生改變; 升溫23以上，冬季降水強(qiáng)烈增加而積雪減少，許多地區(qū)洪水多發(fā),全球升溫1.5-2C，更多人口遭受海岸線洪水的風(fēng)險,氣候變化已經(jīng)對人類生活造成影響，并將可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果,31,一、溫室氣體與全球氣候變化,應(yīng)對措施和策略,要使升溫2以下的幾率在50%以上，IPCC AR4 WGIII的第一和第二類情景的低端符合條件;,第一類情景意味著峰值為500ppmCO2當(dāng)量，2015-2020年GHGs排放達(dá)到峰值，2050年全球在2000年的基礎(chǔ)上

12、減排60-85%。,溫室氣體減排,32,一、溫室氣體與全球氣候變化,應(yīng)對措施和策略,溫室氣體減排,發(fā)展中國家2020年前排放達(dá)到峰值，發(fā)達(dá)國家2020年和2050年分別比1990年減排30%和85%,33,一、溫室氣體與全球氣候變化,應(yīng)對措施和策略,溫室氣體減排,實現(xiàn)GHG濃度穩(wěn)定的減緩組合,34,一、溫室氣體與全球氣候變化,應(yīng)對措施和策略,溫室氣體減排,不同燃料燃燒單位GJ的CO2排放量,35,一、溫室氣體與全球氣候變化,應(yīng)對措施和策略,溫室氣體減排,到2020年, 可再生能源占能源消費總量的15,到2030年,煤電發(fā)電量小于總發(fā)電量的60%,20102020年間，煤電比例每5年降低 45%

13、,36,一、溫室氣體與全球氣候變化,應(yīng)對措施和策略,適應(yīng)氣候變化,自然或人類系統(tǒng)對新的變化或變化的環(huán)境進(jìn)行的調(diào)整過程 即使在全球減排行動采取之后，氣候變暖也不會停止或逆轉(zhuǎn)，只能減緩變化的速度，以允許生物系統(tǒng)和人類社會有更多的時間去適應(yīng),海洋的響應(yīng)很慢，氣候系統(tǒng)有很大的慣性。如果所有的排放今天立即停止，海洋將會持續(xù)地增暖幾十年，直到最后它達(dá)到一個新的平衡態(tài)。 從化石燃料改變?yōu)榍鍧嵑涂稍偕茉葱枰獣r間，因而還會有進(jìn)一步的排放。由于在將來這是不可避免的，因而適應(yīng)氣候變化在長時期是必需的。,37,一、溫室氣體與全球氣候變化,應(yīng)對措施和策略,對氣候變化的適應(yīng),38,一、溫室氣體與全球氣候變化,應(yīng)對措施和

14、策略,控制氣候變化的國際行動,溫室氣體與全球氣候變化 臭氧層破壞問題 致酸前體物與酸雨 大氣棕色云,本章主要內(nèi)容,39,大氣臭氧層的主要特征 臭氧層破壞現(xiàn)象 平流層臭氧形成及破壞機(jī)理 消耗臭氧層的物質(zhì) 應(yīng)對臭氧層破壞的措施與策略,二、臭氧層破壞問題,40,大氣臭氧層的主要特征,二、臭氧層破壞問題,41,臭氧的垂直分布,大氣臭氧層的主要特征,二、臭氧層破壞問題,42,臭氧層的作用,大氣臭氧層的主要特征,二、臭氧層破壞問題,43,平流層臭氧的水平分布,Dobson：假定垂直氣柱中的O3全部集中起來成為一個純臭氧層，用這一純臭氧層在00C、1個大氣壓下的厚度來度量O3的總含量，厚度為10-3cm時定

15、義為一個DU。 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，全球臭氧層的平均厚度約為300DU。,臭氧層破壞現(xiàn)象,二、臭氧層破壞問題,44,出現(xiàn)時間：每年9-11月,臭氧層破壞現(xiàn)象,二、臭氧層破壞問題,45,臭氧洞：臭氧的柱濃度小于200DU，即臭氧的濃度較臭氧洞發(fā)生前減少超過30%的區(qū)域。,平流層臭氧的形成機(jī)理,二、臭氧層破壞問題,46,平流層臭氧的形成機(jī)理,二、臭氧層破壞問題,47,純氧理論,平流層臭氧的形成機(jī)理,二、臭氧層破壞問題,48,平流層大氣中的活性催化物質(zhì)通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)消除臭氧,Y + O3 YO + O2 YO + O Y + O2 總反應(yīng)：O3 + O 2O2,Y三類物質(zhì)：奇氮（NO、NO2）、奇氫（H、O

16、H、HO2）和奇鹵（Cl、ClO、Br、BrO，來自于哈龍）等。,催化清除理論,平流層臭氧的形成機(jī)理,二、臭氧層破壞問題,49,MeElroy等提出如果溴的濃度在1510-93010-9范圍，它將通過BrO與ClO的偶聯(lián)反應(yīng)對O3的減弱起重要作用 (由于BrO鍵能比ClO小，溴的破壞作用比ClO更大）：,催化清除理論,平流層臭氧的形成機(jī)理,二、臭氧層破壞問題,50,南極臭氧空洞的形成,消耗臭氧層的物質(zhì)(ODS),二、臭氧層破壞問題,51,消耗臭氧層的物質(zhì)(ODS),二、臭氧層破壞問題,52,臭氧層破壞的應(yīng)對措施與策略,二、臭氧層破壞問題,53,開發(fā)消耗臭氧層物質(zhì)的替代技術(shù) 無氟氯昂制冷設(shè)備 淘

17、汰消耗臭氧層物質(zhì)的措施 環(huán)境管理手段 經(jīng)濟(jì)手段 國際行動 1985年，28個國家維也納公約 1987年，46個國家關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書,臭氧層破壞的應(yīng)對措施與策略,二、臭氧層破壞問題,54,蒙特利爾議定書及其修訂案所包括的ODSs,臭氧層破壞的應(yīng)對措施與策略,二、臭氧層破壞問題,55,在議定書締約方國家的努力下，全球保護(hù)臭氧層工作取得顯著效果,臭氧層破壞的應(yīng)對措施與策略,二、臭氧層破壞問題,56,大氣中消耗臭氧物質(zhì)濃度變化,溫室氣體與全球氣候變化 臭氧層破壞問題 致酸前體物與酸雨 大氣棕色云,本章主要內(nèi)容,57,四、大氣棕色云,人為源氣溶膠光學(xué)厚度（aerosol optical depth, AOD）的年均值超過0.3，而且吸收氣溶膠的比例達(dá)10以上的區(qū)域為全球大氣棕色云熱點區(qū)域。,全球五大氣棕色云熱點區(qū)域：亞洲東部、亞洲南部的印度中央平原、東南亞地區(qū)、非洲南部以及南美洲亞馬遜流域,2001-2003年間四個季節(jié)的人為氣溶膠光學(xué)厚度 (a:為冬季；b為春季；c為夏季；d為秋季),58,非洲南部,大氣棕色云,四、大氣棕色云,59,全球黑炭排放量,四、大氣棕色云,60,中國黑炭排放量, Emission share Residential: 55%65% Industry: 25%33% Mobile: 5%11%,61,