全球變化近現(xiàn)代全球變化

全球變化近現(xiàn)代全球變化2024/12/24主要內容第一節(jié)全球氣候系統(tǒng)的變化第二節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的變化2024/12/24第一節(jié)全球氣候系統(tǒng)的變化近現(xiàn)代的物理氣候系統(tǒng)變化基于各種觀測資料的基礎上，數據精確程度比代用資料高。然而，由于時空尺度的局限，卻給問題的認識帶來困難。如：某些大范圍、大幅度的變化放在較長時間尺度上看可能只是自然界的正常振動，而不是真正意義上的“變化”；全球變化響應在區(qū)域上表面上看來是紛異復雜的差異，這種地區(qū)性現(xiàn)象卻有可能是某種真正的全球變化的不同表現(xiàn)。2024/12/24第一節(jié)全球氣候系統(tǒng)的變化1.1大氣圈組成成分的變化1.2溫度和降水變化1.3氣候變化的自然原因分析1.4海平面變化2024/12/241.1大氣圈組成成分的變化大氣圈由于自然與人為因素的干擾處于不斷變化之中。大氣成分的變化實際是地球系統(tǒng)的生物地球化學循環(huán)受到某種破壞的表現(xiàn)。人類對全球大氣成分的變化負有十分重要的責任。2024/12/241.1大氣圈組成成分變化人類活動改變大氣成分的三個途徑：通過工農業(yè)生產、生活過程中的人為排放；由土地覆蓋變化而改變與大氣交換的比例；人為排放到大氣中的某些化學物質在大氣中產生一系列化學反應，改變大氣中原有的平衡。人類活動造成的大氣成分變化主要表現(xiàn)在四個方面：使一些成分的含量增加，如CO2、SO2、CO、N2O、CH4等；使另一些大氣成分含量減少，如O3；改變一些大氣成分性質，如大氣中水的酸化；向大氣中增添人工合成的成分，如氟利昂。2024/12/24溫室效應和全球變暖氣溶膠的氣候影響臭氧洞2024/12/24溫室效應和全球變暖全球增暖的表現(xiàn)溫室氣體、溫室效應2024/12/24

全球增暖的表現(xiàn)2024/12/24全球增暖的直接證據全球地面平均氣溫與14世紀相比升高0.6℃±0.2℃(比1995年評估報告大了0.15℃)。新的分析表明,二十世紀(1900年開始)是過去的1000年間最暖的世紀,90年代又是最暖的十年,98年是最暖的年份。2024/12/24全球增暖的間接證據雪蓋和海、陸冰雪蓋和陸冰的減少與溫度升高正相關，衛(wèi)星觀測表明雪蓋范圍自1960年代末減少了10％。北半球海冰量減少顯著（50年代以來,北半球春夏的海冰范圍后退10－15%），但南半球海冰量無顯著變化趨勢。根據近地層資料,年平均江湖冰凍期縮短兩個星期。無霜期延長了約兩個星期海平面驗潮站觀測表明，20世紀海平面以每年1.0-2.0mm的速度升高。植被生長季北半球高緯度地區(qū)的植被生長季延長了1個星期以上。2024/12/24溫室氣體和溫室效應溫室氣體：那些因特殊的分子結構，能夠對紅外輻射進行吸收的氣體。溫室效應：對到達地球表面的短波太陽輻射近乎無阻擋，但部分地吸收地球表面向外發(fā)射的長波輻射，并通過大氣的再發(fā)射向地面?zhèn)鬟f能量，使地面溫度上升。這一過程類似玻璃溫室產生的作用，被稱為溫室效應。2024/12/24大氣中的主要溫室氣體2024/12/24溫室效應原理2024/12/24溫室效應2024/12/24溫室效應在全球能量平衡中的作用

自然過程控制下的溫室效應使得地表平均溫度提高了33°C。地球表面平均溫度：15°C

月球表面平均溫度：-18°C如果沒有溫室效應，生命就不可能存在。人類活動造成大氣中溫室氣體的急劇增加，從而加強的溫室效應，導致地球系統(tǒng)面臨全球增暖的威脅。2024/12/2418世紀以前的CO2變化范圍19世紀到現(xiàn)在CO2變化近半個世紀CO2的變化大氣中的CO2含量在近200年時間里一直在上升2024/12/24觀測到的全球充分混合的溫室氣體含量CO2

：大氣中CO2濃度從1750年的280ppm增加到1999年的367ppm，增加了31%，尚未超過過去42萬年和似乎過去2000萬年的變化范圍。本世紀的大氣中CO2濃度增長率是前所未有的，至少在過去2萬年中未出現(xiàn)過。2024/12/24CH4自1750年以來，大氣中CH4濃度增長了150%，現(xiàn)在的濃度達到過去42萬年以來最高值。2024/12/24N2O

自1750年以來，大氣中N2O濃度以穩(wěn)定增長了16%，達到46ppb。

N2O是一種重要的大氣輻射活性成分。其單個分子的輻射效應遠大于CH4和CO2。2024/12/24大氣中的含鹵成分氯氟烴（CFCs)：大氣中一系列含有C、Cl及F原子的鹵代烴的總稱。它們常作為制冷劑、噴霧劑及溶劑廣泛應用在工業(yè)生產中?？善茐钠搅鲗拥腛3；極強的溫室效應，某些CFCs分子的溫室效應強度超過CO2分子1萬倍以上。對流層通常缺乏清除它們的有效化學機制（通常的氧化、光解離和干濕沉降等不起作用），所以其在大氣中的化學壽命一般很長（CF4的壽命超過5萬年），其影響時間很長。HCFCs和HFCs：CFCs代用品的部分O3損耗潛能較小；由于它們的分子中含有一個或多個H原子，所以可通過與氫氧基的反應而被破壞，因而HCFCs的大氣壽命較短（從幾個月到幾十年）；溫室效應仍不可忽視。2024/12/24對流層和平流層中的O3

都是重要的溫室氣體。過去二十年平流層O3減少導致的平流層系統(tǒng)負輻射強迫量為0.15W/M2

。另外，據有限的觀測和模擬估計，1750年以來對流層的O3含量增加了約35％，導致的全球平均輻射強迫增加0.35±0.2W/M2。一些氣體只產生間接輻射強迫作用，包括NOx、CO和各種有機物等。觀測到的其它有輻射重要性的氣體的變化2024/12/24溫室氣體產生的溫室效應能否飽和劉玉芝、肖穩(wěn)安、石廣玉

利用最新版本的大氣氣體吸收光譜資料HITRAN2000，用精確的逐線積分算法，計算了大氣CO2濃度加倍后產生的輻射強迫，研究了CO2溫室效應的飽和度，以及飽和與非飽和的光譜范圍。結論（1）在目前大氣CO2含量下，CO2的15μm（660－670cm-1）帶中心已達到 飽和；（2）CO2濃度變化對輻射強迫的貢獻主要來自15μm帶的兩翼 （左510－650cm-1

；右690－840cm-1

）；（3）10μm帶遠遠沒有飽和。雖然其帶強比15μm帶的峰值強度要小6個 數量級以上，擔它對總的輻射強迫仍有重要貢獻。（4）其他的CO2吸收帶貢獻較小。2024/12/24氣溶膠及其性質和分布氣溶膠的主要氣候作用

直接輻射強迫作用 間接輻射強迫作用2024/12/24大氣氣溶膠（aerosols）迄今為止沒有統(tǒng)一的定義，普遍采用的定義：指液體或固體微粒均勻地分散在氣體中形成相對穩(wěn)定懸浮體系。2024/12/24氣溶膠的粒徑：10-3－102μm氣溶膠的物理化學性質具有高度的時空可變性。在大氣中壽命只有幾天到幾周。其清除機制是干沉降（從大氣中直接降落到地面）和濕沉降（在降水過程中與雨滴一起落到地面）。性質2024/12/24氣溶膠的化學組成氣溶膠的化學組成非常復雜，含有各種微量金屬、無機氧化物、硫酸鹽、硝酸鹽和含氧有機化合物等。2024/12/24氣溶膠隨高度的分布半徑<0.1μm的粒子，其數密度隨離高度的增加而減少。（表明其來自地表）半徑0.1－1μm的粒子，其數密度在對流層頂上部隨離高度逐漸增加，并在15－20km附近出現(xiàn)極大值，形成平流層內的氣溶膠層。這層氣溶膠可能是火山噴發(fā)物氣體在平流層中氧化成固體形成的，占大氣氣溶膠總量的百分之幾。因其穩(wěn)定存在，對大氣氣溫有重要作用。2024/12/24氣溶膠的直接輻射強迫對太陽輻射和紅外輻射的吸收和散射總體而言，氣溶膠產生顯著的負的直接輻射強迫。與溫室氣體相比較，氣溶膠的大氣存留時間很短，不能簡單 地認為對抵銷溫室效應具有長期意義。2024/12/24氣溶膠的間接輻射強迫大氣氣溶膠可作為云的凝結核影響云滴譜進而影響云的反照率以及云的壽命和降水效率來改變地球氣候。北美和亞洲一些最大的云量增長區(qū)位于硫酸鹽氣溶膠排放源的下風方向。歐洲、亞洲東部、南美和非洲工業(yè)區(qū)的上空常存在濃厚的霾。2024/12/24氣溶膠輻射強迫定量化的主要困難大氣存留時間短氣溶膠的與輻射強迫相關的重要參數及其大的時空變率

粒徑、相對濕度變化導致的粒徑變化、復折射指數、粒子溶解性……粒徑(μm)0.1110100沉降速度(cm.s-1)4x10-64x10-53x10-13x101在受到的阻力和重力作用達到平衡時的沉降速度2024/12/24大氣臭氧及其氣候、環(huán)境和生態(tài)作用大氣臭氧的分布、變化規(guī)律和臭氧洞平流層臭氧的控制因素和臭氧洞的形成原因臭氧洞2024/12/24臭氧的形成2024/12/241930年美國查普曼（Chapman）因發(fā)現(xiàn)臭氧形成的化學理論而獲諾貝爾獎。O2+hv(<240nm)=O+OO2+O=O32O3+hv=3O2實際上，除了查普曼的臭氧去除機制外，更重要的途徑是催化反應機制：Y+O3=YO+O2YO+O=Y+O2其凈結果是：O3+O=2O2其中Y主要指平流層中的三類物質，即奇氮（NO，NO2）、奇氫（OH，HO2）和奇氯（Cl，ClO)。物質Y破壞了一個臭氧分子，但Y本身并沒有被消耗，可以繼續(xù)破壞下一個臭氧分子。2024/12/24臭氧的氣候、環(huán)境和生態(tài)作用平流層臭氧 吸收紫外輻射，保護地面生物和人類 加熱平流層大氣的主要熱源對流層臭氧 吸收紅外輻射，是一種溫室氣體作為化學活性氣體，對許多大氣污染物的轉化起重要作用2024/12/24對人體健康的影響：高濃度臭氧對人的呼吸系統(tǒng)的破壞。UV-B的增加引發(fā)眼部疾病、皮膚癌和傳染性疾病。對陸生植物的影響：矮化、農產品質量下降、死亡對水生生態(tài)系統(tǒng)的影響：影響浮游植物的分布（通常在高緯度地區(qū)密度較大）等。對生物化學循環(huán)的影響：降低光合作用、促進有機物分解、促進水中溶解有機質的降解等。對對流層大氣組成及空氣質量影響：UV-B增加對流層O3和其它氧化劑如H2O2的生成，使一些城市地區(qū)的O3超標。而這些氧化劑對人體健康、動植物不利。2024/12/24臭氧的垂直分布2024/12/24南極臭氧洞臭氧洞的含義臭氧的柱濃度小于200DU，即臭氧濃度較臭氧洞發(fā)生前減少超過30%的區(qū)域2024/12/24

兩個時間段臭氧含量偏離平均值,但在9、10、11月更明顯。目前，這種趨勢在加強。總之，臭氧總量不斷減少！-10南極臭氧空洞2024/12/24NASAHistoricalImagingOfTheOzoneHole'sRapidGrowth

TotalOzoneMappingSpectrometer(TOMS)

October141980-2000

南極臭氧洞的年際變化趨勢2024/12/24北極地區(qū)臭氧的變化Scientistshavenotyetobserved,onanannualbasis,assevereathinningoftheprotectiveozonelayerintheatmosphereovertheArctic.TheozonelayershieldslifeonEarthfromharmfulultravioletradiation.AnorthernozoneholecouldbesignificantsincemorepeopleliveinArcticregionsthanneartheSouthPole.UnliketheAntarcticwhereitiscoldeverywinter,thewinterintheArcticstratosphereishighlyvariable.NASAsatelliteandairborneobservationsshowthatsignificantArcticozonelossoccursonlyfollowingverycoldwinters.2024/12/24中緯度和熱帶地區(qū)臭氧的變化由于火山活動的影響，南北緯20o－60o之間地區(qū)的大氣臭氧總量存在少量的減少；未發(fā)現(xiàn)20oN－20oS之間地區(qū)的大氣臭氧總量發(fā)生變化?！扒嗖馗咴粞醯凸取?024/12/24人類活動的影響CFCs和氮氧化物等臭氧層消耗物質的作用TheverythingthatmakesOzonegoodforfilteringUVradiationmakesiteasilydestroyed:itisveryunstable2024/12/24CFCs等破壞臭氧層的光化學過程（在實驗室經過大量實驗證明）2024/12/24CFCs等臭氧層消耗物質的源進入平流層的臭氧層消耗物質的絕大多數來自人類活動。大氣的運動和化學物質在大氣中的混合，使CFCs等臭氧層消耗物質進入平流層。2024/12/24雖然這些物質的排放有呈減小趨勢，但由于氟里昂和含溴化合物哈龍性質較穩(wěn)定，大氣中缺乏其有效的清除機制，因而其對臭氧的破壞將是長期的。一個氯原子自由基可破壞幾萬個臭氧分子，一個溴原子自由基其破壞能力是氯的30-60倍。且兩者間還存在協(xié)同作用，同時存在時，破壞臭氧的能力大于二者簡單的加和。2024/12/24

實際上，上述催化反應并不能解釋南極臭氧洞形成的全部過程。

CFCs和哈龍進入平流層后，通常是以化學惰性形態(tài)存在，并無原子態(tài)的活性氯和溴釋放。南極冬天極低溫度造成的兩種重要過程卻起了重要作用。極地渦旋：極地空氣受冷下沉，形成一個強烈的西向環(huán)流，使南極空氣與大氣的其余部分隔離，從而使渦旋內部的大氣成為一個巨大的反應器。2024/12/24太陽活動和火山活動對平流層臭氧變化長期趨勢的影響迄今為止，沒有證據表面，太陽活動和火山活動等自然強迫力對平流層臭氧變化的長期趨勢產生顯著影響。2024/12/24溫度變化在過去100多年來，全球平均溫度上升了0.3-0.6C。增溫在時間上和空間上都不均勻。時間上，20世紀前40年和最近20年兩個時段增暖最明顯；在季節(jié)上冬季和春季增暖最多，夏季變暖不明顯；在日變化上，夜間變暖大于日間，日較差減小。在空間上，中高緯度陸地地區(qū)升溫幅度較大，南半球升溫比北半球明顯。20世紀60年代以來對流層中下層升溫而對流層上部和平流層卻變冷。1.2溫度和降水變化2024/12/24總體變化了0.6℃總體變化了0.6℃，表現(xiàn)更明顯總體變化了0.6℃陸地比海洋變化大，陸地溫度變化達到１℃。溫度變化具體數據2024/12/241850年～2006年間12個最暖的年份

199119951997199819992000200120022003200420052006資料來源：IPCC第四次科學評估報告2024/12/24現(xiàn)有的分析沒有發(fā)現(xiàn)全球性的降水量變化趨勢。但在北半球中高緯度陸地地區(qū)，降水量在過去100年里一般明顯地增加了。在北半球，高緯地區(qū)大部分陸地區(qū)域每10年降水增加0.5-1.0%；10-30°N的大部分陸地區(qū)域降雨量每10年減少了0.3%；10°N-10°S的熱帶地區(qū)降雨量每10年增加0.2-0.3%。與北半球相反，南半球不同緯度沒有檢測出類似的系統(tǒng)性降水變化。研究表明，1951年~1989年中國年平均降水量存在弱的減少趨勢，但區(qū)域性差異明顯，降水減少最嚴重的是華北，其次是長江中下游、華東和西南地區(qū)。進入20世紀90年代，降水明顯增多，但主要集中在長江中下游、華南和東北部分地區(qū)。降水變化2024/12/241.3氣候變化的自然原因分析氣候系統(tǒng)內、外自然強迫因子主要包括：太陽輻射火山噴發(fā)厄爾尼諾與南方濤動（ENSO）等2024/12/24太陽輻射太陽活動表現(xiàn)出太陽輻射變化，太陽黑子是太陽活動的重要表現(xiàn)形式。根據重建的過去太陽輻射資料，20世紀的全球增暖可能有三分之一到一半是由太陽輻射增加引起的。有學者研究指出，北美大平原上最近的幾個干旱期的中值年份與太陽黑子最小值時間有很好的對應關系?？傊?，太陽輻射對氣候的變化有很大的貢獻。2024/12/24Δ14C(‰)Tem.(oC)Calendarage(AD)1利用石筍重建最近2600年夏季溫度與樹輪碳14對比(粗線為10次多項式擬合)樹輪碳14的衰減同與太陽活動相聯(lián)系的宇宙射線強度有關2024/12/24根據Lamb的研究，17世紀以來英國歷史上最陰冷的夏天都發(fā)生在火山塵埃影響的年份。1815年，印尼坦博臘火山爆發(fā)深刻影響全球氣候。北半球17世紀以及整個“小冰期”的降溫?；鹕絿姲l(fā)2024/12/241963年，歐亞及北美大陸中高緯度地區(qū)極端寒冷天氣記錄。1972年，非洲薩赫勒地區(qū)、印度、我國華北地區(qū)、以及澳大利亞的干旱，蘇聯(lián)草原地帶少雨，秘魯大洪水。1983年，南美多處嚴重洪水，澳大利亞等地干旱。1997年，印尼及新幾內亞森林大火。厄爾尼諾/南方濤動（ENSO）2024/12/241.4海平面變化觀測手段：利用驗潮站記錄精度很高，但只是驗潮儀記錄點的相對海面變化。2024/12/24海平面上升

盡管不同研究人員的結果有所不同，近百年海平面上升卻是不容置疑的事實：自上世紀末以來、海面上升約10~15cm2024/12/24全球溫度的上升，必然一些冰川的消融及其海洋表層溫度的升高！如圖：全球平均溫度增暖現(xiàn)象與全球海平面升高具體相關性。全球變暖與海平面：2024/12/242024/12/24原因分析一般認為氣候變化是最主要的原因。但也有觀點提出包括：地殼升降運動、地極位置的變化、冰川退縮和海洋環(huán)流變化……Barnett(1983)2024/12/24氣候變化氣候變化主要由于大氣溫室氣體濃度上升所導致的，對整個地球氣候系統(tǒng)產生了深刻影響，主要包括全球變暖、降水圖式變化，并進一步導致全球海平面升高、陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)受到干擾等，從而擾亂整個地球系統(tǒng)的平衡！2024/12/242.1森林生態(tài)系統(tǒng)的變化2.2生物多樣性的變化2.3荒漠化第二節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的變化2024/12/24

全球森林減少狀況。目前，全球森林面積約占陸地總面積的32％。2.1森林生態(tài)系統(tǒng)的變化2024/12/241990-2000年每年減少9.4萬km2（砍伐14.6萬km2

，新增5.2萬km2

），目前全球森林覆蓋率僅30%。熱帶雨林破壞最嚴重：非洲每年1.3萬km2

，亞洲1.8萬km2

，中南美洲4.2萬km2

。20世紀100年間，熱帶雨林面積減少了1/5。熱帶稀樹草原：僅非洲2.3萬km2

。森林破壞2024/12/24

正在消失中的綠色寶庫森林生態(tài)系統(tǒng)的變化2024/12/24森林的破壞2024/12/24森林破壞原因：A、林木砍伐：發(fā)達國家開始利用熱帶雨林時間僅30年，歐洲進入非洲，美國進入南美洲，日本進入東南亞尋求森林資源。此間發(fā)達國家熱帶木材進口量增長了十幾倍。B、森林轉換為耕地：熱帶森林采伐約一半是燒荒造田。C、森林轉換為牧場：特別在亞馬遜河流域，養(yǎng)牛場。D、作為薪材：世界一半人口炊事用薪材，特別是落后國家和地區(qū)。2024/12/24Globalforestcanopydensityandcover2024/12/24

生物多樣性的變化作為全球森林面積減少必然相聯(lián)系一個全球性問題：植物和動物的滅絕和趨于消失。2.2生物多樣性的變化2024/12/24生物多樣性銳減生物多樣性(biodiversity)：指地球上生存的所有生物的紛繁多樣性，它們的遺傳、變異及生境、生態(tài)系統(tǒng)的復雜性。包括：基因庫多樣性、物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性。物種多樣性是生物多樣性的核心。生物多樣性是維護自然生態(tài)平衡和人類生存和發(fā)展必不可少的生態(tài)基礎。2024/12/24生物多樣性降低表現(xiàn)在：A、棲息地改變和破壞：意味著生態(tài)系統(tǒng)多樣性、物種多樣性和遺傳多樣性的同時丟失。熱帶森林、溫帶森林和大平原及沿海濕地大規(guī)模地轉變成農業(yè)用地、城市、房屋等。同時，亦有許多棲息地受人類干擾破壞而變得支離破碎，不利于原有物種的生存。B、物種多樣性銳減：物種的人為滅絕速率遠大于自然滅絕速率。物種滅絕：指某一物種在整個地球上丟失。物種消失：一個物種在其大部分分布區(qū)內丟失，但在個別分布區(qū)內仍有存活。2024/12/24物種自然滅絕：生物間的競爭、疾病、捕食等長期變化；隨機災難性環(huán)境事件。物種人為滅絕：自古有之，如“更新世濫殺”。工業(yè)化以來物種滅絕速率加快。地球上每天100種生物滅絕，21世紀初可能消失的物種為100萬種。地球30-70%的植物今后100年內不復存在，20世紀末處于滅絕的哺乳動物406種，鳥類593種，爬行動物209種，魚類242種。2024/12/241800年之后，兩類動物滅絕的數量明顯增加！生物滅絕(資料來源：全球變化.張?zhí)m生等編著.高等教育出版社.249)2024/12/24生物多樣性減少原因與全球變化有關的、引起生物多樣性減少的主要原因包括：由于森林砍伐引起的生境片段化和棲息地的喪失，由于全球變暖引起的生物物候期和分布范圍的變化、傳染性疾病的發(fā)生、大氣氮沉降和施肥等。

--陳宣瑜院士/html/Dir/20