气象学和气候学PPT课件

气象学与气候学,授课教师:苏新吴怀春,.,2,第九章气候变化,地球上气候一直不停地呈波浪式发展,冷暖干湿相互交替,变化的周期长短不一。现代气候是地球气候变化长河中的一个发展阶段。,.,3,第九章气候变化,一、气候变化的历史事实二、气候变化的因素,.,4,一、气候变化的历史事实,地球形成为行星的时间尺度约为50土5亿年。据地质沉积层的推断,约在20亿年前地球上就有大气圈和水圈。地球气候史的上限,可追溯到20士2亿年,.,5,一、气候变化的历史事实,地球气候史分为三个阶段:地质时期气候-时间跨度大,从距今22亿一1万年,其最大特点是冰期与间冰期交替出现。历史时期气候-指1万年以来的气候。近代气候-最近一、二百年有气象观测记录时期的气候。,.,6,一、气候变化的历史事实,周期的气候变化有:1、大冰期与大间冰期气候:时间尺度约为几百万年到几亿年。2、冰期气候与亚间冰期气候:时间尺度约为几十万年。,.,7,一、气候变化的历史事实,3、副冰期与副间冰期气候:时间尺度约为几万年。4、寒冷期小冰期与温暖期小间冰期气候: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年到几十年。,.,8,（一）地质时期的气候变化,（一）地质时期的气候变化地球古气候经历过三次大冰期气候。震旦纪大冰期、石炭一二迭纪大冰期和第四纪大冰期。在各大冰期之间是比较温暖的大间冰期,.,9,.,10,.,11,.,12,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候世界规模的大冰川气候，在亚、欧、非、北美和澳大利亚的大部分地区中,都发现了冰碛层，一般认为有两期。,纳米比亚,宜昌,.,13,目前人们已经认识到新元古代末期至少发生了二次冰川事件，并且本次事件还具有其特殊的特征a、低纬和低海拔产出,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,14,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,a、低纬和低海拔产出,.,15,b.条带状铁层重新出现,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,16,C、碳酸盐岩帽,挪威,宜昌,宜昌,.,17,寒武纪生命大爆发,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,18,动态倾斜模型,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,19,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,20,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,21,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,22,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,23,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,24,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,25,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,26,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,27,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,28,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,29,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,30,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,31,（一）地质时期的气候变化,1.震旦纪大冰期气候（约6亿年前）,.,32,地质构造运动与碳循环,.,33,有机碳泵和无机碳泵,吸收二氧化碳,放出二氧化碳,.,34,CO2低,CO2高,颗石的钙化与大气CO2,.,35,地球系统：,浮游生物类型与数量无机碳/有机碳沉降比例大气CO2浓度气候冷暖，冰盖大小，海面升降,.,36,.,37,据Hoffman，1999,雪球地球,.,38,（一）地质时期的气候变化,2.寒武纪石炭纪大间冰期气候(3-6亿年前）寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪和石炭纪五个地质时期,经历3.3亿年。全球气候较温暖,森林面积极广,形成大规模的煤层。海洋性气候特征(没有明显季节区别，树木缺少年轮)。,.,39,3.石炭二迭纪大冰期发生在距今23亿年从所发现的冰川迹象表明，受到这次冰期气候影响的主要是南半球。在北半球除印度外，目前还未找到可靠的冰川遗迹。这次冰川气候中，中国西部、西伯利亚、北欧和北美为广大的干燥带其外围是温暖的湿润气候带干燥带的南面是潮湿炎热的气候带。这时我国仍具有温暖湿润气候带、于燥带和炎热潮湿气候带。,（一）地质时期的气候变化,.,40,4三迭纪第三纪大间冰期发生在距今约2亿到200万年前，包括整个中生代的三迭纪、侏罗纪、白垩纪都是温暖的气候到新生代的第三纪时世界气候更趋暖化共计约22亿年。在中国、欧洲、北美发现三迭纪时的红色和紫色地层很普遍，说明当时气候炎热，氧化作用强烈。地层中常含有石膏和石盐层，又说明当时气候很干燥。,（一）地质时期的气候变化,.,41,氧同位素分馏作用,随降水过程而富集16O,海水中富集18O,冰盖中富集16O,.,42,与海水同位素保持平衡,18O与16O的比例水汽蒸发时发生分馏因此可以用有孔虫壳体的18O/16O辨识冰期,有孔虫CaCO3壳体中的氧同位素,.,43,白垩纪-温室气候范例,海水和大气温度白垩纪中期平均高出现今10C大气CO2含量现今含量的4-12倍海平面变化最高可能比现今海平面高出350米,.,44,Braloweretal.,2002,OAE2,南高纬度地区海洋上层同位素古温度22-28C;温带北大西洋深水温度高达20C;无法忍受冰冻条件的大型爬行动物出现在北纬78度地区。,.,45,.,46,大洋缺氧事件与黑色页岩,碳同位素正偏移：2-4有机质大规模埋藏：C/T界线0.5Ma埋藏有机碳总量达1.61018mols生物大规模绝灭：C/T界线绝灭率放射虫58%，浮游有孔虫20%，钙质超微8%,.,47,（一）地质时期的气候变化,5.第四纪大冰期气候从距今200万年前开始直到现在。冰期最盛时陆地有24%的面积为冰所覆盖,还有20%的面积为永冻土。在北半球形成三个大陆冰川中心,.,48,（一）地质时期的气候变化,斯堪的那维亚冰川中心，向低纬伸展到51N;北美冰川中心，向低纬伸展到38N左右;西伯利亚冰川中心，有时可能伸展到50N的贝加尔湖附近。,.,49,.,50,第四纪大冰期中的亚冰期和亚间冰期,.,51,（一）地质时期的气候变化,亚冰期内,平均气温约比现代低8-12。距今1.8万年前为第四纪冰川最盛时期,一直到1.65万年前,冰川开始融化。,.,52,（一）地质时期的气候变化,亚间冰期内,气温比现代高。如北极约比现代高10以上,低纬地区约比现代高5.5左右。中纬度的冰盖消失,甚至极地冰盖整个消失。,.,53,（二）历史时期的气候变化,约距今1万年左右的时期开始,全球进入冰后期。挪威冰川学家对冰后期的近1万年来挪威的雪线研究表明这期间世界气候有四次大的波动:,.,54,（二）历史时期的气候变化,公元前5000年到公元前1500年的最适气候期,当时气温比现在高3-4;15世纪以来的寒冷气候,其中1550一1850年为冰后期以来最寒冷的阶段,称小冰河期,当时气温比现在低1-2。,.,55,蒙古冻结松树片断（摄影奖第一名）,2003年9月，全美“科学与工程清晰图像挑战赛”，作者：美国哥伦比亚大学DeeBreger）采用SEM和X射线微量分析设备抓拍的。表现的是含有3条年轮的一棵西伯利亚松树的小片断。中间狭窄而不成形的部分，对应公元前536年左右的夏天，突如其来的灾难性寒冷天气将树液迅速冻结。这种恶劣气候可能跟当时印尼克拉卡托亚（Krakatoa）火山的的剧烈爆发有关。这座火山在1883年再次大爆发时曾夺走36000条人命,.,56,600年气温变化,.,57,（二）历史时期的气候变化,中国近5000年-2000年中,大部分时间的年平均温度比现在高2左右,是最适气候期。我国的气候从公元前1000年的周朝初期以后,有4个温暖时期和4个寒冷时期.,.,58,气候变迁导致唐朝衰亡被许多历史学家视为中国历史全盛时期的唐代，因为季风循环的改变而趋于衰败。唐代因艺术文学兴盛，以及与印度及中东商人交易促成繁荣而闻名，这个朝代横跨将近三个世纪，自公元六一八年至九零七年，后来因为发生动乱而覆亡。德国波茨坦地学研究中心学者郝格率领科学家，研究中国广东省湛江湖的沉积物体核心。他们相信，这些沉积物具有磁性，且内含钛元素，可以作为显示东亚季风系统冬季循环的指针。他们发现，过去一万五千年存在三个时期，其中冬季季风强劲，夏季季风微弱。头两个时期发生在上一个冰河时期间的关键时刻，而最后一个时期则介于公元七百年至九百年左右。这每一个季风变迁发生时，正巧也会出现通常与这个循环期有关的异常寒冷气候。唐代自七五一年起国势走衰，军队更遭到阿拉伯人击溃。但最后造成朝代灭亡的，是漫长的干旱与夏雨不足，导致作物欠收，引发农民叛乱。最后，这些叛乱导致唐朝在公元九零七年灭亡。,（二）历史时期的气候变化,.,59,（三）近代气候变化特征,从19世纪末到本世纪40年代,世界气温曾出现明显的波动上升现象。如北极地区巴伦支海水面温度1919-1928年间比1912-1918年时高出8。在30年代出现过许多以前根本没有来过的喜热性鱼类。,.,60,（三）近代气候变化特征,其后气候变冷。以北极为中心的60N以北,气温愈来愈冷,如1968年冬,原隔着大洋的冰岛和格陵兰被冰块连接起来,发生了北极熊从格陵兰踏冰走到冰岛的罕见现象。,.,61,（三）近代气候变化特征,70年代以后,气候又趋变暖,1980年后,气温增暖的形势更为突出。我国上世纪末以来上升气温趋势。如1910-1960年50年间天山雪线上升了40-50m,天山西部的冰舌末端后退了500-1000m,喜马拉雅山脉在我国境内的冰川也处于退缩阶段。,.,62,（三）近代气候变化特征,.,63,（三）近代气候变化特征,.,64,二、气候变化的因素,.,65,气候变化的因素,气候的形成和变化有外部的和内部的因子。影响气候而本身不受气候影响的因子称为外部因子(如太阳辐射、地球轨道参数的变化、大陆飘移、火山活动等)。,.,66,气候变化的因素,完整的气候系统包括了5个物理组成部分：大气、海洋、冰雪圈、陆地表面和生物圈。气候系统各组成部分之间的相互作用为内部因子。,.,67,二、气候变化的因素,一、地球轨道因素的改变二、火山活动三、太阳活动的变化四、海陆分布对气候的影响五、地形和地面特性与气候六、冰雪覆盖与气候,.,68,二、气候变化的因素,(一地球轨道因素的改变地球公转轨道的三个因素：偏心率、地轴倾角和春分点的位置都以一定的周期变动着,导致地球上所受到的天文辐射发生变动,引起气候变迁。,.,69,(一地球轨道因素的改变,1.地球轨道偏心率的变化到达地球表面单位面积上的天文辐射强度与日地距离的平方成反比,。地球绕太阳公转轨道是一个椭圆形，偏心率是在0.00一0.06之间变动的,其周期约为96000年。,.,70,日地距离,.,71,2.地轴倾斜度的变化,地轴倾斜即赤道面与黄道面的夹角是产生四季的原因。地轴倾斜度变小时,高纬度的年辐射量要减少,则冬暖夏凉,夏凉最利于冰川发展。地轴倾斜变动周期约40000年。,.,72,3.春分点的移动,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1天。大约在1万年前,北半球在冬季处于远日点的位置(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。,.,73,(一)地球轨道因素的改变,三个轨道要素不同周期的变化同时对气候发生影响。米兰柯维奇曾综合这三者的作用计算出65N纬度上夏季太阳辐射量在60万年内的变化。,.,74,.,75,(一)地球轨道因素的改变,米兰柯维奇认为当夏季温度降低约4-5,冬季反而略有升高的年份,冬天降雪较多,而到夏天雪还未来得及融化时,冬天又接着到来,这样反复进行,就会形成冰期。,.,76,气候变化,.,77,(二)火山活动,强火山爆发喷出的火山尘和硫酸气溶胶能喷入平流层。并在平流层飘浮数年,强烈地反射和散射太阳辐射,长时间对地面产生净冷却效应-阳伞效应。,.,78,.,79,.,80,皮纳图博火山位于菲律宾的吕宋岛上，东经120.35、北纬15.13处。海拔:1991年6月15日大爆发前为1745米;大爆发后火山颠峰消失,其破火山口的火山口缘最高点为1486米,中间的塌陷部位则仅比海平面高820-840米。为层状火山.1991年前无喷发的历史纪录。1991年6月15日大爆发，抛出的火山碎屑物总体积超过5立方千米，火山灰云升到35,000米的高空,它们在平流层中悬浮飘移,其中约有2000万吨是二氧化硫,导致地球气温降低约0.5C达两年之久.爆发时还有火山碎屑流沿山坡滚滚而下,填满附近的深谷,最厚达200米,到1996年,这些火山堆积物的温度还有500C.原来的火山锥因爆炸崩塌,形成宽达2500米的破火山口,高度降低约300米.火山学家评为20世纪地球上第二大的火山喷发。,.,81,皮纳图博火山喷发,1745m1486m,.,82,(二)火山活动,1815年Tarnbora火山(8.25S,118E)爆发时,500km内有三天不见天日,各方面估计喷出的固体物质可达100-300km3。,.,83,(二)火山活动,1815年Tarnbora火山爆发。欧美各国在1816年普遍出现了“无夏之年”，整个北半球中纬度气温平均比常年偏低1左右。加拿大6月即开始下雪。我国华东沿海各省在1817年六月廿九日(阳历8月11日)见雪（六月雪）。,.,84,(二)火山活动,火山爆发呈现着周期性的变化。历史上寒冷时期往往同火山爆发次数多、强度大的活跃时期有关。过去200万年间几乎每次冰期的建立和急剧变冷都和大规模火山爆发有关。,.,85,(三)下垫面地理条件的变化,以海陆分布和地形变化对气候变化影响最大。-历史上的板块运动地形变化-喜马拉雅山脉抬升地面特性-冰雪覆盖,.,86,板块运动,.,87,板块运动-石炭纪海陆分布,.,88,1、海陆分布-海气相互作用与环流,在纬度40以上的洋面,洋流绕着副极地低压流动。如,北大西洋的湾流受冰岛低压东南部西南风的影响,有一支长驱向东北方向流动,称北大西洋暖流,沿欧洲海岸伸入到巴伦支海。,.,89,.,90,1、海陆分布-海气相互作用与环流,在冰岛低压的西部盛行北风和西北风,形成东格陵兰冷流和拉布拉多冷流。这些冷流来自北冰洋,携有冰块和巨大的冰山,冷流的密度大,当它与湾流相遇时,就潜入湾流之下。,.,91,.,92,世界“寒极”在哪里?,.,93,环流与热量输送,如北大西洋暖流,在盛行西风到西南风的作用下,使西北欧的气温愈靠近大西洋海岸气温愈暖,愈向内陆,气温乃逐渐变低,到了东西伯利亚维尔霍扬斯克附近,1月平均气温降到-50,成为世界“寒极”。,.,94,环流与热量输送,鄂霍次克海海面因位于亚欧大陆东侧,受西来大陆冷空气的影响,温度甚低,成为世界冰害。,.,95,海陆间的热量,.,96,.,97,环流与热量输送,夏季大陆是热源,海洋是冷源,在热带、副热带大陆上气温最高,这种海陆间的热量交换是造成同一纬度带上,大陆东西两岸和大陆内部气温有显著差异的要原因。,.,98,2、局部地壳运动,大西洋从格陵兰到欧洲经过冰岛与英国的水下高地,该高地因地壳运动有时会上升到海面之上,而隔断了墨西哥湾流流入北冰洋，使整个欧洲西北部受不到湾流热量的影响,因而形成大量冰川。第四纪冰川的形成就与此有密切关系。,.,99,3、地形变化-青藏高原,机械阻挡作用青藏高原有一系列的山峰超过7000-8000m,占据对流层中低部,对于冬季厚度不大的冷空气是一个较难越过的障碍。导致我国东部热带、副热带地区的冬季气温远比受西藏高原屏障的印度半岛北部为低,.,100,3、地形变化-青藏高原,热力作用青藏高原地面气温与同高度自由大气相比,冬季青藏高原是冷源，气温偏低,向四周自由大气吸收热量；,.,101,3、青藏高原季风,春夏季青藏高原是强大的热源,向四周大气提供热量。青藏高原与四周自由大气的热力差异,造成冬夏相反的盛行风系(高原季风)。,.,102,4、地面特性与气候,下垫面辐射差额在同一纬度、同一季节、同样的天气条件下,如下垫面土壤性质不同,具有不同的反射率。一般干休闲地为16%,湿开垦地为8%。湿土吸收的太阳总辐射比干土大。,.,103,4、地面特性与气候,土壤的热容量和导温系数不同,也会产生小气候的差异。如导温系数小的干沙土表层增温快,减温亦快,干沙土表层温度日振幅和年振幅都较大。湿沙土表层温度的日振幅和年振幅都比较小。,.,104,4、地面特性与气候,地面特性在某些条件下对区域气候亦有显著影响。如在干旱少雨的地带,植被极其稀少,地面为大范围的干裸地砂、岩石等,砂、石的比热小,在白天阳光照射下,地面强烈增温,地面散失的热量很多,成为热辐射的汇。,.,105,4、地面特性与气候,在维持热量平衡中,沙漠地区空气下沉,压缩增温。由于下沉的空气十分干燥,使得沙漠地区进一步变干,植被进一步破坏,导致沙漠化的范围进一步扩展。,.,106,4、地面特性与气候,如撒哈拉一阿拉伯一印度一巴基斯坦一带沙漠区。是地面辐射特性影响气流下沉,所形成生物地球物理反馈机制,进一步导致沙漠区域气候扩展。我国的内蒙-塔里木？沙漠化！,.,107,4、地面特性与气候-冰雪覆盖,全地球约有10%的面积为冰雪所覆盖,大陆雪盖（占地球面积4.7%）以季节性积雪为主。如果积雪长期维持则变为大陆冰盖（大陆冰原）。南极冰原最大，格陵兰冰原次之,山岳冰川的面积最小,三者冰体的体积之比约为90:9:1.,.,108,4、冰雪覆盖与气候,冰雪覆盖是气候系统组成部分之一,物理性质与无冰雪覆盖的陆地和海洋不同,形成一种特殊性质的下垫面。它们不仅影响其所在地的气候,而且还能对另一洲或另一半球的大气环流、气温和降水产生显著的影响。,.,109,冰雪覆盖与气温,1、冰雪覆盖是大气的冷源,它不仅使冰雪覆盖地区的气温降低,而且通过大气环流的作用,可使远方的气温下降。如北半球和南半球各自的月平均气温均与冰雪覆盖面积呈反相关关系,冰雪面积大,平均气温低。,.,110,(二)冰雪-大气间能量交换和水分交换特性,冰雪表面与大气间的能量交换能力很微弱。当冰雪厚度达到50cm时,地表与大气之间的热量交换基本上被切断。（如冬雪是麦子的棉被）,.,111,(二)冰雪-大气间能量交换和水分交换特性,北极海冰的厚度平均为3m,南极海冰厚度为1m,大陆冰原的厚度更大。因此大气就得不到地表的热量输送。特别是海冰的隔离效应,有效地削弱海洋向大气的显热和潜热输送,这又是一个致冷因素。,.,112,海冰的隔离效应,.,113,二、冰雪覆盖与气温,冰雪表面的饱和水汽压比同温度的水面低,冰雪供给空气的水分甚少。相反地,冰雪表面常出现逆温现象,于是空气反而要向冰雪表面输送热量和水分(水汽在冰雪表面凝华)。所以冰雪覆盖不仅有使空气致冷的作用,还有致干的作用。,.,114,冰雪覆盖与气温,融冰化雪还需消耗大量热能。（下雪不冷化雪冷）在春季无风的天气下,融雪地区的气温往往比附近无积雪覆盖区的气温低数十度。,.,115,冰雪覆盖与大气环流和降水,冰雪覆盖使气温降低,在冰雪未全部融化之前,附近下垫面和气温都不可能显著高于冰点温度。冰雪在一定程度上起了使寒冷气候在春夏继续维持稳定的作用，往往成为冷源而影响大气环流和降水。,.,116,冰雪覆盖与气温,如冰雪覆盖对梅雨的影响梅雨（初夏6、7两月）实质上是南方来的暖湿空气同北方来的寒冷空气在长江流域一带持续冲突影响的结果,.,117,冰雪覆盖与气温,如冰雪覆盖对梅雨的影响鄂霍茨克海在初夏6、7两月期间是同纬度地带中最寒冷的地区,成为向南移动的主要冷空气源地之一,在梅雨的形成中起了主要的作用.在对梅雨的长期预报时,必需考虑鄂霍茨克海年初的冰雪覆盖面积。,.,118,4、冰雪覆盖,冰雪覆盖面积和厚度变化与海平面高低。寒冷时期,降雪多而融化少,大陆就把水分以冰雪形式留在大陆上,不能通过河川径流等水分外循环形式如数(海洋表面蒸发数量)还给海洋,导致海洋支出的水分多,收入的水分少,海水就会变少,海平面就会下降。,.,119,4、冰雪覆盖与海平面,温暖时期,大陆上的积雪就会融化,这时海洋收入的水分又会多于支出的水分,引起海水增多和海平面上升。据估算如果目前南极大陆冰原全部融化,则世界海洋的海平面要抬升70-80m。,.,1