现代自然地理第2讲：全球变化.ppt

第二讲全球变化与地球系统科学,吕昌河中国科学院地理科学与资源研究所Email:luch电话：64889110,提纲,全球变化的证据与趋势全球变暖的原因全球变化的影响地球系统科学自然地理学与全球变化中国全球变化研究,一、全球变化的证据与趋势,什么是全球变化？气候变化大气化学成分的变化土地覆被变化物种的减少,1.什么是全球变化？主要由人类活动引起的可能改变地球系统生命支撑能力的全球性环境变化,2.气候变化：主要表现为全球变暖,气候变化：在自然气候变化之外，由人类活动直接或间接地改变全球大气组成所导致的气候改变。气候变化与因自然原因引起的气候变率不同（如气候的季节、年际变化等）。,气候变化的证据,气温和海温升高1950-1993年期间，陆地表面的日最低气温以每十年0.2的速度递增，超过日最高气温递增速度的两倍。使中高纬度许多地区的无霜期加长；海平面温度的上升速度是陆地表面平均气温上升速度的一半；对流层气温升高1950年代以来，地表以上8km的大气层平均每10年增温0.1降水20世纪北半球中高纬度大陆地区，每十年的降水量很可能增加了0.5-1%。热带地区可能每十年增加了0.2-0.3%。而亚热带地区可能减少了0.3%;20世纪后半叶，北半球中高纬度地区，强降水天气可能增加了2-4%,来源：IPCC第三次评估报告,IPCC第四次评估报告,过去140年地球表面温度的变化,红柱年平均，据器测数据；黑线10年滑动平均；黑色区间线95%的置信范围；,20世纪内地球表面平均温度上升了0.60.2oC在北半球，1990年代很可能是有器测记录（1861）以来最热的年代，1998年是有器测记录以来最热的一年；20世纪内两次增温期最为明显：1910-1945，1976-2000。,过去140年地球表面气温的变化,结论,1961-1990年均值,10年滑动平均,来源：IPCC第三次评估报告,过去1000年北半球的温度变化,千年来地球表面气温的变化（北半球）红线：年平均，据器测数据兰线：年平均，据树轮、珊瑚、冰芯、历史文献黑线：50年滑动平均灰线：95%的置信范围横轴：1961-1990年的均值,结论（北半球）：就增温的速度和持续时间而言，20世纪很可能是过去1000年中最强烈的世纪；1990年代可能是过去1000年中最热的年代。,来源：IPCC第三次评估报告,全球温度变化的区域差异,来源：IPCC第三次评估报告,未来全球气温变化预测(2050s),2050年代年均气温与目前状况的对比。为四大全球气候模型在不同初始条件下运行结果的平均值。假设条件包括温室气体排放量相当大气中CO2浓度每年增加1%。,来源：HadleyCentreforClimatePredictionandResearch,未来全球年均降水量的变化(2050s),2050年代年均降水量与目前状况的对比。为四大全球气候模型在不同初始条件下运行结果的平均值。假设条件包括温室气体排放量相当大气中CO2浓度每年增加1%。,来源：HadleyCentreforClimatePredictionandResearch,到2100年，因气温升高造成的海平面上升可能达到9-88cm(在1990年的基础上)SAR:13-94cm,到2100年，全球气温可能上升的幅度为1.4-5.8oC(在1990年的基础上)。这是同时考虑了温室气体的增温作用和气溶胶的降温作用后得出的结论SAR:1-3.5oC,21世纪温度会继续变暖，海平面上升,来源：IPCC第三次评估报告,即使GHG含量保持稳定，预计全球温度都将不断提高,DevelopmentpathwithHIGHbaseemissions,DevelopmentpathwithLOWemissions,来源：IPCC第四次评估报告,2.大气化学成分的变化,人类活动所导致的大气中温室气体、气溶胶含量和臭氧层的变化,大气的化学成分,清洁的空气是由氮78.08%、氧20.95%、二氧化碳0.03%等气体组成的,温室气体：吸收地表释放出来的红外线辐射，像温室一样，促使地球气温升高的气体，包括：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、臭氧（O3)以及含氟温室气体：氢氟碳化物(HFCs)、全氟化碳(PFCs)、六氟化硫(SF6)气溶胶：空气中悬浮的固态或液态颗粒的总称，典型大小为0.01-10微米，能在空气中滞留至少几个小时。自然产生的：以矿物成分为主，主要来源于火山喷发物、沙尘等；人为产生的：化石燃料和生物物质燃烧，如硫化物、黑炭气溶胶等,温室气体的变化：大气CO2浓度增加的纪录,有关研究显示，在人类尚未进入工业化时代和大规模使用矿物燃料之前，地球大气中的二氧化碳浓度保持在280PPM左右根据美国冒纳罗亚气象台的记录显示：最近大气中二氧化碳平均浓度达到379PPM，比一年前(2003年）上升了3PPM，创下历史新高；而过去10年中大气二氧化碳含量年平均增长幅度为1.8PPM；50年前，大气二氧化碳含量平均每年仅增1PPM。,近千年来大气CO2浓度的变化,45万年以来大气二氧化碳浓度的变化,过去1000年大气CH4和N2O浓度的变化,甲烷,氧化亚氮,过去400年大气中气溶胶浓度的变化,大气臭氧变化,南极臭氧层空洞,98,臭氧空洞造成紫外辐射增加,全球臭氧变化趋势60S-60N,1998年9月19日达1000万平方英里,近年来臭氧问题有所缓解,1970-2004年全球温室气体排放量提高了70%,TotalGHGemissions,0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60,1970,1980,1990,2000,2004,GtCO2-eq/yr,人类活动特别是工业排放和农业活动是温室气体增加的重要原因,1970-2004年各种温室气体排放量与来源,大气化学成分变化的预测,CO2changingby540to970ppm;CH4changingby190to+1970ppb(presentconcentration1760ppb);N2Ochangingby+38to+144ppb(presentconcentration316ppb);TroposphericO3changingby-12to+62%.,来源：IPCC第三次评估报告,小结,温室气体工业革命特别是上世纪中后期以来，由于经济活动的增加，温室气体的排放急剧增长；工业排放和农业活动（土地覆被改变）是温室气体增加的主要原因大气中温室气体的含量将持续增长,3.土地利用/土地覆被的变化,其他,林地,草场,耕地,农田扩张农业文明约有1万年的历史，但耕地增长速度缓慢。耕地的扩张主要发生在1850以来的140年间，其中最近90年来全球耕地面积增加了一倍；林地减少过去140年间，拉丁美洲林地面积减少了28%；南亚和东南亚减少了34-38%；进入90年代以来，每年有约13-15万km2的热带雨林变成荒地。城市扩张总面积只占陆地总面积的1%左右，但发展迅速。,自1700年至1980年，自然生态系统占地从95%减少到65%；人工生态系统占地则从5%增加到35%,世界主要热带国家80-90年代森林面积减少,森林减少的原因,转化为农业,转化为灌丛,4.生物多样性损失-物种的减少,动物正以自然界正常速率的一百至一千倍的速度永久地消失。在世界范围内，特别是在热带雨林中，动物的生命受到严重威胁。热带雨林只占陆地面积的10，呈窄的带状分布，其中生活了现生生物的一半以上。雨林正在以很快的速度消失。在今后的50年中，大部分热带雨林很可能永远消失。如果雨林遭到破坏，多达300万种的大小动物可能随之绝灭。,城市扩张、污染、耕种、放牧和伐木毁坏了数千种动物赖以生存的荒野，是导致物种灭绝的主因；猎杀也使许多珍稀动物灭绝。,1600年以来物种减少量呈明显的上升趋势,有关生物多样性，人类现有的知识最少。拿热带雨林来讲，生活在地球上的所有生物物种中，十种之中有六种来自热带森林，而科学家所能认识的只不过3/10。,栖居区：欧洲中部灭绝：1627年猎杀原因：肉,栖居区：非洲灭绝：1883年猎杀原因：皮毛,栖居区：新英格兰至美国东海岸南部灭绝：1932年猎杀原因：肉,野牛,斑驴,石南鸡,几种猎杀灭绝的动物,袋狼是像狼的有袋类，最后一只袋狼死于1936年。几万年来，它们是塔斯马尼亚岛的主要捕食动物。但是当英国人在这个澳大利亚岛屿定居后，他们为了养羊而砍倒了大片森林。袋狼捕食羊，牧场主就向它们开火。随着供它们栖居的荒野变小，袋狼消失了。在世界各地，其他岛屿上的捕食动物也遭到了类似的命运。,袋狼,二、全球气候变暖的原因,影响温度的因子包括：温室气体气溶胶太阳辐射变化：11年太阳周期引起的小幅波动,温室气体的增加,一般认为，温室气体特别是CO2增高是全球变暖的主因但也有不同看法：5000万年前的始新世：地球气温升高，海水的温度比现在的海水温度平均高出12摄氏度根据当大气中的CO2水平升高时，植物叶子上的微细毛孔数量成反比下降这一理论，英国科学家通过在不同CO2浓度下生长的银杏树树叶中的CO2碳含量同始新世时期地球上的银杏树树叶化石进行对比，发现5000万年前地球上的CO2浓度同今天无差别因此，认为导致气温升高的真正原因是：甲烷、臭氧和氧化亚氮（俗称笑气）气体的增加。,温室气体的含量与作用,温室气体：正辐射强迫靠吸收地面红外辐射起到增温作用没有温室气体，地表温度-18；目前温度15，温室气体增温33各种温室气体增温作用的相对大小CO2:60%CH4:15-20%N2O,CFCls,O3:20%,辐射强迫：改变地球大气入射和出射能量平衡因子的测量指标。用单位Wm-2表示。,在无温室气体时，地球-大气系统的热量平衡,S0=太阳辐射常数；=地面反射率；=Stefan常数假设=0.3，在无温室气体时，地面温度为-18C（255K),气溶胶的作用,气溶胶主要从两方面影响气候：通过散射辐射和吸收辐射产生直接影响：一些白色气溶胶如硫酸盐（来源自化石燃料中的硫），具有较高的反射性，因此可以减少太阳对地球的加热，产生负辐射强迫。碳黑（煤烟灰）则是化石燃料、生物燃料及其他野外生物体不完全燃烧的产物，它吸收阳光，因而加热了大气层，产生正辐射强迫。作为云凝结核或改变云的光学性质和生存时间而产生间接影响：它们生成的较明亮、存在时间较长久的云团，能够减少地球吸收的日光数量，产生负辐射强迫大规模火山爆发产生的平流层气溶胶会引起持续数年的负辐射强迫；1880-1920年和1960-1991年是几次重要火山爆发的时段。,科学认识水平,来源：IPCC,大气中各种温室气体吸收热辐射，阻止其逸出到太空去,人为的气溶胶增加了地球对太阳光的反射,能量失衡气溶胶增加的反射不及温室气体吸纳热辐射的抵消作用，其结果是造成了众所周知的毯子变厚效应，它们使更多的热量返回到地面，而不是让其逸入太空，因此地球辐射到太空中的能量较之于从太阳吸收的能量要少。其多余的能量，大约为每平方米1瓦使地球逐渐变暖，让冰融化。,来源：科学杂志（科学美国人中文版）,冰芯记录的15万年来和四次冰期的气温与CO2浓度变化,CO2浓度与气温变化,来源：IPCC第三次评估报告,Stabilisationlevelsandequilibriumglobalmeantemperatures,FigureSPM8:StabilizationscenariocategoriesasreportedinFigureSPM.7(colouredbands)andtheirrelationshiptoequilibriumglobalmeantemperaturechangeabovepre-industrial,using(i)“bestestimate”climatesensitivityof3C(blacklineinmiddleofshadedarea),(ii)upperboundoflikelyrangeofclimatesensitivityof4.5C(redlineattopofshadedarea)(iii)lowerboundoflikelyrangeofclimatesensitivityof2C(bluelineatbottomofshadedarea).Colouredshadingshowstheconcentrationbandsforstabilizationofgreenhousegasesintheatmospherecorrespondingtothestabilizationscenariocategories.ThedataaredrawnfromAR4WGI,Chapter10.8.,a只考虑自然强迫：太阳辐射、火山活动；b只考虑人类活动强迫：温室气体、硫化物气溶胶；c上述两类因素同时考虑。,气候变化原因的解释：模型拟合,IPCC第三次评估报告,温盐环流与气候突变,两极秋千(bipolarseesaw),格陵兰：10年间突然降低5度（8600年前）和15度（11600年前），可能是大西洋暖流的突变造成的,“后天”真的可能来吗？,中国气象局的丁一汇研究员认为按照目前的气候变化趋势，后天中温盐环流关闭的情景在百年之后有可能出现。未来100年全球平均地表温度预计上升1.4-5.8，随着温度的上升，更多的淡水将流入北部海洋(冰山溶解，北部降雨量递增)。在融入大量淡水之后，北部的海水含盐浓度下降，海水会“变轻”。而“变轻”的海水难以下沉，从而失去了流回赤道的动力。一旦环流停止，北欧的温度将比现在降低20左右。而整个地球的气候也将为之发生巨变。,三、全球气候变化的影响,Climatechangeandotherissues,3dimensionsofsustainabledevelopment:economic/social/environmental,气候变化的影响,喜温动物北移：在北极地区发现了喜爱温水环境的蓝贻贝；该软体动物通常生活在法国和美国东岸之类的温暖水域树线北移：在北欧的斯堪的纳维亚地区，桦树生长的区域正在向北扩展冰层融化和变薄：挪威斯瓦尔巴群岛附近的海面冰层融化带伸展到了近250年来的最北区域；近年来，居住在加拿大北部的因纽特人行走在海面的冰层上，会发生因冰太薄而掉下去的事件，而从前冰层是非常牢固的；高山冰川萎缩：武素功发现：长江源头格拉丹东地区的岗加曲巴冰川，1970-90年20年后退达500米；1991到2004年估计冰川大体上退缩了750米，退缩速度提高一倍；中国冰川面积近40年平均减少了7%，目前冰川年融水径流量相当于一条黄河。1960-2000年间，全球冰川冰量减少5000立方公里,气候变化的影响,雪被和冰被卫星资料显示，1960年代末以来，全球雪被面积很可能减小了10%；地面观测显示，20世纪北半球中高纬度地区湖泊和河流封冻期很可能缩短了半个月；极地以外的高山冰川在20世纪出现广泛的消退现象；1950年代以来，北半球春夏海冰范围减小了10-15%。最近几十年，北极海冰的厚度在夏末秋初可能减薄了40%。海平面上升，海洋热储增加20世纪全球平均海平面上升了0.1-0.2m；1950年代以后海洋热储增加美国学者戴维伊努发现：气候变暖会严重干扰山区植物的授粉时机，不仅给植物的生长和繁衍带来负面影响，而且还威胁到参与授粉的动物，使整个生物群落发生变化,气候变化的影响海岸带,全球50-70的人口分布在海岸带，60的中国人口集中在距海岸线60km范围内目前，全球受风暴潮影响的人口有4600万。海平面上升50cm将使受灾（淹没和风暴潮）人口增加到9200万；上升100cm，受灾人口将达到1.18亿（没有考虑人口增长的因素）,Source:CIESIN,气候变化的影响水资源,Source:.uk/sec5/CR_div/Brochure97/,HadCM2、HadCM3预测的径流量变化,气候变化的影响作物产量,图中的评价与IPCC第二次评估报告大致相同，即：中高纬地区为正效应，低纬地区为负效应；产量变化的区域差异较大；因CO2的肥料效应，某些国家和地区初期增产，而后期由于高温胁迫而减产。对中国全国平均水平来讲：气候变化对作物产量的影响是正效应,Source:.uk/sec5/CR_div/Brochure97/,全球变化值得担忧吗？西蒙与埃尔里奇之争：赌注未来,马尔萨斯主义者：面对太多的危机：石油能源的储量、土地的生产能力、酸雨的危害、沙漠化的发展、多样性的损失、气候变化“失去远见就意味着灭亡”，“告诉人们最坏的结果是为了一个更好的未来”,技术乐观主义者：面对多数和流行观点科学家的预测、传媒的夸大、政客的参与“让事实和数据说话”，“短缺是利润和创新的源泉”,生态学家保罗.艾尔里奇,经济学家朱利安.西蒙,对策与适应,对策CO2的捕获与封存气候和能源政策国际合作适应丹麦哥本哈根商学院教授比荣.隆伯格认为：与其大幅削减温室气体排放量，不如设法适应一个较温暖的地球，所付出的代价相对而言少得多；我们即使关闭所有石化燃料发电厂、禁止汽车与飞机使用，地球气温还是会继续变化。,CO2的捕获与封存,四、全球变化的研究-地球系统科学,定义：将大气圈、岩石圈、水圈和生物圈作为一个相互作用的系统看待，研究其间的物理的、化学的和生物的过程，以解释地球的动力、演化和（特别是人类活动诱发的）全球变化，全面探讨全球变化中人类活动的作用，提高地球系统的生命承载能力，提高人类认识和预测全球变化的能力。核心问题：全球变化侧重点：各圈层间的相互作用、生命支撑能力方法：系统的、多尺度、多学科/跨学科手段/视角；空间观测手段,地球系统科学的起因,多学科研究的深入对综合的要求：地球各部分之间的全球联系在上个世纪才得到公认。本世纪随着各学科探索的深入，某一学科的发展对其他学科知识和方法的需求越来越大。对人类活动作用于全球变化的关注：在几百万年甚至更长的时间尺度上，地球的演化是由超出人类控制的自然因素作用的结果。但人类活动造成的环境变化越来越明显。为了认识和预测由人类的行为所造成的后果，必须首先认识地球系统本身的运转状况。遥感等技术的进步使全球性研究成为可能：卫星和传感器的发展使客观、迅速、多尺度监测地球系统现象和过程成为可能。目前已积累了海量的数据。建立数字化地球的构想已经提出。,地球系统科学的发展,1987：EarthQuest第一卷第二期刊登：F.P.Bretherton关于地球科学的简略说明；1988：NASA顾问委员会ESSC出版：地球系统科学报告；1991：美国22所大学参加地球系统科学课程计划，目前已有44所大学参加该计划；1992：21世纪议程称地球系统科学是可持续发展的理论基础；1994：IGBP在AMBIO上出版综合的地球系统科学专刊2001：由世界气候研究计划（）、国际地圈生物圈计划（）、国际全球环境变化人文因素计划（）等联合组成地球系统科学联盟（），包含科学研究、分析与模拟、能力建设和协调合作等内容,地球系统变化：千年-百万年尺度,几千年至几百万年尺度固体地球变化的那些不可抗拒的过程主宰着所有其他过程。这些过程包括：地核和地幔过程它们主导着地球的主要磁场，几乎涉及地球的所有质量和动能；板块构造过程其作用在于通过地壳的形成和破坏以及大陆的形成而产生地表地形；太阳驱动过程其作用在于使地形起伏剥蚀夷平，并使物理气候系统和生物地球化学循环系统趋于多样化。,地核和地幔过程,早期地球过程,古气候历史,板块构造,太阳驱动过程,地球系统变化：百年尺度,几十年至几百年尺度正是在这一时间尺度内，自然变化对人类有着重大的影响，且人类活动对全球过程的影响也最显著。两大过程最为重要：物理气候系统：太阳驱动的大气和海洋环流系统，控制着地表的温度和降水分布；生物地球化学循环系统：碳、氮、硫、磷等大气和生态系统的关键物质，与物理气候系统联接的独立系统，控制着生态系统的生产力及气候系统。,地球系统科学：概念化模式,大气物理动力学,对流层化学,人类活动,温室气体,土壤,土地利用,气候变化,污染/温室气体,物理气候系统,生物地球化学循环,海洋生物地球化学,海洋动力学,陆地生态系统,地表能/水平衡,全球水循环,平流层化学/动力学,外部动力,太阳,火山,几十年尺度的变化模拟,在此模型中，全球变化可以分为两个过程体系：物理气候系统和生物地球化学循环。物理气候系统的子系统：主要涉及大气物理/动力学、海洋动力学、地表的水汽和能量循环；生物地球化学循环的子系统：主要涉及大气化学、海洋生物地球化学和陆地生态系统。每个子系统都直接或间接地同其它子系统发生相互作用。驱动全球变化的最终能源是太阳能。能量和水以各种方式贯穿于整个体系。人类活动也加入到全球变化中，同时，人类活动也受到全球变化的制约。,地球系统科学和全球变化：IGBP的研究思路,地球系统科学和全球变化：主要的国际性计划,IGBP的主要项目计划,JointProjectsonGlobalSustainabilityIssues,建立可持续发展基础的地球系统科学,地球系统科学伙伴计划,地球可持续发展联合项目,IGBP新的组织机构,全球变化研究的焦点：碳循环,更新世时的碳循环框架,全球变化的研究焦点：碳循环,全新世时期的碳循环框架,全球变化研究的焦点：碳循环,“人类世”时期的碳循环框架,Storage3.3/yr.,全球碳收支,单位：10亿吨,五、自然地理学与全球变化,气候变化响应的敏感区,冰雪带：冰雪消融对温度变化极为敏感干旱-半干旱区：对水分条件的变化敏感中高纬度地区和山地高原：对温度变化敏感海岸带和小岛：对海平面的升降敏感，如海平面上升加剧海水入侵、风暴潮等灾害的危害地理过渡带（如森林草原带、农牧交错带等）：对温度、水热条件的变化敏感,自然地理学与全球变化：研究重点,全球变化的区域响应不同尺度过程的相互作用，景观稳定性和恢复能力陆地表层界面过程研究自然地理环境要素间的相互作用。从物质流、能量流的角度研究土壤植被大气系统的生源要素循环、水循环及能量转化陆地表层空间过程的研究地貌过程与沉积循环，生物地球化学空间过程，人类土地利用活动对地表覆被状况的改变，以及上述过程的综合集成10000年以来的环境变化树轮、冰芯、湖芯、古土壤、历史文献记录建立环境演变序列和极端事件的环境背景,自然地理学与全球变化：研究挑战,如何进行格局与过程的综合集成格局对过程的作用(如流域环境梯度与水文过程)，格局反演过程，通过遥感和GIS环境数据库进行野外站点的观测和实验结果的空间外推如何定量区分人为作用与自然作用自然侵蚀与人为加速侵蚀，水利工程改变的流域与河道状况与流域水文自然过程，植被移动的气候因素与人为因素如何提高自然地理学对动力学系统的模拟和处理复杂性问题的能力自然地理环境各子系统的互馈关系，不同时空尺度过程的耦合作用,六、中国全球变化研究根据全球变化与陆地生态系统碳循环和碳蓄积，主编于贵瑞，气象出版社，2003,研究工作组：1986年中国正式立项研究全球变化问题，在CNC-IGBP的努力下，先后组建了8个工作组，即：PAGES、GCTE、BAHC、LOICZ、GLOBEC、RS/DSS、气候系统研究、青藏高原研究工作组观测研究基地：中国科学院野外台站、中国气象局、国家海洋局和国家环保局的观测台站网络、林业部的森林生态系统定位研究站等,中国全球研究计划,自然科学基金委员（2002年）组织实施“全球变化及其区域响应科学研究计划”。本计划拟在今后10-15年分步实施：中长期的实施框架将围绕：海洋环境的变异及其对全球变化的响应东亚季风环境的演化及其与全球变化的关系海陆气相互作用与水分循环和全球变化的关系关键区域生态过程与生态安全及其对全球变化的响应与反馈全球变化及区域响应中的若干物理、数学问题,“十五”期间优先研究的科学问题（1）,海洋环流年际和年代际变化海洋淡水、热量、沉积物和其它物质输送和收支海洋环境演变的地质记录陆海相互作用与海平面变动季风环境的形成与重大转型事件的时代和原因季风环境在不同时间尺度上的演化历史及其驱动机制季风区地质作用和生态过程对碳循环的影响季风环境时空格局演化的定量化研究与数值模拟全球变化与海气耦合过程的相互作用全球变化对我国及周边区域水分循环的影响,“十五”期间优先研究的科学问题（2）,多圈层相互作用模式发展和模拟氮磷碳生源要素在土/水/气系统及其界面间的生物地球化学过程海洋碳氮硫磷的生物地球化学及海气界面过程关键地区生态系统对全球变化的适应与响应机制关键地区陆地生态系统生产力的时空格局、发展趋势区域生态环境变化的人文因素影响数据的非线性时空分布理论与分析研究地球系统科学