温室气体与气候增温课件

“人类-环境系统”的全球性变化

——当前人类面临的重大全球性环境问题环境问题的产生随着社会的进步，人类活动改变环境的能力越来越强，人类对环境的污染和破坏也越来越严重。反过来，被改变的环境又对人类生存产生重大影响。这些影响既有有益的（正影响），又有有害的（负影响）。当负影响危及人类正常的生产和生活时，便产生了环境问题

不同历史时期的环境问题。古老石器时期，由于人类大规模狩猎和烧荒，使有的物种濒临绝迹，毁灭了一些具有驯化和引种条件的物种资源，自那时起即开始了生物物种的消失过程。奴隶社会时期，人类在荒漠中灌溉，创造了两河流域文明，但不断的战争使水利失修，使沙漠重新入侵，自那时起即开始了越来越严重的沙漠化过程。封建社会能维持比较稳定的农业社会和一定规模的工商业城市。这时的环境问题主要是由于不合理开垦农田、采伐森林等等所致的水土流失、河流泛滥、风沙危害和土壤盐渍化等。在大的居住区已经发生家庭垃圾污染，污染了浅层地下水。这甚至成为另选新址重建城市的原因之一。资本主义社会，随着近现代工业的发展，出现大量的高密度人口区和机械化、化学化的大型农业。人类向环境中排放大量污染物质，引起大规模环境污染。前一时期的环境问题可以同时在以后存在，因此，当前实际上同时存在着物种消失、资源破坏，环境污染和生态环境恶化等多方面的环境问题。正是在这种情况下，现代环境问题才引起人们的高度关注。当前人类面临的重大全球性环境问题大气温室气体浓度增加引起全球变暖大气平流层臭氧损耗森林锐减和生物多样性减少土地荒漠化淡水资源短缺“人类-环境系统”的全球性变化本讲重点讲下列问题:（一）大气二氧化碳浓度增加对气候变化的影响和国际社会的对策（二）大气中甲烷和其他微量气体浓度增加对气候变化的影响，及国际社会的对策（三）平流层臭氧耗损的原因,后果及对策（四）环境酸化与酸雨问题（五）中国对全球环境问题的作用贡献,全球性环境问题在中国的表现，和中国特有的环境问题

温室气体排放引起全球变暖

什么是温室气体所谓温室效应是指大气中的某些微量气体成分能无阻挡地让太阳的短波辐射射向地球，但却吸收地球向外发射的长波辐射而使地面空气温度升高，宛如温室效应一样.人们形象地把这类气体的称作温室气体．温室气体的种类气体名称分子式平均寿命(年)平均浓度(ppbv)二氧化碳CO2100350000甲烷CH4101700一氧化二氮N2O150309CFC-11CFCl3650.25CFC-12CF2Cl21300.415CFC-13C2F3Cl3900.035Halon1301CF3Br1000.002对流层臭氧O320-100大气二氧化碳浓度增加及

可能引起的气候变化1.历史上大气二氧化碳浓度的变化2.对大气二氧化碳浓度未来变化趋势的预测

3.对大气二氧化碳浓度变化可能引起的气候变化的预测大气中二氧化碳浓度的背景状况

从总体上看,对流层干洁空气中（25公里高度以下）二氧化碳的浓度按体积为0.03%,按重量为0.04%．目前人们所说的二氧化碳浓度增加是指体积浓度而言.大气中二氧化碳浓度的变化是很复杂的，由于大气二氧化碳浓度受植物光合作用的显著影响,所以在不同地点实测到的二氧化碳浓度在210ppm

至510ppm之间。二氧化碳的浓度还有日变化，根据晴天离草地地面1米高处测得的结果,约有100ppm

的振幅。对地球大气中二氧化碳浓度变化的观测

为了解大气二氧化碳浓度的的变化,科学家在较少受植物光合作用影响和基本上不受人为污染影响的地方,如在斯堪的那维亚上空用飞机观测,以及在夏威夷的冒纳罗亚山顶上,在南极和在阿拉斯加的巴罗角等地,设置大气成分的观测站。观测结果表明,大气中二氧化碳浓度的增加愈至近代愈益显著。在热带太平洋岛屿—夏威夷的冒钠罗亚,对大气中二氧化碳浓度观测的年代最久,且一直采用同一类型的观测仪器,故资料之间有极好的可比性.地球大气中二氧化碳的浓度的变化

(在夏威夷岛冒钠罗亚观测到的结果)地球大气二氧化碳浓度变化的特点美国夏威夷大气中二氧化碳浓度自1958年以来的变化有两个特点:一是二氧化碳浓度有明显的年内周期变化,最大浓度值出现在5月份,最小值出现在9、10月份,年振幅约6ppm

。这种变化是地球上植物光合作用和动、植物的呼吸作用叠加的结果。另一是年平均二氧化碳浓度有明显增加趋势,且增加幅度越来越大。从1958年到1968年，二氧化碳浓度平均每年增加约0.7ppm.自1968年至1978年，平均每年增加约1ppm.而自1978年值1988年，平均每年增加约1.5ppm.这充分说明人为释放的二氧化碳随着能量消耗的增加有加速增加的倾向。

过去1000年CO2浓度的变化对大气二氧化碳浓度未来变化趋势预测的复杂性

当代大气中二氧化碳浓度的增加，除主要与不断增加的化石燃料的燃烧有关外,人类对植被的破坏,尤其是对热带雨林的大面积破坏,减少了植被对二氧化碳的利用,也是大气中二氧化碳增加的原因之一．人类活动排放的二氧化碳相当一部分为海洋所吸收,只有约一半留在大气中。因此要预测未来大气中二氧化碳浓度变化的趋势,需要进行两方面的工作:一方面是对未来人为活动排放的二氧化碳数量进行预测,另一方面是对人类活动排放的二氧化碳的气留比(排放后存留在大气中的二氧化碳量与人为排放的二氧化碳量的比值)进行预测。大气与海洋之间二氧化碳的交换

地球表面的二氧化碳绝大多数储存于海洋中。海洋中二氧化碳的含量约为大气中二氧化碳含量的60倍。海洋是大气二氧化碳的储存器和调节器。海洋既从大气中吸收二氧化碳,又向大气中释放二氧化碳。海、气之间二氧化碳的转移决定于大气中二氧化碳的分压和海水中二氧化碳的浓度。如果大气中二氧化碳成分的压力强度大于海水中二氧化碳成分的压力强度,海洋就从大气中吸收二氧化碳;相反海洋就向大气中释放二氧化碳。一般来说,在高纬地区,二氧化碳从大气向海水转移,在低纬地区,二氧化碳从海水向大气转移。热带海洋大量珊瑚礁的生成与此有关.大气与海洋间CO2的交换高纬海水从大气吸收CO2CO2↓+H2O=HCO3-+H+低纬海水释放CO22HCO3-+Ca=CaCO3+CO2↑大气二氧化碳浓度增加与化石燃料消耗

不是简单的函数关系

据三浦吉雄的估算,如果生物界二氧化碳收支平衡的话,每年由海洋输入大气的二氧化碳的量约为150亿吨,因化石燃料燃烧而输入大气的二氧化碳量约为100亿吨,两者合计起来每年约有250亿吨二氧化碳输入大气。而海洋每年从大气吸收的二氧化碳量约为200亿吨。两者之差为50亿吨。此数相当于化石燃料放出的二氧化碳量的一半。可能是这部分二氧化碳积蓄于空气中,引起空气中二氧化碳浓度的逐年增加．预测大气二氧化碳浓度未来变化趋势

需考虑的因素预测中至少要考虑的两个因素：社会因素和二氧化碳的气留比人为排放二氧化碳的数量受控于与社会发展有关的因子，包括人口增长速度、化石燃料的总储量和易开采储量、替代能源的开发前景,和世界各国的能源政策以及其他一些政治、经济和社会因素。二氧化碳的气留比是由海洋的物理、化学状态,海洋环流以及海-气交换过程决定的。预测人为排放二氧化碳的气留比,不仅需要考虏海洋水温分布、海水中的含碳化合物(包括溶解的CO2,HCO3-,CO32-,Ca2+,以及悬浮的有机碳等)的化学反应过程以及与此有关的海水硷度、盐度,营养成分分布和生物活动状况,还要考虏海水运动及海-气交换过程。预测大气二氧化碳浓度气留比的方法海－气耦合模式目前预测大气二氧化碳浓度气留比的方法是利用二维的海－气耦合模式，主要考虑二氧化碳浓度的空间分布和海洋表层水温的分布．用二维海洋模式计算的未来二氧化碳浓度气留比年份大气二氧化碳(ppm)H大气二氧化碳(ppm)L气留比(ppm)H气留比(ppm)L1980337.3337.30.670.672000387.9374.60.700.682040719.2496.30.750.6721001741.7856.70.780.69对大气CO2未来变化预测结果的分析在人为排放的二氧化碳快速增加时,海洋吸收二氧化碳的能力下降,人为排放的二氧化碳的气留比很快上升,则大气中二氧化碳的浓度将很快增加.在人为排放的二氧化碳的量缓慢增加时,海洋吸收二氧化碳的能力与气留比将大致保持不变,大气中二氧化碳浓度将缓慢上升.按Nordhans模式在几种不同排放率条件下对大气二氧化碳浓度未来变化趋势预测的浓度上限和下限预测大气CO2浓度未来变化的困难性

上图给出的预测结果是1980s年代完成的,从结果看,自当时至2000年,各种模式的预测结果大致相同,2000年以后的结果开始离散.说明对未来大气二氧化碳浓度的预测是非常困难的.实际上只能在一些设定的条件下对未来二氧化碳浓度变化趋势作很粗略的估计.根据大气二氧化碳浓度变化对气候变化预测的方法气候变化数值模拟大气化学成分是影响大气系统辐射收支的重要因子，直接引起地表温度和大气温度结构的变化,并通过动力过程影响其他气候因子。研究大气化学组分变化对气候的影响,不能单靠简单的辐射计算,而需要综合考虑各种因素,建立相应的气候模式。有效的气候模式的建立首先依赖于对气候系统的物理、化学过程的系统的理论和实验研究。在充分认识气候系统的物理、化学过程的基础上,就能把各种过程用数学公式表示出来,再加上适当的边界条件和初始条件就可以建立起气候数值模式。首先要用模式模拟现代的气候状态,并和实际结果进行比较,以验证模型的正确性。然后再改变有关参数研究大气成分变化引起的气候变化。对大气CO2碳浓度变化引起气候变化的预测方法两类气候模式：热力学模式以非常简单的方式考虑大气运动场对辐射收支的影响,它只能预测大气成分变化所引起的温度变化（如能量平衡模式和辐射对流模式）。动力学模式同时考虑辐射场的变化和运动场的变化以及由此而引起的降水量的变化（如大气环流模式和海-气耦合模式等）。作为一般的环境工作者难以直接应用各类数值模拟方法来预测气候的变化,但掌握某些基本概念和知识将有助理解气候学家的预测结果。已用于预测大气二氧化碳浓度变化

对气候影响的模式简单气候模式假定大气圈是一个均匀的体系（零维模式，如能量收支模式）三维大气环流模式考虑大气状态参数在三维空间的分布及随时间的变化，在大型计算机上用数值方法求解．先将大气沿垂直方向划分为若干层，把要计算的变量安排在各层中间，变量在每一层中的水平变化由一张复盖着整个地球的网格点上的值表示．海－气耦合模式研究大气二氧化碳浓度对气候的影响,仅把海洋和海冰当作边界条件远欠准确。当代的研究方向是采用海-气耦合模式。但大气环流模式和大洋环流模式本身都十分复杂,要把它们耦合起来十分困难。因此,直到今天,成功的海-气耦合模式十分有限．应用简单模式计算的大气二氧化碳浓度加倍时

引起的全球平均地表温度的变化(℃)

研究者全球平均气温变化(℃)

研究者全球平均气温变化(℃)WangandStone(1980)2.00-4.20Wangetal.,1981)1.47-2.80Charlock(1981)1.58-2.25Hammel(1982)1.29-1.83Hansenetal.(1981)1.22-3.50Lindrenetal.(1982)1.46-1.93Hammel

andReck

(1981)1.71-2.05LaiandRamanathan(1984)1.8-2.4Hunt(1981)0.69-1.82SomervilleandRemer(1984)0.48-1.74大气环流模式模拟的大气二氧化碳浓度加倍引起的全球平均地表温度增加和降水量变化研究者地型云增温℃湿度变化%Gateetal.(1981)实际模式0.20-1.5Mitchell(1983)实际固定2.255.2Hansenetal.1984)实际模式4.211.0WashingtonandMeehl(1984)

实际模式3.57.1WetheraldandHanahe(1986)实际模式4.00.7二氧化碳浓度增加与气候变暖关系的复杂性据马克塔（L.Machta）1973年的推算，大气二氧化碳浓度在1958年为313mg/kg，在1971年为323ppm，估计到2000年将增加到375ppm

。联合国开发署估计，2000年全球大气二氧化碳浓度比1900年约增加了25％。这两个估计基本上是正确的。由于温室气体的增加巧合于一个世纪以来气温升高了0.6C，曾使一些科学家认为这两个现象是相关的。但实际上,问题远比此复杂.地球大气中二氧化碳的浓度的变化

(在夏威夷岛冒钠罗亚观测到的结果)1860-1990年全球平均气温的变化1880s-1980s全球温度的实际变化二氧化碳浓度增加与气候变暖关系的复杂性100年来二氧化碳浓度是持续升高的，而气温则在本世纪40年代后有所下降，但从80年代起又重新呈上升趋势。1997年和1998年全球的年均气温连续创下了有气温记载以来的最高记录。这说明，引起世界平均气温变化的原因是错综复杂的，仅用二氧化碳浓度的变化还不能完全说明气温的变化规律。大气尘埃量增加对气候的影响悬浮在大气中的气溶胶粒子犹如地球的遮阳伞，它能反射和吸收太阳辐射，特别是能减少紫外光的透过，使到达地面的太阳辐射减少，从而引起地面气温降低，这种作用称为“阳伞效应”。另外，大气污染物微粒提供了丰富的凝结核，能使云量、降水量和雾的频率增加，这对地表也起冷却作用。大气尘埃量增加对气候的影响布赖森（R.A.Bryson）认为，世界平均气温的变化主要与二氧化碳浓度、含尘量和太阳黑子的相对数有关。1930年以前，大气含尘量变化不大，世界平均气温的升高主要决定于二氧化碳浓度和太阳黑子相对数的增加；但在1930年以后，含尘量迅速增加，其“阳伞效应”引起的降温作用超过了二氧化碳浓度增大引起的增温作用，于是四十年代后，世界平均气温发生了下降。近百年来北半球气温变化与火山爆发的关系百年来大气中悬浮颗粒物增长情况自工业革命以来，地球大气中悬浮微总量已增加了50％。在1968年到1970年间，全球人为粒子的产量平均每年为530×106吨，占全球大气中气溶胶粒子总产量的1/3弱，其余2/3是自然产生的。在人为产生的粒子中，90％以上是在人口稠密、工业发达的北半球产生的。另外，弗隆还对北半球大气中人为粒子产量的增长情况作了粗略的估计，从1880年到1970年，北半球人为粒子的年产量从120×106吨增加到480×106吨；到公元2000年，人为粒子年产量估计增至760×106吨，比1970年增加280×106吨。对尘埃气候效应的不同看法

上面所述的冷却作用只是一种通常的看法。另外一种看法认为，尘埃的作用不完全是增大地球反射率和使地面接受的太阳辐射减少，尘埃还有吸收太阳辐射的本领。罗奇（W.T.Rouch）指出，尘埃对太阳辐射的影响取决于：（1）尘埃粒子的大小；（2）尘埃在大气中的高度；（3）尘埃粒子对辐射的吸收系数等因素。当气溶胶粒子层在地面附近滞留，并且在辐射吸收系数大的情况下，有可能使地表气温上升。总之，尘埃的气候效应至今尚无最后结论，有待于进一步的深入研究。大气中其他温室气体浓度的增长大气中甲烷浓度的增加观测到大气中甲烷浓度的增加是1980s年代的一项重大发现。大气中甲烷浓度的早期观测可以追溯到1960s年代。那时的观测是断续地分散地进行的，把所有资料集中在一起,离散度很大,但仍能看出明显的逐年增加的趋势。自1983年以来,世界气象组织在世界各地不同纬度地区设立了23个大气污染本底监测站,开始连续监测大气中甲烷的浓度变化。大气中甲烷浓度(ppb)的季节变化和长期趋势

甲烷浓度有明显的季节波动,极小值出现在夏季,极大值出现在秋末。除季节变化外,有长期的逐年增加趋势

大气甲烷浓度变化情况

(世界气象组织在不同纬度上设置的各观测站的观测结果)

大气中甲烷的生成机理

用同位素进行的研究表明,大气中的甲烷80%来自生物源。生物过程产生甲烷的机理是,在缺氧条件下,厌氧细菌使有机物转化为醋酸盐和氢气.氢气又与二氧化碳生成甲烷。这一过程可用下列简单化学反应式来表示:

CH3CH2OH+H2O=CH3COO-+H++2H2

4H2+CO2=2H2O+CH4

大气中甲烷的其他来源生成甲烷的反应只有在完全无氧的条件下才能发生,通常发生在淹水的土壤中。甲烷的主要天然产地是湿地和水稻田。另外,在反雏动物的胃中发生的过程也产生甲烷。有些研究者指出,白蚁也可能是大气中甲烷的重要来源。大气甲烷的非生物源主要是有机体燃烧和天然气开发。自然界各种甲烷源的排放通量（百万吨/年）

来源排放通量来源排放通量海洋5-20家畜100-220湖沼30-220白蚁0-150苔原1.3-13有机物30-110森林10其他20-90稻田30-400大气中甲烷增长的速度大气甲烷的主要源是家畜和稻田。这两者数量的发展决定了大气中甲烷未来增长的速率.家畜数量的增加与人口增长率呈正比,每年递增约1.5%。世界水稻田面积1960年代末到1979年代末年增长率约1%。大气中CFC-13与CCl4含量增张情况1978-1994在CapeGrim全球本底站观测到的大气中SF6气体含量的增张情况大气中氯氟烃化合物的浓度变化趋势工业合成的氯氟烃化合物在对流层大气条件下是非常稳定的,他们唯一的汇是向平流层输送,并在那里发生光化学分解.地面排放的这类物质向平流层输送的速率比地面源的排放速率低几个数量级,所以工业排放的氯氟烃将几乎全部积累在平流层中.只要能预测其生产量,便很易计算他们在平流层大气中的浓度变化.但目前无法对这类物质的生产量进行预测,因为此类物质破坏平流层的臭氧,已引起各国政府的高度重视,将有一系列替代物替代这类物质.大气中各种微量气体浓度增长情况比较大气中主要微量气体增温效率比较微量气体相对增温效率二氧化碳1甲烷21一氧化二氮290F-113500F-127300不同温室气体对全球增温的贡献率各种温室气体增温贡献比较把二氧化碳作为最主要的温室气体是因为相对于其它微量气体而言它在大气中的浓度最大,而且其增长所导致的辐射强迫增长的绝对量在目前也比所有其它微量气体大,但就导致大气增温的效率来说,其它微量气体的效率要大得多.在过去200多年的全球增温中二氧化碳的贡献约占60%.2010年后其它微量气体温室效应总和可能与二氧化碳的增温效应相当,而至2030年以后,其它微量气体的增温效应之和将超过二氧化碳.气候变暖问题的复杂性各种人为因素对气候的作用互不相同，有的起增暖作用，有的起冷却作用。可能起增暖作用的人为因素在数量上占多数，如二氧化碳、人为热、平流层水汽、卷云等；可能起冷却作用的人为因素主要有尘埃等。人为因素对气候的影响与自然因素紧密结合在一起，还存在着各种反馈机制。正反馈作用：如大气二氧化碳增加引起地表空气增温，同时也引起表层海水升温，使水中的二氧化碳分压升高，使向大气放出更多的二氧化碳，更增加了“温室效应”。负反馈作用，如当大气二氧化碳增加引起海洋温度升高时，引起海洋面蒸发加强，使低云和降水增加，而低云的增加又使反射率增大，这对地表有降温的效果。这种负的反馈关系将缩小二氧化碳的增温效应。正负反馈机制充分说明了人类影响气候过程的复杂性。目前应研究人为影响产生的净效果。大气温室气体浓度增加引发的后果

使地球上不少区域环境质量的不确定性增加,有可能使海洋膨胀,海平面升高,淹没沿海低地,和引起全球陆植被类型和海洋生物物种的分布发生显著变化,反过来又影响全球气候,引起科学家和国际社会的高度关注。全球变暖对我国生存环境的影响

１.使中国农业生产的不稳定性增大正影响表现为：气温增高可提高有效积温，延长作物的有效生长期；大气中二氧化碳浓度增高，可提高植物光合作用，使农业增产；负影响表现为：增大地表水的蒸发量，从而加重中国华北、西北地区的干旱、土地沙化、碱化以及草原退化的危害．２.可能加大中国的气候灾害在中国东南沿海地区，可能导致台风侵袭沿海的频率和强度的增加，使沿海地区的风灾和暴雨洪涝灾害加重．全球变暖对我国生存环境的影响３.可能使农业病虫害的频度增加气候变暖可能对中国西北、华北、东北、西南及华中夏季气候造成影响，有可能是农业病虫害频繁发生。4.气候变暖导致海平面上升,将使中国沿海地区的经济发展受到严重威胁据政府间气候