讲稿第五章气候变化的原因

讲稿第五章气候变化的原因一、太阳活动与气候变化1、

太阳活动（1）太阳黑子太阳是一颗炽热的恒星，内部温度高达1500万k，表层温度高达6600k。太阳也有着各种各样的活动，最为人类所熟知的活动就是太阳黑子。太阳黑子是太阳光球上的暗黑斑点。当太阳光球表面温度为6050k时，太阳中部温度约为4240k，因温度较低，故看起来时太阳表面上的一个黑点。太阳黑子的变化有11年的准周期，它是代表太阳活动强弱的最主要的现象。人们常利用太阳黑子的多少、周期长度等指标，来研究太阳活动与地球全球变化之间的关系。第2页,共41页，2024年2月25日，星期天1、

太阳活动（2）太阳活动还有其它一些现象，如光斑、谱斑、耀斑、日珥、射电辐射等。这些现象一般研究较少。第3页,共41页，2024年2月25日，星期天（3）太阳活动与气候变化①

11年周期（短期影响）前面介绍太阳活动时提到，太阳活动有准11年的周期，但世纪这个周期并不是固定不变的，其变化最小可小于8年，最长也可达16年。也就是太阳活动周期为8－16年，这一重要周期，在地球气候变化中到目前为止没有发现明显的和可靠稳定的对应变化周期。也就是说地球气候变化没有11年周期现象。第4页,共41页，2024年2月25日，星期天（3）太阳活动与气候变化关于太阳11年周期活动对气候的影响，有多少支持就有多少人反对。关于这一问题的研究已经进行了许多年，到目前为止也没有一个定论。值得注意的是最近一些年，人们不在直接利用太阳黑子数等来研究太阳活动与气候变化的关系，而是定义了一个新的量：叫作太阳活动周期长度（SCL）。利用这样一个物理量，兰高所冯松研究了近2500年来SCL与气温的关系，发现SCL与气温之间有很好的相关关系，但这一关系却无法给出其机制解释。第5页,共41页，2024年2月25日，星期天（3）太阳活动与气候变化②

长期变化的影响有大量研究表明，太阳活动强弱有较长时期的变化。如1894年蒙德尔发现1645－1715年间，太阳活动非常弱。后来这一时期被称为蒙德尔极冰期。这样的极冰期和极大期还有很多，一般认为极冰期对应气候相对冷期（小冰期），极大期对应暖期。第6页,共41页，2024年2月25日，星期天（3）太阳活动与气候变化③太阳常数（现代气候模式中取为常数，古气候模式中应有一些变化）1837年，普依列特指出到达大气上界的太阳辐射是一个常数。许多科学家同意这一观点。直到现在，人们基本认为这个数字是变化的，但变化很小，在允许的误差范围内可以认为是一个常数。现在还有许多太空计划将这一问题列为主要的观测项目。现在观测计算认为太阳常数的变化在1％左右。有研究表明，太阳常数增加2％，地面气温可上升3ºC，减少2％，气温可下降4.3ºC。太阳常数的微笑变化，可引起剧烈的气候变化。第7页,共41页，2024年2月25日，星期天二、地球轨道变化（米兰科维奇理论）—太阳辐射的变化1、

地球公转特征地球绕太阳公转，其轨道是不断变化的。造成这种变化的原因有三个：偏心率、地轴摆动和黄赤交角的变化。第8页,共41页，2024年2月25日，星期天①偏心率地球公转轨道是椭圆形的，但这个椭圆形并不是一成不变的，而是不断地由几乎正圆变动到较明显的椭圆，再逐渐变回到正圆。这一变化的周期约为9－10万年。它会造成地球在某个季节最靠近太阳。第9页,共41页，2024年2月25日，星期天①偏心率第10页,共41页，2024年2月25日，星期天②地轴摆动地球自转的地轴存在摆动，这一摆动的周期约为2.1万年。它会造成靠近太阳的季节发生变动。如1万年前，近日点出现在北半球夏季，而现在则出现在冬季。第11页,共41页，2024年2月25日，星期天②地轴摆动（岁差）第12页,共41页，2024年2月25日，星期天③黄赤交角地球自转轴相对于地球轨道平面的偏角，大约有4万年的周期，这会造成太阳辐射在冬夏季以及南北半球输送量有差异。第13页,共41页，2024年2月25日，星期天③黄赤交角第14页,共41页，2024年2月25日，星期天③黄赤交角第15页,共41页，2024年2月25日，星期天2、

米氏理论20世纪初，科学家在研究60万年来欧洲阿尔卑斯山地区气候变化时，发现存在4次冰期和3次间冰期。为了解释这种现象，南斯拉夫的米兰科维奇穷20年的时间，计算了由于地球轨道3个参数变化可能引起的太阳辐射变化。从而解释了近60万年来的4次冰期过程。这一理论卑奉为天文气候学的典范。第16页,共41页，2024年2月25日，星期天三、地壳运动1、

大陆漂移学说：根据大陆漂移学说，大约在两亿年后，地球上现有的大陆彼此是连在一起的，组成一个古大陆，称为冈瓦纳大陆，后来冈瓦纳大陆破裂成几块，分别漂移，最终形成现在的大路分布格局，在这一过程中，毫无疑问会对地球气候造成重大影响。2、

造山运动：造山运动对全会的影响可以是区域的，也可以是全球性的。如高原的隆起对高压地区以及其周边地区，甚至对整个地球气候都产生了重大影响。如范广洲——高压隆升对西北高寒区形成的作用。3、

火山爆发第17页,共41页，2024年2月25日，星期天三、地壳运动第18页,共41页，2024年2月25日，星期天四、人类活动人类活动对气候的影响主要表现于两个方面：1、

改变大气成分化石燃料的燃烧→CO2浓度变化→气候变化第19页,共41页，2024年2月25日，星期天2、改变地表特征（1）现状①早在数千年前，人类为了垦荒种地、放牧等，大量砍伐森林，特别在非洲撒哈拉地区、亚洲中东的阿拉伯地区、我国黄河上游地区等，使这些地区植被覆盖率下降，地表状况恶化，气候变化，以至成为沙漠或半沙漠地区。第20页,共41页，2024年2月25日，星期天2、改变地表特征②

近代这种现象也非常严重。如30年代美国大平原地区的不合理开垦和耕种，使这里遭受严重的沙尘暴灾害气候变干。再如50年代－60年代，苏联在哈萨克、西伯利亚、乌拉尔等地大量开垦荒地，结果使气候干旱，沙尘遍地，经常造成“黑风暴”。我国新安江水库于1960年建成后，其附近淳安县夏季较以前凉爽，冬季比过去暖和，气温年较差变小，初霜推迟，终霜提前，无霜期平均延长20天左右。（2）影响机理：改变地表能量平衡，水分平衡等，从而产生局地气候变化。第21页,共41页，2024年2月25日，星期天2、改变地表特征第22页,共41页，2024年2月25日，星期天3、人为热和人为水汽的排放（1）人为热随着工业、交通运输和城市化的发展，世界能量的消耗迅速增长，在工业生产、机动车运输中有大量废热排出，居民炉灶和空调以及人、畜的新陈代谢等亦放出一定的热量，这些“人为热”像火炉一样直接增暖大气。。从数值上讲，它和整个地球平均从太阳获得的净辐射热相比是微不足道的，但是由于人为热的释放集中于某些人口稠密、工商业发达的大城市，其局地增暖的效应就相当显著。第23页,共41页，2024年2月25日，星期天3、人为热和人为水汽的排放（2）人为水汽在燃烧大量化石燃料时除排放废热外，还释放一定量的“人为水汽”，人为水汽量要比自然蒸散的水汽量小得多，但它对局地低云量的增加有一定作用。航空煤油的人为水汽。第24页,共41页，2024年2月25日，星期天4、城市气候城市是人类活动的中心，在城市里人口密集，下垫面变化最大。工商业和交通运输频繁，耗能最多，有大量温室气体、“人为热”、“人为水汽”、微尘和污染物排放至大气中。因此人类活动对气候的影响在城市中表现最为突出。城市气候是在区域气候背景上，经过城市化后，在人类活动影响下而形成的一种特殊局地气候。第25页,共41页，2024年2月25日，星期天4、城市气候从大量观测事实看来，城市气候的特征可归纳为城市“五岛”效应（混浊岛、热岛、干岛、湿岛、雨岛）和风速减小、多变。第26页,共41页，2024年2月25日，星期天（1）城市混浊岛效应城市混浊岛效应主要有四个方面的表现。①城市大气中的污染物质比郊区多。②低云量和以低云量为标准的阴天日数远比郊区多，城市大气中因凝结核多，低空的热力湍流和机械湍流又比较强，③混浊度强：城市大气中因污染物和低云量多，使日照时数减少，太阳直接辐射（S）大大削弱，而因散射粒子多，其太阳散射辐射（D）却比干洁空气中为强。在以D/S表示的大气混浊度（又称混浊度因子turbidityfoctor）的地区分布上，城区明显大于郊区。第27页,共41页，2024年2月25日，星期天（1）城市混浊岛效应④城区的能见度小于郊区。这是因为城市大气中颗粒状污染物多，它们对光线有散射和吸收作用，有减小能见度的效应。当城区空气中二氧化氮NO2浓度极大时，会使天空呈棕褐色，在这样的天色背景下，使分辨目标物的距离发生困难，造成视程障碍。此外城市中由于汽车排出废气中的一次污染物——氮氧化合物和碳氢化物，在强烈阳光照射下，经光化学反应，会形成一种浅蓝色烟雾，称为光化学烟雾，能导致城市能见度恶化。美国洛杉矶、日本东京和我国兰州等城市均有此现象。第28页,共41页，2024年2月25日，星期天（2）城市热岛效应根据大量观测事实证明，城市气温经常比其四周郊区为高。特别是当天气晴朗无风时，城区气温Tu与郊区气温Tr的差值ΔTu-r（又称热岛强度）更大。城市中人口密集区和工厂区气温最高，成为热岛中的“高峰”（又称热岛中心）。但在同一城市，在不同天气形势和气象条件下，热岛效应有时非常明显（晴稳、无风），热岛强度可达6℃—10℃上下，有时则甚微弱或不明显（大风、极端不稳定）。由于热岛效应经常存在，大城市的月平均和年平均气温经常高于附近郊区。第29页,共41页，2024年2月25日，星期天（3）城市干岛和湿岛效应城市相对湿度比郊区小，有明显的干岛效应，这是城市气候中普遍的特征。城市对大气中水汽压的影响则比较复杂，在白天太阳照射下，对于下垫面通过蒸散过程而进入低层空气中的水汽量，城区（绿地面积小，可供蒸发的水汽量少）小于郊区。特别是在盛夏季节，郊区农作物生长茂密，城郊之间自然蒸散量的差值更大。城区由于下垫面粗糙度大（建筑群密集、高低不齐），又有热岛效应，其机械湍流和热力湍流都比郊区强，通过湍流的垂直交换，城区低层水汽向上层空气的输送量又比郊区多，这两者都导致城区近地面的水汽压小于郊区，形成“城市干岛”。第30页,共41页，2024年2月25日，星期天（3）城市干岛和湿岛效应到了夜晚，风速减小，空气层结稳定，郊区气温下降快，饱和水汽压减低，有大量水汽在地表凝结成露水，存留于低层空气中的水汽量少，水汽压迅速降低。城区因有热岛效应，其凝露量远比郊区少，夜晚湍流弱，与上层空气间的水汽交换量小，城区近地面的水汽压乃高于郊区，出现“城市湿岛”。这种由于城郊凝露量不同而形成的城市湿岛，称为“凝露湿岛”，且大都在日落后若干小时内形成，在夜间维持。第31页,共41页，2024年2月25日，星期天（4）城市雨岛效应城市对降水影响问题，国际上存在着不少争论。1971—1975年美国曾在其中部平原密苏里州的圣路易斯城及其附近郊区设置了稠密的雨量观测网，运用先进技术进行持续5年的大城市气象观测实验（METROMEX），证实了城市及其下风方向确有促使降水增多的“雨岛”效应。第32页,共41页，2024年2月25日，星期天（4）城市雨岛效应城市雨岛形成的条件是①在大气环流较弱，有利于在城区产生降水的大尺度天气形势下，由于城市热岛环流所产生的局地气流的辐合上升，有利于对流雨的发展；②城市下垫面粗糙度大，对移动滞缓的降雨系统有阻障效应，使其移速更为缓慢，延长城区降雨时间；③城区空气中凝结核多，其化学组分不同，粒径大小不一，当有较多大核（如硝酸盐类）存在时，有促进暖云降水作用。上述种种因素的影响，会“诱导”暴雨最大强度的落点位于市区及其下风方向形成雨岛。第33页,共41页，2024年2月25日，星期天（5）城市平均风速小、局地差异大、有热岛环流城市下垫面粗糙度大，有减低平均风速的效应。这可以通过以下两方面的对比来证明：①同一地点在其城市发展的历史过程中风速的前后对比；②同一时期城市和郊区风速的对比。此外，城市内部因街道走向、宽度、两侧建筑物的高度、型式和朝向不同，各地所获得的太阳辐射能就有明显的差异，在盛行风微弱时或无风时会产生局地热力环流。又当盛行风吹过鳞次栉比、参差不齐的建筑物时，因阻障效应产生不同的升降气流、涡动和绕流等，使风的局地变化更为复杂。城区建设对局地环流影响的数值模拟。第34页,共41页，2024年2月25日，星期天五、宇宙-地球物理因子宇宙因子指的是月球和太阳的引潮力，地球物理因子指的是地球重力空间变化，地球转动瞬时极的运动和地球自转速度的变化等。第35页,共41页，2024年2月25日，星期天1、引潮力月球和太阳对地球都具有一定的引潮力，月球的质量虽比太阳小得多，但因离地球近，它的引潮力等于太阳引潮力的2.17倍。月球引潮力多年变化在海洋中产生多年月球潮汐大尺度的波动，这种波动在极地最显著，可使海平面高度改变40—50mm，因而使海洋环流系统发生