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1、1,第九章 气候变化,第一节 气候变化的概念第二节 气候变化史实第三节 气候变化的影响因素第四节 气候变化研究方法,2,第一节,9.1.1气候变化概念,1 气候变化与气候异常：由各种要素（气温、降水、气压等）所表征的气候状态相对于某一气候标准态的偏差或同类气候状态间的变化称为气候变化；当这种偏差（变化）超过一定程度称为气候异常。,气候（标准态）：在太阳辐射和气候系统各子系统相互作用下，地球上某一区域在某一特定时段内天气的多年平均状况及其极端情形。,3,2 气候状态：地球上某一区域在某一特定时段内天气的某一年份或指定年份平均状况。,3 气候变率：大量同类气候状态间的方差，也经常用来专指年际及年代
2、际的气候变化 。或者：时间尺度大于天气尺度的气候变量围绕平均值的变化。气候变化包含气候变率,4,世界1月海平面气温（摄氏度）的分布,5,1860-2000年全球地表温度上升0.40.8 (平均0.6)；近百年间17个最暖年份出现在1983年以后。20世纪以来，1998年最暖，2002年和2003年分别为第二和第三暖年。,6,1980-1999与1950-1969年均SST差值场 （年代际变化）,7,4 气候趋势：气候的长期变化倾向，即在记录时期(特定时期）具有单调地上升或下降特点的气候变化（线性和非线性趋势）,8,奇异谱分析（SSA）对全球平均地面气温序列的趋势拟合,9,样条插值函数对全球平均
3、地面气温的趋势拟合,10,5 气候波动（振荡）：气候状态围绕气候平均态的波动式变化，表现为准周期性振荡特征，有年际、年代际等时间尺度.,1880-1996年中国东部35站的年降水量距平（以1961-1990年为基准期）（王绍武，1998）,11,全球平均气温的功率谱分析,波数6（5年周期）,波数17（22.5月周期）,12,准5年周期振荡,准2年周期振荡,全球平均气温SSA的重建分量序列,13,影响华北汛期降水登陆台风频数小波变换,周期（年）,14,6 气候突变：从一种气候状态（或稳定持续的变化趋势或气候波动）跳跃式地转变到另一种气候状态（或稳定持续的变化趋势或气候波动）的现象。,台风频数在1
4、976-77年发生了突变（均值）,15,气候趋势,气候变化,气候波动：年际、年代际等尺度波动,气候突变,随机变化,16,各种周期气候波动,17,变化的时间尺度,主要特征、形成原因,资料来源、分析和研究方法,地质时期气候变化,历史时期气候变化,现代气候变化,气候变化时期的划分,1. 气候变化的多时间尺度性,短期气候变化 （月，季，年）；中期气候变化，其时间尺度为几年（年际变化）； 长期气候变化，其时间尺度为几十年（年代际变化）；超长期气候变化，其时间尺度为几百年（世纪际变化）；历史时期气候变化，其时间尺度为千年；地质期气候变化，其时间尺度为万年或更长。由于有气候资料记载的时间不过几百年，对于气候
5、变化研究也就主要集中在前四个时间尺度，尤其是前三个时间尺度的变化。但是，为了深入认识气候演变规律，探索气候变化的原因，历史时期和地质时期的气候变化问题也是很值得研究的。,9.1.2 气候变化的特征,多时间尺度性阶段性突变性,气候变化的阶段性同气候变化的时间尺度是紧密联系的，不同时间尺度的变化也就有不同的阶段性。近千年来的气候变化也有其阶段性，在13001800年间的小冰期平均气温偏低，而在小冰期前后平均温度却相当高。在过去的50万年的时间里，冰期和间冰期有交替出现的现象。,2. 气候变化的阶段性,间冰期暖期,千年,20,中国东部夏季降水,均值突变：从一个气候基本状态（以某一平均值表示）向另一个
6、气候基本状态的急剧变化。趋势突变：两个气候阶段有完全不同的变化趋势，例如，某个气候阶段温度一致持续下降，其后一个气候阶段的温度一致持续上升。变率突变：变率突变包括两种情况，其一是振幅有明显差异的突变；其二是频率有明显差异的突变。,3. 气候变化的突变性,三类气候突变示意图(a) 均值突变；(b) 趋势突变；(c) 变率突变,23,第二节,气候变化史实,一、地质时期的气候变化,1 定义：时间尺度在几万年以上的气候变化.,地质年代：代纪世,世：时间尺度万年以上,24,25,26,以温暖为主，大冰期和大间冰期交替出现。变温幅度平均约为10度三次大冰期二次大间冰期,成煤纪,2 特点：大冰期与大间冰期旋
7、回,1） 三大冰期,（1）震旦纪大冰期发生时间：在早古生代，距今约6亿年前。主要特点：这次冰期的影响范围几乎遍及世界五大洲，我国长江中下游地区都有震旦纪冰碛层。（吕梁运动）,28,（2）石碳二叠纪大冰期发生时间：距今2.53亿年气候特点：冰期气候影响的主要在南半球；在北半球(除印度外)到目前为止还没有发现属于这次冰期的可靠遗迹。（3）第四纪大冰期发生时间：距今240万年前开始直到现在；主要特征：存在亚冰期与亚间冰期的冷暖反复交替。,29,第四纪大冰期中的亚冰期,30,据研究，在距今2.1万年前为第四纪冰川最盛时期，温度比现在低8-12度，一直到1.65万年前，冰川开始融化，大约在1万年前大理亚
8、冰期（欧洲武木亚冰期）消退，此后气候逐渐回暖。,31,近40万年以来的气候变化 副冰期-副间冰期旋回南极东方站（Vostok）冰芯反演得到的气温、CO2、CH4的变化,末次冰期冰盛期（Last Glacial Maximum:LGM) 21kaBP末次冰期（1.8万年BP）中气候最冷、冰川规模最大时段全球降温5-10C，降水普遍减少，冷干气候特征,末次间冰期最暖时期（12万年BP）,32,2） 二大间冰期,（1）寒武纪石炭纪大间冰期,发生时间：距今约36亿年。基本特征：雪线升高，冰川后退，气候显著变暖。石炭纪在地质史上又称为成煤纪。我国都处于热带气候。,33,（2）三叠纪一第三纪大间冰期发生时
9、间：距今约2.5亿年-200万年，包括三叠纪、侏罗纪、白垩纪和新生代的第三纪。主要特征：三叠纪时气候炎热而干燥，其后侏罗纪的气候由干热转为湿热，有利于植物生长，造成继石炭纪之后的第二个成煤时期。,34,二、历史时期的气候变化,1 定义:从第四纪大冰期中的武木（大理）亚冰期的最近一次副冰期之后的1万年至有器测资料的“冰后期” 气候。从地质年代来看，该时期也称为全新世气候。2 资料来源：冰芯、树木年轮、黄土、湖泊沉积、历史文献等3 特点： 温暖期与寒冷期交替出现,35,4 主要气候事件末次冰期冰盛期（Last Glacial Maximum:LGM) 21kaBP新仙女木事件（Younger Dr
10、yas: YD） 12.2-10.5kaBP全新世大暖期（Megathermal in Holocene） 8.5-3.0kaBP中世纪暖期 ( Medieval Warm Period) AD 900-1300 小冰期 ( Little Ice Age) AD 1320-1920,36,新仙女木事件（YD）12.2-10.5kaBP全球冰川消退、气候回暖过程中发生的气候突变事件，YD结束后即进入温暖湿润的全新世,全新世大暖期8.5-3.0kaBP间冰期中最暖阶段，该阶段时限较宽，包含一些气候波动。总体上暖于现代，降水多于现代,全新世千年尺度气候波动与气候事件全新世存在千年尺度气候波动平均周期
11、1.45ka 。11kaBP以来有9个寒冷期，最近一次为小冰期.,大暖期（8.5-3.0kaBP）8.2kaBP冷事件中世纪暖期 (AD 900-1300) 小冰期（AD 1320-1920）现代增暖（20世纪）,近2万年以来的气候变化,37,一万年来挪威雪线高度（实线）与五千年来我国温度（虚线）变迁,中国近五千年内可以相对地分出四个温暖期与四个寒冷期。,历史时期的气候变迁（近数千年的气候史）,38,全新世暖期中国温度较现代增加的幅度（单位:。施雅风等，1992）,39,上图：中国过去2000年（加权）温度距平，分辨率：10年。粗线为3点滑动（Yang et al, 2002）下图：东部过去1
12、200年的温度距平，分辨率：50年。（据王绍武等，2000b）,过去2000年中国东部温度变化,中世纪暖期,小冰期,40,青海湖孢粉所显示的近10ka气温（）、降水量（%）变化（王绍武等，2002a）,全新世大暖期,41,三、近代气候变化特征,1 器测资料：最早有气象观测记录地方 佛罗伦萨（1652），伦敦（1668），巴黎（1752）2 主要气候变化现象1）全球增暖 (Global Warming) 波动阶段性上升 不同区域增暖幅度不同，极区最显著,42,过去140年来地球表面气温变化情况IPCC TAR: 0.60.2C, 0.58C/100a,43,过去150年来地球表面气温变化情况IP
13、CC AR4: 0.450.12C, 0.74C/100a,20世纪增暖主要发生在两个阶段： 1915-1945 1975后,44,LSAT,SST,GMST,45,全球、南北半球温度变化趋势对比（CRU）（/10a）（IPCC，2007）,陆地温度增暖速率比海洋快,46,全球温度变化趋势（/10a）（IPCC AR5）,19012012：0.89C (0.69C1.08C)19512012：0.72C (0.49C0.89C),47,年平均气温的变化趋势,48,极区增温更显著,49,Johannessen et al. (2004),全球增暖的证据：北极海冰面积减少,50,全球增暖的证据：海
14、平面上升,51,52,53,中国年平均气温距平 (1880-1999年)(国家评估报告：0.20.8C/100a),1998年是近百年最暖的1年，1990s是最暖的10年,54,中国年平均气温变化趋势（%/10a）分布图（19601999）,55,全球气候变化的基本特征,全球地质时期气候变化的时间尺度在22亿年到1万年以上，以大冰期和大间冰期的交替出现为特征，气温变化幅度在10C以上历史时期的气候变化是近1万年来，主要是近5000年来的气候变化，变化的幅度最大不超过2-3C近代的气候变化主要是指近百年或20世纪以来的气候变化，气温振幅在0.5-1.0C之间。,56,2）近百年全球降水变化,19
15、00-2005年全球陆地降水距平的时间序列（以1981-2000年GHCN为平均值）（IPCC，2007）,无显著趋势变化,57,58,59,近百年来，全球平均降水无显著趋势变化不同数据集趋势间存在明显差异，同时降水也有较大时空变率。北半球中纬度陆地降水很可能总体上呈增加趋势。,60,3）近百年中国降水变化,1880-1996年中国东部35站的年降水量距平（以1961-1990年为基准期）（王绍武，1998）,根据史料和降水量观测结合,无明显趋势20-30年周期,61,（1）近百年降水量并无明显趋势。（2）降水量的变化存在20-30年的干湿期交替：旱期：19世纪末到20世纪初有强旱期 20世纪
16、30年代 20世纪60-70年代丰水期：20世纪初期 20世纪50年代,气候变化与平均值或离差值变化的关系,相对于19611990平均,4）极端气候的变化,63,极端温度事件,64,极端温度事件,65,极端降水事件,66,热带气旋,67,气候变化的影响因素,自然原因 银河系变化、太阳演化、太阳活动 地球轨道参数（轴倾、岁差、偏心率） 大陆漂移、造山运动、火山活动 海洋环流与海-冰-气-陆相互作用 人为原因 温室气体、气溶胶排放 土地使用、热带雨林破坏 城市化 时间尺度 不同时间尺度气候变化、形成机制不同,第三节,68,冰期-间冰期循环（万年尺度）的形成机制米兰科维奇理论(Milankovitc
17、h,1941) 冰期天文理论轨道参数的周期性变动,由于天体间引力的影响，地球轨道偏心率、地轴倾斜度和岁差等地球轨道参数发生变化，使地球接收到的太阳辐射产生差异，从而引起数十万年间的气候变迁。,69,160万年以来地球轨道参数变化,地轴倾角（黄赤交角）4.1万年周期,岁差2.2万年周期,偏心率9.58万年周期,1）地球轨道偏心率,描述地球绕太阳运动轨道的圆扁程度，值越大越扁，值越小越圆。轨道偏心率越小(越接近圆形)时，四季变化相对较不明显，也不易有冰期的发生。反之，偏心率越接近1(但不等于)的轨道，四季明显，也较易产生冰期。每隔10万年，地球公转轨道的偏心率变化一个周期,e=0 e=0.5,71
18、,21.824.5，现在为23.44地轴倾斜度的影响表现在：角度越大，高纬度地区因接受辐射的时间差异较大，易形成冰期。地轴倾斜度增加：高纬度辐射量夏季增大，冬季减少，年较差增大，且年辐射量增加；赤道地区年辐射量减少。,2）地轴倾斜度(黄赤交角的变化),72,3）岁差,在远日点时，若北半球倾向太阳冬天温度将会相对较高；若因进动而导致南半球在远日点时倾向太阳，北半球的冬天将较为酷寒。加上北半球陆地多，比热小，温度容易下降，而较容易形称冰期。,73,2 火山活动,1）火山活动的影响：增加大气气溶胶。使地面气温下降，火山活动的“阳伞效应”。 火山灰尘和硫酸气溶胶进入到平流层下层，由于不会受到于水的冲刷
19、，它能扩散到整个半球，低纬度的喷发能扩散到全球，并在中高纬保持最大浓度，最后在极冠落下。 强烈反射和散射太阳辐射，削弱到达地面的直接辐射 火山灰停留时间短（几个月），硫酸气溶胶可停留数年，可长时间对地面产生净冷却效应 。 引起不同程度的全球气候波动：全球性的气温降低、降水增加、直接辐射减弱、散射辐射增加等。2）火山活动呈现周期性变化（如高桥浩一郎（1986）指出：70年周期）,74,75,Krakatoa26 August 1883,El Chichn3 April 1982,76,1）太阳活动的表征：太阳黑子。太阳黑子多，太阳活动强，太阳光斑增加，太阳辐射增加.2）太阳活动的周期性特征：11
20、年（太阳活动周）、22年（海尔周期）、世纪尺度；3）太阳活动周期与气候振动11年周期里，地球气候表现单的和双振动现象。如地球上雷暴频数、大气环流特征、气温等存在双振动现象（5-6年周期）地球气候表现出与太阳活动22年周期一致的海尔周期现象，如气压、气温、降水、阻塞高压频率、大气活动中心位置等太阳活动世纪周期与气候振动具有密切的联系，环流强度、台风频数等,3 太阳活动,77,4 大陆漂移与气候变化,板块漂移、地形变化改变着地球海陆分布的形态，对地球气候的形成、演变具有重大影响,78,百年-千年尺度气候变化的形成机制海-气相互作用大西洋温盐环流（THC）变化,79,全球温盐环流回路,80,北大西洋
21、温盐环流的变化导致千年尺度气候变化,冰期,冰盛期,现代,81,北大西洋温盐环流的减弱或停止导致冷的气候突变事件,海表温度,盐度,（新仙女木事件）,82,为何现代气候增暖归因于人类活动？增强的温室效应机制,数值模拟研究表明：单纯的自然变率不足以导致工业化以来以全球增暖为主要特征的气候变化,气候变化的人为原因,83,温室气体增加产生的气候效应: 气候变暖 海平面升高 对降水量及分布的影响 对全球生态系统的影响,84,未来气候变化的预估（Projection),温室气体的排放情景 (Scenario)不确定性（Uncertainty）气候突变 (Abrupt Change),85,86,21世纪全球
22、气温预估（不同模式、不同排放情景，IPCC TAR）,87,88,由于二氧化碳在大气中能稳定存在约200年，即使保持当前的排放水平，也无法在短时间内使得二氧化碳浓度达到稳定,CO2释放情景,大气中CO2浓度,气温的响应,89,Land areas are projected to warm more than the oceans with the greatest warming at high latitudes,Annual mean temperature change, 2071 to 2100 relative to 1990: Global Average in 2085 = 3
23、.1oC,90,全球变暖模拟的不确定性,1）人类活动的不确定性：能源排放、人口增长、土地利用等方面的发展状况；2）人类活动排放的微量气体在辐射过程中的作用的复杂性；3）气候模式的不确定性。,91,未来气候突变的可能性,美国国防部秘密报告：An Abrupt Climate Change Scenario and Its Implication for United States National Security（气候突变情景及其对美国国家安全的含义）电影：The Day after Tomorrow （后天）201221世纪某个时段北大西洋温盐环流减弱或崩溃？,92,全球增暖情景下模拟的大西
24、洋温盐环流崩溃及其气候后果,93,全球变暖对人类与社会发展的影响1）农业：产量、生长的积温分布的可能变化、农作物耕作制度；2）林业：植被（森林）分布3）地球生态系统4）水资源：水循环、降水、径流；5）海洋和海岸带：海平面、海洋环流、海洋生态系统；6）人类健康；7）工业、运输等,94,8）气候影响的不确定性（1）未来社会与经济发展的不确定性；（2）未来气候变化的不确定性；（3）气候影响模式的不确定性；（4）气候影响的局地性很强,95,全球气候变暖的应对,1）能源排放与减排对策，定期给出： 国家排放清单、计算各国未来排放方案、制订减排和限排方案、能源排放贸易和纳税、技术改革和技术转让等。2）风险评
25、估：人类活动与气候变化和气候影响之间的关系尚未研究清楚，存在很大的不确定性，需要进行对气候对策的风险评估。3)气候变化的集成评估,96,气候变化与影响研究涉及的领域很多，包括能源各部门、气象、环境、水利、农业、林业、交通、医药等部门，还间接涉及到政策与策略的许多部门以及人口、社会与经济发展的各部门。建立一种集成模式，把与气候变化有关系的各部门和行业通过一个统一模式定量地联系起来。4）减排与发展 对策：发展清洁能源来代替煤、石油、天然气；对排放温室气体的工业如冰箱制造业和农业如水稻田等方面进行技术改造；对排放的废气以及产生的废物和垃圾等进行有效处理等。,97,第四节,气候变化研究方法,一、非器测
26、资料,1 地质沉积：冰川遗迹、湖泊沉积、深海岩芯、黄土沉积、极地冰芯等；2 物候及生物方法：植物胞子和花粉、树木年轮等；3 自然地理方法：河流流量、江河水位、湖泊结冰等,98,1 统计方法1）分析气候及气候变化事实： 单一时间序列：回归分析（趋势）、SSA及小波分析（周期）、突变检测 场序列：EOF（空间型）、REOF（分区）2）诊断不同气候要素间的统计联系： 相关分析、SVD、MCA、GEFA等；3）利用要素间的统计关系，进行气候预测： 建立回归统计模型；不能解释气候变化或相互联系的成因统计预测一般对气候异常或气候突变的预测能力较差,二、器测资料,99,三、数值模拟,1. 建立在热量、动量、物质守恒基础上的数值模式，对气候系统进行定量描述，研究气候要素变化的物理过程及成因，进行气候敏感性研究，增强气候变化机理的理解；2. 模式的误差：物理过程的了解不够，不能给出精确的数学描述；计算误差。3. 随着计算机的发展，模式分辨率增加，对气候系统相互作用及各子系统物理过程的描述准确性的提高，数值模式的模拟及预测水平将会越来越高。,100,四、气候及气候变化或异常的研究思路,针对某一气候要素1 分析其气候特征：气候场空间分布、季节变化；2 利用统计方法分析其气候变化特征；3 利用统计或数值模式诊断其变化成因。,101,
