第九章 未来全球变化及其影响

PPT教学
思考题：
如何理解未来气候变化的趋势及不确定性。
课后小结：
•从地区上来看，在北半球的夏季，除了南美洲的大部分地区、中国东部、非洲大部分和澳大利亚西部土壤水分增加之外，其余基本上趋于干燥，尤其是澳大利亚东南部和美国的东南部土壤水分减少非常明显。
第二节全球气候变化的可能影响
IPCC第二工作组第四次评估报告《气候变化2007：影响、适应和脆弱性》指出：气候变化和其它因素的综合作用可能会对生态系统造成不可恢复的影响。在过去50年里，人类对生态系统的影响比以往任何时期都要快速和广泛；生态系统在为人类社会和经济发展做出贡献的同时，其服务功能也在不断退化；生态系统服务功能的退化在未来50年内将进一步加剧，这将严重威胁联合国千年发展目标的实现；通过调整政策和机制，有可能在增加需求的同时，减缓生态系统的退化。
•当然也有的模拟未见到高纬度地区变暖的幅度增强的现象，Washington和Meehl(1984)的研究表明，高纬度地区变暖的幅度增强的现象只出现在海冰的边缘，而不是在陆地上。
•Manabe和Wetherald（1980）预测得出CO2浓度增加1倍时，变暖的幅度随高度和纬度的变化。在地面，赤道附近增温约2℃左右；35-50◦N之间为3-4℃，80◦N附近可达7-8℃。
如果到2100年，大气中CO2浓度达到500PPM，全球气温将升高2℃，这表明，增温速度达到每10年0.2℃。
1、植物做出不同的响应
在这种情况下，同样是植物，乔木和草本植物对气候变化的响应表现为明显不同的性质。草本植物对即将变化的气候响应迅速，可以很快在新的水热条件下达到平衡状态，乔木对气候变化的响应缓慢，完全调整到平衡状态需要很长的时间，因此，在森林和草原的边缘会出现一些复杂的情况，当边缘趋于干旱的时候，一些针叶林可以在几年里迅速枯死，草本植物迅速占领原来属于针叶林的区域。当边缘趋于湿润的时候，草类可能会迅速退缩，但森林很难侵入原来属于草类的领地，森林的扩展需要较长的时间。
1、CO2浓度增加1倍时温度的增加
•Manabe和Wetherald（1975）得出CO2浓度增加1倍时，全球表面气温增加2-3℃的结论；
•他们的研究结果还表明了温度增加的区域差异，高纬度地区的增温幅度比低纬度地区大几倍；
•全球平均降水量也随之增加。
•尽管他们的研究基于理想的大陆分布和沼泽状的海洋（没有混合和输送）及年平均的辐射（没有季节变化），是一种非常简单的模式，但他们的上述几点重要结论却经受住了时间的检验。
径流量在高纬度和赤道地区一般会增加，而中纬度地区一般会减少。
第四节 未来全球变化的复杂性和不确定性
气候系统是非常复杂的系统，包括大气、海洋、陆地、大陆的水体，植被等这都是一个气候系统，这个系统里面有各种各样的物理过程，化学过程，生物过程，这些过程之间都有互相的联系，所以要来求解描写这样复杂过程的方程组是相当困难的问题。
一、温室气体浓度的变化
未来温室气体浓度的变化主要取决于人类温室气体的排放、海洋对碳的吸收、陆地生态系统对碳的吸收等多种生物地球化学过程。对于这些过程，目前还存在着许多不确定性，因此，预测未来大气温室气体的浓度也只能给出一个粗略的范围。
大气中的主要温室气体（IPCC,1990年）；
部分温室气体的全球变暖潜势；
2、森林的格局发生变化
森林的形成需要数以百年计的时间，土壤的形成速度更慢。一种土壤的形成需要数百年甚至数千年的时间。因此，即使植被迁移到了新的位置，但土壤的地理分布格局，并没有发生显著的变化。于是出现了新的综合自然地理特征。
3、加速某些物种的灭绝
由于气候变化速率太快，可能会造成一些植物的更新和迁移速度跟不上环境变化的步伐。由于现代陆地生态系统的碎片化和人为应力作用的存在，动植物正经受着前所未有的威胁。在全球变暖的情况下，物种灭绝的速度会进一步加快。
大气化学成分变化的预测（IPCC，2001）
消耗臭氧层物质消费趋势
二、增温的预测
未来CO2等温室气体浓度的增加，全球气温将出现增加的趋势。目前，关于未来气温的预测，主要是采用数值模式进行预测。此外，还有根据目前气候的变化趋势外推和根据地质时期的古气候资料类比法在预测未来气温时也得到应用。
（一）大气环流模式（GCMs）。大气环流模式（GCMs）可以反映调节大气变化的各种反馈过程，用这种方法模拟CO2等温室气体浓度的增加导致的气温变化是比较理想的。
第九章未来全球变化及其影响
根据气温变化的千年曲线，从气温的变化趋势及20世纪后期的升温引入未来气候将如何变化？是否会像电影《the day after tomorrow》所说那样进入新的冰河世纪。
第一节全球气候变化预测
全球气候变化既有自然原因，也有人为因素。由于未来自然气候变化的不确定性，特别是在人们关心的世纪尺度的气候变化，现在还无法给出明确地预测，因此，本章主要讨论的是人为温室气体增加可能造成的气候变化。
15个排放CO2最多的国家（1992）；
中国能源消费总量增长趋势；
中国煤炭消费量和二氧化硫排放量增长趋势；
国际上要求我国减排温室气体的压力越来越大
•为了准确预测未来大气中CO2浓度随时间的变化，需要准确了解化石燃料使用量增长、海洋洋流和海洋生物变化、陆地生物量变化等全球碳循环过程中的一系列问题。
•IPCC对未来大气中温室气体的浓度进行评估，给出了IS92六种可能的情景，每种情景分别考虑了人口增长、GDP、农业、能源消耗和其他因素。
•对于温度增加的区域分布和季节变化的预测，仍存在着较大的不确定性。
•在地区上，北半球中高纬度地区温度增加幅度比较小；欧亚大陆和北美大陆的北部地区温度增加显著，部分地区可以达到5℃以上；热带海洋上温度上升幅度较小，南大洋西风带增温也比较弱。
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
•在中高纬度地区，温度增加数值随高度减小。在平流层气温是下降的。美国国家大气研究中心（NCAR，1980）的报告反映了近似的结果，但在细节上和Manabe等人的结论略有出入。
区域气候模式模拟的二氧化碳加倍时中国地区年平均温度变化 （单位：℃）
区域气候模式模拟的二氧化碳加倍时中国地区年平均降水变化 （单位：%）
•原因分析：引起深层水生成速率减小的主要原因是北大西洋地区雨量的增多和温度的上升，这将导致海水盐度下降，表层水沉降变弱，大西洋热量传送带的运转变慢。
•影响：引起半球或全球性的气候变化，但受影响最大的还是欧洲本身。
三、降水和干湿的预测
•大气中CO2等温室气体浓度的增加导致气候的变化，不仅导致气温的变化，同时也引起降水量或土壤水分的变化，从某种意义上讲，这种水分条件的变化比气温的变化更有意义。但是预测CO2等温室气体浓度的增加导致降水量或土壤水分的变化的时间、空间的变化比较困难。在研究中，多采用气候模式、历史类比法和动力分析三种方法。
一、对陆地生态系统的可能影响
近20年来，全球气候变化的可能影响的研究主要集中在当CO2浓度达到什么数值时，气温和降水开始变化？有何影响？在20世纪80年代，人们对达到CO2浓度加倍的时间估计过早，当时认为，如果化石燃料燃烧以每年4%的速度增长，则CO2浓度加倍的时间是在2025年；如以每年2%的速度增长，这个时间是2050年；但如以低于2%的速度增长，大气中CO2浓度加倍的时间就要推迟在21世纪末或22世纪初。IPCC1995评估报告认为，按1994年排放水平，到2100年，大气中CO2浓度的最佳估计为500PPM。
2、可用于气候研究和模拟的气候系统资料不足
现有的与气候系统观测有关的观测网，基本是围绕某一部门、某一学科的需要而独立建设和运行的。站网布局、观测内容等方面都不能满足气候系统和气候变化研究和模拟的要求。
3、用于预测未来气候变化的气候模式系统不够完善
要比较准确地预测未来50～100年的全球和区域气候变化，必须依靠复杂的全球海气耦合模式和高分辨率的区域气候模式。但是，目前气候模式对云、海洋、 极地冰盖等引起物理过程和化学过程的描述还很不完善，模式还不能处理好云和海洋环流的效应以及区域降水变化等。就预测我国未来气候变化而言，适合我国使用 的气候模式仍处于发展之中，迄今所用的国外模式尚不能准确地构筑我国未来气候变化的情景。
2、CO2浓度增加到工业革命前的4倍时全球气温的变化
•Manabe和Stouffer（1980）用大气环流模式模拟了当大气浓度增加到工业革命前的4倍时全球各地区气温的变化。他们的研究结果表明高纬度地区升温幅度最大的特点仍然十分明显。在北半球的冬季，亚洲和北美洲的大陆东岸升温幅度高于同纬度其他地区，但两个大陆的干燥地区升温幅度并不大。在北半球的夏季，最大增暖地区是南极大陆和南大洋；北半球此时的增暖中心有三个，即：北大西洋地区、北太平洋地区和欧亚大陆内部。
由于目前对气候系统的认识有限，上述气候变化预测结果给出的只是可能的变化趋势和方向，包含有相当大的不确定性。降水预测的不确定性比温度的更大。产生不确定性的原因很多，主要有：
1、未来大气中温室气体浓度的估算存在不确定性
未来大气中的二氧化碳浓度，直接影响未来气候变暖的幅度。只有弄清了碳循环过程中的各种“汇”和“源”，尤其是陆地生态系统和海洋物理过程和生化过程到 底吸收了多少排放的二氧化碳（包括气候系统各圈层之间的相互影响）才能比较准确地判明未来大气中的二氧化碳浓度将如何变化。但现在对温室气体“汇”和“源”的了解还很有限。同时，各国未来的温室气体和气溶胶排放量，取决于当时的人口、经济、社会等状况，这使得现在就准确地预测未来大气中温室气体的浓度 相当困难。
气候模式法：模拟结果表明，由于增强的蒸发作用，全球降水的平均值回有所增加。CO2倍增后，降水的平均值可增多百分之几（Manabe和Wetherald，1975）。后来的模拟还表明，中高纬度夏季雨带略向高纬度方向移动，中高纬度地区土壤水分变得更为不足。
•Manabe和Wetherald（1985）的模拟还表明，CO2等温室气体浓度的增加一个基本的变化，就是全球水分循环过程的增强，蒸发和降水量都增加。在高纬度地区，CO2等温室气体浓度的增加引起的降水量的增加高于蒸发率，因此，径流系数和土壤水分含量相应地明显提高（值得商榷）。在中纬度地带，地带平均的土壤水分含量有所减少。