气候变化与生态环境

气候变化与生态环境

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气候学与气候变化学

1.气候学：是研究气候形成及气候特征在空间分布和时间演变的学科，它是大气科学的一个分支，也是气象学与自然地理学间的边缘学科。

研究内容：主要研究气候要素在地球上的分布、区域气候特征、过去气候变化规律、太阳辐射、大气环流、地表及人类活动制约地球气候等问题，以期利用气候资源、改善气候条件，并避免气候不利影响。

分支：

1)按研究尺度：

①大气候学：较大空间尺度的气候状况。其水平范围在200km 以上，垂直高度在1-12km之间。

②中气候学：中等空间尺度的气候状况。其水平范围在100-200km以上，垂直高度在1-6km之间。

③小（微）气候学：由于下垫面性质以及人类和生物活动的影响而形成的小范围的特殊气候。

2)按研究所用原理和方法：

①天气气候学：借气流场型式与天气系统的关系，以研究地区气候特征的学科。

研究内容：长时期内平均环流、环流型式与天气系统相互作用，以及大气环流与大范围气候异常的关系等问题，从而为提高该地区天气预报准确率和阐明气候形成理论提供重要材料和理论分析。

②物理动力气候学：用物理学方法分析、研究气候形成及其现象的学科。

研究内容：大气中的声、光、电、辐射、蒸发、凝结、云雾等物理现象产生的原因，演变的过程与规律。

③自然气候学

3)按研究时段和所用资料：

①古（地质时期）气候学：分析、研究史前地质时期气候状况及气候变迁的学科。

研究方法：依据古生物学、地史学等得出的化石、深海沉积、孢粉等资料，分析地质时期气候的演变规律。

②历史时期气候学：研究人类进入文明，但尚无仪器观测大气现象时期的气候的学科。

研究方法：主要依据考古发掘所得植物遗骸及古代墓葬等提供气候信息和各种历史文献记载来研究数千年来冷暖气候演变的概貌。

③近代气候学

2.气候变化学：研究区域气候变化、历史时期气候变化、近代气候变化、气候系统年际变化预报、地球物理因子对气候的影响及气候变化预测方法的科学。

气候变化与社会生活、经济发展之间的关系

1.气候变化与社会生活之间的关系：

1)气候变化导致发热、哮喘、白内障、皮肤癌和其他皮肤病的增加。

2)由于自然灾害增加和农业品改变引起饮食和营养的变化。3)传染病发病率增加，进而导致了死亡率、致命性伤病增加，媒介传染病在较暖湿的气候中影响范围及程度均会扩大。2.与社会经济发展之间的关系：

1)气候变化导致自然灾害增加，从而影响经济发展。

2)反复曝露在气候变化引发疾病或压力下的个人，身体或精神病发病率均增加，从而导致暴力、自杀和犯罪率上升，影响社会的稳定，不利于经济的发展。

气候变化研究的主要方法及意义

1.研究的主要方法：

10-100年时间尺度的气候变化预测方法主要有：经验性气候预测方法、气候数理统计预测方法和气候动力学模式预测方法。

1)经验性气候预测方法

主要原理：建立在观测资料基础上，经过气候诊断分析，找到一些与预报对象有联系的物理因子，从而做出预报。

特点：计算简便、定性，物理机制不够明确，取决于是否有观测资料。

2)数理统计预测方法

主要原理：建立在观测资料基础上，利用统计方法建立预测模型，做出预报。

特点：计算简便、定性，物理机制不够明确，取决于是否有观测资料。

3)气候动力学模式预测方法

主要原理：根据数学物理方程建立描述全球气候系统的气候模式，利用模式做出预报。

特点：计算复杂、定量，物理机制较明确，尚有不确定性，尤其在局域范围。

2.方法介绍

1)经验性气候预测方法

主要依赖于影响气候变化的物理因子，特别是具有年代际时间尺度变化的因子。10-100年时间尺度气候预测的主要物理因子有：

①外部因子：太阳活动（太阳辐射、太阳黑子活动等）、火山活动、地球轨道参数（倾斜率、黄赤交角等）、月亮（阴阳历与节气、潮汐等）、行星（位置、相互关系等），以及人类活动（经济活动的排放、能源排放、土地利用、人口变化）。

②内部因子：气候系统的五个组成成分

a.大气圈：大气环流型、环流特征量、年代际变率、遥相关等。

b.水圈：海洋环流、冷暖洋流、热盐环流、海温、厄尔尼诺/拉尼娜事件等。

c.冰雪圈：冰雪面积、强度、流冰、融化等。

d.陆地岩石圈：地形、地热、反射率、粗糙度等。

e.生物圈：植被覆盖变化等。

2)气候数理统计预测方法

①时间序列分析

基本原理是计算预报对象本身的前后关系。

常用的方法有：趋势法、平稳时间序列分析、方差分析、譜分析、小波分析等。

②相关与回归分析

基本原理是根据最小二乘法，建立预报对象与预报因子之间

的回归方程，再根据建立的回归方程，结合预测因子的未来变化进行气候预报。

如：一元回归分析、逐步回归分析等

③相似聚类分析

基本原理是根据空间距离最小原则，建立预报对象与预报因子之间的相似方程，再根据建立的方程，结合预测因子的未来变化进行预测。

如：一元相似聚类、多元相似聚类、场相似聚类等。

④空间场分析

基本原理是计算空间场的主要特征型，建立预测对象本身或与预测因子之间的计算方程，最终做出空间场的预报。

如：经验正交函数分析（EOF）、最大熵譜分析、奇异值分解（SVD）、典型相关分析（CCA）等。

数理统计预测方法的预报对象：温度、降水和异常事件。

不足之处：

由于该方法只是从数学上进行计算，对于预测对象与预测因子之间的内在物理联系考虑较少。

补救方法：

把经验气候预测方法与数理统计方法相结合，以增加其物理含义。

3)气候模式预测方法

所用的方程组：

水平运动方程、流体静力学方程、连续方程、状态方程、热力学方程。

以上方程均为微分方程，对方程进行积分就可以得到预报结果。

模式的验证方法：

①运行该模式若干年，将模式生成的气候与当前的气候进行详细的比较。

②模式与过去气候的模拟结果比较，那时的一些关键变量与现在的变量有很大的不同。

③应用模式来预报大的扰动对气候的影响。

3.气候变化研究的意义

1)对重点工程建设、生态环境保护及公众健康有重要的指导意义；

2)对研究气候脆弱区有重大的指导意义；

3)对研究人体健康、公众安全有重大的影响。

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气候变化的概念及其范畴

1.概念

气候变化：较长时期的气候演变，也泛指各种时间尺度的气候演变。

气候变迁：气候是不稳定的，具有连续波动的性质。只有波动长期向一个方向变化，并使自然地理环境的其他因素发生改变时，才称气候变迁。

2.气候变化的范畴

从时间尺度和研究方法来看，地球气候变化史可分为三个阶段：地质时期的气候变化、历史时期的气候变化和近代气候变化。

①地质时期的气候变化：时间跨度最大，从距今22亿—1万年，其最大特点是冰期与间冰期交替出现。

②历史时期的气候变化：一般指1万年左右以来的气候。

③近代气候变化：有气象观测记录时期的气候。

导致气候变化的因素

1.天文因素太阳活动和行星地心会聚的力矩效应

行星会聚：指地球单独处于太阳的一侧，其它行星都在太阳的另一侧，且最外两颗行星的地心张角为最小的现象。八颗行星于冬半年会聚时，地球的冬半年延长，夏半年缩短，以致北半球接受的太阳总辐射量减少。这就是行星会聚的力矩效应。

2.温室气体所产生的温室效应

温室气体：大气中自然或人为产生的气体成分，它们能够吸收和释放地球表面、大气和云发出的热红外辐射光谱内特定波长的辐射。二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）和六氟化硫（SF6）大气温室效应：大气中各种微尘和温室气体成分的存在，犹如温室覆盖的玻璃一样，阻挡了地面向外的辐射，增强大气逆辐射，对地面有保温和增温作用。

3.人类活动对陆地植被分布格局的改变

气候的有序变化

1.地质时期的气候变化：经历了震旦纪大冰期、寒武纪—石炭纪大间冰期、石炭—二叠纪大冰期、三叠纪—第三纪大间冰期和第四纪大冰期。

地质时期古气候变迁的基本特征：寒冷的大冰期与温暖的大间冰期交替出现。全球已出现过3次大冰期和2次大间冰期。大冰期持续时间约1,000万～2,000万年，气温和雪线下降；大间冰期持续时间约3亿年，气候变暖，冰川退缩，气温和雪线上升，中纬度温度变化幅度高达10℃。

1)震旦纪大冰期（距今六亿年以前）

气候特征：气候寒冷，除南极洲外，全球大陆都覆盖着大面积的冰盖和山地冰川，留下了大规模的冰碛层。

冰碛层：冰川运动或融化后所搬运、堆积的石块、碎屑物质组成的底层。

生物状况：由于气候寒冷几乎没有生物。

2)寒武纪—石炭纪大间冰期：这一时期包括了寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪和石炭纪五个地质年代。

时间范围：距今约6亿～3.5亿年，历时2.5亿年。

气候特征：气候变暖，冰川后退，雪线上升。

寒武纪：气候增暖且干湿气候带明显。

石炭纪：温和湿润气候。

①寒武纪：始于距今5.4亿年，延续了4000万年(三叶虫的时代)的生物界以海生无脊椎动物和海生藻类为主。

②奥陶纪：始于距今5亿年，延续了6500万年。奥陶纪是地球史上海侵最广泛的时期之一。原始的脊椎动物出现。

③志留纪：始于距今4.35亿年，延续了2500万年。笔石的时代，陆生植物和有颌类出现。

④泥盆纪：始于距今4.1亿年，延续了约5500万年。（鱼类的时代）陆生植物、鱼形动物空前发展，两栖动物开始出现。

⑤石炭纪：两栖动物的时代。石炭纪（Carboniferous period）开始于距今约3.55亿年至2.95亿年，延续了6000万年。石