气象学与气候学第八章气候变化

气象学与气候学
第八章 气候变化
第八章 气候变化
第一节 气候变化及其时间尺度 第二节 不同时间尺度的气候变化 第三节 气候变化的影响因子
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1. 气候变化及其时间尺度
1.1 气候变化的定义
较长时期的气候演变，也泛指各种时间尺度的气候演变。 IPCC: 气候变化指气候状态的变化，而这种变化可以通
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岁差的影响：
春分点的移动、 近日点和远日点 的变化
每70年左右，春 分点后退一天
影响四季的气候
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92.8 93.6
89.0 89.8
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93.2 93.9
88.7 89.4
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3.2 大陆漂移与气候变化
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3.3 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（约1600年）
过其特征的平均值和/或变率的变化予以判别(如通过运 用统计检验)，这种变化还将持续一段时期，通常为几 十年或更长的时间。 《联合国气候变化框架公约》: “在可比时期内所观测 到的在自然气候变率之外的直接或间接归因于人类活动 改变全球大气成分所导致的气候变化”
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1.2 气候变化的时间尺度
时间尺度的变化范围
1200
1400
1600
1800
2000
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1200年的温度距平，分辨率：50年。（据王绍武等， 2000b）
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青海湖孢粉所显示的近10ka气温(℃)、降水量(%)变化 （时间坐标为14C年代，王绍武等，2002a）
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中国气象局国家气候中心
近50年中国地表气温(相对于1961-1990年均值)变化
近50年我国年均地表气温升高速率0.22℃/10年，远高于全球同期0.13℃/10年。 2006年全国平均气温偏高1.1 ℃，为1951年来最高值，也是连续第10年高于常年。
2006年全球平均气温较1960-1990年平均偏高0.42 ℃，为有记录以来第6暖年。
1.0
Temperature/ C
o 0.5
0.0
-0.5
-1.0 1880
1900
1920
1940
1960
Time/ Year
1980
2000
1998年是近百年最暖的1年，1990s是最暖的10年
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中国年平均气温变化趋势（%/10a） 分布图（1960—1999）
50
40
30
20 80
90
100
对于气候研究，约为月际到几亿年(100~108年)。
气候变化的时期划分
108年 ~ 大地质年代气候变化（亿年尺度） 106年 ~ 小地质年代气候变化（百万年尺度） 105-4年 ~ 古气候变化（万年-几十万年尺度） 104-3年 ~ 历史时期气候变化（千-万年尺度） 102年 ~ 现代气候变化（百年尺度） 101-0年 ~ 短期气候变化或波动（年代际、年际、季
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2.2 历史时期的气候变化
历史时期：自第四纪更新世晚期，约距今1万年 左右的时间开始
代用资料（非器测） 冰芯、树木年轮、黄土、湖泊沉积、历史文 献等
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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 Dryas: YD）~ 12.210.5kaBP
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中国气象局国家气候中心
1951-2006年中国气温(相对于1961-1990年均值)变化
2006年与1998年是我国1951年以来最暖的一年； 从1986/1987年冬季开始，中国连续经历了21个“暖冬”。 2006/2007年冬季全国平均气温偏高1.9℃，仅次于1998/1999年冬季，为历史同期第2高值。
20世纪全球海平面平均上升约为 0.17 米 ； 其 间 1961-2003 年 平 均 上升速率约为1.8毫米/年，19932003 年 的 平 均 上 升 速 率 约 为 3.1 毫米/年。
全球大部分地区积雪退缩，特别 是在春季和夏季；近40年北半球 积雪逐月退缩 （除 11月 和12月 外），在20世纪80年代尤为明显。
器测资料 主要气候变化现象：
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
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过去140年来地球表面气温变化情况
IPCC TAR: 0.6±0.2˚C, 0.58˚C/100a
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年平均气温的变化趋势
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极区增温更显著
Amplified Global Warming by Albedo Feedback in Arctic
节）
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各种周期气候波动
周期段 大冰期与大间冰期 亚冰期与亚间冰期 副冰期与副间冰期 寒冷期（小冰期）与温
暖期（小间冰期）
世纪及世纪内的气候变 动
时间尺度 几百万年~几万万年 几十万年 几万年 几百年~几千年
几年~几十年
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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
全新世存在千年尺度 气候波动平均周期 1.45ka 。11kaBP以来 有9个寒冷期，最近 一次为小冰期.
中世纪暖期 (AD 900-1300) 小冰期（AD 1320-1920） 现代增暖（20世纪）
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全新世暖期中国温度较现代增加的幅度
（单位:℃。施雅风等，1992）
70 o
80 o
90 o
100 o
110 o
120 o
o
130
45 o
4 5
0
250
500 750 km
3 2 1
35 o 25 o
13
过去2000年中国东部温度变化
180
360
540
720
900
1080 1260 1440 1620 1800 1980
1.0
0.0
0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6
800
-1.0
1000
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中国气象局国家气候中心
全国平均春季气温历年变化
2007年春季全国平均气温为10.9℃，比常年同期（平均9.7℃）偏高1.2℃，为 1951年以来历史同期最高值（与2004 年并列）；1997年以来我国已连续11年 春季偏暖。
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中国年平均气温距平 (1880-1999年)
(国家评估报告：0.2~0.8˚C/100a)
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
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近2万年以来的气候变化
新仙女木事件（YD） 12.2-10.5kaBP
全新世大暖期 8.5-3.0kaBP
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
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
大暖期（8.5-3.0kaBP） 全新世千年尺度气候
波动与气候事件 8.2kaBP冷事件
2.1 地质时期的气候变化
冰期、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。
震旦纪大冰期(6亿年前) 寒武-石炭纪大间冰期(3~6亿年前) 石碳-二迭纪大冰期(2~3亿年) 三迭-第三纪大间冰期（2亿~200万年前） 第四纪大冰期(200万年前至现在)
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2.1 地质时期的气候变化
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公元1850年以来最暖的50年
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全球资料取自HadCRUT3，中国资料由王绍武（1998）改绘
全球和中国地表平均温度(相对于1961-1990年均值)变化
近百年我国年均地表气温升高0.5-0.8℃，1980s以来暖期与1920s-1950s大致相当。 和全球平均一样，近100年的增温主要发生在冬季和春季，夏季有微弱变凉趋势。
寒
冷
冷
寒
期
期
冷
期
温度（℃）
+4
+3
+2
+1
0
-1
-2
寒冷期
-3
-4
1950 1900
1800 1700 1600 1500
1000
500 0 500 1000 2000 3000 4000 5000
10000
年代
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
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2.3 近代气候变化特征
110
120
13034
气 候 时 间 演 变 示 意 图
现代气候学基础 II
35
35
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，以冰期和间冰期的交替出现为特征， 气温变化幅度在10°C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 2-3°C
周期变化长，全球平均温度变化幅度在10°C以 上，伴随着地壳运动以及地理环境的变化。
大冰期：持续时间约1,000万～2,000万年，气温 和雪线下降，气温比目前平均低3~7°C
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℃，平均温度比目前高8~12°C
末次冰期冰盛期（Last Glacial Maximum源自文库 LGM) ~ 21kaBP
末次冰期中气候最冷、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
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第一节 气候变化及其时间尺度 第二节 不同时间尺度的气候变化 第三节 气候变化的影响因子
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2. 不同时间尺度的气候变化
降水量
20 0 -20
2 0 -2
10 9
8
7
6
5
4
3
2
1
0 Ka B.P.
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温度
历史时期的气候变迁（近数千年的气候史）
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。
2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200
高度（m）
温
暖
期
温
暖
期
温
暖
温
期
暖
期
寒
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 – 1.0°C之间。
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第八章 气候变化
第一节 气候变化及其时间尺度 第二节 不同时间尺度的气候变化 第三节 气候变化的影响因子
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3. 气候变化的影响因子
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
由于海面受热 冷却不均、蒸 发降水不匀所 产生的温度和 盐度变化，造 成海水的密度 有所不同，引 发深层海水的 缓慢运动
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全球温盐环流回路(输送带)
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3.4 火山活动与气候变化
火山爆发，对气候有着重要的作用和影响的是进入到平 流层下层的火山灰尘和硫酸气溶胶，由于不会受到于水 的冲刷，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。
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
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3.1 冰期-间冰期循环的形成机制
米兰科维奇理论(Milankovitch,1941) ~ 冰期天文 理论 （万年尺度） 轨道参数的周期性变动
理论核心：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。
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过去150年来地球表面气温变化情况
IPCC AR4: 0.45±0.12˚C, 0.74˚C/100a
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全球气温变化趋势
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全球增暖的证据：北极海冰面积减少
Johannessen et al. (2004)
23
海冰的变化
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雪盖的变化
25
全球增暖的证据：海平面上升
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近百年（1906-2005年）全球地 表 平 均 温 度 上 升 了 0.74℃ ， 1956-2005年升温0.65℃。19952006年中有11年位列有仪器观测 以来的最暖12年中。
➢ 如果冬季在远日点，夏季在近日点，则冬季长 而冷，夏季热而短。当e值增大，年变化增大； e值减小，年变化减小。
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地轴倾斜度(黄赤交角的变化)
22.1~24.24，现在为23.44
地轴倾斜度的影响表现在： 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。 地轴倾斜度减小：高纬度辐射量夏季减少，冬 季增加，年较差减小；赤道地区年辐射量增加。
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40
41
地球轨道偏心率的 变化： 0.00-0.068
现在 e=0.017
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地球轨道偏心率变化的影响
➢ 目前北半球冬季位于近日点附近，地 球获得的天文辐射量较现在远日点的 约大1/15，冬半年较短，e值增大，冬
e
a2 b2 a
季太阳辐射量增大，夏季减小，年变化减小；
偏心率e减小，年变化增大。