全球环境变化的证据和原因20100315

基本概念
气候变化：climate changes
温室效应：climate change effects 温室气体：greenhouse gases
气候变化：climate changes
指除在类似时期内所观测的气候的自然变迁之外，由于直接 或间接的人类活动改变了地球大气的组成而造成的气候 变化。
• 当代和未来的气候变化不同与过去100万年气候 变化的基本方面是它们受到人为强迫机制的影 响
气候变化的主要机制和运作时间尺度
气 特候 征史 曲全 线球 （平 平均 均温 偏度 差和 ）降 水
长期气候变化的证据和原因
• 科学家在天气循环中发现了周期性模式。
– 11年太阳黑产周期和22年的太阳磁性周期对气候变化产生了重要 作用。 – 月球绕地球旋转倾角的18.6年周期性轮回影响了气候，因为倾角 变化会改变地球潮汐和大气循环。 – 另外近年来引起注意的一种理论认为地球围绕太阳旋转的公转轨 道变化是天气周期性变化的原因。
气候变化本身
长期的 long term
复杂的 complicated
想要认识气候变化—必须
地球气候变化历史
证明地球气候变化的证据可 追溯到45亿年前
研究最多的是近200万年 1980年代以来全球气候加速 变暖和未来如何变化?
地球气候变化的尺度
2X104-106年的长期气候变化 102-2X104年的短期气候变化 100-100年的当代气候变化
• 变冷过程
– CO2和温度变化还是落后日射变化 – 但CO2变化落后于温度变化
北京大学环境学院 胡建信
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短期气候变化的原因（争议）
• 海洋环流 • 太阳活动变化（黑子）
– 最早观察到1610年，但1848年以前没有可靠记录 – 过去150年中，太阳黑子数循环的长度为7.3-17.1年(按 相邻的两个极大值计算)或9.0-15.0年(按相邻的两个极 小值计算)；平均为11.1年。 – 太阳辐射增加0.1%(全球平均气温将升高0.02度，每 1.1W/m2)
全球气候变化的证据和原因
今日参考书（章基嘉 气候变化的证据、原因及 其生态系统的影响 气象出版社, IPCC报告）
课程安排
• 6月17日考试 • 4月5日听课
Mother Earth -- Our Home
北京大学环境学院 It 胡建信is has
water, oxygen and a hospitable climate
• 火山活动Fra Baidu bibliotek
Global ocean circulation
Cooling
Warm surface current
Intermediate waters
Warm and less saline
Antarctic circumpolar current
A simplified view of the global thermohaline conveyor belt, showing cooling and downwelling in the North Atlantic, warming and freshening in the southern hemisphere, and return flow as a warm surface current.
各种温室气体贡献
• 1850-1957年其它温室气体（主要为甲烷） 的贡献为40%； • 1958-1989年其它温室气体贡献达到CO2的 77%，90年代将相当于CO2；
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IPCC在2007年得出结论
• 自1961年以来的观测表明，全球海洋平均温度的增加已延伸到至少 3000米深度，海洋已经并且正在吸收80%以上被增添到气候系统的热 量。这一变暖引起海水膨胀，并造成海平面上升。 • 南北半球的山地冰川和积雪总体上都已退缩。冰川和冰帽的大范围减 少造成了海平面上升(冰帽不包括格陵兰和南极冰盖的贡献)。 • 在1961至2003年期间，全球平均海平面上升的平均速率为1.8 [1.3至 2.3] 毫米/年。在1993至2003年期间，该速率有所增加，约为3.1 [2.4 至3.8] 毫米/年。尚不清楚在1993至2003年期间出现的较高速率，反 映的是年代际变率还是长期增加趋势。从19到20世纪，观测到的海平 面上升速率的增加具有高信度。20世纪海平面上升的总估算值为 0.17[0.12至0.22] 米。
• Arrhenius 在1896年就提出
– 地球通过吸收的入射太阳辐射能（短波辐射） 与向外辐射红外辐射能（长波辐射）之间的精 细平衡保持其平衡温度，一些红外辐射能到达 太空。
温室气体效应：Greenhouse Gas Effect
温室气体允许太阳辐射 几乎不受阻挡地通过地 球大气，但却吸收来自 地球表面的红外辐射， 并将其中一部分反射回 地球。这一自然温室效 应使地表温度保持在比 没有温室效应高33°C 左右的水平上——其温 度温暖到足以维持生命。
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另一个证据-海平面升高
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Sea-level transgression scenarios for Bangladesh
Adapted from Milliman et al. (1989).
气候系统: climate system
指大气圈、水圈、生物圈和地圈的整体及其相互作用。 the totality of the atmosphere, hydrosphere, biosphere and geosphere and their interactions.
温室效应Greenhouse Gas Effect
其他证据
• 物侯学 • 雪线上升 • 树种迁移
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全球温度变化
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IPCC在2007年得出结论
• 根据全球地表温度器测资料，最近12年中(1995至2006年) 有11年位列最暖的12个年份之中(1850年以来)。更新的 100年线性趋势(1906至2005年)为0.74[0.56至0.92℃]，因 此大于TAR时给出的1901至2000年0.6[0.4至0.8℃]的相应 趋势值。近50年的线性变暖趋势(每十年0.13[0.10至 0.16℃]几乎是近100年的两倍。)从1850至1899年到2001 至2005年，气温升高总量为0.76[0.57至0.95]℃。 • 城市热岛效应的影响是存在的，但也是局地的，对上述数 值的影响可被忽略(在陆地上小于每十年0.006℃，在海洋 上为零)。
发生变冷的程度？
维持多久？
当代气候变化的证据和原因
• • • • 全球气候变暖的证据 温室气体性质和贡献 温室效应模拟 中国研究现状
全球气候变暖的证据
• 过去130年全球地面平均温度增加0.6度; • 南半球稳定的变暖，北半球40年代前变暖， 大约30年变冷后又恢复变暖； • 80年代后变暖加剧； • 过去30年，平流层变冷
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温室效应的简单示意图
某些太阳辐射被
太阳
地球和大气反射
大 太阳辐射 穿过晴空 大气
气
某些红外辐射被温室 气体吸收并重又放射 出，这种效应使地表 和低层大气变暖
地球 地表放射的 太阳辐射被地表 红外辐射 吸收使地表变暖
大部分
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太阳能输入和反射
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Projected globally averaged surface warming and sea level rise at the end of the 21st century
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温室气体的性质
• 温室气体是在8-14m 附近吸收辐射的气体 • 双原子吸收部分紫外，三原子吸收红外 （如果地球只有N2和O2，地球平均温度18oC，实际为15oC） • 通常为长寿命
• 机制
– 地球公转倾角在变化（倾角加大，夏季高纬度太阳辐射加大；冬 天则相反）
• 地质证据
目前的倾角： 23.4度 4.1万年循环中最 大倾角：24.5度 4.1万年循环中最 小倾角：22度
二分点的运动（2.2万年一个循环）
地质证据(温度确定)
• 用氧的同位素测定温度（精确到0.5oC）
– 同一条件下同位素轻的水蒸发快 – 较暖的水中较轻的同位素的水蒸发快 – 生活在海水中的有机体的残骸所含O18/O16 比与它们生活的海水相同 – δ18O=[(18O/16O)样品- (18O/16O)标准值]/ (18O/16O)标准值
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温室气体：greenhouse gas
指大气中那些吸收和重新放出红外辐射的自然的和人为的气态成
The gaseous constituents of the atmosphere, both natural and anthropogenic, that absorb and re-emit infrared radiation.
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温室效应
• 太阳辐射为短波辐射，最大能量在600nm， 而地球辐射是长波辐射，最大能量在 16000nm，大气中的二氧化碳(CO2)和其他 微量气体如甲烷(CH4)、氧化二氮(N2O)、 氯氟烃(CFCs)等可使短波几乎无衰减地通 过，但却吸收长波辐射，因此这些气体有 类似温室的作用，故称上述气体为“温室 气体”，由此产生的效应为温室效应。
地质证据(时间确定)
• 14C半衰期为5730年（氮） • 植物吸收12C、13C和14C速度一样 • 植物C同位素比例与生活的大气中一样 • 14C方法可以推断7.5万年
• 由于地轴倾角和偏心率的周期影响已经得 到证明
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大气温度和CO2浓度变化
• 升温过程
– CO2与温度的变化几乎同时发生 – 但落后于日射变化
温室效应早已存在：Greenhouse effect is natural 没有温室气体地球表面温度为零下18°C.
without, average temperature would be ca. -18°C.
温室气体是地球生命的保证
natural” greenhouse effect enables life on earth
Estimated solar irradiance variations 1750-2000
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太阳辐射的记录和研究
• 300年太阳直径数据 • 树木年轮14C记录
火山对全球气候的影响
火山向平流层注入火山灰尘和硫酸盐气溶胶-短波太阳辐射后向散射； 过去100年发生9次主要火山爆发：5次较强的作温度订正，认为造成全 球降温0.1-0.5度并持续2-3年 气候的响应速度？
模拟
• 轨道变化强迫动力模式 • 能量平衡模式（EBM）
– 地球辐射平衡一维模式
• 大气环流模式（GCM）
– 气候系统三维模式
A change of climate which is attributed directly or indirectly to human activity that alters the composition of the global atmosphere and which is in addition to natural climate variability observed over comparable time periods.
温室气体使地球表面温度保持在平均15°C
average temperature is ca. 15°C.
自然界存在的温室气体：The natural greenhouse gases are: 氧气：Oxygen 臭氧：Ozone 二氧化碳：Carbon dioxide 水蒸气：Water vapour