－厄爾尼諾與地球圈層耦合(夏）MB

1、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)和資源學(xué)院劉本培教授 2010.6.23l 大氣圈是地球最外部的圈層，也是大氣圈是地球最外部的圈層，也是地球所有各圈層中最活潑的圈層之一。地球所有各圈層中最活潑的圈層之一。l 大氣圈是在地球長(zhǎng)期演化過程中逐大氣圈是在地球長(zhǎng)期演化過程中逐漸產(chǎn)生的，它的發(fā)育和演變又受到地球其漸產(chǎn)生的，它的發(fā)育和演變又受到地球其他圈層發(fā)育和演變的影響。他圈層發(fā)育和演變的影響。l 大氣圈是生命存在的基礎(chǔ)之一。大大氣圈是生命存在的基礎(chǔ)之一。大氣污染和全球變暖問題引起普遍關(guān)注。氣污染和全球變暖問題引起普遍關(guān)注。 三大組分三大組分與垂向結(jié)構(gòu)與垂向結(jié)構(gòu) 大氣中存在著空氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)、湍流運(yùn)動(dòng)和大氣中存在著空

2、氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)、湍流運(yùn)動(dòng)和分子擴(kuò)散，在約分子擴(kuò)散，在約100100kmkm高度以下氣體因此均勻混高度以下氣體因此均勻混合而成為合而成為均勻?qū)泳鶆驅(qū)?。此高度以上稱為。此高度以上稱為非均勻?qū)臃蔷鶆驅(qū)印?均勻?qū)又械拇髿饪梢钥醋魇怯桑壕鶆驅(qū)又械拇髿饪梢钥醋魇怯桑?干潔大氣干潔大氣 水水 汽汽 氣溶膠質(zhì)粒子氣溶膠質(zhì)粒子 三部分組成。三部分組成。l前3位合占總?cè)萘康?9.9%。干潔大氣的分子量為28.966。在自然條件下都呈氣體狀態(tài)。l 大氣中的水汽源于海洋、湖泊、江河、沼澤、大氣中的水汽源于海洋、湖泊、江河、沼澤、 潮濕地面及植物表面的蒸發(fā)或蒸騰作用。潮濕地面及植物表面的蒸發(fā)或蒸騰作用。l 含量隨時(shí)間、空

3、間和其它影響條件而變。含量隨時(shí)間、空間和其它影響條件而變。 容積變化范圍在容積變化范圍在0-40-4之間。之間。l 一般在低緯地區(qū)水汽大于高緯地區(qū)，沿海大于一般在低緯地區(qū)水汽大于高緯地區(qū)，沿海大于 內(nèi)陸，夏季大于冬季。內(nèi)陸，夏季大于冬季。l 水汽含量沿垂直方向迅速減?。核垦卮怪狈较蜓杆贉p小： 在在1 1.5-2km.5-2km高度處只有地面附近的高度處只有地面附近的1 12 2， 在在5 5kmkm高度只有地面的高度只有地面的1 11010。 l在相同顆粒物濃度下，北方城市實(shí)際污染程度更重。l指懸浮于空氣中的液體和固體粒子（天氣預(yù)報(bào)中的“可吸入顆粒物”，是衡量大氣污染的重要指標(biāo)之一。l地

4、區(qū)差異：北方有較多沙塵粒子，珠三角有較多有機(jī)氣溶膠。l19世紀(jì)工業(yè)化初期為粉塵污染時(shí)代：污染源主要是大型發(fā)電廠、水泥廠和各種工業(yè)爐窯直排的粉塵。l二氧化硫、硫酸鹽污染時(shí)代：污染源主要是發(fā)電廠和工業(yè)窯爐排防的二氧化硫，在大氣中發(fā)生化學(xué)作用氧化成硫酸鹽顆粒物。l最近幾十年為大氣復(fù)合污染時(shí)代：交通源排放的尾氣已超過工業(yè)排放。污染物主要是氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物（碳?xì)浠衔颲OC）和一氧化碳（CO）。這些氣體在紫外線照射下會(huì)生成光化學(xué)煙霧，其標(biāo)識(shí)物是臭氧濃度的升高，生成物稱為細(xì)粒子。l歐美經(jīng)歷了以上3個(gè)階段的完整過程，歷時(shí)百年之久。中國(guó)則在30年內(nèi)壓縮性地集中出現(xiàn)這種污染過程。 震驚世界的霧都劫難，“毒

5、霧”持續(xù)的5天內(nèi)4700多人因呼吸道病而死亡，多數(shù)是年長(zhǎng)者。霧災(zāi)之后幾個(gè)月，又有8000多人死于非命。當(dāng)時(shí)英國(guó)霧中煙塵顆粒物(燃煤產(chǎn)生的硫化物為主)濃度是4mg/m3 。 當(dāng)年客居倫敦的老舍描繪為“烏黑的、渾黃的、絳紫的，以致辛辣的、嗆人的”霧霾。風(fēng)速表讀數(shù)為零，濃霧5天不散。 l丁一匯院士(09.3.5):應(yīng)協(xié)同應(yīng)對(duì)空氣污染和氣候變化。l大氣氣溶膠是造成空氣污染的主要原因，尤其是在人類活動(dòng)排放源很強(qiáng)的工業(yè)區(qū)，大城市以及頻繁生物質(zhì)燃燒地區(qū)及其周邊。大氣氣溶膠對(duì)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的許多方面，如農(nóng)業(yè)、水資源、人體健康、城市化等都會(huì)產(chǎn)生重要的影響。l還應(yīng)該看到氣溶膠的另一面：氣溶膠可抵消部分溫室氣體造成的變

6、暖作用。l如果新的氣候模式中去掉大氣中所有人為排放的硫化物氣溶膠的冷卻作用，結(jié)果表明，全球平均溫度將上升0.8左右。 l能否合理利用氣溶膠的這種作用，實(shí)現(xiàn)控制空氣污染與減少溫室氣體排放雙贏，就應(yīng)該對(duì)空氣污染和氣候變化需采取統(tǒng)一而不是分離的應(yīng)對(duì)戰(zhàn)略。l這種應(yīng)對(duì)空氣污染和氣候變化的集合對(duì)策戰(zhàn)略。在未來2030年這將成為一個(gè)重要的科學(xué)和政策問題。 l霧霧(fog)與霾與霾(smog，煙霧，煙霧)：霧主要由液態(tài)氣溶膠粒子（水滴）組成，霾主要由干的氣溶膠粒子組成。l兩者可以相互轉(zhuǎn)化：當(dāng)水氣增多時(shí)，霾就會(huì)凝結(jié)變成霧滴；霧經(jīng)太陽一曬，水滴蒸發(fā)了，干粒子還留在空氣里，又還原為霾（灰蒙蒙的天空稱為灰霾）。l霧是

7、低溫下飽和氣塊的標(biāo)志,低緯度低海拔地區(qū)形成霧非常難。所以，廣州99.9%的情況是霾，根本不是霧。中國(guó)氣象臺(tái)播發(fā)的氣象預(yù)報(bào)中“北京盛夏季節(jié)30C大霧彌漫”的提法不妥，出現(xiàn)的肯定是霾。l如果污染物不斷積累，灰霾的濃度也會(huì)越來越高，對(duì)人的健康危害也越來越大（憋氣、咳嗽、頭暈、乏力、惡心和壞脾氣）。巴黎北京廣州澳洲lPAHs(Polycyclic aromatic hydrocarbons) l苯并a芘公認(rèn)的強(qiáng)致癌和致突變物質(zhì)。l其他幾種EPA屬PAHs質(zhì)量濃度均比苯并a芘高，其致癌和致突變性更強(qiáng)。l大氣顆粒物中的有機(jī)污染物主要來源于煤的不完全燃燒，汽車尾氣次之。l7月30日空氣質(zhì)量污染物指數(shù)為43，

8、達(dá)到了“優(yōu)”的級(jí)別。 l月日開始，北京采取了奧運(yùn)期間臨時(shí)減排措施，機(jī)動(dòng)車限行是一項(xiàng)主要內(nèi)容，使得空氣質(zhì)量比去年同期有了明顯好轉(zhuǎn)。l環(huán)境空氣質(zhì)量（API指數(shù)）： 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)需監(jiān)控SiO2、NO2、O3、CO、可吸入顆粒物(PM10)、細(xì)粒子顆粒物(PM2.5、PM1)、能見度； 國(guó)內(nèi)僅監(jiān)測(cè)SiO2、NO2、可吸入顆粒物(PM10)。紐約：二十幾微克北方地區(qū)出現(xiàn)了近十年來范圍最廣、強(qiáng)度最強(qiáng)、北方地區(qū)出現(xiàn)了近十年來范圍最廣、強(qiáng)度最強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、影響最大的沙塵暴過程。持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、影響最大的沙塵暴過程。強(qiáng)沙塵暴沙 塵 暴揚(yáng)揚(yáng) 沙沙北京全國(guó)沙塵天氣分布圖全國(guó)沙塵天氣分布圖20022002年年3 3月月

9、1818日日1717時(shí)時(shí)3 3月月2020日日0808時(shí)時(shí)烏魯木齊赤峰銀川額濟(jì)納旗呼和浩特蘭州蘭州 20022002年年3 3月月1919日日漢城漢城 20022002年年3 3月月2222日日北京北京20022002年年3 3月月2020日日l沙塵暴（sand dust storm）與塵暴（dust storm）成因不同，性質(zhì)各異。l治理對(duì)象應(yīng)有區(qū)別:前者治理沙漠，后者應(yīng)修復(fù)干凅鹽湖區(qū)的生態(tài)環(huán)境。沙塵暴入侵三路線l內(nèi)蒙古草原退化總計(jì)達(dá)到60%（3867萬公傾）。 鄂爾多斯草原 68% 錫林郭勒草原 41% 呼倫貝爾草原 23% 以上為沙塵暴發(fā)源地l阿拉善左旗荒漠、半荒漠占96.6%。 （20

10、00.5.30報(bào)道)l2002.3.10-20 中國(guó)北方出現(xiàn)了近十年來范圍最廣、強(qiáng)度最強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng) 、影響最大的沙塵暴過程。l最新一期美國(guó)國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)報(bào)道：韓國(guó)慶尚大學(xué)李尚烈（音）研究小組發(fā)明一種植物生命機(jī)制，可以通過人工加強(qiáng)來阻止全球沙漠化。l從水芹中提取的AtDTX蛋白經(jīng)過人工增強(qiáng)，成為一種新的“伴侶”蛋白質(zhì),將這種蛋白質(zhì)重新植入植物中，可以顯著提高植物耐熱、耐旱的能力。lAtDTX蛋白存在于許多植物中，包括水芹、草、水稻、大麥和土豆。l過去在沙漠周圍種植樹木和灌木往往因不能適應(yīng)嚴(yán)酷氣候條件而死亡。l李尚烈說，利用最新發(fā)現(xiàn)的嘗試可能在中國(guó)和蒙古進(jìn)行，大規(guī)模推廣可能在10年內(nèi)展開。西漢

11、還是東漢?漢代墓葬”黃腸題湊”制式盛行于西漢時(shí)期樓蘭國(guó)消亡約在晉代l 大氣的運(yùn)動(dòng)既有垂直方向，也有水平方向。大氣的運(yùn)動(dòng)既有垂直方向，也有水平方向。l 前者可形成前者可形成大氣環(huán)流大氣環(huán)流，后者則形成，后者則形成氣旋氣旋和和風(fēng)風(fēng)。l 大氣的運(yùn)動(dòng)是在大氣的運(yùn)動(dòng)是在氣壓梯度氣壓梯度的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生和維持的。的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生和維持的。l氣旋氣旋是指中心氣壓低是指中心氣壓低于四周的于四周的水平空氣渦旋水平空氣渦旋，也是氣壓系統(tǒng)中的低壓。也是氣壓系統(tǒng)中的低壓。l 北半球氣旋中低壓的北半球氣旋中低壓的水平氣流呈逆時(shí)針方向向水平氣流呈逆時(shí)針方向向中心輻合，南半球則相中心輻合，南半球則相反。反。l反氣旋反氣旋是指中心氣

12、壓高是指中心氣壓高于四周的于四周的水平空氣渦旋水平空氣渦旋，也是氣壓系統(tǒng)中的高壓。也是氣壓系統(tǒng)中的高壓。旋轉(zhuǎn)方向也與氣旋相反。旋轉(zhuǎn)方向也與氣旋相反。l氣旋按其生成的地理位氣旋按其生成的地理位置分為置分為熱帶氣旋熱帶氣旋和和溫帶氣溫帶氣旋旋。 反氣旋反氣旋氣旋氣旋熱 帶 氣 旋 生成于熱帶洋面，中心氣壓低于外圍且作水平旋轉(zhuǎn)的氣團(tuán)。是海氣耦合的復(fù)雜產(chǎn)物。中心區(qū)中心區(qū)大風(fēng)區(qū)大風(fēng)區(qū)外圍區(qū)外圍區(qū)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)北美Texas Oklahomal風(fēng)速110哩/時(shí)吹起屋頂瓦片（下）。l五級(jí)颶風(fēng)蕩平房屋（右）。 l2006年“桑美”登陸時(shí)，福鼎市沿海風(fēng)力17級(jí)，風(fēng)速每秒70.8米，全市普降暴雨，17個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)普遍

13、受災(zāi)，受災(zāi)人口43.5萬，轉(zhuǎn)移15萬人口。l截至目前統(tǒng)計(jì)，福建省216人死亡，157人失蹤(名單全部落實(shí))；財(cái)產(chǎn)損失巨大，倒房4.5萬多間，屋頂掀翻不計(jì)其數(shù)，漁船沉沒952艘，網(wǎng)箱被毀7萬多口。l高壓反氣旋中心由西往東移動(dòng)赤壁地區(qū)風(fēng)向發(fā)生倒轉(zhuǎn)(火燒赤壁)l暖濕空氣流經(jīng)較冷地面時(shí)形成大霧(草船借箭)l瘟疫對(duì)雙方軍隊(duì)都有威脅l曹操南征并未得到當(dāng)?shù)厝嗣裰С?易中天承認(rèn)“具侵略性”）l橫槊賦詩、自大輕敵是根本原因月明星稀，烏雀南飛，繞樹三匝，無枝可依。l指海洋與大氣密切相接、互相影響、互相制約、交替耦合、彼此適應(yīng)的作用。l遼闊深邃的海洋具有最大的熱容量，海洋是地球上太陽輻射能的巨大儲(chǔ)存器和地球溫度的調(diào)

14、節(jié)器。l地球上97.31%水存在于海洋中，海洋是地球、大氣中水分的總源地。l氣流吹動(dòng)海水形成洋流、風(fēng)浪、海潮；云能減弱海面太陽輻射，影響海面增溫，進(jìn)而影響海水的穩(wěn)定度；大氣降水會(huì)影響海水含鹽度；氣溫直接影響海冰；氣壓高低會(huì)影響海水內(nèi)CO2、O2的溶解度，進(jìn)而影響海洋生物的光合和呼吸作用。海水的反照力最低l厄爾尼諾（西班牙文El Nino）原意為“圣嬰”表示圣誕節(jié)前后沿厄瓜多爾海岸出現(xiàn)一支微弱且向南移動(dòng)的暖洋流。l現(xiàn)在用來表示：在南美秘魯、厄瓜多爾附近尺度為幾千km的赤道東太平洋上的異常增溫現(xiàn)象。l拉尼娜（La Nina）原意為“圣女”，也稱為 “反厄爾尼諾”，代表厄爾尼諾現(xiàn)象之后出現(xiàn)赤道東太平

15、洋上溫度異常變冷，西太平洋沿岸暴雨成災(zāi)的現(xiàn)象。l1997年3月東太平洋赤道附近海水增溫，超過常年達(dá)6C之多，至11月大洋平均水溫仍較常年高3.3C，造成東西長(zhǎng)愈一萬km，南北寬兩千km的海水增溫區(qū)。l這次在20世紀(jì)中規(guī)模最大、強(qiáng)度最高、持續(xù)時(shí)間最久的厄爾尼諾現(xiàn)象（世紀(jì)圣嬰）誘發(fā)了囊括全球3/4（包括中緯度甚至高緯度）地區(qū)的多種氣候?yàn)?zāi)害。1997/98年度為近百年最強(qiáng)的一次(世紀(jì)圣嬰）l1997年夏，江南暴雨成災(zāi)，北方則苦旱無雨。l1998年夏，長(zhǎng)江、松花江和嫩江出現(xiàn)嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，估計(jì)損失3000億元。紅白色正距平； 藍(lán)紫色負(fù)距平復(fù)活節(jié)島復(fù)活節(jié)島（與溫度距平正相關(guān)）（與溫度距平正相關(guān)）冷海水上涌

16、暖海水暖海水高海面高海面赤道南側(cè)東南信風(fēng)盛行赤道南側(cè)東南信風(fēng)盛行南美南美西部西部干旱干旱少雨少雨東南東南亞亞潮濕潮濕多雨多雨熱熱源源沃克環(huán)流冷冷源源南南南美西部多雨洪水成災(zāi)暖洋流高海面浮游生物、魚類和鳥類大量死亡東南亞上升氣流減弱氣候干旱赤道逆流增強(qiáng)赤道逆流增強(qiáng)減弱熱熱源源西風(fēng)出現(xiàn) 每隔每隔3 - 4年年 ( 最短最短2年、最長(zhǎng)年、最長(zhǎng)7年），東南信風(fēng)突然減弱，東太平洋冷水上年），東南信風(fēng)突然減弱，東太平洋冷水上氣流反轉(zhuǎn)王紹武等（1992）研究了過去518年（14711987）的厄爾尼諾事件，共出現(xiàn)了100次，總發(fā)生頻率為19.3%。厄爾尼諾發(fā)生頻率可能有長(zhǎng)期變化，如以每10年發(fā)生01次為少發(fā)

17、期，3次為多發(fā)期，則兩者之間的時(shí)距平均都是70年。一次強(qiáng)厄爾尼諾事件后，不一定會(huì)緊跟一次拉尼娜事件。l巢紀(jì)平（1998）據(jù)赤道太平洋地區(qū)海水表層、次表層的水溫資料分析1997/1998年厄爾尼諾與拉尼娜現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)厄爾尼諾暖水團(tuán)與拉尼娜冷水團(tuán)先在西太平洋暖池次表層150米深度的溫躍層中形成，在洋面毫無反映。l這種現(xiàn)象無法用海-氣耦合的熱量平衡機(jī)制予以解釋。l必然涉及是否與地球其他圈層之間也存在能量交換的深層次探討。海洋水溫西太平洋暖池西太平洋暖池西太平洋暖池正處洋殼板塊正處洋殼板塊三聯(lián)點(diǎn)附近三聯(lián)點(diǎn)附近l氣象學(xué)家：氣象學(xué)家： 在研究厄爾尼諾現(xiàn)象方面處于主流地位。強(qiáng)調(diào)現(xiàn)有的海-氣耦合理論、實(shí)時(shí)衛(wèi)星監(jiān)

18、測(cè)手段、現(xiàn)有的解釋模式和計(jì)算公式有效。l地質(zhì)學(xué)家：地質(zhì)學(xué)家： 杜樂天 （1996）提出厄爾尼諾可能與西太平洋洋脊三聯(lián)點(diǎn)附近的地幔流體大規(guī)模放氣作用有關(guān)。l地理學(xué)家：地理學(xué)家： 覺得地質(zhì)學(xué)家提出的思路有理。但目前限于人類對(duì)地監(jiān)測(cè)手段有限（在海面下安置的監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)量很少，高空衛(wèi)星無法及時(shí)了解水下動(dòng)態(tài)），尚需在今后改進(jìn)。l在太平洋西部有一個(gè)叫暖池的地方，地幔對(duì)流非常顯著，地幔的溫度比地面高得多，由于那里存在一個(gè)大裂縫，地幔的熱氣通過裂縫而散發(fā)出來，影響了海水的溫度。這可能是形成原因之一。l也可能是地球自轉(zhuǎn)速度變化而引起，當(dāng)自轉(zhuǎn)加快時(shí)，地球內(nèi)部物質(zhì)向赤道集中，造成了此處能量的富集，影響了海水溫度。l很可能是源于固體地球、海洋和大氣的相互作用，這將是21世紀(jì)人類需要解決的難題之一。1972-7319651982-83 1976-771991-941986-87l1.大氣污染的成因和監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)？l2.北京的綠色奧運(yùn)目標(biāo)、現(xiàn)實(shí)差距和解決措施？l3.試從反氣旋理論分析火燒赤壁、草船借箭的可能氣候背景。l4.何謂厄