武大環(huán)境災害學第九章

第九章全球變化和環(huán)境災害

主講人：王艷

武漢大學

2011年3月厄爾尼諾及其旱澇災害5主要內容5

全球變化1氣候變暖的環(huán)境影響

2海平面上升及其災害

341.全球變化的概念模型

全球變化是指全球環(huán)境中的能改變地球承載生命能力的各圈層系統的變化，包括氣候變化、陸地生產力變化、海洋和其他水資源變化、大氣化學變化以及生態(tài)系統變化等。全球變化學是研究地球系統整體行為的一門科學。它把地球的各個層圈（如大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈）作為一個整體，研究地球系統過去、現在和未來的變化規(guī)律和控制這些變化的原因和機制，從而建立全球變化預測的科學基礎，并為地球系統的管理提供科學依據。全球變化的過程涉及三個基本方面：物理過程、化學過程和生物過程，在這三個過程之間存在著相互作用和相互制約的機制。其中物理氣候系統和生物地球化學系統是兩大主要循環(huán)系統。第一節(jié)全球變化2.全球變化的歷史

歷史文獻、樹木年輪、沉積物、冰芯以及其他資料間接地為人們提供了全球變化歷史。⑴第四紀氣候變化在大時間尺度上，地球環(huán)境的變化主要是冰期、間冰期的交替，稱為冰期旋回。在冰期旋回中，全球溫度、冰量和大氣中二氧化碳含量具有巨大的波動。新近紀（距今2500萬年）全球氣候炎熱，發(fā)育并堆積了大量的紅土層。進入第四紀（距今300萬年）全球氣候變冷，出現了多次冰期旋回。⑵全新世氣候變化全球末次冰期結束后，大約一萬年前開始的一個地質時期稱為全新世。全新世氣候普遍轉暖，中、高緯度的冰川大量消融，海平面迅速上升，喜暖動植物逐漸向較高緯度和較高山遷移，全球自然地理環(huán)境完全演進到現代面貌。全新世時期我國氣候多變化，冷暖氣候曾變化十多次。⑶我國歷史時期的氣候變化我國5000多年來的氣候變化可劃分為4個溫暖期和四個寒冷期（見圖）。⑷我國近百年來的氣候變化

20世紀初至20年代及50年代末至70年代中期我國為相對寒冷期，而30年代至50年代及70年代中期以來為相對溫暖期。70年代以后氣候變暖的速度加快。第一節(jié)全球變化3.全球變化的原因

近幾十年來，世界正以異乎尋常的速度變暖。目前的全球變暖、大氣溫室效應增長、低緯度夏季風系統受到的影響、海平面上升、沙漠化等氣候、環(huán)境問題與日益擴大的人類活動有關。主要體現在以下幾個方面：⑴人為的局部污染源與大氣運動對污染物的遠距離攜帶；⑵人為的局部污染源與河流、海流對污染物的遠距離攜帶；⑶人類運載工具運行的空間范圍擴大，把污染和“垃圾”帶向全球和高空；⑷人類的全球性流通，把疾病和污染帶向全球各地；⑸人類活動對森林和水域的大規(guī)模改變，影響大氣環(huán)境的全球性變化。以上五大過程使世界上的局部環(huán)境變化最終都參與了全球變化，導致了全球環(huán)境變化。第一節(jié)全球變化4.全球變化的研究重點

全球變化問題是21世紀最關鍵的問題之一，全球變化研究在對自然變率、環(huán)境演變進行研究的同時，也廣泛地滲入到人文社會領域，對諸如人類健康、生產安全、糧食生產與食物供應、碳排放及其減排、國家安全等方面的全球變化因素開展了全面的研究。具體內容包括：大氣組成變化、生態(tài)系統變化、全球碳循環(huán)、全球人文、氣候多樣性的變化、全球水循環(huán)等專題。根據變化模式和形成過程可從以下四個作用機理入手：⑴生物地球化學過程⑵陸地生態(tài)與氣候的相互作用⑶地球系統的綜合分析和模擬⑷社會、經濟影響評估第一節(jié)全球變化5.全球變化影響的主要途徑

全球變化通過三個途徑對人類構成影響：①直接對人類的健康產生影響；②全球變化事件也可能對某些社會事件的發(fā)生產生影響；③通過對資源和災害的變化改變自然系統的承載能力，影響為人類提供物質基礎的人為環(huán)境系統的生存能力，進而影響人類的供需平衡，并進一步影響人類和人類社會。第一節(jié)全球變化6.全球變化影響的層次

全球變化對人類的影響按其所達到的程度可以分為土地承載能力、生產系統、經濟與生活、社會政治四個層次。⑴對土地承載能力的影響全球變化從改變資源的供需關系，改變?yōu)暮Φ念l率和強度，以及改變自然系統本身的脆弱性等途徑改變土地的承載力，這是全球變化影響的第一個層次。⑵對生態(tài)系統的影響全球變化影響的第二個層次是對資源和災害的變化相聯系的生產系統的影響，包括直接受資源和災害影響的生產水平或生產結構變化，以及為滿足全球變化所引起的人類需求的改變而進行的生產系統產業(yè)結構調整。⑶對生活和經濟的影響全球變化影響的第三個層次是社會對生產和消費平衡關系變化的響應。⑷對社會政治文化的影響全球變化影響的第四個層次是對人類本身及社會政治文化平衡的影響，其不利的方面表現為重大生命損失、社會矛盾的激化、社會秩序的破壞、地區(qū)沖突的加劇甚至文明的興衰等。第一節(jié)全球變化7.全球變化的敏感區(qū)

由于區(qū)域差異的存在，地球上不同地區(qū)對全球變化的反應和感受存在著差別。對全球變化最敏感、能提供早期信號的地區(qū)，反饋作用最顯著、能將微弱的變化放大的地區(qū)，都是當今全球變化研究關注的重點。氣候邊界地帶與生態(tài)脆弱帶是最易受全球變化沖擊的地區(qū)，這些地區(qū)土地的可利用性及其生產能力的大小常隨全球變化而發(fā)生顯著變化。海洋和陸地的交界面，即海岸帶，是受海面升降控制、各種營力過程綜合作用的地區(qū)，也是全球變化及變化對人類的影響表現最為強烈的敏感地區(qū)之一。海岸帶是具有顯著的生物和非生物特性及相互作用過程的海岸系統，對全球生物化學循環(huán)及其與氣候的相互作用有顯著的貢獻。位于非洲撒哈拉地帶和我國北方農牧交錯帶的廣大半干旱地區(qū)是降水變化響應十分敏感的生態(tài)脆弱帶，降水稍有變化不僅會導致干旱草原帶位置的大幅度擺動，而且會造成土地出現可耕種與不可耕種的變化，這些地區(qū)的生產方式也極為不穩(wěn)定，變化于牧業(yè)和農業(yè)之間。全球變化的不利影響對社會最脆弱的地區(qū)打擊最大。第一節(jié)全球變化氣候變化是研究全球變化的核心問題和重要內容?？茖W研究表明，雖然地球演化史上曾經多次發(fā)生變暖—變冷的氣候波動，但近百年來，地球氣候正經歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化。特別是近50年來的氣候變暖，主要是由人類使用礦物燃料排放的大量二氧化碳等溫室氣體造成的。氣候變暖對全球的生態(tài)系統和社會經濟已經產生并將繼續(xù)產生巨大的影響。如冰川消退、海平面上升、荒漠化、生態(tài)破壞、農業(yè)生產下降等。這些影響將使人類的生存和發(fā)展面臨巨大的挑戰(zhàn)。第二節(jié)氣候變暖的環(huán)境影響1.氣候變暖的原因氣候變化是自然界的一種自然現象。自從地球誕生以來，在地質歷史時期經歷了無數次的氣候波動。當時引起氣候變化的要素和動力主要是太陽輻射的周期變化、地殼物質的對流及板塊運動的周期性活動、地球在宇宙中位置的變化、地球公轉和其他星體相對運動的變化等。人類有史以來氣候變化的原因增加了人類活動的影響，其作用強度日益增加。20世紀以來，氣候以變暖為主趨勢，以變化頻率高、周期短、增溫幅度大為特點。⑴二氧化碳的增溫效應在地質歷史時期，二氧化碳對地球氣候變化就有調節(jié)作用。人類有史以來，人類活動對大氣中二氧化碳含量的變化影響巨大。二氧化碳是一種重要的“溫室”氣體，它對入射的太陽輻射基本上是透明的，但對地球向外輻射的紅外線波段有很強的吸收能力。如煤的燃燒、工業(yè)、交通中氣體排放等，都可以使大氣中二氧化碳含量增加，導致氣候變暖。⑵城市熱島效應城市發(fā)展中，人為的熱釋放、空氣污染和下墊面改變，使城市地區(qū)氣溫高于市郊農村氣溫的現象，稱為城市熱島效應。隨著城市數量的增多，城市規(guī)模的不斷擴大，這種效應將會繼續(xù)增強。第二節(jié)氣候變暖的環(huán)境影響CO2的增溫效應城市熱島效應2.氣候變暖的環(huán)境影響⑴冰川消退氣溫的輕微上升都會使高山冰川的雪線上移，海洋冰川范圍縮小。近百年海溫變暖造成海平面上升量為2~6cm。全球氣候變暖使我國冰川面積近40年來平均減少7%。⑵旱澇災害和荒漠化面積擴大我國中緯度地區(qū)，氣溫升高會引起灌溉需水量、農田蒸發(fā)量增加，北方江河徑流量減少及內陸河流地區(qū)蒸發(fā)量增大。因此，旱澇等災害的出現頻率將會增加。世界上一些水資源短缺地區(qū)，氣候變暖，水資源將變得更加短缺，荒漠化是必然結果。⑶氣候變暖對生態(tài)系統的影響①物種多樣性的變化。當環(huán)境改變時，適者生存，劣者淘汰。②生態(tài)系統功能的變化。由于二氧化碳濃度、大氣溫度和降水的變化，全球整個生態(tài)系統的生物生產力發(fā)生改變。③氣候變暖對生態(tài)景觀的影響直接表現在植被分布格局的變化。在北半球，隨著氣溫和地溫的升高，植被將會大幅度北移。整個地球植被將會發(fā)生較大的地帶性變化。④生態(tài)系統演化的滯后性。全球變暖引起的氣候變化將在幾十年里發(fā)生，而大多數生態(tài)系統不可能如此快地響應或遷移，存在一個生物過程的滯后性。⑤海洋生態(tài)系統受全球變暖的影響更大。海水溫度變化可能引起魚類聚集地的變化。第二節(jié)氣候變暖的環(huán)境影響冰川消退2.氣候變暖的環(huán)境影響⑷氣候變暖對農業(yè)生產的影響①氣候帶和農業(yè)帶的移動氣候變暖可能使氣候帶和農業(yè)帶向兩極方向移動，表現為農業(yè)區(qū)和作物布局和面積將會發(fā)生較大的變化由于極地附近的增溫幅度大于赤道附近，所以氣候帶的北向移動在高緯度地區(qū)更加明顯，相應的植物生長帶也會北移，適應生長的時間就會延長，適應生長的物種就會增加。在中緯度地區(qū)，氣溫升高的同時，蒸發(fā)量增高，可利用水量減少，使干旱或半干旱地區(qū)的農業(yè)生產風險增大。從全球來講，氣候變暖給農業(yè)帶來的是負效應。②農業(yè)病蟲害增加③植物品種發(fā)生變化氣候變暖使得許多植物品種不適應環(huán)境而被淘汰或遷移。⑸氣候變暖對人體健康的影響氣候變化可以導致人體發(fā)病率的增加和病情的加重。第二節(jié)氣候變暖的環(huán)境影響海平面上升由全球氣候變暖、極地冰川融化、上層海水變熱膨脹等原因引起的全球性海平面上升現象。海平面上升對人類的生存和經濟發(fā)展是一種緩發(fā)性的自然災害，具有明顯的累進性。海平面上升對沿海地區(qū)社會經濟、自然環(huán)境及生態(tài)系統等有著重大影響。首先，海平面的上升可淹沒一些低洼的沿海地區(qū)，加強了的海洋動力因素向海灘推進，侵蝕海岸;其次，海平面的上升會使風暴潮強度加劇，頻次增多，不僅危及沿海地區(qū)人民生命財產，而且還會使土地鹽堿化。海平面隨時都在上升化，海水內侵，造成農業(yè)減產，破壞生態(tài)環(huán)境。在中國，受海平面上升影響嚴重的地區(qū)主要是渤海灣地區(qū)、長江三角洲地區(qū)和珠江三角洲地區(qū)。第三節(jié)海平面上升及其災害1.海平面上升的原因海平面上升是由海平面高度與陸地地面高度相對高差變化造成的。在人類歷史時期，全球氣溫上升和陸地高度降低是二者高差變化的主要原因。⑴二氧化碳及其他痕跡氣體的溫室效應和海平面上升。

二氧化碳及其他痕跡量氣體的溫室效應，造成了全球性氣溫的上升，導致了海水受熱膨脹、高山冰川融化、南極冰蓋解體，海平面上升。⑵地面沉降與海平面上升大量的研究資料表明，現代地面沉降主要是由于超量開采地下資源而引起的。新構造運動導致的地面沉降量只占總沉降量的3%左右。沉積地層自然壓實沉降基本上可以被排除。盡管不同研究人員的結果可能不同，但近百年來，海平面上升卻是不容置疑的事實。自19世紀末以來，海平面上升約有10cm或稍多。據預測，到21世紀末，海平面將比現在上升50cm，甚至更多。第三節(jié)海平面上升及其災害地面沉降2.海平面上升的成災機制

海平面上升主要是通過海水淹沒沿海平原，潮災頻率增加、強度增大，沉降漏斗洼地積水影響生產和交通，洪水威脅增加，鹽水入侵、水質惡化造成土地鹽漬化等給人類造成災難。⑴沿海地區(qū)地面標高損失我國大陸沿海11個省、市地區(qū)地面高程較低，是沿海災害最危險地區(qū)。⑵潮災頻率增加、強度加大沿海地區(qū)地面標高損失的直接后果之一是，風暴潮災害頻率增加和強度加大。⑶海水入侵，造成土地鹽漬化和糧食減產，生活和生產用水危機，地方病流行⑷潮災頻率增加、強度加大沿海地區(qū)地勢低洼，易受洪澇災害的威脅。未來海平面上升，入江入海河道排水能力下降，將加劇沿海低洼地的洪澇災害。第三節(jié)海平面上升及其災害1.厄爾尼諾一詞來源和含義

“厄爾尼諾”一詞來源于西班牙語，原意為“圣嬰”。19世紀初，在南美洲的厄瓜多爾、秘魯等國家，漁民們發(fā)現，每隔幾年，從10月至第二年的3月便會出現一股沿海岸南移的暖流，使表層海水溫度明顯升高。

在科學上此詞語用于表示在秘魯和厄瓜多爾附近幾千公里的東太平洋海面溫度的異常增暖現象——厄爾尼諾現象。一般認為海溫連續(xù)三個月正劇平在0.5℃以上，即可認為是一次厄爾尼諾事件。當這種現象發(fā)生時，大范圍的海水溫度可比常年高出3~6℃。太平洋廣大水域的水溫升高，改變了傳統的赤道洋流和東南信風，導致全球性的氣候反常。

厄爾尼諾現象又稱厄爾尼諾海流，是太平洋赤道帶大范圍內海洋和大氣相互作用后失去平衡而產生的一種氣象現象，是發(fā)生在大氣環(huán)流和海洋環(huán)流之間的強耦合事件的例子。厄爾尼諾現象的基本特征是太平洋沿岸的海面水溫異常升高，海水水位上漲，并形成了一股暖流向南流動。它使原屬冷水域的太平洋東部水域變暖。結果引起海嘯和暴風驟雨，造成一些地區(qū)干旱，另一些地區(qū)又降雨過多的異常氣候現象。第四節(jié)厄爾尼諾及其旱澇災害2.厄爾尼諾的起因及形成過程厄爾尼諾現象不是孤立的海洋現象，它是熱帶海洋洋流與大氣相互作用的產物。厄爾尼諾的全過程分為發(fā)生期、發(fā)展期、維持期和衰減期，歷時一般一年左右，大氣的變化滯后于海水溫度的變化。厄爾尼諾形成的主要原因：①全球氣溫的上升；②春季西風帶的加強；③沃克環(huán)流回歸點的東移；④安第斯山對回歸的沃克環(huán)流的阻擋。前兩個屬于全球性的，后兩個屬于區(qū)域性的。而造成厄爾尼諾的關鍵是沃克環(huán)流的變化。⑴沃克環(huán)流和南方濤動太平洋的中央部分是北半球夏季風氣候變化的主要動力源。通常情況下，太平洋沿南美大陸西側有一股北上的秘魯寒流，其中一部分變成赤道海流向西移動，此時，沿赤道附近海域向西吹的季風使暖流向太平洋西側積聚，而下層冷海水則在東側涌升，使得太平洋西段菲律賓以南、新幾內亞以北的海水溫度升高，這一段海域被稱為“赤道暖池”，同緯度東段海溫則相對較低。對應這兩個海域上空的大氣也存在溫差，東邊的溫度低、氣壓高，冷空氣下沉后向西流動；西邊的溫度高、氣壓低，熱空氣上升后轉向東流，這樣，在太平洋中部就形成了一個海平面冷空氣向西流，高空熱空氣向東流的大氣環(huán)流（沃克環(huán)流），這個環(huán)流在海平面附近就形成了東南信風。但有些時候，這個氣壓差會低于多年平均值，有時又會增大，這種大氣變動現象被稱為“南方濤動”。20世紀60年代，氣象學家發(fā)現厄爾尼諾和南方濤動密切相關，氣壓減小時，便會出現厄爾尼諾現象第四節(jié)厄爾尼諾及其旱澇災害⑵厄爾尼諾的形成

在正常狀況下，北半球赤道附近吹東北信風，南半球赤道附近吹東南信風。信風帶動海水自東向西流動，分別形成北赤道洋流和南赤道暖流。從赤道東太平洋流出的海水，靠下層上升涌流補充，從而使這一地區(qū)下層冷水上翻，水溫低于四周，形成東西部海溫差。由于某種原因使得信風減弱時，維持赤道太平洋海面西高東低的支柱破壞，西太平洋暖海水迅速向東蔓延，原先覆蓋在熱帶太平洋海域的暖水層變薄，海溫在太平洋西側下降，東側上升。東太平洋的氣壓也隨之下降，赤道信風被進一步削弱，更有利于海溫上升，形成了一種正反饋機制，促使暖水發(fā)展，厄爾尼諾形成。相反，當信風持續(xù)加強時，赤道太平洋東側表面暖水被刮走，赤道東太平洋深層海水上翻現象更加劇烈，導致海表溫度異常偏低，使得氣流在赤道太平洋東部下沉，而氣流在西部的上升運動更為加劇，有利于信風加強，它把暖水源源不斷地向西輸送，這進一步加劇赤道中、東太平洋冷水發(fā)展，引發(fā)所謂的拉尼娜現象。第四節(jié)厄爾尼諾及其旱澇災害正常情況下，不發(fā)生厄爾尼諾信風減弱時，發(fā)生厄爾尼諾⑶厄爾尼諾的模型

在整個厄爾尼諾事件中，赤道附近東太平洋異常暖水區(qū)形成了一股由東向西傳播的波，這個波稱為羅斯貝波；當它到達太平洋的西邊界時，會被反射成為一種不同的波稱為開爾文波，這種波由西向東傳播，它起著抵消或改