地球科學(xué)領(lǐng)域開發(fā)高中教材及高中生研習(xí)活動(dòng)

地球科學(xué)領(lǐng)域開發(fā)高中教材及高中生研習(xí)活動(dòng)第1頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一影響氣候因子和近千年來的氣候變遷

第2頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一五大自然系統(tǒng)：氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈、生物圈＋人類第3頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一氣候變遷環(huán)境變遷人類變遷人為vs.自然複雜的三角關(guān)係第4頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一天氣與氣候天氣

-影響人類生活和活動(dòng)的大氣狀態(tài)

-為大氣短時(shí)間(數(shù)分鐘至數(shù)天)變化氣候

-大氣-水圈-陸面系統(tǒng)緩慢變化的形勢(shì)(aspects)

-為每日或季節(jié)性天氣的長期間累積第5頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一氣侯與文明第6頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一氣候的定義氣候?yàn)椤搁L達(dá)數(shù)十年期間，大氣-海洋-陸地系統(tǒng)狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)特性」-

(Monin)非任何時(shí)刻的確切狀態(tài)第7頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一氣候的特性具有多重時(shí)間尺度對(duì)於應(yīng)取多長的時(shí)間來計(jì)算氣候特性，科學(xué)家有許多不同的看法世界氣象組織(WorldMeteorologyOrganization)則將之定義為30年第8頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一氣候變遷的證據(jù)第9頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一氣候變遷的多重時(shí)間尺度˙地球自從在46億年前誕生以來，歷經(jīng)了35次冰期˙過去8億年間，冷暖氣候多次地交替出現(xiàn)第10頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一?過去100萬年氣溫度變化曲線，有許多大大小小起起伏伏(圖a)?過去1萬年-自從上一個(gè)冰期之後，大氣溫度明顯上升-但是仍舊冷暖氣候交互出現(xiàn)-地球氣候經(jīng)歷了4次冷暖變化，溫度變化達(dá)4℃～5℃之多(圖b)?過去1千年-最近的一次冷期為小冰河期，大約發(fā)生於15世紀(jì)至19世紀(jì)初(圖c)-脫離小冰河期之後，氣候又逐漸回暖-小冰河期之前為中世紀(jì)暖期第11頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一。19世紀(jì)末-1940年，溫度持續(xù)上升，在1940年代相當(dāng)暖和。1950～1970年代卻又持續(xù)下降。1980年代至今，又節(jié)節(jié)上升。1995年全球平均溫度比1961～1990的平均溫度高出0.4℃。許多科學(xué)家預(yù)測(cè)，全球平均溫度未來仍將持續(xù)上升第12頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一1911-2002年6-8月臺(tái)灣氣溫氣候瞬變長期氣候變遷第13頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一預(yù)估未來海面變化﹕/hottopics/climate/climatetrends.jsp

第14頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一氣候的使者-大氣環(huán)流

大氣環(huán)流-扮演氣候信差的角色-負(fù)責(zé)傳送各地氣候變化的訊息大氣運(yùn)動(dòng)所需的能量，源自太陽第15頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一能量收支平衡和不均勻加熱-低緯度地區(qū)吸收的短波輻射大於損失的長波輻射-高緯度則相反第16頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一輻射能量分布不均勻

-產(chǎn)生大氣運(yùn)動(dòng)，重新分配能量

冷空氣吹向低緯度，暖空氣吹向高緯度→降低南北溫差;冷空氣下降，暖空氣上升→調(diào)降垂直溫度遞減率

輻射能量

轉(zhuǎn)換成動(dòng)能→為摩擦所耗損

轉(zhuǎn)換成潛熱、可感熱→改變氣溫分布第17頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一輻射能量重新分配的過程中，產(chǎn)生劇烈天氣，如颱風(fēng)、龍捲風(fēng)等

第18頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一洋流-能量往高緯度傳送，調(diào)節(jié)高緯度地區(qū)大氣溫度變化大氣的南北運(yùn)動(dòng)-將暖空氣往高緯度傳，冷空氣往低緯度傳，減少南北氣溫梯度水氣隨大氣南北運(yùn)動(dòng)-在中、高緯度地區(qū)低壓中心附近上升，冷卻凝結(jié)而釋放出能量，達(dá)到潛熱傳送效果第19頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一大氣：30-60度之間海洋：10-40度之間第20頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一三胞垂直環(huán)流哈德里胞(Hadleycell，0o-30o)佛雷爾胞(Ferrelcell，30o-60o)極胞(polarcell，60o-90o)第21頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一地面氣壓分布

地表空氣輻合地區(qū)(低壓區(qū))-赤道-中緯度低壓帶--極鋒地表空氣輻散地區(qū)(高壓區(qū))-馬緯無風(fēng)帶較少劇烈的天氣現(xiàn)象發(fā)生，經(jīng)常風(fēng)平浪靜第22頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一水平環(huán)流水平環(huán)流結(jié)構(gòu)明顯地受到海陸分布的影響-陸地、海洋特性的差異造成氣壓分布的海陸差異第23頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一(北半球)冬季氣壓場(chǎng)海平面中緯度海洋主要為低壓系統(tǒng)如北太平洋的阿留申低壓北大西洋的冰島低壓低緯度海洋則為微弱的副熱帶高壓系統(tǒng)陸地上多為冷高壓系統(tǒng)以西伯利亞高壓最明顯第24頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一夏季氣壓場(chǎng)情形相反海洋上的主要系統(tǒng)為副熱帶高壓陸地上則為低壓第25頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一影響氣候的因子外在因素大氣的運(yùn)作對(duì)這些影響因子並無回饋?zhàn)饔?，無交互作用

-如太陽輻射量改變、火山爆發(fā)、板塊飄移內(nèi)在因素這些影響因子存在於地球本身，而且與大氣的運(yùn)作發(fā)生交互作用

-如大氣與海洋、生物圈、陸地之間的交互作用

人類因素

第26頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一外在因素

(i)日-地關(guān)係(ii)太陽黑子(iii)板塊漂移，地形變化(iv)火山爆發(fā)第27頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一(i)日-地關(guān)係太陽與地球之間的距離太陽輻射入射角的改變→地球所吸收到的太陽輻射隨之而變第28頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一主要的影響因素有三種:地球公轉(zhuǎn)軌道的偏心率變化(eccentricity)黃、赤交角變化(obliquity)歲差(或攝動(dòng)，precession)

第29頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一(i)偏心率(Eccentricity)。目前為0.018。過去五百萬年之中變化的範(fàn)圍0.000483-0.060791。週期約為100,000年(ii)黃赤交角(Obliquity)-地球自轉(zhuǎn)軸與黃道面法線之間夾角。目前為23.5度。介於22度與24.5度之間。變動(dòng)週期為40,000年(iii)攝動(dòng)(preccession)。週期22,000年第30頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一偏心率--偏心率影響近日和遠(yuǎn)日時(shí)，太陽入射地球輻射量差異的變化--偏心率越大，輻射量差異越大--反之亦然--但是，變化相當(dāng)小比如，上述偏心率的變化，造成的變化為0.014%到-0.12%。第31頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一黃赤交角黃赤交角的變動(dòng)，不會(huì)影響地球攔截太陽輻射的總量如果角度較大，則一年中太陽直射可達(dá)的緯度較高→夏季太陽輻射量較大，冬季較小→季節(jié)變化因此變大，四季更明顯相反的，如果角度較小，則季節(jié)變化較小，四季較不明顯第32頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一攝動(dòng)(歲差)

地球自轉(zhuǎn)軸路徑宛若一圓錐體，繞完一圈約22,000年目前地球經(jīng)過近日點(diǎn)為一月，經(jīng)過遠(yuǎn)日點(diǎn)為七月約11,000年之後，地球經(jīng)過近日點(diǎn)為七月，經(jīng)過遠(yuǎn)日點(diǎn)為一月那時(shí)的七月，太陽直射北半球第33頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一米蘭科維奇(Milankovitch)

日-地關(guān)係變化→造成冰期與間冰期交替出現(xiàn)主因冰期形成主要原因→夏季（不是冬季）的太陽輻射量變?nèi)?，不足以溶化上一冬季留下的冰雪→冰雪覆蓋區(qū)域逐年往低緯度區(qū)擴(kuò)展第34頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一→較廣的冰雪覆蓋區(qū)反射較多的太陽輻射，地表吸收的太陽輻射變少→因此冰雪溶化量更形減少『冰-反照率機(jī)制』產(chǎn)生的正回饋，使得冰雪覆蓋區(qū)逐年擴(kuò)大第35頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一適合冰期發(fā)展較小的黃赤交角及位於遠(yuǎn)日點(diǎn)的夏季適合間冰期發(fā)展較大的黃赤交角及位於近日點(diǎn)的夏季第36頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一(ii)太陽黑子

如果太陽活動(dòng)的週期性變化對(duì)地球氣候有所影響→我們只須監(jiān)測(cè)太陽的活動(dòng)即可預(yù)測(cè)氣候第37頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一週期性11年22年80-100年第38頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一太陽黑子數(shù)在19世紀(jì)之前隨時(shí)間的變化

13世紀(jì)紀(jì)開始三個(gè)低值期恰好發(fā)生於小冰河期

第39頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一從學(xué)理上，科學(xué)家無法理解太陽黑子如何影響氣候太陽黑子活躍時(shí)，太陽輻射增強(qiáng)的部分都屬於極短的波段(如紫外線、X及α射線)，因此所增加的能量不多這些輻射一進(jìn)入大氣時(shí)，立即為高層大氣的氣體吸收，因此對(duì)地表氣候影響甚小目前也無任何理論可以解釋高層大氣溫度的變化會(huì)影響到地表附近的氣候第40頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一(iii)板塊漂移，地形變化海陸分布及地形高低對(duì)氣候有很大的影響比如，季風(fēng)主要導(dǎo)因於海陸分布產(chǎn)生的第41頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一科學(xué)家利用大氣環(huán)流模式模擬季風(fēng)的成因青藏高原的形成，加強(qiáng)了上昇氣流與降水

--因此加強(qiáng)季風(fēng)而且區(qū)域之間的氣候差異也變大第42頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一目前大部份陸地集中在北半球，尤其在北緯30度到60度之間因此北半球中緯度冬季氣溫比南半球偏冷，而且年溫差大了許多。第43頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一海陸分布也影響海洋環(huán)流，間接影響氣候比如，有些科學(xué)家認(rèn)為，原來相連的南美洲與南極洲大約在三千萬年前分開--兩者之間於是形成了繞南極的洋流--原本來自熱帶的洋流被截?cái)?，無法繼續(xù)將由熱帶地區(qū)帶來的熱能傳送至南極大陸附近海域--缺乏海洋調(diào)節(jié)氣候的功能，南極大陸氣溫因此下降，冰河逐漸形成第44頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一亞洲南部高地（青藏高原）的隆起，才使得北半球在約五百萬年前，開始有大量冰河的出現(xiàn)第45頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一(iv)火山爆發(fā)火山爆發(fā)，幾個(gè)月之後，懸浮微粒雲(yún)

(aerosolcloud)的影響達(dá)到最高點(diǎn)--懸浮微粒反射太陽輻射，同時(shí)吸收地球的長波輻射

由於它吸收紅外線的效率較高因此含懸浮微粒的平流層溫度會(huì)昇高

第46頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一懸浮微粒對(duì)對(duì)流層氣候的影響就比較複雜小顆粒(半徑<1μm)反射太陽輻射的能力較強(qiáng)，產(chǎn)生冷卻作用大顆粒(半徑>2μm)，吸收地球長波輻射的能力較強(qiáng)，具有增溫作用第47頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一淨(jìng)效應(yīng)--冷卻作用，使地表溫度下降

第48頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一留在平流層的懸浮微粒含量→決定火山爆發(fā)對(duì)氣候影響的程度一般而言，停留在平流層中的懸浮微粒會(huì)因重力牽引，逐漸沈降至對(duì)流層而後消失停留在大氣的時(shí)間頂多2-3年單一火山爆發(fā)對(duì)氣候的影響只是短短幾年第49頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一科學(xué)家估計(jì)1991年6月菲律賓的皮納吐波火山爆發(fā)造成了4Wm-2的輻射冷卻使全球溫度下降了約0.5℃

達(dá)兩年之久原本上升的溫度在1991年之後止昇回跌直到1994年才恢復(fù)上升的趨勢(shì)。在短期之內(nèi)的影響，遠(yuǎn)比工業(yè)革命以來溫室氣體增加，造成的溫室效應(yīng)還要?jiǎng)×业?0頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一如果年年有大型火山爆發(fā)，對(duì)較長時(shí)期的氣候變化是否有影響呢﹖第51頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一科學(xué)家分析格陵蘭冰芯的酸鹼度--它記錄了歷史上已知的火山爆發(fā)--也記錄了許多可能不曾為人知的火山爆發(fā)事件第52頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一冰芯酸度(acidity)的變化，與北半球溫度的變化呈現(xiàn)高度的一致性酸度高則溫度低；反之亦然第53頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)在因素(i)大氣氣體成分的變化(ii)地表狀態(tài)的變化(iii)海洋(iv)雲(yún)(v)大氣內(nèi)部動(dòng)力

第54頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一(i)大氣氣體成分的變化工業(yè)革命以來，人造溫室氣體快速增加，提昇大氣暖化的可能性大氣中的懸浮微粒也增加，具有冷卻作用第55頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一對(duì)溫室氣體與懸浮微粒的淨(jìng)輻射作用量已經(jīng)有了初步的了解---但是還不甚清楚它們的淨(jìng)效應(yīng)將如何改變地球的氣候及大氣環(huán)流第56頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一(ii)地表狀態(tài)的變化

地表狀態(tài)變化會(huì)影響：地表吸收的太陽輻射量大氣/陸地之間的潛熱及可感熱通量交換地表狀態(tài)變化會(huì)改變能量收支及區(qū)域的水循環(huán)第57頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一--沙漠、冰雪覆蓋區(qū)→比綠地反射較多的太陽輻射→吸收較少的太陽輻射第58頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一沙漠化(desertification)

沙漠邊緣地區(qū)(如撒哈拉沙漠南緣的Sahel)--這些地區(qū)的水循環(huán)系統(tǒng)非常脆弱--很容易受到氣候變化及人為影響的干擾，使得乾旱更加嚴(yán)重→沙漠化第59頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一森林減少﹕/hottopics/climate/climatetrends.jsp

第60頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一植被覆蓋面積縮小

—因半乾旱地區(qū)雨量減少，或因?yàn)檫^度放牧其一為地表反照率變大→地表吸收之太陽輻射減少→地表溫度因此下降→對(duì)流不易形成，降水因而減少→植被覆蓋面積進(jìn)一步縮小

第61頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一另一種可能為植被覆蓋面積縮小→逕流增加→土壤含水量減少→地表吸收的太陽輻射多用來直接加熱地表→地表溫度因此上升→可能更不適合植物生長第62頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一上述二種反應(yīng)過程不一樣但都可能導(dǎo)致降水量減少，形成一惡性循環(huán)使得沙漠化加劇

熱帶雨林的砍伐也會(huì)造成類似的結(jié)果第63頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一亞馬遜河流域?qū)嶒?yàn)熱帶雨林樹根平均深達(dá)4公尺，鄰近牧草地植物的根部深度只有1.5-2公尺。前者的樹葉面積比後者大了許多第64頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一如果砍伐熱帶雨林將之變成經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值較高的牧場(chǎng)(i)將破壞森林涵養(yǎng)水分的功能(ii)將大幅減少蒸發(fā)量（約三分之一）此二作用皆將破壞當(dāng)?shù)氐乃h(huán)系統(tǒng)，進(jìn)一步改變地表溫度及大氣環(huán)流第65頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一(iii)海洋海洋是大氣中水氣的主要來源水循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)者大氣所需能量的主要來源之一第66頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一調(diào)節(jié)氣候，降低高緯度地區(qū)季節(jié)變化幅度與大氣交互作用--影響短期氣候變化，如，聖嬰-南方震盪--長期氣候變化，如，溫鹽環(huán)流的影響第67頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一(iv)雲(yún)太陽輻射有20%

被雲(yún)反射回外太空雲(yún)同時(shí)具有反射太陽輻射及吸收地球輻射的功能---前者產(chǎn)生冷卻作用，後者為加熱作用無雲(yún)的夜晚溫度經(jīng)常較低，那是因?yàn)檩椛淅鋮s的關(guān)係第68頁，共76頁，2023年，2月20日，星期一大體而言，高雲(yún)吸收地球輻射的能力較強(qiáng)，低雲(yún)則是反射太陽輻射的能力較強(qiáng)--