講稿-第五章-氣候變化的原因教材課件

第五章氣候變化的原因

§1.5控制氣候變化的外部因子

第五章氣候變化的原因§1.5控制氣候變化的外部因1一、太陽(yáng)活動(dòng)與氣候變化1、

太陽(yáng)活動(dòng)（1）太陽(yáng)黑子太陽(yáng)是一顆熾熱的恒星，內(nèi)部溫度高達(dá)1500萬(wàn)k，表層溫度高達(dá)6600k。太陽(yáng)也有著各種各樣的活動(dòng)，最為人類所熟知的活動(dòng)就是太陽(yáng)黑子。太陽(yáng)黑子是太陽(yáng)光球上的暗黑斑點(diǎn)。當(dāng)太陽(yáng)光球表面溫度為6050k時(shí)，太陽(yáng)中部溫度約為4240k，因溫度較低，故看起來(lái)時(shí)太陽(yáng)表面上的一個(gè)黑點(diǎn)。太陽(yáng)黑子的變化有11年的準(zhǔn)周期，它是代表太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)弱的最主要的現(xiàn)象。人們常利用太陽(yáng)黑子的多少、周期長(zhǎng)度等指標(biāo)，來(lái)研究太陽(yáng)活動(dòng)與地球全球變化之間的關(guān)系。一、太陽(yáng)活動(dòng)與氣候變化1、

太陽(yáng)活動(dòng)21、

太陽(yáng)活動(dòng)（2）太陽(yáng)活動(dòng)還有其它一些現(xiàn)象，如光斑、譜斑、耀斑、日珥、射電輻射等。這些現(xiàn)象一般研究較少。1、

太陽(yáng)活動(dòng)（2）太陽(yáng)活動(dòng)還有其它一些現(xiàn)象，如光斑、譜斑3（3）太陽(yáng)活動(dòng)與氣候變化①

11年周期（短期影響）前面介紹太陽(yáng)活動(dòng)時(shí)提到，太陽(yáng)活動(dòng)有準(zhǔn)11年的周期，但世紀(jì)這個(gè)周期并不是固定不變的，其變化最小可小于8年，最長(zhǎng)也可達(dá)16年。也就是太陽(yáng)活動(dòng)周期為8－16年，這一重要周期，在地球氣候變化中到目前為止沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的和可靠穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)變化周期。也就是說(shuō)地球氣候變化沒(méi)有11年周期現(xiàn)象。（3）太陽(yáng)活動(dòng)與氣候變化①

11年周期（短期影響）4（3）太陽(yáng)活動(dòng)與氣候變化關(guān)于太陽(yáng)11年周期活動(dòng)對(duì)氣候的影響，有多少支持就有多少人反對(duì)。關(guān)于這一問(wèn)題的研究已經(jīng)進(jìn)行了許多年，到目前為止也沒(méi)有一個(gè)定論。值得注意的是最近一些年，人們不在直接利用太陽(yáng)黑子數(shù)等來(lái)研究太陽(yáng)活動(dòng)與氣候變化的關(guān)系，而是定義了一個(gè)新的量：叫作太陽(yáng)活動(dòng)周期長(zhǎng)度（SCL）。利用這樣一個(gè)物理量，蘭高所馮松研究了近2500年來(lái)SCL與氣溫的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)SCL與氣溫之間有很好的相關(guān)關(guān)系，但這一關(guān)系卻無(wú)法給出其機(jī)制解釋。（3）太陽(yáng)活動(dòng)與氣候變化關(guān)于太陽(yáng)11年周期活動(dòng)對(duì)氣候的影響，5（3）太陽(yáng)活動(dòng)與氣候變化②

長(zhǎng)期變化的影響有大量研究表明，太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)弱有較長(zhǎng)時(shí)期的變化。如1894年蒙德?tīng)柊l(fā)現(xiàn)1645－1715年間，太陽(yáng)活動(dòng)非常弱。后來(lái)這一時(shí)期被稱為蒙德?tīng)枠O冰期。這樣的極冰期和極大期還有很多，一般認(rèn)為極冰期對(duì)應(yīng)氣候相對(duì)冷期（小冰期），極大期對(duì)應(yīng)暖期。（3）太陽(yáng)活動(dòng)與氣候變化②

長(zhǎng)期變化的影響6（3）太陽(yáng)活動(dòng)與氣候變化③太陽(yáng)常數(shù)（現(xiàn)代氣候模式中取為常數(shù)，古氣候模式中應(yīng)有一些變化）1837年，普依列特指出到達(dá)大氣上界的太陽(yáng)輻射是一個(gè)常數(shù)。許多科學(xué)家同意這一觀點(diǎn)。直到現(xiàn)在，人們基本認(rèn)為這個(gè)數(shù)字是變化的，但變化很小，在允許的誤差范圍內(nèi)可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)?，F(xiàn)在還有許多太空計(jì)劃將這一問(wèn)題列為主要的觀測(cè)項(xiàng)目?，F(xiàn)在觀測(cè)計(jì)算認(rèn)為太陽(yáng)常數(shù)的變化在1％左右。有研究表明，太陽(yáng)常數(shù)增加2％，地面氣溫可上升3oC，減少2％，氣溫可下降4.3oC。太陽(yáng)常數(shù)的微笑變化，可引起劇烈的氣候變化。（3）太陽(yáng)活動(dòng)與氣候變化③太陽(yáng)常數(shù)（現(xiàn)代氣候模式中取為常7二、地球軌道變化（米蘭科維奇理論）—太陽(yáng)輻射的變化1、

地球公轉(zhuǎn)特征地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，其軌道是不斷變化的。造成這種變化的原因有三個(gè)：偏心率、地軸擺動(dòng)和黃赤交角的變化。二、地球軌道變化（米蘭科維奇理論）—太陽(yáng)輻射的變化1、

8①偏心率地球公轉(zhuǎn)軌道是橢圓形的，但這個(gè)橢圓形并不是一成不變的，而是不斷地由幾乎正圓變動(dòng)到較明顯的橢圓，再逐漸變回到正圓。這一變化的周期約為9－10萬(wàn)年。它會(huì)造成地球在某個(gè)季節(jié)最靠近太陽(yáng)。①偏心率地球公轉(zhuǎn)軌道是橢圓形的，但這個(gè)橢圓形并不是一成不變的9①偏心率①偏心率10②地軸擺動(dòng)地球自轉(zhuǎn)的地軸存在擺動(dòng)，這一擺動(dòng)的周期約為2.1萬(wàn)年。它會(huì)造成靠近太陽(yáng)的季節(jié)發(fā)生變動(dòng)。如1萬(wàn)年前，近日點(diǎn)出現(xiàn)在北半球夏季，而現(xiàn)在則出現(xiàn)在冬季。②地軸擺動(dòng)地球自轉(zhuǎn)的地軸存在擺動(dòng)，這一擺動(dòng)的周期約為2.1萬(wàn)11②地軸擺動(dòng)（歲差）②地軸擺動(dòng)（歲差）12③黃赤交角地球自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于地球軌道平面的偏角，大約有4萬(wàn)年的周期，這會(huì)造成太陽(yáng)輻射在冬夏季以及南北半球輸送量有差異。③黃赤交角地球自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于地球軌道平面的偏角，大約有4萬(wàn)年的13③黃赤交角③黃赤交角14③黃赤交角③黃赤交角152、

米氏理論20世紀(jì)初，科學(xué)家在研究60萬(wàn)年來(lái)歐洲阿爾卑斯山地區(qū)氣候變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在4次冰期和3次間冰期。為了解釋這種現(xiàn)象，南斯拉夫的米蘭科維奇窮20年的時(shí)間，計(jì)算了由于地球軌道3個(gè)參數(shù)變化可能引起的太陽(yáng)輻射變化。從而解釋了近60萬(wàn)年來(lái)的4次冰期過(guò)程。這一理論卑奉為天文氣候?qū)W的典范。2、

米氏理論20世紀(jì)初，科學(xué)家在研究60萬(wàn)年來(lái)歐洲阿爾卑16三、地殼運(yùn)動(dòng)1、

大陸漂移學(xué)說(shuō)：根據(jù)大陸漂移學(xué)說(shuō)，大約在兩億年后，地球上現(xiàn)有的大陸彼此是連在一起的，組成一個(gè)古大陸，稱為岡瓦納大陸，后來(lái)岡瓦納大陸破裂成幾塊，分別漂移，最終形成現(xiàn)在的大路分布格局，在這一過(guò)程中，毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)對(duì)地球氣候造成重大影響。2、

造山運(yùn)動(dòng)：造山運(yùn)動(dòng)對(duì)全會(huì)的影響可以是區(qū)域的，也可以是全球性的。如高原的隆起對(duì)高壓地區(qū)以及其周邊地區(qū)，甚至對(duì)整個(gè)地球氣候都產(chǎn)生了重大影響。如范廣洲——高壓隆升對(duì)西北高寒區(qū)形成的作用。3、

火山爆發(fā)三、地殼運(yùn)動(dòng)1、

大陸漂移學(xué)說(shuō)：根據(jù)大陸漂移學(xué)說(shuō)，大約在兩17三、地殼運(yùn)動(dòng)三、地殼運(yùn)動(dòng)18四、人類活動(dòng)人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響主要表現(xiàn)于兩個(gè)方面：1、

改變大氣成分化石燃料的燃燒→CO2濃度變化→氣候變化四、人類活動(dòng)人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響主要表現(xiàn)于兩個(gè)方面：192、改變地表特征（1）現(xiàn)狀①早在數(shù)千年前，人類為了墾荒種地、放牧等，大量砍伐森林，特別在非洲撒哈拉地區(qū)、亞洲中東的阿拉伯地區(qū)、我國(guó)黃河上游地區(qū)等，使這些地區(qū)植被覆蓋率下降，地表狀況惡化，氣候變化，以至成為沙漠或半沙漠地區(qū)。2、改變地表特征（1）現(xiàn)狀202、改變地表特征②

近代這種現(xiàn)象也非常嚴(yán)重。如30年代美國(guó)大平原地區(qū)的不合理開(kāi)墾和耕種，使這里遭受嚴(yán)重的沙塵暴災(zāi)害氣候變干。再如50年代－60年代，蘇聯(lián)在哈薩克、西伯利亞、烏拉爾等地大量開(kāi)墾荒地，結(jié)果使氣候干旱，沙塵遍地，經(jīng)常造成“黑風(fēng)暴”。我國(guó)新安江水庫(kù)于1960年建成后，其附近淳安縣夏季較以前涼爽，冬季比過(guò)去暖和，氣溫年較差變小，初霜推遲，終霜提前，無(wú)霜期平均延長(zhǎng)20天左右。（2）影響機(jī)理：改變地表能量平衡，水分平衡等，從而產(chǎn)生局地氣候變化。2、改變地表特征②

近代這種現(xiàn)象也非常嚴(yán)重。如30年212、改變地表特征2、改變地表特征223、人為熱和人為水汽的排放（1）人為熱隨著工業(yè)、交通運(yùn)輸和城市化的發(fā)展，世界能量的消耗迅速增長(zhǎng)，在工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)動(dòng)車運(yùn)輸中有大量廢熱排出，居民爐灶和空調(diào)以及人、畜的新陳代謝等亦放出一定的熱量，這些“人為熱”像火爐一樣直接增暖大氣。。從數(shù)值上講，它和整個(gè)地球平均從太陽(yáng)獲得的凈輻射熱相比是微不足道的，但是由于人為熱的釋放集中于某些人口稠密、工商業(yè)發(fā)達(dá)的大城市，其局地增暖的效應(yīng)就相當(dāng)顯著。3、人為熱和人為水汽的排放（1）人為熱233、人為熱和人為水汽的排放（2）人為水汽在燃燒大量化石燃料時(shí)除排放廢熱外，還釋放一定量的“人為水汽”，人為水汽量要比自然蒸散的水汽量小得多，但它對(duì)局地低云量的增加有一定作用。航空煤油的人為水汽。3、人為熱和人為水汽的排放（2）人為水汽244、城市氣候城市是人類活動(dòng)的中心，在城市里人口密集，下墊面變化最大。工商業(yè)和交通運(yùn)輸頻繁，耗能最多，有大量溫室氣體、“人為熱”、“人為水汽”、微塵和污染物排放至大氣中。因此人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響在城市中表現(xiàn)最為突出。城市氣候是在區(qū)域氣候背景上，經(jīng)過(guò)城市化后，在人類活動(dòng)影響下而形成的一種特殊局地氣候。4、城市氣候城市是人類活動(dòng)的中心，在城市里人口密集，下墊面變254、城市氣候從大量觀測(cè)事實(shí)看來(lái)，城市氣候的特征可歸納為城市“五島”效應(yīng)（混濁島、熱島、干島、濕島、雨島）和風(fēng)速減小、多變。4、城市氣候從大量觀測(cè)事實(shí)看來(lái)，城市氣候的特征可歸納為城市“26（1）城市混濁島效應(yīng)城市混濁島效應(yīng)主要有四個(gè)方面的表現(xiàn)。①城市大氣中的污染物質(zhì)比郊區(qū)多。②低云量和以低云量為標(biāo)準(zhǔn)的陰天日數(shù)遠(yuǎn)比郊區(qū)多，城市大氣中因凝結(jié)核多，低空的熱力湍流和機(jī)械湍流又比較強(qiáng)，③混濁度強(qiáng)：城市大氣中因污染物和低云量多，使日照時(shí)數(shù)減少，太陽(yáng)直接輻射（S）大大削弱，而因散射粒子多，其太陽(yáng)散射輻射（D）卻比干潔空氣中為強(qiáng)。在以D/S表示的大氣混濁度（又稱混濁度因子turbidityfoctor）的地區(qū)分布上，城區(qū)明顯大于郊區(qū)。（1）城市混濁島效應(yīng)城市混濁島效應(yīng)主要有四個(gè)方面的表現(xiàn)。①27（1）城市混濁島效應(yīng)④城區(qū)的能見(jiàn)度小于郊區(qū)。這是因?yàn)槌鞘写髿庵蓄w粒狀污染物多，它們對(duì)光線有散射和吸收作用，有減小能見(jiàn)度的效應(yīng)。當(dāng)城區(qū)空氣中二氧化氮NO2濃度極大時(shí)，會(huì)使天空呈棕褐色，在這樣的天色背景下，使分辨目標(biāo)物的距離發(fā)生困難，造成視程障礙。此外城市中由于汽車排出廢氣中的一次污染物——氮氧化合物和碳?xì)浠铮趶?qiáng)烈陽(yáng)光照射下，經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)，會(huì)形成一種淺藍(lán)色煙霧，稱為光化學(xué)煙霧，能導(dǎo)致城市能見(jiàn)度惡化。美國(guó)洛杉磯、日本東京和我國(guó)蘭州等城市均有此現(xiàn)象。（1）城市混濁島效應(yīng)④城區(qū)的能見(jiàn)度小于郊區(qū)。這是因?yàn)槌鞘写?8（2）城市熱島效應(yīng)根據(jù)大量觀測(cè)事實(shí)證明，城市氣溫經(jīng)常比其四周郊區(qū)為高。特別是當(dāng)天氣晴朗無(wú)風(fēng)時(shí)，城區(qū)氣溫Tu與郊區(qū)氣溫Tr的差值ΔTu-r（又稱熱島強(qiáng)度）更大。城市中人口密集區(qū)和工廠區(qū)氣溫最高，成為熱島中的“高峰”（又稱熱島中心）。但在同一城市，在不同天氣形勢(shì)和氣象條件下，熱島效應(yīng)有時(shí)非常明顯（晴穩(wěn)、無(wú)風(fēng)），熱島強(qiáng)度可達(dá)6℃—10℃上下，有時(shí)則甚微弱或不明顯（大風(fēng)、極端不穩(wěn)定）。由于熱島效應(yīng)經(jīng)常存在，大城市的月平均和年平均氣溫經(jīng)常高于附近郊區(qū)。（2）城市熱島效應(yīng)根據(jù)大量觀測(cè)事實(shí)證明，城市氣溫經(jīng)常比其四周29（3）城市干島和濕島效應(yīng)城市相對(duì)濕度比郊區(qū)小，有明顯的干島效應(yīng)，這是城市氣候中普遍的特征。城市對(duì)大氣中水汽壓的影響則比較復(fù)雜，在白天太陽(yáng)照射下，對(duì)于下墊面通過(guò)蒸散過(guò)程而進(jìn)入低層空氣中的水汽量，城區(qū)（綠地面積小，可供蒸發(fā)的水汽量少）小于郊區(qū)。特別是在盛夏季節(jié)，郊區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)茂密，城郊之間自然蒸散量的差值更大。城區(qū)由于下墊面粗糙度大（建筑群密集、高低不齊），又有熱島效應(yīng)，其機(jī)械湍流和熱力湍流都比郊區(qū)強(qiáng)，通過(guò)湍流的垂直交換，城區(qū)低層水汽向上層空氣的輸送量又比郊區(qū)多，這兩者都導(dǎo)致城區(qū)近地面的水汽壓小于郊區(qū)，形成“城市干島”。（3）城市干島和濕島效應(yīng)城市相對(duì)濕度比郊區(qū)小，有明顯的干島30（3）城市干島和濕島效應(yīng)到了夜晚，風(fēng)速減小，空氣層結(jié)穩(wěn)定，郊區(qū)氣溫下降快，飽和水汽壓減低，有大量水汽在地表凝結(jié)成露水，存留于低層空氣中的水汽量少，水汽壓迅速降低。城區(qū)因有熱島效應(yīng)，其凝露量遠(yuǎn)比郊區(qū)少，夜晚湍流弱，與上層空氣間的水汽交換量小，城區(qū)近地面的水汽壓乃高于郊區(qū)，出現(xiàn)“城市濕島”。這種由于城郊凝露量不同而形成的城市濕島，稱為“凝露濕島”，且大都在日落后若干小時(shí)內(nèi)形成，在夜間維持。（3）城市干島和濕島效應(yīng)到了夜晚，風(fēng)速減小，空氣層結(jié)穩(wěn)定，郊31（4）城市雨島效應(yīng)城市對(duì)降水影響問(wèn)題，國(guó)際上存在著不少爭(zhēng)論。1971—1975年美國(guó)曾在其中部平原密蘇里州的圣路易斯城及其附近郊區(qū)設(shè)置了稠密的雨量觀測(cè)網(wǎng)，運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行持續(xù)5年的大城市氣象觀測(cè)實(shí)驗(yàn)（METROMEX），證實(shí)了城市及其下風(fēng)方向確有促使降水增多的“雨島”效應(yīng)。（4）城市雨島效應(yīng)城市對(duì)降水影響問(wèn)題，國(guó)際上存在著不少爭(zhēng)論。32（4）城市雨島效應(yīng)城市雨島形成的條件是①在大氣環(huán)流較弱，有利于在城區(qū)產(chǎn)生降水的大尺度天氣形勢(shì)下，由于城市熱島環(huán)流所產(chǎn)生的局地氣流的輻合上升，有利于對(duì)流雨的發(fā)展；②城市下墊面粗糙度大，對(duì)移動(dòng)滯緩的降雨系統(tǒng)有阻障效應(yīng)，使其移速更為緩慢，延長(zhǎng)城區(qū)降雨時(shí)間；③城區(qū)空氣中凝結(jié)核多，其化學(xué)組分不同，粒徑大小不一，當(dāng)有較多大核（如硝酸鹽類）存在時(shí)，有促進(jìn)暖云降水作用。上述種種因素的影響，會(huì)“誘導(dǎo)”暴雨最大強(qiáng)度的落點(diǎn)位于市區(qū)及其下風(fēng)方向形成雨島。（4）城市雨島效應(yīng)城市雨島形成的條件是①在大氣環(huán)流較弱，有利33（5）城市平均風(fēng)速小、局地差異大、有熱島環(huán)流城市下墊面粗糙度大，有減低平均風(fēng)速的效應(yīng)。這可以通過(guò)以下兩方面的對(duì)比來(lái)證明：①同一地點(diǎn)在其城市發(fā)展的歷史過(guò)程中風(fēng)速的前后對(duì)比；②同一時(shí)期城市和郊區(qū)風(fēng)速的對(duì)比。此外，城市內(nèi)部因街道走向、寬度、兩側(cè)建筑物的高度、型式和朝向不同，各地所獲得的太陽(yáng)輻射能就有明顯的差異，在盛行風(fēng)微弱時(shí)或無(wú)風(fēng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生局地?zé)崃Νh(huán)流。又當(dāng)盛行風(fēng)吹過(guò)鱗次櫛比、參差不齊的建筑物時(shí)，因阻障效應(yīng)產(chǎn)生不同的升降氣流、渦動(dòng)和繞流等，使風(fēng)的局地變化更為復(fù)雜。城區(qū)建設(shè)對(duì)局地環(huán)流影響的數(shù)值模擬。（5）城市平均風(fēng)速小、局地差異大、有熱島環(huán)流城市下墊面粗糙度34五、宇宙-地球物理因子宇宙因子指的是月球和太陽(yáng)的引潮力，地球物理因子指的是地球重力空間變化，地球轉(zhuǎn)動(dòng)瞬時(shí)極的運(yùn)動(dòng)和地球自轉(zhuǎn)速度的變化等。五、宇宙-地球物理因子宇宙因子指的是月球和太陽(yáng)的引潮力，地351、引潮力月球和太陽(yáng)對(duì)地球都具有一定的引潮力，月球的質(zhì)量雖比太陽(yáng)小得多，但因離地球近，它的引潮力等于太陽(yáng)引潮力的2.17倍。月球引潮力多年變化在海洋中產(chǎn)生多年月球潮汐大尺度的波動(dòng)，這種波動(dòng)在極地最顯著，可使海平面高度改變40—50mm，因而使海洋環(huán)流系統(tǒng)發(fā)生變化，進(jìn)而影響海-氣間的熱交換，引