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1、第二讲 全球变化与地球系统科学,吕昌河 中国科学院地理科学与资源研究所 Email: 电话：64889110,提纲,全球变化的证据与趋势 全球变暖的原因 全球变化的影响 地球系统科学 自然地理学与全球变化 中国全球变化研究,一、全球变化的证据与趋势,什么是全球变化？ 气候变化 大气化学成分的变化 土地覆被变化 物种的减少,1. 什么是全球变化？ 主要由人类活动引起的可能改变地球系统生命支撑能力的全球性环境变化,2. 气候变化：主要表现为全球变暖,气候变化：在自然气候变化之外，由人类活动直接或间接地改变全球大气组成所导致的气候改变。 气候变化与因自然原因引起的气候变率不同（如气候的季节、年际变
2、化等）。,气候变化的证据,气温和海温升高 1950-1993年期间，陆地表面的日最低气温以每十年0.2的速度递增，超过日最高气温递增速度的两倍。使中高纬度许多地区的无霜期加长； 海平面温度的上升速度是陆地表面平均气温上升速度的一半； 对流层气温升高 1950年代以来，地表以上8km的大气层平均每10年增温0.1 降水 20世纪北半球中高纬度大陆地区，每十年的降水量很可能增加了0.5-1%。热带地区可能每十年增加了0.2-0.3%。而亚热带地区可能减少了0.3%; 20世纪后半叶，北半球中高纬度地区，强降水天气可能增加了2-4%,来源：IPCC第三次评估报告,IPCC第四次评估报告,过去140年
3、地球表面温度的变化,红柱年平均，据器测数据； 黑线10年滑动平均； 黑色区间线95%的置信范围；,20世纪内地球表面平均温度上升了0.6 0.2oC 在北半球，1990年代很可能是有器测记录（1861）以来最热的年代，1998年是有器测记录以来最热的一年； 20世纪内两次增温期最为明显：1910-1945，1976-2000。,过去140年地球表面气温的变化,结 论,1961-1990年均值,10年滑动平均,来源：IPCC第三次评估报告,过去1000年北半球的温度变化, 千年来地球表面气温的变化（北半球） 红线：年平均，据器测数据 兰线：年平均，据树轮、珊瑚、冰芯、历史文献 黑线：50年滑动平
4、均 灰线：95%的置信范围 横轴：1961-1990年的均值,结论（北半球）：就增温的速度和持续时间而言，20世纪很可能是过去1000年中最强烈的世纪； 1990年代可能是过去1000年中最热的年代。,来源：IPCC第三次评估报告,全球温度变化的区域差异,来源：IPCC第三次评估报告,未来全球气温变化预测( 2050s),2050年代年均气温与目前状况的对比。为四大全球气候模型在不同初始条件下运行结果的平均值。假设条件包括温室气体排放量相当大气中CO2 浓度每年增加1%。,来源：Hadley Centre for Climate Prediction and Research,未来全球年均降水
5、量的变化( 2050s),2050年代年均降水量与目前状况的对比。为四大全球气候模型在不同初始条件下运行结果的平均值。假设条件包括温室气体排放量相当大气中CO2 浓度每年增加1%。,来源：Hadley Centre for Climate Prediction and Research,到2100年，因气温升高造成的海平面上升可能达到9-88cm(在1990年的基础上) SAR: 13-94 cm,到2100年，全球气温可能上升的幅度为1.4-5.8oC (在1990年的基础上)。这是同时考虑了温室气体的增温作用和气溶胶的降温作用后得出的结论 SAR: 1-3.5oC,21世纪温度会继续变暖，
6、海平面上升,来源：IPCC第三次评估报告,即使GHG含量保持稳定，预计全球温度都将不断提高,Development path with HIGH base emissions,Development path with LOW emissions,来源：IPCC第四次评估报告,2. 大气化学成分的变化,人类活动所导致的大气中温室气体、气溶胶含量和臭氧层的变化,大气的化学成分,清洁的空气是由氮78.08%、氧20.95%、二氧化碳0.03%等气体组成的,温室气体：吸收地表释放出来的红外线辐射，像温室一样，促使地球气温升高的气体，包括： 二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O) 、臭
7、氧（O3) 以及含氟温室气体：氢氟碳化物 ( HFCs) 、全氟化碳 (PFCs)、六氟化硫 (SF6) 气溶胶：空气中悬浮的固态或液态颗粒的总称，典型大小为0.01-10微米，能在空气中滞留至少几个小时。 自然产生的：以矿物成分为主，主要来源于火山喷发物、沙尘等； 人为产生的：化石燃料和生物物质燃烧，如硫化物、黑炭气溶胶等,温室气体的变化：大气CO2浓度增加的纪录,有关研究显示，在人类尚未进入工业化时代和大规模使用矿物燃料之前，地球大气中的二氧化碳浓度保持在280 PPM左右 根据美国冒纳罗亚气象台的记录显示： 最近大气中二氧化碳平均浓度达到379 PPM，比一年前(2003年）上升了3 P
8、PM，创下历史新高； 而过去10年中大气二氧化碳含量年平均增长幅度为1.8 PPM； 50年前，大气二氧化碳含量平均每年仅增1 PPM。,近千年来大气CO2浓度的变化,45万年以来大气二氧化碳浓度的变化,过去1000年大气CH4和N2O浓度的变化,甲烷,氧化亚氮,过去400年大气中气溶胶浓度的变化,大气臭氧变化,南极臭氧层空洞,98,臭氧空洞造成紫外辐射增加,全球臭氧变化趋势60S-60N,1998年9月19日达1000万平方英里,近年来臭氧问题有所缓解,1970-2004年全球温室气体排放量提高了70%,Total GHG emissions,0,5,10,15,20,25,30,35,40
9、,45,50,55,60,1970,1980,1990,2000,2004,GtCO2-eq/yr,人类活动特别是工业排放和农业活动是温室气体增加的重要原因,1970-2004年各种温室气体排放量与来源,大气化学成分变化的预测,CO2 changing by 540 to 970 ppm; CH4 changing by 190 to +1970 ppb (present concentration 1760 ppb); N2O changing by +38 to +144 ppb (present concentration 316 ppb); Tropospheric O3 changi
10、ng by -12 to +62%.,来源：IPCC第三次评估报告,小结,温室气体 工业革命特别是上世纪中后期以来，由于经济活动的增加，温室气体的排放急剧增长； 工业排放和农业活动（土地覆被改变）是温室气体增加的主要原因 大气中温室气体的含量将持续增长,3. 土地利用/土地覆被的变化,其他,林地,草场,耕地,农田扩张 农业文明约有1万年的历史，但耕地增长速度缓慢。耕地的扩张主要发生在1850以来的140年间，其中最近90年来全球耕地面积增加了一倍； 林地减少 过去140年间，拉丁美洲林地面积减少了28%；南亚和东南亚减少了34-38%；进入90年代以来，每年有约13-15万km2的热带雨林变成
11、荒地。 城市扩张 总面积只占陆地总面积的1%左右，但发展迅速。,自1700年至1980年，自然生态系统占地从95%减少到65%；人工生态系统占地则从5%增加到35%,世界主要热带国家80-90年代森林面积减少,森林减少的原因,转化为农业,转化为灌丛,4. 生物多样性损失-物种的减少,动物正以自然界正常速率的一百至一千倍的速度永久地消失。 在世界范围内，特别是在热带雨林中，动物的生命受到严重威胁。热带雨林只占陆地面积的10，呈窄的带状分布，其中生活了现生生物的一半以上。 雨林正在以很快的速度消失。在今后的50年中，大部分热带雨林很可能永远消失。如果雨林遭到破坏，多达300万种的大小动物可能随之绝
12、灭。,城市扩张、污染、耕种、放牧和伐木毁坏了数千种动物赖以生存的荒野，是导致物种灭绝的主因；猎杀也使许多珍稀动物灭绝。,1600年以来物种减少量呈明显的上升趋势,有关生物多样性，人类现有的知识最少。拿热带雨林来讲，生活在地球上的所有生物物种中，十种之中有六种来自热带森林，而科学家所能认识的只不过3/10。,栖居区：欧洲中部 灭绝：1627年 猎杀原因：肉,栖居区：非洲 灭绝： 1883年 猎杀原因：皮毛,栖居区：新英格兰至美国东海岸南部 灭绝：1932年 猎杀原因：肉,野牛,斑驴,石南鸡,几种猎杀灭绝的动物,袋狼是像狼的有袋类，最后一只袋狼死于1936年。 几万年来，它们是塔斯马尼亚岛的主要捕
13、食动物。但是当英国人在这个澳大利亚岛屿定居后，他们为了养羊而砍倒了大片森林。袋狼捕食羊，牧场主就向它们开火。随着供它们栖居的荒野变小，袋狼消失了。在世界各地，其他岛屿上的捕食动物也遭到了类似的命运。,袋 狼,二、全球气候变暖的原因,影响温度的因子包括： 温室气体 气溶胶 太阳辐射变化：11年太阳周期引起的小幅波动,温室气体的增加,一般认为，温室气体特别是CO2增高是全球变暖的主因 但也有不同看法： 5000万年前的始新世：地球气温升高，海水的温度比现在的海水温度平均高出12摄氏度 根据当大气中的CO2水平升高时，植物叶子上的微细毛孔数量成反比下降这一理论，英国科学家通过在不同CO2浓度下生长的
14、银杏树树叶中的CO2碳含量同始新世时期地球上的银杏树树叶化石进行对比，发现 5000万年前地球上的CO2浓度同今天无差别 因此，认为导致气温升高的真正原因是：甲烷、臭氧和氧化亚氮（俗称笑气）气体的增加。,温室气体的含量与作用,温室气体：正辐射强迫 靠吸收地面红外辐射起到增温作用 没有温室气体，地表温度-18；目前温度15，温室气体增温33 各种温室气体增温作用的相对大小 CO2: 60% CH4: 15-20% N2O, CFCls, O3: 20%,辐射强迫：改变地球大气入射和出射能量平衡因子的测量指标。用单位W m-2表示。,在无温室气体时，地球-大气系统的热量平衡,S0=太阳辐射常数；=
15、地面反射率；=Stefan常数 假设=0.3，在无温室气体时，地面温度为-18C （255 K),气溶胶的作用,气溶胶主要从两方面影响气候： 通过散射辐射和吸收辐射产生直接影响： 一些白色气溶胶如硫酸盐（来源自化石燃料中的硫），具有较高的反射性，因此可以减少太阳对地球的加热，产生负辐射强迫。 碳黑（煤烟灰）则是化石燃料、生物燃料及其他野外生物体不完全燃烧的产物，它吸收阳光，因而加热了大气层，产生正辐射强迫。 作为云凝结核或改变云的光学性质和生存时间而产生间接影响：它们生成的较明亮、存在时间较长久的云团，能够减少地球吸收的日光数量，产生负辐射强迫 大规模火山爆发产生的平流层气溶胶会引起持续数年的
16、负辐射强迫；1880-1920年和1960-1991年是几次重要火山爆发的时段。,科学认识水平,来源：IPCC,大气中各种温室气体吸收热辐射，阻止其逸出到太空去,人为的气溶胶增加了地球对太阳光的反射,能量失衡 气溶胶增加的反射不及温室气体吸纳热辐射的抵消作用，其结果是造成了众所周知的毯子变厚效应，它们使更多的热量返回到地面，而不是让其逸入太空，因此地球辐射到太空中的能量较之于从太阳吸收的能量要少。其多余的能量，大约为每平方米1瓦使地球逐渐变暖，让冰融化。,来源： 科学杂志（科学美国人中文版）,冰芯记录的15万年来和四次冰期的气温与CO2浓度变化,CO2浓度与气温变化,来源：IPCC第三次评估报告,Stabilisation levels and equilibrium global mean temperatures,Figure SPM
