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1、球变暖对 Florida 的影响SUMMARY温室效应引起的全球性海平面上升，已为世界各国家所关注。研究表明,近几年全球海平面以平均 1.8mm/a 的速率上升。考虑到温室效应和冰雪融化对海平面上升的影响，提出全球海平面变化预测模型；为预测 Florida 海平面的改变趋势，结合该地区沿岸海平面变化特点，即沿海地壳升降和地面下沉，改进全球海平面变化预测模型为区域海平面变化预测模型。预测结果表明：1) 未来几十年，Florida 沿岸海平面呈缓慢上升趋势，上升速率约为0.93mm/a，并且上升速率有加快倾向。2) Florida 沿岸海平面变化的地区差异性较大，不同地点海平面变化方向（上升或下降
2、）和速率很不相同。Florida 南部沿海相对海平面上升趋势最大，上升速率将近 1.25 mm/a。3) 综合 Florida 各地区未来几十年海平面变化，尽管 Florida 沿岸不同地区相对海面的年变化趋势差异较大，但各地区平均海面的波动大体是同步进行的。4) 21 世纪内，北极冰雪融化对 Florida 海平面上升的影响为 3.2%4.4%，有效控制海平面上升，主要在于能源使用的控制5) 气温和海平面变化，将会严重地影响 Florida 南部沿海的生态、大众健康与社会经济。特别是 Miami 等地区，一方面社会经济发达，另一方面地势低洼，是对海平面上升反映最敏感的脆弱地区Florida
3、沿海海平面上升的影响以经济损失和非经济损失的形式反映。海平面变化产生的环境影响与灾害效应，对城市发展、港口建设、资源开发造成严重危害，因此加强 Florida 沿海海平面变化研究具有十分重要的实际意义。 （“应对措施”加入到本段）Assumptions and definitions 基本假设 We regard all the data provided in the subject is typical and believable. 全球变暖主要受温室气体的影响，不考虑其他因素对气温的影响。 21 世纪温室气体的来源主要来自目前所使用的能源 Florida 地区的社会经济活动发展稳定 未
4、来 50 年全球海平面平均上升的速率为常数 1.8mm/a 模型的建立以 1980 年为基年 There is no outburst of disaster.Table 1 Variables and constantsVariable Definition Units()ct第 t 年全球温室气体的排放量 100million0()Tt历史上第 t 年的平均温度 未来第 t 年的温度 0()Zt历史上第 t 年海平面上升高度 cm未来第 t 年海平面上升高度 cmKFlorida 海面热扩散系数 千卡/ （米小时 度）()FtFlorida 海平面辐射强迫度 瓦/平方米MSL第 t 年 F
5、lorida 海平面上升高度 cmV南北极冰川融化体积 3m0A全球海洋面积 2h冰川融化导致的海平面上升高度 cmbFlorida 海平面平均上升速率 mm/aFlorida 海平面平均上升趋势 mm/a()DemagtFlorida 地区经济损失 Million dollarsConstant Definition Vaulesgloba全球海平面平均上升速率 1.8mm/aProblem analysis 模型的分析文章需要解决的是全球气候变暖导致北极冰盖融化，对陆地及 Florida 海岸（尤其大都市区）的影响，并预测 Florida 未来 50 年中每 10 年所受的影响;并提出适当
6、的应对措施。这里，我们将整个问题分为四个阶段来解决。 分析全球变暖对的主要原因，预测全球温室气体的变化趋势。根据目前的文献资料，导致全球变暖的主要原因是人类大量使用矿物燃料，排放出 ， ， 等多种温室气体。由于温室气体对来自太阳辐射的短波具2CO4H2N有高度的透过性，而对地球反射出来的长波辐射具有高度的吸收性，也就是温室效应，导致全球气候变暖。所以我们必须预测出未来 50 年全球温室气体的排放量。 测算出 Florida 地区海平面上升的高度。根据 Wigley T M L 和 Jones 等人的研究，可以将海平面上升高度分为四个部分：温室效应引起全球海平面上升高度、区域海平面上升趋势、区域
7、板块垂直运动和地面沉降物。利用这种方法，逐个计算出影响海平面上升的四个基本因素。 预测未来 50 年 Florida 地区受气温升高和海平面上升的影响和遭受的损失。我们利用计算出 50 年内 Florida 地区的气温和海平面上升高度，结合 Florida沿岸的地理环境和生态环境，分析了气温升高和海平面上升对沿岸气候、农业、森林和人口等的影响。 针对预测的结果，提出相应的应对措施。Model Development Stage 1：温室气体排放量预测模型在分析北极冰盖融化对 Florida 海平面上升影响时，我们先考虑全球范围内温室气体对全球气温的影响。为此，需要对未来全球范围温室气体的排放量
8、进行准确的预测。全球温室气体主要由 water vapor, carbon dioxide, methane, ozone, and nitrous oxide 构成，利用全球温室气体排放数据http:/cdiac.esd.ornl.gov (Figure 1)，可以对未来 50 年温室气体排放量进行预测。Figure 1. Greenhouse Gas Emissions in Florida (1990-2005)200.00220.00240.00260.00280.00300.001990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 200
9、0 2001 2002 2003 2004 2005YearMTCO2EFigure 1：全球温室气体排放量根据未来全球温室气体排放量的增加趋势和目前的研究成果我们假设温室气体排放量模型为(1)0()atBect为了便于参数估计，这里需要对(1)进行对数变换(2)0ln()latt这样，我们只需要对模型(2)进行简单的最小二乘估计，利用 MATLAB 软件对1850 年以来全球温室气体排放量数据进行拟合，得到预测模型(3)348.701l()8.2175.9tct eT 是 1850 年以来的时间序列，利用模型(3)可以对全球温室气体排放量进行预测，得到的结果与 Wigley 等人的估计结果相
10、差不大，同时模型的残差检验也表明模型(3)的拟合效果较好。Stage 2：海平面上升预测模型气温的上升容易造成海洋内部产生热膨胀、两极地区和内陆地区冰盖的融化，从而使全球的海平面发生变化。区域海平面的上升与全球海平面上升趋势基本一致，但也有其自身的特殊性，它还受到地区板块运动、大陆架海底构造结构和沿岸河口地区地面沉降物等引起的海平面变化。结合 Florida 地区的特点，我们可以用模型(4)来描述该地区海平面的变化趋势：(4)()()()()()MSLtGtRMSLtUtTMSLt其中： 为第 t 年的海平面上升高度； 第 t 年为第 t 年温室效应G引起的海平面上升高度； 为第 t 年地壳的
11、垂直变动引起的海平面上升高()t度； 为第 t 年地面沉降物引起的海平面上升高度； 为第 t 年区域()SULt ()TSLt海平面上升趋势。不同地区分析海平面上升情况时， 和 可以视GRMU情况而定。过去温度和海平面的改变Jones et al.1986 propose that temperature changes and expansion are so intimately linked, and the global mean surface air temperature in relation to the observed warming, namely 0.5C .Wigl
12、ey et al.1985 and 1986 between 1880 and 1985 with an uncertainty of at least +/- 0.1C in the past . figure 3 shows the forcing changes at the top of the troposphere due to greenhouse-gas concentration changes since 1765 .Figure 2.Greenhouse-gas forcing (http:/sedac.ciesin.columbia.edu)综合考虑这些文献，Hanse
13、n et al. 1981 and 1984, Kiehl et al.1987, Washington et al.1984, Gilliland et al.1984, Vinnikov et al. 1981我们知道 and 之间存在如下关系：0()Zt0()Tt (5)0.3150()7.98()ZtTtK未来温度和海平面的变化在温室作用的条件下，我们知道温室气体排放量的增加容易造成地球辐射强迫量的增加，通常用方程(1) 描述温室气体与辐射强迫度 之间关系：()Ft(6)0()ln()/270Ftabct其中： ； 。201.8/awm.95/同样，将温室气体排放量增加引起的温度变化看
14、成一个函数关系，得到：(7)0()0.38.4()TtFtT为了便于模型计算和进行比较，我们将 1980 年的气温视为 0 度。这里，我们可以根据方程(1) (7) 分别计算 与 在不同时段的值。()t()t表 2： 未来 50 年全球辐射强迫度与温度变化年份 2010 2020 2030 2040 2050()Ft2.64 2.96 3.23 3.48 3.69T0.36 0.6 0.8 0.96 1.2根据表 2 我们知道，未来 50 年全球地区的气温变化趋势，其中 2020 年气温将比 1980 年上升 0.6 度，2050 年气温比 1980 年上升 1.2 度。气温的上升使得两极和内
15、陆高原地区的冰雪融化，进而引起全球海平面上升。为了更好的描述北极冰川对海平面上升的影响，我们可以利用 Wigley 等提出的海平面预测方程进行预测。另一方面，全球温室气体的增加将会导致气温的上升、海洋的垂直运动和海水下沉等，同时，大量的热量受到温室气体的影响不易反射到太空中，进一步向深海扩散，使得大气升温变得十分缓慢，这一系列的运动又引起了海洋内部水体的膨胀。为了比较好的把温度变化、海洋热扩散和冰川融化联系在一起的, 我们利用模型(8)来分析未来 50 年 Florida 地区海平面上升高度。(8)0.21()4.13265()ZtFtTK考虑到 Florida 属于亚热带地区，我们将热扩散系
16、数 K 定为 2.0。则可以得到相应时间段 Florida 地区海平面上升高度：表 3： 50 年 Florida 地区海平面上升高度年份 2010 2020 2030 2040 2050高度(cm) 5.238 6.200 7.142 8.024 9.291 海平面资料中趋势性变化和周期性分析对于零点有变动的海平面资料分析，可以将（4）转换为以下形式：(9)11()(cosin)(sin)(QPij jQj jMSLtadbtxttytt采用最小二乘法，易求解 , , 和 。adxFlorida 不同城市海平面上升速率在分析海平面上升受两极冰雪融化的影响时，考虑全球地区性和季节性的差异，参考 Johns et al.1997 , Mchell et al.1995和
