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1、1第九章第九章 气候变化气候变化第一节第一节 气候变化的概念气候变化的概念第二节第二节 气候变化史实气候变化史实第三节第三节 气候变化的影响因素气候变化的影响因素第四节第四节 气候变化研究方法气候变化研究方法2第第一一节节9.1.1气候变化概念气候变化概念1 气候变化与气候异常：气候变化与气候异常：由各种要素由各种要素由各种要素由各种要素（气温、降水、气压等）所表征的（气温、降水、气压等）所表征的（气温、降水、气压等）所表征的（气温、降水、气压等）所表征的气候气候气候气候状态状态状态状态相对于某一气候标准态的偏差或同相对于某一气候标准态的偏差或同相对于某一气候标准态的偏差或同相对于某一气候标准
2、态的偏差或同类气候状态间的变化称为气候变化类气候状态间的变化称为气候变化类气候状态间的变化称为气候变化类气候状态间的变化称为气候变化；当当当当这种偏差（变化）超过一定程度称为这种偏差（变化）超过一定程度称为这种偏差（变化）超过一定程度称为这种偏差（变化）超过一定程度称为气气气气候异常。候异常。候异常。候异常。气候（标准态）气候（标准态）：在太阳辐射和气候系在太阳辐射和气候系统各子系统相互作用下，地球上某一区域统各子系统相互作用下，地球上某一区域在某一特定时段内在某一特定时段内天气天气的的多年平均状况多年平均状况及及其极端情形。其极端情形。32 气候状态：气候状态：地球上某一区域在某一地球上某一
3、区域在某一特定时段内特定时段内天气天气的某一年份或指定年的某一年份或指定年份份平均状况。平均状况。3 气候变率：气候变率：大量同类气候状态间的方大量同类气候状态间的方差差，也经常用来专指年际及年代际的气也经常用来专指年际及年代际的气候变化候变化 。或者：时间尺度大于天气尺。或者：时间尺度大于天气尺度的气候变量围绕平均值的变化。度的气候变量围绕平均值的变化。气候变化包含气候变率气候变化包含气候变率4世界世界1月海平面气温（摄氏度）的分布月海平面气温（摄氏度）的分布5温温度度距距平平（ ）年年公元公元18562003年全球地表温度变化年全球地表温度变化（相对于（相对于19611990年年30年气候
4、平均）年气候平均）( updated from Jones ( updated from Jones et alet al., 2003 )., 2003 )l1860-2000年全球地表温度上升年全球地表温度上升0.40.8 (平均平均0.6)；l近百年间近百年间17个最暖年份出现在个最暖年份出现在1983年以后。年以后。l20世纪以来，世纪以来，1998年最暖，年最暖，2002年和年和2003年分别为第二和第三暖年。年分别为第二和第三暖年。61980-1999与与1950-1969年均年均SST差值场差值场 （年代际变化）（年代际变化）74 4 气候趋势气候趋势：气候的长期变化倾向，即在气
5、候的长期变化倾向，即在记录时期记录时期(特定时期）具有单调地特定时期）具有单调地上升上升或或下降下降特点的气候变化（特点的气候变化（线性线性和和非线性非线性趋势趋势）8奇异谱分析奇异谱分析（SSA）对全球平均地对全球平均地面气温序列的趋势拟合面气温序列的趋势拟合9样条插值函数对全球平均地面气温的趋势拟合样条插值函数对全球平均地面气温的趋势拟合105 5 气候波动（振荡）：气候波动（振荡）：气候状态围绕气候平均气候状态围绕气候平均态的波动式变化，表现为准周期性振荡特征，态的波动式变化，表现为准周期性振荡特征，有年际、年代际等时间尺度有年际、年代际等时间尺度.1880-19961880-1996年
6、中国东部年中国东部3535站的年降水量距平（以站的年降水量距平（以1961-19901961-1990年为基准期）年为基准期）（王绍武，（王绍武，19981998）11全球平均气温的功率谱分析全球平均气温的功率谱分析波数波数波数波数6 6（5 5年周期）年周期）年周期）年周期）波数波数波数波数1717（22.522.5月周期）月周期）月周期）月周期）12准准准准5 5年周期振荡年周期振荡年周期振荡年周期振荡准准准准2 2年周期振荡年周期振荡年周期振荡年周期振荡全球平均气温全球平均气温全球平均气温全球平均气温SSASSA的重建分量序列的重建分量序列的重建分量序列的重建分量序列13影响影响华北汛期
7、降水登陆台风频数华北汛期降水登陆台风频数小波变换小波变换 周周期期（年年）146 6 气候突变气候突变：从一种从一种气候状态（或稳定气候状态（或稳定持续的变化趋势或气候波动）跳跃式地持续的变化趋势或气候波动）跳跃式地转变到另一种气候状态（或稳定持续的转变到另一种气候状态（或稳定持续的变化趋势或气候波动）的现象。变化趋势或气候波动）的现象。台风频数在台风频数在台风频数在台风频数在1976-771976-77年发生了突变（年发生了突变（年发生了突变（年发生了突变（均值）均值）气候趋势气候趋势15气候气候变化变化气候波动：年际、年气候波动：年际、年代际等尺度波动代际等尺度波动气候突变气候突变随机变化
8、随机变化16周期段周期段时间尺度尺度振幅振幅（C C）大冰期与大大冰期与大间冰期冰期 几百万年几百万年- -几几亿年年 1010亚冰期与冰期与亚间冰期冰期 十万年十万年8-98-9副冰期与副副冰期与副间冰期冰期一-几万年几万年5-75-7寒冷期（小冰期）寒冷期（小冰期）与温暖期（小与温暖期（小间冰冰期）期）几百年几百年- -几千年几千年2 2世世纪及世及世纪内的气内的气候候变动几年几年- -几十年几十年0.50.5各种周期气候波动各种周期气候波动17变化的时间尺度 主要特征、形成原因资料来源、分析和研究方法地质时期气候变化地质时期气候变化历史时期气候变化历史时期气候变化 现代气候变化现代气候变
9、化气候变化时期的划分气候变化时期的划分1. 气候变化的多时间尺度性气候变化的多时间尺度性短期气候变化短期气候变化 （月，季，年）；中期气候变化中期气候变化，其时间尺度为几年（年际变化）； 长期气候变化长期气候变化，其时间尺度为几十年（年代际变化）；超长期气候变化超长期气候变化，其时间尺度为几百年（世纪际变化）；历史时期气候变化历史时期气候变化，其时间尺度为千年；地质期气候变化地质期气候变化，其时间尺度为万年或更长。由于有气候资料记载的时间不过几百年，对于气候变化研究也就主要集中在前四个时间尺度，尤其是前三个时间尺度的变化。但是，为了深入认识气候演变规律，探索气候变化的原因，历史时期和地质时期的
10、气候变化问题也是很值得研究的。9.1.2 气候变化的特征气候变化的特征多时间尺度性多时间尺度性阶段性阶段性突变性突变性 气气候候变变化化的的阶阶段段性性同同气气候候变变化化的的时时间间尺尺度度是是紧紧密密联联系系的的，不不同同时时间间尺尺度度的的变变化化也也就就有有不不同同的的阶阶段段性性。近近千千年年来来的的气气候候变变化化也也有有其其阶阶段段性性，在在13001800年年间间的的小小冰冰期期平平均均气气温温偏偏低低，而而在在小小冰冰期期前前后后平平均均温温度度却却相相当当高高。在在过过去去的的50万年的时间里，万年的时间里，冰期和间冰期有交替出现的现象。冰期和间冰期有交替出现的现象。2.
11、气候变化的阶段性气候变化的阶段性间冰期暖期间冰期暖期千年千年20中国东部夏季降水均均值值突突变变：从从一一个个气气候候基基本本状状态态（以以某某一一平平均均值值表表示示）向另一个气候基本状态的急剧变化。向另一个气候基本状态的急剧变化。趋趋势势突突变变：两两个个气气候候阶阶段段有有完完全全不不同同的的变变化化趋趋势势，例例如如，某某个个气气候候阶阶段段温温度度一一致致持持续续下下降降，其其后后一一个个气气候候阶阶段段的的温度一致持续上升。温度一致持续上升。变变率率突突变变：变变率率突突变变包包括括两两种种情情况况，其其一一是是振振幅幅有有明明显差异的突变；其二是显差异的突变；其二是频率频率有明显
12、差异的突变。有明显差异的突变。3. 气候变化的突变性气候变化的突变性三类气候突变示意图三类气候突变示意图(a) (a) 均值突变；均值突变；(b) (b) 趋势突变；趋势突变；(c) (c) 变率突变变率突变23第第二二节节气候变化史实气候变化史实一、一、地质时期的气候变化地质时期的气候变化1 定义：定义：时间尺度在几万年以上的气时间尺度在几万年以上的气候变化候变化.地质年代：代地质年代：代地质年代：代地质年代：代纪纪纪纪世世世世世：时间尺度万年以上世：时间尺度万年以上世：时间尺度万年以上世：时间尺度万年以上24地质年代地质年代气候概况气候概况代代纪纪世世纪持续时间纪持续时间（百万年）（百万年
13、）纪开始年龄（百万年纪开始年龄（百万年BP）新生代新生代第四纪第四纪全新世全新世22大冰期大冰期更新世更新世大间冰期大间冰期第三纪第三纪上新世上新世6466中新世中新世渐新世渐新世始新世始新世古新世古新世中生代中生代白垩纪白垩纪66132侏罗纪侏罗纪53185三叠纪三叠纪50235古生代古生代二叠纪二叠纪45280大冰期大冰期石炭纪石炭纪65345泥盆纪泥盆纪55400大间冰期大间冰期志留纪志留纪35435奥陶纪奥陶纪55490寒武纪寒武纪80570元古代元古代震旦纪震旦纪30600大冰期大冰期太古代太古代2526以温暖为主，以温暖为主，大冰期和大间大冰期和大间冰期交替出现。冰期交替出现。变温
14、幅度平均变温幅度平均约为约为1010度度三次大冰期三次大冰期二次大间冰期二次大间冰期成煤纪成煤纪成煤纪成煤纪2 特点：特点：大冰期与大间冰期旋回大冰期与大间冰期旋回 1） 三大冰期三大冰期（1）震旦纪大冰期）震旦纪大冰期发生时间发生时间：在早古生代，距今约在早古生代，距今约6亿年前。亿年前。主要特点主要特点：这次冰期的影响范围几乎遍及：这次冰期的影响范围几乎遍及世界五大洲，我国长江中下游地区都有震世界五大洲，我国长江中下游地区都有震旦纪冰碛层。旦纪冰碛层。（吕梁运动）（吕梁运动）28（2）石碳）石碳二叠纪大冰期二叠纪大冰期发生时间：发生时间：距今距今2.53亿年亿年气候特点：气候特点：冰期气候
15、影响的冰期气候影响的主要在南半球；主要在南半球；在北半球在北半球(除印度外除印度外)到目前为止还没有发现到目前为止还没有发现属于这次冰期的可靠遗迹。属于这次冰期的可靠遗迹。（3）第四纪大冰期）第四纪大冰期发生时间：发生时间：距今距今240万年前开始直到现在；万年前开始直到现在；主要特征主要特征：存在亚冰期与亚间冰期的冷暖反：存在亚冰期与亚间冰期的冷暖反复交替。复交替。29第四纪大冰期中的亚冰期第四纪大冰期中的亚冰期距今年数（万年）距今年数（万年）欧洲的亚冰期欧洲的亚冰期中国的亚冰期中国的亚冰期10武木亚冰期武木亚冰期大理亚冰期大理亚冰期20里斯里斯-武木间冰期武木间冰期30里斯亚冰期里斯亚冰期
16、庐山亚冰期庐山亚冰期40-60民德民德-里斯间冰期里斯间冰期70民德亚冰期民德亚冰期大姑亚冰期大姑亚冰期80-90群智群智-民德间冰期民德间冰期100-110群智亚冰期群智亚冰期鄱阳湖亚冰期鄱阳湖亚冰期120-130多脑多脑-群智间冰期群智间冰期140-160多脑亚冰期多脑亚冰期30据研究，据研究，在距今在距今2.1万年前为第四纪冰川最万年前为第四纪冰川最盛时期，温度比现在低盛时期，温度比现在低8-12度，一直到度，一直到1.65万年前，冰川开始融化，大约在万年前，冰川开始融化，大约在1万年万年前大理亚冰期（欧洲武木亚冰期）消退，此前大理亚冰期（欧洲武木亚冰期）消退，此后气候逐渐回暖。后气候逐
17、渐回暖。31近近40万年以来的气候变化万年以来的气候变化 副冰期-副间冰期旋回南极东方站（南极东方站（Vostok）冰芯反演得到的气温、）冰芯反演得到的气温、CO2、CH4的变化的变化末次冰期冰盛期末次冰期冰盛期（Last Glacial Maximum:LGM) 21kaBP末次冰期（末次冰期（1.8万年万年BP）中气候最冷、冰川规模最大时段）中气候最冷、冰川规模最大时段全球降温全球降温5-10C，降水普遍减少，冷干气候特征，降水普遍减少，冷干气候特征末次间冰期最末次间冰期最末次间冰期最末次间冰期最暖时期（暖时期（暖时期（暖时期（1212万万万万年年年年BPBP）322） 二大间冰期二大间冰
18、期（1）寒武纪）寒武纪石炭纪大间冰期石炭纪大间冰期发生时间发生时间：距今约距今约36亿年。亿年。基本特征基本特征：雪线升高，冰川后退，气候雪线升高，冰川后退，气候显著变暖。显著变暖。石炭纪石炭纪在地质史上又称在地质史上又称为为成煤纪成煤纪。我国都处于热带气候。我国都处于热带气候。33（2）三叠纪一第三纪大间冰期）三叠纪一第三纪大间冰期发生时间：发生时间：距今约距今约2.5亿年亿年-200万年，万年，包括三叠纪、侏罗纪、白垩纪和新生代包括三叠纪、侏罗纪、白垩纪和新生代的第三纪。的第三纪。主要特征主要特征：三叠纪时气候炎热而干燥，三叠纪时气候炎热而干燥，其后侏罗纪的气候由干热转为湿热，有其后侏罗纪
19、的气候由干热转为湿热，有利于植物生长，造成继石炭纪之后的第利于植物生长，造成继石炭纪之后的第二个成煤时期。二个成煤时期。34二、历史时期的气候变化二、历史时期的气候变化1 定义定义:从第四纪大冰期中的武木（大理）亚从第四纪大冰期中的武木（大理）亚冰期的最近一次副冰期之后的冰期的最近一次副冰期之后的1万年至有器测万年至有器测资料的资料的“冰后期冰后期” 气候。从地质年代来看，气候。从地质年代来看，该时期也称为该时期也称为全新世气候全新世气候。2 资料来源：资料来源：冰芯、树木年轮、黄土、湖泊沉冰芯、树木年轮、黄土、湖泊沉积、历史文献等积、历史文献等3 特点：特点： 温暖期与寒冷期交替出现温暖期与
20、寒冷期交替出现354 主要气候事件主要气候事件末次冰期冰盛期（末次冰期冰盛期（Last Glacial Maximum:LGM) 21kaBP新仙女木事件（新仙女木事件（Younger Dryas: YD） 12.2-10.5kaBP全新世大暖期（全新世大暖期（Megathermal in Holocene） 8.5-3.0kaBP中世纪暖期中世纪暖期 ( Medieval Warm Period) AD 900-1300 小冰期小冰期 ( Little Ice Age) AD 1320-192036新仙女木事件新仙女木事件（YD）12.2-10.5kaBP全球冰川消退、气候全球冰川消退、气候
21、回暖过程中发生的气回暖过程中发生的气候突变事件，候突变事件，YD结束结束后即进入温暖湿润的后即进入温暖湿润的全新世全新世全新世大暖期全新世大暖期8.5-3.0kaBP间冰期中最暖阶段，间冰期中最暖阶段，该阶段时限较宽，包该阶段时限较宽，包含一些气候波动。总含一些气候波动。总体上暖于现代，降水体上暖于现代，降水多于现代多于现代全新世千年尺度气候全新世千年尺度气候波动与气候事件波动与气候事件全新世存在千年尺度全新世存在千年尺度气候波动平均周期气候波动平均周期1.45ka 。11kaBP以来以来有有9个寒冷期，最近个寒冷期，最近一次为小冰期一次为小冰期.大暖期大暖期（8.5-3.0kaBP）8.2k
22、aBP冷事件冷事件中世纪暖期中世纪暖期 (AD 900-1300) 小冰期（小冰期（AD 1320-1920）现代增暖（现代增暖（20世纪）世纪）近近2 2万年以来的气候变化万年以来的气候变化37一万年来挪威雪线高度（实线）与五千年来我国温度（虚线）变迁一万年来挪威雪线高度（实线）与五千年来我国温度（虚线）变迁一万年来挪威雪线高度（实线）与五千年来我国温度（虚线）变迁一万年来挪威雪线高度（实线）与五千年来我国温度（虚线）变迁中国近五千年内可以相对地分出中国近五千年内可以相对地分出中国近五千年内可以相对地分出中国近五千年内可以相对地分出四个四个四个四个温暖期温暖期温暖期温暖期与四个寒冷期与四个寒
23、冷期与四个寒冷期与四个寒冷期。 200020001800180016001600140014001200120013001300150015001700170019001900+4+4+3+3+2+2+1+1-1-10 0-2-2-3-3-4-41 10 00 00 00 05 50 00 00 04 40 00 00 03 30 00 00 02 20 00 00 01 10 00 00 05 50 00 00 05 50 00 01 10 00 00 01 15 50 00 01 16 60 00 01 17 70 00 01 18 80 00 01 19 90 00 01 19 95 5
24、0 0高度（高度（m m）温度（温度（）年代年代温温温温暖暖暖暖期期期期温温温温暖暖暖暖期期期期温温温温暖暖暖暖期期期期温温温温暖暖暖暖期期期期寒寒寒寒冷冷冷冷期期期期寒寒寒寒冷冷冷冷期期期期寒寒寒寒冷冷冷冷期期期期寒冷期寒冷期寒冷期寒冷期历史时期的气候变迁（近数千年的气候史）38全新世暖期中国温度较现代增加的幅度全新世暖期中国温度较现代增加的幅度（单位:。施雅风等，1992） oooooooooo12013012535451102350045700250750km100809039上图：中国过去2000年（加权）温度距平，分辨率：10年。粗线为3点滑动（Yang et al, 2002）下图
25、：东部过去1200年的温度距平，分辨率：50年。（据王绍武等，2000b）过去过去20002000年中国东部温度变化年中国东部温度变化中世纪暖期中世纪暖期中世纪暖期中世纪暖期小冰期小冰期小冰期小冰期40青海湖孢粉所显示的近青海湖孢粉所显示的近10ka10ka气温（气温（）、降水量（）、降水量（% %）变化）变化（王绍武等，（王绍武等，2002a2002a）全新世大暖期全新世大暖期41三、近代气候变化特征三、近代气候变化特征1 器测资料：器测资料：最早有气象观测记录地方最早有气象观测记录地方 佛罗伦萨佛罗伦萨（1652），伦敦（），伦敦（1668），巴黎（），巴黎（1752）2 主要气候变化现象
26、主要气候变化现象1）全球增暖）全球增暖 (Global Warming) 波动阶段性上升波动阶段性上升波动阶段性上升波动阶段性上升 不同区域增暖幅度不同，极区最显著不同区域增暖幅度不同，极区最显著不同区域增暖幅度不同，极区最显著不同区域增暖幅度不同，极区最显著42过去过去140年来地球表面气温变化情况年来地球表面气温变化情况IPCC TAR: 0.60.2C, 0.58C/100a 43过去150年来地球表面气温变化情况IPCC AR4: 0.450.12C, 0.74C/100a 20 20世纪增暖主要发生在两个阶段世纪增暖主要发生在两个阶段： 1915-1945 1915-1945 197
27、5 1975后后44LSATLSATSSTSSTGMSTGMST45全球、南北半球温度变化趋势对比（全球、南北半球温度变化趋势对比（CRUCRU）（/10a/10a）（）（IPCCIPCC，20072007）18502005年年19012005年年19792005年年全球0.0420.0120.0710.0170.1630.046北半球0.0470.0130.0750.0230.2340.070南半球0.0380.0140.0680.0170.0920.038陆地0.0540.0160.0840.021 0.2680.069海洋0.0380.0110.0670.0150.1330.047陆地温
28、度增暖速率比海洋快陆地温度增暖速率比海洋快46全球温度变化趋势（全球温度变化趋势（/10a/10a）（IPCC AR5IPCC AR5）19012012：0.89C (0.69C1.08C)19512012：0.72C (0.49C0.89C)年平均气温的变化趋势年平均气温的变化趋势4748极区增温更显著极区增温更显著49Johannessen et al. (2004)全球增暖的证据：北极海冰面积减少全球增暖的证据：北极海冰面积减少50全球增暖的证据：海平面上升全球增暖的证据：海平面上升515253中国年平均气温距平中国年平均气温距平 (1880-1999(1880-1999年年) )(国家
29、评估报告：0.20.8C/100a)1998年是近百年最暖的年是近百年最暖的1年，年，1990s是最暖的是最暖的10年年54中国年平均气温变化趋势（中国年平均气温变化趋势（%/10a）分布图（分布图（19601999）55全球气候变化的基本特征全球气候变化的基本特征全球地质时期气候变化的时间尺度在全球地质时期气候变化的时间尺度在2222亿年到亿年到1 1万万年以上，以大冰期和大间冰期的交替出现为特征，年以上，以大冰期和大间冰期的交替出现为特征，气温变化幅度在气温变化幅度在1010C C以上以上历史时期的气候变化是近历史时期的气候变化是近1 1万年来，主要是近万年来，主要是近50005000年来
30、的气候变化，变化的幅度最大不超过年来的气候变化，变化的幅度最大不超过2-32-3C C近代的气候变化主要是指近百年或近代的气候变化主要是指近百年或2020世纪以来的世纪以来的气候变化，气温振幅在气候变化，气温振幅在0.5-1.00.5-1.0C C之间。之间。 562）近百年全球降水变化）近百年全球降水变化1900-20051900-2005年全球陆地降水距平的时间序列年全球陆地降水距平的时间序列（以（以1981-20001981-2000年年GHCNGHCN为平均值）（为平均值）（IPCCIPCC，20072007）无显著趋势变化无显著趋势变化无显著趋势变化无显著趋势变化5758近百年来，全
31、球平均降水无显著趋势变化近百年来，全球平均降水无显著趋势变化不同数据集趋势间存在明显差异，同时降不同数据集趋势间存在明显差异，同时降水也有较大时空变率。水也有较大时空变率。北半球中纬度陆地降水很可能总体上呈增北半球中纬度陆地降水很可能总体上呈增加趋势。加趋势。59603）近百年中国降水变化近百年中国降水变化1880-19961880-1996年中国东部年中国东部3535站的年降水量距平站的年降水量距平（以（以1961-19901961-1990年为基准期）年为基准期）（王绍武，（王绍武，19981998）根据史料和降水量观测结合根据史料和降水量观测结合无明显趋势无明显趋势20-30年周期年周期
32、61（1）近百年降水量并无明显趋势。）近百年降水量并无明显趋势。（2）降水量的变化存在）降水量的变化存在20-30年的干湿期交替：年的干湿期交替：旱期：旱期：19世纪末到世纪末到20世纪初有强旱期世纪初有强旱期 20世纪世纪30年代年代 20世纪世纪60-70年代年代丰水期：丰水期：20世纪初期世纪初期 20世纪世纪50年代年代气气气气候候候候变变变变化化化化与与与与平平平平均均均均值值值值或或或或离离离离差差差差值值值值变变变变化化化化的的的的关关关关系系系系相对于相对于1961199019611990平均平均4）极端气候的变化）极端气候的变化63极端温度事件极端温度事件64极端温度事件极端
33、温度事件65极端降水事件极端降水事件66热带气旋热带气旋67气候变化的影响因素气候变化的影响因素 自然原因自然原因 银河系变化、太阳演化、银河系变化、太阳演化、太阳活动太阳活动 地球地球轨道参数（轴倾、岁差、偏心率）轨道参数（轴倾、岁差、偏心率） 大陆漂移、造山运动、火山活动大陆漂移、造山运动、火山活动 海洋环流与海海洋环流与海- -冰冰- -气气- -陆相互作用陆相互作用 人为原因人为原因 温室气体、气溶胶排放温室气体、气溶胶排放 土地使用、热带雨林破坏土地使用、热带雨林破坏 城市化城市化 时间尺度时间尺度 不同时间尺度气候变化、形成机制不同不同时间尺度气候变化、形成机制不同第第三三节节68
34、 冰期冰期- -间冰期循环（万年尺度）的形成机制间冰期循环（万年尺度）的形成机制米兰科维奇理论米兰科维奇理论(Milankovitch,1941) 冰期天文理论冰期天文理论轨道参数的周期性变动轨道参数的周期性变动由于天体间引力的由于天体间引力的由于天体间引力的由于天体间引力的影响，地球轨道影响，地球轨道影响，地球轨道影响，地球轨道偏偏偏偏心率心率心率心率、地轴倾斜度地轴倾斜度地轴倾斜度地轴倾斜度和和和和岁差岁差岁差岁差等地球轨道等地球轨道等地球轨道等地球轨道参数发生变化，使参数发生变化，使参数发生变化，使参数发生变化，使地球接收到的太阳地球接收到的太阳地球接收到的太阳地球接收到的太阳辐射产生差
35、异，从辐射产生差异，从辐射产生差异，从辐射产生差异，从而引起数十万年间而引起数十万年间而引起数十万年间而引起数十万年间的气候变迁。的气候变迁。的气候变迁。的气候变迁。69160万万年年以以来来地地球球轨轨道道参参数数变变化化地轴倾角（黄赤交角）地轴倾角（黄赤交角）4.1万年周期万年周期岁差岁差2.2万年周期万年周期偏心率偏心率9.58万年周期万年周期1 1）地球轨道偏心率）地球轨道偏心率 描述地球绕太阳运动轨道描述地球绕太阳运动轨道的圆扁程度，值越大越扁，的圆扁程度，值越大越扁，值越小越圆。值越小越圆。轨道偏心率越小轨道偏心率越小( (越接近圆越接近圆形形) )时，四季变化相对较不时，四季变化
36、相对较不明显，也不易有冰期的发明显，也不易有冰期的发生。反之，偏心率越接近生。反之，偏心率越接近1(1(但不等于但不等于) )的轨道，四季的轨道，四季明显，也较易产生冰期。明显，也较易产生冰期。每隔每隔1010万年万年，地球公转轨，地球公转轨道的偏心率变化一个周期道的偏心率变化一个周期 e=0 e=0.5 e=0 e=0.57121.8 24.5 ，现在为，现在为23.44 地轴倾斜度的影响表现在：地轴倾斜度的影响表现在：角度越大，高纬度地区因接受辐射的时间差异较角度越大，高纬度地区因接受辐射的时间差异较大，易形成冰期。大，易形成冰期。地轴倾斜度增加：地轴倾斜度增加：高纬度辐射量夏季增大，冬季
37、高纬度辐射量夏季增大，冬季减少，年较差增大，且年辐射量增加；赤道地区减少，年较差增大，且年辐射量增加；赤道地区年辐射量减少。年辐射量减少。2 2）地轴倾斜度）地轴倾斜度( (黄赤交角的变化黄赤交角的变化) )723 3）岁差）岁差在远日点时，在远日点时，若北半球倾向太若北半球倾向太阳冬天温度将会阳冬天温度将会相对较高；若因相对较高；若因进动而导致南半进动而导致南半球在远日点时倾球在远日点时倾向太阳，北半球向太阳，北半球的冬天将较为酷的冬天将较为酷寒。寒。加上北半球陆加上北半球陆地多，比热小，地多，比热小，温度容易下降，温度容易下降，而较容易形称冰而较容易形称冰期。期。 732 2 火山活动火山
38、活动火山活动火山活动1 1 1 1）火山活动的影响：增加大气气溶胶。使地面气）火山活动的影响：增加大气气溶胶。使地面气）火山活动的影响：增加大气气溶胶。使地面气）火山活动的影响：增加大气气溶胶。使地面气温下降，火山活动温下降，火山活动温下降，火山活动温下降，火山活动的的的的“阳伞效应阳伞效应阳伞效应阳伞效应”。 火山火山灰尘和硫酸气溶胶灰尘和硫酸气溶胶进入进入到到平流层平流层下层下层，由于不会由于不会受到于水的冲刷，它能扩散到整个半球，低纬度的喷发受到于水的冲刷，它能扩散到整个半球，低纬度的喷发能扩散到全球，并在中高纬保持最大浓度，最后在极冠能扩散到全球，并在中高纬保持最大浓度，最后在极冠落下
39、落下。 强烈强烈反射和散射太阳辐射，削弱到达地面的反射和散射太阳辐射，削弱到达地面的直接辐射直接辐射 火山灰火山灰停留时间短（几个月），硫酸气溶胶可停留数停留时间短（几个月），硫酸气溶胶可停留数年，可长时间对地面产生净冷却年，可长时间对地面产生净冷却效应效应 。 引起引起不同程度的全球气候波动：全球性的气温降低、不同程度的全球气候波动：全球性的气温降低、降水增加、直接辐射减弱、散射辐射增加等降水增加、直接辐射减弱、散射辐射增加等。2 2）火山活动呈现周期性变化（如高桥浩一）火山活动呈现周期性变化（如高桥浩一郎郎郎郎（1986198619861986）指出：）指出：）指出：）指出：7070707
40、0年周期年周期年周期年周期）7475KrakatoaKrakatoa26 26 August 1883August 1883El El ChichnChichn3 April 19823 April 1982761）太阳活动的表征：太阳黑子。太阳黑子多，太阳活）太阳活动的表征：太阳黑子。太阳黑子多，太阳活动强，太阳光斑增加，太阳辐射增加动强，太阳光斑增加，太阳辐射增加.2）太阳活动的周期性特征：）太阳活动的周期性特征：11年（太阳活动周）、年（太阳活动周）、22年（海尔周期）、世纪尺度；年（海尔周期）、世纪尺度；3）太阳活动周期与气候振动）太阳活动周期与气候振动11年周期里，地球气候表现单的和
41、双振动现象。如年周期里，地球气候表现单的和双振动现象。如地球上雷暴频数、大气环流特征、气温等存在双振地球上雷暴频数、大气环流特征、气温等存在双振动现象（动现象（5-6年周期年周期）地球地球气候表现出与太阳活动气候表现出与太阳活动22年周期一致的海尔周年周期一致的海尔周期现象，如气压、气温、降水、阻塞高压频率、大期现象，如气压、气温、降水、阻塞高压频率、大气活动中心位置气活动中心位置等等太阳活动太阳活动世纪周期与气候振动具有密切的联系，环世纪周期与气候振动具有密切的联系，环流强度、台风频数流强度、台风频数等等3 3 太阳活动太阳活动太阳活动太阳活动774 4 大陆漂移大陆漂移大陆漂移大陆漂移与气
42、候变化与气候变化与气候变化与气候变化板块漂移、地形变化改板块漂移、地形变化改变着地球海陆分布的形变着地球海陆分布的形态，对地球气候的形成、态，对地球气候的形成、演变具有重大影响演变具有重大影响78百年百年-千年尺度气候变化的形成机制千年尺度气候变化的形成机制海海-气相互作用气相互作用大西洋温盐环流（大西洋温盐环流（THC）变化）变化79全球温盐环流回路全球温盐环流回路80北大西洋温盐环流的变化北大西洋温盐环流的变化导致千年尺度气候变化导致千年尺度气候变化冰期冰期冰盛期冰盛期现代现代81北大西洋温盐环流的减弱或停止北大西洋温盐环流的减弱或停止导致冷的气候突变事件导致冷的气候突变事件海表温度海表温
43、度盐度盐度（新仙女木事件）（新仙女木事件）（新仙女木事件）（新仙女木事件）82为何现代气候增暖归因于人类活动？为何现代气候增暖归因于人类活动？增强的温室效应机制增强的温室效应机制数值模拟研究表明：单纯的自然变率不足以导致数值模拟研究表明：单纯的自然变率不足以导致工业化以来以全球增暖为主要特征的气候变化工业化以来以全球增暖为主要特征的气候变化气候变化的人为原因气候变化的人为原因83温室气体增加产生的气候效应温室气体增加产生的气候效应: 气候变暖气候变暖 海平面海平面升高升高 对降水量及分布的影响对降水量及分布的影响 对全球生态系统的影响对全球生态系统的影响84未来气候变化的预估未来气候变化的预估
44、（Projection)温室气体的排放情景温室气体的排放情景 ( (ScenarioScenario) )不确定性不确定性（UncertaintyUncertainty）气候突变气候突变 ( (Abrupt ChangeAbrupt Change) )858621世纪全球气温预估世纪全球气温预估（不同模式、不同排放情景，（不同模式、不同排放情景，IPCC TAR）8788由于二氧化碳在大气中能稳定存在约由于二氧化碳在大气中能稳定存在约200年，即年，即使保持当前的排放水平，也无法在短时间内使得使保持当前的排放水平，也无法在短时间内使得二氧化碳浓度达到二氧化碳浓度达到稳定稳定COCO2 2释放情
45、景释放情景释放情景释放情景大气中大气中大气中大气中COCO2 2浓度浓度浓度浓度气温的响应气温的响应气温的响应气温的响应89Land areas are projected to warm more than the oceans with the greatest warming at high latitudesAnnual mean temperature change, 2071 to 2100 relative to 1990: Global Average in 2085 = 3.1oC90全球变暖模拟的不确定性全球变暖模拟的不确定性1 1）人类活动的不确定性：能源排放、人口增长、
46、）人类活动的不确定性：能源排放、人口增长、）人类活动的不确定性：能源排放、人口增长、）人类活动的不确定性：能源排放、人口增长、土地利用等方面的发展状况；土地利用等方面的发展状况；土地利用等方面的发展状况；土地利用等方面的发展状况；2 2）人类活动排放的微量气体在辐射过程中的作）人类活动排放的微量气体在辐射过程中的作）人类活动排放的微量气体在辐射过程中的作）人类活动排放的微量气体在辐射过程中的作用的复杂性；用的复杂性；用的复杂性；用的复杂性；3 3）气候模式的不确定性。）气候模式的不确定性。）气候模式的不确定性。）气候模式的不确定性。91未来气候突变的可能性未来气候突变的可能性美国国防部秘密报告
47、：An Abrupt Climate Change Scenario and Its Implication for United States National Security（气候突变情景及其对美国国家安全的含义）电影：The Day after Tomorrow （后天）（后天）20122121世纪某个时段北大西洋温盐环流世纪某个时段北大西洋温盐环流减弱或崩溃？减弱或崩溃？92全球增暖情景下全球增暖情景下模拟的大西洋温盐环流崩溃及其气候后果模拟的大西洋温盐环流崩溃及其气候后果93 全球变暖对人类与社会发展的影响全球变暖对人类与社会发展的影响1 1）农业：产量、生长的积温分布的可能变）农
48、业：产量、生长的积温分布的可能变）农业：产量、生长的积温分布的可能变）农业：产量、生长的积温分布的可能变化、农作物耕作制度；化、农作物耕作制度；化、农作物耕作制度；化、农作物耕作制度；2 2）林业：植被（森林）分布）林业：植被（森林）分布）林业：植被（森林）分布）林业：植被（森林）分布3 3）地球生态系统）地球生态系统）地球生态系统）地球生态系统4 4）水资源：水循环、降水、径流；）水资源：水循环、降水、径流；）水资源：水循环、降水、径流；）水资源：水循环、降水、径流；5 5）海洋和海岸带：海平面、海洋环流、海）海洋和海岸带：海平面、海洋环流、海）海洋和海岸带：海平面、海洋环流、海）海洋和海岸
49、带：海平面、海洋环流、海洋生态系统；洋生态系统；洋生态系统；洋生态系统；6 6）人类健康；）人类健康；）人类健康；）人类健康；7 7）工业、运输等）工业、运输等）工业、运输等）工业、运输等948 8）气候影响的不确定性）气候影响的不确定性）气候影响的不确定性）气候影响的不确定性（1 1）未来社会与经济发展的不确定性；）未来社会与经济发展的不确定性；）未来社会与经济发展的不确定性；）未来社会与经济发展的不确定性；（2 2）未来气候变化的不确定性；）未来气候变化的不确定性；）未来气候变化的不确定性；）未来气候变化的不确定性；（3 3）气候影响模式的不确定性；）气候影响模式的不确定性；）气候影响模式
50、的不确定性；）气候影响模式的不确定性；（4 4）气候影响的局地性很强）气候影响的局地性很强）气候影响的局地性很强）气候影响的局地性很强95 全球气候变暖的应对全球气候变暖的应对1 1）能源排放与减排对策，定期给出：）能源排放与减排对策，定期给出：）能源排放与减排对策，定期给出：）能源排放与减排对策，定期给出： 国家排放清单、计算各国未来排放方案、制订减国家排放清单、计算各国未来排放方案、制订减国家排放清单、计算各国未来排放方案、制订减国家排放清单、计算各国未来排放方案、制订减排和限排方案、能源排放贸易和纳税、技术改革和排和限排方案、能源排放贸易和纳税、技术改革和排和限排方案、能源排放贸易和纳税
51、、技术改革和排和限排方案、能源排放贸易和纳税、技术改革和技术转让等。技术转让等。技术转让等。技术转让等。2 2）风险评估：人类活动与气候变化和气候影响之间）风险评估：人类活动与气候变化和气候影响之间）风险评估：人类活动与气候变化和气候影响之间）风险评估：人类活动与气候变化和气候影响之间的关系尚未研究清楚，存在很大的不确定性，需要的关系尚未研究清楚，存在很大的不确定性，需要的关系尚未研究清楚，存在很大的不确定性，需要的关系尚未研究清楚，存在很大的不确定性，需要进行对气候对策的风险评估。进行对气候对策的风险评估。进行对气候对策的风险评估。进行对气候对策的风险评估。3)3)气候变化的集成评估气候变化
52、的集成评估气候变化的集成评估气候变化的集成评估 96 气候变化与影响研究涉及的领域很多，包括能气候变化与影响研究涉及的领域很多，包括能气候变化与影响研究涉及的领域很多，包括能气候变化与影响研究涉及的领域很多，包括能源各部门、气象、环境、水利、农业、林业、交通、源各部门、气象、环境、水利、农业、林业、交通、源各部门、气象、环境、水利、农业、林业、交通、源各部门、气象、环境、水利、农业、林业、交通、医药等部门，还间接涉及到政策与策略的许多部门医药等部门，还间接涉及到政策与策略的许多部门医药等部门，还间接涉及到政策与策略的许多部门医药等部门，还间接涉及到政策与策略的许多部门以及人口、社会与经济发展的
53、各部门。建立一种集以及人口、社会与经济发展的各部门。建立一种集以及人口、社会与经济发展的各部门。建立一种集以及人口、社会与经济发展的各部门。建立一种集成模式，把与气候变化有关系的各部门和行业通过成模式，把与气候变化有关系的各部门和行业通过成模式，把与气候变化有关系的各部门和行业通过成模式，把与气候变化有关系的各部门和行业通过一个统一模式定量地联系起来。一个统一模式定量地联系起来。一个统一模式定量地联系起来。一个统一模式定量地联系起来。4 4）减排与发展）减排与发展）减排与发展）减排与发展 对策对策对策对策：发展清洁能源来代替煤、石油、天然气；：发展清洁能源来代替煤、石油、天然气；：发展清洁能源
54、来代替煤、石油、天然气；：发展清洁能源来代替煤、石油、天然气；对排放温室气体的工业如冰箱制造业和农业如水稻对排放温室气体的工业如冰箱制造业和农业如水稻对排放温室气体的工业如冰箱制造业和农业如水稻对排放温室气体的工业如冰箱制造业和农业如水稻田等方面进行技术改造；对排放的废气以及产生的田等方面进行技术改造；对排放的废气以及产生的田等方面进行技术改造；对排放的废气以及产生的田等方面进行技术改造；对排放的废气以及产生的废物和垃圾等进行有效处理等。废物和垃圾等进行有效处理等。废物和垃圾等进行有效处理等。废物和垃圾等进行有效处理等。97第第四四节节气候变化研究方法气候变化研究方法一、非器测资料一、非器测资
55、料1 1 地质沉积：冰川遗迹、湖泊沉积、深海岩地质沉积：冰川遗迹、湖泊沉积、深海岩地质沉积：冰川遗迹、湖泊沉积、深海岩地质沉积：冰川遗迹、湖泊沉积、深海岩芯、黄土沉积、极地冰芯等；芯、黄土沉积、极地冰芯等；芯、黄土沉积、极地冰芯等；芯、黄土沉积、极地冰芯等；2 2 物候及生物方法：植物胞子和花粉、树木物候及生物方法：植物胞子和花粉、树木物候及生物方法：植物胞子和花粉、树木物候及生物方法：植物胞子和花粉、树木年轮等；年轮等；年轮等；年轮等；3 3 自然地理方法：河流流量、江河水位、湖自然地理方法：河流流量、江河水位、湖自然地理方法：河流流量、江河水位、湖自然地理方法：河流流量、江河水位、湖泊结冰
56、等泊结冰等泊结冰等泊结冰等981 统计方法统计方法1 1）分析气候及气候变化事实）分析气候及气候变化事实）分析气候及气候变化事实）分析气候及气候变化事实： 单一单一单一单一时间时间时间时间序列：回归分析序列：回归分析序列：回归分析序列：回归分析（趋势）、（趋势）、（趋势）、（趋势）、SSASSA及小波分析及小波分析及小波分析及小波分析（周期）、突变（周期）、突变（周期）、突变（周期）、突变检测检测检测检测 场序列：场序列：场序列：场序列：EOFEOF（空间型）、（空间型）、（空间型）、（空间型）、REOFREOF（分区）（分区）（分区）（分区）2 2）诊断不同气候要素间的统计联系）诊断不同气候
57、要素间的统计联系）诊断不同气候要素间的统计联系）诊断不同气候要素间的统计联系： 相关分析相关分析相关分析相关分析、SVDSVD、MCAMCA、GEFAGEFA等；等；等；等；3 3）利用要素间的统计关系，进行气候预测）利用要素间的统计关系，进行气候预测）利用要素间的统计关系，进行气候预测）利用要素间的统计关系，进行气候预测： 建立建立建立建立回归统计模型；回归统计模型；回归统计模型；回归统计模型；不能不能不能不能解释气候变化或相互联系的解释气候变化或相互联系的解释气候变化或相互联系的解释气候变化或相互联系的成因成因成因成因统计预测统计预测统计预测统计预测一般对气候异常或气候突变的预测能力一般对
58、气候异常或气候突变的预测能力一般对气候异常或气候突变的预测能力一般对气候异常或气候突变的预测能力较差较差较差较差二、器测资料二、器测资料99三、数值模拟三、数值模拟1. 1. 建立在热量、动量、物质守恒基础上的数值模建立在热量、动量、物质守恒基础上的数值模建立在热量、动量、物质守恒基础上的数值模建立在热量、动量、物质守恒基础上的数值模式，对气候系统进行定量描述，研究气候要素变式，对气候系统进行定量描述，研究气候要素变式，对气候系统进行定量描述，研究气候要素变式，对气候系统进行定量描述，研究气候要素变化的物理过程及成因，进行气候敏感性研究，增化的物理过程及成因，进行气候敏感性研究，增化的物理过程
59、及成因，进行气候敏感性研究，增化的物理过程及成因，进行气候敏感性研究，增强气候变化机理的理解；强气候变化机理的理解；强气候变化机理的理解；强气候变化机理的理解；2. 2. 模式的误差：物理过程的了解不够，不能给出模式的误差：物理过程的了解不够，不能给出模式的误差：物理过程的了解不够，不能给出模式的误差：物理过程的了解不够，不能给出精确的数学描述；计算误差精确的数学描述；计算误差精确的数学描述；计算误差精确的数学描述；计算误差。3. 3. 随着计算机的发展，模式分辨率增加，对气候随着计算机的发展，模式分辨率增加，对气候随着计算机的发展，模式分辨率增加，对气候随着计算机的发展，模式分辨率增加，对气
60、候系统相互作用及各子系统物理过程的描述准确性系统相互作用及各子系统物理过程的描述准确性系统相互作用及各子系统物理过程的描述准确性系统相互作用及各子系统物理过程的描述准确性的提高，数值模式的模拟及预测水平将会越来越的提高，数值模式的模拟及预测水平将会越来越的提高，数值模式的模拟及预测水平将会越来越的提高，数值模式的模拟及预测水平将会越来越高高高高。100四、气候及气候变化或异常的研究思路四、气候及气候变化或异常的研究思路针对某一气候要素针对某一气候要素1 分析其气候特征：气候场空间分布、季分析其气候特征：气候场空间分布、季节变化；节变化；2 利用统计方法分析其气候变化特征；利用统计方法分析其气候变化特征；3 利用统计或数值模式诊断其变化成因。利用统计或数值模式诊断其变化成因。101
