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1、厄尔尼诺与地球圈层耦合中国地质大学地球科学和资源学院刘本培2010.4.131.大气的组成、结构和大气污染2.大气的运动气团与气旋3.海水的运动洋流与海面升降4.海-气耦合与厄尔尼诺现象5.固体地球与厄尔尼诺关系大大气气圈圈是是地地球球最最外外部部的的圈圈层层，也也是是地球所有各圈层中最活泼的圈层之一。地球所有各圈层中最活泼的圈层之一。 大大气气圈圈是是在在地地球球长长期期演演化化过过程程中中逐逐渐渐产产生生的的，它它的的发发育育和和演演变变又又受受到到地地球球其其他圈层发育和演变的影响。他圈层发育和演变的影响。 大气圈是生命存在的基础之一。大大气圈是生命存在的基础之一。大气污染和全球变暖问题
2、引起普遍关注。气污染和全球变暖问题引起普遍关注。大气的组成、大气的组成、结构结构和大气污染和大气污染 三大组分三大组分与垂向结构与垂向结构 大气中存在着空气的对流运动、湍流运动和大气中存在着空气的对流运动、湍流运动和分子扩散，在约分子扩散，在约100100kmkm高度以下气体因此均匀混高度以下气体因此均匀混合而成为合而成为均匀层均匀层。此高度以上称为。此高度以上称为非均匀层非均匀层。 均匀层中的大气可以看作是由：均匀层中的大气可以看作是由： 干洁大气干洁大气 水水 汽汽 气溶胶质粒子气溶胶质粒子 三部分组成。三部分组成。大气的组成大气的组成干洁大气干洁大气l前3位合占总容量的99.9%。干洁大
3、气的分子量为28.966。在自然条件下都呈气体状态。l大气中的水汽源于海洋、湖泊、江河、沼泽、大气中的水汽源于海洋、湖泊、江河、沼泽、 潮湿地面及植物表面的蒸发或蒸腾作用。潮湿地面及植物表面的蒸发或蒸腾作用。l 含量随时间、空间和其它影响条件而变。含量随时间、空间和其它影响条件而变。 容积变化范围在容积变化范围在0-4之间。之间。l 一般在低纬地区水汽大于高纬地区，沿海大于一般在低纬地区水汽大于高纬地区，沿海大于 内陆，夏季大于冬季。内陆，夏季大于冬季。l 水汽含量沿垂直方向迅速减小：水汽含量沿垂直方向迅速减小： 在在1 1.5-2km.5-2km高度处只有地面附近的高度处只有地面附近的1 1
4、2 2， 在在5 5kmkm高度只有地面的高度只有地面的1 11010。 水水 汽汽气溶胶粒子l在相同颗粒物浓度下，北方城市实际污染程度更重。l指悬浮于空气中的液体和固体粒子（天气预报中的“可吸入颗粒物”，是衡量大气污染的重要指标之一。l地区差异：北方有较多沙尘粒子，珠三角有较多有机气溶胶。城市大气污染l19世纪工业化初期为粉尘污染时代：污染源主要是大型发电厂、水泥厂和各种工业炉窑直排的粉尘。l二氧化硫、硫酸盐污染时代：污染源主要是发电厂和工业窑炉排防的二氧化硫，在大气中发生化学作用氧化成硫酸盐颗粒物。l最近几十年为大气复合污染时代：交通源排放的尾气已超过工业排放。污染物主要是氮氧化物、挥发性
5、有机物（碳氢化合物VOC）和一氧化碳（CO）。这些气体在紫外线照射下会生成光化学烟雾，其标识物是臭氧浓度的升高，生成物称为细粒子。l欧美经历了以上3个阶段的完整过程，历时百年之久。中国则在30年内压缩性地集中出现这种污染过程。八大社会公害事件震惊世界的雾都劫难，“毒雾”持续的5天内4700多人因呼吸道病而死亡，多数是年长者。雾灾之后几个月，又有8000多人死于非命。当时英国雾中烟尘颗粒物(燃煤产生的硫化物为主)浓度是4mg/m3 。当年客居伦敦的老舍描绘为“乌黑的、浑黄的、绛紫的，以致辛辣的、呛人的”雾霾。风速表读数为零，浓雾5天不散。雾与霾l雾雾(fog)与霾与霾(smog，烟雾，烟雾)：雾
6、主要由液态气溶胶粒子（水滴）组成，霾主要由干的气溶胶粒子组成。l两者可以相互转化：当水气增多时，霾就会凝结变成雾滴；雾经太阳一晒，水滴蒸发了，干粒子还留在空气里，又还原为霾（灰蒙蒙的天空称为灰霾）。l雾是低温下饱和气块的标志,低纬度低海拔地区形成雾非常难。所以，广州99.9%的情况是霾，根本不是雾。中国气象台播发的气象预报中“北京盛夏季节30C大雾弥漫”的提法不妥，出现的肯定是霾。l如果污染物不断积累，灰霾的浓度也会越来越高，对人的健康危害也越来越大（憋气、咳嗽、头晕、乏力、恶心和坏脾气）。灰灰霾霾形形图图2005年大气质量比较巴黎北京广州澳洲lPAHs(Polycyclic aromatic
7、 hydrocarbons) l苯并a芘公认的强致癌和致突变物质。l其他几种EPA属PAHs质量浓度均比苯并a芘高，其致癌和致突变性更强。l大气颗粒物中的有机污染物主要来源于煤的不完全燃烧，汽车尾气次之。绿色奥运的大气质量l7月30日空气质量污染物指数为43，达到了“优”的级别。 l月日开始，北京采取了奥运期间临时减排措施，机动车限行是一项主要内容，使得空气质量比去年同期有了明显好转。l环境空气质量（API指数）：国际标准需监控SiO2、NO2、O3、CO、可吸入颗粒物(PM10)、细粒子颗粒物(PM2.5、PM1)、能见度；国内仅监测SiO2、NO2、可吸入颗粒物(PM10)。纽约：二十几微
8、克98年一次沙尘暴的全过程辽东半岛的沙尘暴2002年3月沙尘暴迁移兰州兰州 20022002年年3 3月月1919日日汉城汉城 20022002年年3 3月月2222日日北京北京20022002年年3 3月月2020日日北方地区出现了近十年来范围最广、强度最强、北方地区出现了近十年来范围最广、强度最强、持续时间最长、影响最大的沙尘暴过程。持续时间最长、影响最大的沙尘暴过程。强沙尘暴沙尘暴扬扬 沙沙北京全国沙尘天气分布图全国沙尘天气分布图20022002年年3 3月月1818日日1717时时3 3月月2020日日0808时时乌鲁木齐赤峰银川额济纳旗呼和浩特2006l京城下沙30多万吨沙尘暴与尘暴
9、l扬沙l风力强大l刮到公共汽车、塑所造魔鬼峡谷l扬尘与降尘沙尘暴与尘暴l沙尘暴（sandduststorm）与尘暴（duststorm）成因不同，性质各异。l治理对象应有区别:前者治理沙漠，后者应修复干凅盐湖区的生态环境。风成搬运物微观特征圆度、分选、组合结构内蒙古干凅盐湖沙尘暴入侵三路线草原退化与沙尘暴l内蒙古草原退化总计达到60%（3867万公倾）。 鄂尔多斯草原 68% 锡林郭勒草原 41% 呼伦贝尔草原 23% 以上为沙尘暴发源地l阿拉善左旗荒漠、半荒漠占96.6%。 （2000.5.30报道)l2002.3.1020中国北方出现了近十年来范围最广、强度最强、持续时间最长、影响最大的沙
10、尘暴过程。研制抗沙漠化植物l最新一期美国国家科学院学报报道：韩国庆尚大学李尚烈（音）研究小组发明一种植物生命机制，可以通过人工加强来阻止全球沙漠化。l从水芹中提取的AtDTX蛋白经过人工增强，成为一种新的“伴侣”蛋白质,将这种蛋白质重新植入植物中，可以显著提高植物耐热、耐旱的能力。lAtDTX蛋白存在于许多植物中，包括水芹、草、水稻、大麦和土豆。l过去在沙漠周围种植树木和灌木往往因不能适应严酷气候条件而死亡。l李尚烈说，利用最新发现的尝试可能在中国和蒙古进行，大规模推广可能在10年内展开。沙尘暴的正面效应沙尘暴何时开始西汉还是东汉?汉代墓葬”黄肠题凑”制式盛行于西汉时期楼兰国消亡约在晋代2.大
11、气的运动大气的运动 大气的运动既有垂直方向，也有水平方向。大气的运动既有垂直方向，也有水平方向。 前者可形成前者可形成大气环流大气环流，后者则形成，后者则形成气旋气旋和和风风。 大气的运动是在大气的运动是在气压梯度气压梯度的驱动下发生和维持的。的驱动下发生和维持的。l气旋气旋是指中心气压低是指中心气压低于四周的于四周的水平空气涡旋水平空气涡旋，也是气压系统中的低压。也是气压系统中的低压。l 北半球气旋中低压的北半球气旋中低压的水平气流呈逆时针方向向水平气流呈逆时针方向向中心辐合，南半球则相中心辐合，南半球则相反。反。l反气旋反气旋是指中心气压高是指中心气压高于四周的于四周的水平空气涡旋水平空气
12、涡旋，也是气压系统中的高压。也是气压系统中的高压。旋转方向也与气旋相反。旋转方向也与气旋相反。l气旋按其生成的地理位气旋按其生成的地理位置分为置分为热带气旋热带气旋和和温带气温带气旋旋。 气旋气旋反反气气旋旋气气旋旋热 带 气 旋 生成于热带洋面，中心气压低于外围且作水平旋转的气团。是海气耦合的复杂产物。中心区中心区大风区大风区外围区外围区台风结构台风结构飓风与台风的对比北美Texas Oklahoma飓风灾害l风速110哩/时吹起屋顶瓦片（下）。l五级飓风荡平房屋（右）。桑美台风l2006年“桑美”登陆时，福鼎市沿海风力17级，风速每秒70.8米，全市普降暴雨，17个乡镇普遍受灾，受灾人口4
13、3.5万，转移15万人口。l截至目前统计，福建省216人死亡，157人失踪(名单全部落实)；财产损失巨大，倒房4.5万多间，屋顶掀翻不计其数，渔船沉没952艘，网箱被毁7万多口。赤壁之战偶然与必然l高压反气旋中心由西往东移动赤壁地区风向发生倒转(火烧赤壁)l暖湿空气流经较冷地面时形成大雾(草船借箭)l瘟疫对双方军队都有威胁l曹操南征并未得到当地人民支持(易中天承认“具侵略性”）l横槊赋诗、自大轻敌是根本原因月明星稀，乌雀南飞，绕树三匝，无枝可依。4.海海- -气耦合与厄尔尼诺现象气耦合与厄尔尼诺现象海-气相互作用l指海洋与大气密切相接、互相影响、互相制约、交替耦合、彼此适应的作用。l辽阔深邃的
14、海洋具有最大的热容量，海洋是地球上太阳辐射能的巨大储存器和地球温度的调节器。l地球上97.31%水存在于海洋中，海洋是地球、大气中水分的总源地。l气流吹动海水形成洋流、风浪、海潮；云能减弱海面太阳辐射，影响海面增温，进而影响海水的稳定度；大气降水会影响海水含盐度；气温直接影响海冰；气压高低会影响海水内CO2、O2的溶解度，进而影响海洋生物的光合和呼吸作用。海水的反照力最低厄尔尼诺-拉尼娜命名l厄尔尼诺（西班牙文El Nino）原意为“圣婴”表示圣诞节前后沿厄瓜多尔海岸出现一支微弱且向南移动的暖洋流。l现在用来表示：在南美秘鲁、厄瓜多尔附近尺度为几千km的赤道东太平洋上的异常增温现象。l拉尼娜（
15、LaNina）原意为“圣女”，也称为“反厄尔尼诺”，代表厄尔尼诺现象之后出现赤道东太平洋上温度异常变冷，西太平洋沿岸暴雨成灾的现象。世纪圣婴l1997年3月东太平洋赤道附近海水增温，超过常年达6C之多，至11月大洋平均水温仍较常年高3.3C，造成东西长愈一万km，南北宽两千km的海水增温区。l这次在20世纪中规模最大、强度最高、持续时间最久的厄尔尼诺现象（世纪圣婴）诱发了囊括全球3/4（包括中纬度甚至高纬度）地区的多种气候灾害。1997/98年度为近百年最强的一次(世纪圣婴）世人谈虎色变Here comes El Nino!中国也深受其害l1997年夏，江南暴雨成灾，北方则苦旱无雨。l1998
16、年夏，长江、松花江和嫩江出现严重洪涝灾害，估计损失3000亿元。卫星连续监测红白色正距平；蓝紫色负距平复活节岛复活节岛（与与温温度度距距平平正正相相关关）正常年冷海水上涌暖海水暖海水高海面高海面赤道南侧东南信风盛行赤道南侧东南信风盛行南美南美西部西部干旱干旱少雨少雨东南东南亚亚潮湿潮湿多雨多雨热热源源沃克环流冷冷源源南南厄尔尼诺南美西部多雨洪水成灾暖洋流高海面浮游生物、鱼类和鸟类大量死亡东南亚上升气流减弱气候干旱赤道逆流增强赤道逆流增强减弱热热源源西风出现每隔每隔3 - 4年年 ( 最短最短2年、最长年、最长7年），东南信风突然减弱，东太平洋冷水上年），东南信风突然减弱，东太平洋冷水上气流反转
17、厄尔尼诺事件研究厄尔尼诺拉尼娜事件王绍武等（1992）研究了过去518年（14711987）的厄尔尼诺事件，共出现了100次，总发生频率为19.3%。厄尔尼诺发生频率可能有长期变化，如以每10年发生01次为少发期，3次为多发期，则两者之间的时距平均都是70年。一次强厄尔尼诺事件后，不一定会紧跟一次拉尼娜事件。08雪灾冷、暖水团的成因？l巢纪平（1998）据赤道太平洋地区海水表层、次表层的水温资料分析1997/1998年厄尔尼诺与拉尼娜现象，发现厄尔尼诺暖水团与拉尼娜冷水团先在西太平洋暖池次表层150米深度的温跃层中形成，在洋面毫无反映。l这种现象无法用海气耦合的热量平衡机制予以解释。l必然涉及
18、是否与地球其他圈层之间也存在能量交换的深层次探讨。5.固体地球固体地球与厄尔尼诺关系与厄尔尼诺关系海洋水温西太平洋暖池西太平洋暖池与火山、地震带西太平洋暖池西太平洋暖池正处洋壳板块正处洋壳板块三联点附近三联点附近科学家之间的不同认识l气象学家：气象学家：在研究厄尔尼诺现象方面处于主流地位。强调现有的海气耦合理论、实时卫星监测手段、现有的解释模式和计算公式有效。l地质学家：地质学家： 杜乐天（1996）提出厄尔尼诺可能与西太平洋洋脊三联点附近的地幔流体大规模放气作用有关。l地理学家：地理学家：觉得地质学家提出的思路有理。但目前限于人类对地监测手段有限（在海面下安置的监测设备数量很少，高空卫星无法
19、及时了解水下动态），尚需在今后改进。天文学家讨论形成机理叶叔华：人类对地球的新认识，叶叔华：人类对地球的新认识，科学，科学，19991999，5151（1 1）l在太平洋西部有一个叫暖池的地方，地幔对流非常显著，地幔的温度比地面高得多，由于那里存在一个大裂缝，地幔的热气通过裂缝而散发出来，影响了海水的温度。这可能是形成原因之一。l也可能是地球自转速度变化而引起，当自转加快时，地球内部物质向赤道集中，造成了此处能量的富集，影响了海水温度。l很可能是源于固体地球、海洋和大气的相互作用，这将是21世纪人类需要解决的难题之一。1972731965198283197677199194198687El N
20、ino与地震l代表地震次数8次；l代表地震释放能量0.91013lElNino出现7次,最短1年(1977),最长4年(9194),间隔最短2年,最长6年;lElNino与异常地震活动(次数8次)共生4次,与地震释放能量0.91013共生5次;l最长4年ElNino期间,未发生超出平均值的地震活动。l6/7 ElNino事件前后或其中与地震增强共生。空间交替l19992001：伊朗、西藏、苏门答腊、巴布新几内亚到中美洲萨尔瓦多发生8次强震(M7.8级),警觉到存在环赤道圆环带。l据此重新研究证明存在证明存在“奇奇”、“偶偶”地震幕交替活动地震幕交替活动共生机理探讨l如果上述ElNino信号与地
21、震丛(全球地震2年左右远距离集中发生现象)活动确有优势共生因缘，其共生机理分析可有三种推想：l洋脊脉动式张裂引起地震、地热和天然气上涌，海水升温5（单方面以地壳张裂为主因的机制）；l赤道风驱动热洋流向东聚集在南美西侧洋脊北区，引起海水的减压，诱导了地壳的微拱张和地震（海水减压动力模式）；l上述两种推论的协同模式（共同发展或一主一次）。l总之是要寻求固、液、气三个“基素”的耦合点。希望从一些全球现今可见的现象探索全球整体的基本动力源及其作用方式的过程，浅见在所难免，。思考题l1.大气污染的成因和监测标准？l2.北京的绿色奥运目标、现实差距和解决措施？l3.试从反气旋理论分析火烧赤壁、草船借箭的可
22、能气候背景。l4.何谓厄尔尼诺和拉尼娜现象?它们的识别标志是什麽?对人类造成那些气候灾害?l5.怎样从海-气相互关系角度探讨厄尔尼诺的形成机制?为什麽说固体地球的自身运动也参与了厄尔尼诺现象的形成过程?参考文献l刘本培、蔡运龙，地球科学导论。第六、七章(选读基本概念部分)第七章3.4节,196199页(精读)。l叶叔华：人类对地球的新认识。上海：科学，1999，51（1）。l马宗晋、高祥林、杜品仁，全球表层系统研究的思考。地学前缘，2006，13（6）：96101。l陈曦、王成善、黄永建，古新世始新世极热事件与地球系统的自我调节：Gaia理论的应用。地学前缘，2006，13（6）：171176。
