全球变化1-2(2) (1).ppt

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第三章全球变化的主要过程,全球变化的主要过程,气候系统与水文循环过程固体地球系统与岩石圈循环过程生态系统与生物地球化学循环过程人类生态系统与人类活动过程,地球表面的能量收支平衡与温室效应大气和海洋环流水文循环与气候系统中的反馈过程,一、气候系统与水文循环过程,气候形成和维持的物理因素气候系统的加热率风、洋流及大尺度涡旋通过对物理量的输送达到稳定平衡,维持一定的全球热量平衡态。

当气候系统的能量平衡受到破坏,将导致气候系统状态的改变,即气候变化。

地球表面的能量收支平衡与温室效应气候系统的加热率的影响因素有三：

1）到达大气上界的太阳辐射的变化（地球轨道要素的影响）,其变化是引起影响地球能量收支平衡的外在因素。

2）地球的行星反射率,决定到达地球的太阳能有多少份额被反射回太空（云量、大气气溶胶、冰雪覆盖面积、陆地植被、地貌形态,以及海陆分布格局等）。

这些因素的改变可导致地球实际接收到的太阳辐射发生改变。

3）太阳能在地球系统中滞留的时间,与地球的温室效应相联系。

温室效应大气中各种微量气体对地表长波辐射的吸收决定了地面温度的变化。

温室气体（H20、C02、N20、CH4、氯氟烃等）对进入地球的太阳辐射影响不大,但强烈地吸收地球的长波辐射,从而在地球的表面形成一层保温层,使地球所接收的太阳能不会马上散失,而是在其返回宇宙空间之前反复地加热地球,使地球变得象温室一样温暖,即“温室效应”。

温室气体的增减会改变地球的温室效应,导致地表温度发生相应的变化。

如果没有温室气体,地表温度将较现代低32,即为-17（现在15）；如果不考虑云的反射作用,地面温度也将较现代低21。

果真如此,地球上的水将因此而停止循环,地球上的生命也将毁灭。

因此，维持温室气体的平衡是生物地球化学循环的重要环节。

大气温室气体含量取决于大气化学的控制和调控过程。

1）自然状况下大气的温室气体由生物过程和海洋过程来调节的；2）人类活动向大气排放大量的温室气体导致自然平衡受到破坏。

大气和海洋环流地面大气热机的主要热源大气从地面获得的能量是大气直接从太阳获得的能量的2.3倍。

穿过大气达地面的太阳辐射,约有80%被海洋吸收。

地面再通过长波辐射、潜热释放及感热输送的形式传输给大气。

在地面热源中,海洋的潜热占50%以上,比感热多两倍多（23:

7）。

海洋贮藏了地球所接收的太阳能并将其转化为驱动气候系统的动力。

海-气之间在气候尺度内存在着密切的、甚至是共生的耦合关系。

海洋主要通过对潜热和感热的输送推动大气运动,强烈地影响气候；大气主要通过风应力将动量送给海洋，影响海洋环流。

气候系统正是通过大气和海洋的运动实现物质和能量的传输与转化。

大气环流传输着热量和水分,水分的传输影响陆地上降水的分布、冰盖的发展以及海水的盐度。

大气环流的主要状况决定着全球的、区域的天气和气候类型及其变化。

气候的异常（如旱、涝）均与大气环流的某种持续异常有关。

全球大气环流形式（全球尺度）：

（1）平均经圈环流由赤道与极地间的能量梯度作用和地球自转的影响所产生的大气运动；

（2）沃克环流赤道地区大洋东、西两侧海水冷暖差异形成的大气纬圈环流；（3）季风环流由于海、陆分布及其物理性质的不同所产生的热力差异而导致的。

平均经圈环流主要成员包括：

东、西风带（包括急流）和准定常的槽脊等。

由于太阳直射点季节变化和海陆对此响应的差异，并末出现环绕全球的高压或低压带，而是形成若干个高压或低压中心。

这些中心不仅有季节变化，而且存在着明显的年际变化，这些年际变化成为广大地区气候变化的直接原因。

沃克环流赤道东太平洋是冷水上翻区。

形成了著名的赤道干旱带。

在日界线以东010S范围内年降水量仅500mm左右。

西太平洋从日界线往西到菲律宾是所谓“暖池”。

在西太平洋赤道附近年降水量在2000mm以上，10N10S附近两个半球的热带辐合带年降水量高达5000mm。

菲律宾以东的暖池与赤道东太平洋的冷水域之间形成强烈的温度对比。

Bjerknes首先（1969）指出这种东西向对比的重要性。

并且认为赤道太平洋上空可能存在一个纬向环流圈。

沃克环流赤道东太平洋冷水域上空大气是下沉运动，西太平洋暖池上空大气对流强烈，以上升运动为主，而地面为东风信风，高空对流层上层为西风，形成一个闭合的东西向环流圈。

沃克环流是赤道地区海-气作用的产物,并通过大气的遥相关作用影响到其它地区,在整个赤道纬圈均存在沃克环流。

季风环流季风的基本概念以一年为周期，大范围地区的盛行风随季节而有显著改变的现象，称为季风。

季风的分布,季风的成因：

（1）海陆之间的热力差异

（2）行星风系的季节性位移（3）大地形的作用如青藏高原,海洋环流海-气以复杂的非线性方式紧密联结在一起,形成敏感的耦合系统,共同承担着地球上能量的传递作用,是热量从赤道向极地传输的重要方式。

大气环流驱动大洋表层水体做相应的运动,形成表层环流。

表层水从原地被吹离,次表层水上涌补充,形成上升流；相反,在表水汇聚地区,又形成下降流。

在有上升流和下降流的地区,海表温度低于或高于其它海区,大洋两侧水温的差别导致了纬向环流的出现（如沃克环流）,海温的变异会引起厄尔尼诺与拉尼娜现象的发生,并通过海气作用导致沃克环流异常,造成大尺度的环流异常与全球气候异常。

洋流系统,Nino3.4,厄尔尼诺对全球气候的影响,热盐环流（温盐环流）由于海水在空间上温度和盐度的差异引起海水密度的变化，由此导致深层海水缓慢的运动称之。

全球大洋传输带（1996）极区因辐射冷却等因素形成寒冷、高盐、高密度的海水强烈下沉,形成底层流或深层流。

北大西洋的高盐度水以深层流的形式向南流,绕过非洲南端后,一部分向北流到印度洋,其余部分继续向东流入太平洋,在此,受温暖和入注淡水的稀释作用,海水密度降低并上升到表面,然后向西运动返回到大西洋以平衡外流的水体，构成了一个跨越大洋的海洋“传送带”。

热盐环流的重要性温盐环流和大气中的Hadley环流、Ferrel环流和极地环流一起构成了维持全球气候系统的能量平衡至关重要的经向环流体系。

热盐环流的重要性对全球气候系统而言，热带存在辐射盈余，极地存在辐射亏损，为保持整个系统的能量平衡，在低纬与高纬之间，必定存在强的经向能量输送。

过去认为：

输送作用主要通过大气过程实现。

现研究表明：

海洋的极向热输送约占海气耦合系统中极向热输送总量的50%，在北半球，它把低纬的热量输送到高纬，在50N附近（海洋西边界流最强）通过强烈的海气热交换，把大量的热量输送给大气，再由大气把能量向更高纬度输送。

海洋经向热输送强度的变化，将对全球气候产生重要影响。

通过此传送带，温暖、低盐的表层水（平均盐度比北大西洋深层水低6）被从东到西地传送到大西洋，而深层的、高盐度的冷水被从西向东传送入太平洋，由此造成的水汽交换量达20x106m3s。

由于向北流动的供给水平均温度为10，向南流动的深层水为2，每形成1cm3的深水将释放3348J的热量，一年中由此所释放的总热量达20.9Xl021J，相当于35N的北大西洋地区每平方厘米的大气每年可获得104625J的海洋热，占该地区所获得的所有热量的25。

这一数量远远超过了地球轨道要素所引起的日照率变化所产生的影响，这些热量的有无对高纬度的温度与大陆冰盖的生消有重大的影响。

鉴于大洋传送带环流的重要性，有人提出大洋环流-气候关系模式来解释第四纪冰期-间冰朗的转换机制，认为冰期-间冰期的转换是通过大洋传送带的开启与关闭来控制的，在大洋传送带开启的时期维持与现代相当的间冰期气候，当大洋传送带被关闭或严重削弱的时期转变为冰期气候。

水文循环与气候系统中的反馈过程,水分循环水是地球上唯一同时以液态、固态或气态的形式存在的物质。

全球水体积约为13.8xl08km3，其中的99以上存在于大洋和冰川，其余的水存在于江河、湖泊、井泉等水体之内、土壤的孔隙与岩石的缝隙之中、大气之中和生命体内。

水在上述相互作用的水体之间不停地相互迁移转换，构成水分循环过程。

水分循环周期水分循环过程受太阳能所驱动，一般在几年之内就可循环一次，但不同部分循环更新的速度有快有慢，通常大气中的水汽约10天循环更新一次，在海洋中的水停留时间超过10年以上。

受地球内力所驱动，地球表面的水与地球内部的水分之间的循环交换过程与板块运动过程联系，其循环周期可达数百万年。

地球表层的水分循环：

水不断的蒸发、输送、凝结、降落的往返运动过程称之。

水循环过程的意义:

水循环过程的意义不仅是水的气、液、固相之间的状态转换，更为重要是，就气候系统而言，以全球能量和水循环过程为主体的气候和水文系统的过程有机联系在一起。

虽然气候系统的最终能源来自太阳辐射,但是加热气候系统的重要过程很大程度上取决水物质的输送,能量循环是通过水循环来实现的。

水循环过程控制着地球的温度和云的形成、输送、消散，以及其与太阳辐射的关系；气候过程则通过水、热、物质和动能的输送,控制着地面（陆、海表面）和大气的相互作用，在气候系统中引起一系列重要的反馈过程。

气候系统中对气候变化影响最为重要的四个反馈过程1、水汽反馈2、云辐射反馈3、冰雪圈反馈4、海洋的反馈,1、水汽反馈（正反馈）水汽反馈是最重要的一种反馈。

大气中的水汽作为重要的温室气体有效地保持了地球表面的温度、温暖的大气会使更多的水汽从海洋和陆面上蒸发出来，较暖的大气有较高的水汽含量，从而增强大气的温室效应。

气温增高更多的水汽从海洋和陆面上蒸发大气有更多的水汽含量增强大气的温室效应气温更高。

2、云辐射反馈（正、负反馈）

（1）云的增加地球的行星反射率增大反射更多的太阳辐射减少了系统的净辐射能量,地球变冷；（负反馈）

（2）同时，云吸收来自地表的热辐射减少地面向空间损失热量地球变冷减弱。

（正反馈）,气候对云量或云的结构变化十分敏感。

云辐射的正、负反馈作用取决于云高、云的光学特性（云中水和冰的比例、云滴的大小）。

低云以反射作用为主,常导致降温；高云则以被毯效应为主,常使系统增暖。

因此云的反馈既可能是正反馈也可能是负反馈。

3、冰雪圈反馈季节性变化很大的雪盖和海冰，变化缓慢的冰川和冰原构成了气候系统的低温层。

冰雪圈过程是水循环过程的一个中间环节,它能够有效地调节地球表面的能量收支和温度平衡。

（1）冰雪的高反射率及融解成为有效的热汇,在大气热量平衡中起着冷却面的作用。

温度降低（升高）冰雪覆盖增大（减小）地表反射率增大（减小）吸收太阳辐射减少（增多）温度降低（升高）。

该反馈作用,某微小的扰动有可能被放大,并最终导致全球变化。

（2）海冰具有阻碍海-气间水汽和动量交换的作用海冰的体积变化（冰量的变化）影响海平面变化大幅度的升降,对下垫面的性质产生深刻影响。

（3）结冰过程可释放大量热量；冰川融化消耗大热量,从而减缓了地球变冷或变暖过程,从而对能量的收支和传输产生重要影响。

（4）地球上的冰雪覆盖主要分布在极地地区,冰雪过程导致的高纬地区的降温作用使赤道-极地之间的温度梯度增大,纬向西风会因此加强,季风环流可能会被削弱。

4、海洋的反馈海洋对大气运动和气候变化影响的具体表现：

影响地球大气系统的热力平衡影响全球水汽循环调谐大气运动对温室效应的缓解作用,影响地球大气系统的热力平衡海洋的热状况对大气运动的能量的供给产生重要影响海洋吸收能量的85%贮存在海洋的表层（混合层）中,被贮存热量将以潜热、长波辐射和感热交换的形式传输给大气,驱动大气的运动,控制大气温度。

因此，海洋的热状况及其表面蒸发的强度都对大气运动的能量发生重要影响。

海洋环流对大气系统的能量输送和平衡的重要作用卫星资料显示：

全球有超过30%的经向能量输送是由海洋来完成的,在中低纬,主要通过海洋环流把低纬度多余的热量向高纬输送,其中,在030N的低纬地区海洋输送的能量超过大气的输送；在中纬度的50N附近,通过海气间的强烈热交换,海洋把相对多余的热量输送给大气,再由大气环流将能量输向更高纬。

海洋输送的热量，约等于大气由赤道向极地输送的热量。

影响水汽循环海洋包容了全球液态水的97%；大气中的水汽含量只占总水量的0.001%；陆地上的