1、气候变化及其影响第四章 气候变化及其影响4.1概述一、问题的重要性1、气候是变化的。地球形成至今大约经历了46亿年，在这46亿年里，气候始终处于不断的变化当中，冷暖交替。干时变换，时地球气候演变的基本特点。2、气候变化的影响气候变化的空间尺度有全球性 的，也有局域性的。其变化对人类的进化和发展，生物、海洋、地质等都有重要的影响，并且也受到这些过程的反馈。气候变化的研究涉及了气象学、生物学、考古学、地质学、地理学、天文学、水文学、海洋学以及人类进化和发展史等学多学科，而研究气候变化又用到了物理学、化学、生物学、数学等学科。所以可见，气候变化的研究是多么复杂。二、气候变化的时间尺度1、时间尺度：气
2、候变化的时间尺度有长达数百万年，甚至数千万年的冰期和间冰期循环，也有几十万年、万年、千年、百年、几十年甚至几年的气候变化。现在世界上气候学家公认的气候变化时间有以下几种：（1）106108年：大冰期气候、大间冰期气候（2）105年：亚冰期与亚间冰期气候（3）104年：副冰期、副间冰期气候（4）102103年：寒冷期与温暖期气候（5）100101年：世纪及世纪内气候变化（包括年代际、年际尺度的变化）2、气候史分级根据时间尺度和研究方法，地球气候史可分为三个阶段：（1）地质历史时期气候变化：1地质历史时期的气候变化主要指距今22亿年（其中了解较多的是6亿年以来）1万年的气候变化。2其气候特点：a、
3、冰期与间冰期交替出现b、气候变化时间尺度在10万年以上c、温度振幅为1015C。（2）历史时期的气候变化1时间：一般指距今1万年左右以来的气候变化2气温变化：气温变化振幅一般为510C（3）近代气候变化主要描述一、二百年以来有气象记录时期的气候变化4.2地质历史时期的气候变化一、地球年龄的计算方法研究过去的气候，需要一个时间的概念，地质上计算地球年龄的方法有两种，一种为同位素年龄，即绝对年龄，另一种为相对地质年代。（1）同位素年龄：以年或百万年为单位，表示的是矿物和岩石形成到现在的确切年龄。目前世界上已知的最古老的岩石发现于格陵兰，距今约38亿年，由此推算可知地球的年龄约为46亿年。（2）相对
4、地质年代1定义：是将地质历史划分为一些自然阶段来表示地质事件发生和岩石形成的先后顺序，其年代根据地层和古生物确定。2划分：根据生物演化阶段和地层顺序可以把地质历史划分为若干大小不同的时间单位，称地质时代单位，这些单位有大到小依次为：宙、代、纪、世，在这些单位内形成的地层称地层单位，相应的为宇、界、系、统一一对应。宙（宇）、代（界）、纪（系）、世（统）是国际上运用的名称 和时代（地层）划分单位。3地质年代表（书725页）二、地质历史时期的古气候变迁1、时间范围对古气候变迁史人们认识较为充分的主要是距今约6亿年以来的变化，二前40亿年，由于地质证据不足，或因冰川活动范围有限，没有留下或还没有发现大
5、范围的冰川地层的存在，故仍在探索阶段。2、气候变化特点1地质时期世界古气候变迁的基本特征是温暖大间冰期与非常寒冷的大冰期的反复交替出现。2在大冰期内，大陆覆盖大面积的冰盖和山地冰川，气温和雪线同时下降。在大间冰内气候变暖，冰川消融退缩，冰盖仅局限于南极和格陵兰，气温和雪线同时上升。3大冰期和大间冰期中纬度气温变化可达10C以上。3、大冰期大间冰期的划分目前，公认的全球至今已出现过了3次大冰期和2次大间冰期（也有人认为10亿年来经历了6次大冰期，分别出现在9.7亿、7.6亿、6.7亿、4.3亿、2.7亿和150万年）。（1）第一次大冰期：1时段：距今约6亿年，称为震旦纪大冰期2分布：这次冰期保留
6、下来的冰碛层发现于除南极洲以外的全部大陆，在中国的新疆、西南、南方和中部，印度、前苏联的亚洲部分，欧洲的挪威、苏格兰、格陵兰、法国，北美的大湖区，非洲的中部和南部，澳大利亚的中南部等地区都有发现。表明这期冰川的活动具有全球性，是一次是是金额规模的大冰期，范围广，历时长。3气候特点：主要特点是气候寒冷，但也有不同类型的气候存在，如我国目前的黄河以北地区，在当时是温暖、干燥的气候。（2）第一次大间冰期1时段：距今36亿年，历时3.3亿年，称寒武纪石炭纪大间冰期。共经历了寒武纪奥陶纪、志留纪、泥盆纪和石炭纪5各地质时期。2气候变化特点A总体特点：气候显著变暖，冰川后退，雪线升高。B分段特点：a、寒武
7、纪志留纪：气候变暖，干湿气候带分布明显；欧洲有三个迥然不同的气候带，中国北部为干燥气候带。b、志留纪后期泥盆纪前期：气候又有变冷趋势，旦影响范围不大，持续时间也不长，主要出现于阿拉斯加，加拿大东部和非洲南部地区。c、泥盆纪中期：气候迅速回暖。d、泥盆纪后期：中国气候有明显分区，昆仑山以南经阿尔金山到云南东部，有一明显的干燥带。而辽东半岛、太行山西坡和西南坡、四川南部、贵州北部和西北部为湿润区。e、石炭纪：气候为典型的暖和湿润气候。全球均出现海洋性气候特点，森林广布，这一时期是地质历史上最重要的成煤期。当时的树木缺少年轮，表明当时树木终年生长，没有明显的冷暖、干湿的季节区别。（3）第二次大冰期1
8、时段：距今23亿年，始于石炭纪末期，止于二迭纪中期，称为石炭二迭纪大冰期。2分布：主要分布于南半球，北半球除印度外，尚未发现这次大冰期遗迹。3气候特点：寒冷为其基本特点，但气候的分带性明显，中国西部、西伯利亚、北欧和北美地区为干燥带。干燥带外围为温暖的湿润气候带。干燥带的南面，包括中国南部、中南半岛、马来半岛南部和欧洲南部为潮湿炎热的气候带。（4）第二次大间冰期1时段：距今2亿年200万年，历时2.2亿年，包括整个中生代的三迭纪、侏罗纪、白垩纪直到新生代的第三纪。称三迭纪第三纪大间冰期。2气候特点A总体特点：温暖而湿润B分段气候特点：a、三迭纪：中国、欧洲、北美红色和紫色的地层很普遍，表明当时
9、气候炎热氧化作用强。地层中常含有石膏河食盐层，说明气候干燥。b、侏罗纪：中国地层普遍分布有煤、粘土、耐火粘土等，表明为湿热气候；侏罗纪中期，中国气候可分为南方热带和北方温带；侏罗纪后期，欧亚大陆干燥气候带再次出现。c、白垩纪：是干燥气候继续发展时期，帕米尔，昆仑山、费尔干和西部塔吉克已具有沙漠和半沙漠性质，并向西南伸入阿拉伯沙漠。我国也现一条干燥带，西起新疆碦什噶尔河，经天博克达山区向东南延伸到阿尔金山区，再经甘肃向东南直到江西南部。d、新生代的早第三纪：世界气候更均匀地变暖。e、第三纪：东亚大陆气候趋于湿润（5）第三次大冰期时段：200万年至今，称第四纪大冰期，什距今最近的一次大冰期，有理由
10、认为我们现在还处于第四纪大冰期期间，下面将专门介绍。4、大冰期大间冰期气候变化的总体特征（1）大冰期气候寒冷，大间冰期温暖，甚至炎热。（2）大冰期持续时间较短，一般约为千万年；大间冰期持续时间较长，一般为23亿年。（3）大冰期内和大间冰期内，气候也是变化的；即大冰期的寒冷气候中也有一些时段或地区气候相对较暖；大间冰期的温热气候中也有一些时段或地区气候相对较冷。三、第四纪古气候变迁1、意义第四纪什地质史上最新的一个时间单位，这一时期是人类社会出现和发展的时期。研究第四纪气候的变化历史及其规律有着非常重要的作用。研究古气候及其变化的意义：为了将古论今，然后将今而知未来。如何将古论今：先从现在气候变
11、化探讨古气候的变化，再由古气候的变化探讨其变化规律和演变机制，从而可以作出未来气候的预测。2、第四纪气候的基本特征（1）全球特点：第四纪气候以全球性变冷为最突出的特征，同时又有多次冷暖、干湿波动，表现为冰川作用的盛衰和气候带的移动，即冰期和间冰期的更替。1冰期时，温度普遍降低，相对湿度增大，其中以中高纬度降低增大；降雪量增加，冰川不断发展扩大，形成大陆冰盖；气候带向低纬方向移动；在山区则形成山岳冰川，并向山麓地带扩张。2间冰期时，全球气候回升；降雪量减少降雨量增加；冰川消融，当消融超过积累时，冰川大规模后退。首先从中纬地区开始逐渐向高纬退缩，冰盖缩小，最终甚至消失，广大地面重新出露，气候温暖湿
12、润，生物繁茂，气候带相应地向高纬和高海拔地带移动。（2）中低纬非冰川区特点：当某些中高纬度及高山地区出现冰川的增长与消融交替时，在非冰川地区的冰期和间冰期在中低纬度地区表现为多雨期和间冰期，多雨期时，雨量充沛，湖泊水位上升，湖面扩大，气候温凉潮湿；间冰期，雨量减少，湖泊水位下降，湖面缩小，气候干燥炎热。（3）区域差异：冰期时，个大陆气候条件及冰川规模并不相同，如欧洲和北美，温度低，湿度大，有利用于冰川形成和发展；亚洲北部，气温虽然很低，但湿度小，不利于冰川形成和发展。中纬度大陆内部，形成大面积的沙漠和黄土。间冰期时各地同样存在差异。（4）不同阶段特点： 1冰期发展的各阶段，气候也各不相同a、初
13、期，温度下降，相对湿度增高，出现湿冷气候，冰川急速发育。b、最盛期，温度继续下降，湿度相应减小，降水量随之减少。c、冰期末期，温度逐渐升高，冰川开始消融，相对湿度很低，出现干凉或干温气候。2间冰期气候也有阶段性a、初期，温度回升，但仍较低，相对湿度低，降水也少，气候干冷。b、盛期时，温度高，湿度大，降水多，为典型的温暖湿润的间冰期气候。c、末期则为湿凉气候。3、冰期间冰期气候变迁研究表明第四纪开始以来，有多次冰期间冰期的循环。综合起来基本有以下几次：（1）距今240万年的气候变冷事件，全球变冷变干显著，我国北方黄土开始堆积，南非、东非由森林转化为草原。（2）距今180万年，称气候适宜期，气候温
14、暖。（3）距今115万年，极干冷期，证据：黄土沉积、粉尘颗粒最大。（4）距今80万年前的干冷期，干冷持续时间长。（5）距今60万年前后和距今45万年前后的极干冷期，是140万年以来最干冷的时期。（6）距今17万年前后的极干冷期，中国西部冰川规模比末次冰期还大，黄河源形成小冰盖。（7）距今12万年的气候最适宜期，是今100万年以来最暖的时期。（8）1万年以来，即全新世气候适宜期。4、晚更新世气候变迁（1）时段1总时段：晚更新世始于最近的一个间冰期的开始期，一般认为是140KaB.P.左右，由于最近一个冰期的结束，约在10 KaB.P.时，然后进入全新世。晚更新世是第四纪以来最近的一个完整的冰期间
15、冰期的气候波动。2间冰期时段气候：晚更新世间冰期约从130 KaB.P.到74 KaB.P.这是晚更新世最湿的阶段。我国西比地区植被状况较好，以针、阔叶林为主。3冰期气候：晚更新世冰期是距今最近的一次冰期，又称末次冰期。约从74 KaB.P.到10 KaB.P.随即进入全新世。末次冰期气候非常干冷。（2）黄土古土壤证据晚更新世以来黄土区经历了5个不同的气候事件，分别是：1147.5万年，晚更新世早期的温湿期27.55万年，晚更新世后期早段的干冷期352.5万年，晚更新世后期中段的凉湿时期42.51万年，晚更新世后期晚段的干冷时期51万年以来，全新世的温湿期5、全新世气候变迁（1）时段：全新世是
16、最近的一个地质时代，一班认为约从1万年以前至今。全新世可分为三个阶段：早全新世、中全新世和晚全新世。分别以一次显著的高温事件为界，这两次事件分别出现在8.48.5 KaB.P.和3.02.9 KaB.P.。（2）早全新世（10 KaB.P.8.4 KaB.P.）这是全新世三个阶段中最干冷的时期。（3）中全新世（8.4 KaB.P.3.0 KaB.P.）中全新世是暖湿时期，特别地中全新世前半期是全新世最暖湿的阶段，也称为气候最适宜期，季风区向北扩展，西北、华北变暖、变湿明显，当时气温比现在高2.5C左右，降水比现在多5。（4）晚全新世（3.0 KaB.P. 至今）晚全新世气候冷干，干燥现象明显。
17、（5）全新世期间，气候也存在多次冷暖事件，如我国西北地区就大约经历了6次冷气和6次暖期。4.3 历史时期的气候变迁一、历史时期全球气候变迁1、时段：历史时期的气候变迁，通常是指第四纪大冰期中大理（武木）亚冰期的最近一次副冰期结束以来的1万年左右的所谓“冰后期”的气候变化特征。2、历史时期全球气候变迁根据挪威雪线的升降，可以把冰后期近万年来的全球气候划分为四次比较寒冷的时期（可比拟为冰期）和三次相对温暖的时期：（1）冷期第一次寒冷期：距今89千年，其中主要寒冷期在公元前6.3千年左右，湿大理（武木）亚冰期最近一次副冰期的残余阶段。第二次寒冷期：公元前51.5千年，主要寒冷期在公元前3.4千年前后
18、。第三次寒冷期：公元前1000年公元前100年6主要寒冷期在公元前830年左右。第四此寒冷期：公元1550年1900年，主要寒冷期在1725年前后，在欧洲称为现代小冰期。（2）暖期第一次暖期：距今7000年左右第二次暖期：距今4000你左右由于二者之间的第二次寒冷期降温幅度较小，这两次温暖期又往往合并称为气候最适宜期。第三次暖期：公元9001300年,称第二次气候适宜期。二、中国东部历史时期的气候变迁1、时段：主要指近5000年来的气候变迁2、东部气候变迁：竺可桢（最早知道的气候学家，为广大群众所熟知，家喻户晓）根据大量的中国丰富的历史文献、物候记录、考古和气象观测资料，对中国近5000年来的
19、气候变化做了研究建立了近5000年来我国主要是东部地区气候变化的温度变化曲线，据此曲线可将近5000年来我国东部气候划分为四次温暖期和四次寒冷期。近些年来的研究只是补充和验证了竺可桢的结果：第一次温暖期：公元前30001000年左右，即从西安半坡村仰韶文化到河南安阳殷墟时代，年均气温比现在高2C左右，1月温度比现在高3-5C,年降水量比现在多200mm，是我国5000年来最温暖的时期。第一次寒冷期：公元前1000年公元前850年，西周时代群婚寒冷干燥。第二次温暖期：公元前770年公元初的秦汉时代，气候温暖湿润。第二次寒冷期：公元初公元600年，东汉、三国到六朝时代，年均气温比现在低12C。第三
20、次温暖期：公元6001000年，隋唐至宋朝初期，比较温暖。第三次寒冷期：公元10001200年，南宋时代，比现在寒冷得多。第四此温暖期：公元12001300年，元朝初期，短时回暖。第四此寒冷期：公元14001900年，明清时期，寒冷期。3、总体特征1我国东部地区近5000年来的气候呈波动变化的趋势最初2000年气温比现在高2C，是5000年来最温暖时期。2此后冷暖交替出现，最低温度分别出现于公元前1000年、公元400年、公元1200年和公元1700年，气温振幅为12C。3气候变化具有温暖期越来越短，温暖程度越来越低，而寒冷期越来越长，寒冷程度越来越强的特征。三、西北干旱区近3000年来的气候
21、变化西北地区近3000年来气候变化大体上可分为四个时期：1新冰期：公元前1000公元6世纪2小温暖期：711世纪3现代小冰期：1219世纪4近代变暖期：20世纪至今四、青藏高原据树木年轮、历史文献和考古、地质资料，可将青藏高原地区历史时期气候变化划分为四个时期：1新冰川期：公元前1000年公元5世纪，气候严寒，有几次大规模冰进2温暖期：612世纪，比现在温暖湿润3现代小冰期：12世纪末19世纪前期，尤其17世纪中期偏冷，年均气温比现在低1C左右4最近的升温期：19世纪中期至今，温度偏高，降水在19世纪末20世纪初偏多，后偏少。4.4 近代气候变化一、时段：近代气候变化主要指有仪器观测的近百年来
22、的气候变化。世界上最早有气候观测记录的是佛罗仑萨（1652年），其它象伦敦（1668年）、巴黎（1752年）等，我国有气象观测台站时间较晚，1900年以前只有北京、上海、天津、香港等少数地区有记录。1949年以后才广泛建立观测网。由于这一时期资料丰富，可信度高，因此有关这一时期气候变化的文献也是浩如烟海，要从如此多的资料中查找有用的并将之总结归纳，是一件十分困难的事情。这也是信息时代人们面临的一个重大问题海量信息的分析处理。二、世界气候变化特征1、气温变化（冷暖变化）1从19世纪中叶到现在，全球气候在波动中缓慢增暖，这种增暖现象在北极地区最为突出。南半球受海洋的影响较多，气温的波动幅度比北半球
23、小，但总的增温趋势也很明显。近百年来全球平均气温约升高了0.5C。2这种增暖现象并不是平稳的，是一种波动升温的过程。比如40年代升温现象明显，此后，全球气温又有所降低，60年代以后，北半球高纬地区降温明显。70年代以后，气候又明显回暖。升温最快的是80年代以后。2、降水变化（干湿变化）总体而言，纬向环流强盛时，高纬地区降水增加，低纬地区减少，中纬度地带大陆西岸降水增多，东岸降水减少；纬向环流减弱期，中纬度减少增加，高纬度降水减少，中纬度大陆东岸降水增加，西岸降水减少。三、中国近代气候变化1、气温变化1近百年来我国气温的变化与北半球气温变化基本一致。2前期增暖，40年代变冷，到60年代中期以后又
24、回暖。3一般升温幅度随纬度的增高而加强。4冬秋季（冬半年）升温幅度较大，且是全国性的；夏季一般降温或升温幅度较小。总体趋势为向冬暖夏凉发展，但也有区域差异。2、降水变化120世纪我国降水总趋势大致从19、19世纪的较温润时期转向较干燥的过渡时期。2近百年来，降水减少的总趋势中也有波动，一般50年代多雨，60年代至80年代持续少雨。（90年代后期至今，西北干旱区降水有所增加，施雅风等指出西北干旱区气候向温湿气候转型的概念，受到了国务院的重视）。3降水量变化的区域差异较大近40年来，多数地区降水减少，而华北地区减少最多。其次是山东和内蒙古地区。新疆、渭河汉水流域、华南及东北北部降水有所增加，特别是
25、南疆增加最多。4.5 未来可能的气候变化一、温室气体的可能变化1、温室气体成分：温室气体主要包括CO2、CH4、N2O以及完全由人类早就的CFCs等。2、可能变化：据IPCC（政府间气候变化专门委员会）1990年提出的一个报告，对未来温室气体变化作了四种情况的预测：1维持现行的能源结构，继续无限制地砍伐森林，只有少部分国家履行关于限制CFCs生产的蒙特利尔协议，在这种情况下，大气CO2相对浓度在2025年前后将超过工业革命前的2倍，2050年前后超过现在两倍a、CO2将从现在的350ppm，到2050年变为550ppm，到2100年变为800ppm以上b、CH4将从现在的1700ppb，到20
26、50年变为3300ppb，2100年变为4000ppb c、CFC11将从现在的250ppt，到2050年变为550ppt，到2100年变为600ppt2以低碳燃料代替煤，禁止砍伐森林，所有国家履行蒙特利尔协议。3比进一步，在21世纪后半叶转用可再生能源和核能，CFCs停止生产，农业排放（CH4和N2O）受到限制。4比更进一步，在21世纪初迅速实现方案。这样可以大大降低温室气体年度的增加速度。二、全球未来可能的气候变化IPCC综合了世界上最好的数值模拟观测结果，指出了如下的结论：1、在温室气体生产排放的方案下，全球气温将以每10年0.3C（不确定范围为0.20.5C）的平均增长水平升高。从而预
27、计到2025年全球气温比现在高1C左右；到21世纪末比现在高3C左右。 若按三种方案，全球增温率分别约为每10年0.2C（），0.1C（）偏上和0.1C左右（）。2、一般而言，北半球高纬度冬季增温比全球平均大。大陆增温比海洋大；冬季中高纬度大陆降水将增加。三、我国未来可能的气候变化1、方法：我国未来可能气候变化的预测结果是根据气象要素（如气温、降水等）的时间序列，分析其变化周期然后外推得到的,而其它发达国家都用数值模拟的方法，表明我国气候变化研究手段的落后,美国等发达国家要从事气象行业,起码是硕士生,我国目前达不到这种水平,本科生在气象局还是主力军,但最多再过20年,也就是大家40虽左右的时候
28、,本科生恐怕在气象部门就要比较尴尬,所以大家最好上研究生.现在国家大力扩招研究生,有人预测再过3-5年,研究生的毕业分配就要出现问题,那么本科生还有多大的市场竞争力?2、结果1根据外推结果,我国大部分地区20世纪90年代偏暖,20102030年将出现一个偏冷期,2040年后又回暖. 2火山活动有70年的周期,这一因素将一定程度上一直气温上述变化的幅度.3而温室气体的加强的温室效应又将加强气温的增暖现象.4.6 气候变化中的一些有趣现象一、遥相关1、定义，研究发现，世界上一些距离很远的地区之间的气候变化存在明显的同时相关现象，即一个地区气候变化时，另一个地区的气候也同时发生相应的变化。这种现象一
29、般称为遥相关。2、遥相关型（1）北半球冬季1太平洋北美型（PNA）：指太平洋副高加强，阿留申低压加深，北美北部脊加强，美国东部槽加深的现象，可造成美国冬季严寒天气。2西大西洋型（WA）：指大西洋副高弱，冰岛低压弱的现象。3东大西洋型（EA）：指北大西洋上空高压强，大西洋副高与西欧上空低压强的现象。4欧亚型（EU）：指西欧上空高压脊加强，则西伯利亚上空槽加深，我国东北、日本一带高度场出现正距平异常的现象。5西太平洋型（WP）：指阿留申低压强，西太平洋副热带高压强的现象。（2）北半球夏季1青藏高原与北半球高度场：指青藏高压加强，我国北方、蒙古一带低压强的现象。可导致我国北方、日本北部产生冷夏；同时
30、鄂霍茨克海上空高压脊加强，阿拉斯加地区槽加强，北美东北部高压脊加强。2东亚大气环流及旱涝与菲律宾周围对流活动的遥相关。对流强时，西太副高强且位于日本及江淮流域上空；我国东部及日本本州高温少雨。3东亚旱涝雨ENSO事件各阶段以赤道东太平洋海洋的关系a、ENSO发展阶段：江淮流域降水与赤道东太平洋海温呈正相关。b、ENSO衰减阶段：江淮流域降水与前冬赤道东太平洋海温呈负相关，黄河流域、华北及华南、江南地区呈正相关。一、QBO（准两年振荡）1、定义：热带平流层大气中有一大气振荡现象，其主要表现于纬向风场和温度场，这种振荡的周期是不规则的，一般略长于两年，称为准两年振荡（QBO）。比如今年热带平流层为
31、西风（或高温），约两年后，热带平流层就变成东风（或低温），这种纬向风场（或气温场）的循环变化就是QBO。2、形成原因：很可能是大气自身的波动与平均流场相互作用的大尺度内部振荡形成。3、作用QBO可能是联系太阳活动与气候变化的一个重要媒介。一直以来人们都认为太阳活动与气候变化之间应该有密切的关系，而且关于这一问题的研究也进行了许多许多，但一直以来都缺乏一种物理机制来解释太阳能量变化的弱信号是如何影响大气下层气候变化的，也就是太阳活动一些气候变化的机制无法解释。QBO这种现象可能会对这一问题的解释提供一种重要的思路。比如研究表明：太阳活动（或太阳黑子）与30hpa层（平流层）的冬季气温没有很好的直接相关关系；但如果根据QBO的西风或东风位相来划分一下层次，则30hpa层温度与太阳活动（或太阳黑子）之间就有强烈的相关。即太阳活动可以通过先一些平流层（如30hpa）的纬向风场（东风或西风QBO循环）或温度场（高温或低温），然后
