全球变化2(2)

第三节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□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α,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。中高纬是以极涡为中心环绕纬圈的西风环流（冬强夏是以极涡为中心环绕纬圈的西风环流（冬强夏弱），西风带中有“冬三夏四”的平均长波槽。冬季三个长波槽：东亚大槽东亚大槽————140140°°EE北美大槽——70°W欧洲浅槽——40°E夏季四个长波槽：东亚大槽东亚大槽————116600°°~~118800°°EE北美大槽——60°W欧洲西海岸槽——0°~10°E贝加尔湖西部槽——90°E冬季中低纬有55个西风带槽：个西风带槽：东亚、北美、孟加拉湾、地中海、东太平洋中纬度低纬度低纬度为副热带高压控制（冬弱夏强，随季节南北位移）☆冬季副高弱——其范围在20°N以南☆夏季副高强——其范围在40°N以南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0～10ºS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，10ºN~10ºS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。☆季风的分布世界季风区分布：约在30°W~170°E，20°S~35°N的范围，其中以东亚和南亚的季风最显著。东亚季风范围广、强度大，冬季风强于夏季风。南亚季风（印度季风），夏季风强于冬季风。东亚—南亚季风气候特点：（1）盛行风向随季节变化很大，甚至相反；（2）季风源地不同，气团性质不同，冬季寒冷干燥，夏季炎热湿润；（3）造成的天气现象有本质的季节性差异，冬季干燥少雨，夏季湿润多雨，多暴雨；热带地区有旱季与雨季之分。冬季盛行东北季风，夏季盛行西南季风。冬夏季风期间干湿分明，夏季风期间为雨季，冬季风期间为干季。东亚季风（东亚季风区相对较复杂）南海-西太平洋一带为热带季风区，冬季盛行东北季风，夏季盛行西南季风。东亚大陆-日本一带为副热带季风区，冬季30°N以北盛行西北季风，以南盛行东北季风；夏季盛行西南季风或东南季风。夏季雨量丰富，冬季雨雪较少，干湿季没有热带季风区明显。南亚季风（热带季风）二、东亚夏季风环流系统许多学者认为：东亚夏季风是南亚夏季风向东的延伸。但据新的研究认为：东亚夏季风相对于印度夏季风是一个相对独立的季风系统。相反，东亚夏季风与南半球的印尼-北澳冬季风有密切的联系，东亚夏季风盛行时，正是印尼-北澳冬季风的盛行期。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东亚夏季风系统的成员（陶诗言，陈隆勋）澳大利亚的冷性反气旋；沿100°E以东的越赤道气流；印度的西南季风气流；赤道辐合带ITCZ；（位于南海和赤道西太平洋的季风槽）；赤道东风气流；西太平洋副高；梅雨锋；中纬度的扰动；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。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（11999966））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。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50°N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。通过大洋传送带，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20x106m3／s。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33.48J的热量，一年中由此所释放的总热量达20.9Xl021J，相当于35°N的北大西洋地区每平方厘米的大气每年可获得的海洋热（104625J），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，但不同圈层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，海洋中的水停留时间超过10年以上。受地球内力所驱动，地表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）云的增加反射更多的太阳辐射地球的行星反射率增大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、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。