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第 4 讲 地球气候的演变与 近百年气候变化

第 4 讲 地球气候的演变与 近百年气候变化. 目 录. 1 、 地质年代的气候变化的特征与主要驱动力 2 、人类活动影响现代全球气候的证据 3 、不同时间尺度地球气候演变的比较. 地球的气候不断地在变化着，但 地质年代的气候变化总体上在时间上是缓慢的，而现代气候变化是快速的， 它比地质年代的气候变化速率一般要快 1 千到 1 万倍。这种变化速度是空前的，并且二氧化碳与温度变化总是以相同的趋势在演变。二氧化碳是气候变化的一个关键驱动力。

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第 4 讲 地球气候的演变与 近百年气候变化

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Presentation Transcript

  1. 第4讲 地球气候的演变与近百年气候变化

  2. 目 录 1、地质年代的气候变化的特征与主要驱动力 2、人类活动影响现代全球气候的证据 3、不同时间尺度地球气候演变的比较

  3. 地球的气候不断地在变化着，但地质年代的气候变化总体上在时间上是缓慢的，而现代气候变化是快速的，它比地质年代的气候变化速率一般要快1千到1万倍。这种变化速度是空前的，并且二氧化碳与温度变化总是以相同的趋势在演变。二氧化碳是气候变化的一个关键驱动力。地球的气候不断地在变化着，但地质年代的气候变化总体上在时间上是缓慢的，而现代气候变化是快速的，它比地质年代的气候变化速率一般要快1千到1万倍。这种变化速度是空前的，并且二氧化碳与温度变化总是以相同的趋势在演变。二氧化碳是气候变化的一个关键驱动力。 近百年的现代气候变化是由自然的气候波动与人类活动共同造成，而近50年的全球变暖主要是由人类活动造成。有三个证据可以支持这个结论。这种科学的共识导致了国际上政治层面的重大决策，即制定了联合国气候变化框架公约与京都议定书。

  4. 1、地质年代的气候变化的特征与主要驱动力

  5. 4亿年来大陆冰期的CO2的变化 地质年代气候的变化 7000万年以来深海18O同位素记录（温度） 6500万年以来CO2的详细演变 IPCC,2007

  6. 新生代（6500万年-现在）

  7. 新生代（6500万年-现在）Cenozoic Era 65 Million Years Ago Present Day Global Climate Forcings External (solar irradiance): +1 W/m2 Surface (continent locations): <1 W/m2 Atmosphere (CO2 changes): > 10 W/m2

  8. 地质年代的CO2含量有时比现在高得多，地球的气候比现在暖吗？地质年代的CO2含量有时比现在高得多，地球的气候比现在暖吗？ 回答是肯定的。从地球大气逐渐形成到1亿年前的地质年代是高CO2时期，CO2浓度很高，可以达到3000～7000 ppmv。那时，地球上的气候是很暖的。 但是在1亿年（100Ma年）前，有三次大冰河期，分别发生在22-24亿年前（氧上升期），6-7.5亿年前和2.8亿年前（古生代二叠纪大冰期）。那时海洋完全被冰封，通过冰—反照率反馈机制，最后全球冰封，进入雪球阶段。以后通过大陆漂移，板块碰撞，使地壳变形，同时又有火山爆发作用，使CO2排放入大气。由于没有碳汇（全球冰封），大气中CO2浓度增加，最终由CO2产生的温室效应和风吹降尘产生的冰盖变黑（减少反照率）使地表温度上升到一临界值，首先使热带冰层融化，一旦这个过程开始，则通过冰—反照率反馈机制使增暖增强并扩展到全球。最后使整个地球进入无冰的水球状态，此即雪球——水球轮回时期。1亿年前左右，板块运动减慢，地球上的气候由不稳定状态进入稳定状态。

  9. 6500万年时白垩纪结束，温暖的气候结束（那时CO2比今天高一个量级；热带到处是恐龙和葱绿植物） 。 此后，地球气候总趋势是不断变冷。到更新世（250万年），气候十分寒冷。一个值得注意的事件是发生在始新世（5500万年前）的气候极暖期，它是突然来到的（1万年量级，延续10万年），所释放的碳与21世纪预测释放的量相近。高纬增暖20 ℃ 左右。在6000万年以来的气候变冷期，总体上，温度比今天要暖，CO2浓度比今天高，如在330-300万年时（上新世）温度比工业化前高2-3 ℃，CO2浓度为360-400ppmv。海平面高度比今天高15-25米。以后温度和CO2浓度主要由冰芯获取，揭示了10万年周期的冰期-间冰期循环，即米兰科维奇气候循环。

  10. 由上可见：（1）不论任何时期，任何起因，地质资料告诉我们，CO2与温度变化总是以相同的趋势演变，CO2是气候变化的一个关键驱动力；（2）人类排放的CO2是地球气候变化中近代产生的一个新的驱动力；（3）如果CO2及其它温室气体的大气含量增加到400-500ppm以上，地球的平均温度至少要升高2 ℃以上。因而从地质年代CO2与温度长期记录看，现代全球气候变暖是非常值得关注的。它可能逐渐地向地质年代晚期的气候状态演变。

  11. 近万年来全球和中国温度变化 （朝仓正, 1991） 近万年来，全球地表温度波动的幅度为2-3℃，共经历了三次暖期：即气候最宜期（距今8000-3500年）、中世纪温暖期（公元10-13世纪）以及近代暖期（20世纪中后期至今）。

  12. 2、人类活动影响现代全球气候的证据

  13. 证据一 过去10000年大气CO2，CH4，N2O的变化。由冰芯和大气测量组合得到。

  14. 南极Law Dome冰芯资料显示的近1000年大气CO2浓度 360 340 CO2 浓度 320 (ppmv) 300 280 年 1000 1200 1400 1600 1800 2000 工业化（1750年）以来，大气中温室气体明显增加。 （IPCC，2001）

  15. 379 ppmv 380 夏威夷Mauna Loa观象台 测量的大气CO2浓度变化 370 360 350 340 330 320 ( updated from Keeling and Whorf, 2004 ) 310 年 1960 1970 1980 1990 2000 CO2 浓度 (ppmv) 2003年5月已达到379ppmv (百万分之一体积)。过去10年中大气CO2浓度以1.8ppmv/年 的速率增长，而过去50年平均仅为1ppmv/年。 （IPCC，2001）

  16. 383ppm 年 CO2浓度2004年已高达383ppmv。

  17. 证据二 1979-2005年地表（上左），对流层（上右）线性全球温度趋势分布。下图是年全球平均温度曲线（点）。 红线是线性趋势（1850-2005）。仪器观测头70年（1850-1919）到最近5年（2001-2005）的温度变化为0.78±0.18℃

  18. 1979-2003年全球年平均气温变化趋势 增温速率（℃/10年） （Tom Peterson, NOAA/NCDC） 中高纬度大陆地区变暖最为明显。

  19. 全球SST年距平分布（1861-2004）

  20. 0-700m和0-3000m层海洋热含量（1022J）曲线。垂直线代表1个标准差误差。0-700m和0-3000m层海洋热含量（1022J）曲线。垂直线代表1个标准差误差。

  21. ENSO 1866-2004年SOI曲线。红色：Darwin为正海平面气压距平，即El Nino年

  22. 近两千年全球地表平均气温变化 （相对于1961-1990年30年气候平均） 公元 200-1980年 公元1856-2004年 （根据Mann and Jones, 2003改绘） 20世纪是过去2000年中最温暖的100年。

  23. 证据三 全球平均温度距平。黑线：观测。 灰线：多模式（13个）集成模拟。（a）人类活动+自然强迫； （b）只有自然强迫

  24. 不同地区气温变化原因的模拟结果（1906-2005） 黑线：观测值 红色：人类变化+自然变化 蓝色：自然变化

  25. 过去1100年的辐射强迫和模拟的温度（a）火山活动，（b）太阳辐射变化，（c）所有强迫，（e）北半球年温度（分别对人类活动和自然强迫）过去1100年的辐射强迫和模拟的温度（a）火山活动，（b）太阳辐射变化，（c）所有强迫，（e）北半球年温度（分别对人类活动和自然强迫）

  26. “最近50年的气候变化是由人类活动产生的”这一结论的可信度提高“最近50年的气候变化是由人类活动产生的”这一结论的可信度提高 IPCC关于气候变化成因的认识逐步深化： 第三次评估报告（2001年）：新的、更强的证据表明，过去50年观测到的大部分增暖“可能”归因于人类活动（66％以上可能性）； 第四次评估报告（2007年）：人类活动“很可能”是气候变暖的主要原因（90％以上可能性）。

  27. 有三个原因把工业化后CO2增加趋势归因于化石燃料燃烧有三个原因把工业化后CO2增加趋势归因于化石燃料燃烧 （1）南极和格林兰冰芯记录表明：大气中CO2开始增加的时间是在工业革命前后，从那以后，其浓度变化大致与化石燃料消耗的增长率相近。 （2）北半球大气CO2浓度比南半球的高几个ppmv，因为大多数最强的排放源位于北半球。 （3）大气中氧含量每年减少3ppmv，这与大气中CO2增加是相对应的，因为CO2是燃烧的一种产品。

  28. 3、不同时间尺度地球气候演变的比较

  29. 更新世（200万年-1万年）气候变化及其意义 1.气候变化的主要启动力是地球轨道变化，非常弱的强迫 2.更新世气候变化的主要机制是GHGs和冰盖区，作为反馈机制 3.长时间尺度的气候变化对很小的强迫是很敏感的 4.人类造成的强迫矮化了引起冰期与间冰期气候变化的自然强迫，人类活动成为近代气候（尤其是200年）的一个主要驱动力。 Hansen,2007

  30. 新生代气候变化的特点 1.主要驱动力：自然CO2变化 - 变率 ~100 ppm/百万年(0.0001 ppm/年) - 今天人类的速率：~2 ppm/年 人类活动压倒缓慢的地质变化 2. 气候敏感性高 - 如果 CO2 < ~450 ppm 南极冰形成 - 冰盖形成是可逆的 人类能够产生一个不同的星球 3、变化速度快近百年的全球气候变化是快速的变化，其速度比地质年代要快近千倍到近万倍。

  31. 全球气候是否会向冰期（变冷）演变？ 驱动冰河期循环的地球轨道参数变化示意图

  32. 太阳活动的变化是引起近代气候变暖的主要原因吗？太阳活动的变化是引起近代气候变暖的主要原因吗？ 最近28年太阳总辐射量的变化 总太阳辐射变化（太阳常数）

  33. 过去650000年以来，南极冰芯δD（ 代表温度），CO2，CH4和N2O浓度的变化，阴影柱代表间冰暖期

  34. 由上可见：（1）不论任何时期，任何起因，地质资料告诉我们，CO2与温度变化总是以相同的趋势演变，CO2是气候变化的一个关键驱动力；（2）人类排放的CO2是地球气候变化中近代产生的一个新的驱动力；（3）如果CO2及其它温室气体的大气含量增加到400-500ppm以上，地球的平均温度至少要升高2 ℃以上。因而从地质年代CO2与温度长期记录看，现代全球气候变暖是非常值得关注的。它可能逐渐地向地质年代晚期的气候状态演变。

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