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- 1. 第二篇 以自然为主的环境演变 第五章 全球自然环境的形成与演化 第六章 全球冰雪圈和海面变化 6.1 全球冰雪圈变化 6.2 全球海面变化 第七章 厄尔尼诺与温盐环流 1 6.2
- 3. 一、冰雪圈的定义及构成 1、冰雪圈的定义 泛指地球表层中水体以固态保存的圈层。 地球表面常年被冰雪覆盖的不连续区域所组成的圈层。 ? 水圈的组成部分：冰雪形式，永久冰；第二大水分储存库 ? 不连续 ? 约占陆地面积的10% ? 水圈物质三态转换过程中不可或缺的重要环节 ? 是气候系统的组成部分之一 ? 冰雪圈的分布范围对地球表面温度的变化极为敏感 3
- 4. 组成部分 体积 106km3 占总水量 的份额 组成部分 体积 106km3 占总水量 的份额 海洋水 1370 97.25 土壤水 0.065 0.005 河流水 0.0017 0.0001 大气水 0.013 0.001 湖泊水 0.125 0.01 生物水 0.0006 0.00004 地下水 9.5 0.68 永久冰 29 2.05 合计 1408.705 冰雪圈是除海洋以外的第二大 水分储藏库， 其所含的水量 占陆地淡水的75%。 4
- 6. （1）冰川 ? 概念：冰川冰、冰川 ? 形成——由粒雪经成冰作用而成 ? 冷型成冰作用：干冷环境下 ? 暖型成冰作用：温湿环境下 ? 冰川冰的分布和变化 ? 目前全球冰川面积约为1550×104平方千米，占陆地面积的10%以上；总 体积为2400~2700×104立方千米，如果这些冰全部融化，将使全球洋面 上升66米。 ? 南极和格陵兰冰原（又称大陆冰川）；北极岛屿冰盖；高山冰川 6
- 7. 冰川的概念和类型 ? 冰川（GLACIER）的概念 ? 原义：发育在高山峡谷中，沿着谷地像河川那样向山下缓慢流动的巨 大冰体，山谷冰川。“冰”，描述物质属性；“川”描述外部形态。 ? 现在：陆地上显示出运动特征的巨大质量的冰。 ? 基本类型 ? 高山冰川（山谷冰川，线状） ? 大陆冰原（大陆冰川，面状） ? 冰盖（冰帽，面状，大陆冰原） 7
- 8. 冰川的形成 ? 冰川形成的必要条件 ? 足够多的降雪 ? 足够低的温度 ? 加积作用和冰川的增长 ? 消融作用和冰川的退缩 ? 冰川平衡 8
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- 10. 10
- 11. 山谷冰川 ? 又称高山冰川 ? 形成与雪线以上高度，沿着山谷向下移动，占据山谷的全部宽 度，将谷底掩埋在几百米的冰之下。 ? 低纬度：冰斗 ? 高纬度：山麓冰川 ? 海岸山脉：冰山 11
- 12. （2）海冰 狭义：由海水冻结而成的冰 广义：在海洋中所见到的冰（包括进入海洋的大陆冰川、河冰和湖冰） 海冰研究的意义： ? 世界大洋约有3~4%的面积被海冰覆盖，对船舶航行、海底采矿及极地海洋考 察等形成严重障碍，甚至造成灾害。 ? 对海洋水文状况有重要影响 ? 对全球气候、热量平衡和水量平衡有重要影响 ? 对未来人类淡水供应有种要的潜在价值 12
- 13. ? 海冰大致可分为流冰和固定冰两大类： ? 流冰：浮在海面，随风，流、浪的作用而流动的海冰。可进一步 分为初生冰、冰皮、尼罗冰、莲叶冰等等。（图） ? 固定冰：与海岸、岛屿与海底冻结在一起的冰。如沿岸冰等 ? 浮冰、冰架和冰山 13
- 14. 14
- 15. ? 海冰的特点： ? 各种形式的海冰全部都是冻结的淡水 ? 会将盐分大部分排出冰外，而增大冰下海水的盐度，加强冰下海水的对流、 进一步降低海水的冰点 ? 人类生存必需的淡水资源最为重要的储备 ? 海冰的时空分布 ? 空间分布：高纬度海区；北冰洋和南极洲是地球上海冰最集中的地区； ? 时间变化 ? 地质年代的变化 ? 年际变化 ? 海冰空间分布的季节变化 15
- 19. （1）冰雪表面的辐射特性 ? 冰雪表面对太阳短波辐射的反射率大 ? 冰雪表面的长波辐射能力强（与黑体相似，地面多为灰体），使得冰雪表面 的有效辐射在相同温度条件下比其他下垫面大 （2）冰雪-大气间的能量和水分交换特性 ? 冰雪-大气之间的能量交换很微弱：冰雪对太阳辐射的透射率和导热率都很 小。 ? 冰面表面的饱和水汽压比同温度水面低，冰雪不仅有制冷的作用，还有致干 的作用 ? 冰雪表面形成冷而干的气团。地面长波辐射因空气中缺乏水汽而大量散逸到 宇宙空间，大气逆辐射微弱。 19
- 22. 22 ?该区海冰的形成与西伯利亚内陆冬季 的寒冷气候有关（西风带） ?初夏，特别是6、7月，是同纬度地带 中最寒冷的地带 ?向南移动的冷空气的主要源地之一， 对梅雨的形成有重要影响，梅雨长期预 报需考虑该海区年初的冰雪覆盖面积 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 鄂海东南角表 层水温/°C 1.42 0.16 -0.09 1.03 3.33 8.31 2.98 16.73 15.60 11.55 10.13 8.56 雅库茨克气温 /°C -43.5 -35.3 -22.2 -7.9 5.6 15.5 19.0 14.5 6.0 -8.0 -28.0 -40.0 差值/°C 44.9 35.5 22.1 8.9 -2.3 -7.2 -6.1 2.2 9.6 19.6 38.1 48.5
- 23. 南极冰雪与我国梅雨 ? 南极冰雪面积扩展的年份—— ? 南极大陆极地反气旋加强—— ? 绕极低气压向低纬度扩展—— ? 行星风带向北推进—— ? 赤道辐合带北移—— ? 北半球副热带高压北移 23 ? 南极冰雪分布有明显的偏心现象—— 最冷中心在东半球 ? 由此向北扩展至澳大利亚—— ? 澳大利亚向北推进的冷空气更强—— ? 影响北太平洋西部环流—— ? 如1969年，南极冰雪量少，丰梅年； 1972年，南极冰雪量多，枯梅年
- 24. 青藏高原积雪对我国夏季风和降水的影响 ? 青藏高原地表最显著的特征是广泛分布着积雪和冻土，尤其在冬春季。 ? 积雪具有较高的反照率和较低的导热率，新雪通过对太阳短波辐射的强烈 反射，增强了高原表层的辐射冷却效应； ? 春季积雪开始融化时，改变了高原地区的土壤湿度和地表水文状况。 ? 以上这些使得青藏高原对其上大气的非绝热加热作用发生变化，进一步通 过大气环流作用影响亚洲夏季风，影响中国东部地区的夏季降水。 24
- 25. ? 郑益群等（2000年）和钱永甫等（2003年）用区域气候模式对高原积雪的气候效应 进行了模拟，结果表明青藏高原积雪对中国夏季风气候的影响显著；青藏高原积雪 的增加会明显减弱亚洲夏季风的强度，使华南的降水减少江淮流域的降水增多；高 原冬季积雪深度的增加比积雪面积的扩大和春季积雪深度的增加对后期气候的影响 更大。 ? 张顺利（2001年）利用数值试验研究了青藏高原积雪对亚洲夏季风和我国东部气候 异常的影响，结果表明青藏高原积雪造成亚洲大气环流较大的年际变化，高原积雪 改变了高原陆面春、夏季的热状况使亚洲夏季风爆发推迟天左右。模拟了青藏高原 积雪异常的气候效应并检验了诊断分析结果，数值模拟的结果表明，高原雪深和雪 盖的正异常推迟了东亚夏季风的爆发日期，减弱了季风强度，造成华南和华北降水 减少而长江和淮河流域降水增加。 ? 朱玉祥等（2009年）利用区域气候模式对青藏高原前冬积雪对次年夏季中国降水的 影响进行了数值模拟研究，所得结果与实际观测的积雪和降水的关系较为吻合，即 长江流域、新疆地区夏季多雨，华北和华南少雨，这与我国最近二十年来维持的 “南涝北旱”雨型较为一致。 25
- 29. 1、地质时期的气候 ? 大冰期：全球意义、时间较明确 ? 震旦纪：距今约6亿年前 ? 石炭-二叠纪：距今2-3亿年，主要影响 南半球 ? 第四纪：距今200万年前开始到现在 ? 大间冰期 ? 寒武纪-石炭纪大间冰期：石炭纪是古气 候中典型的温和湿润气候 ? 三叠纪-第三纪大间冰期气候 ? 原因 ? 海陆分布格局 ? ？？？ 29
- 31. 31 第四纪气候变化 ? 第四纪是距今260万（？）年前开始的地球史上最近的一次大冰期，大冰期由冷暖干湿交替出现 的亚冰期和亚间冰期组成。 ? 国际上，根据对阿尔卑斯山第四纪的山岳冰川研究，将第四纪冰期确定为几个亚冰期，即： 1909年德国地貌学家彭克和布吕克纳建立的由老到新的贡兹、民德、里斯、武木等4个冰期。 1930年埃伯尔和谢弗发现了贡兹冰期之前的冰川作用遗迹，又补充了较老的多瑙冰期和更老的 拜伯冰期。 ? 在我国，这一时期也相应地出现了鄱阳亚冰期（137~150万年前）、大姑亚冰期（105~120万年 前）、庐山亚冰期（20~32万年前）与大理亚冰期（1~11万年前）4个亚冰期。在亚冰期内，平 均气温约比现代低8 ℃~ 12℃。 ? 在距今1.8万年前的第四纪冰川最盛时期（LGM），年平均气温比现在低10℃~15℃。 ? 一直到1. 65万年前，全球的冰川开始融化，大约在1万年前大理亚冰期（相当于欧洲的武木亚冰 期）消退，北半球各大陆的气候带分布和气候条件基本上形成为现代气候的特点。 ? 第四纪还可以划分为更新世和全新世。更新世260-1万年前；全新世1万年以来。
- 33. 导致冰川变化的全球气候变化 33
- 34. 34 WHAT IS THE CAUSE OF GLACIAL-INTERGLACIAL CYCLES? Top：Solar radiation varies smoothly through time with a strong cyclicity of ~23,000 years, as seen in this time-series of July incoming solar radiation at 65°N (Berger and Loutre, 1991). Middle：Glacial-interglacial cycles last ~100,000 years and consist of stepwise cooling events followed by rapid warmings, as seen in this time-series inferred from hydrogen isotopes in the Dome Fuji ice core from Antarctica (Kawamura et al., 2007). Bottom：Atmospheric CO2 measured from bubbles in Dome Fuji ice shows the same pattern as the temperature time-series (Kawamura et al., 2007).
- 35. 35 Heinrich and Dansgaard-Oeschger events Climate during the last glacial period was far from stable. Two different types of climate changes, called Heinrich and Dansgaard-Oeschger events, occurred repeatedly throughout most of this time. Dansgaard- Oeschger (D-O) events were first reported in Greenland ice cores by scientists Willi Dansgaard and Hans Oeschger. Each of the 25 observed D-O events consist of an abrupt warming to near-interglacial conditions that occurred in a matter of decades, and was followed by a gradual cooling.
- 36. 36 (Top) The δ18O record from the GISP2 ice core in Greenland, showing 20 of the 25 observed Dansgaard-Oeschger events during the last glacial period (Grootes et al., 1993). (Bottom) A record of ice-rafted material during Heinrich events from a deep-sea core in the North Atlantic (Bond and Lotti, 1995). NOAA
- 37. 37 What caused Heinrich and Dansgaard-Oeschger events? ? The cause of these glacial events is still under debate. ? Currently, the leading hypothesis involves a slowdown of the ocean's thermohaline circulation. – During the last glacial time, large ice sheets rimmed the North Atlantic . At certain times, these ice sheets released large amounts of freshwater into the North Atlantic. Scientists have hypothesized that these freshwater dumps reduced ocean salinity enough to slow the thermohaline circulation. Since the thermohaline circulation plays an important role in transporting heat northward, a slowdown would cause the North Atlantic to cool. Later, as the addition of freshwater decreased, ocean salinity and deepwater formation increased and climate conditions recovered.
- 38. 38 ?The initial trigger for freshwater releases has not yet been identified. ?One suggestion is that small, gradual changes in solar output could have influenced the timing of abrupt changes (Bond et al., 2001). ?Other ideas call upon natural oscillations of the ice sheets themselves (MacAyeal, 1993; Hulbe et al., 2004; Alley et al., 2006) or of ocean processes (Shaffer et al., 2004, Flückiger et al., 2006).
- 39. 39 ? Even though Heinrich and D-O events seem to have been initiated in the North Atlantic, they had a global footprint. ? The climate anomalies are consistent with a slowdown of the thermohaline circulation and reduced ocean heat transport into the northern high latitudes. ? During cold phases in the North Atlantic, large regions of North America and Eurasia became colder and drier. A southward shift of the tropical rain belt moistened many parts of the Southern Hemisphere. Antarctic ice cores show warming, consistent with a reduction of northward heat transport from the Southern Hemisphere.
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- 41. 41 Ice cores extracted from the two-mile thick Greenland ice sheet preserve records of ancient air temperatures. The Younger Dryas —about 12,700 years ago, average temperatures in the North Atlantic region abruptly plummeted nearly 5°C and remained that way for 1,300 years before rapidly warming again. The 8,200-Year Event —A similar abrupt cooling occurred. It was not so severe and lasted only about a century. But if a similar cooling event occurred today, it would be catastrophic. The Medieval Period —An abrupt warming took place about 1,000 years ago. It was not nearly so dramatic as past events, but it nevertheless allowed the Norse to establish settlements in Greenland. The Little Ice Age —The Norse abandoned their Greenland settlements when the climate turned abruptly colder 700 years ago. Between 1300 and 1850, severe winters had profound agricultural, economic, and political impacts in Europe. R.B. Alley, from The Two-Mile Time Machine, 2000
- 42. 42 ? 冰后期 ? 新仙女木事件 ? 全新世暖期 ? 中世纪温暖期 ? 小冰期 ? 温盐环流 ? 欧洲小冰期、中国 明清小冰期 ? 全球性 ? 人类活动、火山活动 ? 饥荒、战争
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- 44. 44 Climate changes associated with the Younger Dryas, highlighted here by the light blue bar, include (from top to bottom): cooling and decreased snow accumulation in Greenland, cooling in the tropical Cariaco Basin, and warming in Antarctica. Also shown is the flux of meltwater from the Laurentide Ice Sheet down the St. Lawrence River
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- 46. ? 1千年以来地表温度变化 46
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- 52. 52 第四纪冰期-间冰期转化的特点 ? 转换过程的不对称性 ? 间冰期-冰期，缓慢；冰期-间冰期，迅速 ? 环境要素变化的协同性 ? 冰盖、温度、海平面、干湿、植被等 ? 状态转化过程中的时滞现象 ? 气候、植被、冰盖 ? 快速变换事件
- 53. 3、末次冰盛期以来中国冰川的变化 ? 末次冰期冰盛期的冰川规模与环境（距今2.5~1.6万年） ? 青藏高原LGM冰川相当于现代冰川面积的7.5倍，较现代降温值为6~9°C，降水量为现在的 30~70%。 ? 中国LGM冰川面积相当于现代8.4倍 ? 距今1万年以来的冰川进退波动 ? 距今1.6-1.2万年，比末次冰盛期升温5°C左右，冰川萎缩，湖泊扩张； ? 距今1.2-1.0万年，新仙女木降温事件，降温12°C，此后迅速回升； ? 全新世（距今1万年以来）温度冷暖波动：早全新世升温期、中全新世大暖期、晚全新世降温 期 ? 小冰期以来的冰川变化 ? 15-19世纪气候相对寒冷的时期。 53
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- 55. ? 全新世（距今1万年以来）温度冷暖波动： ? 早全新世升温期 ? 距今8.9-8.7千年，极冷事件，敦德冰川和古里雅冰帽扩张；8.5-8.4，全新世最 高温事件 ? 全新世大暖期（距今8.5-3千年）： ? 距今7.2-6千年，高温多雨，青藏高原湖泊淡化和扩展，冰川大幅度后退； ? 距今6千年后，出现全新世第二次冷事件，约距今5.3千年达到冷峰，乌鲁木齐 河、青海可可西里等地区冰川前进 ? 此后，气候温暖湿润 ? 距今4千年左右，敦德冰芯中又记录了一次历时较长的全新世第三次冰川前进 时期 ? 距今3千年，高温期，全新世大暖期的最后表现 ? 晚全新世降温期 ? 温度波动下降，在1000A.D.左右，达到距今3千年来最冷期，冰川前进。 55
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- 58. 58 (a) Observed changes in global average surface temperature; (b) global average sea level from tide gauge (blue) and satellite (red) data； (c) Northern Hemisphere snow cover for March-April. ?All differences are relative to corresponding averages for the period 1961-1990. ?Smoothed curves represent decadal averaged values； ?Circles show yearly values； ?The shaded areas are the uncertainty intervals estimated from a comprehensive analysis of known uncertainties (a and b) and from the time series (c). from IPCC (2007)
- 60. 第六章第一节 复习思考题 ? 冰雪圈的定义及其构成。 ? 冰川、海冰的概念和主要类型。 ? 冰川形成的必要条件。 ? 海冰研究的意义。 ? 冰雪圈在气候系统中的作用。 ? 举例说明冰雪覆盖对大气环流和降水的影响。 ? 北半球第四纪冰期中冰川的范围与规模 ? 导致冰川范围变化的气候原因。 ? 末次冰期、H事件和D-O事件、LGM、冰后期、新仙女木事件、全新世大 暖期、中世纪温暖期、小冰期 60
- 63. 海面与平均海面 ? 海面：海洋水体的真实表面。有形的（起伏不平的），动态的（运动的）。 ? 平均海面：又称平均海水面，某一统计时段内，特定区域，海面的平均位 置。 ? 是一个假想的平面 ? 是大地测量的基准面 ? 是度量海面变化的基础 63
- 64. 大地水准面 ? 大地水准面是指与平均海水面重合并延伸到大陆内部的水准面。 ? 受地球重力场控制，它是重力等位面，即物体沿该面运动时，重力不做功。 ? 任何一点的局部重力场会由于当地水深和附近岩体性质或冰盖的存在等因 素而改变，是相当复杂的一个面，外形崎呕不平，有些地方高出来，而有 的地方低下去，其最大高差可达约200 米。 64
- 65. 海平面相对变化和绝对变化 ? 海面变化指的是海面的垂直升降。度量这一升降量有两种坐标系： ? 一种是大地高程测量坐标系，是以设立在陆地上的标尺（验潮站的标 尺）来测量海洋水位的升降，所测得的是海面相对于地面的升降变化， 称之为相对海面变化； ? 另一种是地心坐标系，在地心坐标系中可以度量海面与地心之间距离 的变化，这种变化称之为绝对海面变化。 ? 相对海面变化量是绝对海面升降量与地面升降量的代数和。 65
- 67. 3、海面变化的原因机制 （1）绝对海面变化的基本机制 ? 海水体积的变化 ? 冰川型海面升降：受气候变化控制，万年~十年 ? 洋盆容积的变化 ? 地壳运动：洋中脊隆起，海底扩张；几百万年以上 ? 大地水准面的变化 ? 如地球自转等，全球不一致的海面变化 （2）相对海面变化的基本机制 ? 绝对海面变化机制 ? 海岸地带的各种地面升降机制（自然的、人为的） 67
- 69. 1、长时段的海面变化 ? 前第四纪海面变化 ? 寒武纪晚期高海面 ? 侏罗纪早期低海面 ? 白垩纪晚期高海面 ? 晚新生代低海面 69
- 70. ? 更新世（2~3百万年）海 面变化 ? 受冰期-间冰期气候变化 的控制 ? 更新世各次冰期的最低 海面比现代低百米左右； 各次间冰期海面与现在 相差不过数米。 70
- 73. 晚冰期海面波动和岸线变迁 ? 晚冰期：距今1.5~1万年 ? 海面变化特点： ? 迅速上升的总趋势 ? 伴随三次回降的急剧波 动 73
- 74. 3、最近2千年来的海面变化 ? 是否有变化？变化过程和特征？海面变化与气候变化的关系？海面变化对 沿海地区的影响？ ? 对于预测未来气候变暖导致的海面上升情景具有十分重要的作用 ? 千年-米量级、百年-分米量级；主要属于百年-分米为基本量级的小尺度变 化，研究难度大，我国研究相对较多。 ? 研究估算结果表明，中世纪温暖期中国东部海面可能比现在高0.4~0.7米， 而小冰期比现在低0.2~0.3米。有很大的不确定性。 74
- 75. 4、现代中国海面变化 75
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- 78. 三、未来海面的变化及对人类的影响 1、海面变化趋势预测的意义和依据 2、海面变化趋势预测的目标和方法 3、海面变化趋势预测的不确定性 4、21世纪全球海面上升预测 5、未来海面上升的影响 78
- 81. 2、海面变化趋势预测的目标和方法 ? 海面变化趋势预测的基本目标 ? 全球性的海面升降（ESL, EUSTATIC SEA-LEVEL）预测 ? 全球海面上升预测的基本流程：气候系统——气候预测；海-气-冰 系统——海面变化预测 ? 温室效应引起的海面变化预测需考虑的主要过程 ? 全球平均含义的理论值，无法被实测，提供背景、进行宏观分析和 理论研究 81
- 82. 82
- 83. ? 地区性相对海面变化预测 ? RSL, RALATIVE SEA-LEVEL ? 特定岸段的海面视变化，验潮站可以实测到的海面实际变化。 ? RSL变化的主要机制 83
- 84. ? 海面变化趋势预测的方法 ? 估算法：采用简单的数学计算来估计未来海面变化的幅度。例如， 1978年MERCER预测。 ? 拟合法：“黑箱方法”；简单的输入-输出数学模型；延续原则、 因果原则、类比原则等；统计模型。受实际资料的限制。 ? 模拟法：“灰箱方法”；数学物理模型；对系统的有限认识、考 虑系统的反馈机制，具有动态模拟功能。 84
- 88. 5、未来海面上升的影响 ? 海岸侵蚀加剧 ? 加大风暴潮致灾程度 ? 海水入侵 ? 土壤盐渍化 ? …… 88
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- 90. 90
- 91. 6.2 复习思考题 ? 海面、平均海面、大地水准面、海面相对变化、海面绝对变化 ? 绝对海面和相对海面变化的基本机制。 ? 现代中国海面变化的基本趋势和特点（1981年以来）。 ? 海面变化趋势预测的依据。 ? 全球海面预测的基本流程和主要过程。 ? 海面变化预测的主要方法。 ? 海面变化预测的不确定性。 ? 未来海面上升的影响。 91