《海洋科学导论》第十一章 海洋-大气相互作用-气候

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,D.Zhao,OUC,*,第十一章 海洋,-,大气相互作用,-,气候,海洋,-,气候的调节器,1,D.Zhao,OUC,天气与气候,天气是一定时间和空间内的大气状态,气候是长时间内气象要素（温度、湿度、气压等）和天气现象的平均状态,气候的时间尺度为月、季、年、数年到数百年以上,2,D.Zhao,OUC,气候系统,气候系统的提出是气候学研究发展的重要标志,气候系统由,5,部分组成，分别为大气圈、水圈（海洋）、冰雪圈、岩石圈和生物圈,3,D.Zhao,OUC,气候系统的性质,各子系统是开放的非孤立系统。,从各子系统保持相对独立，能量交换保持开放状态物理过程包括穿越边界的能量、动量和物质输送,各子系统内部是非均匀的热力学,-,动力学系统。可以用化学组成，热力学及力学状态加以描述。,不同物理量的时间和空间尺度在不同子系统之间变化很大,，,甚至在同一个子系统内变化也很大,大气边界层：时间尺度从几分钟到数小时,自由大气：时间尺度由数周到几个月,海洋上混合层：数周到几年,深层水：从几十年到几千年,海冰：几周到几十年,内陆水和植被：几个月到几百年,冰川：百年量级,冰原：几千年以上,地壳变动：千万年量级,4,D.Zhao,OUC,气候系统的性质,气候系统主要由两个外强迫所控制：重力和太阳辐射,全球海洋吸收的太阳辐射约占进入大气顶的总太阳辐射量的,70%,海洋巨大的热容量使气温变化减小,5,D.Zhao,OUC,海洋在气候系统中的作用,从整体平均来看，热带地区得到热量，而极地地区失去热量,热带地区为气候系统提供了基本原动力，是台风的源地,6,D.Zhao,OUC,海洋在气候系统中的作用,海洋贮存的能量将以潜热、感热交换和长波辐射的形式输送给大气，驱动大气运动,全球平均有近,70%,的经向能量输送由大气完成，,30%,由海洋来承担,在,0-30,低纬度区域，海洋输送的热量超过大气（西边界流）,在,30,以上区域，大气输送的热量超过海洋,50,附近，海洋将热量输送给大气，大气环流输送到高纬,7,D.Zhao,OUC,海洋与大气相互作用的基本特征,海洋,-,大气相互作用：海洋主要通过向大气输送热量来影响大气运动，大气主要通过风应力向海洋提供动量,海洋对大气的热力作用：,热带海洋是最重要的热量源地，,海洋热状况的改变对大气环流和气侯有重要影响：如厄尔尼诺、西太平洋暖池,提供热量方式有潜热和感热两种，主要是潜热，要求水汽辐合上升，即相应的大气环流条件。,8,D.Zhao,OUC,海洋与大气相互作用的基本特征,大气对海洋的风应力强迫：,大洋环流与风应力强迫有密切关系，北半球的大洋环流为顺时针方向，南半球为反时针方向,9,D.Zhao,OUC,海洋在气候系统中的作用,大气中水汽量的,86%,由海洋提供。尤其低纬度海洋，是大气水汽的主要源地。,10,D.Zhao,OUC,风速风向传感器,GPS,气压传感器,温湿传感器,自动气象站,超声风速仪,红外水汽,CO,2,分析仪,红外温度传感器,温湿传感器,通量观测站,海,-,气界面动量、热量和气体通量的观测,D.Zhao,OUC,11,海洋在气候系统中的作用,海洋是地球大气系统中,CO,2,的最大的汇，可吸收化石燃料排放到大气中,CO,2,的,20-30%,海洋通过吸收温室气体极大地减缓了地球变暖,12,D.Zhao,OUC,大气中的二氧化碳浓度逐年增加,夏威夷岛,南极洲,13,D.Zhao,OUC,海洋,-,大气之间的气体交换,气体通量等于气体交换速率,k,L,、,CO,2,溶解度,s,和其分压差的乘积,14,Net air-sea CO,2,flux based on interpolation of air-sea pCO,2,differences (Takahashi et al., 2002),D.Zhao,OUC,地球的温室效应：,Greenhouse effect,15,D.Zhao,OUC,地球的温室效应：,Greenhouse effect,16,已经证明，累积在大气中的二氧化碳增加会导致地球表面温度上升,如何测量二氧化碳水平还存在困难，使得气候模型的预测不准确,当地球变暖，辐射到太空的能量增加，这是一个负反馈过程,变暖使蒸发加剧，大气中增加的水汽会俘获更多的热量，这是一个正反馈过程,地球气候变化就是失去和得到能量两个过程的平衡问题,D.Zhao,OUC,17,平均,SST,正在上升,D.Zhao,OUC,18,Global warming is true!,D.Zhao,OUC,19,Snow and glaciers are declining,1984,2002,2004,1875,Melted water runs over the Greenlandic icecap,D.Zhao,OUC,20,全球变暖与海平面上升,Current sea level rise,has estimated at rates near 2.8 to 3.1mm per year.,Why? Thermal expansion and melting of land ice,IPCC (2007) predicted that global warming will lead to a sea level rise of 18 to 59cm by 2100,最近的研究表明，全球海平面到,2100,年上升,0.911.83m,D.Zhao,OUC,21,全球变暖与海平面上升,研究指出，如果海平面上升,1.83m,会使美国本土,1300,多万人受洪水等自然灾害的影响，即使,0.91m,也会有超过,420,万人受影响,This is New York?,Hauer, et al., 2016, Nature Climate Change,D.Zhao,OUC,22,Island countries will be wiped out?,The government of the Maldives has held a cabinet meeting underwater to highlight the threat of global warming on 17 Oct. 2009.,Maldives stand an average of 2.1 meters (7ft) above sea level,D.Zhao,OUC,23,Rapid increase in atmospheric temperature,IPCC reported the rapid increase in atmospheric temperature in the following 100 years.,D.Zhao,OUC,24,It is found that there is a risk of 50% glacier melt in the Beas River basin, which covers northwest India and northeast Pakistan, by 2050.,A weakening trend in the monsoon circulation and a precipitation decline over South Asia during recent decades, largely attributable to anthropogenic forcing.,气候变化对南亚的影响,D.Zhao,OUC,Mesquita, et al. 2016,Forecasting Indias water future,Eos, 97,doi:10.1029/2016EO049099.,25,Donat et al., 2016, Nature Climate Change, DOI: 10.1038/NCLIMATE2941,图中,PRCPTOT,为 年,降水总量,; Rx1day,为 年最大日降水量,最新研究表明，气候变化已经开始导致全球大部分地区极端降水增加，即使在干旱地区也是如此,D.Zhao,OUC,2000,年以来的气候变暖停滞,Warming hiatus,推测,原因：（,1,）中东热带太平洋变冷；,（,2,）低纬度火山爆发引起的气溶胶强迫；,（,3,）北大西洋次表层变暖,26,D.Zhao,OUC,气候变暖停滞！？,2014,年全球平均气温为,14.6,摄氏度，比,1961,至,1990,年的平均值高出,0.6,摄氏度，也比历史上最暖的,2005,年和,2010,年高出约,0.04,摄氏度,2014,年成为自,1880,年有记录以来最暖的一年,2015,年的全球平均气温比,1951,至,1980,年的均值高出,0.87,摄氏度，比,1901,至,2000,年均值高出,0.9,摄氏度，比,2014,年高出,0.16,摄氏度（,NOAA,）或,0.13,摄氏度（,NASA,）！,2015,年也是局部最寒冷的一年（,2016,年,1,月）,27,D.Zhao,OUC,2015,年是有记录以来最暖年！,28,The average global temperature in 2015 broke all previous records.,This map shows the hottest areas in red and the coldest in blue.,Credit:,Scientific Visualization Studio/Goddard Space Flight Center,D.Zhao,OUC,气候变暖停滞！？,It has been claimed that the early-2000s global warming slowdown or hiatus, characterized by a reduced rate of global surface warming, has been,overstated, lacks sound scientific basis, or is unsupported by observations,. The evidence presented here contradicts these claims.,29,Fyfe, et al. (2016): Making sense of the early-2000s warming slowdown.,Nature Climate Change 6, 224228.,D.Zhao,OUC,气候“翻转事件”,30,持续碳排放有可能触发,5,个方面的气候“翻转事件”：,（,1,）大西洋经向翻转环流异常,（,2,）格陵兰岛冰盖融化,（,3,）南极西部冰原崩塌,（,4,）亚马孙雨林生长受影响,（,5,）厄尔尼诺现象发生的频率改变,未来这,5,个“翻转事件”一旦触发，将让当前的“碳排放社会成本”增加近,8,倍，,从目前每排放,1,吨二氧化碳带来的,15,美元成本升至每吨,116,美元,Cai et al., 2016,D.Zhao,OUC,2008,年,CO,2,排放世界地图,中国排碳量世界第一！,31,D.Zhao,OUC,32,大气中的二氧化碳,对策,海洋中加硫酸铁促进植物生长，让蓝色的海洋变成绿色海洋？,将二氧化碳深埋地球岩石中？,控制减少排放量,正在变干的盐塘（法国）,D.Zhao,OUC,海洋铁假设,“,给我半货轮的铁，我给你一个冰川时代,”,John Martin.,2008,年,7,月 青岛近海滨,33,D.Zhao,OUC,海洋酸化问题,珊瑚礁生长的海域水温必须高于,20,，适宜温度为年平均值,25,左右,，,对环境污染比较敏感,34,D.Zhao,OUC,京都议定书,目标：欧盟和,37,个工业化国家，在,2008-2012,间，相对,1990,年的排放水平，将温室气体的排放量降低,5.2%,具体目标：,欧盟降低,8%,，美国,7%,，日本,6%,，俄罗斯,0%,澳大利亚增加,8%,，爱尔兰增加,10%,1997,年,12,月,1,日签署,2005,年,2,月,16,日生效,2012,年结束,35,D.Zhao,OUC,世界气候变化大会,印尼巴厘岛路线图,(2007,12.3-17),丹麦哥本哈根协定,(2009,12.7-18),墨西哥坎昆气候大会（,2010,11.29-12.10,）,南非德班气候大会（,2011,11.28-12.11,）,同意为应对气候变化,达成一项国际减排协议,实施,京都议定书,第二承诺期,启动绿色气候基金。,确定与工业化前相比，,2050,年前的气候变暖不超过,2,0,C,发达国家在,2012,年前提供,300,亿美元,的“绿色气候基金”，,2012-2020,年，,每年提供,1000,亿美元,36,D.Zhao,OUC,2014,年,11,月中美达成减排协议,中美气候变化联合声明,目标：,美国计划于,2025,年实现在,2005,年基础上减排,26%28%,的全经济范围减排目标并将努力减排,28%,。,中国计划,2030,年左右二氧化碳排放达到峰值且将努力早日达峰，并计划到,2030,年非化石能源占一次能源消费比重提高到,20%,左右。,37,D.Zhao,OUC,2015,年,巴黎气候大会,2015,年,12,月,12,日，,195,个缔约方在巴黎达成了新的全球气候协议,巴黎协定,，标志着哥本哈根会议之后,“,减排裸奔时代,”,的终结。,协议共,29,条，包括目标、减缓、适应、损失损害、资金、技术、能力建设、透明度、全球盘点等内容。,目标：把全球平均气温较工业化前水平升高控制在,2,C,之内，并为把升温控制在,1.5,C,之内而努力。,巴黎协定,确定，为解决各国,“,自主贡献,”,力度不足难以实现控温目标的问题，从,2023,年开始，每,5,年将对全球行动总体进展进行一次盘点。,38,D.Zhao,OUC,39,中国对气候变化的贡献,2016,年，北京大学李本纲研究组首次全面评估了中国对全球气候变化的贡献及其时间变化趋势,发现中国排放对全球正辐射强迫（致暖效应）的贡献为,12%2%,（主要是,CO,2,、,CH,4,等温室气体和黑炭），对全球负辐射强迫（制冷效应）的贡献为,15%6%,（主要是,SO,4,、,NOx,、,POM,等气溶胶组分）。其中贡献最大的依次为化石燃料燃烧排放的,CO,2,、,CH,4,、硫酸盐和碳黑。,中国正在实施的空气质量控制措施会减少大气气溶胶的排放，将降低负辐射强迫，可能增加中国排放对全球气候变化的贡献比例。,D.Zhao,OUC,Li et al., 2016, Nature,吴立新院士,发现了,20,世纪全球大洋副热带西边界流区“热斑”现象，系统阐述了副热带环流在太平洋气候年代际及长期变化中的作用机理；,提出了利用,Argo,浮标观测计划来定量揭示全球海洋混合的新途径，将海洋混合研究推向了全球尺度和季节以上的时间变化尺度；,阐明了热盐环流变异影响热带海,-,气过程的动力学路径，揭示了北大西洋年代际变化模态是海,-,气耦合模态。,D.Zhao,OUC,40,副热带西边界流的“热斑”,最新研究表明，近百年来海洋升温最显著区域主要集中在全球大洋副热带西边界流区，其增暖趋势大约是全球平均的两倍至,3,倍，呈现一种热斑效应。”,产生的原因很可能是由于全球变暖导致副热带西边界流加速，增强的西边界流将更多的低纬度暖水向高纬度输送，进而导致相应海区的快速增暖。,D.Zhao,OUC,41,Wu et al., 2011, Nature Clim. Change,