气候变化与生态环境

气候变化与生态环境

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气候学与气候变化学

1.气候学：是研究气候形成及气候特征在空间分布和时间演变的学科，它是大气科学的一个分支，也是气象学与自然地理学间的边缘学科。

研究内容：主要研究气候要素在地球上的分布、区域气候特征、过去气候变化规律、太阳辐射、大气环流、地表及人类活动制约地球气候等问题，以期利用气候资源、改善气候条件，并避免气候不利影响。

分支：

1)按研究尺度：

①大气候学：较大空间尺度的气候状况。其水平范围在200km 以上，垂直高度在1-12km之间。

②中气候学：中等空间尺度的气候状况。其水平范围在100-200km以上，垂直高度在1-6km之间。

③小（微）气候学：由于下垫面性质以及人类和生物活动的影响而形成的小范围的特殊气候。

2)按研究所用原理和方法：

①天气气候学：借气流场型式与天气系统的关系，以研究地区气候特征的学科。

研究内容：长时期内平均环流、环流型式与天气系统相互作用，以及大气环流与大范围气候异常的关系等问题，从而为提高该地区天气预报准确率和阐明气候形成理论提供重要材料和理论分析。

②物理动力气候学：用物理学方法分析、研究气候形成及其现象的学科。

研究内容：大气中的声、光、电、辐射、蒸发、凝结、云雾等物理现象产生的原因，演变的过程与规律。

③自然气候学

3)按研究时段和所用资料：

①古（地质时期）气候学：分析、研究史前地质时期气候状况及气候变迁的学科。

研究方法：依据古生物学、地史学等得出的化石、深海沉积、孢粉等资料，分析地质时期气候的演变规律。

②历史时期气候学：研究人类进入文明，但尚无仪器观测大气现象时期的气候的学科。

研究方法：主要依据考古发掘所得植物遗骸及古代墓葬等提供气候信息和各种历史文献记载来研究数千年来冷暖气候演变的概貌。

③近代气候学

2.气候变化学：研究区域气候变化、历史时期气候变化、近代气候变化、气候系统年际变化预报、地球物理因子对气候的影响及气候变化预测方法的科学。

气候变化与社会生活、经济发展之间的关系

1.气候变化与社会生活之间的关系：

1)气候变化导致发热、哮喘、白内障、皮肤癌和其他皮肤病的增加。

2)由于自然灾害增加和农业品改变引起饮食和营养的变化。3)传染病发病率增加，进而导致了死亡率、致命性伤病增加，媒介传染病在较暖湿的气候中影响范围及程度均会扩大。2.与社会经济发展之间的关系：

1)气候变化导致自然灾害增加，从而影响经济发展。

2)反复曝露在气候变化引发疾病或压力下的个人，身体或精神病发病率均增加，从而导致暴力、自杀和犯罪率上升，影响社会的稳定，不利于经济的发展。

气候变化研究的主要方法及意义

1.研究的主要方法：

10-100年时间尺度的气候变化预测方法主要有：经验性气候预测方法、气候数理统计预测方法和气候动力学模式预测方法。

1)经验性气候预测方法

主要原理：建立在观测资料基础上，经过气候诊断分析，找到一些与预报对象有联系的物理因子，从而做出预报。

特点：计算简便、定性，物理机制不够明确，取决于是否有观测资料。

2)数理统计预测方法

主要原理：建立在观测资料基础上，利用统计方法建立预测模型，做出预报。

特点：计算简便、定性，物理机制不够明确，取决于是否有观测资料。

3)气候动力学模式预测方法

主要原理：根据数学物理方程建立描述全球气候系统的气候模式，利用模式做出预报。

特点：计算复杂、定量，物理机制较明确，尚有不确定性，尤其在局域范围。

2.方法介绍

1)经验性气候预测方法

主要依赖于影响气候变化的物理因子，特别是具有年代际时间尺度变化的因子。10-100年时间尺度气候预测的主要物理因子有：

①外部因子：太阳活动（太阳辐射、太阳黑子活动等）、火山活动、地球轨道参数（倾斜率、黄赤交角等）、月亮（阴阳历与节气、潮汐等）、行星（位置、相互关系等），以及人类活动（经济活动的排放、能源排放、土地利用、人口变化）。

②内部因子：气候系统的五个组成成分

a.大气圈：大气环流型、环流特征量、年代际变率、遥相关等。

b.水圈：海洋环流、冷暖洋流、热盐环流、海温、厄尔尼诺/拉尼娜事件等。

c.冰雪圈：冰雪面积、强度、流冰、融化等。

d.陆地岩石圈：地形、地热、反射率、粗糙度等。

e.生物圈：植被覆盖变化等。

2)气候数理统计预测方法

①时间序列分析

基本原理是计算预报对象本身的前后关系。

常用的方法有：趋势法、平稳时间序列分析、方差分析、譜分析、小波分析等。

②相关与回归分析

基本原理是根据最小二乘法，建立预报对象与预报因子之间

的回归方程，再根据建立的回归方程，结合预测因子的未来变化进行气候预报。

如：一元回归分析、逐步回归分析等

③相似聚类分析

基本原理是根据空间距离最小原则，建立预报对象与预报因子之间的相似方程，再根据建立的方程，结合预测因子的未来变化进行预测。

如：一元相似聚类、多元相似聚类、场相似聚类等。

④空间场分析

基本原理是计算空间场的主要特征型，建立预测对象本身或与预测因子之间的计算方程，最终做出空间场的预报。

如：经验正交函数分析（EOF）、最大熵譜分析、奇异值分解（SVD）、典型相关分析（CCA）等。

数理统计预测方法的预报对象：温度、降水和异常事件。

不足之处：

由于该方法只是从数学上进行计算，对于预测对象与预测因子之间的内在物理联系考虑较少。

补救方法：

把经验气候预测方法与数理统计方法相结合，以增加其物理含义。

3)气候模式预测方法

所用的方程组：

水平运动方程、流体静力学方程、连续方程、状态方程、热力学方程。

以上方程均为微分方程，对方程进行积分就可以得到预报结果。

模式的验证方法：

①运行该模式若干年，将模式生成的气候与当前的气候进行详细的比较。

②模式与过去气候的模拟结果比较，那时的一些关键变量与现在的变量有很大的不同。

③应用模式来预报大的扰动对气候的影响。

3.气候变化研究的意义

1)对重点工程建设、生态环境保护及公众健康有重要的指导意义；

2)对研究气候脆弱区有重大的指导意义；

3)对研究人体健康、公众安全有重大的影响。

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气候变化的概念及其范畴

1.概念

气候变化：较长时期的气候演变，也泛指各种时间尺度的气候演变。

气候变迁：气候是不稳定的，具有连续波动的性质。只有波动长期向一个方向变化，并使自然地理环境的其他因素发生改变时，才称气候变迁。

2.气候变化的范畴

从时间尺度和研究方法来看，地球气候变化史可分为三个阶段：地质时期的气候变化、历史时期的气候变化和近代气候变化。

①地质时期的气候变化：时间跨度最大，从距今22亿—1万年，其最大特点是冰期与间冰期交替出现。

②历史时期的气候变化：一般指1万年左右以来的气候。

③近代气候变化：有气象观测记录时期的气候。

导致气候变化的因素

1.天文因素太阳活动和行星地心会聚的力矩效应

行星会聚：指地球单独处于太阳的一侧，其它行星都在太阳的另一侧，且最外两颗行星的地心张角为最小的现象。八颗行星于冬半年会聚时，地球的冬半年延长，夏半年缩短，以致北半球接受的太阳总辐射量减少。这就是行星会聚的力矩效应。

2.温室气体所产生的温室效应

温室气体：大气中自然或人为产生的气体成分，它们能够吸收和释放地球表面、大气和云发出的热红外辐射光谱内特定波长的辐射。二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟化碳（PFCs）和六氟化硫（SF6）大气温室效应：大气中各种微尘和温室气体成分的存在，犹如温室覆盖的玻璃一样，阻挡了地面向外的辐射，增强大气逆辐射，对地面有保温和增温作用。

3.人类活动对陆地植被分布格局的改变

气候的有序变化

1.地质时期的气候变化：经历了震旦纪大冰期、寒武纪—石炭纪大间冰期、石炭—二叠纪大冰期、三叠纪—第三纪大间冰期和第四纪大冰期。

地质时期古气候变迁的基本特征：寒冷的大冰期与温暖的大间冰期交替出现。全球已出现过3次大冰期和2次大间冰期。大冰期持续时间约1,000万～2,000万年，气温和雪线下降；大间冰期持续时间约3亿年，气候变暖，冰川退缩，气温和雪线上升，中纬度温度变化幅度高达10℃。

1)震旦纪大冰期（距今六亿年以前）

气候特征：气候寒冷，除南极洲外，全球大陆都覆盖着大面积的冰盖和山地冰川，留下了大规模的冰碛层。

冰碛层：冰川运动或融化后所搬运、堆积的石块、碎屑物质组成的底层。

生物状况：由于气候寒冷几乎没有生物。

2)寒武纪—石炭纪大间冰期：这一时期包括了寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪和石炭纪五个地质年代。

时间范围：距今约6亿～3.5亿年，历时2.5亿年。

气候特征：气候变暖，冰川后退，雪线上升。

寒武纪：气候增暖且干湿气候带明显。

石炭纪：温和湿润气候。

①寒武纪：始于距今5.4亿年，延续了4000万年(三叶虫的时代)的生物界以海生无脊椎动物和海生藻类为主。

②奥陶纪：始于距今5亿年，延续了6500万年。奥陶纪是地球史上海侵最广泛的时期之一。原始的脊椎动物出现。

③志留纪：始于距今4.35亿年，延续了2500万年。笔石的时代，陆生植物和有颌类出现。

④泥盆纪：始于距今4.1亿年，延续了约5500万年。（鱼类的时代）陆生植物、鱼形动物空前发展，两栖动物开始出现。

⑤石炭纪：两栖动物的时代。石炭纪（Carboniferous period）开始于距今约3.55亿年至2.95亿年，延续了6000万年。石

炭纪时，陆地面积不断增加，陆生生物空前发展。当时气候温暖、湿润、沼泽遍布，大陆上出现了大规模的森林，给煤的形成创造了有利条件，是两栖动物的盛期。

3)石炭—二叠纪大冰期（距今二亿年以前）

二叠纪（Permian period）是古生代的最后一个纪，也是重要的成煤期。二叠纪开始于距今约2.95亿年，延至2.5亿年，共经历了4500万年。这一大冰期的影响范围主要在南半球和印度，所以又被称为“南半球的冰期”。此次大冰期的极盛时期只有2000—3000万年，降温幅度平均达到10-11℃。中国南部地区在这次大冰期后期的气候特点是炎热潮湿。

4)三叠纪—第三纪大间冰期

时间范围：距今约2.4亿～200万年，历时2.2亿年。这一时期包括了三叠纪、侏罗纪、白垩纪和第三纪。

气候特征：气候温暖、湿润。第三纪末期，世界气温普遍开始下降，气候趋于变冷。

①三叠纪（爬行动物和裸子植物的崛起）：爬行动物主要由槽齿类、恐龙类、似哺乳的爬行类组成。裸子植物的苏铁、本内苏铁、尼尔桑、银杏及松柏类自三叠纪起迅速发展起来。

②侏罗纪：始于距今2.03亿年，结束于1.35亿年，共经历了6800万年( 爬行动物和裸子植物的时代）

③白垩纪：始于距今1.35亿年，结束于距今6500万年，其间经历了7000万年。爬行动物和裸子植物由极盛走向衰灭，新兴的被子植物、鸟类、哺乳动物及腹足类、双壳类等都有所发展。

④第三纪：始于距今6500万年，延至距今180万年。被子植物的时代。第三纪的重要生物类别是被子植物、哺乳动物、鸟类、真骨鱼类、双壳类、腹足类、有孔虫等，与中生代的生物界面貌迥异，标志着“现代生物时代”的来临。

5)第四纪大冰期（距今约二、三百万年以前—今）

气候特征：全球性变冷，同时又曾出现多次冷暖、干湿波动。对人类出现以来的时代称之为第四纪的全新世。

第四纪：劳动创造了人类。哺乳动物的进化在此阶段最为明显，而人类的出现与进化则更是第四纪最重要的事件之一。形成寒带、温带、亚热带和热带植物群。

第四纪大冰期的气候变化：

总特点：这一时期是全球性的冰川发展时期，地球上所有地区的气温都有显著的下降趋势。它实际上是由几次亚冰期和亚间冰期交替循环的全球寒冷期的总称。

亚冰期的命名：根据Penck和Brucker（1901-1909）研究的欧洲阿尔卑斯山冰川分类，这几次亚冰期分别是：群智、民德、里斯、武木。李四光总结我国的第四纪冰川活动研究成果，将这几次亚冰期命名为：鄱阳、大姑、庐山、大理亚冰期。中国地质史上第四纪大冰期气候变化特征：

鄱阳亚冰期（距今110—80万年）

鄱阳—大姑亚间冰期（距今80—60万年）

大姑亚冰期（距今80—68万年）

大姑—庐山亚间冰期（距今68—37万年）

庐山亚冰期（距今37—24万年）

庐山—大理亚间冰期（距今24—12万年）

大理亚冰期（距今12—1万年）第四纪以来的三个温暖期：

①更新世的气候适宜期（距今250万—150万年）

更新世亦称洪积世、冰川世，占第四纪的大部分，在生物界最显著和重要的事件是包括人类在内的哺乳动物的繁盛。

②最后一次间冰期最适期（距今13万—12.5万年）

③全新世中期（距今6000—5000年）

全新世与更新世的界限，以第四纪最后一次冰期结束、气候转暖为标志，因此又称为冰后期。人类进入现代人阶段。2.历史时期的气候变化

1)冰后期的气候变动

冰后期：指近一万年来的时期。这一时期的气候经历了三次温暖期和四次寒冷期。

第一次温暖时期（距今1万—9千年）

第一次寒冷时期（距今9—8千年）

第二次温暖时期（距今8—5.5千年）

第二次寒冷时期（距今5.5—3千年）

第三次寒冷时期（距今3—1.9千年）

年平均温度比现代低6℃左右，又称“新冰期”。

第三次温暖时期（距今1.1—0.5千年）

又称“小气候最适宜时期”，全球气温高于现代，海平面比现在高0.5米，冰岛附近很少受到西北部格陵兰流冰的影响。第四次寒冷时期（距今400年前）

2)中国近5000年的气候变化

经历了四次温暖和四次寒冷期的波动。

①第一次温暖时期：

时间范围：公元前3500-1000年左右，仰韶文化到河南安阳殷墟时代。

气候：年平均气温比现在高2℃，一月温度约比现在高3-5℃，年降水量比现在多200mm以上，是我国最温暖的时代。

②第一次寒冷时期：

时间范围：公元前1000-850年，西周时期。

气候：气候寒冷而干燥。

③第二次温暖时期：

时间范围：公元前770-公元初年，春秋战国到秦汉时期。

气候：气候温暖而湿润。

④第二次寒冷时期：

时间范围：公元初-公元6世纪，东汉、三国到六朝时期。

气候：气候寒冷，年均温较现在低2-4℃。

⑤第三次温暖时期：

时间范围：公元7-9世纪，隋唐时期。

气候：气候温暖湿润，冬季最高温度较现在高2℃左右。

⑥第三次寒冷时期：

时间范围：公元10-12世纪，宋代。

气候：气候寒冷。

⑦第四次温暖时期：

时间范围：公元13世纪，元代。

气候：短期回暖。

⑧第四次寒冷时期：

时间范围：公元14-19世纪，明清时期。

气候：气候寒冷，极端初霜冻日期平均比现在提早25-30天，

极端终霜冻日期平均比现在推迟约1个月。

3)中国近500年的气候变化

这一时期属于中国历史上近5000年来的第四次寒冷期，它在时间上大体与世界气候变迁史上冰后期的“小冰河期”（又称“现代小冰期”）相当。三个寒冷期。

3.器测时代以来的气候变化

1)地表气温和海温的振动和变化

①地球和半球尺度的地表气温变化

影响观测资料精确度的因素：

资料的空间覆盖状况不完整而且有很大变化；

观测时间安排及方法发生过变化

温度表安装方式的变化；

台站位置的变化；

台站观测环境的变化。

②地球和半球尺度的海面温度变化

影响观测资料精确度的因素：主要误差来源在于测量海水的取样方法改变的影响。

全球海陆温度总体变化特点:

北半球多不规则升温,南半球升温比较平稳；

南半球从60年代起出现明显的升温趋势,而北半球却经历一段明显的降温过程后从1975年以后才出现升温趋势；

整个升温趋势,南半球更明显,但在1982到1989年期间又不如北半球升温剧烈。

2)降水和蒸发的振动和变化

全球范围的大陆降水：近年来，北半球中纬度地区降水有增加的趋势，而副热带地区有减少趋势，整个南半球降水也增加。但大尺度降水的空间变率也相当大。

影响降水资料可靠性的因子：

仪器安装场地、构造问题；

下雨时的雨速、雨滴尺度分布的影响；

雨量器高度和位置；

仪器观测技术不断改进的影响。

气候的无序变化

1.气候异常的概念及监测方法

气候异常：正常气候起伏中出现的明显反常现象。主要由气候因子的配置发生较大变化所致。常导致人类及动植物的不相适应，而影响人类社会活动及生产活动，危机动植物的正常生长发育等。

1)温度异常

①根据月平均气温确定温度异常

月平均气温距平偏离标准差的两倍为温度异常。

温度异常偏高：月平均气温距平大于等于2倍的标准差；

温度异常偏低：月平均气温距平小于等于负2倍的标准差。

②根据正态分布对规定的30年气温资料来计算温度异常

采用正态分布，在规定的30年中计算其温度等级，当监测到的温度：

T≤正态分布值的10%时，气温显著偏低；

10%＜T≤30%时，气温一般偏低；

30%＜T≤70%时，气温正常；

T≥70%时，显著偏高。2)降水异常监测

①采用WMO的五分法确定降水异常等级。

将某一30年的参考时段中同期降水量从小到大进行排序，定义出不同参考级别的降水量：

当监测到的降水量属于30年中未出现过的少降水量时，降水级别定义为1，认为这属于异常偏少；

当监测到的降水量属于30年中未出现过的大降水量时，降水级别定义为5，认为这属于异常偏多；

依此类推，将降水量划分为：异常偏少、少雨、正常、多雨和异常偏多五个等级。

②根据对月降水量T分布计算不同百分位对应的降水量，确定降水量的异常程度。

当月降水量小于参考时段中的10%的分位数值时，认为降水量显著偏少；

大于参考时段中的90%的分位数值时，认为降水量显著偏多；当为30%—70%时，属于正常；

当为10%—30%时，属于偏少；

当为70%—90%时，属于偏多；

3)极端气候事件

干旱与洪涝事件

热浪与寒潮（监测其出现的频率及强度）

4)环流异常

监测方法：监测方法很多，我国主要通过对500hpa高度场的监测，依据高度距平来判断气候异常。

监测指数：

欧亚和亚洲地区经向和纬向环流的变化情况；

北半球和西北太平洋副高面积、强度、脊线位置和北界位置、西伸位置等；

极涡面积以及印缅槽指数等；

对流层高层和低层的风及流函数和势函数等所计算的物理量的监测也常常是季风系统、Walker环流、对流活动等异常监测的重要手段。

5)厄尔尼诺效应与拉尼娜效应

监测：热带海洋与全球大气研究计划和热带海洋大气浮标观测阵列（TOGA-TAO）对这两种效应的监测。

确定方法：通常以赤道东太平洋的区域平均SSTA指数变化来判断这两种效应的发展与结束。

主要用Nino3区的海表温度持续异常来确定。

若在监测区内持续6个月SSTA偏高0.5度，则为一个厄尔尼诺过程；

若在监测区内持续6个月SSTA偏低0.5度，则为一个拉尼娜过程。

6)积雪与海洋异常

卫星监测月内雪盖和海冰日数，再与年平均值比较后确定其频率是否为异常。

测站观测资料对不同雪深的积雪日数与年平均值进行比较后检测是否异常。

2.气候异常观测事实

三大涛动

①北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation NAO）

北大西洋上冰岛低压与亚速尔高压之间的跷跷板式气压变化。

②北太平洋涛动（North Pacific Oscillation NPO）

北太平洋上阿留申低压与夏威夷高压之间的跷跷板式气压变化。

③南方涛动（South Oscillation SO）

南太平洋气压与印度洋气压之间的跷跷板式气压变化。

北极涛动（Arctic Oscillation AO）

北半球热带外地区(20°N 以北)冬季(11月～4月)海平面气压距平场EOF第一特征向量呈中纬度和极区反位相变化的南北振荡形式，将北半球热带外地区冬季海平面气压场的这种环形模态称为“北极涛动”。

南极涛动（Antarctic Oscillation AO）

南半球也存在大气涛动现象，即南极涛动。这种副热带和中高纬度的跷跷板气压变化是正压性的，纬向风或纬圈平均气压的异常向上贯穿整个对流层，而且南、北半球结构一致。

大气涛动的影响区域

NAO主要影响北大西洋及邻近的北美大陆、西北非洲、西欧和格陵兰等地区。

NPO主要影响区域包括以阿留申群岛为中心的北太平洋及相邻陆地和130°E－150°W的北太平洋中低洋面。

SO影响范围比较大，贡献率大于或等于20％的区域占据了南北纬30度之间的大部分区域，对印度洋和太平洋30°S－30°

N区域的平均解释率冬季和夏季分别达到了31.7％和22.5％。南极涛动主要影响区域在南半球中、高纬地区。

北极涛动主要影响区域在北半球中、高纬地区。

北极涛动处于较强的正位相时，东亚冬季风减弱，冷空气对我国冬季气候的影响也减弱，我国大部分地区气温偏高。强的北极涛动还造成我国日平均气温方差变小，这意味着天与天之间的变化更加平稳。研究还发现北极涛动对我国长江中下游地区夏季降水量的年际变化有显著影响。

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气候变化对生物圈的影响

1.气候变化导致植被在时空上的演化

在时间上，气候变化导致植被类型的演变；在空间上，气候变化导致植被分界线的迁移和植被空间分布格局的变化。

2.森林植被的扩张与回归

1)高纬度地区树木向北扩展的速度通常可达每年300-500米，生长周期短的草本植物的扩展速度通常比木本植物要快一些。

2)天然障碍有时会阻碍植被的空间扩展。

3)在北美大陆，冰期向间冰期的转变过程中存在两种植被变化趋势。

4)中高纬度地区植被扩展在全新世中期温暖期，植被扩张最大。在距今4000年以后，气候变冷，植被又出现南退的现象。

5)低纬度地区植被的变化与降水的变化相适应。

6)自然植被的地理分布向北移动，某些物种因不能适应新环境而灭绝，也可能出现一些新的物种体系。

3.气候变化影响生物多样性

1)气候变化导致一些动植物物种的灭绝，从而导致生物多样性减少。

2)气候变化导致动植物物候的改变，造成地理分布、生理、生活周期、迁徙习性和栖息地发生改变、生存能力下降。

3)气候变化导致野生动植物病原体活性增加，影响这些生物的存活。

4)气候变化和随之而来的物种迁移导致许多物种将面临“外来种”或至少是陌生的相邻物种种群的影响。

5)气候变化引起的干旱和火灾几率加剧，从而提高了生物入侵的可能性。

4.气候变化对生态系统功能的影响

1)CO2浓度升高和气候变化的影响

①对初级生产力的影响：大多数生态系统在高CO2浓度下，初级生产力增加；一些低温地区生态系统的初级生产力对CO2 浓度变化反应不明显。

②对凋落物分解的影响：CO2浓度升高不影响凋落物的分解速度。

③对水分有效性的影响：草地生态系统土壤水分的有效性在高CO2浓度下会有所增加。森林生态系统反应不明显。

④对碳汇功能的影响：一般认为，CO2浓度升高会促使植物光合产物流向根系，从而提高生态系统地下部分对碳的固定以及土壤矿质化过程和植物根系对水分的吸收。

⑤气温升高会加快植物的发育，改变植物水分平衡，从而加快温室气体的排放。

2)大气氮沉降的影响

①大气氮沉降可能增加北半球温带森林对大气CO2的净吸收，从而缓和了因化石燃料利用及土地覆盖和利用的改变所造成的大气CO2浓度升高。

②大气氮沉降不仅会增加初级生产力和生物量，也可能会提高叶片含氮量，从而提高了植物受虫害的可能性。

③氮素的输入还会提高一些植物的竞争能力，从而在相当一段时间内影响到生态系统的功能。

④大气氮素的输入常常是和硫化物的输入一起发生，因而对陆地生态系统的影响与酸雨的效应有关。

3)生物多样性丧失的影响

生物多样性降低会显著减少陆地生态系统对碳的吸收。

4)降水改变、海平面升高的影响

①干旱、半干旱地区夏季的降雨量预计会随着CO2浓度的增加而增加，加上全球变暖的效应，会对这些地区的植物生长有促进作用。

②海平面升高会加剧海水对陆地生态系统的侵扰，从而影响了海岸地区植物的光合作用和水分平衡。

5.气候变化对陆地生态系统的影响

1)对生态系统种类组成的影响

①在冻原或高山寒冷地带，气温升高能够改变生物群落的物种组成。

②CO2浓度增加也改变了生态系统的物种组成和结构。

③土地覆盖和利用的改变应造成全球范围内生物种类和品种的大量减少。

2)对生态系统结构的影响

①气候变化对生态系统种类的改变会直接导致生态系统结构的变化。

②气候变化通过改变植物的死亡率以及随后的幼苗生长而影

响陆地生态系统的结构。

③人类活动造成的景观破碎化将对陆地生态系统的结构变化产生重要的影响。

④生态系统结构的改变在极端的生境条件下，如高山和极地地区表现明显。

气候变化对水圈的影响

1.冰川与海洋状况变化

冰川的变化

冰川冰：是一种浅蓝而透明的、具有塑性的多晶冰体。

冰川的形成：积累在雪线以上的积雪，如果不变成冰川冰，就还是永久性积雪。只有当多年积累起来的雪，逐渐演变成冰川冰之后，它才能沿斜坡流动，形成冰川。

冰川的分类：按其形态和运动特性分为大陆冰盖和山岳冰川。

1)陆地冰盖的消融

第一阶段：

在距今1.4—1.2万年，冰盖消融的早期可能主要以变薄为主，到了距今1.3万年，冰盖消融已达一半,但范围不大；

第二阶段：

在距今1万—9000年和8000—6000年，发生了全新世以来冰盖体积两次阶段性迅速退缩、减小；

距今1万年前后，不列颠岛上的冰盖已经融化；

距今9千年前后，前苏联境内的冰盖消失；

距今8.5—8千年，斯堪的纳维亚冰盖消失；

距今7—6.5千年，北美大陆上的冰盖完全消失。

2)山地冰川的进退

在距今1万年—8500年，全球山地冰川无明显变化趋势；

在距今8500—4000年，与全新世温暖相对应，全球冰川总体上以退为主；

在距今4000年以后，冰川以前进为主，且进退波动频繁，与全新世变冷相对应。

3)海冰状况的变化

海冰的分布范围有限并且与冰川冰相比体积要小得多。主要以浮冰、冰架和冰山的形式出现。

冰架：是漂浮在海面上但与陆地上的冰原或冰川相联接的冰体。著名的罗斯冰架面积达1万平方千米。

冰山：是从大的冰体（冰原、冰川、浮冰和冰架）断裂分开后独自漂浮在海上的冰体。冰山在融化之前可以在海上漂浮数百至数千千米。

在距今1万年前后，北大西洋极地水团南界重新退缩到与现代相近的位置上，导致永久性海冰在北大西洋消失、墨西哥湾流系统重新建立。

约从距今8000年左右开始，黑潮暖流完全进入日本海，使大陆性气候转变为海洋性气候，并导致降雪增多。

海洋的变化

冰盖融化导致的海平面上升加速了冰盖的崩溃，导致了海平面的进一步上升。

全球海平面从距今1万年前后的-40m，到距今6-5千年上升到现代水平甚至更高，平均上升速率1m/100a。

海平面上升导致海岸线向陆地方向迁移，使冰期时露出的大陆架被淹没成浅海。海水向陆地推进的速度加快。

2.湖泊演变与河流调整

在冰川作用地区，冰川的退缩直接影响到湖泊的发育；

在非冰川作用地区，湖泊和河流也随着全新世的气候变化而发生显著变化。

1)湖泊：

进入全新世后，从非洲撒哈拉地区到印度西北部以至我国青藏高原与长城沿线地区，均由于降水的显著增加而了出现湖面扩大、湖水淡化现象。

有研究表明：

①对平原湖来讲：由于水体蒸发加剧，入湖河流的来水量不可能增长，将会加快萎缩、含盐量增加，并逐渐转化为盐湖，对湖泊水资源的开发利用不利；

②对高山、高原湖来讲：少数依赖冰川融水补给的小湖，可能先扩大后萎缩；

③对山间盆地的大湖来讲：降水大于蒸发，湖面扩大，否则萎缩。

2)河流：

①河流调整的共同特征是：因海平面上升而导致河流缩短、河流侵蚀基准面上升、河流沉积增加，河道由“辫状”转为“曲流”，具有较高的含沙量；

②北半球中纬度地区地面反弹导致河流下切增强，形成河流阶地，曲流河道广泛发育；

③低纬度地区，河流在降水增加的时候，流域面积增大；在降水减少，气候变干的年份，流域面积显著收缩。

3.气候变化对海洋生态系统的影响

1)气候变化引起水体富营养化，氮、磷在近海水域的大量增加，大幅度提高了近海水体中N:Si和P:Si的比率，使海洋生态系统从需要硅的硅藻主导群落向不需要硅的鞭毛藻、蓝藻和定鞭金藻等主导群落转移。最终导致整个海洋生态系统的组成及时空分布也随之发生本质上的变化。

2)气候变化对渔业的影响

①全球变暖对生活在中、低纬度鱼群的产量影响较小。

原因：

a.中、低纬度在全球温暖过程中温度变化幅度相对较小；

b.中、低纬度的渔业产量的限制因子主要以营养盐、赤潮和病害为主；

②全球变暖对高纬度地区的渔业影响很大。

原因：限制高纬度渔业生产的因子是光照和温度，在全球气候变暖过程中高纬度水域的水温、风、海流、盐等物理因子变化的幅度较大。

影响：

a.水温升高影响鱼类的时空间分布范围和地理种群数量。

b.水温升高使水域中的浮游植物和浮游动物的时空分布和群落结构发生长期的趋势性变化，导致以浮游动物为饵的上层食物链发生结构性的改变，从而对渔业产生深远的影响。

c.全球变暖引起的海平面上升影响海岸带的经济发展。

d.海平面上升将淹没湿地和浅滩，使生活在这些地区的红树林、珊瑚和海藻等面积下降，进而影响渔业发展。

e.全球变暖引起的气温升高和季风改变影响南极极冰的出现

季节和分布范围，从而影响南极磷虾等海洋生物的分布、数量、群集和繁殖。

f.臭氧洞导致的紫外辐射增加，而紫外辐射对包括浮游植物在内的水生微小生物的生长和繁殖具损伤作用，导致水域基础生产力下降。

4.气候变化对淡水生态系统的影响

1)温度变化的影响

全球变暖主要是通过增加平均水温，延长生长季节，使冬季变暖以缩短冰冻期和增加夏季最高温等方式直接影响淡水生态系统，并通过改变水、气和光等条件对生物造成间接影响。

a.在流水量变化不大而主要靠生物作用控制生物丰度的湿润区域，气温对河流生态的影响最为强烈。

b.在温度变化最为显著的高纬度地区，气温对湖泊生物的直接影响最为明显。

①水温变化直接影响水域的生物产量。

②水温变化使群落优势种发生变化，从而改变淡水生态系统的食物链和食物网。

③水温变化改变生物的分布格局，进而导致一些物种的灭绝。

④温度的升高引起生物遗传特性的改变，以适应环境的变化。

⑤温度升高使物种向高纬度地区倾斜，异种的侵入使这些区域的地方种发生新的竞争作用，有可能造成当地种生存能力的下降。

2)水位和水量变化的影响

①湖泊水面变化会极大影响近岸生物群，导致沉水大型藻类植物死亡率增加，挺水植物不得不在坡上生长，在沿岸带繁殖的鱼，有在沙上产卵的种类取代了在石上产卵的种类。水面下降，易使湖水同周边湿地分离，导致一些使用湿地作为产卵和孵化区的生物的数量下降。

②干旱将引起相连水域的联系被切断，造成生境的分离和丧失，影响种群结构，种的迁移和扩散，使种群的生存能力大大下降。

③干旱导致生物多样性急剧下降。

④降水增加，河流、湖泊水位上升会造成与干旱相反的效应。

⑤降水过多，引发洪涝灾害也会导致生物多样性急剧下降。气候变化对土壤的影响

1.土壤退化

1)土壤侵蚀

土壤侵蚀：是指在风或水流作用下土壤被侵蚀、搬运和沉积的整个过程。

风蚀：以风力为动力的土壤侵蚀现象。它是在地表缺乏植被覆盖，在土质疏松和土层干燥的情况下，由风速达4-5m/s的起沙风吹拂地面的结果。

水蚀（水土流失）：以水为动力的土壤侵蚀现象。

2)土壤次生盐渍化

土壤次生盐渍化：是指在干旱，半干旱地区由于水文地质条件的不同而存在的非盐渍化土壤，因人类的不合理灌溉，促使地下水中的盐分沿土壤毛管孔隙上升并在地表积累，由此引起的土壤盐渍化称次生盐渍化。

主要原因：

A.发展引水自流灌溉，导致地下水位上升超过其临界深度，使盐分通过毛细管上升，聚集地表；

B.利用高矿化度的水进行漫灌,盐分滞留地表；

C.开垦具有积盐层的底土；

D.滨海区由于频繁海潮带入土体中大量盐类，在强烈蒸发作用下向地表积累而形成滨海盐渍化。

盐渍化土地导致粮食产量下降。

3)土壤污染

土壤污染：指由于人类活动产生的有害、有毒物质进入土壤，积累到一定程度，超过土壤本身的自净能力，导致土壤性状和质量变化，构成对农作物和人体的影响和危害的现象。

土壤污染主要来源：工业和城市的废水及固体废物、大气中污染物（如二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等）通过沉降和降水落到地面的沉降物、以及农药、化肥、牲畜的排泄物等。污染土壤的主要污染物包括：无机污染物（如重金属、酸、盐等）、有机农药（如杀虫剂、除莠剂等）、有机废弃物（如生物可降解或难降解的有机废物等）、化肥、污泥、矿渣和粉煤灰、放射性物质、寄生虫、病原菌和病。

2.土地荒漠化

土壤荒漠化：指因气候干旱或人为不合理利用使地表植被破坏或覆盖度下降，风力侵蚀土表或土体盐渍化加重，均属荒漠化表征。

气候变化对人类环境整体的影响

1.气候与生态环境和人类健康的关系

1)气候与水资源

①降水是水资源的主要来源；

②降水的不均匀分布导致水资源的不均匀分布，表现在以下三个方面：

a.降水量南多北少，导致水资源南丰北歉；

b.降水量季节分布不均匀，大部分地区降水集中在夏半年，导致大部分河川也是夏季丰水，冬季枯水；

c.降水量明显的年际变化，造成了可用水资源也存在着明显的年际变化；

③蒸发可导致水资源的减少。

2)气候与农业

①光、热、水等气候要素是决定种植制度的基本因素，其中热量条件是决定某一地区一年几季的主导因素。

②光、热、水气候要素的不同组合对农业生产的影响不同。

③土地资源自然生产力的地区差异，主要是水热条件的地区差异所致。

④作物种类和品质与气候条件密切相关。

3)气候与森林

森林的作用：涵养水源、保持水土、净化空气、减少风沙、调节气候、保护环境。

二者之间的关系：气候状况决定可生长树种的类型；森林生态系统是各种植被系统中的最大碳库，因此对大气中二氧化碳的固定有很大影响。

4)气候与草原

①气候条件直接影响着牧草的生长发育；

②水热状况的地区差异和季节分布决定着草原带的分布和生产力；

③牲畜的适应范围和产品品质与气候条件相关。

5)气候与人类健康

①人体周围的热环境影响人体的舒适程度；

②天气变化可以直接诱发疾病；

③发生或流行有季节性的疾病都与气候条件的季节变化有关；

④地方性多发病与当地的气候条件密切相关；

⑤死亡率有明显的季节变化。

2.气候变化对人类环境的影响

1)自然植被的地理分布与物种组成可能发生明显变化

2)冰川、冻土和积雪可能减少

3)气候变化可能是湖泊水位下降、面积萎缩的主要因素之一

4)海平面升高将影响海岸带和海洋生态系统

5)一些极端天气气候事件可能增加

6)气候变化对国民经济的影响可能是以负面为主

7)对气候变化敏感的传染性疾病传播范围可能增加，危害人类健康

8)气候变化将影响人类的居住环境

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农业对气候变化的敏感性

1.世界农业的现状

1)发展中国家

①农业是经济的主要成分；

②多数农民是自给者，自给农占到了世界人口的50%—60%；

③劳动者的受教育程度低下；

④生产方式是传统的，输入的主要是劳力和土地；

⑤产量、劳动生产率、土地利用率都十分低下；

⑥由于农业技术水平低下，对气象灾害的防御能力较差，灾害损失也较严重。

2)发达国家

①农业部门发生了很大变化，农业动力实现了电气化，石油、电力占农业总动力比重的90%以上；

②劳动工具实现了机械化；

③劳动者的文化素质高；

④劳动对象不是自然土地和普通动植物品种，而是大量使用化肥的土地和优良品种；

⑤劳动组织管理上实现了科学化，劳动者本身是经济培训的知识化的管理者；

⑥农业突破了国界，农业贸易完全走向了国际化；

⑦整个农业体系适应气候变化的水平较高，防灾抗灾能力居世界前列。

2.世界农业对气候的敏感性

敏感性是指系统受与气候有关的刺激因素影响的程度，包括不利和有利影响。这里所描述的与气候有关的刺激因素指所有的气候变化因素，包括平均气候状况、气候变率和极端事件的频率和强度。影响也许是直接的（如由于平均温度、温度范围或温度变率的变化而造成作物产量的变化）或间接的（由于海平面上升造成沿海地带洪水频率增加引起的灾害）。适应能力是指系统适应(包括气候变率和极端气候事件)、减轻潜在损失、利用机会对付气候变化后果的能力。

脆弱性是指系统易受或没有能力对付气候变化（包括气候变率和极端气候事件）不利影响的程度。脆弱性是系统内的气候变率特征、幅度和变化速率及其敏感性和适应能力的函数。

1)世界气候正处于一个极其震荡不稳的变化时期，异常气候在世界不同地区频繁发生，未来世界农业对气候的敏感性增大，脆弱性上升；

一方面，由于气候变暖，地面温度、大气温度升高，干旱程度加剧，使得农田蒸散量增加，植物、土壤的水分损耗率增大，农业缺水现象严重；

另一方面，由于季风降水的极向迁移，许多旱作农业区云量增多，湿度加大，降水增多，洪涝机率上升，水土流失加重，农业收成锐减。

2)世界粮食体系对气候变化的敏感性加大；

3)世界农业的产量对气候的敏感性增强。

气候变化对农业生物的影响

1.对气候生产潜力的影响

1)在气候变化情景下，小麦的气候生产潜力下降，且高纬地区下降比低纬度大。

2)在气候变化情景下，灌溉条件下，单季稻气候生产力将平均下降5%—10%，双季稻则下降10%—14%。雨养单季稻的影响小于双季稻。

3)在气候变化情景下，玉米的气候生产潜力可提高9.5%—21.2%。

4)在气候变化情景下，大豆的生产潜力可能下降。

2.对作物产量的影响

1)对小麦产量的影响

①对冬小麦而言，气候变暖变湿，有利于北部地区增产，南部地区减产；气候变暖变干，两个地区都将减产。

②对春小麦而言，气候变暖变湿，将会增产；气候变暖变干，要视当地农业水分条件和品种的水分利用率情况。

2)对水稻产量的影响

①通过气候要素的异常变化影响水稻生育和生理过程，从而影响其产量。

②通过突发性灾害天气和特定天气条件下病虫害的发生，间接影响水稻的产量。

3)对棉花产量的影响

气温升高对增产有利，湿度和降水变化的影响要看不同棉区、当地水分条件而定。

4)对玉米产量的影响

不同地区各有利弊，但就全国而言则是利大于弊。

气候变化对农业生态环境的影响

1.温度升高对农业的影响

1)农田蒸散量加大；

2)农业气候带北移，农牧过渡带向东南方向移动；

3)种植带北移，种植结构发生变化；

4)作物生育期缩短。

2.土地利用的影响

1)土壤沙漠化；

2)土壤侵蚀加重。

气候变化对农业病虫害的影响

1.气候变暖，特别是冬季温度升高，将有利于害虫和病原体安

全越冬，使来年春夏的虫病源基数增大，引发危害面积扩大，危害程度加深；

2.春秋季温度升高，将延长害虫和病菌的可生育时期，有利于病虫害春季早发，冬季休眠推迟，危害期延长；而积温增加，可使一年中病虫繁育的世代增多，致使农作物受害概率增大；

3.高温干旱时段增多，可部分抑制喜湿性病虫害的流行，也可使喜干性病虫害的发生和蔓延，从而发生病虫害种类的演替更迭；

4.空气中CO2浓度增大，植株总含碳量增高，含氮量下降，致使害虫的采食量增大，以满足其对蛋白质的生理需求，导致对农作物的危害加重；

5.使农业害虫繁殖量和世代数增加，世代分布区向北移动。二氧化碳倍增、海平面上升对农业的影响

1.温室气体增加对农业的影响

1)二氧化碳浓度增加，使C3植物的光合作用量增加，而C4植物光合作用量变化不大；

2)二氧化碳浓度增加，影响植物的营养吸收、生物固氮、植物抗逆性、杂草和病虫害发生等。对植物有正反两方面的影响。

2.海平面升高对农业的影响

海平面上升后，海拔低的农田将被淹没，沿海地区的土壤含盐量增加。

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全球气候观测系统

1.观测的分类

实地观测：指在地球表面、大气和海洋的某一地点观测得到的结果。

空基观测：主要指卫星遥感包括利用极轨卫星和静止卫星取得的观测结果。

2.建立全球气候观测系统（GCOS）的目的

试图建立一个长期面向用户的业务系统，以实现气候系统的监测，达到检测气候变化信号及原因，评估气候变异和变化的影响，支持气候系统机制研究、模拟预测的目的。

3.GCOS的三个子系统

1)大气观测系统（GCOS）

了解大气与海洋的关系，了解冰雪圈对气候的影响，了解陆地与大气之间的关系。

世界天气观测网、全球大气监测网，主要观测大气环流、大气成分、地面气候要素、云和辐射特征等。

2)海洋观测系统（C0OS）

了解大气与海洋的关系，了解大陆架海区，监测海洋生态系统。

主要观测海气相互作用、上层海洋温盐结构、海洋环流、海洋高度、海洋表面的碳交换。

3)陆地观测系统（GTOS）

管理陆地生态系统，了解陆地与气候的关系，监测陆地生态系统的变化。

陆地表面覆盖观测主要观测土壤、森林、草原、耕地、积雪、冰川等；陆地特性变化观测主要观测陆地生态系统变化、冰雪圈变化、水圈变化、其他特性变化等。

气候变化评估机构1988年世界气象组织（WMO）与联合国环境署（UNEP）联合建立了政府间气候变化协调委员会，即IPCC （Intergovernmental Panel on Climate Change）。

本机构的三个工作组：科学评估组、影响评估组、对策组。本机构的工作组目标：根据所有的科学信息，对气候变化做出评估；对气候变化的环境与社会影响做出评估；决定相应对策。

国内外气候与气候变化研究计划

1.世界气候与气候变化研究计划

①气候变率和气候的可预报性研究（CLIVAR）

②平流层过程及其在气候中作用的研究（SPARC）

③全球能量和水分循环计划（GEWEX）

④世界大洋环流计划（WOCE）

⑤北极气候系统研究（ACSYS）

⑥热带海洋和全球大气计划（TOGA）

2.国际气候变化研究计划（WCRP）的成果

深入了解了气候变化与气候变率；改进了气候服务；开展了全球资料的再分析计划。

3.中国的气候试验和研究计划

“九五”期间的五大气象试验

①南海季风试验（SCSMEX）

②青藏高原地—气系统物理过程及其对全球气候和中国灾害性天气影响的观测和理论研究（TIPEX）

③淮河流域能量与水分循环试验（GAME-HUBEX）

④内蒙古半干旱草原土壤—植被—大气相互作用研究（IMGARSS）

⑤海峡两岸及邻近地区暴雨试验研究（HUAMEX）

4.中国的气候变化研究

1)根据黄土—古土壤序列重建了第四纪240万年的中国古代气候序列；

2)根据冰芯、孢粉对全新世以来的近1万年的中国气候有了系统的认识；

3)根据史料，树木年轮等，研究了近5000年的中国气候；4)主要依靠气象观测资料，参考代用资料建立了近百年中国气候气温降水序列。

有关气候变化的国际谈判

《联合国气候变化框架公约》

《京都议定书》