第 9 章 气候变化及其对水资源的影响

本章内容

9.1 气候变化的历史事实9.2 气候变化的原因 9.3 人类活动对气候的影响9.4 气候变化对水循环和水资源的影响9.5 气候变化对策

由于旱情持续，截至 2010 年 2 月 28 日，云南省蒙自县冷泉乡索本底等 5 个自然村近 200 户人家只能靠本地接近干枯的山泉作饮用水和生活用水。

云南今年遭遇 50 年一遇的特大旱灾， 2010 年 2 月 2 日，昆明市石林县高石哨绿塘子水库干旱的露出了池底。

严峻的形势（国内）

2011年 5月鄱阳湖成为大草原

气候变暖 太平洋岛国图瓦卢将消失

在哥本哈根会议上：为太平洋岛国请命斐济代表泪洒会场

气候变暖，马尔代夫沉没进入倒计时

2010 年初，英国遭遇 30 年最大雪灾，伦敦交通几乎瘫痪 , 所造成的经济损失将近 17亿美元。

严峻的形势（国际）

，

因气候变暖首先可能被淹没的地区

气候变化：气候相对于平均状态的偏离

( 二 ) 历史时期的气候变化（时间尺度为千年）

( 一 ) 近现代的气候变化

( 三 ) 地质时期的气候变化（时间尺度为千年或更长）

短期：时间尺度为月或季节 （年内变化）中期：时间尺度为几年 （年际变化）长期：时间尺度为几十年 （年代际变化）

超长期：时间尺度为几十百年 （世纪际变化）

（实测观测资料）

气候变化研究的间接证据

史料记载 树木年轮 花粉分析

生物化石 冰芯 石笋

地质时期的气候变

化

地球 6 亿年来经历的三大冰期和两大间冰期示意图

暖

冷

震旦纪冰

期

距今 6 亿年前

石炭二叠纪冰

期第一大间冰期第四纪冰

期第二大间冰期现今

全 球年平均气温

15 ºC

地质时期的气候变化

中国近五千年内可以相对地分出中国近五千年内可以相对地分出四个温暖期与四个寒四个温暖期与四个寒冷期冷期。。

2000

1800

1600

1400

1200

1300

1500

1700

1900 +4+3+2+1

-1

0

-2-3

-4

10000

5000

4000

3000

2000

1000

500 0 500

1000

1500

1600

1700

1800

1900

1950

高度（ m ） 温度（℃）

年代

温暖

期温暖

期 温暖

期温暖

期

寒冷

期 寒冷

期寒冷

期寒冷期

一万年来挪威雪线高度（实线）与五千年来我国温度（虚线）比较

历史时期的气候变化

气候变化研究的间接证据 近代气候变化

冷→暖→冷→暖四次波动，气温总体呈为上升趋势。 进入 80 年代后，全球气温明显上升近百年来，全球平均气温升高约 0.6℃ 。

进入 80 年来后，全球气温上升趋势加快。

观测到的事实 - 全球气温变化

1850 年以来最热的 12 年有 11 年发生在近期； 2001-2005 年气温距平为： +0.76 , ℃ ( 基准 :1850-1899)

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000

0. 6

0. 4

0. 2

0

-0. 2

-0. 4

-0. 6

温 度

距 平

（℃

）

（ Base line:1961-1990 ， IPCC ， 2001 ）温度距平（

℃

）

全球平均地表温度距平变化

与全球气温变化趋势基本一致； 过去的 100 年气温上升 : 0.5-0.8℃； 最近几十年平均气温升率略高于全球平均水平。

温度距平（

℃

）

全国平均气温距平变化

1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000

1. 0

0

-1. 0

0. 5

-0. 5

温 度

距

℃平

（）

China

Baseline:1970~2000

观测到的事实－中国气温变化

观测到的事实 - 全球降水变化

The Observed changeIn

creasing

Decreasing

Increasin

g

Increasin

gIn

creasing

Decreasing

In: IPCC TAR, 2001全球过去百年降水距平分布

1951-2002 年全国降水变率

西部 : 明显增加

华南 : 增加 华北 : 减少 东北 : 减少

The Observed change

Increasing

Decreasing

Decreasing

Increasing

In: China’s National Assessment Report on CC, 2007

观测到的事实 - 中国降水变化

观测到的事实－江河径流变化

总体趋势：减少 显著减少趋势 ：海河、黄河、辽河 弱减少趋势：淮河、松辽河、珠江、长江 弱递增趋势：长江中下游，淮河上游，嫩江

The Observed change

-80

-60

-40

-20

0

20

Yic

han

g

Han

kou

Dat

ong

Tan

gnai

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Hu

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Lij

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Wan

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Xia

hu

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Zh

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Wu

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o

Zh

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i

YangzeRiver

Yellow River HuaiRiver

Haihe River SongliaoRiver

Pear andMin River

Basin and station

Dep

artu

re(%

)

1981~2004 年平均径流量较 1950~1980 年径流量的变化

洪水和干旱的频率和强度增加 全球平均海平面每年上升 1~2mm

非极地冰川大范围缩小，雪盖面积下降，永久性 冻土退化 厄尔尼诺事件更频繁和强烈 动植物生长范围向高海拔移动，生长周期和习性随之变化

The Observed change

观测到的事实－其它要素变化

　　 气候的形成和变化受多种因子的影响和制约，下图表示各因子之间的主要关系，图中C.D是气候系统的两个主要组成部分，A、 B、 F则是外界因子。

9.2 气候变化的原因

太阳辐射是气候形成的最主要因素。气候的变迁与到达地表的辐射能的变化关系至为密切。引起太阳辐射能变化的条件是多方面的。

　　 (一 )地球轨道因素的改变　　地球在自己的公转轨道上，接受太阳辐射能。而地球公转轨道的三个因素：地球轨道的偏心率、地轴的倾斜度和春分点的位置等都是以一定的周期在变动着的，这就导致地球上所受到的太阳天文辐射发生变动，引起气候变迁。

　　

一、太阳辐射的变化

到达地球表面单位面积上的天文辐射强度是与日地距离 (b) 的平方成反比的，地球绕太阳公转轨道是一个椭圆形，现在这个椭圆形的偏心率 (e) 约为 0.016 。目前北半球冬季位于近日点附近，因此北半球冬半年比较短 (从秋分至春分，比夏半年短 7.5日 ) 。但偏心率是在 0.00-0.06 之间变动的，其周期约为 96000 年，以目前情况而论地球在近日点时所获得的天文辐射量(不考虑其他条件的影响 )较现在远日点的辐射量约大1／ 15 。当偏心率 e值为极大时，则此差异就成为 1

／ 3 。

1. 地球轨道偏心率的变化

地轴的倾斜是产生四季的原因。由于地球轨道平面在空间有变动，所以地轴对于这个平面的倾斜度 (f)

也在变动。现在地轴倾斜度是 23.44° ，最大时可达 24.2

4° ，最小日寸为 22.1° ，变动周期约 40000 年。这个变动使得夏季太阳直射达到的极限纬度 (北回归线 ) 和冬季极夜达到的极限纬度 (北极圈 ) 发生变动如下图所示。

2. 地轴倾斜度的变化

春分点沿黄道向西缓慢移动，大纣每 21000 年，春分点绕地球轨道一周。春分点位置变动的结果，引起四季开始时间的移动和近日点与远日点的变化。地球近日点所在季节的变化，每 70 年推迟一天。大约在一万年前，北半球在冬季是处于远日点的位置 (现在是近日点 ) ，那时北半球冬季比现在要更冷，南半球则相反。

2. 春分点的移动

　　 到达地表的太阳辐射的强弱，要受大气透明度的影响。火山活动对大气透明度的影响最大，火山爆发喷出的灰尘能强烈地反射和散射太阳辐射，而对地面发出的长波辐射没有显著影响。据计算，火山尘埃散射太阳辐射的能力比散射地面长波辐射大 30倍，尘埃反射太阳辐射的作用比大气分子强得多。

　　 此外，太阳黑子活动具有一定的周期性，例如太阳黑子 11 年周期称为太阳活动周。

　 (二 ) 大气透明度的变化

　　 宇宙因子指的是月球和太阳的引潮力以及太阳活动；地球物理因子指的是地球重力空间变化，地球转动瞬时极的运动和地球自转速度的变化，这些宇宙一地球物理因子的时间或空间变化，引起地球上变形力的产生，从而导致地球上海洋和大气的变形，并进而影响气候发生变化。

二、宇宙地球物理因子的变化

　　 在整个地质时期中，下垫面的地理条件发生了多次变化，对气候变化产生了深刻的影响。其中以海陆分布和地形的变化对气候变迁影响最大。

　　 ( 一 ) 海陆分布的变化

　　 (二 ) 地形变化 ——“沧海桑田”

　　在地球史上地形的变化是十分显著的。高大的喜马拉雅山脉，有“世界屋脊”之称。

( 三 )城市化（热岛效应）

三、下垫面条件的变化

1. 大气环流形势的变化是导致气候变化和产生异常气候的一个重要因素。（如厄尔尼诺现象和南方涛动）

2. 大气化学组成的变化：温室气体的影响

三、大气环流和洋流的变化

11、改变大气成分、改变大气成分

（（ 11）二氧化碳）二氧化碳 COCO22 、甲烷、甲烷 CHCH44 （（温室效应温室效应））

（（ 22）气溶胶（）气溶胶（阳伞效应阳伞效应））

22、改变下垫面性质（、改变下垫面性质（土地利用与覆盖变化效应土地利用与覆盖变化效应））（（ 11）森林、草原、农田（沙漠化效应、绿洲效应） ）森林、草原、农田（沙漠化效应、绿洲效应） （（ 22）水库（湖泊效应））水库（湖泊效应）（（ 33）城市（城市热岛效应））城市（城市热岛效应）

9.3 人类活动对气候的影响

温室效应与温室气体

1 、温室效应的概念

是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表向外放出的长波热辐射线却被大到达地面，但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高，因其气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。

包括包括自然温室效应自然温室效应和和人为温室效应人为温室效应。 。

1000年来大气温度与大气中二氧化碳浓度变化曲线

1. 1000年来大气温度和二氧化碳浓度变化的总趋势是什么？两者有何相同点？

2.根据这张图，你认为大气温度变化与二氧化碳浓度的变化有关系吗？

从上图可以看出，大气温度的变化和二氧化碳浓度的变化情况是基本吻合的，所以二氧化碳浓度的增加是造成温室效应的原因。事实上，二氧化碳就是大气温室外层的“保温膜”，正是因为这层保温膜的增厚，才造成了地球大气热量的积累，导致全球变暖。

浓度CO2

(ppmv)

温度距平

(

℃)

年距今

人类活动扰动

目前的 CO2浓度是42 万年来的最大值83 万年来，仍是最大值

( redrew from Petit ( redrew from Petit et alet al. 1999 ). 1999 )

南极东方站（ Vostok）测量的大气 CO2浓度变化

（ IPCC ， 2001 ）

大气对地面的保温效应

大气上界

地面地面增温

地面辐射

射向宇宙空 间

大气吸收

大气辐射

射向地面

太阳辐射

大气吸收地

面

吸

收

当你在晴天的中午走进

塑料温室大棚 没有打开空调的小汽车

封闭的玻璃阳台

你有什么感觉？

地球置身于一个巨大的“温室”之中！

温室效应：大气保温效应

大气外层具有吸热和隔热的功能，使太阳辐射到地球上的热量无法向外层空间发散，从而使地球保温。

温室效应与温室气体

2 、温室气体

是大气中能吸收地面反射的太阳辐射是大气中能吸收地面反射的太阳辐射 ,, 并重新发并重新发射辐射的自然和人为的气体。射辐射的自然和人为的气体。 主要包括主要包括水汽水汽、、 COCO2 2 、、甲烷（甲烷（ CHCH44 ））、、氧化亚氮氧化亚氮

（（ NN22OO））、、臭氧（臭氧（ OO33 ））、、氟利昂氟利昂等等 。 。

是什么原因导致大气中二氧化碳浓度大幅度增加呢？

煤、石油、天然气等化石燃料的燃烧

人类大面积砍伐森林

人口数量增加

人类活动和自然排放的其他温室气体还有：

氟利昂：强温室气体， 1920年代人工合成，目前已排 放 2000万吨，主要用于制冷

甲烷：强温室气体，天然气和沼气的主要成分，畜牧业排 放量很大使之成为全球变暖的“帮凶”

氮氧化物：燃料燃烧，燃气涡轮、汽车尾气

二氧化碳是主要的温室气体

阳伞效应

1 、阳伞效应的概念

因其由大气污染物颗粒（大气气溶胶粒子）对太因其由大气污染物颗粒（大气气溶胶粒子）对太阳辐射的削弱作用而引起的地面冷却效应。阳辐射的削弱作用而引起的地面冷却效应。

阳伞效应

2 、大气气溶胶粒子的来源

（（ 11）自然界自身产生（如火山喷发））自然界自身产生（如火山喷发）（（ 22）人类活动产生（如化石燃料燃烧、生物体燃）人类活动产生（如化石燃料燃烧、生物体燃烧）烧）

阳伞效应

2 、大气气溶胶粒子的气候效应

（（ 11）助长干旱化）助长干旱化（（ 22）影响云的反照率、寿命和降水效率）影响云的反照率、寿命和降水效率

土地利用与土地覆盖变化效应

2000 年初东江流域土地利用现状1980 年代初东江流域土地利用现状

气候变化

冰川消融

极端气候

海平面上升

粮食减产

降水气 温 海平面变化

蒸散发变化

其它变化

气候要素变化

…影响

9.4 气候变化对水循环和水资源的影响

一、气候变化对全球水循环和水资源系统的影响

1 、 20 世纪全球增暖是导致全球平均海平面上升的主要原因

马尔代夫浮岛 斐济岛

一、气候变化对全球水循环和水资源系统的影响

2 、雪盖和冰面积逐渐减少

北极冰雪消融 北极熊生存危机

阿根廷某冰

川

30 年前 当前

一、气候变化对全球水循环和水资源系统的影响

3 、北半球中高纬地区降水略有增加，副热带地区略有减少。

4 、全球极端气候事件发生频繁

5 、气候变化对全球淡水资源供给带来很大影响

供水SupplySupply

需水 De

mand

我国正常年份缺水达我国正常年份缺水达400400亿亿 mm33

我国正常年份缺水达我国正常年份缺水达400400亿亿 mm33

气候变化加剧气候变化加剧水资源短缺状况水资源短缺状况

661

400

110

0

100

200

300

400

500

600

700

城市总数 缺水城市 严重缺水城市

我国城市缺水问题严重

全国 661座城市有 400多座缺水，其中 110座严重缺水， 1.6亿多城市居民的正常生活受影响 。

气候变化加剧气候变化加剧水资源短缺状况水资源短缺状况

一、气候变化对中国水循环和水资源系统的影响

2 、加速水循环，降水变率增加。

1951-2002 年全国降水变率

西部 : 明显增加

华南 : 增加 华北 : 减少 东北 : 减少

Increasing

Decreasing

Decreasing

Increasing

一、气候变化对中国水循环和水资源系统的影响

2 、改变径流大小，旱涝灾害加剧。

1998 年大洪水 明祖陵因旱情露出城墙 洞庭湖底变大草原

年份 洪涝受灾面积(万亩 )

洪涝成灾面积(万亩 )

洪涝直接经济损失 (亿元 )

旱灾减产(亿公斤 )

1991 36894 21921 749.08 118

1992 14135 6696 412.77 209

1993 24581 12915 641.74 111

1994 28288 17234 1796.60 262

1995 21550 12001 1653.30 203

1996 30914 18918 2208.36 98

1997 19702 9771 930.11 476

1998 33438 20678 2550.90 127

1999 14408 8084 930.23 333

2000 13567 8094 711.63 599

平均 23748 13631 1258.47 254

九十年代洪涝旱灾统计表 洪涝洪涝灾害频繁发生灾害频繁发生

2001 年以来洪涝旱灾统计表

2000年以来，年均洪涝灾害损失约 1100 亿元，约占同期全国 GDP的 1％； 局部洪涝灾害每年发生； 2003年、 2005年、 2007年部分江河发生洪水 平均每年有 7个台风登陆，超强台风有增加趋势；山洪灾害严重。

年份洪涝受灾面积

( 万亩 )洪涝成灾面积

( 万亩 )洪涝直接经济损失 ( 亿元 )

因灾死亡人数（人）

2001 10707 6380 623.03 1605

2002 18576 11159 838.00 1819

2003 30549 19500 1300.51 1551

2004 11673 6026 713.51 1282

2005 22451 12325 1662.20 1660

2006 15783 8389 1332.62 2276

2007 188234 89535 1123.30 1230

平均 42567 21902 1084.74 1632

洪涝洪涝灾害频繁发生灾害频繁发生

一、气候变化对中国水循环和水资源系统的影响

3 、加速水分蒸发，改变土壤水分含量及其渗透率。

2011 年长江中下游干旱干涸的白洋淀

一、气候变化对中国水循环和水资源系统的影响

4 、导致湖泊水位下降和面积萎缩

2011 年 5月鄱阳湖水面仅剩 1/10

一、气候变化对中国水循环和水资源系统的影响

5 、加速高山冰雪消融

2010年

1980 年

长江源头某地

Impact of globe warm on water security

暴雨洪水

气候变化对水安全的影响

气候变化 适应对策对水安全的影响

水资源安全

防洪安全 水生态安全

海平面上升风暴潮

干旱加剧低流量 敏感性 脆弱性

水工程安全

气候变化对水安全的可能影响

谢 谢