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基于过去近百年来仪器观测数据,国际科学界认识到地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化过程。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第三次评估报告表明,1861年以来全球平均表面温度不断上升,20世纪上升幅度为0.6℃±0.2℃;随着全球平均表面温度的上升,雪盖和冰川退缩,海平面上升,大气和海洋环流发生变化,气候变率增大,极端天气气候事件增多;北半球陆地中高纬度地区20世纪降水量极可能增加了5%~10%,20世纪下半叶严重降水事件发生频率可能增加了2%~4%[6]。近百年来的气候变化已经给全球自然生态系统和社会经济系统带来了重要影响。现有研究结果预测,未来50~100年全球气候将继续向变暖的方向发展。这种变化可能会对全球地质环境造成深远的影响,其影响可能是负面的或不利的。
(一)未来中国气候变化趋势
中国科学家对近100年和近50年中国的气候变化历史进行了系统研究,研究发现:中国的气候变化与全球变化有相当的一致性,但也存在明显差别。在全球气候变暖背景下,近100年来中国年地表平均气温明显增加,升温幅度约为0.5~0.8℃,比全球同期平均值略强;从全国平均来看,近100年和近50年的降水量趋势不明显,但1956年以来出现了微弱增加趋势;近50年来中国主要极端天气气候事件的频率和强度出现了明显变化,寒潮事件频数显著下降,华北和东北地区干旱趋重,长江中下游地区和东南地区洪涝加重[7]。
2007年1月,中华人民共和国科学技术部、中国气象局和中国科学院等部委联合发布了《气候变化国家评估报告》,系统总结了我国在气候变化方面的科研成果,评估了在全球气候变化背景下中国近百年来的气候变化观测事实及其影响,预测了21世纪的气候变化趋势。该报告预测,21世纪我国气候变化将呈现以下趋势[7]:
(1)气候变暖趋势不可避免。21世纪中国地表气温将继续上升,其中北方增温大于南方,冬春季增温大于夏秋季。气候模式模拟结果表明:与2000年比较,2020年中国年平均气温将增加1.1~2.1℃,2030年增加1.5~2.8℃,2050年增加2.3~3.3℃;降水量也呈增加趋势,预计到2020年,全国平均年降水量将增加2%~3%,到2050年可能增加5%~7%。降水日数在北方显著增加,南方变化大。
(2)气候变率增大。HadCM2模式模拟结果表明,在CO21%增长率情景下,2020年、2050年和2080年增温最大的月份与最小月份之差分别可达到0.8℃、1.0℃和1.3℃;在CO20.5%增长率情景下,虽然极端值的差别没有1%情景下的差别那样明显,但是也可以明显看出季节之间增温的幅度增大。随着温室气体浓度的增加,地面气温增量的年较差也不断增大。与地面气温增量的季节变化类似,降水量变化的年较差也随着温室气体浓度的增加而不断增大。
(3)极端天气气候事件增加。未来中国的极端天气气候事件发生频率可能出现变化。区域气候模式的预估结果表明,中国地区的日最高和最低气温都将升高,但最低气温的升高更为明显,气温日较差将进一步减小。未来南方的大雨日数将显著增加,暴雨天气可能会增多。
(二)气候变化对地质环境的影响
过去半个多世纪中国地质环境变化是在自然驱动因素和人为驱动因素共同作用下的结果。由于人类活动变化的剧烈性和持续性,地质环境变化更多地表现为人为驱动因素作用下的结果。气候变化所造成的地质环境变化,往往为人类活动干扰所掩盖,为研究工作带来了极大困难。目前,关于气候变化对环境影响的研究刚刚起步,定量评估方法和结果还存在很大的不确定性[7]。根据未来中国气候变化趋势,可以推断出对地质环境的可能影响,主要包括以下几个方面:
(1)大雨日数与强降水事件的增加,可能会诱发更多的突发性地质灾害。滑坡、崩塌、泥石流等突发性地质灾害主要是由暴雨所诱发的。据全国县、市地质灾害调查统计,暴雨所诱发的滑坡占所调查滑坡总数的90%,暴雨所诱发的崩塌占所调查崩塌总数的81%[8]。滑坡、崩塌、泥石流等突发性地质灾害发生频次与强降水事件呈正相关关系。区域气候模式模拟结果表明,在2070年前后,中国南方地区在温室效应作用下,大雨日数将显著增加,特别是在东南地区的福建和江西西部,以及西南地区的贵州和四川、云南部分地区,未来暴雨发生的天气会增多(表5-1)。强降水事件增多的地区,多是突发性地质灾害中、高易发区。所以,未来暴雨诱发的突发性地质灾害在一些地区可能呈现出增加的趋势。
表5-1 区域气候模式模拟的2070年中国各大区平均降水变化表单位:%
资料来源:据《气候变化国家评估报告》
(2)极端天气气候事件的增多,可能会导致对地下水的依赖程度增加。模拟结果表明,未来50~100年,北方部分省份(宁夏、甘肃、陕西、山西、河北等)多年平均径流深减少2%~4%,南方部分省份(湖北、湖南、江西、福建、广西、广东、云南等)增加24%,北方水资源短缺现状还将继续。对未来气候变化趋势的预估,未来20年中国夏季降水存在着由南涝北旱型向南旱北涝型转变的可能性。未来气候变率的增大和干旱、洪涝等极端天气气候事件的增加,可能对现有的水资源供给格局形成挑战,经济社会的水资源保障程度相应地受到影响。由于地下水时空分布具有相对广泛、均衡的特点,在降水与地表水变数增加的情况下,经济社会对地下水的依赖程度可能会有所增加,开采地下水所诱发的地质环境问题亦随之增加。2009年秋至2010年春西南地区长达5个多月的干旱灾害,证实了这种可能性的存在。旱灾波及云南、贵州、广西、四川、重庆西南5个省(区),旱情持续时间之长、受灾面积之大、影响范围之广,为百年一遇。以云南省为例,2009年7月1日至2010年1月20日,平均降水量比多年同期偏少了29%,为气象观测记录以来同期最少降水量[9]。为解决旱灾造成的人畜饮水困难,各地启动了抗旱找水打井工作。据国土资源部统计,截至2010年6月,国土资源系统在云南、贵州、广西3省(区)的26个市(州)156个县(区),共完成2703眼,成井2348眼,累计日出水量36×104m3,解决了520万人饮水问题[10]。入汛以后,南方连续出现了8次大范围强降雨过程,广西大部、湖南南部、广东、福建、江西等地局部出现强暴雨,降水量比往年多5成以上。受长时间干旱和短时间多次强降雨的作用,广西、四川、江西等地出现了多个“天坑”[11]。中国地质调查局经过调查认为:这些“天坑”实际上是地面塌陷,主要发生在岩溶区,因长期干旱、强降雨等气候因素和工程建设、地下水抽采等人为活动引发形成。
(3)受海平面上升和极端气候事件影响,海岸带地质环境恶化风险加大。中国沿海海平面近50年来总体呈上升趋势,平均上升速率约为2.5mm/a[12]。据预测,未来气候变暖,入海河流水量的减少,将加重河口盐水入侵,海平原上升和入海河流泥沙量的减少,将加剧海岸侵蚀,黄河三角洲增长减缓,甚至衰退,海岸低地被淹的范围将可能增加[13]。海岸带是中国人口密集、经济发达的地区,应对全球变化对地质环境造成的负效应,应及早未雨绸缪。
气候变化有哪些呢?
研究气候变化影响的方法,通常有三类。(1)实验室模拟或现场观测实验方法;(2)历史相似或类比法;(3)在计算机上进行的数值模拟和预测的方法。以下将分别介绍(1)和(3)两类方法的进展。
3.1实验室及现场观测实验研究
为进行实验研究,首先建立和发展了各种实验模拟装置和技术,其中包括生物遗传控制技术、控制环境装置和技术,开顶式气候室、天然CO2场等,近年来得到迅速发展(刘世荣等,1996)。借助这些装置可以在人工模拟CO2增加的大气环境中对植物或作物的生理、生长的变化进行研究,或者在一定的控制条件下,在实验室或野外进行实验,或观测,以研究种群生长与竞争,群落结构与生产力,甚至生态系统的功能等。比如,在开顶式CO2浓度倍增的培养室中,对植物的生态、生理、生化及形态变化进行研究,分析植物对CO2倍增的反应机理等。
为了在野外进行实验研究,已发展了各种野外观测技术,如用红外分析方法并配置附加气路、电路系统,同步进行农田小气候观测和作物生长发育观测(于沪宁等,1993,于沪宁,1993)。已初步建立了测定土壤—植被系统温室气体排放通量的方法,对中国典型的陆地生态系统(包括农田、森林、草地等)的温室气体排放通量和扩散规律进行了长期的野外定位观测,对CO2通量进行了细致的观测研究。为了探讨CO2浓度增加对作物生产力的直接效应,在不同地力的农田,于冬小麦和夏玉米旺盛生长期放CO2气体,使作用群体冠层中保持空气CO2浓度倍增,用红外CO2分析系统监测CO2浓度,设置CO2释放系统以调节控制试验小区的CO2浓度,同时观测作物生长发育与产量效应。此外,为了解生态系统或生命带对CO2浓度变化的响应,近年来,许多单位还开展了不同波段的遥感观测,正在建立CO2监测网络。
3.2模式研究
使用计算机进行数值模拟和预测研究,近年来得到了迅速发展,这类方法为气候变化及其影响研究的定量化提供了最科学最有效和最理想的方法。目前,研究农业、林业、水资源或自然生态系统对全球气候变化响应的模式可概括为静态的,或经验统计模式,和动态的或过程模式两种类型。?
3.2.1经验—统计模式
该模式是建立在气候与植被、作物、水资源等暴露单位之间非动态的经验或统计关系基础上的数学模型。为研究对暴露单位的影响,需选择当前和未来气候、环境和社会经济基准,并进行比较而得。其中,对未来气候情景或构想的选择有三种方式,一种是综合构想,即给出未来增暖(如1.0℃-4.0℃)或降水变化的统一假定,这是一种最简单或有些主观的方式;第二种方式为相似(包括时间和空间)构想;第三种方式为全球环流(又包括平衡和瞬变)模式构想,这是目前模拟全球气候物理过程唯一较可靠的工具,但鉴于模式有许多不确定性,各类模式间模拟或预测结果仍有很大差别,理所当然所得结果也必然千差万别,因此,这种方式只能说是有发展前途的方式。在我国早期的研究多采用综合构想法,近年来,利用我国历史气候的优势与特色,相似构想法以及利用全球环流或区域气候平衡模式构想法,已取得许多系统成果。此外,各种暴露单位或专业的经验—统计模式,如植被、农业、林业、水资源等模式得到了迅速发展。 在生态环境方面,张新时,周广胜等(1993)引进了Holdridge生命带模型,利用综合构想法研究了未来气候条件下中国及青藏高原植被的演变趋势。同时建立了植被第一性生产力模型(周广胜等,1995)。陈育峰、李克让(1996)在GIS的支持下采用9个综合性气候参数并将土壤作为气候—植被响应关系的限制性因素,建立了中国气候—植被响应模式,提高了模式精度,同时采用全球环境平衡模式构想法提供的网格点上的估算值,研究了对中国主要植被类型的面积、水平和垂直分布的影响。?
在农业方面,我国许多科学家利用综合构想法及各类作物模式研究了气候变化对作物和农业的影响。近年来,林而达等(1996)研制了中国随机天气模拟模型,可根据GCMs提供的年、季或月值生成作物模型及主要草地类型的模型所需的气候情景下逐日最高最低气温、太阳辐射和降水量,从而研究了全球气候变化对中国未来主要农作物和畜产量的影响。?
在林业方面,徐德应、刘世荣、郭泉水等(1997)通过构建的各树种地理分布的生态气候信息库、应用生态信息系统软件及森林生产力与气候环境变量的相关模型,采用全球环流平衡模式构想法研究了气候变化对中国主要造林树种和森林生产力的影响。?
在水资源方面,刘春蓁等(1997)研制了三类不同的随机天气模型、不同气候区的流域水文模型和水资源供需综合评价模型,利用7个平衡GCMs输出的未来气候情景评价了气候变化对我国主要流域水文和水资源的影响。
3.2.2过程模式
过程或动力学模式是指以过程为基础,使用已确定的物理定律和理论来表达气候和一个暴露单位之间相互作用的动力学。过程模式考虑的因素较多,较细微。通常,用过程模式进行影响和预测研究比经验—统计模式的基础更扎实。但主要问题是对模式的检验或模拟未来的影响所需输入的资料要求较高,目前的过程模式只限于一些小范围的空间点,有待向更大范围或区域发展。在我国,已经引进或发展了许多过程或动力学模式,并取得初步成果。?
CERES、SPUR林窗动态模型是分析森林群落对气候变化敏感性的一种有效工具,它能够揭示气候变化过程中森林群落的组织和生物量的变化及演替,模型考虑了光照、温度、水分对树木生长的影响,包含了从种子发芽、生长到死亡的全过程(陈育峰,李克让,1996)。林窗模型在机制上符合逻辑,在结构上修改灵活,在建立上参数估计容易,在输出上有多样化选择,林窗动态模拟的结果可以用来揭示森林生态系统漫长而又复杂的动态过程,可用来试验人为干拢对森林结构及其变化的影响,检验森林演替理论或假说(邵国凡等,1995。)在我国先后由延晓东、赵士洞(1995)建立了长白山森林的林窗模型、邵国凡、赵士洞等(1995)和吴正方、邓慧平(1996)构建了东北阔叶红松林林窗模型,陈育峰、李克让(1996)建立了四川紫果云杉林窗模型,取得了初步成果。值得指出的是,林窗模型本来只是为模拟森林树木动态过程而建立的,近年来已被推广应用到草原和灌丛动态模拟上,在模拟草原动态过程时,特别强调了地下竞争过程(邵国凡等,1996)?
项斌等(1996)在研究紫花苜蓿在CO2倍增下的光合作用、蒸腾作用、气孔导度、水分利用效率的生态生理变化,并在此基础上对紫花苜蓿进行了生态生理过程模型化的研究。肖向明等(1996)应用Century生态系统过程模型模拟了内蒙古草原在1980-1989年的生物量动态,估算了物候变化和CO2倍增对典型草原初级生产力和土壤有机质含量的影响。高琼等(1996)运用空间仿真的方法对东北松嫩平原碱化草地景观动态进行了模拟,在当前的气候条件下,模型的输出结果与观测到的1989-1993年在Ihm2样地内的班块分布动态非常吻合。?
潘学标等(1996)构建了一个棉花生长发肓动态模型(COTGROW),该模型是应用作物模型的理论与方法,融气候土壤环境条件和栽培管理措施为一体的模型,它以逐日气候条件为驱动变量,以土壤条件为基础,以栽培措施为影响因素,以碳素平衡为核心,综合考虑土壤、植株的水分和矿质营养平衡共同对棉株生长发肓、形态发生与脱落和产量、品质形成的影响,该模型亦可模拟CO2浓度变化对产量的影响。?
值得指出的是上述动态模型,多数并未考虑过程的反馈机制和相互作用。季劲钧(1996)把陆地表面大气、植被与土壤之间的物理过程和植物的生理生态过程结合起来,建立了一个植被与大气之间双向的相互作用的过程模式。其中,大气一植被相互作用模式是将植物生长机理性模型与大气—植被土壤物理传输模型(即陆面过程模式)相耦合而构成。陆面过程模式包含了发生在大气、植被与土壤之间的能量和水分输送过程,它们将随着植物生长的年变化而改变其强度和分配。植物生长模型中有光合、呼吸过程、干物质在各组织中的分配和凋落物的分解等。这些过程随大气与植被土壤温湿状况、光合有效辐射和大气中的CO2浓度而变化。应用该模型已模拟了温带针阔混交林生物量、CO2、能量和水分通量的年变化,具有较强的模拟能力。如与区域气候模式相嵌套,亦可预测气候变化的区域影响。这是一类具有发展前景的动力学耦合模型。
地质时期的气候变迁。
地质学上的证据显示出在地球整个的自然历史中,至少有十分之九的时间是温暖气候所主宰的时代,如古生代早期,从寒武纪起,经奥陶纪、志留纪至泥盆纪,漫长的2.5亿年中;整个中生代至新生代的新第三纪的约2亿多年,气候都是以温暖为优势,当然其中肯定包含间隔着若干个短暂的寒冷时期(冰期)。
为冰期所中断的时期的持续时间和影响范围,难以确认,但仅从对地层沉积物的研究上来看,似乎在前寒武纪(距今6亿年前)和石炭、二叠纪(距今3.5亿~2.25亿年)曾出现过大冰期。
在最近的一百万年中以寒冷气候为主导,即第四纪大冰期时期。北极地区的冰盖向中纬度地区大幅度扩张,最强盛的时候到达过北纬57度,某些地方冰盖的厚度达2千米。
大冰期中间隔着温暖的间冰期,冷暖的气候变迁引起冰川的消长进退,对欧洲阿尔卑斯山的冰川地貌研究表明,第四纪冰期分为四个冰期,为三个相对温暖的间冰期所分隔。冰期与间冰期相比较,中纬度地区的山地雪线升降幅度可超过1200米。
在我国北方第四纪沉积层所出土的化石中,代表寒冷气候和温暖气候的生物,前者如披毛犀、猛犸象、虎耳草和阴地蕨等,后者如梅氏犀、水牛、榆属、柳属等,证明了第四纪时期我国的气候变迁。
再如广泛分布于西北和华北的黄土沉积和其下的红土层,显示出温暖气候向寒冷干燥气候的变迁。当第四纪时,不仅我国的西部高山,而且中、东部的秦岭太白山、台湾玉山都分布有冰川。
大约1万年以前,气候转暖,冰川退缩,地球再次进入了温暖的间冰期。
人类历史时期的气候变迁:
大冰期以后,地球大部分地区的气候在公元前5000~公元前3000年前最为温暖,被认为是冰期以后的气候最适期。当时的海平面比现在高2~3米,北冰洋的冰在夏季可能全部融解;现在非洲的撒哈拉和中东的沙漠带,在当时气候要湿润得多。
在公元前900~公元前450年前,即所谓铁器时代的早期,欧洲的气候进入了冷湿时期,阿尔卑斯山的冰川显著扩张;从爱尔兰到德国的许多泥炭层剖面中显示出2500年前在这一广大地区分布着沼泽;北美洲落基山北纬50度以南所发现的现代冰川遗迹大多在这个时期形成。
此后,大致在公元1000~1200年,南、北半球的气候又处于适宜的温暖状态,也被称为“第二个气候最适期”。当时格陵兰岛南部的气温据推测比现在高4摄氏度左右。由于气候比较适宜,维金人在公元982年移民到格陵兰定居。
公元1430~1850年间,北半球的气候转冷,特别是在1650~1750年间,被称为“小冰期”。伴随着寒冷期气候而来的,是中纬度地带的湿润,雨量的增加使这一时期里海的水平面较之以前和以后几个世纪高出了5米以上。1850年以后,气候又出现增温的趋势。
随着近、现代科学观测的日趋完善,气候变迁的研究有了可靠的数据基础,其科学原理被逐渐揭示出来。
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