厄尔尼诺与地球圈层耦合10春8574MB.ppt

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1、厄尔尼诺与地球圈层耦合,中国地质大学地球科学和资源学院刘本培 20,1.大气的组成、结构和大气污染2.大气的运动气团与气旋3.海水的运动洋流与海面升降4.海-气耦合与厄尔尼诺现象5.固体地球与厄尔尼诺关系,大气圈是地球最外部的圈层，也是地球所有各圈层中最活泼的圈层之一。,大气圈是在地球长期演化过程中逐渐产生的，它的发育和演变又受到地球其他圈层发育和演变的影响。,大气圈是生命存在的基础之一。大气污染和全球变暖问题引起普遍关注。,大气的组成、结构和大气污染,三大组分与垂向结构,大气中存在着空气的对流运动、湍流运动和分子扩散，在约100km高度以下气体因此均匀混合而成为均匀层。此高度以上称为非均匀层

2、。均匀层中的大气可以看作是由：干洁大气 水 汽 气溶胶质粒子 三部分组成。,大气的组成,干洁大气,前3位合占总容量的99.9%。干洁大气的分子量为28.966。在自然条件下都呈气体状态。,大气中的水汽源于海洋、湖泊、江河、沼泽、潮湿地面及植物表面的蒸发或蒸腾作用。含量随时间、空间和其它影响条件而变。容积变化范围在0-4之间。一般在低纬地区水汽大于高纬地区，沿海大于 内陆，夏季大于冬季。水汽含量沿垂直方向迅速减小：在1.5-2km高度处只有地面附近的12，在5km高度只有地面的110。,水 汽,气溶胶粒子,在相同颗粒物浓度下，北方城市实际污染程度更重。,指悬浮于空气中的液体和固体粒子（天气预报中

3、的“可吸入颗粒物”，是衡量大气污染的重要指标之一。地区差异：北方有较多沙尘粒子，珠三角有较多有机气溶胶。,城市大气污染,19世纪工业化初期为粉尘污染时代：污染源主要是大型发电厂、水泥厂和各种工业炉窑直排的粉尘。二氧化硫、硫酸盐污染时代：污染源主要是发电厂和工业窑炉排防的二氧化硫，在大气中发生化学作用氧化成硫酸盐颗粒物。最近几十年为大气复合污染时代：交通源排放的尾气已超过工业排放。污染物主要是氮氧化物、挥发性有机物（碳氢化合物VOC）和一氧化碳（CO）。这些气体在紫外线照射下会生成光化学烟雾，其标识物是臭氧浓度的升高，生成物称为细粒子。欧美经历了以上3个阶段的完整过程，历时百年之久。中国则在30

4、年内压缩性地集中出现这种污染过程。,八大社会公害事件,震惊世界的雾都劫难，“毒雾”持续的5天内4700多人因呼吸道病而死亡，多数是年长者。雾灾之后几个月，又有8000多人死于非命。当时英国雾中烟尘颗粒物(燃煤产生的硫化物为主)浓度是4mg/m3。当年客居伦敦的老舍描绘为“乌黑的、浑黄的、绛紫的，以致辛辣的、呛人的”雾霾。风速表读数为零，浓雾5天不散。,雾与霾,雾(fog)与霾(smog，烟雾)：雾主要由液态气溶胶粒子（水滴）组成，霾主要由干的气溶胶粒子组成。两者可以相互转化：当水气增多时，霾就会凝结变成雾滴；雾经太阳一晒，水滴蒸发了，干粒子还留在空气里，又还原为霾（灰蒙蒙的天空称为灰霾）。雾是

5、低温下饱和气块的标志,低纬度低海拔地区形成雾非常难。所以，广州99.9%的情况是霾，根本不是雾。中国气象台播发的气象预报中“北京盛夏季节30C大雾弥漫”的提法不妥，出现的肯定是霾。,如果污染物不断积累，灰霾的浓度也会越来越高，对人的健康危害也越来越大（憋气、咳嗽、头晕、乏力、恶心和坏脾气）。,灰霾形图,2005年大气质量比较,巴黎北京广州澳洲,PAHs(Polycyclic aromatic hydrocarbons)苯并a芘公认的强致癌和致突变物质。其他几种EPA属PAHs质量浓度均比苯并a芘高，其致癌和致突变性更强。大气颗粒物中的有机污染物主要来源于煤的不完全燃烧，汽车尾气次之。,绿色奥运

6、的大气质量,7月30日空气质量污染物指数为43，达到了“优”的级别。,月日开始，北京采取了奥运期间临时减排措施，机动车限行是一项主要内容，使得空气质量比去年同期有了明显好转。,环境空气质量（API指数）：国际标准需监控SiO2、NO2、O3、CO、可吸入颗粒物(PM10)、细粒子颗粒物(PM2.5、PM1)、能见度；国内仅监测SiO2、NO2、可吸入颗粒物(PM10)。,纽约：二十几微克,98年一次沙尘暴的全过程,辽东半岛的沙尘暴,2002年3月沙尘暴迁移,兰州 2002年3月19日,汉城 2002年3月22日,北京2002年3月20日,北方地区出现了近十年来范围最广、强度最强、持续时间最长、

7、影响最大的沙尘暴过程。,强沙尘暴,沙 尘 暴,扬 沙,北京,全国沙尘天气分布图2002年3月18日17时3月20日08时,乌鲁木齐,赤峰,银川,额济纳旗,呼和浩特,2006,京城下沙30多万吨,沙尘暴与尘暴,扬沙风力强大刮到公共汽车、塑所造魔鬼峡谷,扬尘与降尘,沙尘暴与尘暴,沙尘暴（sand dust storm）与尘暴（dust storm）成因不同，性质各异。治理对象应有区别:前者治理沙漠，后者应修复干凅盐湖区的生态环境。,风成搬运物微观特征圆度、分选、组合结构,内蒙古干凅盐湖,沙尘暴入侵三路线,草原退化与沙尘暴,内蒙古草原退化总计达到60%（3867万公倾）。鄂尔多斯草原68%锡林郭勒草

8、原 41%呼伦贝尔草原 23%以上为沙尘暴发源地阿拉善左旗荒漠、半荒漠占96.6%。（2000.5.30报道),2002.3.10-20 中国北方出现了近十年来范围最广、强度最强、持续时间最长、影响最大的沙尘暴过程。,研制抗沙漠化植物,最新一期美国国家科学院学报报道：韩国庆尚大学李尚烈（音）研究小组发明一种植物生命机制，可以通过人工加强来阻止全球沙漠化。从水芹中提取的AtDTX蛋白经过人工增强，成为一种新的“伴侣”蛋白质,将这种蛋白质重新植入植物中，可以显著提高植物耐热、耐旱的能力。,AtDTX蛋白存在于许多植物中，包括水芹、草、水稻、大麦和土豆。过去在沙漠周围种植树木和灌木往往因不能适应严酷

9、气候条件而死亡。李尚烈说，利用最新发现的尝试可能在中国和蒙古进行，大规模推广可能在10年内展开。,沙尘暴的正面效应,沙尘暴何时开始,西汉还是东汉?汉代墓葬”黄肠题凑”制式盛行于西汉时期楼兰国消亡约在晋代,2.大气的运动,大气的运动既有垂直方向，也有水平方向。前者可形成大气环流，后者则形成气旋和风。大气的运动是在气压梯度的驱动下发生和维持的。,气旋是指中心气压低于四周的水平空气涡旋，也是气压系统中的低压。北半球气旋中低压的水平气流呈逆时针方向向中心辐合，南半球则相反。反气旋是指中心气压高于四周的水平空气涡旋，也是气压系统中的高压。旋转方向也与气旋相反。气旋按其生成的地理位置分为热带气旋和温带气旋

10、。,气旋,热带气旋,生成于热带洋面，中心气压低于外围且作水平旋转的气团。是海气耦合的复杂产物。,中心区,大风区,外围区,台风结构,飓风与台风的对比,飓风灾害,风速110哩/时吹起屋顶瓦片（下）。五级飓风荡平房屋（右）。,桑美台风,2006年“桑美”登陆时，福鼎市沿海风力17级，风速每秒70.8米，全市普降暴雨，17个乡镇普遍受灾，受灾人口43.5万，转移15万人口。截至目前统计，福建省216人死亡，157人失踪(名单全部落实)；财产损失巨大，倒房4.5万多间，屋顶掀翻不计其数，渔船沉没952艘，网箱被毁7万多口。,赤壁之战,偶然与必然,高压反气旋中心由西往东移动赤壁地区风向发生倒转(火烧赤壁)

11、暖湿空气流经较冷地面时形成大雾(草船借箭)瘟疫对双方军队都有威胁曹操南征并未得到当地人民支持(易中天承认“具侵略性”）横槊赋诗、自大轻敌是根本原因,月明星稀，乌雀南飞，绕树三匝，无枝可依。,4.海-气耦合与厄尔尼诺现象,海-气相互作用,指海洋与大气密切相接、互相影响、互相制约、交替耦合、彼此适应的作用。辽阔深邃的海洋具有最大的热容量，海洋是地球上太阳辐射能的巨大储存器和地球温度的调节器。,地球上97.31%水存在于海洋中，海洋是地球、大气中水分的总源地。气流吹动海水形成洋流、风浪、海潮；云能减弱海面太阳辐射，影响海面增温，进而影响海水的稳定度；大气降水会影响海水含盐度；气温直接影响海冰；气压高

12、低会影响海水内CO2、O2的溶解度，进而影响海洋生物的光合和呼吸作用。,海水的反照力最低,厄尔尼诺-拉尼娜命名,厄尔尼诺（西班牙文El Nino）原意为“圣婴”表示圣诞节前后沿厄瓜多尔海岸出现一支微弱且向南移动的暖洋流。现在用来表示：在南美秘鲁、厄瓜多尔附近尺度为几千km的赤道东太平洋上的异常增温现象。拉尼娜（La Nina）原意为“圣女”，也称为“反厄尔尼诺”，代表厄尔尼诺现象之后出现赤道东太平洋上温度异常变冷，西太平洋沿岸暴雨成灾的现象。,世纪圣婴,1997年3月东太平洋赤道附近海水增温，超过常年达6C之多，至11月大洋平均水温仍较常年高3.3C，造成东西长愈一万km，南北宽两千km的海水

13、增温区。,这次在20世纪中规模最大、强度最高、持续时间最久的厄尔尼诺现象（世纪圣婴）诱发了囊括全球3/4（包括中纬度甚至高纬度）地区的多种气候灾害。,1997/98年度为近百年最强的一次(世纪圣婴）,世人谈虎色变Here comes El Nino!,中国也深受其害,1997年夏，江南暴雨成灾，北方则苦旱无雨。1998年夏，长江、松花江和嫩江出现严重洪涝灾害，估计损失3000亿元。,卫星连续监测,红白色正距平；蓝紫色负距平,复活节岛,（与温度距平正相关）,正常年,冷海水上涌,暖海水高海面,赤道南侧东南信风盛行,南美西部干旱少雨,东南亚潮湿多雨,热源,沃克环流,冷源,南,厄尔尼诺,南美西部多雨洪

14、水成灾,暖洋流高海面,浮游生物、鱼类和鸟类大量死亡,东南亚上升气流减弱气候干旱,赤道逆流增强,减弱,热源,西风出现,每隔3-4年(最短2年、最长7年），东南信风突然减弱，东太平洋冷水上,气流反转,厄尔尼诺事件研究,厄尔尼诺拉尼娜事件,王绍武等（1992）研究了过去518年（14711987）的厄尔尼诺事件，共出现了100次，总发生频率为19.3%。厄尔尼诺发生频率可能有长期变化，如以每10年发生01次为少发期，3次为多发期，则两者之间的时距平均都是70年。,一次强厄尔尼诺事件后，不一定会紧跟一次拉尼娜事件。,08雪灾,冷、暖水团的成因？,巢纪平（1998）据赤道太平洋地区海水表层、次表层的水温

15、资料分析1997/1998年厄尔尼诺与拉尼娜现象，发现厄尔尼诺暖水团与拉尼娜冷水团先在西太平洋暖池次表层150米深度的温跃层中形成，在洋面毫无反映。,这种现象无法用海气耦合的热量平衡机制予以解释。必然涉及是否与地球其他圈层之间也存在能量交换的深层次探讨。,5.固体地球与厄尔尼诺关系,海洋水温,西太平洋暖池,西太平洋暖池与火山、地震带,西太平洋暖池正处洋壳板块三联点附近,科学家之间的不同认识,气象学家：在研究厄尔尼诺现象方面处于主流地位。强调现有的海气耦合理论、实时卫星监测手段、现有的解释模式和计算公式有效。地质学家：杜乐天（1996）提出厄尔尼诺可能与西太平洋洋脊三联点附近的地幔流体大规模放气

16、作用有关。地理学家：觉得地质学家提出的思路有理。但目前限于人类对地监测手段有限（在海面下安置的监测设备数量很少，高空卫星无法及时了解水下动态），尚需在今后改进。,天文学家讨论形成机理叶叔华：人类对地球的新认识，科学，1999，51（1）,在太平洋西部有一个叫暖池的地方，地幔对流非常显著，地幔的温度比地面高得多，由于那里存在一个大裂缝，地幔的热气通过裂缝而散发出来，影响了海水的温度。这可能是形成原因之一。也可能是地球自转速度变化而引起，当自转加快时，地球内部物质向赤道集中，造成了此处能量的富集，影响了海水温度。很可能是源于固体地球、海洋和大气的相互作用，这将是21世纪人类需要解决的难题之一。,1

17、972-73,1965,1982-83,1976-77,1991-94,1986-87,El Nino与地震,代表地震次数8次；代表地震释放能量0.91013,El Nino出现7次,最短1年(1977),最长4年(91-94),间隔最短2年,最长6年;El Nino与异常地震活动(次数8次)共生4次,与地震释放能量0.91013共生5次;最长4年El Nino期间,未发生超出平均值的地震活动。6/7 El Nino事件前后或其中与地震增强共生。,空间交替,1999-2001：伊朗、西藏、苏门答腊、巴布新几内亚到中美洲萨尔瓦多发生8次强震(M7.8级),警觉到存在环赤道圆环带。据此重新研究,证

18、明存在“奇”、“偶”地震幕交替活动,共生机理探讨,如果上述El Nino信号与地震丛(全球地震2年左右远距离集中发生现象)活动确有优势共生因缘，其共生机理分析可有三种推想：洋脊脉动式张裂引起地震、地热和天然气上涌，海水升温5（单方面以地壳张裂为主因的机制）；赤道风驱动热洋流向东聚集在南美西侧洋脊北区，引起海水的减压，诱导了地壳的微拱张和地震（海水减压动力模式）；上述两种推论的协同模式（共同发展或一主一次）。总之是要寻求固、液、气三个“基素”的耦合点。希望从一些全球现今可见的现象探索全球整体的基本动力源及其作用方式的过程，浅见在所难免，。,思考题,1.大气污染的成因和监测标准？2.北京的绿色奥运

19、目标、现实差距和解决措施？3.试从反气旋理论分析火烧赤壁、草船借箭的可能气候背景。4.何谓厄尔尼诺和拉尼娜现象?它们的识别标志是什麽?对人类造成那些气候灾害?5.怎样从海-气相互关系角度探讨厄尔尼诺的形成机制?为什麽说固体地球的自身运动也参与了厄尔尼诺现象的形成过程?,参考文献,刘本培、蔡运龙，地球科学导论。第六、七章(选读基本概念部分)第七章3.4节,196-199页(精读)。叶叔华：人类对地球的新认识。上海：科学，1999，51（1）。马宗晋、高祥林、杜品仁，全球表层系统研究的思考。地学前缘，2006，13（6）：96-101。陈曦、王成善、黄永建，古新世-始新世极热事件与地球系统的自我调节：Gaia理论的应用。地学前缘，2006，13（6）：171-176。,