楊東方,苗振清,石 強(qiáng),陸建新,陳 豫
(1.浙江海洋學(xué)院海洋科技學(xué)院 舟山 316000;2.國(guó)家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 青島 266033;3.浙江省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心杭州 310007;4.上海海洋大學(xué)信息學(xué)院 上海 201306)
“未來(lái)地球氣候變化的模式”得到了初步印證*
楊東方1,2,苗振清1,石 強(qiáng)2,陸建新3,陳 豫4
(1.浙江海洋學(xué)院海洋科技學(xué)院 舟山 316000;2.國(guó)家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 青島 266033;3.浙江省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心杭州 310007;4.上海海洋大學(xué)信息學(xué)院 上海 201306)
通過(guò)海洋生態(tài)變化,確定了海洋生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力是營(yíng)養(yǎng)鹽硅和水溫。營(yíng)養(yǎng)鹽硅是主要發(fā)動(dòng)機(jī),水溫是次要發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)此,楊東方等提出了營(yíng)養(yǎng)鹽硅的補(bǔ)充機(jī)制。文章揭示了“未來(lái)地球氣候變化的模式”:近岸地區(qū)和流域盆地的氣候模式、內(nèi)陸的氣候模式和海洋的氣候模式。由于這樣的氣候,產(chǎn)生了3個(gè)不同的區(qū)域:近岸地區(qū)和流域盆地成為多雨區(qū),內(nèi)陸成為干旱區(qū),海洋成為風(fēng)暴潮區(qū)。這個(gè)“未來(lái)地球氣候變化的模式”在以后的年代中逐漸得到證實(shí),在2010年的天氣變化中得到了充分的證明。因此,應(yīng)該充分了解這樣的氣候變化模式,積極應(yīng)對(duì)它給人類帶來(lái)的旱澇災(zāi)害和高溫,為中國(guó)的防災(zāi)減災(zāi),提供科學(xué)依據(jù)。
營(yíng)養(yǎng)鹽硅;浮游植物;氣候;模式;防災(zāi)減災(zāi)
浮游植物是主要的初級(jí)生產(chǎn)者,是海洋食物鏈的基礎(chǔ)。浮游植物的優(yōu)勢(shì)種在一般海域是硅藻,營(yíng)養(yǎng)鹽硅對(duì)于硅藻生長(zhǎng)是必不可少的。在海洋水域內(nèi),水溫和營(yíng)養(yǎng)鹽硅控制浮游植物生長(zhǎng)的時(shí)間變化及空間變化過(guò)程[1]。水溫、營(yíng)養(yǎng)鹽硅的變化會(huì)引起浮游植物生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)的變化以及引起海洋生態(tài)系統(tǒng)的變化。營(yíng)養(yǎng)鹽硅和水溫是浮游植物生長(zhǎng)的一大一小兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī),營(yíng)養(yǎng)鹽硅是主要的、強(qiáng)烈的、迅速的,水溫是次要的、輔助的、緩慢的[2]。在海洋中,硅對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的限制日趨嚴(yán)重,在海洋中缺硅會(huì)造成海洋生態(tài)的破壞。對(duì)此,地球生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)鹽硅的補(bǔ)充機(jī)制[3-4]給予了解決。
在2006年,楊東方等提出了地球系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)鹽硅補(bǔ)充機(jī)制,展示了“未來(lái)地球氣候變化的模式”,這個(gè)“未來(lái)地球氣候變化的模式”在以后的年代中逐漸得到證實(shí),在2010年的天氣變化中得到了充分的證明。
海洋中缺硅造成海洋生態(tài)的破壞。如何來(lái)解決這個(gè)缺硅的嚴(yán)重問題,人類無(wú)法向占地球表面積70.8%的海洋投放硅。只有地球生態(tài)系統(tǒng)才能向大海提供大量的硅,才能夠維持海洋生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。于是,筆者提出了營(yíng)養(yǎng)鹽硅的補(bǔ)充機(jī)制。
海洋真光層中的硅主要是由陸源輸入的。大氣和上升流向海洋真光層輸入硅的量與河流相比是可以忽略的。人類建壩、建水庫(kù)、引流、種植,均會(huì)造成自然生態(tài)的破壞,并改變自然生態(tài)的平衡。
修建大壩和水庫(kù)會(huì)使懸浮物濃度降低,進(jìn)而輸入海洋的硅的濃度下降;將河流上游進(jìn)行引流和分流,使主河流的輸送能力下降,流量變小,輸入海洋的硅濃度降低,從而改變河口水域和近岸水域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),尤其是營(yíng)養(yǎng)鹽比例失調(diào),浮游植物集群結(jié)構(gòu)失控,誘導(dǎo)赤潮的產(chǎn)生,而且赤潮面積逐年加大,發(fā)生頻率逐年增多;在沿河兩岸和沿河流域盆地進(jìn)行大面積的植樹造林,改變了雨水對(duì)地表層的沖刷力度,雨水形成的小溪向河流輸送的硅濃度降低,使水流清澈,減少了河流攜帶的硅量。這樣入海河流流量大幅減少,輸送營(yíng)養(yǎng)鹽硅能力顯著降低,河流含硅量減少,河流對(duì)硅總的輸送量降低。
對(duì)于大氣輸送,由于大量種植綠化,使土壤被固定,地表層的沖刷能力下降,空氣變得清新,大氣對(duì)硅的輸送減少。
這樣,河流、大氣向海洋的真光層輸送硅量在大幅度減少,不斷地改變了從陸地向海洋輸送硅的含量,導(dǎo)致了海水中氮、磷過(guò)剩,硅缺乏,氮、磷、硅的比例嚴(yán)重失調(diào),硅限制浮游植物的生長(zhǎng)進(jìn)一步加劇。
通過(guò)近岸的洪水、大氣的沙塵暴和海底的沉積物向缺硅的水體輸入大量的硅。這樣,由陸地、大氣和海底3種途徑將陸地的硅輸入大海中,滿足浮游植物的生長(zhǎng)(圖1)。
圖1 地球生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)鹽硅補(bǔ)充機(jī)制
陸地的輸送:在近岸地區(qū)和流域盆地,長(zhǎng)時(shí)間的暴雨形成了洪水,向大海的水體輸入大量的硅。大氣的輸送:在內(nèi)陸地區(qū),長(zhǎng)期的干旱經(jīng)過(guò)大風(fēng)形成了沙塵暴,向大海的水體輸入大量的硅。海底的輸送:在海面上,水溫的提高形成了風(fēng)暴潮,通過(guò)海底的沉積物,向大海的水體輸入大量的硅。大氣的二氧化碳溶于大海,浮游植物生長(zhǎng)要吸收大量海水中二氧化碳,并將碳隨著浮游植物的沉降帶到海底。
地球生態(tài)系統(tǒng)為了保持海洋中浮游植物生長(zhǎng)的平衡和海洋的生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展以及大氣二氧化碳的增長(zhǎng)放慢,啟動(dòng)營(yíng)養(yǎng)鹽硅的補(bǔ)充機(jī)制[3-4]。
(1)近岸地區(qū)和流域盆地成為多雨區(qū),連續(xù)遭受暴雨襲擊,其中雨量加大,次數(shù)頻繁,下雨區(qū)域擴(kuò)大,并導(dǎo)致塌方、落石、山洪、泥石流和山體滑坡,使沿岸向海洋的洪水增大,向海洋輸入硅量增加。
(2)使內(nèi)陸成為干旱區(qū),長(zhǎng)期干旱缺雨。由于太陽(yáng)暴曬,地面溫度升高。地表土壤干燥化、顆粒化。由于晴天使地表引起了上升流,將沙塵刮向天空,經(jīng)過(guò)大風(fēng)形成了遮天蔽日的沙塵暴,使得沙塵暴次數(shù)增多,面積擴(kuò)大,在強(qiáng)風(fēng)的推動(dòng)下,向海洋的近岸水域和遠(yuǎn)海中央了輸送大量的沙塵,也是向海洋輸入大量的硅。
(3)在海底有大量的沉積物,在沉積物中硅酸鹽濃度比海水中硅酸鹽濃度高幾倍到幾十倍。由于風(fēng)暴潮,如臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)、熱帶風(fēng)暴和寒潮等,都移向近海和沿岸。其中經(jīng)過(guò)水域和近岸的面積加大,次數(shù)增多,強(qiáng)度加大,旋轉(zhuǎn)速度加快,移動(dòng)速度放慢。路徑曲折,路程加長(zhǎng),使海底的沉積物不斷被攪動(dòng)進(jìn)入水體,使水體硅酸鹽濃度升高。由海底通過(guò)沉積物向海洋水體輸入大量的硅。
根據(jù)地球生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)鹽硅補(bǔ)充機(jī)制,筆者認(rèn)為“未來(lái)地球氣候變化的模式”為:近岸地區(qū)和流域盆地的氣候模式,內(nèi)陸的氣候模式和海洋的氣候模式。
(1)暴雨和強(qiáng)暴雨頻繁出現(xiàn)。盡可能地在短時(shí)間內(nèi),使地面有雨水存積,對(duì)土壤形成沖刷。同時(shí),如果有持續(xù)的暴雨,進(jìn)一步加大對(duì)沖刷土壤的力度。
(2)干旱持續(xù)發(fā)生。干旱的時(shí)間在延長(zhǎng),使地面干燥化,土壤顆?;?,為沙漠化、沙塵暴做好鋪墊。
(3)風(fēng)暴潮個(gè)數(shù)和強(qiáng)度在不斷地增加。對(duì)海底連續(xù)的攪動(dòng),尤其對(duì)海洋深度小于100m的海底水域。在海洋和陸地的交界區(qū)域,包括近海水域和近岸陸地區(qū)域,都會(huì)形成海底的攪動(dòng)和陸地土壤的沖刷。
(4)高溫時(shí)間在延長(zhǎng)。與往年相比,在一年的四季中,相對(duì)的溫度在提高,形成相對(duì)的高溫時(shí)間在延長(zhǎng)。這樣,無(wú)論在冬天還是在夏天,相對(duì)的高溫在提前出現(xiàn),而且在時(shí)間上持久。
(5)強(qiáng)風(fēng)在增多。強(qiáng)風(fēng)在海洋和陸地上都在增加,強(qiáng)度在增大。在海上,盡可能攪動(dòng)更深的海底,使海底的泥沙到海水表層。在陸地上,盡可能吹動(dòng)地面的土壤顆粒,帶到天空中。這樣,全球的強(qiáng)風(fēng)在增多。
未來(lái)地球氣候模式在我國(guó)具有不同的地區(qū)分布。根據(jù)未來(lái)地球氣候變化的模式,將中國(guó)分為幾個(gè)大區(qū)域。① 在內(nèi)陸區(qū)域:甘肅、內(nèi)蒙古、山西、寧夏和新疆等地區(qū);② 在近岸地區(qū):浙江、廣西、廣東、福建和海南等地區(qū);③ 在流域盆地:長(zhǎng)江沿線的湖南、湖北、江西、浙江和重慶等10個(gè)省、市局部地區(qū);④ 在海洋區(qū)域:南海、東海和黃海等水域。了解我國(guó)的區(qū)域符合那一類氣候模式,以便在不同的區(qū)域采取不同的方式來(lái)應(yīng)對(duì)氣象,采取相應(yīng)的防災(zāi)減災(zāi)措施。
“未來(lái)地球氣候變化的模式”通過(guò)近岸的洪水、大氣的沙塵暴和海底的沉積物向缺硅的水體輸入大量的硅,補(bǔ)充海洋真光層硅的缺乏,緩解硅進(jìn)一步限制浮游植物的生長(zhǎng)。這樣,未來(lái)地球氣候模式由陸地、大氣和海底的3種途徑(圖1),將陸地的硅輸入大海中,而且加大從陸地向海洋輸送硅的含量,來(lái)滿足浮游植物的生長(zhǎng)。
根據(jù)中國(guó)環(huán)球網(wǎng)發(fā)布的2010年的天氣資料[5-6],進(jìn)行分析得到以下研究結(jié)果。
2010年4月29日至5月17日,中國(guó)南方地區(qū)出現(xiàn)4次大范圍強(qiáng)降水天氣過(guò)程。江南、華南降雨日數(shù)普遍在8d以上,部分地區(qū)超過(guò)10d。江南、華南大部降水量有100~200mm,其中廣東中部和北部、江西南部達(dá)200~300mm。其中廣東韶關(guān)、南雄降水量均為1951年以來(lái)歷史同期極大值。
4月底以來(lái),中國(guó)南方地區(qū)多次出現(xiàn)的強(qiáng)降雨過(guò)程,具有過(guò)程頻繁、雨量大、短時(shí)強(qiáng)度高、極端性強(qiáng)、影響范圍廣和致災(zāi)重的特點(diǎn)。持續(xù)強(qiáng)降水造成湘江、漓江出現(xiàn)超警戒水位洪水,贛江出現(xiàn)2010年以來(lái)最高水位,北江支流滃江發(fā)生1964年以來(lái)的最大洪水。
這次降雨過(guò)程歷時(shí)很長(zhǎng),華南地區(qū)連續(xù)出現(xiàn)了14次強(qiáng)降雨過(guò)程,多條河流發(fā)生超出警戒水位的大洪流。福建閩江干支流、晉江、九龍江、汀江,廣西西江支流桂江、蒙江、賀江,江西贛江上游及湖南湘江上游等河流都超過(guò)警戒水位。其中閩江支流嶺尾溪及九龍江支流新橋河發(fā)生超過(guò)歷史記錄的大洪水。
7月8日以來(lái)的強(qiáng)降雨已造成長(zhǎng)江沿線的湖南、湖北等10省市局部地區(qū)遭受洪澇災(zāi)害。
2010年水情突出表現(xiàn)為3個(gè)特點(diǎn):一是主要江河洪水量級(jí)大,部分河流超過(guò)1998年。江西信江、撫河發(fā)生超歷史紀(jì)錄特大洪水,重現(xiàn)期50年;福建閩江發(fā)生30年一遇的大洪水。二是發(fā)生洪水河流眾多。6月13日以來(lái)的暴雨洪水涉及長(zhǎng)江、閩江和西江3個(gè)流域,江西和福建等110余條河流發(fā)生超警洪水,9條河流發(fā)生超歷史紀(jì)錄洪水。三是閩江、湘江和資水等南方11條主要江河同時(shí)發(fā)生洪水,近年來(lái)少見。
新華網(wǎng)北京7月9日的題目:《中國(guó)面臨旱澇災(zāi)害雙重考驗(yàn)》。近來(lái),我國(guó)一度呈現(xiàn)北旱南澇之勢(shì)。甘肅、內(nèi)蒙古和山西等地區(qū)滴水如金,廣西、江西、福建、湖南一帶卻暴雨成災(zāi),這種旱澇并存的局面對(duì)中國(guó)的防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)能力提出了極大考驗(yàn)。
2010年旱情主要有3個(gè)特點(diǎn):一是受旱地區(qū)集中,主要集中在黑、豫、內(nèi)蒙古、晉、皖等省區(qū),局地旱情十分嚴(yán)重;二是旱情發(fā)生早,冬麥區(qū)旱情發(fā)生時(shí)間明顯早于常年;三是受旱面積大,3月中下旬,全國(guó)耕地受旱面積一度達(dá)0.17億hm2,比往年同期多166.7萬(wàn)hm2。我國(guó)中部、北部地區(qū)滴水難求,而華南一帶卻連日大雨,湍急的水流沖垮房屋,沖破大壩,引發(fā)山洪,造成多處險(xiǎn)情。
從2010年3月25日至9月10日一共有10個(gè)臺(tái)風(fēng)。在3月只有1個(gè),7月13日至9月10日一共有9個(gè)臺(tái)風(fēng),這表明臺(tái)風(fēng)集中在這3個(gè)月。
(1)臺(tái)風(fēng)路徑增長(zhǎng)。2010年第4號(hào)熱帶風(fēng)暴(電母)在韓國(guó)南部沿海登陸后繼續(xù)向東移動(dòng),影響東海北部、黃海南部。2010年第7號(hào)臺(tái)風(fēng)(圓規(guī))9月2日在朝鮮半島西部登陸。2010年第9號(hào)熱帶風(fēng)暴(瑪瑙)于9月4日向浙江北部沿海移動(dòng),然后逐步靠近韓國(guó)南部沿海。
(2)臺(tái)風(fēng)對(duì)近岸陸地和水域帶來(lái)很大影響。2010年第5號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴(蒲公英)于8月25日凌晨登陸越南北部,2010年第6號(hào)熱帶風(fēng)暴(獅子山)于9月2日在福建省漳浦縣沿海登陸,2010年第7號(hào)臺(tái)風(fēng)(圓規(guī))于9月2日在朝鮮半島西部登陸。2010年第9號(hào)熱帶風(fēng)暴(瑪瑙)于9月4日向浙江北部沿海移動(dòng),然后逐步靠近韓國(guó)南部沿海。2010年第10號(hào)熱帶風(fēng)暴(莫蘭蒂)在福建省石獅市沿海登陸。
強(qiáng)熱帶風(fēng)暴(蒲公英)帶來(lái)的影響,南海西部海域、北部灣將主要有7~9級(jí)大風(fēng),中心附近海域的風(fēng)力可達(dá)10~11級(jí),并伴有7m以上的巨浪;8月24日海南大部、廣東中西部和廣西將有暴雨到大暴雨;8月25日廣東和廣西沿海仍有大雨到暴雨。
受熱帶風(fēng)暴“獅子山”影響,華南中東部、江南中東部、江淮、黃淮以及東北地區(qū)將有大到暴雨,局部大暴雨,風(fēng)力6~7級(jí);其中福建南部和廣東大部、江西北部、安徽中南部及江蘇中北部有暴雨到大暴雨,過(guò)程降雨量可在100mm以上,極值可在300mm,臺(tái)灣海峽、巴士海峽、巴林塘海峽和福建南部、廣東南部沿海將有8~9級(jí)大風(fēng)和3~4m的大浪。
受熱帶風(fēng)暴(瑪瑙)影響,東海大部、臺(tái)灣移動(dòng)洋面、巴士海峽、巴林塘海峽將有6~8級(jí)大風(fēng),“瑪瑙”中心經(jīng)過(guò)附近海域風(fēng)力可達(dá)9~10級(jí),陣風(fēng)11~12級(jí)。黃海北部、黃海中南部將有6~8級(jí)大風(fēng),琉球、東海北部、黃海中南部有4~6m的巨浪。
受熱帶風(fēng)暴(莫蘭蒂)影響,在廣東東部、福建、浙江、江西東北部、上海、江蘇南部和安徽東部等地將有大雨到暴雨;其中,福建中北部、浙江西部、江蘇南部和安徽東部部分地區(qū)有大暴雨,以上地區(qū)局部有特大暴雨。臺(tái)灣海峽、東海沿海、福建和浙江沿海將有7~8級(jí)大風(fēng),陣風(fēng)可達(dá)9~10級(jí);以上海域有2~3m大浪。
(3)臺(tái)風(fēng)密度加大。2010年8月29日有1個(gè)臺(tái)風(fēng)出現(xiàn),第6號(hào)熱帶風(fēng)暴(獅子山)。2010年8月30日有2個(gè)臺(tái)風(fēng)同時(shí)出現(xiàn),第6號(hào)熱帶風(fēng)暴(獅子山)和第7號(hào)臺(tái)風(fēng)(圓規(guī))。2010年8月31日有3個(gè)臺(tái)風(fēng)同時(shí)出現(xiàn),第6號(hào)熱帶風(fēng)暴(獅子山),第7號(hào)臺(tái)風(fēng)(圓規(guī))和第8號(hào)熱帶風(fēng)暴(南川),7級(jí)大風(fēng)圈的半徑分別為200km、230km和100km。
通過(guò)地球系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)鹽硅補(bǔ)充機(jī)制,筆者提出了“未來(lái)地球氣候變化的模式”。對(duì)此模式的分析研究,展示了未來(lái)地球氣候變化模式的種類、內(nèi)容、特征、分布和功能。并且通過(guò)2010年的天氣變化印證了未來(lái)地球氣候變化模式?,F(xiàn)在經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有極端天氣,然而極端天氣在長(zhǎng)時(shí)間地、經(jīng)常地出現(xiàn),也就沒有極端了。這只是氣候變化的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
在不同的區(qū)域,根據(jù)不同的“未來(lái)地球氣候變化的模式”,建立不同的防災(zāi)減災(zāi)體系和基礎(chǔ)設(shè)施。在近岸地區(qū)和流域盆地,建設(shè)排水系統(tǒng),做好城市、農(nóng)田的排澇,注意連續(xù)遭受暴雨襲擊,防范可能引發(fā)的洪澇災(zāi)害,如塌方、落石、山洪、泥石流和山體滑坡等災(zāi)害。在內(nèi)陸區(qū)域,建設(shè)節(jié)水灌溉系統(tǒng),做好城市、農(nóng)田的干旱,注意高溫、強(qiáng)風(fēng)和持續(xù)的干旱,防范可能引發(fā)的干旱災(zāi)害,如沙漠化和沙塵暴等災(zāi)害。在海洋區(qū)域,建設(shè)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的設(shè)施和設(shè)備,完善預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的機(jī)制,注意風(fēng)暴潮的面積、強(qiáng)度、速度等級(jí)別,防范臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)、熱帶風(fēng)暴和寒潮等風(fēng)暴潮可能引發(fā)的海上災(zāi)害。
洪水、沙塵暴和風(fēng)暴潮,以3種方式向大海水體輸送硅。這3種方式對(duì)人類生存來(lái)說(shuō)是3種災(zāi)害,但是這些災(zāi)害與全球氣溫和水溫上升所帶來(lái)的災(zāi)害相比是微不足道的[8]。這是由于洪水、沙塵暴和風(fēng)暴潮是局部的災(zāi)難,然而全球氣溫和水溫上升所帶來(lái)的災(zāi)害是全球性的災(zāi)難。因此,通過(guò)“未來(lái)地球氣候變化的模式”,對(duì)洪澇災(zāi)害、干旱災(zāi)害和風(fēng)暴潮災(zāi)害等災(zāi)害進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),提高預(yù)報(bào)精度和準(zhǔn)確率。人類要應(yīng)對(duì)這個(gè)氣候變化給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)的變化和給人類帶來(lái)的旱澇災(zāi)害,都需要人類積極采取應(yīng)急措施和方案,利用現(xiàn)代技術(shù)加強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)的系統(tǒng)建設(shè),以便減少未來(lái)的自然災(zāi)害對(duì)人類的影響。
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[7] 佚名.發(fā)布的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)分析[EB/OL].(2010-07-10)[2011-07-18].http://www.typhoon.gov.cn/forecast/.
[8] 楊東方,吳建平,曲延峰,等 .地球生態(tài)系統(tǒng)的氣溫和水溫補(bǔ)充機(jī)制[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2007,25(1):117-122.
中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目——長(zhǎng)江口及其附近海域的營(yíng)養(yǎng)鹽的變化過(guò)程(KZCX 2-207);國(guó)家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心主任科研基金資助——長(zhǎng)江口、膠州灣及其附近海域的生態(tài)變化過(guò)程.