第2章气候系统组成及基本特性

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1、第二章 气候系统*,2.1 气候系统的组成 2.2 气候系统的物理、化学过程 2.3 气候系统的基本特性 2.4 气候系统的可预报性 2.5 气候系统的研究,2.2 气候系统的物理、化学过程,在太阳辐射加热作用下，在大气中生成了风，在海洋中产生了洋流。风和洋流反过来又将热量从过剩的地区输送到热量不足地区。赤道与极地温差、地表和大气高层的温差、海陆的热力差异、海陆分布引起的南北半球的热力差异等等,大气热机运转,气候系统的物理过程与生命周期为2-3周以内的大尺度天气系统的物理过程相比，气候系统的外部加热起着举足轻重的作用。 大尺度天气系统的第一近似可视为绝热系统，而气候系统则必须考虑非绝热加热。

2、这些物理、化学过程主要包括：辐射过程、云过程、陆面过程、海洋过程、冰雪过程、气溶胶过程、碳循环及生物过程,2.3 气候系统的基本特性,1. 气候系统是一个复杂的、高度非线性的、开放的巨系统 有规则的周期性变化：日变化、年变化等 较规则的周期性变化：准双周振荡、准两年振荡等 不规则的变化：百年增暖、大气环流的突变,气候系统的性质,（1）开放的非孤立系统 在太阳辐射的作用下，气候系统内部产生一系列的复杂过程，各个组成部分之间，通过物质和能量交换，紧密地联结成一个开放系统。大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈构成了一个由复杂物理过程联系起来的串级系统。这些物理过程包括穿越边界的能量、动量和物质输送，

3、且生成了大量的反馈机制。,（2）响应时间差异很大，可分为内部系统和外部系统 首先，把那些具有最短响应时间的系统看成是同一级的内部系统，于是就可把所有其它分量看成是外部系统。 例如，对于数小时到几个月的时间尺度，大气可以看成是气候系统的唯一内部分量，而海洋、冰雪、陆地表面、生物圈都可处理成边界条件和外强迫。对于由数月到几百年的时间尺度，气候内部系统必须包括大气和海洋，也应考虑雪盖、海冰和生物圈。,（3）不稳定的高度耗散系统 气候系统是一个高度耗散系统。主要由两个外强迫来制约其全球行为，它们是太阳辐射和重力。 在外强迫中必须把太阳辐射看成是主要因子，它提供了驱动气候系统的几乎所有能量。一部分太阳辐

4、射转换成供大气和海洋环流耗散掉的能量。 由于摩擦、扩散及其不可逆过程的发生，气候系统必须看成是一个高度耗散系统。,1) 热力属性: 空气、水、陆地表面和冰雪面的温度2) 动力属性：风、洋流及其垂直运动和冰体运动3) 水分属性：空气湿度、云量、降水量、土壤湿度、河湖水位、冰雪等。4) 静力属性：大气和海水的密度、压强、大气的组成、海水盐度及气候系统的几何边界和物理常数等。,2. 各个气候子系统之间显著的热力学和动力学属性差异,气候系统各组成部分属性的对比,3. 气候系统的反馈过程,气候系统的反馈过程反馈：气候系统不同属性（变量）之间的相互作用，引起气候属性的变化，称为反馈。包括正反馈过程和负反馈

5、过程。 正反馈：反馈过程造成的气候变化与原变化同号，使气候变化加剧，产生气候不稳定称为正反馈。 负反馈：反馈过程造成的气候变化与原变化反号，抑制气候的变化和异常，使气候趋于稳定，称为负反馈。,正反馈：冰雪反射率温度水汽含量红外逸出辐射温度 （水蒸气增加温室效应作用加强陆地和海洋表面温度上升产生更多水蒸气。汽是最重要的反馈机制之一，也是唯一最大的正反馈作用。）CO2 海温 （海温升高海洋中二氧化碳溶解度减小部分二氧化碳逃逸到大气中温室效应加剧海温升高）,负反馈：（中低）云量多太阳辐射少稳定度大云量少 蒸发量大水面温度低蒸发量小赤道、极地温差大热量输送大赤道、极地温差小,2.4 气候系统的可预报性

6、,1975年，Lorenz把气候预报问题分为两类: 第一类气候预报：对未来某一具体时段气候状态的预报，其可预报性取决于作用于气候系统的外力和气候系统相互作用对大气影响的可预报性。 第二类气候预报：与时间无关，预测气候对某一影响因素变化的响应。,气候可预报性分类 Lorenz（1975）将气候的可预报性分为两类： 第一类可预报性 :初始误差(扰动)随时间增长（确定性预报的时效问题）; 由于在确定初始状态时不可避免地会产生误差，而这些误差又必然随时间增长，尤其是这些误差还会向低频谱段传播，从而使局地性小范围的误差变为全局性误差，气候状态因此而发生改变，预报只在某时段内（时效极限）是确定的。,第二类

7、可预报性:外强迫变化引起气候变化的模拟和预报能力（大气对外强迫的响应及敏感性）。 由于外强迫的改变，尤其是一些持续性的外强迫异常，必然使大气环流和气候状态发生变化，怎样估计以及在多大程度上可以较好地估计出这种异常外强迫，一般数值模拟的办法进行数值试验，看模式大气对外强迫的响应及其敏感性。,气候系统的可预报性与驱动力 外力 周期性：日、年变化、米氏周期（米兰科维奇理论）、银河周期 非周期性：火山爆发、地震等 (米兰科维奇理论即是从全球尺度上研究日射量与地球气候之间关系的天文理论。气候变化存在着三个天文周期：每隔2万年，地球的自转轴进动变化一个周期（称为岁差）；每隔4万年，地球黄道与赤道的交角变化

8、一个周期；每隔10万年，地球公转轨道的偏心率变化一个周期。 ) 内力 周期性：系统内部各因子之间相互耦合而成的自持振荡（ENSO等) 非周期性：随机性内部因子,大气运动分类 从预报的角度，冯纽曼（1955）将大气运动分为三类：第一类运动:主要由大气运动的初始场决定，不必考虑外强迫的作用，因此可从初始场外推（短期、中期天气预报）;第二类运动:几乎完全与初始场无关，因此只考虑外强迫的作用，可以不考虑初始场做预报（敏感性试验）;第三类运动:距初始场相当远，因此不可能完全从初始场外推；但初始场有一定影响，还要考虑外强迫的作用（相当于现在的短期气候预测，预报时效大约是612月，预报准确率上限大约为808

9、5% ）。,2.5 气候系统的研究,一、气候监测 二、气候诊断 三、气候重建 四、气候模拟 五、气候预测,一、气候监测,（1）大气常规观测 （2）海洋及系统其他成员的常规观测CODAS 雪盖、海冰面积土壤温度及湿度全球植被 （3）非常规观测太阳常数观测大气中的微量气体（CO2, 甲烷，氯氟碳化物（CFCs) 观测；平流层气溶胶观测（研究火山爆发对气候影响）,二、气候诊断,气候诊断：根据气候监测结果对气候变化与气候异常作出判断。 有关气候监测与气候诊断的系统性出版物有（1）美国气候预测中心(CPC)的气候诊断公报 （Climate Diagnostic Bulletin ,月刊）（2）WMO的气

10、候监测公报（Climate system Monitoring Monthly Bulletin, 月刊） （3）英国东安吉利亚大学的气候监测（Climate Monitor) (季刊）(4) 美国每年10月召开的气候诊断与预测年会，每届都有会议文集 （5）WMO, WCDP 每两年出版1期气候系统监测专集，题为全球气候系统。中国气候中心，月气候监测公报,气候诊断的内容 （1）气候异常的诊断：多把要素的方差值作为衡量异常的标准 （2）气候变化的诊断研究近百年气候变化时经常用10年平均作为分析的时间单位，如果序列足够长，有时也可用30年平均或100年平均。气候平均值变化: t检验。诊断气候突变：

11、Mann-Kendall方法，小波分析 （3）气候异常事件的诊断要诊断是否出现某一种气候异常事件，需要一个严格的定义。如：El Nino事件，东亚季风强度指数 （4）气候变化原因的检测,三、气候重建,最常用的代用资料： （1）孢粉 （2）冰芯氧同位素 （3）树木年轮树木生长受季节影响，春材细胞大而颜色淡，秋材细胞小而颜色深，一淡一深组成一圈年轮。当水份、营养、日照充足时，年轮宽，反之年轮窄。14C定年 （4）珊瑚 （5）史料分析,表土孢粉可以反映現代植被的結構，只要詳細比較表土孢粉、現代植被結構與所在地區氣候狀況三者間的相關性，便可由表土孢粉的分析推測該區的氣候概況。 孢粉是指蕨類植物的孢子與

12、種子植物的花粉，大小約幾十微米到百餘微米。,孢粉化石,冰芯,珊瑚化石,樹木年輪,歷史文獻,参考图例,孢粉化石,冰芯,珊瑚化石,樹木年輪,歷史文獻,蕨類植物（孢子）,種子植物（花粉）,經由碳14定年的技術，可以透過沈積物的有機質中碳14的含量知道這些含有各類孢粉組合沈積物的年代,孢粉化石,冰芯,珊瑚化石,樹木年輪,歷史文獻,孢粉化石,冰芯,珊瑚化石,樹木年輪,歷史文獻,從冰芯樣品中，能測定冰川的年齡及其形成過程等古氣候資料。,孢粉化石,冰芯,珊瑚化石,树木年轮,历史文献,冬季气温低，雪粒细而紧密。 夏季氣溫高，雪粒粗而疏松。,孢粉化石,冰芯,珊瑚化石,樹木年輪,历史文献,如何利用冰芯獲取古代氣溫

13、資料？,孢粉化石,冰芯,珊瑚化石,樹木年輪,历史文献,透過年輪的寬窄，我們可以瞭解各年的氣候狀況，利用年輪上的訊息則可推測出幾千年來的氣候變遷情況。 如果某地氣候優劣有過一定的週期性，反映在年輪上也會出現相應的寬窄週期性變化。,參考圖例,孢粉化石,冰芯,珊瑚化石,樹木年輪,历史文献,年輪寬： 表示那年光照充足，風調雨順。,年輪窄： 表示那年溫度低、雨量少，氣候惡劣。,孢粉化石,冰芯,珊瑚化石,樹木年輪,歷史文獻,珊瑚骨骼中的一些微量元素及同位素可以提供相關資料。,例如：海水溫度每升高攝氏 1 度會造成正在成長的骨骼中的鍶元素減少0.8，鎂元素增加3，鈾元素減少5。,雖然人們知道氣候會隨著地理環

14、境變化，但人們卻以為氣候相對於時間則是相當穩定的。 我們從歷史文獻所記載的氣候狀況，與現代氣候相比較可以得知，氣候在歷史時期的確是有產生波動的。,孢粉化石,冰芯,珊瑚化石,樹木年輪,歷史文獻,四、气候模拟,气候模拟： 根据一定的大气或海洋动力学、热力学定律，在给定边界条件下，采用数值计算的方法研究气候。 1950年，Philips采用低纬加热、高纬冷却的热源热汇，同时考虑地面摩擦，成功地模拟出中纬度的西风急流和费雷尔环流。 气候模拟四个阶段： （1）第1阶段：1950年代1960年代初期，重点研究大气环流与地面气候平均状况的形成。在给定边界条件下，算出了接近实际情况的全球海平面气压分布与气温分

15、布及对流层环流特征。许多物理过程的考虑还比较粗糙，所模拟的平均场，如果仔细检查的话，也同观测资料有不少差异，特别是大气活动中心的强度与位置模拟的不大好。,（2）第2阶段：1960年代1970年代中，进一步改进了模式，提高了模式的水及垂直分辨率，改进了辐射、凝结和对流参数化方法，引入更接近实际的下边界条件，如大地形、SST、冰雪分布等。因此，不但提高了模拟气候平均态的能量，还能模拟其季节变化及二级环流，如亚洲季风。 （3）第3阶段（1970中-1980年代）：主要做敏感性试验: CO2加倍、太阳常数变化1%或2%，SSTA等1989年 AMIP试验：大气模式比较计划，30个模式参加。 （4）第4

16、阶段（1980年代末-至今）气候模拟研究主要包括以下3个方面用观测的SST强迫大气环流模式，进行几十年到百年积分，看大气对SST变化的响应；用耦合模式进行一百年乃至几百年的积分，研究自然气候变率，一方面分析气候变率的空间分布(NAO),另一方面分析气候振荡的时间变率；用耦合模式，作渐变分析，研究CO2每年增加1%，以及对流层气溶胶逐渐增加的影响。,五、气候预测,目前我国及世界上大多数国家均把月以上的预报称为短期气候预测。 气候预测分为两类：一类采用统计方法，另一类采用动力学数值预报 100多年前，有的国家已经开始用相关回归方法作长期预报。（经验预报，预报准确率只有55%-60%，气温比降水预测准确率要高一些）,冯纽曼指出，从预报角度，大气运动分： 1.初始场外推中、短期天气预报 2.与初始场无关敏感性试验 3.距初始场较远短期气候预测,