第一章节气候系统幻灯片

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1、全球气候系统 南京信息工程大学 缪启龙教授,第一章 气候系统,一、气候的定义 狭义上：气候通常被定义为“天气的平均状态” 严格表述为：“某地在某一时段内气候要素的平均值和变率的统计描述” 天气是指在短时间内（1-3天左右）发生的天气现象，如暴雨，大风，雷暴，高温等,第一章 气候系统,二、气候系统通常定义为 由大气、海洋、冰雪圈、岩石圈和生物圈等组成的相互作用的整体。 因为气候系统有连续的外界能量输入，且其各个组成部份之间通过物质和能量交换紧密地相互联系和影响着，所以系统是一个非线性的开放系统。,第一章 气候系统,气候系统的组成 大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈内部及其之间普遍存在着能量、

2、动量和物质的输送与交换过程。正是由于这些子系统之间复杂的物理、化学和生物作用，才形成了气候系统行为的多样性和复杂性。 控制气候系统总体行为的两个最重要的外强迫因子是源于外空间能量输入的太阳辐射和源于地球本身的重力作用。 地球气候系统的热力学和动力学状态均与这两个因子有关。,气候系统不断地随时间演变（渐变与突变），而且具有不同时空尺度的气候变化与变率（月、季节、年际、年代际、百年尺度等气候变率与振荡）。,第一章 气候系统,三、各个子系统 1、大气系统 是包围地球的一层气体，与地球的在固体部分相比，大气系统仅为地球半径的0.5%厚的浅薄气体。但它是人类赖以生存的最重要的环境，是气候系统的主体部分，

3、也是气候系统中最活跃、变化最大的部分。 大气圈主要通过其中大气成分及辐射收支的变化来影响地球的气候。,第一章 气候系统,2、水圈 包括海洋、河流、湖泊和地下水，也应包括大气中的液态水，在有些工作中将冰雪圈也划入水圈。水圈也是气候系统中最活跃的组成之一， 其三相变化的过程是气候系统最重要的过程之一，它的存在和运动构成了地表、空中、水中的形形色色的自然现象，纷纭复杂的气候类型，也是生命赖以生存的基本要素。在水系统中海洋对气候变化的影响最重要。,在水圈中对气候影响最大的是海洋。海洋占地球面积的70%左右，它一方面可以储存与输送大量的能量，同时还可以溶解与储存大量的CO2，是全球碳循环中非常重要的部分

4、。根据最近的估计海洋每年可以吸收17亿吨碳，占化石燃料燃烧和工业生产排放总量的27%。海洋的环流比大气环流要慢得多，它是由盐分与温度梯度产生的密度差（即温盐环流）驱动的。北大西洋温盐环流是对气候影响最显著的一种温盐环流。气候的突变与这种环流的突然减弱或关闭有关）。 海洋通过洋流把赤道地区的多余热量向极地输送。 它能影响地表能量与水汽通量、云、降水、水文循环以及大气与海洋环流，但最明显的影响是对海平面高度。因为冰原储存了大量的水，其体积变化可引起海平面上升。,海洋有很大的热惯性，这主要是由于海水的热容量很大，它一方面可以阻尼或减缓巨大的强温度变化，起到了地球气候调节器的作用，另一方面，由于它有较

5、长的记忆力（尤其是在热带海洋），可以长时期内通过海气相互作用影响大气的变化，成为自然气候变率的源。这就是为什么在目前设计的各种复杂气候模式与碳循环模式中必须把海洋包括在内。在赤道东太平洋中发生的厄尔尼诺和拉尼娜现象（即该区域海表温度迅速升高或减少的现象）是由海洋产生的最显著的自然变率，它已成为目前各国进行年际预报和季节预报的最重要气候强信号。,第一章 气候系统,3、冰雪圈 指全球的冰体和积雪，是气候寒冷的产物；由极地冰原、季节性雪盖、海冰、高山冰川和永冻层组成。 无论海冰还是陆冰对气候也产生很大影响； 影响地表辐射平衡和热量平衡。 目前冰川对海平面变化最直接的作用是通过高山冰川的融化与冰架边缘

6、地区的融化实现的。据估计，近百年海平面上升的约一半高度是冰川融化的结果。,第一章 气候系统,4、岩石圈， 即地球表层固体的壳体，包括大陆的陆块，即山体、地表岩石、沉积和土壤，也包括海洋底部形态。 岩石圈与气候变化最密切相关的部分是地壳、地幔和陆面的结构。它们可通过改变天气的化学成分影响地球的气候。这种现象被称为气候变化的地质构造原因。 时间尺度是气候系统的所有组成中最长的，约为105106年以上； 影响主要表现在地形的动力作用、地表热力特性的差异及陆面水分循环 。,陆面的结构或其粗糙度在风吹过陆面的时候也可从动力学上影响大气。粗糙度一般决定于地形和植被条件。风也把沙尘从地表吹到大气中去，从而影

7、响区域大气辐射收支。沙尘暴的发生就是一个最明显的例子。,第一章 气候系统,5、生物圈，也称为生物系统 是大气中、陆地上、海洋中的植物和动物，也包括人类本身 生物圈与气候是休戚相关的，影响较大的是世界范围的植被，植被既是气候的产物，反过来又对气候产生影响。主要是影响能量平衡和水分平衡 生物圈在碳循环中起着中心作用。陆地生物群也是气候系统中的一个重要部分，其功能很多。例如陆地植被类型影响蒸发到大气的水分以及太阳辐射的吸收或反射。植被根部的状况与活动也对碳与水储存以及陆气通量有重要作用。叶面指数是描述植物群冠作用的一个重要指数，它与全球和区域气候变化有密切的关联。陆地生态系统的生物多样性影响关键生态

8、系统过程的量级（如生产力），对生态系统的长期稳定性有重要作用。,第一章 气候系统气候系统的物理、化学过程,四、气候系统的物理、化学过程 1、大气热机运转 2、气候系统中存在着各种时、空尺度的物理、化学过程。 3、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。即外源强迫作用对气候系统显得更重要。 4、物理、化学过程主要有辐射过程、云过程、陆面过程、海洋过程、冰雪圈过程、气溶胶过程、二氧化碳过程及生物过程等等。,五、 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 地球气候系统是一个非常庞大的系统，它包括了若干个子系统。而且这些子系统又可被分解

9、成许多个更小的二级子系统，它们都是复杂的多级结构。 地球系统与外空间的物质交换是微乎其微的，在这个意义上气候系统可视为一个封闭系统。 气候系统与外空间有能量的交换：吸收太阳辐射的同时向外空间放射长波辐射以求得辐射能量的平衡，从热力学的观点来看，气候系统是一个开放系统。 对于其子系统，如大气、海洋和生物圈等等也都是开放系统。在开放的气候系统中，既有能量的不断耗散，又有一些稳定的周期性的变化，还具有某些随机扰动系统的性质。,2 、气候系统的复杂性 无论从描述气候系统的物理量空间分布和时间变化，还是从气候系统中发生的过程类型，气候系统都是非常复杂的。气候系统的复杂性也是气候学常胜不衰的原因之一。 气

10、候要素的空间分布，从气候系统的低层到高层，从极地到赤道，从海洋到陆地，气候要素呈现出各种各样的复杂变化。 气候系统随时间演变看，复杂性表现得更为突出：既有规则的周期性变化，如日变化和年变化等，还有比较规则的准周期性变化，如准两年振荡等，也有看似随机的不规则变化；既有缓慢的趋势变化，如近百年增暖，又有急剧的突变，如大气环流的突变、近千年来和近百年来的气候突变；,从气候系统中发生的重要过程的类型来看，气候系统表现得如此复杂是必然的。这些过程正是气候系统各组成部份之间相互作用和相互影响的具体表现，也是气候系统表现出高度非线性的根本原因。 气候系统中的重要过程按过程类型有三大类：物理过程、化学过程、生

11、物过程等。,辐射传输和热量输送，云辐射过程，陆面、海洋和冰雪圈过程，水分、碳、硫等重要物理过程，臭氧及其光化学过程，气溶胶过程以及重要的生物过程； 即使对于这些过程中的某一个，甚至某个过程中的某些环节都是极其复杂的。这些过程的复杂性意味着用单纯的统计方法进行气候形成与变化的研究是有很大的局限性的。,3、 各个气候子系统之间显著的热力学和动力学属性差异,地球气候系统的行为之所以表现得如此复杂多样，一个重要的原因是组成气候系统的各部分之间热力学和动力学属性有着非常显著的差异。,气候系统各组成部分的热力学和动力学属性差异,空气具有最小的密度、比热容、热容量、热传导和热传导能力，最大的热扩散率和穿透深

12、度。 水具有较大的密度、最大的比热容、热容量和较大的热传导能力，最小的穿透深度。 热扩散率和热传导能力是对于静态的空气和水而言的，对于运动着的空气和水来说，其热扩散率和热传导能力分别要比表中数字大4个和2个量级以上； 冰雪圈的密度和热容量比水要小，远远比空气大，具有最大的反射率； 土壤（粘土为例）具有最大的密度、最小的比热容和较小的穿透深度，其热传导率和热传导能力不到水的一半。,4、 气候系统的稳定性,气候系统的稳定性无疑是气候系统演变的重要性质。气候系统的稳定性主要受两个因素的制约，一个是能量收支的外部因素，一个是气候系统内部的性质。,5、 气候系统的反馈过程,设两个子系统A、B组成的系统，

13、 A的输出增量加强了B的输出增量，B的输出增量进一步又引发A的输出增量增加，这样循环往复，使整个系统不断偏离稳定态，这种A与B的相互作用称为正反馈机制。反之，若A的输出增量抑制了B的输出增量，减弱了的B输出增量使A的输出增量又进一步降低，这种A与B的相互作用称为负反馈机制。 正反馈机制将使气候系统变得失去控制而不稳定，使气候出现异常现象， 大气中存在负反馈作用，当大气中出现某一异常时，很快就能调整到新的平衡状态，使气候处于一种相对的稳定态之中，可见气候的不稳定性是由气候系统内部的正反馈机制控制着，而气候的稳定性则是由气候系统内部的负反馈机制调节并维持的。气候的历史演变表明正、负反馈机制在气候系

14、统中同时存在使气候系统总保持某种相对稳定状态。,气候系统的反馈过程,气候系统中的反馈机制对气候变化具有很重要的意义。弄清反馈过程的物理机制，在气候变化研究中是一个极为重要的问题， 正反馈过程有(1)冰雪面反射率温度；(2)水汽含量红外逸出辐射温度；(3)CO2海温；(4)高云(或云顶高度) 逸出辐射温度；(5)植物反射率稳定度等等。 负反馈过程有(1)(中低)云量多太阳辐射少稳定度大云量少；(2)蒸发量大水面温度低蒸发小；(3)赤道、极地温差大热量输送大赤道、极地温差小等等。,6、 敏感性,敏感因子的定义为：控制气候系统的外参数的改变所引起的气候变量(如温度)的相应改变量，即 ， 为外参数。,

15、气候敏感性既依赖于施加于气候系统的强迫作用类型及其地理和垂直分布，又取决于反馈过程的强度。由于反馈过程与平均气候态有关，因而也取决于平均气候态。气候敏感性涉及的关键物理过程有水汽，大气递减率，地面反照率（主要由冰、雪范围变化引起）和云反馈。近几十年气候模式有了明显的改进，尤其是对云、边界层和对流等参数化过程。在此基础上对平衡气候敏感性也进行了许多试验。有些模式显示，由于云参数化或云辐射特性表征的改进，使气候敏感性有改变。但大多数模式中气候敏感性的变化并不能归因于模式中某一具体物理因子处理上的改变。这是因为模式中物理因子参数化的变化是非线性相互作用的，A与B因子之和并不等于A+B的变化。另外，个

16、别变化的全球效应大致相互抵消。因而这使得，气候模式及其关键物理过程的参数化及其可能表征有明显改进，但气候敏感性并不表现出很大的变化。下面给出的不同年代气候敏感性值及其变化范围清楚地印证了这一点。,7、 气候系统的可预报性,气候预报问题分为两类： 第一类是与时间有关的，这就是通常意义下的预报问题，即未来某一具体时间的气候状况的预报； 第二类与时间无关，仅讨论某一因素产生某种变化，将使气候产生什么样的变化，至于这一因素的变化在何时发生并不关心。因此第二类预报问题实质上是气候系统的适应问题。,一类是外力，即独立于气候系统之外，不受气候系统的反馈作用的“力”。它又可分为周期性外力和非周期性外力两种，前者如太阳辐射的日、年变化，米氏周期，银河周期，后者如火山爆发、地震等。对短期气候变化来说，深层海温和深层地温也是一种非周期的外力。 第二类是内力，一种是系统内部各因子之间相互耦合而成的自持振荡(如地气耦合、南方涛动等)。另一种是随机性内部因子。,六、气候系统的研究 气候系统研究的最终目的仍