《第一讲气候系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一讲气候系统（79页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、气象学与气候学气候动力学引论 大气科学学院大气科学学院1 气候系统的提出是气候学进入一个新阶段气候系统的提出是气候学进入一个新阶段的重要标志之一。因此，研究范围包括：的重要标志之一。因此，研究范围包括：第一章第一章 第第2节节 气候系统气候系统气候系统大气内部过程对气候的影响大气内部过程对气候的影响海洋海洋冰雪冰雪陆面陆面生物圈生物圈物理过程物理过程化学过程化学过程生物过程生物过程平均状态平均状态各种时间尺各种时间尺度度气候系统还应包括天文因素（太阳活动）气候系统还应包括天文因素（太阳活动） 大范围的大气运动一般大范围的大气运动一般就被称为大气环就被称为大气环流，它的主要流，它的主要状况状况(
2、形势形势)往往就决定着全球往往就决定着全球或区域或区域的的天气和气候类型及其变化。尤其是天气和气候类型及其变化。尤其是气候异常气候异常(例如例如大范围旱涝的发生大范围旱涝的发生)往往同大往往同大气环气环流的某种持续异常有关流的某种持续异常有关因此大气环流因此大气环流形势持续形势持续异常对认识异常对认识和了解气候及其气候变和了解气候及其气候变化化是非常是非常重要的。重要的。 2.1 大气大气2.1.1 大气环流大气环流短波辐射，长波辐射，能量向极地输送短波辐射，长波辐射，能量向极地输送 能量的向极输送不仅对维持大气能量平衡有能量的向极输送不仅对维持大气能量平衡有作用，而且还减小了因辐射过程造成的
3、经向温度作用，而且还减小了因辐射过程造成的经向温度梯度。梯度。 1）冬季的经向）冬季的经向梯度大于夏季梯度大于夏季 2）南半球大于）南半球大于北半球北半球 3）夏季平流层）夏季平流层在赤道附近温度在赤道附近温度最低最低4）对流层分布特）对流层分布特征，有效位能转征，有效位能转化为动能，维持化为动能，维持大气运动大气运动根据热成风原理根据热成风原理在对流层顶附近有在对流层顶附近有西风急流，冬强，西风急流，冬强，30N附近；夏季附近；夏季较弱，较弱， 40N附近。附近。地面：赤道附近为地面：赤道附近为东风带，在极区附东风带，在极区附近的近地面层有高近的近地面层有高纬的东风带纬的东风带在平流层，围绕
4、夏季极区，整个半球为东风控制、在平流层，围绕夏季极区，整个半球为东风控制、围绕冬季的极区，却是西风带，且在高纬度地区围绕冬季的极区，却是西风带，且在高纬度地区存在强西风的极夜急流存在强西风的极夜急流(中心在平流层中部中心在平流层中部)。 平均经圈环流是在涡动输送和外源强迫作平均经圈环流是在涡动输送和外源强迫作用下用下产生的产生的种次级环流。种次级环流。大大气气环环流流主主要要成成员员东西风带（西风急流）东西风带（西风急流）平均经圈环流平均经圈环流准定常槽脊准定常槽脊相互作用相互作用相互制约相互制约构成一个整体构成一个整体比如：波流相互作用，西风强度决定大型扰比如：波流相互作用，西风强度决定大型
5、扰动的强度以及速度；西风切变动力稳定度和动的强度以及速度；西风切变动力稳定度和扰动的发展扰动的发展2.1.2 大气成分大气成分 在近地面在近地面2530KM以内，大气由一些固以内，大气由一些固有气体和气溶胶组成。有气体和气溶胶组成。氧气氧气氮气氮气大气的大气的99%，对气候变化而言可以忽，对气候变化而言可以忽略略2.1.2 大气成分大气成分 在近地面在近地面2530KM以内，大气由一些固以内，大气由一些固有气体和气溶胶组成。有气体和气溶胶组成。氧气氧气氮气氮气大气的大气的99%，对气候变化而言可以忽，对气候变化而言可以忽略略水汽水汽含量小含量小热力学过程热力学过程相变和辐射相变和辐射过程过程作
6、用非常大作用非常大臭氧：臭氧：10-50km存在，存在，20-28km层有最大含量，叫层有最大含量，叫做臭氧层做臭氧层含量少，作用大含量少，作用大吸收紫外线，导致平流层温吸收紫外线，导致平流层温度向上递增度向上递增对地球生物起保护作用对地球生物起保护作用30km是源地是源地30km以下，大气环流的动力以下，大气环流的动力作用，是源地作用，是源地 对流层上，平流层下层，在中高纬低层有明显的垂对流层上，平流层下层，在中高纬低层有明显的垂直运动，大气环流的作用总是将直运动，大气环流的作用总是将25-30km臭氧输注入到臭氧输注入到平流层低层和对流层上层，然后通过大气环流输送作用，平流层低层和对流层上
7、层，然后通过大气环流输送作用，造成各地臭氧总量及其垂直分布上的差异造成各地臭氧总量及其垂直分布上的差异 温室气体：温室气体：Co2，甲烷，氟利昂，甲烷，氟利昂 气溶胶气溶胶:气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。 雾、烟、霾、轻雾(霭)、微尘和烟雾等,都是天然的或人为的原因造成的大气气溶胶 它们能作为水滴和冰晶的凝结核（大气凝结核、大气冰核）、太阳辐射的吸 收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。 温室气体：温室气体：Co2，甲烷，氟利昂，甲烷，氟利昂 气溶胶气溶胶火山灰火山灰烟尘烟尘海面等海面等直接效应直接效应间接效应间接效应气候变冷气候变冷 气溶胶间接效应气溶胶间接效应
8、:直接辐射强迫是指颗粒物通过吸收和散射长波和短波辐射，从而改变地球大气系统辐射平衡 。 大气中的颗粒物作为云凝结核或者冰核而改变云的微物理和光学特征以及降水效率，从而间接影响气候，称为间接辐射强迫 气溶胶直接效应气溶胶直接效应: 大气气溶胶的气候效应大气气溶胶的气候效应:气候系统变化过程示意图2.1.3 大气与外界的相互作用：大气与外界的相互作用：当讨论大气运动的基本规律时或讨论短期数值预报，大气视为孤立系统长期天气预报和气候变化来讲，必须考虑大气与外界的相互作用，甚至外界的强迫影响是最重要的因素 动量交换动量交换 能量交换能量交换 质量（物质）交换质量（物质）交换大气与外界的相互作用大气与外
9、界的相互作用 海洋海洋大气相互作用大气相互作用 陆地陆地大气相互作用大气相互作用 海冰一大气相互作用海冰一大气相互作用 宇宙空间一大气相互作用宇宙空间一大气相互作用 略略2.2 大气基本运动方程组大气基本运动方程组 海洋在地球气候的形成和变化中的重要作用巳海洋在地球气候的形成和变化中的重要作用巳越来越为人们所认识，被认为越来越为人们所认识，被认为是地球气候系是地球气候系统的最统的最重要的组成部分。重要的组成部分。80年代的研究结果清楚地表明、年代的研究结果清楚地表明、海洋一大气相互作用是气海洋一大气相互作用是气候变化候变化问题的核心内容问题的核心内容， 对于几年到几十年时间尺度的气候变化及其预
10、对于几年到几十年时间尺度的气候变化及其预测只有在充分了解大气测只有在充分了解大气海洋的海洋的相互互作用及相互互作用及其动力学的基础上才可其动力学的基础上才可能得到解决能得到解决。2.3海洋海洋2.3.1 海洋的基本特性及其影响海洋的基本特性及其影响 从大气运动及其变化的角度：海洋具备三个从大气运动及其变化的角度：海洋具备三个重要特性：重要特性：1）海洋，尤其是热带海洋，是大气运动的重要能）海洋，尤其是热带海洋，是大气运动的重要能源；源；2）热容量大，相比较大气尤其是热带海洋，是大）热容量大，相比较大气尤其是热带海洋，是大气运动的重要能源；气运动的重要能源；3)海洋是地球大气系统中海洋是地球大气
11、系统中co2的最大的汇。的最大的汇。海洋对气候变化的影响：海洋对气候变化的影响：1）对地球大气热力系统的影响（太阳能绝大部分）对地球大气热力系统的影响（太阳能绝大部分储存在海洋表层中，以潜热、长波辐射和感热交换储存在海洋表层中，以潜热、长波辐射和感热交换的形式输送给大气，驱动大气运动。的形式输送给大气，驱动大气运动。 因此，海洋热状况的变化以及海面蒸发的强度因此，海洋热状况的变化以及海面蒸发的强度如何都将对大气运动的能量发生重要影响，从而引如何都将对大气运动的能量发生重要影响，从而引起气候的变化起气候的变化。海洋并非是静止的流体，海洋环流在地球大气的能量输送和平衡中海洋并非是静止的流体，海洋环
12、流在地球大气的能量输送和平衡中也有重要作用：大气运动比海洋一般要快也有重要作用：大气运动比海洋一般要快100倍，倍，0.1-1.0m/s.黑潮地球能量的分布，低纬度获得的净辐射能大地球能量的分布，低纬度获得的净辐射能大于高纬度，为了保持能量平衡，低涡流向高于高纬度，为了保持能量平衡，低涡流向高纬纬全球而言：全球而言：70%由大气完成由大气完成 30%由海洋完成由海洋完成低纬度：海洋输送大于大气低纬度：海洋输送大于大气 ，20N达到最大达到最大30N以外地区：大气输送大于海洋以外地区：大气输送大于海洋 ，50N达达到最大到最大对地球大气系统的能量平衡而言：对地球大气系统的能量平衡而言：中低纬：海
13、洋环流向高纬度输送中纬度50N附近：通过强烈的相互作用，海洋把多余的热量输送给大气，再由大气以特定的环流形势输送到高纬度地区所以：海洋对热量的经向输送的强度所以：海洋对热量的经向输送的强度及位置无疑对气候变化有重要影响及位置无疑对气候变化有重要影响 水汽及其含量既是气候变化的表征之一，又会水汽及其含量既是气候变化的表征之一，又会对气候产生影响。对气候产生影响。2）对水汽循环的影响：）对水汽循环的影响： 低纬度海洋是大气水汽的主要来源低纬度海洋是大气水汽的主要来源 在同海洋的热力学和动力学惯性相联系。海洋的运动和变化有明显的缓慢性和持续性。 海洋的这种特性一方面使海洋有较强的“记忆性。可以把大气
14、环流的变化通过海气相互作用把信息贮存于海洋中。然后再对大气运动产生作用 另一方面，海洋的热惯性使得海洋状况的变化有滞后效应。 通过海气耦合作用还可以使较高频率的大气变化(扰动）减频，高频波的频率变低后再作用于大气，就相当于大气中的较高频变化转而成为较低频的变化。3）对大气运动的调谐作用：）对大气运动的调谐作用： 海洋,尤其是海洋环流，不仅减小了大气的增热，使高纬大气加热，降水量亦发生相应的改变，而且海洋环流对热量的向极输送所引起的大气环流的变化，还使得大气对某些因素变化的敏感性降低。例如大气中CO2含量增加的温室效应就因海洋的存在而被减弱。4）对温室效应的缓解作用：）对温室效应的缓解作用：2.
15、3.2 海气耦合相互作用海气耦合相互作用三者变化的总趋势相当一致三者变化的总趋势相当一致海气相互作用的物理机制是什么？海气相互作用的物理机制是什么？海洋通过潜热和感热的输送推动其上面的大海洋通过潜热和感热的输送推动其上面的大气气大气主要通过风应力将动量送给海洋，影响大气主要通过风应力将动量送给海洋，影响海洋海洋 除了在北半球的暖西部边界流有主要的热通量中心外，赤道以除了在北半球的暖西部边界流有主要的热通量中心外，赤道以外的热带区域是主要的热通量大位区。外的热带区域是主要的热通量大位区。 风应力的分布表明，除中纬度风应力的分布表明，除中纬度(50N纬带附近纬带附近)地区，尤其是南地区，尤其是南半
16、球中纬度地区之外，赤道以外的热带区域也有较大的数值。半球中纬度地区之外，赤道以外的热带区域也有较大的数值。 同时，对于不同的季节，热通量和风应力的分布有着明显的同时，对于不同的季节，热通量和风应力的分布有着明显的不同。不同。2.3.3 海洋气候海洋气候 气候本来是指大气运动的较长时间尺度的变化气候本来是指大气运动的较长时间尺度的变化现象，但是、近来也出现了现象，但是、近来也出现了“海样气候海样气候”的说法的说法 这是因为海洋的运动和变化虽然比较弱，但也这是因为海洋的运动和变化虽然比较弱，但也有时间演变过程；有时间演变过程；而且海洋年际变化的时空尺度同大气中气候变化而且海洋年际变化的时空尺度同大
17、气中气候变化的时空尺度是相当的，各自的演变又有密切的联的时空尺度是相当的，各自的演变又有密切的联系，系，最能表现最能表现“海洋气候海洋气候”特征的是海面水温特征的是海面水温(ssT)和和大洋环流大洋环流EL NINO现象现象南方涛动南方涛动大气与海洋相互作用大气海洋交互作用-EL NINO与南方涛动36 赤道太干洋大面积的赤道太干洋大面积的ssT异常使得热带地异常使得热带地区的主要大气环流系统跟着出现异常例。区的主要大气环流系统跟着出现异常例。 在增暖期，赤道附近的海温可以高于气在增暖期，赤道附近的海温可以高于气温，水汽通量和降水在赤道附近地大大地增温，水汽通量和降水在赤道附近地大大地增加加
18、， 赤道辐合带赤道辐合带(1TCZ)将靠近赤道；将靠近赤道； 在增暖时期。在增暖时期。Hadey环流将明显增强。并环流将明显增强。并将引起中纬度逆环流的变化。将引起中纬度逆环流的变化。由于出现东西向海温梯度的变化、热带地区由于出现东西向海温梯度的变化、热带地区的主要降水区及的主要降水区及Walk环流也将发生明显异环流也将发生明显异常。常。 大洋环流的时间变化既是大洋环流的时间变化既是“海海洋气候洋气候”的重要部分，又对大气环的重要部分，又对大气环流和气候变化有重要影响、尤其是流和气候变化有重要影响、尤其是大洋基本环流的改变对几十年到几大洋基本环流的改变对几十年到几百年时间尺度气候变化的影响。百
19、年时间尺度气候变化的影响。2.3 陆地和冰雪圈陆地和冰雪圈 同海洋一样，陆地和冰雪圈也是大气运同海洋一样，陆地和冰雪圈也是大气运动的下边界、其状况及其变化都会对大气动的下边界、其状况及其变化都会对大气环流和气候变化产生极重要的影响；环流和气候变化产生极重要的影响； 大气环流和气候的变化也要对陆地和冰大气环流和气候的变化也要对陆地和冰雪状况产生影响雪状况产生影响 这种相互作用过程比海气相互作用影响这种相互作用过程比海气相互作用影响更显著。更显著。391）陆地陆地(不同的植被状况不同的植被状况)和雪盖主要通过影响地和雪盖主要通过影响地表反照率以及土壤温度和湿度而对大气环流和气表反照率以及土壤温度和
20、湿度而对大气环流和气候变化起作用；候变化起作用；2）大气环流和气候变化则主要通过云、降水和气）大气环流和气候变化则主要通过云、降水和气温的变化对植被和雪盖状况起作用。温的变化对植被和雪盖状况起作用。4041 2.3.1冰雪的作用冰雪的作用地表反照率；地表反照率；冷源作用；冷源作用；融化时吸收热量，对由冬到夏的季节转换有一定的融化时吸收热量，对由冬到夏的季节转换有一定的延缓作用延缓作用 4243 冰雪覆盖的区域由于反照率大大增加，冰雪覆盖的区域由于反照率大大增加，反射掉大部分的入射辐射从而改变了地表的反射掉大部分的入射辐射从而改变了地表的辐射平衡，对大气的热力和动力过程都产生辐射平衡，对大气的热
21、力和动力过程都产生重要影响。重要影响。 一般地，地面空气温度和高反照率冰雪覆一般地，地面空气温度和高反照率冰雪覆盖间的相互作用可构成一种正反馈，即所谓盖间的相互作用可构成一种正反馈，即所谓冰雪一反照率反馈机制。冰雪一反照率反馈机制。 当冰雪覆盖面积增大时，由于更多的辐射当冰雪覆盖面积增大时，由于更多的辐射能被反射，地面空气温度将会降低这又造能被反射，地面空气温度将会降低这又造成冰雪面积的扩展，成冰雪面积的扩展，4445 由于冰雪主要位于地球的两极，因此，由于冰雪过程造成的气温下降也主要发生在高纬度及极地区域。 结果是：在有较大冰雪面积的情况下，大气的经向温度梯度将增加，纬向西风也将增加 积雪异
22、常的气候效应，除了因其大的反照率造成积雪区与无雪区的净辐射差很大、地温和气温也相差很大，从而影响基本风系的强度和位置之外，积雪融化后特使土壤湿度增大，蒸发量也会加大，大气中的热量和水分平衡也会发生改变。而且积雪融化及其影响有定的持续性。46 所以，积雪异常通过太阳辐射吸收的变化以及积雪融化后土壤湿度的变化，其气候效应应可持续数月之久。47 .植被的作用 一旦植被发生了较大的变化，反过来也会导致气候的改变，从而达成新的平衡，出现新的生态环境。48 植被的影响机制 物理机制 生理机制 物质交换能量交换49 植被的影响机制 地表反照率 地表粗糙度 蒸腾作用 感热和潜热 对水分的滞留 地表径流 地表水
23、文过程50 .水分及其循环 降雨量的多少是一个地区最为重要的气候条件，一个地区降雨量的多少，又和其大气以及土壤中的含水量有关，而大气中的水汽含量主要来自海面蒸发，因此，水循环是地球气候中极为重要的问题。51什么是水循环？什么是水循环？ 水循环指的是地球上各种形态的水，在太阳辐射、重力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。 5253 水循环的主要过程 凝结和降水 径流、渗透 蒸发和蒸腾 感热和潜热 地下水 地表径流 地表水文过程54 凝结和降水 包括若干微物理过程，气候问题可以不考虑55During part of the water
24、 cycle, the sun heats up liquid water and changes it to a gas by the process of evaporation. Water that evaporates from Earths oceans, lakes, rivers, and moist soil rises up into the atmosphere.5657The process of evaporation from plants is called transpiration. (In other words, its like plants sweat
25、ing.)5859As water (in the form of gas) rises higher in the atmosphere, it starts to cool and become a liquid again. This process is called condensation. When a large amount of water vapor condenses, it results in the formation of clouds.6061When the water in the clouds gets too heavy, the water fall
26、s back to the earth. This is called precipitation.62 径流 任何一个地区的降水量都不可能完全变成径流 径流 渗透到土壤 植被截留一部分 存储起来 蒸发6364When rain falls on the land, some of the water is absorbed into the ground forming pockets of water called groundwater. Most groundwater eventually returns to the ocean. Other precipitation runs
27、directly into streams or rivers. Water that collects in rivers, streams, and oceans is called runoff.65 某一地区径流 降水量 蒸发量 北半球的河流水系分为四类 冰河水系 海洋性降雨水系 热带降雨水系 雪原水系662.5.3人类活动对水循环的影响植被的改变 对降水量的截留 植物的蒸腾 渗透率的影响，植被多， 渗透率大 对积雪的存储和遮蔽672.5.3人类活动对水循环的影响2）人工融冰化雪3）人为控制蒸发量4）城市化的影响5）农业灌溉对水平衡和水循环的影响68692.8 生态系统 生态系统（ec
28、osystem）指由生物群落与无机环境构成的统一整体。生态系统的范围可大可小，相互交错，最大的生态系统是生物圈； 最为复杂的生态系统是热带雨林生态系统，人类主要生活在以城市和农田为主的人工生态系统中。 生态系统是开放系统，为了维系自身的稳定，生态系统需要不断输入能量，否则就有崩溃的危险；许多基础物质在生态系统中不断循环，其中碳循环与全球温室效应密切相关。 70 生态系统反映了生物界与气候和地球表面层之间的相互的联系和相互影响的关系。 气候变化而言：生物系统是气候变化的子系统71 生态系统需要考虑的几种过程72 气候条件对植物群落的影响，可以说是起控制作用73 植被通过蒸腾作用以及对土壤的固水作
29、用，有对气候状态起着一定的影响。 对土壤固水后，土壤湿度的增加，还对气候有明显的作用。74 人类活动对气候的影响： 扩大耕地面积而破坏植被。 比如：热带雨林减少后，全球的大气环流和气候都会发生严重的改变。 温室气体的逐年增加，是人类活动对气候起破坏性影响的重要方面。75 氧循环、碳循环以及氮循环中都起着十分重要的作用。 氧循环中形成的臭氧层是保护生物界的天然屏障，而氧是生物生存的必须品。76 生态系统中的氧循环、碳循环以及氮循环，既同大气化学及光化学过程有关，又同生物化学过程有联系。 因此，大气化学过程以及生化过程，已引起了人们的极大注意。77 本节的简单讨论已清楚地表明，生态系统同气候系统有着非常密切的关系气候的恶化必然导致牛态系统的恶化，生态环境的破坏又必然使气候异常；然而它们并非一回事，也不能相互替代。 为了更好地保护生态环境，也为了搞清气候变化的规律和减轻人类活动对气候的破坏性作用，需要同时研究生态系统和气候系统两方面的问题、以及它们之间相互影响的各种复杂关系和过程。78END79
