1、第二章气候系统第二章气候系统2.1 气候系统的组成气候系统的组成2.2 气候系统的物理、化学过程气候系统的物理、化学过程2.3 气候系统的基本特性气候系统的基本特性2.4 气候系统的可预报性气候系统的可预报性2.5 气候系统的研究气候系统的研究2.1 气候系统的组成气候系统的组成 云宇宙空间宇宙空间地球辐射地球辐射H H2 2O O，N N2 2，O O2 2，COCO2 2，O O3 3，气溶胶，气溶胶太阳辐射变化太阳辐射变化大气大气冰冰雪雪大气成分的变化大气成分的变化陆地陆地大气陆地耦合大气陆地耦合海冰海冰 海冰海洋耦合海冰海洋耦合陆地性质、地形、植陆地性质、地形、植被和反照率的变化被和反
2、照率的变化海底形状、盐度等的变化海底形状、盐度等的变化海洋海洋热交换热交换降水降水风应力风应力大气海洋耦合大气海洋耦合生态生态大气海冰耦合大气海冰耦合气候系统示意图气候系统示意图太阳活动影响气候的几种可能途径太阳活动影响气候的几种可能途径（1）太阳活动地球大气电离程度大气经圈环流气候变化（2）太阳活动紫外辐射臭氧层平流层热状况气候变化（3）太阳活动地球磁场地球自转速度大气和海洋环流 气候变化（4）太阳活动地球磁场核-幔边界上的地磁能量大气和海 洋状况气候变化大气圈大气圈地球大气圈是几乎均匀地分布在地球表面上薄薄的一层（地球半径的地球大气圈是几乎均匀地分布在地球表面上薄薄的一层（地球半径的0.5
3、%厚）气体混合物。厚）气体混合物。大气是气候系统中最活跃、变化最大的部分，是气候系统的主体部分大气是气候系统中最活跃、变化最大的部分，是气候系统的主体部分。大气圈对于施加在其上的变化的响应时间比气候系统中任何其它分。大气圈对于施加在其上的变化的响应时间比气候系统中任何其它分量短得多。量短得多。所谓响应时间，指的是施加一个小扰动到系统的边界条件所谓响应时间，指的是施加一个小扰动到系统的边界条件或边界强迫上，该系统重新平衡到一个新状态所需要的时间。或边界强迫上，该系统重新平衡到一个新状态所需要的时间。大气和气候系统其他成员间的热量、水分和物质交换是气候系统各圈大气和气候系统其他成员间的热量、水分和
4、物质交换是气候系统各圈层之间相互作用的最基本过程：层之间相互作用的最基本过程：如地如地气之间的热量、动量及水汽湍气之间的热量、动量及水汽湍流输送过程；水汽凝结时的潜热释放过程；云对太阳辐射和长波辐射流输送过程；水汽凝结时的潜热释放过程；云对太阳辐射和长波辐射的影响过程；大气中的影响过程；大气中CO2、水汽及其他微量气体的辐射冷却和加热过、水汽及其他微量气体的辐射冷却和加热过程；地表状况的变化及气溶胶、山脉、海陆分布等都对大气圈产生重程；地表状况的变化及气溶胶、山脉、海陆分布等都对大气圈产生重要作用要作用CompositionTab 1.1aPermanentgases分子量主要气体成分主要气体
5、成分空气中的含量空气中的含量/按体积按体积 平均滞留期/年氮（氮（N2）氧（氧（O2）氩（氩（Ar）二氧化碳二氧化碳臭氧（臭氧（O3）干洁空气干洁空气78.0820.950.930.03（可变）（可变）0.000 001（可变）（可变）100.0010610410915？28.0232.0039.9444.0048.0028.96 干洁空气气体的主要成分及含量干洁空气气体的主要成分及含量Tab 1.1bVariablegasesCompositionFig 1.3 H2O evaporates in NUIST.CompositionThe earths atmosphere is a ric
6、h mixture of many gases,with clouds of condensed water vapor and ice crystals.Here,water evaporates from the oceans surface.Rising air currents then transform the invisible water vapor into many billions of tiny liquid droplets that appear as puffy cumulus clouds.If the rising air in the cloud shoul
7、d extend to greater heights,where air temperatures are quite low,some of the liquid droplets would freeze into minute ice crystals.Fig 1.4CO2 cycleComposition.Early spring MAXSummer MIN1.8ppm/yrFig 1.5 CO2 at HawaiiCompositionFig 1.6 CO2 in Antarctica And HawaiiComposition15CH4-MethaneAnother greenh
8、ouse gas,also increasingNASAFig 1.7 O3 holeComposition 臭氧层空洞的发现 1985年年英国英国南极考察队在南纬南极考察队在南纬60地区观测发现地区观测发现臭臭氧层氧层空洞，引起世界各国极大关注。臭氧层的臭氧浓度减空洞，引起世界各国极大关注。臭氧层的臭氧浓度减少，使得太阳对地球表面的紫外辐射量增加，对生态环境少，使得太阳对地球表面的紫外辐射量增加，对生态环境产生破坏作用，影响人类和其他生物有机体的正常生存。产生破坏作用，影响人类和其他生物有机体的正常生存。关于臭氧层空洞的形成，在世界上占主导地位的是关于臭氧层空洞的形成，在世界上占主导地位的是
9、人类人类活动活动化学假说：人类大量使用的氯氟烷烃化学物质（如制化学假说：人类大量使用的氯氟烷烃化学物质（如制冷剂、发泡剂、清洗剂等）在大气冷剂、发泡剂、清洗剂等）在大气对流层对流层中不易分解，中不易分解，当其进入当其进入平流层平流层后受到强烈后受到强烈紫外线紫外线照射，分解产生氯游照射，分解产生氯游离基，游离基同臭氧发生离基，游离基同臭氧发生化学反应化学反应，使臭氧浓度减少，从，使臭氧浓度减少，从而造成臭氧层的严重破坏。而造成臭氧层的严重破坏。臭氧随高度的分布臭氧随高度的分布臭氧层空洞的危害臭氧层空洞的危害 10多年来，经科学家研究；大气中的臭氧每减少多年来，经科学家研究；大气中的臭氧每减少1
10、。照射到地面的紫外线就增加照射到地面的紫外线就增加2，人的皮肤癌就增加，人的皮肤癌就增加4-6，还受到白内障、免疫系统缺陷和发育停滞等疾病的袭击，还受到白内障、免疫系统缺陷和发育停滞等疾病的袭击。现在居住在距南极洲较近的智利南端海伦娜岬角的居民，现在居住在距南极洲较近的智利南端海伦娜岬角的居民，已尝到苦头，只要走出家门，就要在衣服遮不住的肤面，已尝到苦头，只要走出家门，就要在衣服遮不住的肤面，涂上防晒油，戴上太阳眼镜，否则半小时后，皮肤就晒成涂上防晒油，戴上太阳眼镜，否则半小时后，皮肤就晒成鲜艳的粉红色，并伴有痒痛；羊群则多患白内障，几乎全鲜艳的粉红色，并伴有痒痛；羊群则多患白内障，几乎全盲。
11、盲。Fig 1.8Volcanoes transport H2O,CO2 and SOx.Composition Vertical StructureFig 1.9 Air pressure and densityVertical StructureFig 1.10Pressuredecreaseswith increasing altitude.Vertical StructureFig 1.11Layers of atmosphere温室效应（Greenhouse Effect）l 太阳太阳辐射辐射l 长波长波辐射辐射温室气体包括：温室气体包括：水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、氧化亚氮
12、(N2O)、甲烷(CH4)和臭氧(O3)温室效应（大气的保温效应）温室效应（大气的保温效应）：大气中的温室气体：大气中的温室气体对太阳辐射的吸收很少，但却能强烈地吸收地面辐对太阳辐射的吸收很少，但却能强烈地吸收地面辐射，同时又向地面放射长波辐射，补偿地面因放射射，同时又向地面放射长波辐射，补偿地面因放射辐射而损失的能量，使地面气温升高的效应辐射而损失的能量，使地面气温升高的效应主要温室气体对全球气温升高的贡献主要温室气体对全球气温升高的贡献CH4N2OCO2 温室效应固然有维持地表气温的好处，但与此同时，也不能忽视过于强烈的温室效应带给自然界和人类社会的危害。1、海平面上升2、影响农业和自然生
13、态系统3、加剧洪涝、干旱及其它气象灾害4、影响人类健康5、物种的灭绝6、对流层外大气的变冷阳伞效应阳伞效应气溶胶对太阳辐射的散射和吸收，使到达气溶胶对太阳辐射的散射和吸收，使到达地面的太阳辐射减弱，引起地面气温的下地面的太阳辐射减弱，引起地面气温的下降，其效应类似于阳伞效果，故称为阳伞降，其效应类似于阳伞效果，故称为阳伞效应效应火山灰火山灰水圈水圈水圈有分布在地球上的所有液态水构成。它包括海洋、内海、湖泊、水圈有分布在地球上的所有液态水构成。它包括海洋、内海、湖泊、河流及地下水。河流及地下水。对于气候研究，对于气候研究，海洋是水圈中最重要的海洋是水圈中最重要的，它们覆盖了约三分之二的地，它们覆
14、盖了约三分之二的地球表面。球表面。达到地球的太阳辐射的大部分落在海洋上并被海洋所吸收。达到地球的太阳辐射的大部分落在海洋上并被海洋所吸收。由于海洋有大的热惯性，它对温度的变化起着缓冲器和调节器的作用由于海洋有大的热惯性，它对温度的变化起着缓冲器和调节器的作用。海洋的响应时间变化大，在混合层内为数周到几个月，海洋的响应时间变化大，在混合层内为数周到几个月，在几百米深的在几百米深的斜温层响应时间达几个季度，而在深海甚至达几个世纪到几百万年。斜温层响应时间达几个季度，而在深海甚至达几个世纪到几百万年。地球表面地球表面海洋占地球表面积的海洋占地球表面积的71%，由于海水热容量大，由于海水热容量大，若仅
15、考虑若仅考虑100m深的表层海水，其热容量占整个深的表层海水，其热容量占整个气候系统总热量的气候系统总热量的95%海洋上层的温度受到大气影响，在海洋表面向下的几十米的水层里，风浪和海流引起的湍流混合十分强烈，海水温度的垂直变化很小，因此被称为混合层混合层。但到某一个高度以后，很快遇到一个较薄的水层，其海水温度随深度的变化特别剧烈，这一区域被称之为温跃层温跃层。温跃层混和层大洋平均温度典型垂直分布大洋平均温度典型垂直分布图6 大洋中典型的密度铅直向分布Coupled Ocean and Atmosphere Process海洋性质海洋性质海水密度大于纯水，是温度、盐度和压力的函数海水密度大于纯水
16、，是温度、盐度和压力的函数盐度增加时密度增大；温度升高时（高于最大密盐度增加时密度增大；温度升高时（高于最大密度的温度）密度减小度的温度）密度减小海水最大密度的温度随盐度增加而降低海水最大密度的温度随盐度增加而降低动力、热力性质：动力、热力性质：反射率小、热容量大、流速小，反射率小、热容量大、流速小，动力、热力惯性大。动力、热力惯性大。变化的时间尺度：变化的时间尺度：几个月几个月几年几年(上层海洋上层海洋)世纪尺度世纪尺度(深层海洋深层海洋)海洋具有以下三个重要特性：海洋具有以下三个重要特性：（1）海洋是大气运动的重要热源。地球表面约71%为海洋所覆盖，全球海洋吸收的太阳辐射量约占地球大气顶的
17、总太阳辐射量的70%左右。（2）海洋有着极大的热容量，相对于大气运动而言，海洋运动比较稳定，运动和变化比较缓慢。（3）海洋是地球系统CO2的最大的汇海洋主要有四方面的影响和作用海洋主要有四方面的影响和作用（1）对地球大气系统热力平衡的影响。海洋吸收的约70%的太阳入射辐射，绝大部分（85%)左右被储存在海洋表层（混合层）中。这些被储存的能量将以潜热、长波辐射和感热交换的形式输送给大气，驱动大气运动。海流：经向能量的输送（低纬高纬）。全球平均近70%的经向能量输送是由大气完成的，还有30%多输送要由海洋来承担（Oort 和 Haar,1976)（2）对水汽循环的影响（通过蒸发、凝结过程）大气中水
18、汽量的绝大部分（86%）由海洋提供，海洋，尤其是低纬海洋，是大气中水汽的主要源地。海洋主要有四方面的影响和作用（海洋主要有四方面的影响和作用（2）（3）对大气运动的调谐作用）对大气运动的调谐作用 海洋的运动和变化有显著的缓慢性和持续性。海洋的这种特性一方面使海洋有较强的“记忆”能力，可以把大气环流的变化通过海气相互作用把信息储存于海洋中，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，例如海洋对太阳辐射季节变化的响应要比陆地上的响应落后大约1个月左右；通过海气耦合作用还可以使较高频的大气变化（扰动）减频，一旦耦合波的频率变低后再作用于大气，就相当于大气中较高频的变
19、化转变而成为较低频的大气。（4）对温度效应的缓解作用）对温度效应的缓解作用 大气中CO2含量增加的温室效应就因为有海洋的存在而被减弱冰雪圈冰雪圈冰雪圈包括格陵兰和南极地区范围很广的大陆冰原，高山冰川、海冰冰雪圈包括格陵兰和南极地区范围很广的大陆冰原，高山冰川、海冰等。等。冰雪圈是地球上最大的淡水储存库，但其在气候系统中的作用主要在冰雪圈是地球上最大的淡水储存库，但其在气候系统中的作用主要在于其对太阳辐射的于其对太阳辐射的高反射率高反射率等。等。大陆雪盖和海冰具有明显的大陆雪盖和海冰具有明显的季节、年际变化季节、年际变化，对短期气候变化有重要，对短期气候变化有重要的影响。的影响。此外，大的陆地冰
20、原在高达数万年的更长时间尺度的气候变化中，例此外，大的陆地冰原在高达数万年的更长时间尺度的气候变化中，例如在发生在更新世的冰期和间冰期中，它们起了主要作用。如在发生在更新世的冰期和间冰期中，它们起了主要作用。冰雪圈对气候变化的影响：冰雪圈对气候变化的影响：增加对太阳辐射的反射，减少地表对太阳辐射的吸收增加对太阳辐射的反射，减少地表对太阳辐射的吸收，从而影响大气中的热源、热汇的分布，从而影响大气中的热源、热汇的分布冰雪圈冰雪圈 组成及结构：大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪盖。组成及结构：大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪盖。热力性质：反射率大热力性质：反射率大 变化的时间尺度：变化的时间尺度：陆地
21、雪盖：季节陆地雪盖：季节年际变化年际变化;海冰：季节海冰：季节几十年际变化几十年际变化;大陆冰原和高山冰川：几百年大陆冰原和高山冰川：几百年几百万年几百万年.对气候的影响：冰雪面对气候的影响：冰雪面-大气相互作用大气相互作用天山的积雪和冰川天山的积雪和冰川这张由美国航空航天局发布的卫星照片显示了这张由美国航空航天局发布的卫星照片显示了2006年年9月北极地区海冰的景象月北极地区海冰的景象,面积约为面积约为530.95万平方公里万平方公里岩石圈（陆地圈）岩石圈（陆地圈）组成及结构：地球表层的固体表面，由岩石、土组成及结构：地球表层的固体表面，由岩石、土壤和沉积物组成。包括高原、平原、山地、丘陵、
22、壤和沉积物组成。包括高原、平原、山地、丘陵、盆地等。盆地等。热力性质热力性质:热容量小热容量小,热惯性小热惯性小.变化的时间尺度变化的时间尺度:山脉形成山脉形成:105108年年;大陆漂移大陆漂移:106109年年;陆块位置和高度变化陆块位置和高度变化:109年以上年以上.对气候的影响：对气候的影响：地形的动力作用、地表的热力作用、陆面水循环。地形的动力作用、地表的热力作用、陆面水循环。通过质量、角动量、感热的输送以及通过大气边界层的摩擦对动能的通过质量、角动量、感热的输送以及通过大气边界层的摩擦对动能的耗散，岩石圈与大气有很强的相互作用。耗散，岩石圈与大气有很强的相互作用。生物圈生物圈生物圈
23、指的是陆地上和海洋中的植物以及生存在大气、海洋和陆地的动物。包括人类本身。植被会改变地表粗糙度、地表反射率、蒸发、径流等。生物还可以影响大气和海洋的二氧化碳平衡、气溶胶的产生等。人类活动与气候系统发生相互作用。生物圈对大气圈的气候变化是敏感的。人们正是通过过去这种气候变化在化石、树木年轮、花粉等中所留下的信号来获得地球古气候信息的。人类活动通过两种途径来影响温室气体等的变化人类活动通过两种途径来影响温室气体等的变化（1）人类的工业生产和生活使用的矿物燃料，大量释放CO2，农业生产中也大量产生CH4,导致大气中的温室气体增加（2）大量毁林，致使吸收CO2的过程减弱，温室气体不断增加植被植被2.2
24、 气候系统的物理、化学过程气候系统的物理、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。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大气热机运转气候系统的物理过程与生命周期为气候系统的物理过程与生命周期为2-3周以内的大尺度周以内的大尺度天气系统的物理过程相比，
25、气候系统的外部加热起着举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。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。统则必须考虑非绝热加热。这些物理、化学过程主要包括：辐射过程、云过程、陆这些物理、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、碳循环及面过程、海洋过程、冰雪过程、气溶胶过程、碳循环及生物过程生物过程2.3 气候系统的基本特性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、开放的巨系气候系统是一个复杂的、高度非线性的、开放的巨系统统有规
26、则的周期性变化：日变化、年变化等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、大气环流的突变不规则的变化：百年增暖、大气环流的突变气候系统的性质气候系统的性质（1）开放的非孤立系统）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，且生成了大量的反馈机制。（2）响应时间差异很大，可分为
27、内部系统和外）响应时间差异很大，可分为内部系统和外部系统部系统首先，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）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
28、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)热力属性热力属性:空气、水、陆地表面和冰雪面的温度空气、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、水分属性：空气湿度、云量、降水量、土壤湿度、河湖水位、冰雪等。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、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。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
29、子系统之间显著的热力学和动力学属性差异各个气候子系统之间显著的热力学和动力学属性差异圈层和代表物质大气圈空气水圈水冰雪圈冰(纯)、雪(新鲜)陆地表面粘土(干)生物圈森林密度（103 kg/m3）0.00121.000.920.101.60比热容（103 J/kg.K)1.004.192.102.090.89热容量(106J/m3.K)0.00124.191.930.211.42热传导(W/m.K)0.0260.582.240.080.25热扩散(10-6m2/s)21.50.141.160.380.18传导能力(103J/m2.K.s1/2)0.0061.572.080.130.60日穿透深度
30、(m)2.30.20.50.30.2年穿透深度(m)443.610.26.03.9反射率(%)272107084952020连续性好好可压缩性较强较弱弱弱粘性小较大大大流动性好好差差气候系统各组成部分属性的对比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 气候系统的反馈过程气候系统的反馈过程 反馈：反馈：气候系统不同属性（变量）之间的相互气候系统不同属性（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过程。馈过程和负反馈过程。正反馈正反馈：反馈过程造成的气候变化与原变化同号，：反馈过程造成的气候变化
31、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。使气候变化加剧，产生气候不稳定称为正反馈。负反馈负反馈：反馈过程造成的气候变化与原变化反号，：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，称为负抑制气候的变化和异常，使气候趋于稳定，称为负反馈。反馈。正反馈正反馈：冰雪冰雪反射率反射率温度温度 水汽含量水汽含量红外逸出辐射红外逸出辐射温度温度（水蒸气增加水蒸气增加温室效应作用加强温室效应作用加强陆地和海洋表面温度上升陆地和海洋表面温度上升产生更多水蒸气。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。汽是最重要的反馈机制之一，也是唯一最大的
32、正反馈作用。）CO2 海温海温（海温升高海温升高海洋中二氧化碳溶解度减小海洋中二氧化碳溶解度减小部分二氧化碳逃逸到大气中部分二氧化碳逃逸到大气中温室效温室效应加剧应加剧海温升高）海温升高）负反馈负反馈：（中低）云量多（中低）云量多太阳辐射少太阳辐射少稳定度大稳定度大云量少云量少蒸发量大蒸发量大水面温度低水面温度低蒸发量小蒸发量小赤道、极地温差大赤道、极地温差大热量输送大热量输送大赤道、极地温差小赤道、极地温差小2.4 气候系统的可预报性气候系统的可预报性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
33、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
34、，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气候系统的可预报性与驱动力外力外力周期性：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
35、差）；每万年，地球的自转轴进动变化一个周期（称为岁差）；每隔隔4万年，地球黄道与赤道的交角变化一个周期；每隔万年，地球黄道与赤道的交角变化一个周期；每隔10万年，地球公转轨道的偏心率变万年，地球公转轨道的偏心率变化一个周期。化一个周期。)内力内力周期性：系统内部各因子之间相互耦合而成的自持振荡（周期性：系统内部各因子之间相互耦合而成的自持振荡（ENSO等等)非周期性：随机性内部因子非周期性：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
36、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8085%）。2.5 气候系统的研究气候系统的研究一、气候监测一、气候监测二、气候诊断二、气候诊断三、气候重建三、气候重建四、气候模拟四、气候模拟五、气候预测五、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
37、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
38、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：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）孢粉孢粉（2）冰芯冰芯 氧同位素（3）树木年轮树木年轮 树木生长受季节影响，春材细胞大而颜色淡，秋
39、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）珊瑚珊瑚（5）史料分析史料分析u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。u孢粉是指蕨類植物的孢子與種子植物的花粉，大小約幾十微米到百餘微米。孢粉化石孢粉化石冰芯冰芯珊瑚化石珊瑚化石樹木年輪樹木年輪歷史文獻歷史文獻参考图例孢粉化石孢粉化石冰芯冰芯珊瑚化石珊瑚化石樹木年輪樹木年輪歷史文獻歷史文獻蕨類植物（孢子）種子植物（花粉）u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
40、類孢粉組合沈積物的年代孢粉化石孢粉化石冰芯冰芯珊瑚化石珊瑚化石樹木年輪樹木年輪歷史文獻歷史文獻孢粉化石孢粉化石冰芯冰芯珊瑚化石珊瑚化石樹木年輪樹木年輪歷史文獻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。孢粉化石孢粉化石冰芯冰芯珊瑚珊瑚化化石石树木年轮树木年轮历史文献历史文献u冬季气温低，雪粒细而紧密。u夏季氣溫高，雪粒粗而疏松。孢粉化石孢粉化石冰芯冰芯珊瑚化石珊瑚化石樹木年輪樹木年輪历史文献历史文献如何利用冰芯獲取古代氣溫資料？如何利用冰芯獲取古代氣溫資料？實際測定南極冰蓋上某點的氣溫，實際測定南極冰蓋上某點的氣溫，以及相應時間降雪中以及相應時間降雪中 的值。的值。1801
41、60得到南極地區氣溫得到南極地區氣溫與與 值關係的曲線值關係的曲線180160把過去某一年冰層中把過去某一年冰層中 值與上述曲線比較值與上述曲線比較180160孢粉化石孢粉化石冰芯冰芯珊瑚化石珊瑚化石樹木年輪樹木年輪历史文献历史文献u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。u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。參考圖例孢粉化石孢粉化石冰芯冰芯珊瑚化石珊瑚化石樹木年輪樹木年輪历史文献历史文献年輪年輪寬寬：表示那年光照充足，風調雨順。表示那年光照充足，風調雨順。年輪年輪窄窄：表示那年溫度低、雨量少，氣候惡
42、劣。表示那年溫度低、雨量少，氣候惡劣。孢粉化石孢粉化石冰芯冰芯珊瑚化石珊瑚化石樹木年輪樹木年輪歷史文獻歷史文獻u珊瑚骨骼中的一些微量元素及同位素可以提供相關資料。u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。u雖然人們知道氣候會隨著地理環境變化，但人們卻以為氣候相對於時間則是相當穩定的。u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。孢粉化石孢粉化石冰芯冰芯珊瑚化石珊瑚化石樹木年輪樹木年輪歷史文獻歷史文獻四、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
43、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）第第1阶段：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）第第2阶段：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
44、，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）第第3阶段（阶段（1970中中-1980年代）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）第第4阶段（阶段（1980年代末年代末-至今）至今）气候模拟研究主要包括以下气候模拟研究主要包括以下3个方面个方面 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
45、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）冯冯纽曼指出，从预报角度，大气运动分：纽曼指出，从预报角度，大气运动分：1.初始场外推初始场外推中、短期天气预报中、短期天气预报2.与初始场无关与初始场无关敏感性试验敏感性试验3.距初始场较远距初始场较远短期气候预测短期气候预测
