现代气候学：第2章 气候系统课件.ppt

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,2.1 气候系统的组成,气候系统的定义： 由大气圈、水圈（海洋）、冰雪圈、岩石圈（陆地表面）和生物圈等组成的，能够决定气候形成、气候分布和气候变化的统一的物理系统。,宇宙空间,地球辐射,H2O，N2，O2，CO2，O3，气溶胶,太阳辐射变化,大气,冰雪,大气成分的变化,陆地,大气生物陆地耦合,海冰,海冰海洋耦合,陆地性质、地形、植被和反照率的变化,海底形状、盐度等的变化,海洋,热交换,降水,风应力,大气海洋耦合,生态,大气冰耦合,气候系统示意图,蒸发,大气+水 = 气候的内系统 （大气、海洋、冰雪等）全部陆地+地球外的宇宙 = 气候的外系统气候系统的变化中最为重要的外强迫因子：太阳辐射、地球本身的结构作用 （地球旋转、地轴倾斜和轨道运动等）,大气圈,1）结构2）组成：干洁空气、水汽、固态和液态微粒（气溶胶）3）特点：薄（地球半径的0.5%厚）最活跃，响应时间短相互作用基本过程：热量、水分和物质交换动力、热力性质：热惯性和动力惯性小，特征时间为15天左右。,Vertical Structure,Air pressure and density,大气垂直结构：根据垂直方向上大气温度变化、运动状态、密度及成分的变化等,将大气分为:对流层平流层中间层热层外逸层,大气的气体组成成分,H2O是大气中唯一具有三态的气体，在大气中的含量不定,H2O evaporates in NUIST,Composition,臭氧浓度随高度的分布,Composition,大气臭氧的季节变化和纬度分布,NASA,南极臭氧洞：南极地区上空大气臭氧总含量大幅度异常下降的一种现象 。,Composition,CFCs对臭氧分析子的破坏过程,1987年9月16日：签署的关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书； 1995年1月23日：联合国大会通过决议，确定从1995年开始，每年的9月16日为“国际保护臭氧层日”。,CO2 cycle,Composition,Early spring MAX,Summer MIN,1.8ppm/yr,CO2 at Hawaii,Composition,CO2 in Antarctica And Hawaii,Composition,CH4 - Methane,Another greenhouse gas, also increasing,太阳辐射,长波辐射,温室效应（Greenhouse Effect）,温室气体包括：水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、氧化亚氮 (N2O)、甲烷(CH4)和臭氧(O3),大气的保温效应（温室效应）,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。,主要温室气体对全球气温升高的贡献,CH4,N2O,CO2,固态微粒、液态微粒,气溶胶 (Aerosols),Volcanoes transport H2O,CO2 and SOx.,Composition,29,气溶胶的阳伞效应,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，引起地面气温的下降，其效应类似于阳伞效果，故称为阳伞效应。,水圈,1）组成：由分布在地球上的所有液态水构成，包括海洋、内海、湖泊、河流及地下水。2）结构：海陆水平结构海洋垂直结构温度结构盐度结构,地球表面,海洋占地球表面积的71%，由于海水热容量大，若仅考虑100m深的表层海水，其热容量占整个气候系统总热量的95%,32,海洋温度垂直廓线,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,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。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,混和层,35,海洋盐度垂直廓线,3）海洋性质,海水密度大于纯水，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动力、热力性质反射率小、热容量大、流速小，动力、热力惯性大变化的时间尺度：几个月几年(上层海洋) 世纪尺度(深层海洋),盐度(),4）海洋的影响和作用,对地球大气系统热力平衡的影响对水汽循环的影响 （通过蒸发、凝结过程）对大气运动的调谐作用对温度效应的缓解作用,冰雪圈,1） 组成：大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪盖2）热力性质：反射率大3） 变化的时间尺度陆地雪盖：季节年际变化海冰：季节几十年际变化大陆冰原和高山冰川：几百年几百万年4）对气候的影响：淡水；冰雪面-大气相互作用,冰岛的Eyiafjalla冰川(制高点1666m),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2006年9月北极地区海冰的景象 ,面积约为530.95万平方公里,2012年9月16日北极地区海冰最小面积仅为341万平方公里,岩石圈（陆地表面）,1）组成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、盆地等2）热力性质：热容量小，热惯性小3）变化的时间尺度山脉形成:105108年;大陆漂移: 106109年;陆块位置和高度变化:109年以上.4）对气候的影响：动力作用、热力作用、物质循环,生物圈,1）组成：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。2）植被：影响地表反照率、蒸发、蒸腾、径流、表面粗糙度、CO2平衡等3）变化时间尺度：10-1103年（季节千年）人类活动通过改变地表特性和大气成分对气候产生影响。,植被,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。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,2）各个气候子系统之间显著的热力学和动力学属性差异热力属性：空气、水、陆地表面和冰雪面的温度动力属性：风、洋流及其垂直运动和冰体运动水分属性：空气湿度、云量、降水量、土壤湿度、河湖水位、冰雪等。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。,气候系统各组成部分属性的对比,3）气候系统的反馈过程,3）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 CO2 海温高云（云顶高度）逸出辐射温度,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,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。,第一类可预报性,59,第一类可预报性,60,第二类可预报性,61,第二类可预报性,62,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,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美国气候预测中心(CPC)的气候诊断公报 （Climate Diagnostic Bulletin ,月刊）WMO的气候监测公报（Climate system Monitoring Monthly Bulletin, 月刊）英国东安吉利亚大学的气候监测（Climate Monitor) (季刊）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,三、气候重建,最常用的代用资料：（1）孢粉（2）冰芯（3）树木年轮（4）钟乳石（5）珊瑚（6）史料分析,黄土古生态学研究为西部地区生态修复提供了科学依据,黄土高原塬面上地质历史时期以草原环境为主,硅酸体,孢粉,冰芯,树轮,树轮,北京石花洞石笋LS9602 TIMS-U-Th定年及年层确定,2800,2400,2000,1600,1200,800,400,0,1000,800,600,400,200,0,L,S,9,6,0,2,Calendar age ( year before 1996 ),年层厚度（微米）,1996,1496,996,日历年代（公元年）,Stalagmite and High-resolutionClimate record,钟乳石,珊瑚,湖泊钻孔取芯,湖泊沉积物,史料,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,