气候变化与气候系统3.ppt

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1、 气候系统,气候形成和维持的物理因素 气候系统的加热率 风、洋流及大尺度涡旋通过对物理量的输送达到稳定平衡,维持一定的地球热量平衡态。,当气候系统的能量平衡受到破坏,将导致气候系统状态的改变,即气候变化。,气候系统 地球表面的能量收支平衡与温室效应 大气和海洋环流 水文循环与气候系统中的反馈过程,地球表面的能量收支平衡与温室效应影响气候系统加热率的因素：1）到达大气上界的太阳辐射的变化（地球轨道要素的影响）,其变化是引起影响地球能量收支平衡的外在因素。2）地球的行星反射率,决定到达地球的太阳能有多少份额被反射回太空（云量、大气气溶胶、冰雪覆盖面积、陆地植被、地貌形态,以及海陆分布格局等）。这些

2、因素的改变可导致地球实际接收到的太阳辐射发生改变。3）太阳能在地球系统中滞留的时间,与地球的温室效应相联系。,温室效应大气中各种微量气体对地表长波辐射的吸收决定了地面温度的变化。水汽(H20)、二氧化碳(C02)、氧化亚氮(N20)、甲烷(CH4)和氯氟烃等温室气体对进入地球的太阳辐射影响不大,但强烈地吸收地球的长波辐射,从而在地球的表面形成一层保温层,使地球所接收的太阳能不是马上就散失掉,而是在其返回宇宙空间之前反复地加热地球,使地球变得象温室一样温暖,即“温室效应”。温室气体的增减会改变地球的温室效应,导致地表温度发生相应的变化。如果没有温室气体,地表温度将较现代低32,即为-17（现在1

3、5）；如果不考虑云的反射作用,地面温度也将较现代低21。果真如此,地球上的水将因此而停止循环,地球上的生命也将毁灭。,维持温室气体的平衡是地球生物化学循环的重要环节。大气温室气体含量的调控:1）自然状况下温室气体由生物过程和海洋过程来调节的；2）人类活动向排放的大量温室气体导致自然平衡受到破坏。,地面大气热机的主要热源 大气从地面获得的能量是大气直接从太阳获得的能量的2.3倍。穿过大气达地面的太阳辐射,约有80%被海洋吸收,地面通过长波辐射、潜热释放及感热输送的形式传输给大气。在地面热源中,海洋的潜热占50%以上,比感热多两倍多(23:7)。海洋贮藏了地球所接收的太阳能并将其转化为驱动气候系统

4、的动力。,气候系统通过大气和海洋的运动实现物质和能量的传输与转化。海气之间在气候尺度内存在着密切的、甚至是共生的耦合关系。海洋推动大气运动（主要通过对潜热和感热的输送）,强烈地影响气候；大气影响海洋环流（主要通过风应力将动量送给海洋）。,大气环流传输着热量和水分,水分的传输影响陆地上降水的分布、冰盖的发展以及海水的盐度。大气环流的基本状况决定着全球的或区域的天气和气候类型及其变化。气候的异常(如旱、涝)均与大气环流的某种持续异常有关。,全球大气环流形式：1、平均经圈环流由赤道与极地间的能量梯度作用和地球自转的影响所产生的大气运动；2、沃克环流赤道地区大洋东、西两侧海水冷暖差异形成的大气纬圈环流

5、；3、季风环流由于海、陆分布及其物理性质的不同所产生的热力差异而导致的。,中高纬是以极涡为中心环绕纬圈的西风环流（冬强夏弱），西风带中有“冬三夏四”的平均长波槽。冬季三个长波槽：东亚大槽 140E 北美大槽 70W 欧洲浅槽 40E 夏季四个长波槽：东亚大槽 160180E 北美大槽 60W 欧洲西海岸槽 010E 贝加尔湖西部槽 90E 冬季中低纬有5个西风带槽：东亚、北美、孟加拉湾、地中海、东太平洋,中纬度,低纬度,低纬度为副热带高压控制（冬弱夏强，随季节南北位移）冬季副高弱其范围在20N以南 夏季副高强其范围在40N以南,ENSO 循环,当印度洋地区出现气压正距平时，东南太平洋及南美地区

6、将有负距平；反之亦然。,沃克环流 赤道东太平洋是冷水上翻区。这个冷水域是赤道地区最强的，因此形成了著名的赤道干旱带。在日界线以东010S范围内年降水量仅500mm左右。西太平洋从日界线往西到菲律宾是所谓“暖池”。在西太平洋赤道附近年降水量在2000mm以上，10N及10S附近两个半球的热带辐合带年降水量高达5000mm。在菲律宾以东的暖池与赤道东太平洋的冷水域之间形成强烈的温度对比。Bjerknes首先（1969）指出这种东西向对比的重要性。并且认为赤道太平洋上空可能存在一个纬向环流圈。,沃克环流 赤道东太平洋冷水域上空大气是下沉运动，西太平洋印度尼西亚海洋大陆上空大气对流强烈，以上升运动为主

7、，而地面为东风信风，高空对流层上层为西风，这样就形成一个闭合的东西向环流圈。沃克环流是赤道地区海气作用的产物,并通过大气的遥相关作用影响到其它地区,在整个赤道纬圈均存在沃克环流。,厄尔尼诺对全球气候的影响,季风环流（季风环流产生了独特的天气气候现象和气候变化）季风的基本概念 以一年为周期，大范围地区的盛行风随季节而有显著改变的现象，称为季风。季风的分布,世界季风区分布：约在 30W 170E，20S 35N的范围，其中以东亚和南亚的季风最显著。东亚季风范围广、强度大，冬季风强于夏季风。南亚季风（印度季风），夏季风强于冬季风。东亚南亚季风气候特点：（1）盛行风向随季节变化很大，甚至相反；（2）季

8、风源地不同，气团性质不同，冬季寒冷干燥，夏季炎热湿润；（3）造成的天气现象有本质的季节性差异，冬季干燥少雨，夏季湿润多雨，多暴雨；热带地区有旱季与雨季之分。,季风的成因：（1）海陆之间的热力差异（2）行星风系的季节性位移（3）大地形的作用如青藏高原我国雨季的起讫与东亚夏季风的进退 雨带位移特点：3次急进3次渐进 5月雨带位于华南沿海；6月上旬移至南岭以北和闽浙交界处；6月中旬雨带第一次急进，迅速移过两湖盆地，雨带抵近长江沿岸，停滞20天左右；7月中旬雨带第2次急进至40N以北；8月中旬雨带达最北，之后逐渐难移；8月下旬后很快难移，半个月后抵华南。,海洋环流 大气和海洋以复杂的非线性方式紧密联结

9、在一起,形成一个十分敏感的耦合系统,共同承担着地球上能量的传递作用,是热量从赤道向极地传输的重要方式。大气环流驱动大洋表层水体发生相应的运动,形成表层环流。在表层水被从原地吹离的地区,下伏的次表层水将会上涌补充,形成上升流；相反,在表水汇聚地区,又会形成下降流。在有上升流和下降流的地区,其海洋表面温度低于或高于其它海区,赤道地区大洋两侧海水温度的差别导致了沃克环流的出现,海温的变异引起厄尔尼诺与拉尼娜现象的发生,并通过海气作用导致沃克环流异常,造成大尺度的环流异常与全球气候异常。此外,在邻近外海有冷的上升流的大陆地区往往出现干旱气候。,热盐环流（温盐环流）由于温度和盐度 的变化引起海水密度 的

10、变化，由此导致的 海水运动称之密度又 取决于,所以也称为 热盐环流。,全球大洋传输带（1996）极区因辐射冷却等因素而形成的寒冷、高盐、高密度的海水强烈下沉,形成底层流或深层流。尤 其是北大西洋的高盐度水以深层流的形式向南流,在绕过非洲南端后,除部分向北流到印度洋外,其余的一直向东流入太平洋,在此,受温暖和入注淡水的稀释作用,海水密度降低并上升到表面,然后向西运动返回到大西洋以平衡外流的水体。由此构成大西洋和太平洋之间的水体流动构成了一个跨越大洋的海洋“传送带”。,热盐环流的重要性 通过大洋传送带,温暖、低盐的表层水由东至西地传送到大西洋,而深层的、高盐度的冷水被从西向东送入太平洋,由此造成的

11、水汽交换量达 20106m3/s。由于向北流的供给海水平均温度为10,向南流动的深层水为2,每形成1m3的深水将释放 33.48J 的热量,一年中由此所释放的总热量达20.91021J,相当于35N的北大西洋地区每平方厘米的大气每年可获得 104 625J 的海洋热,占该地区所获得的所有热量的 25%。这一数量远远超过了地球轨道要素所引起的日照率变化所产生的影响,这些热量的有无对高纬度的温度与大陆冰盖的生消有重大的影响。因此,有人提出大洋环流气候关系模式，用来解释第四纪冰期间冰期的转换机制,认为冰期间冰期的转换是通过大洋传送带的开启与关闭来控制的,在大洋传送带开启的时期维持与现代相当的间冰期气

12、候,当大洋传送带被关闭或严重削弱的时期转变为冰期气候。,水文循环与气候系统中的反馈过程 地球是一个充满水的星球,水以各种形式存在于地球系统中,许多过程都是在水的参与下才得以实现的。水是地球上唯一同时以液态、固态或气态的形式存在的物质。全球水体积约为 13.8108km3,其中的99%以上存在于世界大洋和冰川,其余的水存在于陆地上的江河、湖泊、井泉等水体之内、土壤的孔隙与岩石的缝隙之中、大气之中和生命体内。,水文循环周期 水在相互作用的各水体之间不停地相互迁移转换,构成水循环过程,该过程受太阳能所驱动,一般在几年之内就可循环一次,但不同部分循环的周期不同,通常：大气中的水汽约 10天循环更新一次

13、；海洋中的水的停留 时间超过10年以上；另外，地球表面的水与地球内部的水分之间受地球内力的驱动也存在循环的交换过程,此过程与板块运动过程联系，其循环周期可达数百万年。,水循环过程的意义:就气候系统而言,以全球能量和水循环过程为主体的气候和水文系统的过程是有机联系在一起的。虽然地球气候的最终能源来自太阳辐射,但是加热这一 气候系统的重要强迫函数很大程度上由气、液、固态水物质所支配,能量循环过程是通过水的循环来实现的。水循环过程控制着地球的温度和云层的形成、输 送和消散,以及其与太阳辐射的关系;气候过程则通过水、热、物质和动能的输送,控制着陆、海表面和大气的相互作用。,水循环过程在气候系统中的引起

14、一系列重要反馈过程,其中四个反馈过程对气候变化最为重要。1、水汽反馈 2、云辐射反馈 3、冰雪圈反馈 4、海洋的反馈,1、水汽反馈（正反馈）水汽反馈是最重 要的一种反馈。大气 中的水汽作为重要的 温室气体有效地保持 了地球表面的温度,温暖的大气会使更多 的水汽从海洋和陆面 上蒸发出来,较暖的 大气有较高的水汽含量,从而增强大气的温室效应。,2、云辐射反馈 云对大气中辐射传输的影响有两种方式,（1）云是短波辐射的极好反射体,对地球的行星反射率有重要影响,云能够反射掉入射的太阳能,减少了系统可能获得的总的有用能量,使地球变冷；（2）云又是红外辐射的良好吸收体,对于来自地球表面的热辐射,具有类似温室

15、气体的作用,通过吸收其下地表的热辐射,同时自身也放出热辐射,从而起到减少地面向空间损失热量的作用。云对短波辐射的反射和对长波辐射的放射约占留在大气中总辐射的50%,若只算短波辐射,云占行星反射率的大约2/3。具体哪种作用占主导地位取决于云的温度(高度)和云的光学特性(决定于云中水和冰的比例和云滴的大小),一般来说,低云以反射作用为主,常导致降温,而高云则以被毯效应为主,常使系统增暖,因此云的反馈既可能是正反馈也可能是负反馈。气候对云量或云的结构变化十分敏感。,3、冰雪圈反馈 季节性变化很大的雪盖和海冰,及变化缓慢的冰川、冰原构成了气候系统的低温层。冰雪圈过程是水循环过程的一个中间环节,它能够有

16、效地调节地球表面的能量收支和温度平衡。冰雪的高反射率及融解成为有效的热汇,在大气热量平衡中起着冷却面的作用。,冰雪圈的反馈作用:温度降低(升高)冰雪覆盖增大(减小)地表反射率增大(减小)吸收太阳辐射减少(增多)温度降低(升高)。通过反馈作用,微小的扰动有可能被放大,并最终导致全球变化。海冰对大气海洋间水汽和动量交换的阻碍作用：海冰的体积变化与海平面变化有密切的联系,冰量变化可造成地球表面自由水体和海平面较大幅度的变化,对下垫面的性质产生深刻影响。结冰过程中所释放的大量热量和冰川融化所消耗的大量热量,均减缓了地球变冷或变暖过程,从而对能量的收支和传输产生重要影响。地球上的冰雪覆盖主要分布在极地地

17、区,冰雪过程导致的高纬地区的降温作用使赤道与极地之间的温度梯度增大,纬向西风会因此加强,季风环流可能会被削弱。,4、海洋的反馈。海洋占地球表面71%、占地球水量97%以上,到达海洋表面的太阳辐射,大部分都能被吸收,海洋贮藏了所接收的太阳能并将其转化为驱动气候系统的动力。大气环流和气候变化问题,从能量平衡的角度看,海洋的作用十分重要。海洋对大气运动和气候系统的重大影响,具体表现：(李崇银,1995)影响地球大气系统的热力平衡 影响水汽循环 调谐大气运动 降低气候系统的敏感性,调节温室效应,1、影响地球大气系统的热力平衡 海洋所吸收的能量绝大部分(85%左右)贮存在海洋的表层(混合层)中,这些热量

18、被以潜热、长波辐射和感热交换的形式传输给大气,驱动大气的运动,并控制着大气的温度。因此,海洋的热状况及其表面蒸发的强度都对大气运动的能量发生重要影响。同时,作为一种流体,海洋存在各种尺度的运动,海洋环流对地球大气系统的能量输送和平衡也有重要作用。地球所接收的太阳能在低纬度地区高,高纬度地区低,因此,要保持能量平衡,必须有能量从赤道向极地输送,其结果减小了低纬与高纬地区之间的温差。有资料显示：全球有超过30%的经向能量输送是由海洋来完成的,在中低纬地区,海洋主要通过海洋环流把低纬度多余的热量向高纬输送,其中,在030N 的低纬地区海洋输送的能量超过大气的输送；在中纬度的50N附近,通过海气间的强

19、烈热交换,海洋把相对多余的热量输送给大气,再由大气环流将能量输向更高纬。海洋输送的热量,约等于大气由赤道向极地输送的热量。,2、影响水汽循环 大气水汽量的绝大部分(86%)由海洋供给,海洋,尤其是低纬度海洋,是大气中水汽的主要源地。因此,海洋通过对蒸发和凝结过程影响水汽循环从而影响气候及其变化。3、调谐大气运动 受海洋独特的热力学和动力学性质影响,海洋的运动和变化有明显的缓慢性和持续性。海洋的这一特性使海洋具有较强的“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,海洋的热惯性使海洋状况的变化有滞后效应；通过海气藕合作用可以使大气中较高频的变化转化为较低频的变化。,4、降低气候系统的敏感性,调节温室效应 海洋有极大的热容量,相对大气而言,海洋的运动比较稳定,运动和变化比较缓慢,海洋通过有效地调节热量的收支和传输、水汽循环以及生物地球化学循环过程,能够对气候系统的状态进行有效的调节,降低气候系统对某些因素变化的敏感性。例如,海洋是地球系统中最大的大气水汽的源和CO2的汇,海洋通过改变水汽蒸腾和CO2吸收的强度调节大气中这两种最重要的温室气体的含量,使温室效应的强度得到有效控制。,