《气候系统》PPT课件.ppt

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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、动量和物

2、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，也是气候系统中

3、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。根据最近的估计海

4、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，由于它有较长的记忆力（尤其是在热

5、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地区的融化实现的。据估计，近

6、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，从而影响区域大气辐射收支。沙尘暴的发生就是一

7、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系统过程的量级（如生产力），对生态系统

8、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成许多个更小的二级子系统，它们都是复杂的多级结构。

9、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

10、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

11、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

12、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，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

13、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

14、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。,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

15、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，

16、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

17、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然是要研究大气运动的统计特征，即气候问题。只是考虑气候特征、气候变化的影响因素不仅仅局限在大气系统，因为气候过程是一个非绝热过程，需要考虑地球及其表层的各种因素的可能影响。即以气候系统理论为基础来研究气候的形成、变化及预测问题。,王绍武（2005）把气候系统的研究内容总结为五个方面：1、气候监测 这是20世纪70年代提以来的一个名词。其意义是对整个气候系统进行全面的观测，以便及时发现气候系统状况的任何值得注意的变

18、化。所以，气候监测是气候系统研究的基础。,1）大气常规观测 从19世纪后期直到20世纪30年代，世界范围的气候观测仅限于地面气温、降水量及气压。1978年以来有了卫星观测，这是一个覆盖最完整分辨率最均匀的序列，并且包括南北两个半球。但是，直到最近才建立了全球降水量的格点序列，而且主要限于全球陆地。因为这3种要素观测序列长，而且是反映气候状况的基本量。所以，至今仍是气候监测的最主要内容。20世纪30年代之后，逐渐有了高空探测。前苏联曾率先绘制了l 930年代500 hPa高度周期平均图。随后一些其他国家也先后绘制一些局部区域的高空图。中国的北半球500 hPa高度月平均图序列开始于1951年，比

19、较完整，南部达10N。从第二次国际地球物理年(19571958年)开始，西柏林自由大学气象研究所绘制出版了一系列平流层环流图，对推动平流层的研究作出了巨大贡献。目前NCAR（美国国家大气研究中心）等单位初步完成了1958年以来的再分析资料，包括各等压面层的高度、温度、风以及地面的气温、降水量的格点资料。由于是逐日资料，不仅对气候学，对天气学与数值天气预报等均有重要意义。,2）海洋及系统其他成员的常规观测 要对全球气候系统进行监测，海洋是一个重要组成部分。但至今资料最丰富的还是海面温度(SST)，过去SST主要靠商船观测。CODAS资料库收集了l 850年以来的资料，但1949年之前，特别在20

20、世纪末之前，资料覆盖面很小。目前，由于卫星观测精度的提高，已经可以提供SST的格点资料。但与船舶观测还有一定差异，所以多用混合资料绘制SST的距平图。当然，海洋观测不只是海面温度，还有盐度、洋流及深海海温等。但大部分均无系统观测资料，只是近年来才给出赤道太平洋混合层深度（用20等温线的深度表示）及800 m深至海面的温度距平。日本在西太平沿137E的经向剖面也积累了系统的观测资料。但从全球角度看，对盐度及深海海温还缺少系统的长期观测。,雪盖与海冰面积观测是对冰雪圈监测的主要内容。在卫星观测系统建立之前，除了个别站有局地雪盖观测之外，只有前苏联有目测海冰序列，它开始于1924年。日前在美国科罗拉

21、多大学与美国国家海洋大气管理局联合，设立了全球冰雪分析中心，公布每周及月平均南北半球诲冰及雪盖面积，雪盖序列从l 966年开始，海冰序列从1974年开始。加拿大科学家已经重建了20世纪以来的雪盖资料。,过去土壤温度及湿度的大范围观测资料很少。近来巳经开始有了比较系统的资料，全球植被也由于有卫星观测，而有了高分辨率资料，这些为气候系统模式提供了重要的基础。,3）非常规观测 除了以上所列举的常规观测之外，目前还进行许多特殊观测，对监测气候系统的变化有非常重要的意义。太阳常数观测就是一个重要的项目，观测已经表明太阳常数是变化的，而且与太阳黑子11a周期中的黑子数成正比。因此，反过来看近百年来以地面为

22、基础进行的太阳常数观测，应该承认还是有一定意义的。特别对世界不同地区几十个站的平均，可能减少误差，并在一定程度上反映太阳常数真正的变化。不过，目前还缺少卫星观测与地面观测的详细比较。,大气中微量气体的观测也是很重要的，冰芯气泡提供了CO2的长序列。其他微量气体如甲烷、氯氟碳化物（CFCs）大多数也建立了相应的序列。此外，如平流层气溶胶观测对研究火山爆发的气候影响很重要，也有了相应的卫星观测资料。,2、气候诊断气候诊断即根据气候监侧结果对气候变化与气候异常作出判断，这是当前气候系统研究中一个十分活跃的领域。气候诊断的内容非常广泛，（1）气候异常的诊断（2）气候变化的诊断（3）气候异常事件的诊断（

23、4）气候变化原因的检测。,3、气候重建利用各种代用资料重建古气候序列称为气候重建。从原则上讲这应该属于气候诊断的范畴。不过我们现在谈到气候诊断，多指根据现代资料进行分析，而古气候的重建则只能应用各种代用资料：（1）树木年轮；（2）冰芯；（3）孢粉；（4）珊瑚；（5）史料分析。除了以上5种资料来源之外，在研究历史气候时，人们还广泛用冰川遗迹，考古证据、物候变化资料等。但所有这些代用资料，或者时间分辨率较低，或者无法定量，或者不能重建连续的序列，因此在气候重建中不如上述几种资料使用的多。,4、气候模拟 任何科学的发展均离不开理论的指导。但是，对于气候系统这样一个庞大而复杂系统，至今还没有任何统一的

24、理论能说明其平均状态的形成及随时间的变化。因此，气候模拟就成为从理论上研究气候的重要手段。所谓气候模拟是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。早在1950年菲利普斯（PhillIps）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，这是用数值实验的方法进行气候模拟的开始。气候模拟的进步，依赖于气候模式，按性质气候模式可分为4类模式：（1）能量平衡模式（EBM）；（2）辐射对流模式（RCM）；（3）统计动力模式（SDM）；（4）总环流模式（GCM）。,5、气候预测目前中国及世界上大多数同家均把月以上的预报称

25、为短期气候预测。气候预测可以分为两类，一类采用统计方法，另一类为动力学数值预报。大约100年前，有的国家已经开始用相关回归方法作长期预报。目前世界范围正式作月、季气候预报的大约有30多个国家。其中工作较多的除中国以外，有美国、日本、前苏联等国。但是，经验预报一般水平不高，用比较粗略的分级检查，大约预报准确率只有5560。如果严格地逐月进行检查，甚至于还达不到这个水平。其中气温预测水平稍高，降水量预测准确率有时还不到55。,另一条途径为动力学数值预报。经过大约30多年的努力，短期数值天气预报取得了巨大的进步。欧洲中期数值预报中心（ECMWF）按时发布10 d逐日预报。如果以预报场与实况之间相关系

26、数达到0.6作为可以接受的标准，预报时效已超过1周。但是，逐日预报是不可能无限制地作下去的。逐日预报有一个不可逾越的鸿沟可预报性（predictability）。理论分析及数值实验均证明，逐日预报可预报性大约是23周，这就是说要做23周以上的逐日预报是不可能的。,气候预报是否可能作到2个月或更长时间呢？这里也有一个可预报性问题。实际上也是初始场对多长时间产生影响的问题。冯纽曼（von Neumann，1955)早就指出，从预报角度看，大气运动可以分为3类，第1类运动主要决定于初始场，因此可以从初始场外推。第2类运动几乎完全与初始场无关，因此可以不考虑初妨场做预报。而最困难的是第3类运动，即距初始时刻相当远，因此不可能完全从初始场外推。但初始场的影响又没有小到可以忽略不计的程度。第1类即目前的短、中期数值预报。第2类即目前的敏感性试验。第3类大约相当现在的短期气候预测。冯纽曼认为最合理的途径是先做第一类预报，然后做第2类预报，最后再做第3类预报。30 a来数值预报的发展完全证实了冯纽曼的预见。但是第3类预报的上限究竟是多大呢？据分析，预报时效大约是612个月。此外预报准确率也是有上限的，上限大约为8085。当然我们目前距这个上限还很远。但是，这主要是要说明，短期气候预测的时效与技巧也不可能无限制地增长，这是受科学本身限制的。,