第一講 大氣環(huán)流的一些基本問(wèn)題

1、第一講第一講 大氣環(huán)流的一些基本問(wèn)題大氣環(huán)流的一些基本問(wèn)題 丁一匯丁一匯 國(guó)家氣候中心國(guó)家氣候中心 高等天氣學(xué)講座高等天氣學(xué)講座(2014(2014年春季）年春季） 單元一：大氣環(huán)流的基本知識(shí)單元一：大氣環(huán)流的基本知識(shí) 大氣環(huán)流所包含的內(nèi)容很廣泛，并且定義也不完全相同。有人認(rèn)為大氣大氣環(huán)流所包含的內(nèi)容很廣泛，并且定義也不完全相同。有人認(rèn)為大氣 環(huán)流是指某些區(qū)域大氣的時(shí)間平均狀態(tài)；有人認(rèn)為大氣環(huán)流是指全球大環(huán)流是指某些區(qū)域大氣的時(shí)間平均狀態(tài)；有人認(rèn)為大氣環(huán)流是指全球大 氣的瞬時(shí)狀態(tài)；也有人認(rèn)為大氣環(huán)流主要指所有永久性或半永久性大氣氣的瞬時(shí)狀態(tài)；也有人認(rèn)為大氣環(huán)流主要指所有永久性或半永久性大氣 活

2、動(dòng)中心的集合體，包括：赤道輻合帶、急流、季風(fēng)、副熱帶高壓和各活動(dòng)中心的集合體，包括：赤道輻合帶、急流、季風(fēng)、副熱帶高壓和各 種永久性或半永久性氣旋和反氣旋中心；另外還有人認(rèn)為大氣環(huán)流是所種永久性或半永久性氣旋和反氣旋中心；另外還有人認(rèn)為大氣環(huán)流是所 有特征的定量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。但總的來(lái)說(shuō)，大氣環(huán)流是指大范圍（水平尺度有特征的定量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。但總的來(lái)說(shuō)，大氣環(huán)流是指大范圍（水平尺度 幾千公里以上）較長(zhǎng)時(shí)間尺度的（幾天以上）大氣運(yùn)動(dòng)的基本狀況。他幾千公里以上）較長(zhǎng)時(shí)間尺度的（幾天以上）大氣運(yùn)動(dòng)的基本狀況。他 們的變化不但影響著天氣的類(lèi)型和變化，而且影響著氣候的形成。近年們的變化不但影響著天氣的類(lèi)型和變化，

3、而且影響著氣候的形成。近年 來(lái)由于大氣科學(xué)中各個(gè)分支的滲透，大氣環(huán)流日益變成天氣學(xué)，動(dòng)力氣來(lái)由于大氣科學(xué)中各個(gè)分支的滲透，大氣環(huán)流日益變成天氣學(xué)，動(dòng)力氣 象學(xué)（尤其是數(shù)值模擬）和氣候?qū)W相結(jié)合的產(chǎn)物，從而使大氣環(huán)流具備象學(xué)（尤其是數(shù)值模擬）和氣候?qū)W相結(jié)合的產(chǎn)物，從而使大氣環(huán)流具備 了許多新的內(nèi)容。了許多新的內(nèi)容。 大氣環(huán)流的基本問(wèn)題有以下幾個(gè)方面：大氣環(huán)流的基本問(wèn)題有以下幾個(gè)方面： (1) (1) 大氣環(huán)流的平均狀態(tài)：包括平均環(huán)流和距平場(chǎng)以及它們形大氣環(huán)流的平均狀態(tài)：包括平均環(huán)流和距平場(chǎng)以及它們形 成的原因；大氣環(huán)流的變率包括不同時(shí)間尺度的變率，如成的原因；大氣環(huán)流的變率包括不同時(shí)間尺度的變率，

4、如 高頻、季節(jié)內(nèi)、年際、十年尺度、年代際尺度等。高頻、季節(jié)內(nèi)、年際、十年尺度、年代際尺度等。 (2) (2) 經(jīng)圈環(huán)流；經(jīng)圈環(huán)流； (3) (3) 斜壓波及其相關(guān)的溫帶氣旋形成機(jī)制斜壓波及其相關(guān)的溫帶氣旋形成機(jī)制, ,包括包括定常波和瞬變定常波和瞬變 波的特征及其作用；波的特征及其作用； (4) (4) 熱量、水汽、角動(dòng)量和動(dòng)能收支以及大氣環(huán)流的維持；熱量、水汽、角動(dòng)量和動(dòng)能收支以及大氣環(huán)流的維持； (5) (5) 全球大氣環(huán)流模式（全球大氣環(huán)流模式（GCMGCM）的發(fā)展及其數(shù)值模擬）的發(fā)展及其數(shù)值模擬 若經(jīng)向溫度梯度達(dá)到某個(gè)臨界值，模擬出的大氣環(huán)流將發(fā)生根本變化：中緯地區(qū)發(fā)生斜壓不穩(wěn)定使若經(jīng)

5、向溫度梯度達(dá)到某個(gè)臨界值，模擬出的大氣環(huán)流將發(fā)生根本變化：中緯地區(qū)發(fā)生斜壓不穩(wěn)定使 大氣由緯向環(huán)流轉(zhuǎn)變?yōu)椴瞽h(huán)流。通過(guò)斜壓波熱量輸送又抑制了赤極溫度梯度的增大，大氣環(huán)流也大氣由緯向環(huán)流轉(zhuǎn)變?yōu)椴瞽h(huán)流。通過(guò)斜壓波熱量輸送又抑制了赤極溫度梯度的增大，大氣環(huán)流也 趨向平穩(wěn)和緯向。上述狀態(tài)可以重復(fù)出現(xiàn)，使大氣環(huán)流在緯向環(huán)流和經(jīng)向環(huán)流型之間循環(huán)。趨向平穩(wěn)和緯向。上述狀態(tài)可以重復(fù)出現(xiàn)，使大氣環(huán)流在緯向環(huán)流和經(jīng)向環(huán)流型之間循環(huán)。 (6) (6) 氣候變化對(duì)全球大氣環(huán)流及其區(qū)域模態(tài)的影響氣候變化對(duì)全球大氣環(huán)流及其區(qū)域模態(tài)的影響 本講主要討論第（本講主要討論第（4 4）點(diǎn)）點(diǎn), ,也簡(jiǎn)明闡述第（也簡(jiǎn)明闡述第（6

6、 6）點(diǎn)的重要性）點(diǎn)的重要性 1.1 1.1 大氣角動(dòng)量的輸送和收支大氣角動(dòng)量的輸送和收支 大氣的角動(dòng)量是表征大氣環(huán)流和氣候狀況的基本參數(shù)之一。整個(gè)地氣系統(tǒng)（包大氣的角動(dòng)量是表征大氣環(huán)流和氣候狀況的基本參數(shù)之一。整個(gè)地氣系統(tǒng)（包 括大氣、海洋和固體地球）的角動(dòng)量總和實(shí)際上可看作不變的，但各部分之間括大氣、海洋和固體地球）的角動(dòng)量總和實(shí)際上可看作不變的，但各部分之間 可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。眾所周知，在低緯度是東風(fēng)帶，中高緯度是西風(fēng)帶。愈往高空可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。眾所周知，在低緯度是東風(fēng)帶，中高緯度是西風(fēng)帶。愈往高空 ，東風(fēng)帶愈窄。在，東風(fēng)帶愈窄。在3030。 。N N附近， 附近，200hPa200hPa高度

7、的西風(fēng)達(dá)到最大值，這是高空急流的高度的西風(fēng)達(dá)到最大值，這是高空急流的 位置。在這種條件下，在熱帶東風(fēng)帶，風(fēng)在地面所受到的摩擦阻力是向東的，位置。在這種條件下，在熱帶東風(fēng)帶，風(fēng)在地面所受到的摩擦阻力是向東的， 也即地球通過(guò)摩擦作用給其上面的大氣施加了一個(gè)向東的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，這等于是也即地球通過(guò)摩擦作用給其上面的大氣施加了一個(gè)向東的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，這等于是 地球向大氣輸送西風(fēng)角動(dòng)量。反之，中緯度西風(fēng)帶內(nèi)，摩擦作用使得地球?qū)Υ蟮厍蛳虼髿廨斔臀黠L(fēng)角動(dòng)量。反之，中緯度西風(fēng)帶內(nèi)，摩擦作用使得地球?qū)Υ?氣施加一個(gè)向西的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，也即大氣向地球輸送西風(fēng)角動(dòng)量。從長(zhǎng)期平均看氣施加一個(gè)向西的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，也即大氣向地球輸送西風(fēng)

8、角動(dòng)量。從長(zhǎng)期平均看 ，大氣中的風(fēng)系并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，因而整個(gè)大氣的總角動(dòng)量基本上是保，大氣中的風(fēng)系并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，因而整個(gè)大氣的總角動(dòng)量基本上是保 持不變的（實(shí)際上是有一些變化），這就要求在熱帶東風(fēng)帶里大氣由地球獲得持不變的（實(shí)際上是有一些變化），這就要求在熱帶東風(fēng)帶里大氣由地球獲得 的角動(dòng)量向極地方向輸送給中緯度西風(fēng)帶，以彌補(bǔ)那里大氣損失給地球的西風(fēng)的角動(dòng)量向極地方向輸送給中緯度西風(fēng)帶，以彌補(bǔ)那里大氣損失給地球的西風(fēng) 角動(dòng)量。大氣通過(guò)什么機(jī)制來(lái)完成角動(dòng)量從熱帶東風(fēng)帶向中高緯西風(fēng)帶的輸送角動(dòng)量。大氣通過(guò)什么機(jī)制來(lái)完成角動(dòng)量從熱帶東風(fēng)帶向中高緯西風(fēng)帶的輸送 ？對(duì)這個(gè)問(wèn)題許多人進(jìn)行了研

9、究，提出角動(dòng)量的輸送是通過(guò)兩個(gè)過(guò)程：經(jīng)圈環(huán)？對(duì)這個(gè)問(wèn)題許多人進(jìn)行了研究，提出角動(dòng)量的輸送是通過(guò)兩個(gè)過(guò)程：經(jīng)圈環(huán) 流和大型渦旋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。流和大型渦旋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 對(duì)地球轉(zhuǎn)軸單位大氣質(zhì)量的總或絕對(duì)角動(dòng)量對(duì)地球轉(zhuǎn)軸單位大氣質(zhì)量的總或絕對(duì)角動(dòng)量M M由兩部分組成：地球角動(dòng)量或由兩部分組成：地球角動(dòng)量或 角動(dòng)量和相對(duì)角動(dòng)量（角動(dòng)量和相對(duì)角動(dòng)量（MrMr）。前者代表當(dāng)大氣與固體地球一起自轉(zhuǎn)時(shí)所得到）。前者代表當(dāng)大氣與固體地球一起自轉(zhuǎn)時(shí)所得到 的角動(dòng)量；后者是大氣相對(duì)于旋轉(zhuǎn)的地球所具有的角動(dòng)量：的角動(dòng)量；后者是大氣相對(duì)于旋轉(zhuǎn)的地球所具有的角動(dòng)量： （1.1） 根據(jù)牛頓第二定律，可以得到角動(dòng)量的時(shí)間變化等于作用

10、此空氣質(zhì)點(diǎn)上外根據(jù)牛頓第二定律，可以得到角動(dòng)量的時(shí)間變化等于作用此空氣質(zhì)點(diǎn)上外 力矩的總和（力矩的總和（ ）若外力矩總和為零，則若外力矩總和為零，則M M等于常等于常數(shù)數(shù), ,有：有：F (1.2)(1.2) 對(duì)于大氣和地表面（海洋和陸地），只有氣壓和摩擦力矩對(duì)產(chǎn)生絕對(duì)于大氣和地表面（海洋和陸地），只有氣壓和摩擦力矩對(duì)產(chǎn)生絕 對(duì)角動(dòng)量是重要的。這也就是說(shuō)角動(dòng)量的源匯項(xiàng)是在地表面附近。對(duì)角動(dòng)量是重要的。這也就是說(shuō)角動(dòng)量的源匯項(xiàng)是在地表面附近。 設(shè)摩擦力在設(shè)摩擦力在 方向的分量為方向的分量為 ，則摩擦力矩為：，則摩擦力矩為： 氣壓力矩為氣壓力矩為: : z z是等壓面的位勢(shì)高度。在（是等壓面的位勢(shì)

11、高度。在（x,y,p,tx,y,p,t）坐標(biāo)系中方程（）坐標(biāo)系中方程（1.21.2）因而可寫(xiě)作：）因而可寫(xiě)作： (1.3) dt dM 展開(kāi)展開(kāi) ，并用連續(xù)方程，并用連續(xù)方程與對(duì)時(shí)間和空間求平均，上式可化為與對(duì)時(shí)間和空間求平均，上式可化為： 上式中上式中; 上兩式中第一項(xiàng)是平均經(jīng)圈環(huán)流對(duì)上兩式中第一項(xiàng)是平均經(jīng)圈環(huán)流對(duì)角動(dòng)量的輸送，第二項(xiàng)是平均經(jīng)圈環(huán)流對(duì)相對(duì)角動(dòng)量的輸送，第二項(xiàng)是平均經(jīng)圈環(huán)流對(duì)相對(duì) 角動(dòng)量的輸送，第三項(xiàng)是定常渦動(dòng)對(duì)相對(duì)角動(dòng)量的輸送，第四項(xiàng)是瞬變渦動(dòng)對(duì)相對(duì)角動(dòng)量的輸送，第三項(xiàng)是定常渦動(dòng)對(duì)相對(duì)角動(dòng)量的輸送，第四項(xiàng)是瞬變渦動(dòng)對(duì)相對(duì) 角動(dòng)量的輸送。角動(dòng)量的輸送。 （1.4) (1.5)

12、(1.6) 為了更清楚地了解角動(dòng)量收支的基本過(guò)程，可以求取角動(dòng)量流函數(shù)的分布。為了更清楚地了解角動(dòng)量收支的基本過(guò)程，可以求取角動(dòng)量流函數(shù)的分布。 由方程（由方程（1.4),1.4),忽略角動(dòng)量的時(shí)間變化項(xiàng)，因?yàn)檫@一項(xiàng)通常量值較小，則可得：忽略角動(dòng)量的時(shí)間變化項(xiàng)，因?yàn)檫@一項(xiàng)通常量值較小，則可得： (1.7) (1.8) (1.9)(1.9) 根據(jù)大氣角動(dòng)量收支方程可知，改變大氣角動(dòng)量的外力矩主要來(lái)自地球下墊面的根據(jù)大氣角動(dòng)量收支方程可知，改變大氣角動(dòng)量的外力矩主要來(lái)自地球下墊面的 摩擦作用和山脈作用，從而在大氣和固體地球與海洋之間產(chǎn)生一種動(dòng)力耦合。這摩擦作用和山脈作用，從而在大氣和固體地球與海洋

13、之間產(chǎn)生一種動(dòng)力耦合。這 種耦合通過(guò)大氣和地面之間角動(dòng)量的交換引起大氣環(huán)流的變化。山脈力矩是由山種耦合通過(guò)大氣和地面之間角動(dòng)量的交換引起大氣環(huán)流的變化。山脈力矩是由山 脈兩側(cè)氣壓差引起的一種地面力矩。在北半球西風(fēng)帶中，氣壓分布一般是山前為脈兩側(cè)氣壓差引起的一種地面力矩。在北半球西風(fēng)帶中，氣壓分布一般是山前為 脊（氣壓高或質(zhì)量堆積），山后為槽，這兩者的力矩均為負(fù)值，即大氣把動(dòng)量給脊（氣壓高或質(zhì)量堆積），山后為槽，這兩者的力矩均為負(fù)值，即大氣把動(dòng)量給 予地球。在北半球東風(fēng)帶，一般山東邊氣壓高，山西邊氣壓低，這兩者的力矩都予地球。在北半球東風(fēng)帶，一般山東邊氣壓高，山西邊氣壓低，這兩者的力矩都 是正值

14、，即大氣獲得動(dòng)量。摩擦力矩是由地面摩擦力或粘性阻力引起的是正值，即大氣獲得動(dòng)量。摩擦力矩是由地面摩擦力或粘性阻力引起的。 山脈迎風(fēng)面和背面氣壓場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)引起的大尺度阻力。背風(fēng)處的氣壓比迎風(fēng)面山脈迎風(fēng)面和背面氣壓場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)引起的大尺度阻力。背風(fēng)處的氣壓比迎風(fēng)面 氣壓（分別由于質(zhì)量堆積和減少）略低，山頂以西的迎風(fēng)面可產(chǎn)生指向東的氣壓（分別由于質(zhì)量堆積和減少）略低，山頂以西的迎風(fēng)面可產(chǎn)生指向東的 外力矩。這與西風(fēng)角動(dòng)量相反，使西風(fēng)減弱。以東風(fēng)情況下，凈山脈力矩正好外力矩。這與西風(fēng)角動(dòng)量相反，使西風(fēng)減弱。以東風(fēng)情況下，凈山脈力矩正好 相反，指向東，產(chǎn)生西風(fēng)角動(dòng)量。因而山脈力矩的作用與摩擦力矩是相同的。相反

15、，指向東，產(chǎn)生西風(fēng)角動(dòng)量。因而山脈力矩的作用與摩擦力矩是相同的。 等壓線等壓線 下風(fēng)水平方向下風(fēng)水平方向 山脈力矩山脈力矩山脈力矩山脈力矩 圖圖1.1 1.1 大氣相對(duì)角動(dòng)量緯向平均輸送的無(wú)輻散分量的流線大氣相對(duì)角動(dòng)量緯向平均輸送的無(wú)輻散分量的流線。（a a）1010年平均；（年平均；（b b） 冬季平均（冬季平均（1212，1 1，2 2月）；（月）；（c c）夏季平均（）夏季平均（6 6，7 7，8 8月）。虛線是月）。虛線是 的等值線（單的等值線（單 位：位：m ms s-1 -1），可以看到渦動(dòng)輸送的逆梯度輸送特性。單位： ），可以看到渦動(dòng)輸送的逆梯度輸送特性。單位：101018 18

16、kg kgm m-2 -2s s-2-2 圖圖1.2 1.2 年平均山脈力矩的經(jīng)向剖面。實(shí)線代表年平均山脈力矩的經(jīng)向剖面。實(shí)線代表 Wahr Wahr 和和 Oort Oort的計(jì)算結(jié)的計(jì)算結(jié) 果，虛線代表果，虛線代表NewtonNewton計(jì)算的結(jié)果。單位：哈得萊計(jì)算的結(jié)果。單位：哈得萊/5/5。 。緯度 緯度 圖圖1.3 1.3 根據(jù)根據(jù)HellermanHellerman和和RosenstainRosenstain37 37的洋面應(yīng)力資料。計(jì)算的摩擦力矩的經(jīng)向剖 的洋面應(yīng)力資料。計(jì)算的摩擦力矩的經(jīng)向剖 面（虛線）。假設(shè)洋面和陸面的應(yīng)力相等，則可根據(jù)洋面應(yīng)力的資料（實(shí)線）面（虛線）。假設(shè)洋

17、面和陸面的應(yīng)力相等，則可根據(jù)洋面應(yīng)力的資料（實(shí)線） 計(jì)算出陸面力矩。（計(jì)算出陸面力矩。（a a）北半球冬季；（）北半球冬季；（b b）北半球夏季。單位：哈得萊）北半球夏季。單位：哈得萊/5/5。 。緯 緯 度度 圖圖1.41.4用高空資料（通量法）得到的緯向平均地面應(yīng)力用高空資料（通量法）得到的緯向平均地面應(yīng)力19 19。（摩擦和山脈）經(jīng)向 。（摩擦和山脈）經(jīng)向 剖面及其與剖面及其與HellermanHellerman海洋應(yīng)力剖面（短虛線：海洋應(yīng)力剖面（短虛線：19671967；長(zhǎng)虛線：；長(zhǎng)虛線：19821982）的比）的比 較。（較。（a a）年平均；（）年平均；（b b）北半球冬季；（）北

18、半球冬季；（c c）北半球夏季。單位：）北半球夏季。單位：1010-5 -5N Ncm cm-2 -2 1.2 1.2 大氣中水汽的輸送和收支大氣中水汽的輸送和收支 大氣中水平輸送和收支的研究是大氣環(huán)流的重要問(wèn)題之一。大氣中水平輸送和收支的研究是大氣環(huán)流的重要問(wèn)題之一。 它不僅與大氣環(huán)流系統(tǒng)和天氣系統(tǒng)中的水汽含量的多寡有關(guān)它不僅與大氣環(huán)流系統(tǒng)和天氣系統(tǒng)中的水汽含量的多寡有關(guān) ，而且更重要的也與大氣中可能的潛熱釋放或加熱有關(guān)。因，而且更重要的也與大氣中可能的潛熱釋放或加熱有關(guān)。因 而它是了解大氣環(huán)流動(dòng)力學(xué)和地氣系統(tǒng)能量的一個(gè)重要方面而它是了解大氣環(huán)流動(dòng)力學(xué)和地氣系統(tǒng)能量的一個(gè)重要方面 。角動(dòng)量收

19、支，水汽收支加上能量收支是研究全球大氣環(huán)流。角動(dòng)量收支，水汽收支加上能量收支是研究全球大氣環(huán)流 維持和變化的特別有用的方法，也是近年來(lái)研究各種時(shí)空尺維持和變化的特別有用的方法，也是近年來(lái)研究各種時(shí)空尺 度的氣候系統(tǒng)的重要工具。最近三、四十年來(lái)，通過(guò)一系列度的氣候系統(tǒng)的重要工具。最近三、四十年來(lái)，通過(guò)一系列 的研究這方面取得了不少結(jié)果，尤其是全球能量和水循環(huán)計(jì)的研究這方面取得了不少結(jié)果，尤其是全球能量和水循環(huán)計(jì) 劃（劃（GEWEXGEWEX）。該計(jì)劃重點(diǎn)研究氣候系統(tǒng)中的水文循環(huán)及其）。該計(jì)劃重點(diǎn)研究氣候系統(tǒng)中的水文循環(huán)及其 對(duì)全球變化的響應(yīng)。對(duì)全球變化的響應(yīng)。 (1.11) (1.12) 上式中

20、上式中s(q)s(q)是由相變?cè)斐傻膯挝毁|(zhì)量空氣中水汽的產(chǎn)生或是由相變?cè)斐傻膯挝毁|(zhì)量空氣中水汽的產(chǎn)生或 破壞。這主要由蒸發(fā)、凝結(jié)和擴(kuò)散過(guò)程引起。即破壞。這主要由蒸發(fā)、凝結(jié)和擴(kuò)散過(guò)程引起。即s(q)s(q)e e c c（忽略擴(kuò)散作用）。對(duì)上面水汽收支方程垂直積分，（忽略擴(kuò)散作用）。對(duì)上面水汽收支方程垂直積分， 再求時(shí)間平均可得：再求時(shí)間平均可得： (1.13) 這是大氣中水汽收支方程，它表明降水和蒸發(fā)差等于水汽儲(chǔ)存的局這是大氣中水汽收支方程，它表明降水和蒸發(fā)差等于水汽儲(chǔ)存的局 地變率與水汽流入和流出之和。如將上式用于一有限區(qū)地變率與水汽流入和流出之和。如將上式用于一有限區(qū)A A則有：則有： (

21、1.14) (1.15) 1.141.15 對(duì)全球和氣候狀態(tài)求平均，（對(duì)全球和氣候狀態(tài)求平均，（1.131.13）式就變成）式就變成: : 這個(gè)公式不但可用于全球水循環(huán)變化的研究（這個(gè)公式不但可用于全球水循環(huán)變化的研究（ 偏離上述平衡態(tài)），而偏離上述平衡態(tài)），而 且也可用于大范圍地區(qū)水循環(huán)的異常變化研究。而對(duì)于區(qū)域的水循環(huán)收且也可用于大范圍地區(qū)水循環(huán)的異常變化研究。而對(duì)于區(qū)域的水循環(huán)收 支必須考慮另外一項(xiàng)即水汽輸送的影響，而水汽輸送又決定于大氣環(huán)流支必須考慮另外一項(xiàng)即水汽輸送的影響，而水汽輸送又決定于大氣環(huán)流 型型 的變化。所以，區(qū)域水循環(huán)的研究比全球水循環(huán)的研究要復(fù)雜得多。的變化。所以，區(qū)域

22、水循環(huán)的研究比全球水循環(huán)的研究要復(fù)雜得多。 0 圖圖1.10 1.10 緯向和垂直平均的向北水汽輸送緯向和垂直平均的向北水汽輸送. .（a a）瞬變渦動(dòng)輸送）瞬變渦動(dòng)輸送 （b b）定常渦動(dòng)輸送）定常渦動(dòng)輸送 （c c）平均經(jīng)圈環(huán)流）平均經(jīng)圈環(huán)流 輸送輸送 。 單位：?jiǎn)挝唬?圖圖1.11 1.11 緯向和垂直平均的水汽垂直輸送的經(jīng)向剖面。（緯向和垂直平均的水汽垂直輸送的經(jīng)向剖面。（a a）總的）總的 （b b）瞬變渦動(dòng)輸送瞬變渦動(dòng)輸送 ；（；（c c）定常渦動(dòng)輸送）定常渦動(dòng)輸送 ；（；（d d）平均）平均 經(jīng)圈環(huán)流經(jīng)圈環(huán)流 。單位：。單位：1010-4 -4g gkg kg-1 -1hPa h

23、Pas s-1 -1 1010-6 -6kg kgm m2 2s s-1 -1 圖圖1.12 1.12 海洋上緯向平均蒸發(fā)海洋上緯向平均蒸發(fā) 的緯向剖面。粗實(shí)線：年平均；細(xì)實(shí)線的緯向剖面。粗實(shí)線：年平均；細(xì)實(shí)線 ：冬季；虛線：夏季。單位：冬季；虛線：夏季。單位：cmcmd d-1 -1 圖圖1.13 1.13 緯向平均降水緯向平均降水 的緯向剖面。（的緯向剖面。（a a）海洋；（）海洋；（b b）陸地；（）陸地；（c c）整個(gè)）整個(gè) 陸地加海洋地區(qū)。單位：陸地加海洋地區(qū)。單位：cmcmd d-1 -1 圖圖1.14 1.14 平均經(jīng)向水汽輸送流線（平均經(jīng)向水汽輸送流線（ ）分布。（）分布。（a

24、 a）年平均；（）年平均；（b b）冬）冬 季季(122(122月月) )平均；（平均；（c c）夏季（）夏季（6 68 8月）平均。單位：月）平均。單位：10108 8kgskgs-1 -1。 。 q 圖圖1.15 19981.15 1998年年5 58 8月單位面積空氣柱水汽輸送的流函數(shù)及非輻散分量。（月單位面積空氣柱水汽輸送的流函數(shù)及非輻散分量。（a a） 勢(shì)函數(shù)及輻散分量；（勢(shì)函數(shù)及輻散分量；（b b）平均分布（等值線為流函數(shù)和勢(shì)函數(shù)值；單位：）平均分布（等值線為流函數(shù)和勢(shì)函數(shù)值；單位： 10106 6kg/skg/s，箭矢為非輻散分量和輻散分量，單位：，箭矢為非輻散分量和輻散分量，單

25、位：kg/(mkg/(ms)s)） 1.3 1.3 大氣中能量的輸送和收支大氣中能量的輸送和收支 太陽(yáng)輻射是大氣運(yùn)動(dòng)中的原動(dòng)力，它是大氣環(huán)流以及海洋環(huán)流的主要能太陽(yáng)輻射是大氣運(yùn)動(dòng)中的原動(dòng)力，它是大氣環(huán)流以及海洋環(huán)流的主要能 源，因而是研究大氣環(huán)流的基礎(chǔ)。這一節(jié)我們將首先討論輻射能量的收源，因而是研究大氣環(huán)流的基礎(chǔ)。這一節(jié)我們將首先討論輻射能量的收 支。圖支。圖1.161.16是緯向平均的輻射剖面。在大氣頂?shù)奶?yáng)輻射，對(duì)年平均而是緯向平均的輻射剖面。在大氣頂?shù)奶?yáng)輻射，對(duì)年平均而 言以赤道地區(qū)接受最多，然后向兩極減少。言以赤道地區(qū)接受最多，然后向兩極減少。 對(duì)于冬半球，這種減少更為迅速，它從夏半

26、球副熱帶地區(qū)的對(duì)于冬半球，這種減少更為迅速，它從夏半球副熱帶地區(qū)的475475瓦瓦/ /米米2 2減減 少到冬半球極地的零值；而向夏半球極地只有很弱的減少（圖少到冬半球極地的零值；而向夏半球極地只有很弱的減少（圖1.16a1.16a） 。這種入射太陽(yáng)輻射的相當(dāng)一部分又反射回太空，尤其是在高緯地區(qū)（。這種入射太陽(yáng)輻射的相當(dāng)一部分又反射回太空，尤其是在高緯地區(qū)（ 圖圖1.16b1.16b和圖和圖1.16c1.16c）。在高緯反照率很高（）。在高緯反照率很高（70%70%），一方面是由于太陽(yáng)），一方面是由于太陽(yáng) 輻射的入射角較大，另一方面是由于冰雪覆蓋的作用。入射太陽(yáng)輻射與輻射的入射角較大，另一方面

27、是由于冰雪覆蓋的作用。入射太陽(yáng)輻射與 反射太陽(yáng)輻射之差即為大氣頂吸收的太陽(yáng)輻射（圖反射太陽(yáng)輻射之差即為大氣頂吸收的太陽(yáng)輻射（圖1.16d1.16d），這部分輻），這部分輻 射是用來(lái)推動(dòng)地氣系統(tǒng)環(huán)流的能源。圖射是用來(lái)推動(dòng)地氣系統(tǒng)環(huán)流的能源。圖1.161.16中曲線與原來(lái)太陽(yáng)輻射曲線中曲線與原來(lái)太陽(yáng)輻射曲線 （圖（圖1.16a1.16a）的差別在于夏半球極區(qū)有效輻射的減小，結(jié)果在夏半球也）的差別在于夏半球極區(qū)有效輻射的減小，結(jié)果在夏半球也 造成明顯的吸收太陽(yáng)輻射的南北梯度。造成明顯的吸收太陽(yáng)輻射的南北梯度。 地球全球能量平衡簡(jiǎn)圖（新）注意各分量的圖有一些不同，主要地球全球能量平衡簡(jiǎn)圖（新）注意各分

28、量的圖有一些不同，主要 是大氣吸收了是大氣吸收了67w/m67w/m2 2的太陽(yáng)能，這是由于氣溶膠和云增加造成的太陽(yáng)能，這是由于氣溶膠和云增加造成 有云大氣情況有云大氣情況 地球能量收支各分量的估算值。到達(dá)大氣頂?shù)娜肷涮?yáng)輻射（地球能量收支各分量的估算值。到達(dá)大氣頂?shù)娜肷涮?yáng)輻射（341wm341wm 2 2， ，100100）的三分之一左右被直接）的三分之一左右被直接 反射回太空（反射回太空（102wm102wm 2 2），余下的三分之一（ ），余下的三分之一（239wm239wm 2 2， ，7070）由地表（）由地表（161wm161wm 2 2）、云和氣溶膠等吸收 ）、云和氣溶膠等吸收

29、 （78wm78wm 2 2）。為了平衡吸收的入射太陽(yáng)輻射能（ ）。為了平衡吸收的入射太陽(yáng)輻射能（239wm239wm 2 2），地球平均要輻射同樣大小的能量（ ），地球平均要輻射同樣大小的能量（239wm239wm 2 2） ） 到太空。根據(jù)維恩輻射定律，地球主要在紅外譜輻射能量。這些由陸地和海洋輻射的紅外熱輻射被大氣到太空。根據(jù)維恩輻射定律，地球主要在紅外譜輻射能量。這些由陸地和海洋輻射的紅外熱輻射被大氣 （含云，（含云，COCO2 2和其它溫室氣體等）吸收并重新輻射回地球表面，從而導(dǎo)致地球大氣耦合系統(tǒng)的增暖。這和其它溫室氣體等）吸收并重新輻射回地球表面，從而導(dǎo)致地球大氣耦合系統(tǒng)的增暖。這

30、 叫作自然的溫室效應(yīng)。叫作自然的溫室效應(yīng)。 （Trenberth等，等， 2009） 2000-20102000-2010年期間全球年平均能量收支年期間全球年平均能量收支 最近最近1010年的全球輻射平衡主要根據(jù)衛(wèi)星和新的地面資料更新了地表能量收支，尤其地表接年的全球輻射平衡主要根據(jù)衛(wèi)星和新的地面資料更新了地表能量收支，尤其地表接 收的長(zhǎng)波輻射比過(guò)去要明顯增加，約在收的長(zhǎng)波輻射比過(guò)去要明顯增加，約在10-17w/m10-17w/m-2 -2。衛(wèi)星觀測(cè)表明。全球降水增加，這由 。衛(wèi)星觀測(cè)表明。全球降水增加，這由 增加的地表蒸發(fā)引起和維持，因而大氣中的潛熱通量增加。以此，地表地表長(zhǎng)波通量的增增加的

31、地表蒸發(fā)引起和維持，因而大氣中的潛熱通量增加。以此，地表地表長(zhǎng)波通量的增 加得到補(bǔ)償。加得到補(bǔ)償。 (Stephens 等，等，20） 比較圖比較圖1.16a1.16a和圖和圖1.16d1.16d年平均曲線，兩者的分布形勢(shì)實(shí)際上是相似的，年平均曲線，兩者的分布形勢(shì)實(shí)際上是相似的， 后者是前者向下均勻平移后者是前者向下均勻平移100100瓦瓦/ /米米2 2的結(jié)果。大氣頂射出的地球紅外輻射的結(jié)果。大氣頂射出的地球紅外輻射 在在3030S S3030N N之間的值較高，只在之間的值較高，只在ITCZITCZ區(qū)有微小的減?。▓D區(qū)有微小的減小（圖1.16e1.16e），）， 這主要是由于這個(gè)地區(qū)大量云

32、量存在的緣故。在高緯地區(qū)，長(zhǎng)波輻射減這主要是由于這個(gè)地區(qū)大量云量存在的緣故。在高緯地區(qū)，長(zhǎng)波輻射減 少。注意南極大氣損失的紅外輻射比北極大氣要少，這可能因?yàn)槟蠘O的少。注意南極大氣損失的紅外輻射比北極大氣要少，這可能因?yàn)槟蠘O的 冰蓋高度較高的緣故。南北的梯度并不太大。用吸收太陽(yáng)輻射減去射出冰蓋高度較高的緣故。南北的梯度并不太大。用吸收太陽(yáng)輻射減去射出 長(zhǎng)波輻射可得凈的經(jīng)向加熱剖面（圖長(zhǎng)波輻射可得凈的經(jīng)向加熱剖面（圖1.16f1.16f）?？梢钥吹?，在熱帶和副）?？梢钥吹剑跓釒Ш透?熱帶地區(qū)，地氣系統(tǒng)盈得輻射能量，而在中高緯地區(qū)損失輻射能量。這熱帶地區(qū)，地氣系統(tǒng)盈得輻射能量，而在中高緯地區(qū)損失輻

33、射能量。這 種赤極之間輻射的不平衡必然導(dǎo)致動(dòng)力輸送過(guò)程，即依靠大氣和海洋環(huán)種赤極之間輻射的不平衡必然導(dǎo)致動(dòng)力輸送過(guò)程，即依靠大氣和海洋環(huán) 流的經(jīng)向輸送把凈輻射盈得區(qū)多余的熱量輸送到凈輻射虧損區(qū)以補(bǔ)償那流的經(jīng)向輸送把凈輻射盈得區(qū)多余的熱量輸送到凈輻射虧損區(qū)以補(bǔ)償那 里熱量的不足，從而維持大氣中正常的氣候狀態(tài)。里熱量的不足，從而維持大氣中正常的氣候狀態(tài)。 圖圖1.16 1.16 各輻射分量的經(jīng)向剖面。（各輻射分量的經(jīng)向剖面。（a a）緯向平均的入射太陽(yáng)輻射；（）緯向平均的入射太陽(yáng)輻射；（b b）反射太）反射太 陽(yáng)輻射；（陽(yáng)輻射；（c c）反照率；（）反照率；（d d）吸收的太陽(yáng)輻射；（）吸收的太陽(yáng)

34、輻射；（e e）放射的紅外輻射；（）放射的紅外輻射；（f f ）凈輻射。對(duì)全球平衡未作訂正。單位）凈輻射。對(duì)全球平衡未作訂正。單位W Wm m-2 -2 我們首先討論大氣中總能量的輸送。單位質(zhì)量大氣總能量為：我們首先討論大氣中總能量的輸送。單位質(zhì)量大氣總能量為： 上式右面四項(xiàng)分別代表內(nèi)能、位能、潛熱和動(dòng)能。上式右面四項(xiàng)分別代表內(nèi)能、位能、潛熱和動(dòng)能。對(duì)于對(duì)于半球和全球大氣半球和全球大氣 能量的積分值能量的積分值, ,最重要的能量形式是內(nèi)能（全球平均占最重要的能量形式是內(nèi)能（全球平均占70.4%70.4%），其次是），其次是 位能（占位能（占27.127.1）和潛能（占）和潛能（占2.52.5）

35、，而動(dòng)能只占總能量的很小的一），而動(dòng)能只占總能量的很小的一 部分，但它在大氣環(huán)流能量學(xué)中起著很重要的作用。北半球年變化的振部分，但它在大氣環(huán)流能量學(xué)中起著很重要的作用。北半球年變化的振 幅是南半球的二倍左右，這主要是由兩半球海陸分布差異造成。幅是南半球的二倍左右，這主要是由兩半球海陸分布差異造成。 （1.16） （x x，y y，z z，t t）坐標(biāo)系中大氣能量收支方程：）坐標(biāo)系中大氣能量收支方程： 圖圖1.16 1.16 不同形式能量緯向和垂直平均值的經(jīng)向剖面。（不同形式能量緯向和垂直平均值的經(jīng)向剖面。（a a）溫度（）溫度（）；（）；（b b）位）位 勢(shì)高度差（勢(shì)高度差（10102 2gp

36、mgpm），）， 是各等壓面平均位勢(shì)高度；（是各等壓面平均位勢(shì)高度；（c c）比濕（）比濕（g gkgkg-1 -1）；（ ）；（d d）動(dòng)）動(dòng) 能（能（m m2 2s s-2 -2）。在圖右側(cè)給出相當(dāng)能量標(biāo)尺 ）。在圖右側(cè)給出相當(dāng)能量標(biāo)尺。 可用上式討論能量的垂直輸送。假設(shè)常定狀態(tài)，可用上式討論能量的垂直輸送。假設(shè)常定狀態(tài)， 引入總能量流函數(shù)引入總能量流函數(shù) (1.22)(1.22) 對(duì)能量進(jìn)行垂直輸送的主要機(jī)制是有組織的對(duì)流，各種類(lèi)型的積云活動(dòng)對(duì)能量進(jìn)行垂直輸送的主要機(jī)制是有組織的對(duì)流，各種類(lèi)型的積云活動(dòng) 以及小尺度亂流。大尺度渦動(dòng)在垂直輸送中不如積云重要，尤其是在熱以及小尺度亂流。大尺度

37、渦動(dòng)在垂直輸送中不如積云重要，尤其是在熱 帶地區(qū)。像以前求角動(dòng)量流線，水汽流線一樣，不難求出帶地區(qū)。像以前求角動(dòng)量流線，水汽流線一樣，不難求出 的分布（圖的分布（圖 1.201.20）。這種流線代表能量流密度（單位：）。這種流線代表能量流密度（單位：101015 15W W）。對(duì)年平均，在熱帶 ）。對(duì)年平均，在熱帶 3030o oS S和和3030o oN N之間地區(qū)，有大量的輻射能流入。其中能量的一半通過(guò)大氣之間地區(qū)，有大量的輻射能流入。其中能量的一半通過(guò)大氣 ，以后主要在熱帶海洋吸收，再由洋流輸向極地。但在副熱帶和中緯度，以后主要在熱帶海洋吸收，再由洋流輸向極地。但在副熱帶和中緯度 ，主要

38、輸送以大氣環(huán)流為主，能量在大氣中向極地輸送，以后在那里輻，主要輸送以大氣環(huán)流為主，能量在大氣中向極地輸送，以后在那里輻 射回太空。從季節(jié)分布圖可以看到大量能量直接流入夏半球。在圖中當(dāng)射回太空。從季節(jié)分布圖可以看到大量能量直接流入夏半球。在圖中當(dāng) 流線與流線與1000hPa1000hPa相交時(shí)，代表由能量輸入地表面或由地表面輸出。因而相交時(shí)，代表由能量輸入地表面或由地表面輸出。因而 在夏半球有大量能量進(jìn)入熱帶地區(qū)并主要儲(chǔ)存于熱帶海洋，而冬半球海在夏半球有大量能量進(jìn)入熱帶地區(qū)并主要儲(chǔ)存于熱帶海洋，而冬半球海 洋損失大量能量。洋損失大量能量。 圖圖1.17 1.17 總能量總能量E E緯向平均的經(jīng)向

39、輸送的垂直剖面圖。（緯向平均的經(jīng)向輸送的垂直剖面圖。（a a）瞬變渦動(dòng)；（）瞬變渦動(dòng)；（b b）定）定 常渦動(dòng)；（常渦動(dòng)；（c c）平均經(jīng)圈環(huán)流。本圖是）平均經(jīng)圈環(huán)流。本圖是1010年平均值。單位：年平均值。單位：msms-1 -1 圖圖1.18 1.18 總能量總能量E E緯向何垂直平均的經(jīng)向輸送的經(jīng)向剖面。（緯向何垂直平均的經(jīng)向輸送的經(jīng)向剖面。（a a）總輸送；）總輸送； （b b）瞬變渦度；（）瞬變渦度；（c c）定常渦動(dòng)；（）定常渦動(dòng)；（d d）平均經(jīng)圈環(huán)流）平均經(jīng)圈環(huán)流 圖圖1.19 1.19 總能量總能量E E緯向何垂直平均的經(jīng)向輸送的經(jīng)向剖面。（緯向何垂直平均的經(jīng)向輸送的經(jīng)向剖面

40、。（a a）總輸送；）總輸送； （b b）瞬變渦度；（）瞬變渦度；（c c）定常渦動(dòng)；（）定常渦動(dòng)；（d d）平均經(jīng)圈環(huán)流）平均經(jīng)圈環(huán)流 圖圖1.20 101.20 10年平均的大氣總能量緯向平均的輸送流線。（年平均的大氣總能量緯向平均的輸送流線。（a a）年平均；（）年平均；（b b） 12122 2月；（月；（c c）6 68 8月。全球平均的能量值被減去，單位：月。全球平均的能量值被減去，單位：101015 15W W 圖圖1.21 1.21 大氣能量?jī)?chǔ)存率（大氣能量?jī)?chǔ)存率（a a）和垂直平均的大氣能量通量散度（）和垂直平均的大氣能量通量散度（b b）的）的 經(jīng)向剖面。單位：經(jīng)向剖面。單

41、位：WmWm-2 -2 圖圖1.22 1.22 從大氣到地表面緯向平均能量通量的經(jīng)向剖面（作為余項(xiàng)算出）從大氣到地表面緯向平均能量通量的經(jīng)向剖面（作為余項(xiàng)算出） 。圖中的黑圈和叉號(hào)等是。圖中的黑圈和叉號(hào)等是 Oort Oort 和和 Vonder Harr Vonder Harr 計(jì)算值計(jì)算值 圖圖1.231.23緯向平均的海洋熱儲(chǔ)存率。（緯向平均的海洋熱儲(chǔ)存率。（a a）和海洋能量輸送散度；（）和海洋能量輸送散度；（b b）經(jīng)向剖面。）經(jīng)向剖面。 OortOort和和Vonder HaarVonder Haar的結(jié)果也點(diǎn)在圖中。黑圈：年平均；的結(jié)果也點(diǎn)在圖中。黑圈：年平均；+ +：12122

42、 2月；：月；：6 6 8 8月。月。 由下面的方法可以得到所要求的海洋熱輸送由下面的方法可以得到所要求的海洋熱輸送T T0 0。由前面的討論可得，地氣系統(tǒng)在某地區(qū)。由前面的討論可得，地氣系統(tǒng)在某地區(qū) 盈得或虧損的總輻射能應(yīng)等于該地區(qū)能量的存儲(chǔ)項(xiàng)盈得或虧損的總輻射能應(yīng)等于該地區(qū)能量的存儲(chǔ)項(xiàng)+ +海氣系統(tǒng)的能量輸送項(xiàng)。長(zhǎng)期或年海氣系統(tǒng)的能量輸送項(xiàng)。長(zhǎng)期或年 平均而言，存儲(chǔ)項(xiàng)平均而言，存儲(chǔ)項(xiàng)0 0，因而有：，因而有： 圖圖1.24 1.24 大氣（大氣（T TA A）, ,海洋（海洋（T TO O）和大氣）和大氣+ +海洋（海洋（T TA A+T+TO O）年平均能量向北輸送的經(jīng)）年平均能量向北輸

43、送的經(jīng) 向剖面。向剖面。OortOort和和Vonder HaarVonder Haar（x x）以及）以及TrenberthTrenberth（o o）的結(jié)果也點(diǎn)在圖中。）的結(jié)果也點(diǎn)在圖中。 大尺度羅斯貝波、遙相關(guān)和大氣振蕩示意圖（據(jù)大尺度羅斯貝波、遙相關(guān)和大氣振蕩示意圖（據(jù)IPCCIPCC改繪）改繪） 1.4 1.4 氣候變化對(duì)天氣的影響氣候變化對(duì)天氣的影響 日平均溫度和降水日平均溫度和降水PDFPDF分布示意圖分布示意圖 a a：平均值增加；：平均值增加；b b：平均值和變幅都增加；：平均值和變幅都增加；c c：變幅增加；：變幅增加； d:d:偏斜度增加偏斜度增加 （引自（引自IPCCA

44、R3，2001，和，和Zhang and Zwiers,2012) 最近最近1010年的變化類(lèi)似于年的變化類(lèi)似于b b和和c c 氣候變化氣候變化（Climate change） 氣候變化是指氣候平均狀態(tài)和離差（距平）氣候變化是指氣候平均狀態(tài)和離差（距平）兩者中的一個(gè)或兩者中的一個(gè)或 兩個(gè)一起出現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)意義上顯著的變化。離差值越大，表明兩個(gè)一起出現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)意義上顯著的變化。離差值越大，表明 氣候變化的幅度越大，氣候狀態(tài)不穩(wěn)定增加。氣候變化敏感氣候變化的幅度越大，氣候狀態(tài)不穩(wěn)定增加。氣候變化敏感 性也越大。簡(jiǎn)單地說(shuō)它實(shí)際上是表征了能持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)性也越大。簡(jiǎn)單地說(shuō)它實(shí)際上是表征了能持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)一段

45、時(shí) 期的氣候態(tài)的改變或變遷，如由偏冷的狀態(tài)轉(zhuǎn)為偏暖的狀態(tài)期的氣候態(tài)的改變或變遷，如由偏冷的狀態(tài)轉(zhuǎn)為偏暖的狀態(tài) 或少暴雨期變?yōu)槎啾┯昶?，故有人也叫氣候變遷。它或少暴雨期變?yōu)槎啾┯昶?，故有人也叫氣候變遷。它可以由可以由 自然的原因引起，也可以由人類(lèi)活動(dòng)的原因造成自然的原因引起，也可以由人類(lèi)活動(dòng)的原因造成（聯(lián)合國(guó)氣（聯(lián)合國(guó)氣 候變化框架公約的定義），也可以由候變化框架公約的定義），也可以由自然與人類(lèi)活動(dòng)的原因自然與人類(lèi)活動(dòng)的原因 共同引起共同引起（IPCCIPCC的定義）。的定義）。 氣候變率氣候變率（Climate variability） 表示所有時(shí)空尺度上氣候平均態(tài)或其它統(tǒng)計(jì)量表示所有時(shí)空尺度

46、上氣候平均態(tài)或其它統(tǒng)計(jì)量（如標(biāo)準(zhǔn)差，極端事件（如標(biāo)準(zhǔn)差，極端事件 發(fā)生頻率）的變化或變異，也可理解為在一個(gè)長(zhǎng)期氣候變化趨勢(shì)或平均發(fā)生頻率）的變化或變異，也可理解為在一個(gè)長(zhǎng)期氣候變化趨勢(shì)或平均 態(tài)上迭加的各種時(shí)間尺度的氣候脈動(dòng)或距平變化。它有年代際，年際，態(tài)上迭加的各種時(shí)間尺度的氣候脈動(dòng)或距平變化。它有年代際，年際， 年，季，季節(jié)內(nèi)與高頻變化。有局地尺度，區(qū)域尺度和大陸尺度和全球年，季，季節(jié)內(nèi)與高頻變化。有局地尺度，區(qū)域尺度和大陸尺度和全球 尺度。氣候變率經(jīng)常導(dǎo)致一段時(shí)間內(nèi)天氣與氣候的異常。它可以是大氣尺度。氣候變率經(jīng)常導(dǎo)致一段時(shí)間內(nèi)天氣與氣候的異常。它可以是大氣 內(nèi)部的變率（動(dòng)力學(xué)引起），也可

47、由自然的和人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的外強(qiáng)迫引內(nèi)部的變率（動(dòng)力學(xué)引起），也可由自然的和人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的外強(qiáng)迫引 起。起。氣候變率和氣候變化的差別主要是語(yǔ)義上的：氣候變率和氣候變化的差別主要是語(yǔ)義上的：如所關(guān)注的變化發(fā)生如所關(guān)注的變化發(fā)生 在某一特定時(shí)段（如在某一特定時(shí)段（如2020世紀(jì)），則稱(chēng)其為該時(shí)段內(nèi)的氣候變率；如涉及世紀(jì)），則稱(chēng)其為該時(shí)段內(nèi)的氣候變率；如涉及 兩個(gè)連續(xù)時(shí)代（如兩個(gè)連續(xù)時(shí)代（如2020世紀(jì)上半葉與下半葉）的差異（氣候態(tài)）的變化，世紀(jì)上半葉與下半葉）的差異（氣候態(tài)）的變化， 則被稱(chēng)為從一個(gè)時(shí)代到下一個(gè)時(shí)代的氣候變化，如冰期與間冰期。則被稱(chēng)為從一個(gè)時(shí)代到下一個(gè)時(shí)代的氣候變化，如冰期與間冰期。

48、應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，雖然氣候變化可由內(nèi)部過(guò)程和（或）外強(qiáng)迫引起應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，雖然氣候變化可由內(nèi)部過(guò)程和（或）外強(qiáng)迫引起 ，但，但了解氣候變化的關(guān)鍵目的是認(rèn)識(shí)由人類(lèi)活動(dòng)和自然外強(qiáng)了解氣候變化的關(guān)鍵目的是認(rèn)識(shí)由人類(lèi)活動(dòng)和自然外強(qiáng) 迫產(chǎn)生的氣候變化，以及如何區(qū)分它們與氣候系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)程迫產(chǎn)生的氣候變化，以及如何區(qū)分它們與氣候系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)程 造成的變化與變率之間的差別。造成的變化與變率之間的差別。內(nèi)部變率表現(xiàn)在各種時(shí)間尺內(nèi)部變率表現(xiàn)在各種時(shí)間尺 度上。大氣過(guò)程能產(chǎn)生內(nèi)部變率，其時(shí)間尺度從極短的瞬間度上。大氣過(guò)程能產(chǎn)生內(nèi)部變率，其時(shí)間尺度從極短的瞬間 到數(shù)年。氣候系統(tǒng)的其它分量，如海洋和大冰蓋產(chǎn)生的變率到數(shù)年。氣候系統(tǒng)的

49、其它分量，如海洋和大冰蓋產(chǎn)生的變率 時(shí)間尺度長(zhǎng)得多。它們按自身的演變過(guò)程產(chǎn)生一定的內(nèi)部變時(shí)間尺度長(zhǎng)得多。它們按自身的演變過(guò)程產(chǎn)生一定的內(nèi)部變 率，并且也與迅速變化大氣引起的變率混合在一起。此外，率，并且也與迅速變化大氣引起的變率混合在一起。此外， 地球氣候系統(tǒng)的各圈層的耦合相互作用也產(chǎn)生內(nèi)部變率，地球氣候系統(tǒng)的各圈層的耦合相互作用也產(chǎn)生內(nèi)部變率， ENSOENSO就是一明顯的例子。但要區(qū)分外部影響的作用與內(nèi)部氣就是一明顯的例子。但要區(qū)分外部影響的作用與內(nèi)部氣 候變率是不容易的。這需要根據(jù)觀測(cè)資料的分析和對(duì)氣候系候變率是不容易的。這需要根據(jù)觀測(cè)資料的分析和對(duì)氣候系 統(tǒng)的物理認(rèn)識(shí)。這是統(tǒng)的物理認(rèn)識(shí)

50、。這是氣候變化的檢測(cè)和歸因研究，它主要是氣候變化的檢測(cè)和歸因研究，它主要是 用客觀統(tǒng)計(jì)方法檢驗(yàn)觀測(cè)資料中是否包含預(yù)期的對(duì)外強(qiáng)迫響用客觀統(tǒng)計(jì)方法檢驗(yàn)觀測(cè)資料中是否包含預(yù)期的對(duì)外強(qiáng)迫響 應(yīng)的證據(jù)，并評(píng)估它是否與氣候系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的變化（內(nèi)部變應(yīng)的證據(jù)，并評(píng)估它是否與氣候系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的變化（內(nèi)部變 率）有何區(qū)別。率）有何區(qū)別。 多年平均值多年平均值 （Normal) ) 很少有人注意到這樣一個(gè)事實(shí)：很少有人注意到這樣一個(gè)事實(shí)：多年平均值現(xiàn)在改變很多，多年平均值現(xiàn)在改變很多， 說(shuō)明氣候變化正在明顯地發(fā)生。說(shuō)明氣候變化正在明顯地發(fā)生。人們?cè)诳紤]現(xiàn)在的氣候是如人們?cè)诳紤]現(xiàn)在的氣候是如 何異常時(shí)，經(jīng)常忘記由新的多

51、年平均值造成的差異。這明顯何異常時(shí)，經(jīng)常忘記由新的多年平均值造成的差異。這明顯 地歪曲（增大或減少）了異?；蚍闯５某潭取＿@就提出一個(gè)地歪曲（增大或減少）了異?；蚍闯５某潭取＿@就提出一個(gè) 問(wèn)題，如何更清楚的闡述氣候變化呢？我們應(yīng)該借助于目前問(wèn)題，如何更清楚的闡述氣候變化呢？我們應(yīng)該借助于目前 正發(fā)展的正發(fā)展的“氣候動(dòng)力學(xué)氣候動(dòng)力學(xué)”（過(guò)去已有天氣動(dòng)力學(xué)）的概念與（過(guò)去已有天氣動(dòng)力學(xué)）的概念與 成果。氣候?qū)嶋H上是連續(xù)演變和變化的。因而成果。氣候?qū)嶋H上是連續(xù)演變和變化的。因而以統(tǒng)計(jì)方法認(rèn)以統(tǒng)計(jì)方法認(rèn) 為的取一時(shí)段做平均來(lái)得為的取一時(shí)段做平均來(lái)得“氣候氣候”并不完全合理。而是應(yīng)該并不完全合理。而是應(yīng)該

52、 以不同的方式來(lái)考慮和定義氣候，即從物理的觀點(diǎn)來(lái)定義氣以不同的方式來(lái)考慮和定義氣候，即從物理的觀點(diǎn)來(lái)定義氣 候。候。 耦合強(qiáng)迫：海氣耦合與陸氣耦合耦合強(qiáng)迫：海氣耦合與陸氣耦合 耦合變率是氣候系統(tǒng)的內(nèi)部變率之一，也是氣候系統(tǒng)的自然變化；氣候耦合變率是氣候系統(tǒng)的內(nèi)部變率之一，也是氣候系統(tǒng)的自然變化；氣候 系統(tǒng)的系統(tǒng)的內(nèi)部變率另一個(gè)分量是大氣本身的變化，它具有各種時(shí)空尺度。內(nèi)部變率另一個(gè)分量是大氣本身的變化，它具有各種時(shí)空尺度。 主要包括天氣系統(tǒng)的變化和影響，因而，氣候系統(tǒng)的內(nèi)部變化主要包括天氣系統(tǒng)的變化和影響，因而，氣候系統(tǒng)的內(nèi)部變化可分大氣可分大氣 的內(nèi)部變率與耦合變率兩種。的內(nèi)部變率與耦合變率

53、兩種。對(duì)季節(jié)和年際預(yù)報(bào)而言，前者被看做是不對(duì)季節(jié)和年際預(yù)報(bào)而言，前者被看做是不 可預(yù)報(bào)的，是不可預(yù)測(cè)的噪音，而季節(jié)與年際尺度是氣候系統(tǒng)的耦合變可預(yù)報(bào)的，是不可預(yù)測(cè)的噪音，而季節(jié)與年際尺度是氣候系統(tǒng)的耦合變 率。它是一種慢變過(guò)程，如海洋和耦合海氣系統(tǒng)的低頻變化以及海冰；率。它是一種慢變過(guò)程，如海洋和耦合海氣系統(tǒng)的低頻變化以及海冰； 陸氣耦合也是一種耦合變率，包括土壤條件，雪蓋等的影響。陸氣耦合也是一種耦合變率，包括土壤條件，雪蓋等的影響。QBOQBO和平和平 流層狀況可作為上邊界影響季節(jié)預(yù)報(bào)和年際預(yù)報(bào)，因而研究平流層與對(duì)流層狀況可作為上邊界影響季節(jié)預(yù)報(bào)和年際預(yù)報(bào)，因而研究平流層與對(duì) 流層的相互作

54、用對(duì)氣候預(yù)報(bào)是十分重要的。流層的相互作用對(duì)氣候預(yù)報(bào)是十分重要的。 海氣耦合海氣耦合 海洋能夠儲(chǔ)存巨大的能量，海洋能夠儲(chǔ)存巨大的能量，1m1m3 3海水的熱容量是海水的熱容量是4.2 4.2 10106 6焦耳焦耳m m-3 -3k k-1-1或?yàn)?或?yàn)?空氣熱容量的空氣熱容量的35003500倍，花崗巖的倍，花崗巖的1.81.8倍。陽(yáng)光可在海洋頂部幾米厚度直倍。陽(yáng)光可在海洋頂部幾米厚度直 接被吸收，以后混合過(guò)程把熱量在表層混合后進(jìn)一步再分布。因而上部接被吸收，以后混合過(guò)程把熱量在表層混合后進(jìn)一步再分布。因而上部 2.5m 2.5m 的海洋當(dāng)冷卻的海洋當(dāng)冷卻1 1時(shí)可加熱其上的整個(gè)空氣柱也達(dá)時(shí)可

55、加熱其上的整個(gè)空氣柱也達(dá)1 1。海洋可以。海洋可以 從一個(gè)地氣的向另一地氣輸送暖水。從一個(gè)地氣的向另一地氣輸送暖水。100m100m深的海洋混合層隨季節(jié)加熱深的海洋混合層隨季節(jié)加熱 1010相當(dāng)相當(dāng)1m1m厚的巖石也加熱厚的巖石也加熱1010，所能存儲(chǔ)的熱量是其，所能存儲(chǔ)的熱量是其100100倍。因而，倍。因而， 海洋混合層對(duì)大氣有很大的影響，因而大氣是任何儲(chǔ)存于海洋的異常信海洋混合層對(duì)大氣有很大的影響，因而大氣是任何儲(chǔ)存于海洋的異常信 號(hào)的號(hào)的“接收器接收器”海洋上氣溫、降水等預(yù)報(bào)只有考慮了海洋狀態(tài)才能改善海洋上氣溫、降水等預(yù)報(bào)只有考慮了海洋狀態(tài)才能改善 其演變的預(yù)報(bào)。這也是海氣耦合問(wèn)題的關(guān)

56、鍵。其演變的預(yù)報(bào)。這也是海氣耦合問(wèn)題的關(guān)鍵。 2000-20122000-2012年春季及年春季及 夏季（夏季（6-76-7月）月）SSTASSTA 春季春季 夏季夏季 LaLa NinaNina年是造成副高長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)和高溫?zé)崂说闹饕蚰晔窃斐筛备唛L(zhǎng)時(shí)間持續(xù)和高溫?zé)崂说闹饕?副熱帶高壓偏北，偏西，偏強(qiáng)，持續(xù)是高溫?zé)崂说闹苯釉蚝陀绊懴到y(tǒng)副熱帶高壓偏北，偏西，偏強(qiáng)，持續(xù)是高溫?zé)崂说闹苯釉蚝陀绊懴到y(tǒng) 20132013年中國(guó)高溫盛期年中國(guó)高溫盛期500hPa500hPa高度綜合距平圖高度綜合距平圖 H H H 20132013年春季及夏年春季及夏 季（季（6-76-7月）月）SSTASSTA

57、 春季春季 夏季夏季 20012001年春夏年春夏LaLa NinaNina 事件使冷海水更向西擴(kuò)事件使冷海水更向西擴(kuò) The AMO. a, AMO index (black) of North Atlantic SST, and thegSSTmA index (thin blue) of SST outside the North Atlantic; the thick redand blue lines show low-pass-filtered indices. b, AMO index as in a after the low-pass-filtered gSSTmA inde

58、x has been subtracted. Thick black horizontal lines indicate the periods used to define the warm and cool phases of the AMO. (Sutton and Dong,2013) 大西洋多年代振蕩大西洋多年代振蕩 陸氣耦合陸氣耦合 土壤濕度：土壤濕度：主要是季節(jié)內(nèi)尺度的記憶通過(guò)土壤溫度對(duì)地面能量收支的影響可傳主要是季節(jié)內(nèi)尺度的記憶通過(guò)土壤溫度對(duì)地面能量收支的影響可傳 送到大氣（主要是蒸發(fā)）。其初始化可影響降水和氣溫。送到大氣（主要是蒸發(fā)）。其初始化可影響降水和氣溫。 雪蓋：雪蓋：

59、影響地表反照率，并使大氣與較暖的下墊面解耦。冬春大范圍積雪可產(chǎn)影響地表反照率，并使大氣與較暖的下墊面解耦。冬春大范圍積雪可產(chǎn) 生大的地表徑流和土壤濕度異常，其反饋可影響季節(jié)預(yù)報(bào)，如秋季的西伯利亞生大的地表徑流和土壤濕度異常，其反饋可影響季節(jié)預(yù)報(bào)，如秋季的西伯利亞 積雪雪蓋異?？捎糜陬A(yù)報(bào)東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度。積雪雪蓋異?？捎糜陬A(yù)報(bào)東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度。 植被：植被：植被結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)狀況對(duì)氣候異常有緩慢的響應(yīng)。異常的植被特征在產(chǎn)生植被結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)狀況對(duì)氣候異常有緩慢的響應(yīng)。異常的植被特征在產(chǎn)生 它們的氣候異常改變之后可持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間（數(shù)月到數(shù)年）。物種類(lèi)型，覆蓋它們的氣候異常改變之后可持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間（數(shù)月到數(shù)年）

60、。物種類(lèi)型，覆蓋 比，葉面指數(shù)決定了陸面的蒸發(fā)，輻射交換和動(dòng)量交換。因而植被異常的長(zhǎng)期比，葉面指數(shù)決定了陸面的蒸發(fā)，輻射交換和動(dòng)量交換。因而植被異常的長(zhǎng)期 記憶可被傳送到更大的地球系統(tǒng)。記憶可被傳送到更大的地球系統(tǒng)。 地下水位變化：地下水位變化：時(shí)間尺度更長(zhǎng)，目前由于觀測(cè)資料少，其影響尚不清楚。可預(yù)時(shí)間尺度更長(zhǎng)，目前由于觀測(cè)資料少，其影響尚不清楚?？深A(yù) 期會(huì)影響幾年以上的預(yù)報(bào)。期會(huì)影響幾年以上的預(yù)報(bào)。 陸地?zé)崛萘浚宏懙責(zé)崛萘浚和ㄟ^(guò)分子擴(kuò)散釋放，其儲(chǔ)存量有日變化（通過(guò)分子擴(kuò)散釋放，其儲(chǔ)存量有日變化（100w/m2100w/m2）和年變化（）和年變化（ 5wm-25wm-2），尤其是裸露地區(qū)。），