(完整版)現(xiàn)代氣候?qū)W總結(jié),推薦文檔

1、現(xiàn)代氣候?qū)W第一章 緒論1、氣候系統(tǒng)的定義：大氣圈、與水圈（海洋）、冰雪圈、巖石圈和生物圈相互作用的整體。氣候是天-地-生相互作用下的大氣系統(tǒng)的較長時間的平均狀態(tài)2、天氣：某一地區(qū)在某一瞬間或某一短時間內(nèi)大氣現(xiàn)象（風、云、雨、雪、干、濕、雷、電等）及其狀態(tài)（溫度、壓強、濕度、密度等）的綜合。3、氣候： 在某一時間段內(nèi)氣候要素的平均值和變率的統(tǒng)計描述4、現(xiàn)代氣候?qū)W：在太陽輻射和氣候系統(tǒng)各子系統(tǒng)相互作用下，地球上某一區(qū)域在某一特定時段內(nèi)氣候要素的平均值和變率的統(tǒng)計狀態(tài)。氣候標準時段：30 年（1971-2000 年，1980-2010 年）5.、現(xiàn)代氣候?qū)W與傳統(tǒng)氣候?qū)W的區(qū)別： 傳統(tǒng)氣候?qū)W描述一定區(qū)域

2、的氣候特點現(xiàn)代氣候?qū)W研究氣候形成和變化的原因，要求預測某個地區(qū)或全球范圍的各個時間尺度的氣候變化，即圍繞平衡態(tài)的擾動或?qū)ζ胶鈶B(tài)的偏差或距平。6、氣候?qū)W發(fā)展史（1） 萌芽時期：世紀中葉以前，感性和經(jīng)驗認識階段，零碎的定性觀察和描述。（2） 發(fā)展初期：世紀中葉世紀中葉a） 觀測方面：氣象儀器的發(fā)明、建立地面氣象觀測站和觀測網(wǎng)，開始氣象要素的觀測和積累。b） 理論研究方面：氣象學和氣候?qū)W由單純定性的描述進入了可以定量分析的階段，逐漸發(fā)展為獨立的學科。（3） 發(fā)展時期早期：19 世紀末20 世紀中葉a） 觀測方面地面觀測內(nèi)容更加豐富和精確，觀測站網(wǎng)擴大。氣象觀測從地面向高空發(fā)展。b） 理論研究方面鋒面

3、氣旋學說長波理論降雨學說氣候?qū)W方面：創(chuàng)立了氣候型的概念和幾種氣候分類法、出版了五卷氣候?qū)W手冊（4） 近期a） 觀測方面先進的觀測技術(shù)常規(guī)氣象觀測網(wǎng)的加密開展大規(guī)模的綜合觀測試驗b） 理論研究方面建立數(shù)值模式，進行定量數(shù)值模擬試驗，使氣象學、氣候?qū)W進入試驗科學階段。氣候?qū)W領(lǐng)域中的科學革命。7、現(xiàn)代氣候?qū)W階段的三個特點（王紹武，2005）： 從氣候變化來研究氣候 ； 從氣候系統(tǒng)來研究氣候； 從氣候動力學來研究氣候。第二章 氣候系統(tǒng)1、氣候系統(tǒng)的定義：大氣圈、水圈（海洋）、冰雪圈、巖石圈和生物圈相互作用的整體。2、溫室效應（大氣的保溫效應）：大氣中的溫室氣體對太陽輻射的吸收很少， 但卻能強烈地吸收地

4、面輻射，同時又向地面放射長波輻射，補償?shù)孛嬉蚍派漭椛涠鴵p失的能量，使地面氣溫升高的效應。3、陽傘效應：氣溶膠對太陽輻射的散射和吸收，使到達地面的太陽輻射減弱， 引起地面氣溫的下降，其效應類似于陽傘效果，故稱為陽傘效應。4、氣候系統(tǒng)的基本特性1) 氣候系統(tǒng)是一個復雜的、高度非線性的、開放的巨系統(tǒng)a) 開放的非孤立系統(tǒng)b) 響應時間差異很大，可分為內(nèi)部系統(tǒng)和外部系統(tǒng)c) 不穩(wěn)定的高度耗散系統(tǒng)2) 各個氣候子系統(tǒng)之間顯著的熱力學和動力學屬性差異a) 熱力屬性: 空氣、水、陸地表面和冰雪面的溫度b) 動力屬性：風、洋流及其垂直運動和冰體運動c) 水分屬性：空氣濕度、云量、降水量、土壤濕度、河湖水位、冰

5、雪等。d) 靜力屬性：大氣和海水的密度、壓強、大氣的組成、海水鹽度及氣候系統(tǒng)的幾何邊界和物理常數(shù)等。3) 氣候系統(tǒng)的反饋過程5、氣候系統(tǒng)的反饋過程 反饋：氣候系統(tǒng)不同屬性（變量）之間的相互作用，引起氣候?qū)傩缘淖兓?，稱為反饋。包括正反饋過程和負反饋過程。 正反饋：反饋過程造成的氣候變化與原變化同號，使氣候變化加劇，產(chǎn)生氣候不穩(wěn)定稱為正反饋。 負反饋：反饋過程造成的氣候變化與原變化反號，抑制氣候的變化和異常，使氣候趨于穩(wěn)定，稱為負反饋。 正反饋：冰雪反射率溫度水汽含量紅外逸出輻射溫度（水蒸氣增加溫室效應作用加強陸地和海洋表面溫度上升產(chǎn)生更多水蒸氣。汽是最重要的反饋機制之一，也是唯一最大的正反饋作用

6、。）co2 海溫（海溫升高海洋中二氧化碳溶解度減小部分二氧化碳逃逸到大氣中溫室效應加劇海溫升高） 負反饋：（中低）云量多太陽輻射少穩(wěn)定度大云量少蒸發(fā)量大水面溫度低蒸發(fā)量小赤道、極地溫差大熱量輸送大赤道、極地溫差小6、氣候可預報性第一類可預報性 :初始誤差(擾動)隨時間增長（確定性預報的時效問題）; 第二類可預報性:外強迫變化引起氣候變化的模擬和預報能力（大氣對外強迫的響應及敏感性）。7、氣候系統(tǒng)的研究一、氣候監(jiān)測 二、氣候診斷 三、氣候重建 四、氣候模擬 五、氣候預測一、氣候監(jiān)測（1） 大氣常規(guī)觀測（2） 海洋及系統(tǒng)其他成員的常規(guī)觀測codas雪蓋、海冰面積土壤溫度及濕度全球植被（3） 非常規(guī)

7、觀測太陽常數(shù)觀測大氣中的微量氣體（co2, 甲烷，氯氟碳化物（cfcs） 觀測；平流層氣溶膠觀測（研究火山爆發(fā)對氣候影響）二、氣候診斷定義：根據(jù)氣候監(jiān)測結(jié)果對氣候變化與氣候異常作出判斷。內(nèi)容：（1）氣候異常的診斷：（2）氣候變化的診斷；（3）氣候異常事件的診斷；（4）氣候變化原因的檢測三、氣候重建最常用的代用資料：（1） 孢粉（2） 冰芯（3） 樹木年輪（4） 珊瑚（5） 史料分析四、氣候模擬： 根據(jù)一定的大氣或海洋動力學、熱力學定律，在給定邊界條件下，采用數(shù)值計算的方法研究氣候。五、氣候預測目前我國及世界上大多數(shù)國家均把月以上的預報稱為短期氣候預測。氣候預測分為兩類：一類采用統(tǒng)計方法，另一類

8、采用動力學數(shù)值預報第三章 氣候系統(tǒng)的能量平衡1、 輻射的基本定律eb,t a= eb,tb,t基爾荷夫(kirchoff)定律：在一定溫度下，任何物體對于某一波長的放射能力(e,t) 與物體對該波長的吸收率(a,t)的比值，只是溫度和波長的函數(shù)，而與物體的其它性質(zhì)無關(guān)。即:斯蒂芬波爾茲曼(stefan-boltzmann)定律：黑體的總放射能力（et）與它本身絕對溫度（t）的四次方成正比。et t 4維恩(wien)位移定律：絕對黑體的放射能力最大值對應的波長(m) 與其本身的絕對溫度(t)成反比。3 t289710 nmkm2、 太陽輻射太陽常數(shù)：大氣上界、日地平均距離處、垂直于太陽光線方向

9、、單位時間、單位面積接收到的所有波長的太陽輻射能。太陽高度角：是指太陽光的入射方向和地平面之間的夾角。天頂角：即入射光線與當?shù)靥祉敺较颍ǖ孛娣ň€）的夾角（與太陽高度角互余。太陽赤緯：又稱赤緯角，是地球赤道平面與太陽和地球中心的連線之間的夾角。3、 太陽高度角計算公式sinh = sinbsinb+ cosbcosbcosb4、 天文輻射（太陽輻射日總量）定義：大氣上界,某一天,水平面單位面積接受的日輻射量。s = i0t(b sinbsinb+ cosbcosbsinb)bd20 0公式：i =任一時刻：i0 (sinbsinb+ cosbcosbcosb)d2l5、 大氣對太陽輻射的吸收、散

10、射（瑞利散射、米散射）0bdl = z bdl1） 大氣光學路徑：為太陽輻射通過大氣介質(zhì)的質(zhì)量。2） 大氣質(zhì)量（單位面積*光學路徑）:光在大氣中經(jīng)過一定長度傾斜路徑到達地表面時, 其經(jīng)歷空間中所含大氣物質(zhì)的質(zhì)量。ds bdl3） 大氣質(zhì)量數(shù)(m):實際投射條件下的大氣質(zhì)量與垂直投射下的大氣質(zhì)量的比值。m = bdlm = csch =1sinhbdz為：當 h 在 3090時,m 可近似地表示4） 大氣透明度 p：到達地面的單色輻射強度：ib = imp0b b大氣透明度：是指透過一個大氣質(zhì)量數(shù)后的輻射強度與透過前的輻射強度之比， 表示輻射通過大氣后的削弱程度。5） 吸收：大氣分子被入射太陽輻

11、射激發(fā)，由低能級躍遷到高能級的過程稱為吸收。兩能級的差就是大氣吸收的輻射能量值6） 散射：當太陽輻射通過大氣時，遇到大氣中的各種質(zhì)點，太陽輻射能的一部分散向四面八方，稱為散射。 r0 熱源紀世（時間尺度萬年以上）三大冰期：震旦大冰期，石碳二疊紀大冰期，第四紀大冰期二大間冰期：寒武紀石炭紀大間冰期，三疊紀-第三紀大間冰期二、歷史時期氣候變化定義：從第四紀大冰期中的武木（大理）亞冰期的最近一次副冰期之后的 1 萬年至有器測資料的“冰后期” 氣候。從地質(zhì)年代來看，該時期也稱為全新世氣候。特點： 溫暖期與寒冷期交替出現(xiàn)主要氣候事件 末次冰期冰盛期（last glacial maximum:lgm） 2

12、1kabp 新仙女木事件（younger dryas: yd） 12.8-11.5kabp全球冰川消退、氣候回暖過程中發(fā)生的氣候突變事件，yd 結(jié)束后即進入溫暖濕潤的全新世 全新世大暖期（megathermal in holocene） 8.5-3.0kabp 中世紀暖期 ( medieval warm period) ad 900-1300 小冰期 ( little ice age) ad 1320-1920三、現(xiàn)代氣候變化1、器測資料：最早有氣象觀測記錄地方 佛羅倫薩（1652），倫敦（1668）， 巴黎（1752）2、主要氣候變化現(xiàn)象1） 全球增暖 (global warming)： 波

13、動階段性上升不同區(qū)域增暖幅度不同，極區(qū)最顯著（全球增暖證據(jù)：北極海冰面積減少，海平面上升）2） 近百年全球降水變化：近百年來，全球平均降水無顯著趨勢變化不同數(shù)據(jù)集趨勢間存在明顯差異，同時降水也有較大時空變率。北半球中緯度陸地降水很可能總體上呈增加趨勢。3） 近百年中國降水變化：近百年降水量并無明顯趨勢。降水量的變化存在 20-30 年的干濕期交替4） 極端氣候的變化4、全球氣候變化的基本特征 全球地質(zhì)時期氣候變化的時間尺度在 22 億年到 1 萬年以上，以大冰期和大間冰期的交替出現(xiàn)為特征，氣溫變化幅度在 10c 以上 歷史時期的氣候變化是近 1 萬年來，主要是近 5000 年來的氣候變化，變化

14、的幅度最大不超過 2-3c 近代的氣候變化主要是指近百年或 20 世紀以來的氣候變化，氣溫振幅在0.5-1.0c 之間。5、氣候變化的影響因素 自然原因銀河系變化、太陽演化、太陽活動地球軌道參數(shù)（軸傾、歲差、偏心率）大陸漂移、造山運動、火山活動海洋環(huán)流與海-冰-氣-陸相互作用人為原因溫室氣體、氣溶膠排放土地使用、熱帶雨林破壞城市化時間尺度不同時間尺度氣候變化、形成機制不同6、冰期-間冰期循環(huán)（萬年尺度）的形成機制1、日地關(guān)系的變化：由于天體間引力的影響，地球軌道偏心率、地軸傾斜度和歲差等地球軌道參數(shù)發(fā)生變化，使地球接收到的太陽輻射產(chǎn)生差異，從而引起數(shù)十萬年間的氣候變遷。1） 地球軌道偏心率：描

15、述地球繞太陽運動軌道的圓扁程度，值越大越扁，值越小越圓。 軌道偏心率越小(越接近圓形)時，四季變化相對較不明顯，也不易有冰期的發(fā)生。反之，偏心率越接近 1(但不等于)的軌道，四季明顯，也較易產(chǎn)生冰期。 每隔 10 萬年，地球公轉(zhuǎn)軌道的偏心率變化一個周期2） 地軸傾斜度(黃赤交角的變化)：21.824.5，現(xiàn)在為 23.44地軸傾斜度的影響表現(xiàn)在： 角度越大，高緯度地區(qū)因接受輻射的時間差異較大，易形成冰期。 地軸傾斜度增加：高緯度輻射量夏季增大，冬季減少，年較差增大，且年輻射量增加；赤道地區(qū)年輻射量減少。3） 歲差 在遠日點時，若北半球傾向太陽冬天溫度將會相對較高；若因進動而導致南半球在遠日點時

16、傾向太陽，北半球的冬天將較為酷寒。 加上北半球陸地多，比熱小，溫度容易下降，而較容易形成冰期。2、火山活動3、太陽活動4、大陸漂移與氣候變化7、百年-千年尺度氣候變化的形成機制海-氣相互作用大西洋溫鹽環(huán)流（thc）變化8、溫室氣體增加產(chǎn)生的氣候效應: 氣候變暖 海平面升高 對降水量及分布的影響 對全球生態(tài)系統(tǒng)的影響9、全球變暖模擬的不確定性1） 人類活動的不確定性：能源排放、人口增長、土地利用等方面的發(fā)展狀況；2） 人類活動排放的微量氣體在輻射過程中的作用的復雜性；3） 氣候模式的不確定性。10、全球變暖對人類與社會發(fā)展的影響1） 農(nóng)業(yè)：產(chǎn)量、生長的積溫分布的可能變化、農(nóng)作物耕作制度；2） 林

17、業(yè)：植被（森林）分布3） 地球生態(tài)系統(tǒng)4） 水資源：水循環(huán)、降水、徑流；5） 海洋和海岸帶：海平面、海洋環(huán)流、海洋生態(tài)系統(tǒng)；6） 人類健康；7） 工業(yè)、運輸?shù)?1、全球氣候變暖的應對1） 能源排放與減排對策，定期給出：國家排放清單、計算各國未來排放方案、制訂減排和限排方案、能源排放貿(mào)易和納稅、技術(shù)改革和技術(shù)轉(zhuǎn)讓等。2） 風險評估：人類活動與氣候變化和氣候影響之間的關(guān)系尚未研究清楚，存在很大的不確定性，需要進行對氣候?qū)Σ叩娘L險評估。3)氣候變化的集成評估氣候變化與影響研究涉及的領(lǐng)域很多，包括能源各部門、氣象、環(huán)境、水利、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、交通、醫(yī)藥等部門，還間接涉及到政策與策略的許多部門以及人口、社會

18、與經(jīng)濟發(fā)展的各部門。建立一種集成模式，把與氣候變化有關(guān)系的各部門和行業(yè)通過一個統(tǒng)一模式定量地聯(lián)系起來。4）減排與發(fā)展對策：發(fā)展清潔能源來代替煤、石油、天然氣；對排放溫室氣體的工業(yè)如冰箱制造業(yè)和農(nóng)業(yè)如水稻田等方面進行技術(shù)改造；對排放的廢氣以及產(chǎn)生的廢物和垃圾等進行有效處理等。12、氣候變化研究方法一、非器測資料1 地質(zhì)沉積：冰川遺跡、湖泊沉積、深海巖芯、黃土沉積、極地冰芯等；2 物候及生物方法：植物胞子和花粉、樹木年輪等；3 自然地理方法：河流流量、江河水位、湖泊結(jié)冰等二、器測資料1 統(tǒng)計方法1） 分析氣候及氣候變化事實：單一時間序列：回歸分析（趨勢）、ssa 及小波分析（周期）、突變檢測場序列

19、：eof（空間型）、reof（分區(qū)）2） 診斷不同氣候要素間的統(tǒng)計聯(lián)系： 相關(guān)分析、svd、mca、gefa 等；3） 利用要素間的統(tǒng)計關(guān)系，進行氣候預測： 建立回歸統(tǒng)計模型；不能解釋氣候變化或相互聯(lián)系的成因統(tǒng)計預測一般對氣候異?；驓夂蛲蛔兊念A測能力較差三、數(shù)值模擬1. 建立在熱量、動量、物質(zhì)守恒基礎(chǔ)上的數(shù)值模式，對氣候系統(tǒng)進行定量描述， 研究氣候要素變化的物理過程及成因，進行氣候敏感性研究，增強氣候變化機 理的理解；2. 模式的誤差：物理過程的了解不夠，不能給出精確的數(shù)學描述；計算誤差。3. 隨著計算機的發(fā)展，模式分辨率增加，對氣候系統(tǒng)相互作用及各子系統(tǒng)物理過程的描述準確性的提高，數(shù)值模式的模擬及預測水平將會越來越高。四、氣候及氣候變化或異常的研究思路針對某一氣候要素1 分析其氣候特征：氣候場空間分布、季節(jié)變化；2 利用統(tǒng)計方法分析其氣候變化特征；3 利用統(tǒng)計或數(shù)值模式診斷其變化成因。“”“”at the end, xiao bian gives you a passage. minand onc