氣候系統(tǒng)課件

第二章氣候系統(tǒng)2.1氣候系統(tǒng)的組成2.2氣候系統(tǒng)的物理、化學(xué)過(guò)程2.3氣候系統(tǒng)的基本特性2.4氣候系統(tǒng)的可預(yù)報(bào)性2.5氣候系統(tǒng)的研究2.1氣候系統(tǒng)的組成氣候系統(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。這5個(gè)部分的物理、化學(xué)性質(zhì)差異很大，功能各不相同，這5個(gè)組成雖相互作用，但又長(zhǎng)期獨(dú)立存在。

云宇宙空間地球輻射H2O，N2，O2，CO2，O3，氣溶膠太陽(yáng)輻射變化大氣冰雪大氣成分的變化陸地大氣－陸地耦合海冰

海冰－海洋耦合陸地性質(zhì)、地形、植被和反照率的變化海底形狀、鹽度等的變化海洋熱交換降水風(fēng)應(yīng)力大氣－海洋耦合生態(tài)大氣－海冰耦合氣候系統(tǒng)示意圖大氣+水=氣候的內(nèi)系統(tǒng)（大氣、海洋、冰雪等）全部陸地+地球外的宇宙=氣候的外系統(tǒng)氣候系統(tǒng)的變化中最為重要的外強(qiáng)迫因子：太陽(yáng)輻射、地球本身的結(jié)構(gòu)作用

（地球旋轉(zhuǎn)、地軸傾斜和軌道運(yùn)動(dòng)等））太陽(yáng)活動(dòng)影響氣候的幾種可能途徑（1）太陽(yáng)活動(dòng)→地球大氣電離程度→大氣經(jīng)圈環(huán)流→氣候變化（2）太陽(yáng)活動(dòng)→紫外輻射→臭氧層→平流層熱狀況→氣候變化（3）太陽(yáng)活動(dòng)→地球磁場(chǎng)→地球自轉(zhuǎn)速度→大氣和海洋環(huán)流→氣候變化（4）太陽(yáng)活動(dòng)→地球磁場(chǎng)→核-幔邊界上的地磁能量→大氣和海洋狀況→氣候變化大氣圈1)結(jié)構(gòu)2)組成及特性:干潔空氣、水汽、固態(tài)和液態(tài)微粒（氣溶膠粒子）溫室氣體包括：水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、

氧化亞氮(N2O)、甲烷(CH4)和臭氧(O3)3)動(dòng)力、熱力性質(zhì):熱慣性和動(dòng)力慣性小,特征時(shí)間為15天左右.

根據(jù)垂直方向上大氣溫度變化、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、密度及成分的變化等,將大氣分為:對(duì)流層,平流層,中間層,熱層和外逸層.大氣結(jié)構(gòu)1902年發(fā)現(xiàn)：對(duì)流層頂—20km:等溫層對(duì)流層

平均高度約為11km,在赤道附近可到16km,高緯度地區(qū)為8.5km.

對(duì)流層溫度變化的最大特點(diǎn)為：溫度隨高度遞減，遞減率為-6.5℃/km。由于上層冷，下層暖，暖空氣上升，冷空氣下沉，形成對(duì)流運(yùn)動(dòng)，并且由于冷、暖分布不均，從而形成各種尺度的大氣運(yùn)動(dòng)，如高低壓、鋒面和臺(tái)風(fēng)等，帶來(lái)各種天氣現(xiàn)象。平流層

溫度隨高度增加平流層沒(méi)有山脈且不直接與陸面、海洋相接，幾乎沒(méi)有水汽凝結(jié)。因此，這一層大氣運(yùn)動(dòng)不像對(duì)流層大氣運(yùn)動(dòng)那樣復(fù)雜中間層

溫度隨高度下降。熱層

中間層以上到800km，該層空氣質(zhì)量只有大氣質(zhì)量的十萬(wàn)分之一。由于紫外線在這一層被強(qiáng)烈吸收，溫度隨高度增加迅速升高。大氣垂直結(jié)構(gòu)分子量主要?dú)怏w成分空氣中的含量/按體積％平均滯留期/年氮（N2）氧（O2）氬（Ar）二氧化碳臭氧（O3）干潔空氣78.0820.950.930.03（可變）0.000001（可變）100.0010610410915？28.0232.0039.9444.0048.0028.96

干潔空氣氣體的主要成分及含量臭氧O3的形成臭氧與氧分子是親兄弟，臭氧由三個(gè)氧原子組成。在高層大氣中太陽(yáng)的各種射線撞擊氧分子，在紫外線撞擊下氧分子分解成兩個(gè)氧原子，一個(gè)氧原子和其余的氧分子化合成一個(gè)臭氧分子，這就是臭氧的光化學(xué)生成過(guò)程。臭氧吸收太陽(yáng)紫外輻射加熱平流層大氣，形成平流層環(huán)流特征。紫外線又擊碎了臭氧分子，分解成氧分子和一個(gè)氧原子，成為臭氧的光化學(xué)分解過(guò)程。

臭氧隨高度的分布南極臭氧洞：南極地區(qū)上空大氣臭氧總含量大幅度異常下降的一種現(xiàn)象。２０００臭氧層空洞的發(fā)現(xiàn)

1985年英國(guó)南極考察隊(duì)在南緯60°地區(qū)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)臭氧層空洞，引起世界各國(guó)極大關(guān)注。臭氧層的臭氧濃度減少，使得太陽(yáng)對(duì)地球表面的紫外輻射量增加，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞作用，影響人類(lèi)和其他生物有機(jī)體的正常生存。關(guān)于臭氧層空洞的形成，在世界上占主導(dǎo)地位的是人類(lèi)活動(dòng)化學(xué)假說(shuō)：人類(lèi)大量使用的氯氟烷烴化學(xué)物質(zhì)（如制冷劑、發(fā)泡劑、清洗劑等）在大氣對(duì)流層中不易分解，當(dāng)其進(jìn)入平流層后受到強(qiáng)烈紫外線照射，分解產(chǎn)生氯游離基，游離基同臭氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使臭氧濃度減少，從而造成臭氧層的嚴(yán)重破壞。臭氧層空洞的形成

對(duì)南極臭氧洞形成原因的解釋有三種，即大氣化學(xué)過(guò)程解釋?zhuān)?yáng)活動(dòng)影響和大氣動(dòng)力學(xué)解釋。

CFCs對(duì)臭氧分析子的破壞過(guò)程氯氟碳化合物臭氧層空洞的危害10多年來(lái)，經(jīng)科學(xué)家研究；大氣中的臭氧每減少1％。照射到地面的紫外線就增加2％，人的皮膚癌就增加4-6％，還受到白內(nèi)障、免疫系統(tǒng)缺陷和發(fā)育停滯等疾病的襲擊?，F(xiàn)在居住在距南極洲較近的智利南端海倫娜岬角的居民，已嘗到苦頭，只要走出家門(mén)，就要在衣服遮不住的膚面，涂上防曬油，戴上太陽(yáng)眼鏡，否則半小時(shí)后，皮膚就曬成鮮艷的粉紅色，并伴有癢痛；羊群則多患白內(nèi)障，幾乎全盲。對(duì)人類(lèi)健康影響

1．增加皮膚癌：臭氧減少1％，皮膚癌患者增加4－6％，主要是黑色素癌。

2．損害眼睛，增加白內(nèi)障患者。

3．削弱免疫力，增加傳染病患者。保護(hù)臭氧層行動(dòng)

1985年4月，在奧地利首都維也納通過(guò)了有關(guān)保護(hù)臭氧層的國(guó)際公約——《保護(hù)臭氧層維也納公約》。該公約從1988年9月生效。

1995年1月23日，聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過(guò)決議，確定從1995年開(kāi)始，每年的9月16日為“國(guó)際保護(hù)臭氧層日”1989年3月～5月，聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署連續(xù)召開(kāi)了保護(hù)臭氧層倫敦會(huì)議與《公約》和《議定書(shū)》締約國(guó)第一次會(huì)議——赫爾辛基會(huì)議，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)保護(hù)臭氧層的緊迫性，并于1989年5月2日通過(guò)了《保護(hù)臭氧層赫爾辛基宣言》，鼓勵(lì)所有尚未參加《保護(hù)臭氧層維也納公約》及《蒙特利爾議定書(shū)》的國(guó)家盡早參加。到目前為止，已有150多個(gè)政府批準(zhǔn)了這項(xiàng)條約。1987年9月16日：簽署的《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書(shū)》；

1995年1月23日：聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過(guò)決議，確定從1995年開(kāi)始，每年的9月16日為“國(guó)際保護(hù)臭氧層日”。1974年，羅蘭（Rowland）和穆連（Molina）發(fā)現(xiàn)氯氟碳化合物(CFCs)會(huì)破壞平流層臭氧

1976年，國(guó)家科學(xué)院發(fā)布了證實(shí)羅蘭（Rowland）和穆連（Molina）發(fā)現(xiàn)的報(bào)告

1976年，食品和藥品局和環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)宣布階段性終止溶膠劑中的氯氟碳化合物(CFCs)

1978年，氯氟碳化合物(CFCs)在溶膠劑中的使用在美國(guó)禁止

1984年，約瑟夫法文（JosphFarman）領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究組探測(cè)到南半球春天南極上空4%的臭氧缺損

1985年，美國(guó)宇航局的衛(wèi)星數(shù)據(jù)證實(shí)了南極上空臭氧空洞的存在。

1987年，簽定蒙特利爾協(xié)議,呼吁全球范圍的氯氟碳化合物(CFCs)減少50%

1988年，美國(guó)全票批準(zhǔn)蒙特利爾協(xié)議

1996年，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)氯氟碳化合物(CFCs)的全面禁止開(kāi)始實(shí)施

1989年，科學(xué)家宣布了在北冰洋上空臭氧層空洞的先期發(fā)現(xiàn)

1995年，F(xiàn).希拉伍德羅蘭（F.SherwoodRowland）和馬里奧穆連MarioMolina因在天氣化學(xué)領(lǐng)域的研究而被授予諾貝爾獎(jiǎng)

溫室效應(yīng)（GreenhouseEffect）太陽(yáng)輻射長(zhǎng)波輻射溫室氣體包括：水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、氧化亞氮(N2O)、甲烷(CH4)和臭氧(O3)溫室效應(yīng)（大氣的保溫效應(yīng)）：大氣中的溫室氣體對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收很少，但卻能強(qiáng)烈地吸收地面輻射，同時(shí)又向地面放射長(zhǎng)波輻射，補(bǔ)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(yīng)．主要溫室氣體對(duì)全球氣溫升高的貢獻(xiàn)CH4N2OCO2

溫室效應(yīng)固然有維持地表氣溫的好處，但與此同時(shí)，也不能忽視過(guò)于強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)帶給自然界和人類(lèi)社會(huì)的危害。1、海平面上升2、影響農(nóng)業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)3、加劇洪澇、干旱及其它氣象災(zāi)害4、影響人類(lèi)健康5、物種的滅絕6、對(duì)流層外大氣的變冷溫室效應(yīng)的危害

(一)要解決溫室效應(yīng)，需要世界各國(guó)的共同參與，協(xié)調(diào)一致的采取措施來(lái)加以解決。目前提出的對(duì)策可以概括為技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、宣傳教育三個(gè)方面。1、技術(shù)方面：國(guó)際間共同協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)防止地球變暖技術(shù)的一個(gè)范例是“地球再生計(jì)劃”。該計(jì)劃的主旨是在世界各國(guó)的共同協(xié)作下，對(duì)溫室氣體的排放和控制進(jìn)行綜合的長(zhǎng)期工作（1）碳稅制度。（2）可交易許可證制度。

(3）提高化石燃料的價(jià)格2、環(huán)保教育。溫室效應(yīng)對(duì)策

中國(guó)在延緩人造溫室效應(yīng)方面的具體對(duì)策：1、預(yù)防措施：以溫室氣體減排技術(shù)為代表。（1）提高能源利用效率①工業(yè)用能部門(mén)理和生產(chǎn)組織方式；采用現(xiàn)代化的工業(yè)通用裝備技術(shù)，改變能源結(jié)構(gòu)和功能方式來(lái)實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排。②工業(yè)供能部門(mén)③交通運(yùn)輸部門(mén)④民用能源2、消除措施：通過(guò)各種分離、吸收技術(shù)和光合作用使生成的CO2變成其他物質(zhì)以減少大氣中的溫室氣體。（1）擴(kuò)大植樹(shù)造林，減緩氣候變化和氣候?yàn)?zāi)害的速度與幅度。森林可以從大氣中吸收和儲(chǔ)存大量的CO2，是控制人造溫室效應(yīng)的重要手段。我國(guó)1999年的森林覆蓋率為14%左右，加快造林，使森林面積和蓄積量逐年上升。（2）加強(qiáng)對(duì)CO2分離與吸收技術(shù)的研究與應(yīng)用3、適應(yīng)性措施：這是與上述預(yù)防和消除不同的一種設(shè)想，即假設(shè)溫室效應(yīng)氣體的增加和全球變暖，然后去適應(yīng)它。（1）中國(guó)水文水資源對(duì)氣候變化的適應(yīng)性對(duì)策（2）中國(guó)沿海地區(qū)對(duì)海平面上升的對(duì)策陽(yáng)傘效應(yīng)氣溶膠對(duì)太陽(yáng)輻射的散射和吸收，使到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射減弱，引起地面氣溫的下降，其效應(yīng)類(lèi)似于陽(yáng)傘效果，故稱(chēng)為陽(yáng)傘效應(yīng)．火山灰水圈水圈有分布在地球上的所有液態(tài)水構(gòu)成。它包括海洋、內(nèi)海、湖泊、河流及地下水。對(duì)于氣候研究，海洋是水圈中最重要的，它們覆蓋了約三分之二的地球表面。達(dá)到地球的太陽(yáng)輻射的大部分落在海洋上并被海洋所吸收。由于海洋有大的熱慣性，它對(duì)溫度的變化起著緩沖器和調(diào)節(jié)器的作用。

海洋的響應(yīng)時(shí)間變化大，在混合層內(nèi)為數(shù)周到幾個(gè)月，在幾百米深的斜溫層響應(yīng)時(shí)間達(dá)幾個(gè)季度，而在深海甚至達(dá)幾個(gè)世紀(jì)到幾百萬(wàn)年。地球表面海洋占地球表面積的71%，由于海水熱容量大，若僅考慮100m深的表層海水，其熱容量占整個(gè)氣候系統(tǒng)總熱量的95%海洋上層的溫度受到大氣影響，在海洋表面向下的幾十米的水層里，風(fēng)浪和海流引起的湍流混合十分強(qiáng)烈，海水溫度的垂直變化很小，因此被稱(chēng)為混合層。但到某一個(gè)高度以后，很快遇到一個(gè)較薄的水層，其海水溫度隨深度的變化特別劇烈，這一區(qū)域被稱(chēng)之為溫躍層。溫躍層混和層大洋平均溫度典型垂直分布圖6大洋中典型的密度鉛直向分布CoupledOceanandAtmosphereProcess海洋性質(zhì)海水密度大于純水，是溫度、鹽度和壓力的函數(shù)鹽度增加時(shí)密度增大；溫度升高時(shí)（高于最大密度的溫度）密度減小海水最大密度的溫度隨鹽度增加而降低動(dòng)力、熱力性質(zhì)：反射率小、熱容量大、流速小，動(dòng)力、熱力慣性大。變化的時(shí)間尺度：幾個(gè)月～幾年(上層海洋)

世紀(jì)尺度(深層海洋)

海洋具有以下三個(gè)重要特性：（1）海洋是大氣運(yùn)動(dòng)的重要熱源。地球表面約71%為海洋所覆蓋，全球海洋吸收的太陽(yáng)輻射量約占地球大氣頂?shù)目偺?yáng)輻射量的70%左右。（2）海洋有著極大的熱容量，相對(duì)于大氣運(yùn)動(dòng)而言，海洋運(yùn)動(dòng)比較穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)和變化比較緩慢。（3）海洋是地球系統(tǒng)CO2的最大的匯海洋主要有四方面的影響和作用（1）對(duì)地球大氣系統(tǒng)熱力平衡的影響。海洋吸收的約70%的太陽(yáng)入射輻射，絕大部分（85%)左右被儲(chǔ)存在海洋表層（混合層）中。這些被儲(chǔ)存的能量將以潛熱、長(zhǎng)波輻射和感熱交換的形式輸送給大氣，驅(qū)動(dòng)大氣運(yùn)動(dòng)。海流：經(jīng)向能量的輸送（低緯→高緯）。全球平均近70%的經(jīng)向能量輸送是由大氣完成的，還有30%多輸送要由海洋來(lái)承擔(dān)（Oort和Haar,1976)（2）對(duì)水汽循環(huán)的影響（通過(guò)蒸發(fā)、凝結(jié)過(guò)程）大氣中水汽量的絕大部分（86%）由海洋提供，海洋，尤其是低緯海洋，是大氣中水汽的主要源地。海洋主要有四方面的影響和作用（2）（3）對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的調(diào)諧作用

海洋的運(yùn)動(dòng)和變化有顯著的緩慢性和持續(xù)性。海洋的這種特性一方面使海洋有較強(qiáng)的“記憶”能力，可以把大氣環(huán)流的變化通過(guò)海氣相互作用把信息儲(chǔ)存于海洋中，然后再對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生作用；另一方面，海洋的熱慣性使得海洋狀況的變化有滯后效應(yīng)，例如海洋對(duì)太陽(yáng)輻射季節(jié)變化的響應(yīng)要比陸地上的響應(yīng)落后大約1個(gè)月左右；通過(guò)海氣耦合作用還可以使較高頻的大氣變化（擾動(dòng)）減頻，一旦耦合波的頻率變低后再作用于大氣，就相當(dāng)于大氣中較高頻的變化轉(zhuǎn)變而成為較低頻的大氣。（4）對(duì)溫度效應(yīng)的緩解作用大氣中CO2含量增加的溫室效應(yīng)就因?yàn)橛泻Ｑ蟮拇嬖诙粶p弱冰雪圈冰雪圈包括格陵蘭和南極地區(qū)范圍很廣的大陸冰原，高山冰川、海冰等。冰雪圈是地球上最大的淡水儲(chǔ)存庫(kù)，但其在氣候系統(tǒng)中的作用主要在于其對(duì)太陽(yáng)輻射的高反射率等。大陸雪蓋和海冰具有明顯的季節(jié)、年際變化，對(duì)短期氣候變化有重要的影響。此外，大的陸地冰原在高達(dá)數(shù)萬(wàn)年的更長(zhǎng)時(shí)間尺度的氣候變化中，例如在發(fā)生在更新世的冰期和間冰期中，它們起了主要作用。

冰雪圈對(duì)氣候變化的影響：增加對(duì)太陽(yáng)輻射的反射，減少地表對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收，從而影響大氣中的熱源、熱匯的分布冰雪圈組成及結(jié)構(gòu)：大陸冰原、高山冰川、海冰和地面雪蓋。熱力性質(zhì)：反射率大變化的時(shí)間尺度：陸地雪蓋：季節(jié)~年際變化;海冰：季節(jié)~幾十年際變化;大陸冰原和高山冰川：幾百年~幾百萬(wàn)年.

對(duì)氣候的影響：冰雪面-大氣相互作用冰島的Eyiafjalla冰川(制高點(diǎn)1666m)天山的積雪和冰川這張由美國(guó)航空航天局發(fā)布的衛(wèi)星照片顯示了2006年9月北極地區(qū)海冰的景象,面積約為530.95萬(wàn)平方公里巖石圈（陸地圈）組成及結(jié)構(gòu)：地球表層的固體表面，由巖石、土壤和沉積物組成。包括高原、平原、山地、丘陵、盆地等。熱力性質(zhì):熱容量小,熱慣性小.

變化的時(shí)間尺度:山脈形成:105~108年;大陸漂移:106~109年;陸塊位置和高度變化:109年以上.

對(duì)氣候的影響：地形的動(dòng)力作用、地表的熱力作用、陸面水循環(huán)。通過(guò)質(zhì)量、角動(dòng)量、感熱的輸送以及通過(guò)大氣邊界層的摩擦對(duì)動(dòng)能的耗散，巖石圈與大氣有很強(qiáng)的相互作用。生物圈生物圈指的是陸地上和海洋中的植物以及生存在大氣、海洋和陸地的動(dòng)物。包括人類(lèi)本身。植被會(huì)改變地表粗糙度、地表反射率、蒸發(fā)、徑流等。生物還可以影響大氣和海洋的二氧化碳平衡、氣溶膠的產(chǎn)生等。人類(lèi)活動(dòng)與氣候系統(tǒng)發(fā)生相互作用。生物圈對(duì)大氣圈的氣候變化是敏感的。人們正是通過(guò)過(guò)去這種氣候變化在化石、樹(shù)木年輪、花粉等中所留下的信號(hào)來(lái)獲得地球古氣候信息的。人類(lèi)活動(dòng)通過(guò)兩種途徑來(lái)影響溫室氣體等的變化（1）人類(lèi)的工業(yè)生產(chǎn)和生活使用的礦物燃料，大量釋放CO2，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也大量產(chǎn)生CH4,導(dǎo)致大氣中的溫室氣體增加（2）大量毀林，致使吸收CO2的過(guò)程減弱，溫室氣體不斷增加植被2.2氣候系統(tǒng)的物理、化學(xué)過(guò)程在太陽(yáng)輻射加熱作用下，在大氣中生成了風(fēng)，在海洋中產(chǎn)生了洋流。風(fēng)和洋流反過(guò)來(lái)又將熱量從過(guò)剩的地區(qū)輸送到熱量不足地區(qū)。赤道與極地溫差、地表和大氣高層的溫差、海陸的熱力差異、海陸分布引起的南北半球的熱力差異等等大氣熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)氣候系統(tǒng)的物理過(guò)程與生命周期為2-3周以?xún)?nèi)的大尺度天氣系統(tǒng)的物理過(guò)程相比，氣候系統(tǒng)的外部加熱起著舉足輕重的作用。大尺度天氣系統(tǒng)的第一近似可視為絕熱系統(tǒng)，而氣候系統(tǒng)則必須考慮非絕熱加熱。這些物理、化學(xué)過(guò)程主要包括：輻射過(guò)程、云過(guò)程、陸面過(guò)程、海洋過(guò)程、冰雪過(guò)程、氣溶膠過(guò)程、碳循環(huán)及生物過(guò)程2.3氣候系統(tǒng)的基本特性1.氣候系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、高度非線性的、開(kāi)放的巨系統(tǒng)有規(guī)則的周期性變化：日變化、年變化等較規(guī)則的周期性變化：準(zhǔn)雙周振蕩、準(zhǔn)兩年振蕩等不規(guī)則的變化：百年增暖、大氣環(huán)流的突變氣候系統(tǒng)的性質(zhì)（1）開(kāi)放的非孤立系統(tǒng)在太陽(yáng)輻射的作用下，氣候系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生一系列的復(fù)雜過(guò)程，各個(gè)組成部分之間，通過(guò)物質(zhì)和能量交換，緊密地聯(lián)結(jié)成一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)。大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈構(gòu)成了一個(gè)由復(fù)雜物理過(guò)程聯(lián)系起來(lái)的串級(jí)系統(tǒng)。這些物理過(guò)程包括穿越邊界的能量、動(dòng)量和物質(zhì)輸送，且生成了大量的反饋機(jī)制。（2）響應(yīng)時(shí)間差異很大，可分為內(nèi)部系統(tǒng)和外部系統(tǒng)首先，把那些具有最短響應(yīng)時(shí)間的系統(tǒng)看成是同一級(jí)的內(nèi)部系統(tǒng)，于是就可把所有其它分量看成是外部系統(tǒng)。例如，對(duì)于數(shù)小時(shí)到幾個(gè)月的時(shí)間尺度，大氣可以看成是氣候系統(tǒng)的唯一內(nèi)部分量，而海洋、冰雪、陸地表面、生物圈都可處理成邊界條件和外強(qiáng)迫。對(duì)于由數(shù)月到幾百年的時(shí)間尺度，氣候內(nèi)部系統(tǒng)必須包括大氣和海洋，也應(yīng)考慮雪蓋、海冰和生物圈。（3）不穩(wěn)定的高度耗散系統(tǒng)氣候系統(tǒng)是一個(gè)高度耗散系統(tǒng)。主要由兩個(gè)外強(qiáng)迫來(lái)制約其全球行為，它們是太陽(yáng)輻射和重力。在外強(qiáng)迫中必須把太陽(yáng)輻射看成是主要因子，它提供了驅(qū)動(dòng)氣候系統(tǒng)的幾乎所有能量。一部分太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)換成供大氣和海洋環(huán)流耗散掉的能量。由于摩擦、擴(kuò)散及其不可逆過(guò)程的發(fā)生，氣候系統(tǒng)必須看成是一個(gè)高度耗散系統(tǒng)。1)熱力屬性:空氣、水、陸地表面和冰雪面的溫度2)動(dòng)力屬性：風(fēng)、洋流及其垂直運(yùn)動(dòng)和冰體運(yùn)動(dòng)3)水分屬性：空氣濕度、云量、降水量、土壤濕度、河湖水位、冰雪等。4)靜力屬性：大氣和海水的密度、壓強(qiáng)、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。2.各個(gè)氣候子系統(tǒng)之間顯著的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)屬性差異圈層和代表物質(zhì)大氣圈空氣水圈水冰雪圈冰(純)、雪(新鮮)陸地表面粘土(干)生物圈森林密度（103kg/m3）0.00121.000.920.101.60比熱容（103J/kg.K)1.004.192.102.090.89熱容量(106J/m3.K)0.00124.191.930.211.42熱傳導(dǎo)(W/m.K)0.0260.582.240.080.25熱擴(kuò)散(10-6m2/s)21.50.141.160.380.18傳導(dǎo)能力(103J/m2.K.s1/2)0.0061.572.080.130.60日穿透深度(m)2.30.20.50.30.2年穿透深度(m)443.610.26.03.9反射率(%)～272～10～7084～95＞20＜20連續(xù)性好好可壓縮性較強(qiáng)較弱弱弱粘性小較大大大流動(dòng)性好好差差氣候系統(tǒng)各組成部分屬性的對(duì)比3.氣候系統(tǒng)的反饋過(guò)程

氣候系統(tǒng)的反饋過(guò)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(chēng)為反饋。包括正反饋過(guò)程和負(fù)反饋過(guò)程。正反饋：反饋過(guò)程造成的氣候變化與原變化同號(hào)，使氣候變化加劇，產(chǎn)生氣候不穩(wěn)定稱(chēng)為正反饋。負(fù)反饋：反饋過(guò)程造成的氣候變化與原變化反號(hào)，抑制氣候的變化和異常，使氣候趨于穩(wěn)定，稱(chēng)為負(fù)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(yīng)作用加強(qiáng)→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(jī)制之一，也是唯一最大的正反饋?zhàn)饔?。）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(yīng)加劇→海溫升高）

負(fù)反饋：（中低）云量多——太陽(yáng)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2.4氣候系統(tǒng)的可預(yù)報(bào)性1975年，Lorenz把氣候預(yù)報(bào)問(wèn)題分為兩類(lèi):第一類(lèi)氣候預(yù)報(bào)：對(duì)未來(lái)某一具體時(shí)段氣候狀態(tài)的預(yù)報(bào)，其可預(yù)報(bào)性取決于作用于氣候系統(tǒng)的外力和氣候系統(tǒng)相互作用對(duì)大氣影響的可預(yù)報(bào)性。第二類(lèi)氣候預(yù)報(bào)：與時(shí)間無(wú)關(guān)，預(yù)測(cè)氣候?qū)δ骋挥绊懸蛩刈兓捻憫?yīng)。氣候可預(yù)報(bào)性分類(lèi)Lorenz（1975）將氣候的可預(yù)報(bào)性分為兩類(lèi)：第一類(lèi)可預(yù)報(bào)性

:初始誤差(擾動(dòng))隨時(shí)間增長(zhǎng)（確定性預(yù)報(bào)的時(shí)效問(wèn)題）;由于在確定初始狀態(tài)時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差，而這些誤差又必然隨時(shí)間增長(zhǎng)，尤其是這些誤差還會(huì)向低頻譜段傳播，從而使局地性小范圍的誤差變?yōu)槿中哉`差，氣候狀態(tài)因此而發(fā)生改變，預(yù)報(bào)只在某時(shí)段內(nèi)（時(shí)效極限）是確定的。

第二類(lèi)可預(yù)報(bào)性:外強(qiáng)迫變化引起氣候變化的模擬和預(yù)報(bào)能力（大氣對(duì)外強(qiáng)迫的響應(yīng)及敏感性）。由于外強(qiáng)迫的改變，尤其是一些持續(xù)性的外強(qiáng)迫異常，必然使大氣環(huán)流和氣候狀態(tài)發(fā)生變化，怎樣估計(jì)以及在多大程度上可以較好地估計(jì)出這種異常外強(qiáng)迫，一般數(shù)值模擬的辦法進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，看模式大氣對(duì)外強(qiáng)迫的響應(yīng)及其敏感性。氣候系統(tǒng)的可預(yù)報(bào)性與驅(qū)動(dòng)力外力——周期性：日、年變化、米氏周期（米蘭科維奇理論）、銀河周期非周期性：火山爆發(fā)、地震等(米蘭科維奇理論即是從全球尺度上研究日射量與地球氣候之間關(guān)系的天文理論。氣候變化存在著三個(gè)天文周期：每隔2萬(wàn)年，地球的自轉(zhuǎn)軸進(jìn)動(dòng)變化一個(gè)周期（稱(chēng)為歲差）；每隔4萬(wàn)年，地球黃道與赤道的交角變化一個(gè)周期；每隔10萬(wàn)年，地球公轉(zhuǎn)軌道的偏心率變化一個(gè)周期。

)內(nèi)力——周期性：系統(tǒng)內(nèi)部各因子之間相互耦合而成的自持振蕩（ENSO等)非周期性：隨機(jī)性?xún)?nèi)部因子大氣運(yùn)動(dòng)分類(lèi)從預(yù)報(bào)的角度，馮·紐曼（1955）將大氣運(yùn)動(dòng)分為三類(lèi)：

第一類(lèi)運(yùn)動(dòng):主要由大氣運(yùn)動(dòng)的初始場(chǎng)決定，不必考慮外強(qiáng)迫的作用，因此可從初始場(chǎng)外推（短期、中期天氣預(yù)報(bào)）;

第二類(lèi)運(yùn)動(dòng):幾乎完全與初始場(chǎng)無(wú)關(guān)，因此只考慮外強(qiáng)迫的作用，可以不考慮初始場(chǎng)做預(yù)報(bào)（敏感性試驗(yàn)）;

第三類(lèi)運(yùn)動(dòng):距初始場(chǎng)相當(dāng)遠(yuǎn)，因此不可能完全從初始場(chǎng)外推；但初始場(chǎng)有一定影響，還要考慮外強(qiáng)迫的作用（相當(dāng)于現(xiàn)在的短期氣候預(yù)測(cè)，預(yù)報(bào)時(shí)效大約是6~12月，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率上限大約為80~85%）。2.5氣候系統(tǒng)的研究一、氣候監(jiān)測(cè)二、氣候診斷三、氣候重建四、氣候模擬五、氣候預(yù)測(cè)一、氣候監(jiān)測(cè)（1）大氣常規(guī)觀測(cè)（2）海洋及系統(tǒng)其他成員的常規(guī)觀測(cè)

CODAS

雪蓋、海冰面積

土壤溫度及濕度全球植被（3）非常規(guī)觀測(cè)太陽(yáng)常數(shù)觀測(cè)大氣中的微量氣體（CO2,甲烷，氯氟碳化物（CFCs)觀測(cè)；平流層氣溶膠觀測(cè)（研究火山爆發(fā)對(duì)氣候影響）二、氣候診斷氣候診斷：根據(jù)氣候監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)氣候變化與氣候異常作出判斷。有關(guān)氣候監(jiān)測(cè)與氣候診斷的系統(tǒng)性出版物有（1）美國(guó)氣候預(yù)測(cè)中心(CPC)的氣候診斷公報(bào)（ClimateDiagnosticBulletin,月刊）（2）WMO的氣候監(jiān)測(cè)公報(bào)（ClimatesystemMonitoringMonthlyBulletin,月刊）（3）英國(guó)東安吉利亞大學(xué)的氣候監(jiān)測(cè)（ClimateMonitor)(季刊）(4)美國(guó)每年10月召開(kāi)的氣候診斷與預(yù)測(cè)年會(huì)，每屆都有會(huì)議文集（5）WMO,WCDP每?jī)赡瓿霭?期氣候系統(tǒng)監(jiān)測(cè)專(zhuān)集，題為全球氣候系統(tǒng)。中國(guó)氣候中心，月氣候監(jiān)測(cè)公報(bào)

氣候診斷的內(nèi)容（1）氣候異常的診斷：多把要素的方差值作為衡量異常的標(biāo)準(zhǔn)（2）氣候變化的診斷研究近百年氣候變化時(shí)經(jīng)常用10年平均作為分析的時(shí)間單位，如果序列足夠長(zhǎng)，有時(shí)也可用30年平均或100年平均。氣候平均值變化:t檢驗(yàn)。診斷氣候突變：Mann-Kendall方法，小波分析（3）氣候異常事件的診斷要診斷是否出現(xiàn)某一種氣候異常事件，需要一個(gè)嚴(yán)格的定義。如：ElNino事件，東亞季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)（4）氣候變化原因的檢測(cè)

三、氣候重建最常用的代用資料：（1）孢粉（2）冰芯氧同位素（3）樹(shù)木年輪

樹(shù)木生長(zhǎng)受季節(jié)影響，春材細(xì)胞大而顏色淡，秋材細(xì)胞小而顏色深，一淡一深組成一圈年輪。當(dāng)水份、營(yíng)養(yǎng)、日照充足時(shí)，年輪寬，反之年輪窄。

14C定年（4）珊瑚（5）史料分析表土孢粉可以反映現(xiàn)代植被的結(jié)構(gòu)，只要詳細(xì)比較表土孢粉、現(xiàn)代植被結(jié)構(gòu)與所在地區(qū)氣候狀況三者間的相關(guān)性，便可由表土孢粉的分析推測(cè)該區(qū)的氣候概況。孢粉是指蕨類(lèi)植物的孢子與種子植物的花粉，大小約幾十微米到百餘微米。孢粉化石冰芯珊瑚化石樹(shù)木年輪歷史文獻(xiàn)參考圖例孢粉化石冰芯珊瑚化石樹(shù)木年輪歷史文獻(xiàn)蕨類(lèi)植物（孢子）種子植物（花粉）經(jīng)由碳14定年的技術(shù)，可以透過(guò)沈積物的有機(jī)質(zhì)中碳14的含量知道這些含有各類(lèi)孢粉組合沈積物的年代孢粉化石冰芯珊瑚化石樹(shù)木年輪歷史文獻(xiàn)孢粉化石冰芯珊瑚化石樹(shù)木年輪歷史文獻(xiàn)從冰芯樣品中，能測(cè)定冰川的年齡及其形成過(guò)程等古氣候資料。孢粉化石冰芯珊瑚化石樹(shù)木年輪歷史文獻(xiàn)冬季氣溫低，雪粒細(xì)而緊密。夏季氣溫高，雪粒粗而疏松。孢粉化石冰芯珊瑚化石樹(shù)木年輪歷史文獻(xiàn)※如何利用冰芯獲取古代氣溫資料？實(shí)際測(cè)定南極冰蓋上某點(diǎn)的氣溫，以及相應(yīng)時(shí)間降雪中

的值。180160得到南極地區(qū)氣溫與

值關(guān)係的曲線180160把過(guò)去某一年冰層中

值與上述曲線比較180160孢粉化石冰芯珊瑚化石樹(shù)木年輪歷史文獻(xiàn)透過(guò)年輪的寬窄，我們可以瞭解各年的氣候狀況，利用年輪上的訊息則可推測(cè)出幾千年來(lái)的氣候變遷情況。如果某地氣候優(yōu)劣有過(guò)一定的週期性，反映在年輪上也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的寬窄週期性變化。參考圖例孢粉化石冰芯珊瑚化石樹(shù)木年輪歷史文獻(xiàn)年輪寬