氣候系統(tǒng)及其變化分解

第1講氣候系統(tǒng)及其變更1.什么是天氣和氣候以及

氣候變更與氣候變率？天氣是指在短時間內(nèi)（1-3天左右）發(fā)生的天氣現(xiàn)象，如暴雨，大風(fēng)，雷暴，高溫等。氣候一般是指平均天氣。因而天氣與氣候變更是相互關(guān)聯(lián)和交織在一起的，人們觀測和感覺到的是天氣變更。雖然天氣與氣候是親密相關(guān)的，但它們又有重要的差別：（1）人們可以預(yù)料將來50年或100年的氣候，但不能預(yù)料將來幾星期的天氣，這是人們常常感到迷惑的事，這將會在其次講說明；（2）在全球變暖條件下，仍會發(fā)生寒冷的冬天或出現(xiàn)降冷的地區(qū)，這也是人們常常感到不解的事情。但是假如看下面的圖1，將會得到清晰的了解。這主要是因為總是存在著冷熱的極值。但當(dāng)對天氣做時空平均值，就可以明顯地突現(xiàn)出全球變暖的事實。平均狀態(tài)變更平均狀態(tài)與離差幅度同時變更離差幅度變更圖11.氣候系統(tǒng)組成及其對

氣候變更的關(guān)系全球氣候系統(tǒng)指的是一個由大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈（陸面）和生物圈組成的高度困難的系統(tǒng)，這些部分之間發(fā)生著明顯的相互作用（圖2）。在這個系統(tǒng)自身動力學(xué)和外部強(qiáng)迫作用下（如火山爆發(fā)、太陽變更、人類活動引起的大氣成分的變更和土地利用的變更），氣候系統(tǒng)不斷地隨時間演化（漸變與突變），而且具有不同時空尺度的氣候變更與變率（月、季節(jié)、年際、年頭際、百年尺度等氣候變率與振蕩）。圖2氣候系統(tǒng)及其圈層間相互作用過程概略示意圖

氣候系統(tǒng)的構(gòu)成氣候系統(tǒng)是地球系統(tǒng)的主要部分之一。地球系統(tǒng)還包括人類與生命系統(tǒng)，社會—經(jīng)濟(jì)方面等。它是一個完整的、相互關(guān)聯(lián)的具有困難的代謝和自身調(diào)整機(jī)制的系統(tǒng)。它的生物過程與物理和化學(xué)過程猛烈的相互作用，以此構(gòu)成困難的地球生命支持系統(tǒng)。因而不但須要分別探討系統(tǒng)中各個部分的特征與循環(huán)，而且必需探討整個系統(tǒng)的集成行為及各分系統(tǒng)的相互作用。這就須要打破傳統(tǒng)學(xué)科的觀念，探討各學(xué)科邊界之間的交叉科學(xué)問題。大氣圈大氣圈是氣候系統(tǒng)中最不穩(wěn)定，變更最快的部分。大氣圈不但受到其它四個圈層的干脆作用與影響，而且與人類活動有最親密的關(guān)系。人類主要生活在大氣圈中，因而大氣圈的狀態(tài)和變更干脆影響著人類的生存條件和各種活動。氣候系統(tǒng)中其它圈層變更產(chǎn)生的最終影響結(jié)果都會反映在大氣圈中。因而大氣圈是氣候系統(tǒng)的中心。大氣圈主要通過其中大氣成分及輻射收支的變更來影響地球的氣候。首先我們看大氣圈中大氣成分的變更。大氣由各種氣體和水汽以及固、液態(tài)質(zhì)點（氣溶膠）、云等組成。在氣體中氮（N2）占78.1%（體積混合比），氧（O2）占20.9%，氬（Ar）占0.93%（表1）。但這些氣體是所謂惰性氣體，一般它們與入射的太陽輻射相互作用甚小，與地球放射的紅外長波輻射不相互作用，也就是說，他們既不吸取也不放射熱輻射。對地球氣候有重大影響的是大氣中的很多痕量氣體。如二氧化碳（CO2），甲烷（CH4），氧化亞氮（N2O）和臭氧（O3）。雖然這些氣體只占大氣總體積混合比的0.1%以下，但由于它們吸取和放射輻射，在地球能量收支中起著基本的作用。所以這些氣體又稱溫室氣體。大氣中的水汽（H2O）也是一種自然的溫室氣體，并且是最強(qiáng)的溫室氣體；由于它可以通過相變轉(zhuǎn)化成水滴、云滴與冰晶，因而對地球氣候的變更影響很大，其體積混合比隨時間和地點變更甚大，一般約占大氣總體積混合比的1%左右。臭氧（O3）在地球的能量收支中也起著重要作用。大氣圈下層（對流層和平流層下部）的O3是一種溫室氣體，而平流層中上層的O3濃度很高，形成了自然的臭氧層，它吸取太陽紫外輻射，在平流層的輻射平衡中起著重要作用。大氣中懸浮的固、液態(tài)質(zhì)量（氣溶膠）與云以極其困難的方式與入射太陽輻射和射出長波輻射相互作用，從而影響地球的氣候變更，近年來日益引起人們的關(guān)注。水圈及其循環(huán)水圈由全部的液態(tài)地表和地下水組成，既包括淡水（如江河，湖以及巖層中的水）也包括海洋的咸水。這些水都通過困難的水圈相互聯(lián)系在一起（圖3）。海洋和陸面的水通過蒸發(fā)或蒸散，以水汽的形成進(jìn)入大氣中，尤其是海洋中的水汽大量的被大氣環(huán)流輸送到陸地上空，在那里形成云、雨。降水的一部分又以地表徑流（主要是在河流中）的形式流入海洋，影響著海洋的鹽分和環(huán)流。另一部分滲透入地下變成地下徑流和地下水。前者又可回流到海洋，后者則儲存于地下補(bǔ)充那里不斷被實行的地下水量。上述水圈循環(huán)周而復(fù)始，為地球的各種系統(tǒng)供應(yīng)必需的水源。圖3：全球變暖將影響整個水循環(huán)過程Bengtson,1998在水圈中對氣候影響最大的是海洋。海洋占地球面積的70%左右，它一方面可以儲存與輸送大量的能量，同時還可以溶解與儲存大量的CO2，是全球碳循環(huán)中特殊重要的部分。依據(jù)最近的估計海洋每年可以吸取17億噸碳，占化石燃料燃燒和工業(yè)生產(chǎn)排放總量的27%。海洋的環(huán)流比大氣環(huán)流要慢得多，它是由鹽分與溫度梯度產(chǎn)生的密度差（即溫鹽環(huán)流）驅(qū)動的。北大西洋溫鹽環(huán)流是對氣候影響最顯著的一種溫鹽環(huán)流。氣候的突變與這種環(huán)流的突然減弱或關(guān)閉有關(guān)（圖3）。圖4全球溫鹽環(huán)流輸送帶示意圖海洋有很大的熱慣性，這主要是由于海水的熱容量很大，它一方面可以阻尼或減緩巨大的強(qiáng)溫度變更，起到了地球氣候調(diào)整器的作用，另一方面，由于它有較長的記憶力（尤其是在熱帶海洋），可以長時期內(nèi)通過海氣相互作用影響大氣的變更，成為自然氣候變率的源。這就是為什么在目前設(shè)計的各種困難氣候模式與碳循環(huán)模式中必需把海洋包括在內(nèi)。在赤道東太平洋中發(fā)生的厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象（即該區(qū)域海表溫度快速上升或削減的現(xiàn)象）是由海洋產(chǎn)生的最顯著的自然變率，它已成為目前各國進(jìn)行年際預(yù)報和季節(jié)預(yù)報的最重要氣候強(qiáng)信號。巖石圈和陸面過程巖石圈是指固體地球的上層部分，既包括陸地，也包括海洋。它由全部地殼表層巖石和上地幔中的低溫彈性部分組成?；鹕交顒与m然是巖石圈的一部分，但不包含在氣候系統(tǒng)之中，而是作為一種自然的外強(qiáng)迫因子影響地球的氣候。巖石圈與氣候變更最親密相關(guān)的部分是地殼、地幔和陸面的結(jié)構(gòu)。它們可通過變更天氣的化學(xué)成分影響地球的氣候。這種現(xiàn)象被稱為氣候變更的地質(zhì)構(gòu)造緣由。地殼分裂成不同的板塊，板塊又漂移在地幔上。當(dāng)兩塊板塊相碰撞時，可引起一系列的物理變更過程（圖5）。火山爆發(fā)，造山運動是物理過程，可以變更地球上的氣候，是目前地球大氣成分的一個來源。在地質(zhì)年頭的氣候變更中，這種地質(zhì)構(gòu)造變更的緣由特殊重要，今后還將接著是重要的氣候變更因子。陸面的結(jié)構(gòu)或其粗糙度在風(fēng)吹過陸面的時候也可從動力學(xué)上影響大氣。粗糙度一般確定于地形和植被條件。風(fēng)也把沙塵從地表吹到大氣中去，從而影響區(qū)域大氣輻射收支。沙塵暴的發(fā)生就是一個最明顯的例子。圖5板塊俯沖、海底擴(kuò)張和造山運動的示意圖生物圈它包括陸地和海洋以及全部的生態(tài)系統(tǒng)和生物。通過生物圈生物過程與物理和化學(xué)過程猛烈地相互作用可以產(chǎn)生維持地球上生命系統(tǒng)賴以生存的環(huán)境。生物圈對大氣成分有重要影響，例如生物過程通過海洋大量吸取CO2以此限制著長期的大氣CO2濃度。通過植物—浮游生物的光合作用削減海洋表層的CO2含量，以此使大氣中更多的CO2溶解于海洋中（圖6）。大約在海洋上層植物—浮游生物吸取的25%碳又沉入海洋內(nèi)部，在那里它不再與大氣接觸，儲存于深海達(dá)幾百或幾千年，這種所謂生物泵與上述CO2的溶解過程限制著海氣的CO2交換分布型（圖7）。因而生物圈在碳循環(huán)中起著中心作用。陸地生物群也是氣候系統(tǒng)中的一個重要部分，其功能很多。例如陸地植被類型影響蒸發(fā)到大氣的水分以及太陽輻射的吸取或反射。植被根部的狀況與活動也對碳與水儲存以及陸氣通量有重要作用。葉面指數(shù)是描述植物群冠作用的一個重要指數(shù)，它與全球和區(qū)域氣候變更有親密的關(guān)聯(lián)。陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性影響關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)過程的量級（如生產(chǎn)力），對生態(tài)系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性有重要作用。圖6海表和低層大氣相互作用圖排放徑流氣溶膠降雨感熱潛熱交換干濕沉降pH調(diào)節(jié)氧化化學(xué)冰輻射海鹽質(zhì)點氣體交換營養(yǎng)物浮游植物細(xì)菌浮游動物病菌光化學(xué)溶解有機(jī)物三種主要海洋碳泵制約著自然的大氣CO2變更：溶解泵，生物碳泵和碳酸鈣反泵。海洋對人類CO2的吸取由海表無機(jī)碳的吸取與人類碳從海表到深海的吸取確定。如海洋環(huán)流不變，因為養(yǎng)分循環(huán)不變，生物泵不受太大影響。假如海洋環(huán)流減慢，人類碳的吸取由無機(jī)緩沖過程和物理輸送確定。但假如其下沉速度不變，海洋顆粒物通量可達(dá)到深海。圖7海氣界面與碳循環(huán)冰凍圈冰凍圈包括大陸冰川、雪區(qū)、海冰和凍土以及格陵蘭和南極的冰原。目前，冰川覆蓋了全球地表約3%面積，它儲存了75%的非海洋水（淡水）。海冰占7%面積，永久凍土占陸面的20—25%面積。冰凍圈對氣候系統(tǒng)之所以重要是由于它對太陽輻射有較高的反射率（反照率），低熱傳導(dǎo)率，大的熱慣性以及在驅(qū)動深海環(huán)流中的關(guān)鍵作用。它能影響地表能量與水汽通量、云、降水、水文循環(huán)以及大氣與海洋環(huán)流，但最明顯的影響是對海平面高度。因為冰原儲存了大量的水，其體積變更可引起海平面上升。假如包含近90%世界冰川冰的南極冰原全部溶化，全球海平面將可能會上升70米。假如只是南極冰原西部溶化（這是很可能發(fā)生的，2002年3月已有其中的拉森—B冰架斷裂與溶化），也足以使海平面上升6米左右。因而冰川的質(zhì)量平衡代表了對海平面的一種干脆影響。目前冰川對海平面變更最干脆的作用是通過高山冰川的溶化與冰架邊緣地區(qū)的溶化實現(xiàn)的。據(jù)估計，近百年海平面上升的約一半高度是冰川溶化的結(jié)果。2.氣候系統(tǒng)中各圈層的相互作用氣候系統(tǒng)的各圈層不是獨立存在的，它們之間發(fā)生著明顯的相互作用，這種相互作用不但有物理的，化學(xué)的和生物的，還具有不同的時間與空間尺度。從而使氣候系統(tǒng)成一個特殊困難的系統(tǒng)。氣候系統(tǒng)的各圈層，雖然在組成、物理與化學(xué)特征、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)上有明顯的差別，但它們都是通過質(zhì)量、熱量和動量通量相互聯(lián)系在一起，因而這些圈層是一個開放的相互聯(lián)系的系統(tǒng)。在氣候系統(tǒng)各圈層相互作用中，最重要的是海氣相互作用、陸氣相互作用和陸海相互作用。海氣相互作用海洋和大氣猛烈地耦合在一起，并通過感熱輸送、動量輸送和蒸發(fā)過程交換熱量、水汽和動量。熱量和水汽是水文循環(huán)的一部分，可產(chǎn)生凝合，形成云、降水與徑流，并為天氣系統(tǒng)供應(yīng)運動的能量。另一方面，降水對海洋的鹽度及其分布和熱鹽環(huán)流有影響。大氣與海洋也交換CO2，都是全球碳循環(huán)的重要部分。CO2在下沉到深海的極區(qū)冷水溶解，在近赤道較暖的上升海水中釋放從而維持一種平衡。雖然對于海氣相互作用已相識到它的重要作用，并且也進(jìn)行了長期的觀測和探討，但還有很多重要的問題了解不夠，且定量的計算更少，特殊是海氣間的化學(xué)物理相互作用及反饋作用。對于這些相互作用是怎樣影響氣候系統(tǒng)或被氣候所影響的問題也不是很清晰。另外值得探討的問題還包括：上層海洋的物理、化學(xué)與生物過程怎樣影響海氣通量以及氣候狀態(tài)？氣候系統(tǒng)怎樣影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)力？物質(zhì)尤其是碳化合物是怎樣輸送或儲存于深海中的？聯(lián)系海洋與大陸邊緣的關(guān)鍵物理、化學(xué)與生物過程又是什么？陸氣相互作用這是氣候系統(tǒng)中最基本的相互作用之一，包括冰凍圈中的積雪、冰川、凍土及巖石圈與大氣的相互作用；包括各種物質(zhì)、熱量、水汽輸送與轉(zhuǎn)換以及土地利用變更等。關(guān)鍵問題為：陸氣之間的水與能量交換如何變更地球上的氣候與痕量氣體的排放和沉降？陸面大量的中小尺度過程如何一起影響大尺度天氣過程？人類引起的陸面覆蓋變更在陸氣界面過程以及整個氣候系統(tǒng)中的作用是什么？為人類供應(yīng)食物與纖維的生態(tài)系統(tǒng)，怎樣受到氣候變更與人類利用的影響？陸海相互作用最關(guān)鍵的問題是海岸帶地區(qū)的變更及跨邊界輸送問題，這包括：跨陸—海界面的物質(zhì)輸送及沿岸生態(tài)系統(tǒng)對氣候變更的影響；海岸帶的加速變更對來自上游陸地地區(qū)的物質(zhì)轉(zhuǎn)移，過濾或儲存的實力的影響；氣候系統(tǒng)的系統(tǒng)變更對海岸帶特殊是最脆弱地區(qū)的影響以及海氣界面對加熱場及大氣環(huán)流的影響等。氣候包含了特殊困難的物理、化學(xué)與生物過程以及圈層之間的相互作用。氣候系統(tǒng)中隨意圈層的任何變更，不論它是人為的或是自然的，內(nèi)部的或是外強(qiáng)迫的，都會通過相互作用造成氣候系統(tǒng)的變更或氣候的變異。*氣候變更中的生物地球化學(xué)過程參看附錄B

在各圈層相互作用過程中，主要進(jìn)行水、碳和氧的交換與循環(huán)過程。水循環(huán)的圖示給出在圖3中。氣候系統(tǒng)中最大的水源區(qū)在地幔中（見表1）。火山爆發(fā)時，地幔中的水向外噴發(fā)。估計在地球生命中只有5%的水被釋放出來。表1氣候系統(tǒng)中單位面積上各種水源的質(zhì)量（103kgm-2）及留存時間（大氣科學(xué)，2008）水源質(zhì)量存留時間水源質(zhì)量存留時間大氣0.01幾天格陵蘭島冰川510000年淡水（湖泊、河流）0.6幾天到幾年南極冰川5310000年淡水（地下水）15上百年海洋2700高山冰川0.2上百年地殼和地幔200001011年碳循環(huán)過程由圖8表示。碳儲存在大氣、海洋、生物圈與地殼中。這就是碳庫。它們之間發(fā)生著明顯而困難的交換（通量），最終調(diào)劑和確定著大氣中碳的濃度。即兩種溫室氣體的濃度：CO2和CH4。圖8地球系統(tǒng)不同碳庫間的碳循環(huán)大氣與海洋地殼生物圈地幔層光合作用呼吸與衰亡埋藏俯沖海床擴(kuò)張風(fēng)化作用火山活動大氣中的氧在地球形成的早期，主要是氫，后來氧增多了，氫氣大量削減，這是氧上升的時期。從而也有了地球的生命，氧主要通過生物群的光合作用產(chǎn)生，通過氧化過程而削減，目前正起先處于氧的削減時候（圖9）。海洋的酸化可以導(dǎo)致海洋中氧的削減，將威逼海洋生物和生態(tài)系統(tǒng)的平安。CO2濃度和O分子濃度變更全球排放的碳總量和13C和12C同位素比的變更圖9

3.氣候演化的表征：

氣候變更與氣候變率氣候變更是指氣候平均狀態(tài)統(tǒng)計學(xué)意義上的巨大變更或者持續(xù)較長一段時間（典型的為10年或更長）的氣候變動。氣候變更的緣由可能是自然的內(nèi)部進(jìn)程，或是外部強(qiáng)迫，或者是人為地持續(xù)對大氣組成成分和土地利用的變更。

《聯(lián)合國氣候變更框架公約》（UNFCCC）第一款中，將“氣候變更”定義為：“經(jīng)過相當(dāng)一段時間的視察，在自然氣候變更之外由人類活動干脆或間接地變更全球大氣組成所導(dǎo)致的氣候變更?！盪NFCCC因此將因人類活動而變更大氣組成的“氣候變更”與歸因于自然緣由的“氣候變率”區(qū)分開來（圖10－12）。由于天氣預(yù)報應(yīng)盡可能知道全部的初值條件，因而把氣候作為天氣預(yù)報的基本背景條件是特殊有用的。同時氣候也可作為確定基本天氣型的全球背景條件。例如ElNino事務(wù)是一個氣候現(xiàn)象，它持續(xù)1-2年，并影響整個北半球，它不僅確定秘魯沿岸的天氣，而且影響大范圍地區(qū)的天氣現(xiàn)象與天氣型。因而ElNino現(xiàn)象事實上是確定隨機(jī)效應(yīng)能夠產(chǎn)生的天氣型的一種可能演化界限。也就是說，天氣預(yù)報的結(jié)果是一種混沌現(xiàn)象，初始條件只要有微小的差別，預(yù)報結(jié)果能有很大差別（所謂Lorenz的蝴蝶效應(yīng)）。但在如ElNino現(xiàn)象氣候條件的約束下，其預(yù)報的差別將可能主要出現(xiàn)在確定的范圍或幅度內(nèi)。又如混沌理論可能會由于初值的微小差別變更一個風(fēng)暴到達(dá)的時間和所走的精確路徑，但當(dāng)該氣旋位于該氣候區(qū)（該地區(qū)與該時段）時由它們產(chǎn)生的平均溫度和降水大致是相同的。這反映了氣候條件對天氣的制約作用。事實上是削減了天氣預(yù)報的混沌性質(zhì)。氣候變更（climatechange）氣候變更是指氣候平均狀態(tài)和離差（距平）兩者中的一個或兩個一起出現(xiàn)了統(tǒng)計意義上顯著的變更。離差值越大，表明氣候變更的幅度越大，氣候狀態(tài)不穩(wěn)定增加。氣候變更敏感性也越大。簡潔地說它事實上是表征了能持續(xù)相當(dāng)長一段時期的氣候態(tài)的變更或變遷，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。它可以由自然的緣由引起，也可以由人類活動的緣由造成（聯(lián)合國氣候變更框架公約的定義），也可以由自然與人類活動的緣由共同引起（IPCC的定義）。氣候變率

（climatevariability）它表示全部時空尺度上氣候平均態(tài)或其它統(tǒng)計量（如標(biāo)準(zhǔn)差，極端事務(wù)發(fā)生頻率）的變更或變異，也可理解為在一個長期氣候變更趨勢或平均態(tài)上迭加的各種時間尺度的氣候脈動或距平變更。它有年頭際，年際，年，季，季節(jié)內(nèi)與高頻變更。有局地尺度，區(qū)域尺度和大陸尺度和全球尺度。氣候變率常常導(dǎo)致一段時間內(nèi)天氣與氣候的異樣。它可以是