氣候系統(tǒng)的教案

氣候系統(tǒng)的教案第1頁/共103頁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個部分的物理、化學(xué)性質(zhì)差異很大，功能各不相同，這5個組成雖相互作用，但又長期獨立存在。第2頁/共103頁

云宇宙空間地球輻射H2O，N2，O2，CO2，O3，氣溶膠太陽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)示意圖第3頁/共103頁大氣+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迫因子：太陽輻射、地球本身的結(jié)構(gòu)作用

（地球旋轉(zhuǎn)、地軸傾斜和軌道運動等））第4頁/共103頁太陽活動影響氣候的幾種可能途徑（1）太陽活動→地球大氣電離程度→大氣經(jīng)圈環(huán)流→氣候變化（2）太陽活動→紫外輻射→臭氧層→平流層熱狀況→氣候變化（3）太陽活動→地球磁場→地球自轉(zhuǎn)速度→大氣和海洋環(huán)流→氣候變化（4）太陽活動→地球磁場→核-幔邊界上的地磁能量→大氣和海洋狀況→氣候變化第5頁/共103頁大氣圈地球大氣圈是幾乎均勻地分布在地球表面上薄薄的一層（地球半徑的0.5%厚）氣體混合物。大氣是氣候系統(tǒng)中最活躍、變化最大的部分，是氣候系統(tǒng)的主體部分。大氣圈對于施加在其上的變化的響應(yīng)時間比氣候系統(tǒng)中任何其它分量短得多。所謂響應(yīng)時間，指的是施加一個小擾動到系統(tǒng)的邊界條件或邊界強迫上，該系統(tǒng)重新平衡到一個新狀態(tài)所需要的時間。

大氣和氣候系統(tǒng)其他成員間的熱量、水分和物質(zhì)交換是氣候系統(tǒng)各圈層之間相互作用的最基本過程：如地—氣之間的熱量、動量及水汽湍流輸送過程；水汽凝結(jié)時的潛熱釋放過程；云對太陽輻射和長波輻射的影響過程；大氣中CO2、水汽及其他微量氣體的輻射冷卻和加熱過程；地表狀況的變化及氣溶膠、山脈、海陸分布等都對大氣圈產(chǎn)生重要作用第6頁/共103頁大氣圈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)動力、熱力性質(zhì):熱慣性和動力慣性小,特征時間為15天左右.第7頁/共103頁

根據(jù)垂直方向上大氣溫度變化、運動狀態(tài)、密度及成分的變化等,將大氣分為:對流層,平流層,中間層,熱層和外逸層.大氣結(jié)構(gòu)第8頁/共103頁9第9頁/共103頁1902年發(fā)現(xiàn)：對流層頂—20km:等溫層第10頁/共103頁對流層

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

對流層溫度變化的最大特點為：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，形成對流運動，并且由于冷、暖分布不均，從而形成各種尺度的大氣運動，如高低壓、鋒面和臺風(fēng)等，帶來各種天氣現(xiàn)象。平流層

溫度隨高度增加平流層沒有山脈且不直接與陸面、海洋相接，幾乎沒有水汽凝結(jié)。因此，這一層大氣運動不像對流層大氣運動那樣復(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)量的十萬分之一。由于紫外線在這一層被強烈吸收，溫度隨高度增加迅速升高。大氣垂直結(jié)構(gòu)第11頁/共103頁分子量主要氣體成分空氣中的含量/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第12頁/共103頁對于具體的大氣成分來說，隨著高度的變化，其濃度變化也十分顯著。二氧化碳CO2,大氣中集中在大氣圈底部，從地面到20km高度以下這一薄層。在20km以下的大氣中一般占0.03%，到了20km以上含量顯著減少。它的天然源主要是海洋脫氣、甲烷轉(zhuǎn)化、生物過程、巖石的風(fēng)化和沉積，比如，火山噴發(fā)，動植物的呼吸和有機物的腐爛、燃燒等；人為源主要是煤、石油、天然氣等礦物燃料的燃燒過程以及大量砍伐森林，隨著人類活動的不斷加劇，大氣中CO2的濃度不斷增加。第13頁/共103頁臭氧O3的形成臭氧與氧分子是親兄弟，臭氧由三個氧原子組成。在高層大氣中太陽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氧原子，一個氧原子和其余的氧分子化合成一個臭氧分子，這就是臭氧的光化學(xué)生成過程。臭氧吸收太陽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氧原子，成為臭氧的光化學(xué)分解過程。

第14頁/共103頁臭氧隨高度的分布第15頁/共103頁大氣臭氧的季節(jié)變化和緯度分布

第16頁/共103頁南極臭氧洞：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第17頁/共103頁臭氧層空洞的發(fā)現(xiàn)

1985年英國南極考察隊在南緯60°地區(qū)觀測發(fā)現(xiàn)臭氧層空洞，引起世界各國極大關(guān)注。臭氧層的臭氧濃度減少，使得太陽對地球表面的紫外輻射量增加，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞作用，影響人類和其他生物有機體的正常生存。關(guān)于臭氧層空洞的形成，在世界上占主導(dǎo)地位的是人類活動化學(xué)假說：人類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）在大氣對流層中不易分解，當(dāng)其進入平流層后受到強烈紫外線照射，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重破壞。第18頁/共103頁臭氧層空洞的形成

對南極臭氧洞形成原因的解釋有三種，即大氣化學(xué)過程解釋，太陽活動影響和大氣動力學(xué)解釋。

第19頁/共103頁CFCs對臭氧分析子的破壞過程氯氟碳化合物第20頁/共103頁臭氧層空洞的危害10多年來，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，就要在衣服遮不住的膚面，涂上防曬油，戴上太陽眼鏡，否則半小時后，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。第21頁/共103頁對人類健康影響

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。第22頁/共103頁對生態(tài)影響

1、農(nóng)產(chǎn)品減產(chǎn)及其品質(zhì)下降。試驗200種作物對紫外線輻射增加的敏感性，結(jié)果2／3有影響，尤其是大米、小麥、棉花、大豆、水果和洋白菜等人類經(jīng)常食用的作物。估計臭氧減少1％，大豆減產(chǎn)1％。

2、減少漁業(yè)產(chǎn)量。紫外線輻射可殺死10米水深內(nèi)的單細胞海洋浮游生物。將會在15天內(nèi)殺死所有生活在10米水深內(nèi)的鰻魚幼魚。

3、破壞森林。

4、南極遭破壞

5、城市影響第23頁/共103頁保護臭氧層行動

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

1995年1月23日，聯(lián)合國大會通過決議，確定從1995年開始，每年的9月16日為“國際保護臭氧層日”第24頁/共103頁1989年3月～5月，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署連續(xù)召開了保護臭氧層倫敦會議與《公約》和《議定書》締約國第一次會議——赫爾辛基會議，進一步強調(diào)保護臭氧層的緊迫性，并于1989年5月2日通過了《保護臭氧層赫爾辛基宣言》，鼓勵所有尚未參加《保護臭氧層維也納公約》及《蒙特利爾議定書》的國家盡早參加。到目前為止，已有150多個政府批準了這項條約。第25頁/共103頁中國對臭氧層的保護：

為加強對保護臭氧層工作的領(lǐng)導(dǎo)，我國成立了由國家環(huán)保局等18個部委組成的國家保護臭氧層領(lǐng)導(dǎo)小組。在領(lǐng)導(dǎo)小組的組織協(xié)調(diào)下，編制了《中國消耗臭氧層物質(zhì)逐步淘汰國家方案》，并于1993年得到國務(wù)院的批準，成為我國開展保護臭氧層工作的指導(dǎo)性文件。第26頁/共103頁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》；

1995年1月23日：聯(lián)合國大會通過決議，確定從1995年開始，每年的9月16日為“國際保護臭氧層日”。第27頁/共103頁第28頁/共103頁1974年，羅蘭（Rowland）和穆連（Molina）發(fā)現(xiàn)氯氟碳化合物(CFCs)會破壞平流層臭氧

1976年，國家科學(xué)院發(fā)布了證實羅蘭（Rowland）和穆連（Molina）發(fā)現(xiàn)的報告

1976年，食品和藥品局和環(huán)境保護機構(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禁止

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

1985年，美國宇航局的衛(wèi)星數(shù)據(jù)證實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，美國全票批準蒙特利爾協(xié)議

1996年，對工業(yè)生產(chǎn)氯氟碳化合物(CFCs)的全面禁止開始實施

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

第29頁/共103頁溫室效應(yīng)（GreenhouseEffect）太陽輻射長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)第30頁/共103頁溫室效應(yīng)（大氣的保溫效應(yīng)）：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(yīng)．第31頁/共103頁主要溫室氣體對全球氣溫升高的貢獻CH4N2OCO2第32頁/共103頁

溫室效應(yīng)固然有維持地表氣溫的好處，但與此同時，也不能忽視過于強烈的溫室效應(yīng)帶給自然界和人類社會的危害。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、影響人類健康5、物種的滅絕6、對流層外大氣的變冷溫室效應(yīng)的危害第33頁/共103頁

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

(3）提高化石燃料的價格2、環(huán)保教育。溫室效應(yīng)對策第34頁/共103頁

中國在延緩人造溫室效應(yīng)方面的具體對策：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)和功能方式來實現(xiàn)溫室氣體減排。②工業(yè)供能部門③交通運輸部門④民用能源2、消除措施：通過各種分離、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）擴大植樹造林，減緩氣候變化和氣候災(zāi)害的速度與幅度。森林可以從大氣中吸收和儲存大量的CO2，是控制人造溫室效應(yīng)的重要手段。我國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）加強對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）中國水文水資源對氣候變化的適應(yīng)性對策（2）中國沿海地區(qū)對海平面上升的對策第35頁/共103頁陽傘效應(yīng)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(yīng)類似于陽傘效果，故稱為陽傘效應(yīng)．第36頁/共103頁火山灰第37頁/共103頁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。達到地球的太陽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)時間變化大，在混合層內(nèi)為數(shù)周到幾個月，在幾百米深的斜溫層響應(yīng)時間達幾個季度，而在深海甚至達幾個世紀到幾百萬年。第38頁/共103頁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，其熱容量占整個氣候系統(tǒng)總熱量的95%第39頁/共103頁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烈，海水溫度的垂直變化很小，因此被稱為混合層。但到某一個高度以后，很快遇到一個較薄的水層，其海水溫度隨深度的變化特別劇烈，這一區(qū)域被稱之為溫躍層。溫躍層混和層第40頁/共103頁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第41頁/共103頁CoupledOceanandAtmosphereProcess第42頁/共103頁海洋性質(zhì)海水密度大于純水，是溫度、鹽度和壓力的函數(shù)鹽度增加時密度增大；溫度升高時（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力、熱力性質(zhì)：反射率小、熱容量大、流速小，動力、熱力慣性大。變化的時間尺度：幾個月～幾年(上層海洋)

世紀尺度(深層海洋)

第43頁/共103頁海洋具有以下三個重要特性：（1）海洋是大氣運動的重要熱源。地球表面約71%為海洋所覆蓋，全球海洋吸收的太陽輻射量約占地球大氣頂?shù)目偺栞椛淞康?0%左右。（2）海洋有著極大的熱容量，相對于大氣運動而言，海洋運動比較穩(wěn)定，運動和變化比較緩慢。（3）海洋是地球系統(tǒng)CO2的最大的匯第44頁/共103頁海洋主要有四方面的影響和作用（1）對地球大氣系統(tǒng)熱力平衡的影響。海洋吸收的約70%的太陽入射輻射，絕大部分（85%)左右被儲存在海洋表層（混合層）中。這些被儲存的能量將以潛熱、長波輻射和感熱交換的形式輸送給大氣，驅(qū)動大氣運動。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%多輸送要由海洋來承擔(dān)（Oort和Haar,1976)（2）對水汽循環(huán)的影響（通過蒸發(fā)、凝結(jié)過程）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。第45頁/共103頁海洋主要有四方面的影響和作用（2）（3）對大氣運動的調(diào)諧作用

海洋的運動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的“記憶”能力，可以把大氣環(huán)流的變化通過海氣相互作用把信息儲存于海洋中，然后再對大氣運動產(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)，例如海洋對太陽輻射季節(jié)變化的響應(yīng)要比陸地上的響應(yīng)落后大約1個月左右；通過海氣耦合作用還可以使較高頻的大氣變化（擾動）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)就因為有海洋的存在而被減弱第46頁/共103頁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存庫，但其在氣候系統(tǒng)中的作用主要在于其對太陽輻射的高反射率等。大陸雪蓋和海冰具有明顯的季節(jié)、年際變化，對短期氣候變化有重要的影響。此外，大的陸地冰原在高達數(shù)萬年的更長時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。

冰雪圈對氣候變化的影響：增加對太陽輻射的反射，減少地表對太陽輻射的吸收，從而影響大氣中的熱源、熱匯的分布第47頁/共103頁冰雪圈組成及結(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~幾百萬年.

對氣候的影響：冰雪面-大氣相互作用第48頁/共103頁冰島的Eyiafjalla冰川(制高點1666m)第49頁/共103頁天山的積雪和冰川第50頁/共103頁這張由美國航空航天局發(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530.95萬平方公里第51頁/共103頁巖石圈（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.

對氣候的影響：地形的動力作用、地表的熱力作用、陸面水循環(huán)。通過質(zhì)量、角動量、感熱的輸送以及通過大氣邊界層的摩擦對動能的耗散，巖石圈與大氣有很強的相互作用。第52頁/共103頁第53頁/共103頁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、海洋和陸地的動物。包括人類本身。植被會改變地表粗糙度、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。人類活動與氣候系統(tǒng)發(fā)生相互作用。生物圈對大氣圈的氣候變化是敏感的。人們正是通過過去這種氣候變化在化石、樹木年輪、花粉等中所留下的信號來獲得地球古氣候信息的。人類活動通過兩種途徑來影響溫室氣體等的變化（1）人類的工業(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的過程減弱，溫室氣體不斷增加第54頁/共103頁第55頁/共103頁植被第56頁/共103頁2.2氣候系統(tǒng)的物理、化學(xué)過程在太陽輻射加熱作用下，在大氣中生成了風(fēng)，在海洋中產(chǎn)生了洋流。風(fēng)和洋流反過來又將熱量從過剩的地區(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運轉(zhuǎn)第57頁/共103頁氣候系統(tǒng)的物理過程與生命周期為2-3周以內(nèi)的大尺度天氣系統(tǒng)的物理過程相比，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)過程主要包括：輻射過程、云過程、陸面過程、海洋過程、冰雪過程、氣溶膠過程、碳循環(huán)及生物過程第58頁/共103頁2.3氣候系統(tǒng)的基本特性1.氣候系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、高度非線性的、開放的巨系統(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：準雙周振蕩、準兩年振蕩等不規(guī)則的變化：百年增暖、大氣環(huán)流的突變第59頁/共103頁氣候系統(tǒng)的性質(zhì)（1）開放的非孤立系統(tǒng)在太陽輻射的作用下，氣候系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生一系列的復(fù)雜過程，各個組成部分之間，通過物質(zhì)和能量交換，緊密地聯(lián)結(jié)成一個開放系統(tǒng)。大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈構(gòu)成了一個由復(fù)雜物理過程聯(lián)系起來的串級系統(tǒng)。這些物理過程包括穿越邊界的能量、動量和物質(zhì)輸送，且生成了大量的反饋機制。第60頁/共103頁（2）響應(yīng)時間差異很大，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)時間的系統(tǒng)看成是同一級的內(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，對于數(shù)小時到幾個月的時間尺度，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迫。對于由數(shù)月到幾百年的時間尺度，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。第61頁/共103頁（3）不穩(wěn)定的高度耗散系統(tǒng)氣候系統(tǒng)是一個高度耗散系統(tǒng)。主要由兩個外強迫來制約其全球行為，它們是太陽輻射和重力。在外強迫中必須把太陽輻射看成是主要因子，它提供了驅(qū)動氣候系統(tǒng)的幾乎所有能量。一部分太陽輻射轉(zhuǎn)換成供大氣和海洋環(huán)流耗散掉的能量。由于摩擦、擴散及其不可逆過程的發(fā)生，氣候系統(tǒng)必須看成是一個高度耗散系統(tǒng)。第62頁/共103頁1)熱力屬性:空氣、水、陸地表面和冰雪面的溫度2)動力屬性：風(fēng)、洋流及其垂直運動和冰體運動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、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.各個氣候子系統(tǒng)之間顯著的熱力學(xué)和動力學(xué)屬性差異第63頁/共103頁圈層和代表物質(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較弱弱弱粘性小較大大大流動性好好差差氣候系統(tǒng)各組成部分屬性的對比第64頁/共103頁3.氣候系統(tǒng)的反饋過程第65頁/共103頁

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。第66頁/共103頁正反饋：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→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。）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）

第67頁/共103頁負反饋：（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、極地溫差小第68頁/共103頁2.4氣候系統(tǒng)的可預(yù)報性1975年，Lorenz把氣候預(yù)報問題分為兩類:第一類氣候預(yù)報：對未來某一具體時段氣候狀態(tài)的預(yù)報，其可預(yù)報性取決于作用于氣候系統(tǒng)的外力和氣候系統(tǒng)相互作用對大氣影響的可預(yù)報性。第二類氣候預(yù)報：與時間無關(guān)，預(yù)測氣候?qū)δ骋挥绊懸蛩刈兓捻憫?yīng)。第69頁/共103頁氣候可預(yù)報性分類Lorenz（1975）將氣候的可預(yù)報性分為兩類：第一類可預(yù)報性

:初始誤差(擾動)隨時間增長（確定性預(yù)報的時效問題）;由于在確定初始狀態(tài)時不可避免地會產(chǎn)生誤差，而這些誤差又必然隨時間增長，尤其是這些誤差還會向低頻譜段傳播，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)報只在某時段內(nèi)（時效極限）是確定的。

第70頁/共103頁第71頁/共103頁第二類可預(yù)報性:外強迫變化引起氣候變化的模擬和預(yù)報能力（大氣對外強迫的響應(yīng)及敏感性）。由于外強迫的改變，尤其是一些持續(xù)性的外強迫異常，必然使大氣環(huán)流和氣候狀態(tài)發(fā)生變化，怎樣估計以及在多大程度上可以較好地估計出這種異常外強迫，一般數(shù)值模擬的辦法進行數(shù)值試驗，看模式大氣對外強迫的響應(yīng)及其敏感性。第72頁/共103頁氣候系統(tǒng)的可預(yù)報性與驅(qū)動力外力——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天文周期：每隔2萬年，地球的自轉(zhuǎn)軸進動變化一個周期（稱為歲差）；每隔4萬年，地球黃道與赤道的交角變化一個周期；每隔10萬年，地球公轉(zhuǎn)軌道的偏心率變化一個周期。

)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：隨機性內(nèi)部因子第73頁/共103頁大氣運動分類從預(yù)報的角度，馮·紐曼（1955）將大氣運動分為三類：

第一類運動:主要由大氣運動的初始場決定，不必考慮外強迫的作用，因此可從初始場外推（短期、中期天氣預(yù)報）;

第二類運動:幾乎完全與初始場無關(guān)，因此只考慮外強迫的作用，可以不考慮初始場做預(yù)報（敏感性試驗）;

第三類運動:距初始場相當(dāng)遠，因此不可能完全從初始場外推；但初始場有一定影響，還要考慮外強迫的作用（相當(dāng)于現(xiàn)在的短期氣候預(yù)測，預(yù)報時效大約是6~12月，預(yù)報準確率上限大約為80~85%）。第74頁/共103頁2.5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(yù)測第75頁/共103頁一、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)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）第76頁/共103頁二、氣候診斷氣候診斷：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。有關(guān)氣候監(jiān)測與氣候診斷的系統(tǒng)性出版物有（1）美國氣候預(yù)測中心(CPC)的氣候診斷公報（ClimateDiagnosticBulletin,月刊）（2）WMO的氣候監(jiān)測公報（ClimatesystemMonitoringMonthlyBulletin,月刊）（3）英國東安吉利亞大學(xué)的氣候監(jiān)測（ClimateMonitor)(季刊）(4)美國每年10月召開的氣候診斷與預(yù)測年會，每屆都有會議文集（5）WMO,WCDP每兩年出版1期氣候系統(tǒng)監(jiān)測專集，題為全球氣候系統(tǒng)。中國氣候中心，月氣候監(jiān)測公報

第77頁/共103頁第78頁/共103頁第79頁/共103頁第80頁/共103頁第81頁/共103頁第82頁/共103頁第83頁/共103頁第84頁/共103頁氣候診斷的內(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（2）氣候變化的診斷研究近百年氣候變化時經(jīng)常用10年平均作為分析的時間單位，如果序列足夠長，有時也可用30年平均或100年平均。氣候平均值變化:t檢驗。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，需要一個嚴格的定義。如：ElNino事件，東亞季風(fēng)強度指數(shù)（4）氣候變化原因的檢測

第85頁/共103頁三、氣候重建最常用的代用資料：（1）孢粉（2）冰芯氧同位素（3）樹木年輪

樹木生長受季節(jié)影響，春材細胞大而顏色淡，秋材細胞小而顏色深，一淡一深組成一圈年輪。當(dāng)水份、營養(yǎng)、日照充足時，年輪寬，反之年輪窄。

14C定年（4）珊瑚（5）史料分析第86頁/共103頁表土孢粉可以反映現(xiàn)代植被的結(jié)構(gòu)，只要詳細比較表土孢粉、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該區(qū)的氣候概況。孢粉是指蕨類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木年輪歷史文獻參考圖例第87頁/共103頁孢粉化石冰芯珊瑚化石樹木年輪歷史文獻蕨類植物（孢子）種子植物（花粉）第88頁/共103頁經(jīng)由碳14定年的技術(shù)，可以透過沈積物的有機質(zhì)中碳14的含量知道這些含有各類孢粉組合沈積物的年代孢粉化石冰芯珊瑚化石樹木年輪歷史文獻第89頁/共103頁孢粉化石冰芯珊瑚化石樹木年輪歷史文獻從冰芯樣品中，能測定冰川的年齡及其形成過程等古氣候資料。第90頁/共103頁孢粉化石冰芯珊瑚化石樹木年輪歷史文獻冬季氣溫低，雪粒細而緊密。夏季氣溫高，雪粒粗而疏松。第91頁/共103頁孢粉化石冰芯珊瑚化石樹木年輪歷史文獻※如何利用冰芯獲取古代氣溫資料？實際測定南極冰蓋上某點的氣溫，以及相應(yīng)時間降雪中

的值。180160得到南極地區(qū)氣溫與

值關(guān)係的曲線180160把過去某一年冰層中

值與上述曲線比較180160第92頁/共103頁孢粉化石冰芯珊瑚化石樹木年輪歷史文獻透過年輪的寬窄，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出幾千年來的氣候變遷情況。如果某地氣