1氣候動力學(xué)-緒論

氣候動力學(xué)氣候動力學(xué)是以地球流體力學(xué)和大氣環(huán)流動力學(xué)為基礎(chǔ)，是大氣科學(xué)與地球科學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)以及計算機科學(xué)相互交叉的一個前沿學(xué)科。第一章緒論1.1氣候動力學(xué)的任務(wù)、特點和方法1.2氣候變化和氣候可預(yù)報性1.3氣候系統(tǒng)氣候動力學(xué)的定義通過觀測、分析（診斷和理論）和數(shù)值模擬等方法，研究氣候系統(tǒng)各部分發(fā)生的物理、化學(xué)和生物過程以及它們之間的相互作用，認識氣候變化和變異的規(guī)律和機制，為氣候預(yù)測提供理論基礎(chǔ)。1.1氣候動力學(xué)的任務(wù)、特點和方法氣候動力學(xué)的主要任務(wù)和目標了解異常氣候的變化規(guī)律和形成機制，并對異常氣候作出較為可靠的預(yù)測1、應(yīng)用動力學(xué)診斷方法揭露大氣中時間尺度為一周以上的各種異常氣象現(xiàn)象及其變化。例如大氣環(huán)流遙相關(guān)、大氣季節(jié)內(nèi)振蕩和平流層準二年振蕩(QBO)的發(fā)現(xiàn)，平流層爆發(fā)性增溫和ENSO事件的診斷研究2、從氣候系統(tǒng)的各子系統(tǒng)之間的相互作用入手研究上述異常氣候的產(chǎn)生機制。例如從海氣相互作用入手研究ENSO過程，從陸地生物地球物理反饋機制研究干旱化的形成。3、研究在上述氣象異?，F(xiàn)象形成中的動力學(xué)過程。例如研究球面二維Rossby波的傳播過程來解釋大氣中季節(jié)內(nèi)振蕩和遙相關(guān)特征；從波流相互作用的動力學(xué)過程來研究QBO和平流層爆發(fā)性增溫的形成機理。氣候動力學(xué)研究的主要特征氣候動力學(xué)所涉及的范圍包括：產(chǎn)生異常氣候的源，由源引起的長期動力過程，異常氣候出現(xiàn)的整個過程。其最終目的不僅僅是要了解氣候異常產(chǎn)生的原因、過程，而且要提出預(yù)測這種氣候異常的動力學(xué)方法。

氣候動力學(xué)的研究方法動力學(xué)診斷方法純理論的研究方法尋找描寫某一過程的數(shù)學(xué)－物理方程組的解析解數(shù)值模擬方法利用氣候模式如AGCM、OGCM或CGCM來研究氣候異?，F(xiàn)象1、氣候變化的基本特點2、氣候的可預(yù)報性3、WCRP和CLIVAR簡介1.2氣候變化和氣候可預(yù)報性●氣候變化的時間尺度●氣候變化的確定性和隨機性●氣候變化的階段性和周期性●氣候變化的持續(xù)性和突變性1、氣候變化的基本特點●氣候變化的時間和空間多尺度性

氣候變化的時間尺度有長達數(shù)百萬年，直至數(shù)千萬年的冰期和間冰期循環(huán)，也有幾百年，甚至幾年的短期氣候振動。氣候變化所涉及的空間范圍，既有全球的，也有一個洲，甚至更小區(qū)域的。1880年以來北半球年平均溫度的變化(

T)(引自MacCracken，etal.，1990)。(a)、(b)和(c)分別表示不同作者的結(jié)果氣候變化按時間尺度分為六類：短期氣候變化（時間尺度為月或季）年際氣候變化（時間尺度為幾年）長期氣候變化（時間尺度為幾十年-年代際變化)超長期氣候變化（時間尺度為幾百年-世紀際變化)歷史時期氣候變化（時間尺度為千年）地質(zhì)期氣候變化（時間尺度為萬年或更長）由于有氣候資料記載的時間不過幾百年，對于氣候變化的研究也就主要集中在短期、年際、年代際和百年四個時間尺度的氣候變化上，尤其是前三個時間尺度的氣候變化。三個時間尺度的氣候變化問題月和季時間尺度大氣環(huán)流的持續(xù)性異常大氣低頻振蕩邊界條件和外源強迫（SST）年際尺度ENSOQBO火山爆發(fā)海－氣－陸相互作用（上層海洋環(huán)流）年代際尺度人類活動的影響：排放，地表覆蓋全球海洋環(huán)流，包括深層海洋環(huán)流，碳循環(huán)為了深入認識氣候的演變規(guī)律，探索氣候變化的原因，歷史時期和地質(zhì)時期的氣候變化問題也值得研究。當(dāng)然，對于研究后三類時間尺度、特別是后兩類時間尺度的氣候變化，需要通過一些特殊的辦法獲得氣候變化的信息。中國年平均氣溫變化趨勢（%/10a）分布圖（1960—1999）●氣候變化的確定性和隨機性

氣候的日、年變化與地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)有關(guān)，105（10萬）年和3×108年（億年）時間尺度的變化與地球運行軌道參數(shù)及太陽系在銀河系中的運動周期有聯(lián)系，氣候變化具有確定性。在一定的地理緯度、一定的海陸分布環(huán)境和一定的地形條件下，也有一定的氣候和氣候變化特點，都遵循基本的熱力學(xué)、水文學(xué)和動力學(xué)原理。從這個意義上說，氣候變化都具有非隨機性。由于影響氣候的各種外部因素具有不同時間尺度的變化，氣候系統(tǒng)內(nèi)部影響氣候的各種物理過程、化學(xué)過程和生物過程的時間尺度也各不相同，因而某一類型氣候變化的確切程度、影響范圍、確切的開始和持續(xù)時間都是難以確定和預(yù)測的。因此，氣候變化的隨機性是客觀存在的，也正是這種隨機性構(gòu)成了千變?nèi)f化的氣候異常現(xiàn)象。相對于1961－1990年溫度距平（℃）18601880190019201940196019802000-0.8-0.200.40.80.60.2-0.4-0.6●氣候變化的階段性和周期性

氣候的日、年變化是受嚴格的地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)變化周期支配的，是人們熟悉和感覺得到的。

這些不同時間尺度的氣候冷暖交替出現(xiàn)，循環(huán)變化，具有周期性，但是在這些周期變化的大背景中，每次冷暖持續(xù)時間的長度、變化的幅度都是不一樣的，因此氣候變化的非周期性也是很明顯的和客觀存在的。

氣候變化的非周期性與氣候變化的隨機性是有緊密聯(lián)系的。由于隨機性的影響，使實際氣候變化的周期性變得不嚴格甚至很紊亂?！駳夂蜃兓某掷m(xù)性和突變性

在氣候演變的過程中，往往會出現(xiàn)一段時間連續(xù)溫暖或者一段時間連續(xù)寒冷，降水也往往會出現(xiàn)一段時間多雨洪澇，一段時間少雨干旱，這種現(xiàn)象稱之為氣候的持續(xù)性。持續(xù)性也是氣候變化的一種常見現(xiàn)象。氣候從一種狀態(tài)發(fā)展到另一種狀態(tài)需要經(jīng)過一段時間進行調(diào)整，如果這種調(diào)整的時間很短，且兩種狀態(tài)的差異較大，往往就稱之為氣候突變。均值突變趨勢突變變率突變(振幅、周期)

氣候突變類型1880-1999年中國年平均氣溫距平2、氣候變化的可預(yù)報性天氣預(yù)報技巧的改進(CourtesyofA.Hollingsworth,EuropeanCentreforMediumRangeForecasting.)氣候可預(yù)報性：不同時間尺度氣候變化的可預(yù)報程度●氣候的可預(yù)報性

Lorenz(1975)把氣候的可預(yù)報性分為兩類，

第一類可預(yù)報性是初始誤差(擾動)隨時間的增長問題，直接與大氣統(tǒng)計性質(zhì)的預(yù)報有關(guān)，主要表現(xiàn)為按時間順序預(yù)報氣候狀態(tài)的可能程度；

第二類可預(yù)報性是指外強迫發(fā)生變化后，氣候變化的模擬和預(yù)報能力?！谝活悮夂蚩深A(yù)報性第一類氣候可預(yù)報性實際上就是關(guān)于確定性預(yù)報的時效問題，因為預(yù)報時效總會存在極限，超過這個時限時，因誤差太大預(yù)報將毫無意義?！诙悮夂蚩深A(yù)報性大氣是一個開放系統(tǒng)、同外界存在能量及其他交換。如果把外界的各種影響看成外強迫的話，氣候狀態(tài)則是大氣運動與外強迫共同作用的產(chǎn)物。由于外強迫的改變，尤其一些持續(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這種異常外強迫的影響，將是第二類氣候可預(yù)報性問題。對于這個問題，一般都用數(shù)值模擬的辦法進行數(shù)值試驗，研究模式大氣對外強迫源的響應(yīng)及其敏感性?！诙悮夂蚩深A(yù)報性海溫異常對大氣的強迫地形熱力和動力作用對大氣的影響CO2增加引起的全球增暖古氣候數(shù)值模擬3、WCRP和CLIVAR簡介世界氣候研究計劃（WCRP）氣候變率和可預(yù)報性研究計劃（CLIVAR）●世界氣候研究計劃(WCRP：WorldClimateResearchProgram)

世界氣候研究計劃(WCRP)是世界氣候計劃的研究計劃部分，該計劃旨在協(xié)調(diào)和尋求對整個氣候系統(tǒng)的科學(xué)了解,特別是研究在什么程度上可以預(yù)測氣候和人類在多大程度上能夠影響氣候。該計劃設(shè)立于1980年，由世界氣象組織(WMO)、國際科學(xué)聯(lián)盟(ICSU)和聯(lián)合國科教文組織(UNESCO)下屬的政府間海洋委員會(IOC)共同組建。

WCRP涉及的是整個氣候系統(tǒng)，最終目標是為建立月、季、年際以及年代際等氣候預(yù)測提供科學(xué)認識和基礎(chǔ)。政策方面氣候變化框架公約（荒漠化、生物多樣化）政府間氣候變化委員會（IPCC）（科學(xué)評估）研究方面國際地圈-生物圈計劃（IGBP）世界氣候研究計劃（WCRP）全球環(huán)境變化的國際人類活動計劃（IHDP）為可持續(xù)發(fā)展的預(yù)測與服務(wù)能力建設(shè)START與相關(guān)計劃全球氣候觀測系統(tǒng)（GCOS）國家和研究觀測系統(tǒng)WCRP在國際氣候活動中的作用氣候影響評估世界氣候研究計劃(WCRP)包括：

氣候變率和可預(yù)報性研究計劃（CLIVAR）平流層過程及其在氣候中作用的研究計劃（SPARC）全球能量和水份循環(huán)計劃（GEWEX）世界大洋環(huán)流計劃（WOCE）北極氣候研究（ACSYS）和極地氣候計劃熱帶海洋和全球大氣計劃（TOGA）主要目標氣候的可預(yù)報程度；人類活動對氣候影響的可能程度。針對氣候變化的三種不同的時間尺度，WCRP分別提出了三個具體目標:建立月至季度的氣候異常的業(yè)務(wù)預(yù)報方法；預(yù)測年際尺度(幾年)的全球氣候變化；估計年代際尺度(幾十年)的氣候變化趨勢，尤其是估計人類活動對氣候的影響。●氣候變率和可預(yù)報性研究計劃（CLIVAR）

作為WCRP的一個重要科學(xué)研究計劃是在1995年建立的，它是在TOGA與WOCE計劃的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，于1998年正式實施。目前已成為WCRP計劃中最活躍的氣候研究計劃之一?！馛LIVAR的總目標(goals)：（1）通過收集和分析觀測資料與發(fā)展和應(yīng)用耦合模式，并與其它相關(guān)氣候研究和觀測計劃合作，以求能更好地描述和了解造成季、年際、年代和百年時間尺度的氣候變率及其可預(yù)報性；（2）通過收集和集成經(jīng)過質(zhì)量控制的古氣候與儀器觀測資料集，把氣候變率的記錄延長到必需的時間尺度；（3）通過發(fā)展全球耦合預(yù)報模式增加季節(jié)到年際氣候預(yù)測的時效和準確性；（4）了解和預(yù)測氣候系統(tǒng)對溫室氣體和氣溶膠增加的響應(yīng)，并把這些預(yù)測與觀測到的氣候記錄進行比較以檢測人類活動是如何影響自然氣候信號的。CLIVAR計劃的組成部分：CLIVAR-GOALS，主要研究全球海洋—大氣—陸地系統(tǒng)（GOALS）的季—年際氣候變率與可預(yù)報性；CLIVAR-DecCen，主要研究十年到百年的氣候變率與可預(yù)報性；CLIVAR-ACC，主要研究氣候?qū)θ祟惢顒赢a(chǎn)生的輻射活躍氣體與氣溶膠的響應(yīng)?！狢LIVAR-GOALS的研究領(lǐng)域：

G1：ENSO。旨在利用、延伸和改進ENSO預(yù)報，中心問題是研究與ENSO有關(guān)的熱帶太平洋季到年際變率與耦合大氣

-海洋演變。

G2：亞澳季風(fēng)系統(tǒng)變率。研究和確定亞澳季風(fēng)氣候系統(tǒng)可預(yù)報性的上限；從定量的方面研究亞澳季風(fēng)系統(tǒng)由緩變的邊界條件與內(nèi)部動力學(xué)對季風(fēng)可預(yù)報性的相對貢獻；確定亞洲季風(fēng)在全球氣候系統(tǒng)可預(yù)報性中的作用特別是與ENSO有關(guān)的一些部分。

G3：美洲季風(fēng)系統(tǒng)變率。從多方面研究美洲季風(fēng)系統(tǒng)和平均狀態(tài)與變化及其可預(yù)報性，并盡可能進行預(yù)報試驗。

G4：非洲氣候變率。重點是研究非洲氣候年際變率和可預(yù)報性?！狢LIVARDenCen的主要研究領(lǐng)域：D1：北大西洋濤動（NAO）了解影響海洋變化的主要控制因子；年代際變化振幅隨時間增大的原因。D2：熱帶大西洋變率跨赤道偶極子（SST）兩個部分間的動力學(xué)關(guān)系；偶極子模態(tài)與邊界層物理過程的關(guān)系；局地海氣相互作用或遙相關(guān)影響。D3：大西洋溫鹽環(huán)流確定過去10－100年時間尺度變化的時空特征；溫鹽環(huán)流（THC）對表面通量變化的敏感性；了解THC改變的海洋動力過程；估計基于THC影響而預(yù)測氣候的程度。D4：太平洋—印度洋年代際變率是什么樣的海洋或大氣條件造成了大尺度太平洋年代際變化型（包括ENSO和PNA模）；印度洋的年代際變化是否比較好描寫；印度洋年代際變化與熱帶/北太平洋模的關(guān)系。D5：南大洋溫鹽環(huán)流一些特殊水團形成及活動的機制；環(huán)南極波的物理機制及其與低緯的聯(lián)系；冰－海－氣耦合相互作用?！狢LIVAR—ACC的計劃：

A1：氣候變化預(yù)測。對各種預(yù)測模式的工作進行協(xié)調(diào)，盡最大努力改進氣候變化預(yù)測，這包括支持減少氣候變化與大氣強迫不確定性的研究，持續(xù)地發(fā)展和評估氣候模式，并對模式結(jié)果進行比較，另外還要研制標準的排放強迫構(gòu)想。

A2：氣候變化檢測和歸因。前者是要顯示觀測的氣候變化在統(tǒng)計意義上是高度異常的，即這種變化比由自然的內(nèi)部脈動所預(yù)期發(fā)生的變化要大，而后者是要證明這種觀測的變化不可能用自然的原因來解釋，這是一種因果關(guān)系的建立過程1.3氣候系統(tǒng)

氣候系統(tǒng)氣候系統(tǒng)的物理約束在空間和時間上的統(tǒng)計分解氣候系統(tǒng)是由大氣、海洋、冰雪圈、巖石圈和生物圈（包括人類）組成，每個分量都具有許多不同的時間尺度和反饋過程，且各分量之間存在相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)。氣候系統(tǒng)中的某一部分的變化會影響所有的其它部分，較慢子系統(tǒng)（例如海洋和冰川）的反饋過程能引起較快子系統(tǒng)的變化，即大氣具有很長時間尺度的準周期性。氣候系統(tǒng)總質(zhì)量守恒角動量守恒能量守恒水汽守恒氣候系統(tǒng)的物理約束在空間和時間上的統(tǒng)計分解第一項表示時間平均流的輸送第二項表示瞬變波或渦旋輸送第一項表示緯圈平均經(jīng)向環(huán)流輸送第二項表示渦旋輸送平均經(jīng)向環(huán)流輸送（緯向?qū)ΨQ