第八章：第一节：气候系统

第 1节 气候系统及其变化1.什么是天气和气候以及气候变化与气候变率？天气是指在短时间内（ 1-3天左右）发生的天气现象 ，如暴雨，大风，雷暴，高温等。 气候一般是指平均天气 。因而天气与气候变化是相互关联和交织在一起的，人们观测和感觉到的是天气变化。虽然天气与气候是密切相关的，但它们又有重要的差别 ：（ 1）人们可以预测未来 50年或 100年的气候，但不能预测未来几星期的天气，这是人们经常感到迷惑的事，这将会在第二讲说明；（ 2）在全球变暖条件下，仍会发生寒冷的冬天或出现降冷的地区，这也是人们经常感到不解的事情。但是如果看下面的图 1，将会得到清楚的了解。这主要是因为总是存在着冷热的极值。但当对天气做时空平均值，就可以明显地突现出全球变暖的事实。平均状态变化平均状态与 离差幅度同时变化离差幅度变化图 11.气候系统组成及其对气候变化的关系全球气候系统指的是一个由大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈（陆面）和生物圈组成的高度复杂的系统， 这些部分之间发生着明显的相互作用（图 2）。在这个系统自身动力学和外部强迫作用下（如火山爆发、太阳变化、人类活动引起的大气成分的变化和土地利用的变化），气候系统不断地随时间演变（渐变与突变），而且 具有不同时空尺度的气候变化与变率 （月、季节、年际、年代际、百年尺度等气候变率与振荡）。图 2 气候系统及其圈层间相互作用过程概略示意图 气候系统的构成气候系统是地球系统的主要部分之一。地球系统还包括人类与生命系统，社会 经济方面等。 它是一个完整的、相互关联的具有复杂的代谢和自身调节机制的系统。它的生物过程与物理和化学过程强烈的相互作用，以此构成复杂的地球生命支持系统。因而不但需要分别研究系统中各个部分的特征与循环，而且必须研究整个系统的集成行为及各分系统的相互作用。这就需要打破传统学科的观念，研究各学科边界之间的交叉科学问题。 大气圈大气圈是气候系统中 最不稳定，变化最快的部分。 大气圈不但受到其它四个圈层的直接作用与影响，而且 与人类活动有最密切的关系。 人类主要生活在大气圈中，因而大气圈的状态和变化直接影响着人类的生存条件和各种活动。气候系统中其它圈层变化产生的最后影响结果都会反映在大气圈中。因而大气圈是气候系统的中心。大气圈主要通过其中大气成分及辐射收支的变化来影响地球的气候。 首先我们看大气圈中大气成分的变化。 大气由各种气体和水汽以及固、液态质点（气溶胶）、云等组成。 在气体中氮（ N2）占 78.1%（体积混合比），氧（ O2）占 20.9%，氩（ Ar）占 0.93%（表 1）。但这些气体是所谓惰性气体，一般它们与入射的太阳辐射相互作用甚小，与地球放射的红外长波辐射不相互作用，也就是说，他们既不吸收也不放射热辐射。 对地球气候有重大影响的是大气中的许多痕量气体。 如二氧化碳（ CO2），甲烷（ CH4），氧化亚氮（ N2O）和臭氧（ O3）。虽然这些气体只占大气总体积混合比的 0.1%以下，但 由于它们吸收和放射辐射，在地球能量收支中起着基本的作用。所以这些气体又称温室气体。 大气中的水汽（ H2O）也是一种自然的温室气体，并且是最强的温室气体；由于它可以通过相变转化成水滴、云滴与冰晶，因而对地球气候的变化影响很大，其体积混合比随时间和地点变化甚大，一般约占大气总体积混合比的 1%左右。臭氧（ O3）在地球的能量收支中也起着重要作用。大气圈下层（对流层和平流层下部）的 O3是一种温室气体，而平流层中上层的 O3浓度很高，形成了自然的臭氧层，它吸收太阳紫外辐射，在平流层的辐射平衡中起着重要作用。大气中悬浮的固、液态质量（气溶胶）与云以极其复杂的方式与入射太阳辐射和射出长波辐射相互作用，从而影响地球的气候变化，近年来日益引起人们的关注。水圈及其循环水圈由所有的液态地表和地下水组成，既包括淡水（如江河，湖以及岩层中的水）也包括海洋的咸水。 这些水都通过复杂的水圈相互联系在一起（图 3）。海洋和陆面的水通过蒸发或蒸散，以水汽的形成进入大气中，尤其是海洋中的水汽大量的被大气环流输送到陆地上空，在那里形成云、雨。降水的一部分又以地表径流（主要是在河流中）的形式流入海洋，影响着海洋的盐分和环流。另一部分渗透入地下变成地下径流和地下水。前者又可回流到海洋，后者则储存于地下补充那里不断被采取的地下水量。上述水圈循环周而复始，为地球的各种系统提供必需的水源。 l图 3： 全球变暖将 影响整个 水循环过程Bengtson,1998在水圈中对气候影响最大的是海洋 。海洋占地球面积的 70%左右，它一方面可以储存与输送大量的能量，同时还可以溶解与储存大量的 CO2，是全球碳循环中非常重要的部分。根据最近的估计海洋每年可以吸收 17亿吨碳，占化石燃料燃烧和工业生产排放总量的 27%。海洋的环流比大气环流要慢得多，它是由盐分与温度梯度产生的密度差（即温盐环流）驱动的。 北大西洋温盐环流是对气候影响最显著的一种温盐环流。气候的突变与这种环流的突然减弱或关闭有关（图 3）。图 4全球温盐环流输送带示意图海洋有很大的热惯性，这主要是由于海水的热容量很大， 它一方面可以阻尼或减缓巨大的强温度变化，起到了地球气候调节器的作用，另一方面，由于它有较长的记忆力（尤其是在热带海洋），可以长时期内通过海气相互作用影响大气的变化，成为自然气候变率的源。 这就是为什么在目前设计的各种复杂气候模式与碳循环模式中必须把海洋包括在内。在赤道东太平洋中发生的厄尔尼诺和拉尼娜现象（即该区域海表温度迅速升高或减少的现象）是由海洋产生的最显著的自然变率，它已成为目前各国进行年际预报和季节预报的最重要气候强信号。 岩石圈和陆面过程岩石圈是指固体地球的上层部分，既包括陆地，也包括海洋。 它由所有地壳表层岩石和上地幔中的低温弹性部分组成。火山活动虽然是岩石圈的一部分，但不包含在气候系统之中，而是作为一种自然的外强迫因子影响地球的气候。 岩石圈与气候变化最密切相关的部分是地壳、地幔和陆面的结构。它们可通过改变天气的化学成分影响地球的气候。 这种现象被称为气候变化的地质构造原因。地壳分裂成不同的板块，板块又漂浮在地幔上。当两块板块相碰撞时，可引起一系列的物理变化过程（图 5）。火山爆发，造山运动是物理过程，可以改变地球上的气候，是目前地球大气成分的一个来源。在地质年代的气候变化中，这种地质构造变化的原因十分重要，今后还将继续是重要的气候变化因子。陆面的结构或其粗糙度在风吹过陆面的时候也可从动力学上影响大气。粗糙度一般决定于地形和植被条件。风也把沙尘从地表吹到大气中去，从而影响区域大气辐射收支。沙尘暴的发生就是一个最明显的例子。 图 5 板块俯冲、海底扩张和造山运动的示意图生物圈它 包括陆地和海洋以及所有的生态系统和生物。 通过生物圈生物过程与物理和化学过程强烈地相互作用可以产生维持地球上生命系统赖以生存的环境。生物圈对大气成分有重要影响，例如生物过程通过海洋大量吸收 CO2以此控制着长期的大气 CO2浓度。通过植物 浮游生物的光合作用减少海洋表层的 CO2含量，以此使大气中更多的 CO2溶解于海洋中（图 6）。大约在海洋上层植物 浮游生物吸收的 25%碳又沉入海洋内部，在那里它不再与大气接触，储存于深海达几百或几千年，这种所谓生物泵与上述 CO2的溶解过程控制着海气的 CO2交换分布型（图 7）。因而生物圈在碳循环中起着中心作用。陆地生物群也是气候系统中的一个重要部分，其功能很多。例如陆地植被类型影响蒸发到大气的水分以及太阳辐射的吸收或反射。植被根部的状况与活动也对碳与水储存以及陆气通量有重要作用。叶面指数是描述植物群冠作用的一个重要指数，它与全球和区域气候变化有密切的关联。 陆地生态系统的生物多样性影响关键生态系统过程的量级（如生产力），对生态系统的长期稳定性有重要作用。图 6 海表和低层大气相互作用图排放径流气溶胶降雨感热潜热交换干湿沉降pH调节 氧化化学冰辐射海盐质点气体交换营养物浮游植物 细菌浮游动物 病菌光化学溶解有机物三种主要海洋碳泵制约着自然的大气 CO2变化：溶解泵，生物碳泵和碳酸钙反泵。海洋对人类 CO2的吸收由海表无机碳的吸收与人类碳从海表到深海的吸收决定。如海洋环流不变，因为营养循环不变，生物泵不受太大影响。如果海洋环流减慢，人类碳的吸收由无机缓冲过程和物理输送决定。但如果其下沉速度不变，海洋颗粒物通量可达到深海。图 7 海气界面与碳循环冰冻圈冰冻圈包括大陆冰川、雪区、海冰和冻土以及格陵兰和南极的冰原。 目前，冰川覆盖了全球地表约 3%面积，它储存了75%的非海洋水（淡水）。海冰占 7%面积，永久冻土占陆面的2025% 面积。冰冻圈对气候系统之所以重要是由于它对太阳辐射有较高的反射率（反照率），低热传导率，大的热惯性以及在驱动深海环流中的关键作用。它能影响地表能量与水汽通量、云、降水、水文循环以及大气与海洋环流，但最明显的影响是对海平面高度。因为冰原储存了大量的水，其体积变化可引起海平面上升。如果包含近 90%世界冰川冰的南极冰原全部融化，全球海平面将可能会升高 70米。如果只是南极冰原西部融化（这是很可能发生的， 2002年 3月已有其中的拉森 B 冰架断裂与融化），也足以使海平面上升 6米左右。因而冰川的质量平衡代表了对海平面的一种直接影响。目前 冰川对海平面变化最直接的作用是通过高山冰川的融化与冰架边缘地区的融化实现的。据估计，近百年海平面上升的约一半高度是冰川融化的结果。 2.气候系统中各圈层的相互作用气候系统的各圈层不是独立存在的，它们之间发生着明显的相互作用， 这种相互作用不但有物理的，化学的和生物的，还具有不同的时间与空间尺度。从而使气候系统成一个非常复杂的系统。 气候系统的各圈层，虽然在组成、物理与化学特征、结构和状态上有明显的差别，但它们都是通过质量、热量和动量通量相互联系在一起，因而这些圈层是一个开放的相互联系的系统。 在气候系统各圈层相互作用中，最重要的是海气相互作用、陆气相互作用和陆海相互作用。 海气相互作用海洋和大气强烈地耦合在一起，并通过感热输送、动量输送和蒸发过程交换热量、水汽和动量。 热量和水汽是水文循环的一部分，可产生凝结，形成云、降水与径流，并为天气系统提供运动的能量。另一方面，降水对海洋的盐度及其分布和热盐环流有影响。 大气与海洋也交换 CO2，都是全球碳循环的重要部分。 CO2在下沉到深海的极区冷水溶解，在近赤道较暖的上升海水中释放从而维持一种平衡。虽然对于海气相互作用已认识到它的重要作用，并且也进行了长期的观测和研究，但还有许多重要的问题了解不够，且定量的计算更少，特别是海气间的化学物理相互作用及反馈作用。对于这些相互作用是怎样影响气候系统或被气候所影响的问题也不是很清楚。另外值得研究的问题还包括：上层海洋的物理、化学与生物过程怎样影响海气通量以及气候状态？气候系统怎样影响海洋生态系统的结构与生产力？物质尤其是碳化合物是怎样输送或储存于深海中的？联系海洋与大陆边缘的关键物理、化学与生物过程又是什么？陆气相互作用这是气候系统中最基本的相互作用之一， 包括冰冻圈中的积雪、冰川、冻土及岩石圈与大气的相互作用；包括各种物质、热量、水汽输送与转换以及土地利用变化等。 关键问题为：陆气之间的水与能量交换如何改变地球上的气候与痕量气体的排放和沉降？陆面大量的中小尺度过程如何一起影响大尺度天气过程？人类引起的陆面覆盖变化在陆气界面过程以及整个气候系统中的作用是什么？为人类提供食物与纤维的生态系统，怎样受到气候变化与人类利用的影响？ 陆海相互作用最关键的问题是海岸带地区的变化及跨边界输送问题，这包括：跨陆 海界面的物质输送及沿岸生态系统对气候变化的影响；海岸带的加速变化对来自上游陆地地区的物质转移，过滤或储存的能力的影响；气候系统的系统变化对海岸带特别是最脆弱地区的影响以及海气界面对加热场及大气环流的影响等。气候包含了非常复杂的物理、化学与生物过程以及圈层之间的相互作用。气候系统中任意圈层的任何变化， 不论它是人为的或是自然的，内部的或是外强迫的，都会通过相互作用造成气候系统的变化或气候的变异。*气候变化中的生物地球化学过程参看附录 B在各圈层相互作用过程中，主要进行水、碳和氧的交换与循环过程。水循环的图示给出在图 3中。气候系统中最大的水源区在地幔中（见表 1）。火山爆发时，地幔中的水向外喷发。估计在地球生命中只有 5%的水被释放出来。表 1 气候系统中单位面积上各种水源的质量（ 103kgm-2）及留存时间（大气科学， 2008）水源 质量 存留时间 水源 质量 存留时间大气 0.01 几天 格陵兰岛冰川5 10000年淡水（湖泊、河流）0.6 几天到几年 南极冰川 53 10000年淡水（地下水） 15 上百年 海洋 2700高山冰川 0.2 上百年 地壳和地幔20000 1011年碳循环过程由图 8表示。碳储存在大气、海洋、生物圈与地壳中。这就是碳库。它们之间发生着明显而复杂的交换（通量），最后调剂和决定着大气中碳的浓度。即两种温室气体的浓度： CO2和 CH4。图 8 地球系统不同碳库间的碳循环大气与海洋地壳生物圈地幔层光合作用呼吸与衰亡埋藏俯冲海床扩张风化作用火山活动大气中的氧在地球形成的早期，主要是氢，后来氧增多了，氢气大量减少，这是氧上升的时期。从而也有了地球的生命，氧主要通过生物群的光合作用产生，通过氧化过程而减少，目前正开始处于氧的减少时候（图 9）。海洋的酸化可以导致海洋中氧的减少，将威胁海洋生物和生态系统的安全。CO2浓度和 O分子浓度变化全球排放的碳总量和 13C和 12C同位素比的变化图 9 3.气候演变的表征：气候变化与气候变率气候变化是指气候平均状态统计学意义上的巨大改变或者持续较长一段时