全球气候系统和气候变化.doc

大家好，我今天讲座的内容是全球气候系统和气候变化。全球气候变暖对人、对社会经济设生活带来一系列的影响，所以说我是每年要了解气候变化对人类的生活带来的一系列的影响，为什么发生气候变化，发生气候变化的原因是什么，要了解这一系列的问题，必须对生活的整个气候系统有一些基本的了解。今天全球气候系统和气候变化的题目就是针对这个目的讲的。全球气候系统和气候变化我主要从三个方面来阐述：第一个方面，了解气候系统的概念；它的概念的形成的发展过程；第二个方面了解气候系统的组成，气候系统由哪些部分组成，各个部分的特点是什么。第三个来哦解一下气候变化，也就是气候从古代发生什么什么变化，现在是如何变化的，气候变化了，对我们的社会会造成哪些影响呢？我们呢对三方面逐一阐述。第一个概念是气候系统概念的形成和发展。气候系统概念的形成和发展，我们首先想到气候学，气候学里有三个经典的概念，温度、湿度、压强（地面气压），这是早期气候学三个经典的概念，第二个是气候彼岸变化是指30年的一个平均态，30年的一个平均态主要针对的是温度的平均态、湿度的平均态、压强的平均态，30年这三个气候进店要素的平均态。第三个经典的概念是气候形成的3个要素，研究气候他的三个要素一个是太阳辐射、海洋大陆，然后我们呢关注的圈层是大气圈，或者是大气环流，这是气候学的三个经典概念分布的平均。温度、湿度、压强；30年一个平均值，第三个气候形成的三个要素：海陆分布、大气洋流，气候学三个经典概念，现在这三个因子并不能完全描述气候系统，这三个要素都有了变化，哪些变化呢？首先对三个要素提出了疑问，问题的提出，首先第一个问题，气候平均值的问题，气候30年要素的平均值，某地30年平均就可以代表该地的气候，30年的平均值，30年的温度代表该地气候平均态，现在认识30年至今爱你气候有变化，钱30年和后30年温度有变化，随着气候研究变化的增多，认识到30年间气候有变化，所艺术哦是对于出现的问题，经典气候学，气候平均值受到了挑战。30年气候平均态有变化，但是目前做气候评估的实时候还是用30年的平均值评估。国家IPCC报告里气候彼岸变化评估，现在这个30年我们用的是1960年到1990年30年的平均值，未来气候彼岸变化的程度如何变化，都和1960年到1990年30年的平均值作对比，来研究未来的天气变化，为什么我们要用30年的平均值来做气候变化的研究呢？30年的平均值可以年纪气候变率，粘合年之间的气候变化，能够削弱20年到30年尺度的变化，时间尺度便于运作，30年时间便于计算，现在我们用的是1960年1990年，现在2007年，未来也可以用1970年到1990年作为我们呢的北京年的气候，这是对30年气候的平均值提出了一个疑问，30年气候有变化，30年做气候评估的时候，30你啊年时间短是有变化的未来也许要用70年1990年，总之是30年的一个平均，是一个气候态，第二个问题的提出就是气候是局部的还是全球的，这个问题的提出是伴随着一些现象的发生，气候异常现象，30年代、40年代、60年代末的时候发生了许多气候异常事件，造成了许多气象灾害，这些重大灾害包括全球变暖、平凡的沙尘暴时间还有严重的洪涝、干旱，厄尔尼诺等等这一些，这些发生具有全球性的特点，举个例子比如说我们常听到的厄尔尼诺和拉尼娜，主要是指赤道东太平洋海面异常引起的，赤道东太平洋海面温度异常对印度尼西亚产生影响，我们国家位于赤道西太平洋一侧，赤道东太平洋离我们相当遥远，赤道东太平洋海位异常对中国的降水，赤道东太平洋气候异常也影响到了赤道西太平洋一侧的国家，所以奇虎是局部的还是全球的这个疑问提出了。气候预测不同于天气预测，天气预报使用大气环流模式，用大气圈运动来描述，气候预测不能考虑圈层，必须用一个耦合模式，耦合大气模式、冰雪和路面进行对大气的影响的一个预测，这是气候预测与天气气预报的不同。气候预测不但涉及到大气环流模式，还涉及到冰雪模式等对大气的影响，气候预测必须从全球气候系统的角度来考虑，从一方面说气候也不是局部的，而是全球性的，人类活动带来的污染问世气体的增加，目前研究看来全球气候变暖的主要原因是人类活动产生大量温室气体，这些着是全球性的，并不是甲地排放二氧化碳在极地产生温室效应，温室气体他要扩散，随着大气运动它的输送式是全球性的，带来的气候变暖具有全球性的特点，此地的人类活动不但会影响此地的气候，而且会影响比低的气候，使全球的，而不是局地的，所艺术哦研究其后不能仅限于一个地区，也不能限于研究温、湿、压三个要素，所以说其后是全球性的，研究气候而是整个全球的气候系统，经典概念的提出，自爱一个，从经典气候学发展到气候系统这个概念，第二个客观发展的需要。大约在20世纪60年代末到70年代初的时候，短期天气预报发展比较迅速，从1950你啊你飞利浦短期太难气预报的实效得到迅速的发展，从最初的24小时发展到48小时，到目前72小时。发行中拿到72小时的限度还能不能再继续下去呢，80小时，86小时，再往后延伸呢？这就涉及到数值积分是不是可以继续延续下去的，它是一个数值天气预报，数值积分是不是可以继续延续下去的，数值积分出来的值如果在时间上无限制，模拟出来的结果是否还是有效的，也就是数值积分是否可以无限制进行下去的问题？气候变化是有兆生的，气候变化的噪声混在气候变化里头，原因也十分复杂，气候产生噪声，影响到噪声的因素也比较多，气候本身是变化的，这种噪声、同气候一起和混杂在一起，30年的一个气候值，每天观测，30年下来这些数据里包含了气候变化的的噪声，他们是在一起的，所以说我们在数值积分计算的时候，气候，它也会随着计算时间的延长而累计扩大，随着积分时限的延长，噪声引起的气候的真值（气候值）的误差越来越大，这种误差越来越大，与爆出阿里肯定是失真的，从流体力学的观点可以这样理解，大气是流动的，近似于一种流体，从流体运动来讲，在湍流体的粘性比较小的情况西，随着时间的推移，流体中的湍流接近于马尔柯夫随机过程，它的运动接近于马尔柯夫随机过程就是湍流运动分布不取决于早先的状态，不再存在影响力了，预报都有一个初始值，48小时、72小时，积分积出来的结果是受初始条件限制的，它并不是一个随机的过程。如果随着积分时间的增加，积分时间的延长，兆生累计量越来越大，初始值描述的是气候出场的初始态，气候初始状态对它后面几天积分出来的的数据就没有影响了，这是预报失效了。数值积分不能无限制的延伸下去，气候预测预测的是长时间的一个过程，不同于天气预报，数值积分一直延续下去气候预测是不能实现的。我们就要考虑到其他的方法，从理论上，大气是一个开放的系统，它的外界如同海洋、路面、冰雪圈、这些都是大气圈的外界，物质的交换，如果把大气外界的影响看成是大气圈外延强迫，大气运动的状态就是本身运动和外界运动共同作用的一个产物，大气圈的运动，和它本身有关，同它的而下界面有关，外界的影响我们在气候学上看成是外援强迫，强迫大气，大气后面的运动状态就是大气本身的运动和外界各种强迫发展的产物，这是第一个需要。第二个需要就是20世纪60年代末的时候气候异常事件，钱买你也提到了这个，造成了重大灾害。这种气候异常事件造成的灾害影响面之深，给气候学研究提出了一种需要。提亲预测到气候异常事件，避免灾害带来的影响，提前预测的话提前采取预警预防措施，气候能否预测呢？能预测可以避免给我们人类造成很大的影响，采取一些措施，这是一方面的问题。第三个人类活动，人类活动必定影响气候，气候必定影响人类活动，相互作用，气候和环境的改变必定影响人来的生存。人类活动影响气候，人类活动到底对气候有多大的影响呢？这又是一个问题。社会需求对气候学提出来一些要求，这些问题的解决需要从气候系统的角度来研究气候异常和变化，淡出从经典的大气圈一个圈层来研究这些变化是不能实现的，所以必须从气候异常和气候系统来研究气候变化。在以上几种情况下，1979年召开了为期两周的世界气候大会，这是气候史上的一次盛会，近400人参加了而这次大会，这也是里程碑的一个会议，把气候预测提到研究日程上来。刚才讲了客观发展的需要，需要是做气候预测，但是得有一些基础条件，对其他的学科的发展对气候学也有制约的条件。形成和发展的基础的基础条件具备了，首先是计算机的巨大发展，气候数据是海量的数据，数据量非常大，从前是用手算，很慢，分析资料也是受限制的，后来发明了手摇计算机，气候数据可以用手摇计算机计算，这也是很慢的，现在发明了电动计算机，这种计算机相对于手算和手摇计算机，它的计算量是相当庞大的，所以有了电动计算机，数据能够高效率的进行处理的分析，用一些数学分方法，没有计算机许多原理上可以实现的做法都是不可能的，计算量太大了。没有前期的工作就没有的产生。在形成和发展的基础条件里，比较经常谈到的是沃克三大涛动，当使用的是手摇计算机来实现的，大约雇佣了200个人，用来2年的时间进行气候数据分析，气压场变化的分析。通过分析得出三大涛动理论，什么叫三大涛动大气活动中心的气压变化像跷跷板似的一个变化。大气活动中心甲地和乙地气压的变化属于跷跷板似的变化，甲地气压越高乙地气压越低，属于跷跷板似的变化。在哪些地方有大气活动中心呢，跷跷板似的变化？一个是北大西洋上冰岛低压与亚速尔高压，称为北大西洋涛动。在一个北太平洋上阿留申低压与夏威夷高压。这个叫做北太平洋涛动。在一个南太平洋气压和印度气压，叫南方涛动。这是沃克著名的三大涛动理论。下面看一个图，看一下涛动什么意思？南方涛动图，沃克在1932年做的，地面气压层的变化，南方涛动主要指南太平洋和印度洋之间的一种气压的儿悄悄版的变化，南太平洋是正的变化，在印度洋是负的变化。太平洋气压越高印度洋气压就越低。这就是南方涛动。北太平洋涛动和北大西洋涛动位置不一一，和南方涛动意思是一样的，大气活动中心气压的变化是跷跷板似的。这是形成和发展基础条件的第一点，计算机发展似的原来不可能的工作，游了电动计算机，这种工作就可以做了。再一个就是观测系统的发展，观测系统的发展对气候学的发展有很重要的作用，卫星上天，卫星大面积的监测，有了卫星之后可以对海平买你的温度进行观测，对陆地上冰雪的分部进行观测，对冰川、极地、高原特征进行观测。观测系统的发展为气候提供了研究的依据，这是陆地和海洋上，近些年进行深层海洋观测，卫星可以对大气下地面表层进行观测，深层海洋有一个计划，ARGO计划就是深层海洋的观测，对深层海洋的温度、盐度进行观测，观测系统的发展在全球建立了许多观测站，现在海洋上陆地上布置了很多，地面上、海洋表层都设置海洋观测网，还设置观测仪器，布点也比较密集，天空有卫星对地面和海洋表层进行观测。全球观测系统建立起来了，全球观测系统的建立使得气候系统的研究发展起来。从过去气候学狭隘的概念，大气一个圈层，发展到气候系统的概念，气候系统的概念涉及到大气的一个下地面。气候学研究在本质上有了变化，过去经典意义的气候学和现代意义的气候概念完全不一样，从经典气候学发展到现代气候系统的概念，还和其他学科的发展有联系，有关的学科有了长足的进步。比如统计分析学的发展，研究空间分布用EOF，EOF就是正交分解。20世纪50年代的时候苏联的科学家把统计学理论应用于气象，利用经验正交分解对空间要素场做了分析，对沃克的三大涛动进行了检验，用EOF对气候要素场进行分析，证明了Walker的三大涛动是大气环流变化的最主要的机制。相关学科发展还有一点。20世纪60年代美国的Lorenz提出的大气可预报性问题。Lorenz75年把气候的可预报性分为两类：第一类可预报性和第二类可预报性。第一类可预报性是初始误差随着时间的增长问题，按时间顺序预报气候状态的可能程度。第二类可预报性问题是外源强迫发生变化后，气候变化的模拟和预报能力。什么叫外源强迫？外源强迫就是大气圈的外界对大气的作用。什么叫气候系统呢？气候系统的概念是什么？气候系统是20世纪60年代以后出现的一个新概念，1974年，世界气候大会上第一次明确提出了气候系统的概念。提到气候系统就会想到五个圈层，包括大气圈、水圈、冰雪圈、陆地表面和生物圈，陆地表面我们有时候也称为岩石圈，五大圈层这个系统不仅包括了大气行为，比如大气圈，而且还包含世界海洋，也就是水圈，冰体，冰雪圈和陆地表面的各种行为。气候系统里物理过程和化学生物过程影响着气候，这些过程它们作用的时间和空间尺度不一样，所以说它们在不同的时间和空间尺度上有着一个复杂的相互作用，钩沉过了一个耦合的气候系统，这是气候系统的概念。这张图我们可以清楚地看到气候系统及各个圈层的相互作用，