现代气候学期末复习

.1.气候:在太阳辐射和气候系统各子系统相互作用下，地球上某一地区在某一特定的时段内天气的长期统计状态。2.气候系统:包括大气圈、水圈、陆圈(陆地表面)、冰雪圈和生物圈在内的，能够决定气候形成和变化的统一的物理系统。3.现代气候学:围绕平衡态的扰动或对平衡态的偏差或距平。特点:1)从气候变化来研究气候。从变动中认识气候，不再仅仅局限于追求解释气候平均值，推动气候预测研究发展;2)从气候系统来研究气候，即包括大气、海洋、冰雪、陆地、生物圈;3)从气候动力学来研究气候，现代气候学研究的灵魂。与传统气候学的联系与差别:联系:现代气候学和传统气候学都是研究气候的学科，前者是后者的发展。差别:1)对气候的认识。在传里，阐明气候和生态(主要是植被)的关系时采用气候带的概念。在现中仍是有意义的概念，但为了描述气候异常或气候距平的全球分布，揭露不同地区距平之间的相互关系及其中的动力学问题，需引入气候距平型。2)对气候系统概念的引入。传着重描述各个系统因子的时空特征，即只考虑大气本身的一些参数。现主要研究气候变化，决定气候变化的因子不单是大气内部的种种过程，还决定于发生在大气上、下界处的各种物理和化学过程。3)研究内容和方法。传中的统计方法和定性描述方法在地理气候学中是有用的，现更需要推理和定量的研究，并要求对气候系统进行定量的大规模观测和综合分析，高度重视气候系统的相互作用动态过程的物理动力学理论研究及对气候形成和演变的数值模拟。4.气候系统的组成:大气、海洋、冰雪圈、岩石圈和生物圈5.大气圈的组成:干洁大气(干空气)、水汽、悬浮在大气中的固液态杂质结构:对流层(1718km)、平流层(1855km)、中间层(5585km)、热层、散逸层。特性:1)热惯性小:其热力响应时间约为1个月;2)输送作用强:热量、水汽、动量、气溶胶、二氧化碳、臭氧等;3)动力作用活跃:水平运动和垂直对流形成各种天气现象。6.水圈的组成:海洋、河流、湖泊、地下水和地表上的一切液态水特性:反射率小，热容量大，流速小，动力、热力惯性大对气候的影响:对温度的调节作用，水汽的发源地;海气相互作用7.岩石圈的组成:地球表层的固体表面，由岩石、土壤和沉积物组成。包括高原、平原、山地、丘陵、盆地等特性:反照率较海洋大在0.100.80之间;热容量小，热惯性小对气候的影响:动力作用、热力作用、物质交换8.冰雪圈的组成:大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪盖，包括格林兰、南极、大陆冰川、冻土等特性:反射率大作用:淡水的重要来源，高反射率对气候有重要影响9.生物圈的组成:陆地和海洋中植物、空气、海洋和陆地生活的动物，包括人类作用:调节温室气体及其他大气成分(二氧化碳、甲烷、水分等)植被的作用:影响地表反照率、蒸发、蒸腾、径流、表面粗糙度、二氧化碳平衡等10.温室效应(大气的保温效应)：大气中的温室气体对太阳辐射的吸收很少，但却能强烈地吸收地面辐射，同时又向地面放射长波辐射，补偿地面因放射辐射而损失的能量，使地面气温升高的效应。11.阳伞效应：气溶胶对太阳辐射的散射和吸收，使到达地面的太阳辐射减弱，引起地面气温的下降，其效应类似于阳伞效果，故称为阳伞效应。12气候系统的基本特性气候系统是一个复杂的、高度非线性的开放系统 ；各个气候子系统间显著的热力学和动力学属性差异；气候系统的反馈性；气候系统的可预报性13.气候系统的反馈过程(正反馈、逆反馈)反馈：将系统的部分输出作为输入重新输进系统，从而使系统的净响应得到改变正反馈：反馈过程造成的变化与原变化同号，系统偏离稳定状态向一个极端方向发展负反馈：反馈过程造成的变化与原变化反号，抑制变化和异常的发展，系统状态在平衡态附近振动正反馈过程举例：冰雪反照率与全球温度；水汽与地面温度；CO2与全球温度；植被反照率稳定度反馈；高云(或云顶高度)逸出辐射温度负反馈过程举例：温度与全球云量；大气温度长波辐射；(中低)云量多太阳辐射少稳定度大云量少；蒸发量大水面温度低蒸发小；极赤温差大热量输送大赤道、极地温差小14.气候系统的可预报性第一类可预报性(时间意义上的可预报性)：初始误差(扰动)随时间的增长问题，直接与大气统计性质的预报有关，主要表现为按时间顺序预报气候状态的可能程度第二类可预报性(与时间无关的敏感性预报)：外强迫发生变化后，气候变化的模拟和预报能力15.气候系统的研究内容：气候监测、气候诊断、气候重建、气候模拟、气候预测16. 辐射：自然界中的一切物体都以电磁波的方式向四周放射能量，这种传播能量的方式称为辐射。辐射特点：辐射透过空间并不需要媒介物质，真空中也可以进行能量的传输辐射能：通过辐射传播的能量，称为辐射能，也简称为辐射。辐射通量：单位时间内通过某一截面的辐射能，又称辐射功率，单位为瓦。其中波长为的辐射通量与值有关。辐射通量密度（E，单位：W/m2 ）： 单位时间内通过单位面积的辐射能量。入射辐射通量密度：投射来的辐射；放射辐射通量密度：自物体表面射出的辐射。辐射强度（I，单位：W/m2）：单位时间内，通过垂直于选定方向上的单位面积（对球面坐标系，即单位立体角）的辐射能。E与I的关系：平行光辐射情况下， I = E / cos 为辐射体表面的法向与选定方向间的夹角。17. 基尔霍夫定律（Kirchhoff热辐射定律）：它用于描述物体的发射率与吸收比之间的关系。在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。18. 维恩位移定律：在一定温度下，绝对黑体的温度与辐射本领最大值相对应的波长的乘积为一常数，上述结论称为维恩位移定律。它表明，当绝对黑体的温度升高时，辐射本领的最大值向短波方向移动。维恩位移定律仅与黑体辐射的实验曲线的短波部分相符合。19.斯蒂芬-玻尔兹曼定律： 一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量j* 与黑体本身的热力学温度T的四次方成正比。20. 太阳常数(I0) : 大气上界、日地平均距离处、垂直于太阳光线方向、单位时间、单位面积接收到的所有波长的太阳辐射能。21. 太阳高度角:太阳光线与地球水平面的夹角22.赤纬角(太阳赤纬)：是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。23.太阳高度角的计算公式：太阳高度角随着地方时和太阳的赤纬的变化而变化。太阳赤纬（与太阳直射点纬度相等）以表示，观测地地理纬度用表示（太阳赤纬与地理纬度都是北纬为正，南纬为负），地方时(时角)以t表示，有太阳高度角的计算公式：sin h=sin sin +cos cos cos t24. 天文辐射：大气上界与地球表面同心球面上接收到的太阳辐射，或者说不考虑大气圈影响的地表面太阳辐射称为天文辐射。1）天文辐射的年变化：具有以一年为周期的季节性变化特点，但不同纬度具有不同的变化幅度，中高纬度的年变化显著，低纬度的年变化小。2）天文辐射的空间变化：具有随纬度增高而减小的趋势。不同季节或不同区域这种趋势有强弱差异。25. 大气对太阳辐射的吸收：大气分子被入射太阳辐射激发，由低能级跃迁到高能级的过程称为吸收。散射：指每一个散射分子或散射质点将入射的辐射重新向各方向辐射出去的一种现象。 26.瑞丽散射：是由比光波波长还要小的气体分子质点引起的。由气体分子产生；能量向所有方向散射；前、后向辐射量最大；散射能力与波长的四次方成反比；主要散射短波辐射27. 米散射：当球形粒子的尺度与波长可比拟时，发生的散射为米散射。由气溶胶产生；能量主要集中在前向；对各中波长的散射能力相等；引起灰蒙蒙的天空28.大气窗：位于地面辐射波段最强处,大气的吸收率最小,透射率最大,这一波段能量透过大气射向宇宙空间,将这一波段称为大气窗。29. 大气质量:太阳光投射到地面所经路程中,单位截面积空气柱的质量.大气质量数(m)：实际投射条件下的大气质量与垂直投射下的大气质量的比值。30.到达地面的太阳总辐射 (地表总辐射)：实际大气条件下,到达地面的直接辐射和散射辐射之和。影响因子:太阳高度角(天文辐射)、云量、大气透明度.31.地面有效辐射：地面辐射减去地面吸收的大气逆辐射。32.地面辐射差额:单位地表面面积所吸收的总辐射和有效辐射之差33.地面能量平衡：地面获得辐射差额时，一方面提高地表温度，一方面将盈余的热量以湍流显热和潜热向大气输送以及地表活动层的分子输送，常年平均，期获得的辐射差额与支出达到平衡。 地-气界面能量平衡方程 Rg=LE=Qp+ARg-地面辐射差额。 LE-地面与大气的潜热交换。 Qp-地面与大气的显热交换。 A -地面与下层间的热量交换。34.地表反照率：到达地面的太阳总辐射其中一部分被反射回去的辐射通量，称为地表反射辐射，其占入射总辐射量的比值称为地表反照率。 a=Q反/Q35.太阳辐射通过大气层是如何被消弱的？太阳辐射光通过大气圈，然后到达地表。由于大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和发射作用，使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面，所以在地球表面所获得的太阳辐射强度比1370W/m2要小。36. 水量平衡：水分循环的数量表示，即任一区域在某一段时间内，水分收入与支出的差等于该区域在该时段内的水量变化。长期意义下，任意区域水量保持收支平衡。 水量平衡方程（陆地某一区域在某一段时间内） : W=P-E-R (W 水量变化P 降水 E 蒸发 R 径流)37. 水分循环：在气候系统各圈层间的永无休止的循环运动；外循环（大循环）：水分由海洋输送到陆地，又回到海洋的循环。内循环(小循环)：由海洋(陆地)通过蒸发的水汽，再以降水的形式直接落到海洋(陆地)的循环。水分循环的意义：A将气候系统各圈层紧密联系在一起，形成有机整体；B输送地球上的能量和物质；C使海洋和陆地联系更紧密；D可再生资源。影响水分循环的因素:气象因素、下垫面因素、人类改造自然的活动38.蒸发：水分从物体表面（蒸发面）向大气逸散的现象 蒸发率：单位时间从蒸发面单位面积上逸散到大气中的水分子数与从大气中返回到蒸发面的分子数的差值（当为正值时）。蒸散土壤蒸发植被蒸腾。广义的蒸发=陆面、水面的蒸发+植物的蒸腾+冰雪面的冰雪汽化。39.降水：(1)水汽来源：蒸发和水汽输送形成条件：水汽条件、垂直运动、云滴增长过程.(2)空间分布特征：局地性强.40.径流:(1)分类：地表径流和地下径流(2)形成：由降雨到水流汇集至出口断面的整个物理过程。包括以下几个阶段：A降雨过程流域的蓄渗过程. B坡面漫流过程C河网汇流阶段D地下径流过程(3)径流定义：a.截留水量：降雨到达地面时，被暂存在地面的植物和建筑物等的表面一部分降雨；b.超渗水：降雨强度大于下渗强度时，坡面有积水和流水；c.蓄渗过程：植物截留、下渗及洼地蓄水过程的总称；41.净水量（产流量）：降水扣除损失后的雨量；地下径流（基流）：雨水经下渗到地下，一部分到达土壤的饱和层抬高地下水位，缓慢注入河流42.海洋的作用1)、对地球大气的系统热力平衡的影响 a）巨大的热能载体 b）热能输送；2)、在水循环的角色：提供大气的主要水汽来源，并通过蒸发和凝结潜热 影响气候变化；3)、对大气运动具有调谐作用：巨大的热惯性调制大气的高频变化为低频变化4)、对温室效应的缓解作用。43.陆气生态系统-大气 气候变化：气温增加提高植物的呼吸作用，从而释放更多的碳；气温增加提高氮的矿化，进而刺激植物的生长固定更多的碳。植物生长:CO2的施肥效应；氮沉降施肥44.海洋的热力状况：1）海洋温度随纬度增高而降低；2）低纬西部海温高于东部，中、高纬东部海温高于西部（受寒、暖流的影响）；3）北半球各纬度平均海温高于南半球相应纬度；4）全球平均海温（17.4）高于气温(14.3)，海洋是大气的热源；5）海水温度变化小于同纬度的大气和大陆。45.温跃层：位于海面以下100200 米左右的、温度和密度有巨大变化的薄薄一层。46.海洋表面流风应力流：受海表面风的应力作用，因动力原因产生的海流；47.海洋温西高东低的原因？秘鲁寒流沿着大陆两侧北上，其中一部分在赤道附近变成南赤道海流后向西移动沿低纬海域由东向西吹的信风使赤道附近的暖水积蓄在太平洋西侧，通常称为暖池。相随于信风沿赤道吹东风，太平洋东侧下层冷海水涌升到海表面.48.海洋的动力状况:在离岸风的作用下，海洋表层水随风离岸，深层海水上涌，海面降温，大气层结稳定，少雨。在向岸风的作用下，海洋表层水向岸辐合，表面海水下沉，大气层结不稳定，沿岸地区多雨。49.海洋在气候形成中的作用1）海洋是大气运动的直接能源：海洋吸收了进入地表的太阳辐射的80%，且其中的85%贮存在海洋表层，这部分能量以长波有效辐射、潜热、和显热交换形式输送给大气。2）既是大气巨大的热量贮存库。又是大气温度的调节器；3）是地球上CO2的贮存库：以缓解人类活动排放CO2产生的温室效应有重要作用4）洋流在高低纬度间的热量传输上起重要作用。50. 大气环流：一般是指具有世界规模的、大范围的大气运行现象，既包括平均状态，也包括瞬时现象，其水平尺度在数千公里以上，垂直尺度在10km以上，时间尺度在数天以上。51季风的定义：一般地说，季风指近地面层冬夏盛行风向接近相反且气候特征明显不同的现象，是大气环流季节变化的一种最典型的情况。52. 海陆风：是由海陆间气压日变化不同而引起的沿海地区的风向转变现象，而季风是由海、陆之间气压的季节变化而引起的风向转变，规模很大，且一年为周期的现象。 53.季风形成的原因：1)海陆分布：海陆热力性质差异以及这种差异的季节变化2) 行星风带季节位移的作用3) 青藏高原作用54.青藏高原对季风的作用：1)热力作用。夏季：热源（低层形成强大热低压，盛行气旋性环流）。有助于高层南亚高压和东风急流的形成和维持，这与印度西南季风的爆发有直接的关系。 冬季：冷源 2) 动力作用： a对气流的分支、绕流和汇合作用b对气流的爬越作用c对气流的屏障作用55. 气候的地带性：气候系统中的能量,大气运动及气候要素在空间上的分布都具有一定带状特征.这种带状分布近似于与纬圈一致,因此气候的差异也具有一定的带状特征。56. 气候的非地带性原因：水平方向的海陆分布、垂直方向随海拔高度的变化。植被生长的关键：温度和降水 57.温盐环流：由于海面的受热和冷却不均匀，蒸发和降水的不均匀，而产生的温度和盐 度的变化，导致因海水密度分布不均匀而形成的热力学海流温盐环流对气候的影响：a海洋环流通过极向热输送对气候系统产生重要影响。b海洋环流将低纬度的热量带到高纬，在50N附近，通过强烈的海气热交换，把大量的热量传递给大气，再通过大气环流把能量输送到更高纬度地区。 c大西洋是当前气候系统中主要的向高纬度的热输送器。d大西洋与太平洋的主要差别还在于，大西洋的极向热输送由南极向北极，而太平洋的情况则是自赤道向两极传递。 58.海气相互作用：1)海洋对大气的热力作用：大气和海洋运动的原动力都来自于太辐射能，但海洋的净辐射收入比较大，尤其是热带地区海洋，因此热带海洋在热量贮存方面具有更重要的地位。2)大气对海洋的动力作用：大气主要是通过风应力向海洋提供动量，改变洋流及重新分配海洋的热含量。59. 厄尔尼诺：海洋异常现象，用来指发生在厄瓜多尔南部和秘鲁北部沿海面温度异常升高的现象。成因：东太平洋东南信风减弱，使南赤道暖流减弱，同时赤道逆流增强，最后造成东、西太平洋水温“西低东高”。拉尼娜: 赤道东太平洋海温低于正常值的事件。南方涛动：大气环流异常，用来描述热带太平洋地区和热带印度洋地区的气压场（SLP）反相变化的跷跷板现象。 (塔希堤岛与达尔文的SLP差值 )ENSO：厄尔尼诺和南方涛动的总称。沃克环流：在东赤道太平洋地区强烈的冷海水上翻，使得其海洋表层温度与西赤道太平洋地区的“暖池”之间形成强烈的对比。在东赤道太平洋冷水域的上空大气强烈下沉，西赤道太平洋印度尼西亚海洋大陆上空大气对流强烈，大气以上升为主，这样就形成一个闭合的东西向环流圈，称为沃克环流。ENSO对全球气候的影响：归根结底是ENSO影响大气环流变化而导致的结果。再早开始收到影响的是热带大气环流，其影响程度也最明显，相继与之相关的中、高纬度大气环流也随之变化，气候也将产生相应的变化。60. 厄尔尼诺发生发展的过程一般有三个特点：1.在厄尔尼诺发生前期，西、中热带太平洋的东风减弱或转变为西风，同时在中太平洋有弱的增温；2.在秘鲁沿岸首先出现明显增温，随后在东太平洋东风减弱；3.秘鲁沿岸的增温向西传播，可到达中太平洋。但是在有些年份ENSO事件的发展并不与上述过程和基本特征相一致。61. 冰雪圈： 积雪、河流和湖泊的结冰、冰川、冰盖、冰架、冰原、冻土等等，就被归结到了一起研究，称为冰雪圈 。62. 冰雪的特性：高反射率；大融解潜热；低热传导率（尤其是海冰）；融冰化雪吸收大量的热量；影响海水盐度。63.冰雪对气候的影响：a冰雪的多少与气温和降水量有直接关系；b冰雪本身对于太阳辐射有很高的反照率；c冻土的面积比积雪范围更广，而冻土的存在可以改变地表与大气之间能量和湿度的交换，也是气候过程中的一个重要因素。 d冰川粒雪盆钻探取得冰岩芯分析研究，在重建气候变化历史上有重大作用。e通过冰川雪线所在消融量和积累量平衡值的计算，可大致确定高山区的降水量，一定程度上弥补西部山区气象台站稀少的缺憾。 f通过冰雪的反射率和冰川融化起作用，干净冰雪的反射率比土和水大得多，又由于冰川融化热和水的汽化热分别是同体积液态水升高1所需热量的80倍和539倍，因而冰雪圈在地表热量平衡中有举足轻重的作用。g通过水循环影响气候，全球变暖、冰川和冰盖融化促使海平面上升，海洋面积扩大，蒸发增加，由海洋上水汽输送到大陆，大陆降水亦相应增加，64. 冰雪圈的五种类型的特性：季节性雪盖、海冰、冰原、高山冰川、永冻土65.冰雪圈的季节变化：由太阳辐射的季节变化引起冬季冰雪覆盖面积大，夏季小北半球不同年份间秋季积雪面积的变化绝对值最大，夏季积雪面积变化的相对比例最大，冬季的积雪面积反而相对稳定。北极海冰的春季和初夏对冬季海冰有很好的记忆能力，持续时间一般为3-4个月66. 人类影响气候的活动方式主要有：1）化石燃料利用及农业和工业活动排放的二氧化碳等温室气体增加大气中温室气体浓度；（2）人类活动排放导致大气中气溶胶浓度的变化；3）人类社会的发展不断改变土地利用形式和下垫面的性质。67.气候变化：由气候系统各种要素(如气温、降水等)所表征的气候状态在较长时段内统计特征的变化，即某一气候要素与平均态的偏差或气候状态间的变化。其变化的主要形式有趋势变化、气候突变、气候波动等。气候异常：超过一定程度的气候变化。气候趋势：气候的长期变化倾向，即在记录时期具有平滑而单调地上升或下降特点的气候变化。气候波动（振荡）：气候呈现准周期性的平滑的变化趋势。气候突变：气候从一种稳定态(或稳定持续的变化趋势)跳跃式地转变到另一种稳定态(或稳定持续的变化趋势)的现象。68.下垫面性质改变的气候效应:1）改变地面的反射率，影响地面的辐射差额；2）改变地面的热容量和水分储存，影响下垫面温度的变化；3）由于1）和2）改变了地面与大气间的显热和潜热交换，影响了气温和大气水分。4）改变下垫面的粗糙度，影响了地面风的大小，对大气降水产生一定的影响。人为热：工业生产、机动车辆废热排出、居民炉灶、空调等消耗的能量迅速增大，直接增暖大气。69.气候效应:1）混浊岛效应：污染物质比郊区多，凝结核远多于郊区，云量 多、日照时数少；2）热岛效应：人为热的影响，气温高于郊区；3）干岛和湿岛效应：水汽压和相对湿度白天低于郊区，夜间高4）城市风速小，局地差异大，有热岛环流。70. 辐射强迫是对某个因子改变地球大气系统射入和逸出能量平衡影响程度的一种度量，它同时是一种指数，反映了该因子在潜在气候变化机制中的重要性。71.新仙女木事件：在进入全新世之前还有一个重要的插曲，即新仙女木事件72