全球气候系统和气候变化

1、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

2、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

3、学的三个经钱30 年间气候有变化，所艺30 年气候平均态有变化，IPCC 报告里气候彼岸变化典概念分布的平均。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， 30 年和后 30 年温度有变化，随着气候研究变化的增多

4、，认识到 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。 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

5、 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

6、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

7、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

8、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？这就涉及到数值积造成了 提亲 气候能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

9、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

10、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

11、、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， 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。 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，。没 比较经常谈到

12、的是沃克三大涛动， 大约雇佣了 200 个人，用来 2 年的时间进行气候数据分析， 什么叫三大涛动大气活动中心的气压变化 甲地气否预测呢？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

13、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

14、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。 有前期的工作就没有的产生。 在形成和发展的基础条件里， 当使用的是手摇计算机来实现的，在哪些地方有大气活动中心呢， 跷跷板似的变 称为北大西洋涛动。 在一个北太平洋上阿留 在一个南太平洋气压和印度气压，气压场变化的分析。 通过分析得出三大涛动理论， 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， 压越高乙地气压越低， 属于跷跷板似的变化。 化？一个是北大西洋上冰岛低压与亚速尔高压，叫南方涛地面气压层 南太平洋是 这就是南方涛动。北

15、大气活动中心气压的变申低压与夏威夷高压。 这个叫做北太平洋涛动。 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，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， 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。 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， 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，Walker 的三大涛动是大气环流变化的最主要的机制。60 年代美国的 Lorenz 提出的大气可预报性问题。 第一类可预报性和第二类可预报性。第一

16、类可预 按时间顺序预报气候状态的可能程度。 第二类可预报 什么叫外源强迫？外源强迫就所以说这幅图我游了电动计算机， 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

17、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

18、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 相关学科发展还有一点。 20 世纪 Lorenz75 年把气候的可预报性分为两类： 报性是初始误差随着时间的增长问题， 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。 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， 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， 我们给它分成了空间、大气和海洋， 先看大气圈， 大气圈和海气之间存在一个相互作用， 们知道海洋有一部分被海冰覆盖着， 所以说大气不但跟海气相互作用， 还跟海冰有相互作