现代气候学 总结

1、现代气候学第一章 绪论1、气候系统的定义：大气圈、与水圈（海洋）、冰雪圈、岩石圈和生物圈相互作用的整体。气候是天-地-生相互作用下的大气系统的较长时间的平均状态2、天气：某一地区在某一瞬间或某一短时间内大气现象（风、云、雨、雪、干、湿、雷、电等）及其状态（温度、压强、湿度、密度等）的综合。3、气候： 在某一时间段内气候要素的平均值和变率的统计描述4、现代气候学：在太阳辐射和气候系统各子系统相互作用下，地球上某一区域在某一特定时段内气候要素的平均值和变率的统计状态。气候标准时段：30年（1971-2000年，1980-2010年）5.、现代气候学与传统气候学的区别：传统气候学描述一定区域的气候特

2、点现代气候学研究气候形成和变化的原因，要求预测某个地区或全球范围的各个时间尺度的气候变化，即围绕平衡态的扰动或对平衡态的偏差或距平。6、气候学发展史（1）萌芽时期：世纪中叶以前，感性和经验认识阶段，零碎的定性观察和描述。（2）发展初期：世纪中叶世纪中叶 a）观测方面：气象仪器的发明、建立地面气象观测站和观测网，开始气象要素的观测和积累。 b）理论研究方面：气象学和气候学由单纯定性的描述进入了可以定量分析的阶段，逐渐发展为独立的学科。（3）发展时期 早期：19世纪末20世纪中叶 a）观测方面 地面观测内容更加丰富和精确，观测站网扩大。气象观测从地面向高空发展。 b）理论研究方面 锋面气旋学说 长

3、波理论降雨学说气候学方面：创立了气候型的概念和几种气候分类法、出版了五卷气候学手册（4）近期 a）观测方面 先进的观测技术 常规气象观测网的加密开展大规模的综合观测试验 b）理论研究方面 建立数值模式，进行定量数值模拟试验，使气象学、气候学进入试验科学阶段。 气候学领域中的科学革命。7、现代气候学阶段的三个特点（王绍武，2005）： 从气候变化来研究气候 ； 从气候系统来研究气候； 从气候动力学来研究气候。第二章 气候系统1、气候系统的定义：大气圈、水圈（海洋）、冰雪圈、岩石圈和生物圈相互作用的整体。2、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

4、，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。3、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。4、气候系统的基本特性1) 气候系统是一个复杂的、高度非线性的、开放的巨系统a) 开放的非孤立系统b) 响应时间差异很大，可分为内部系统和外部系统c) 不稳定的高度耗散系统2) 各个气候子系统之间显著的热力学和动力学属性差异a) 热力属性: 空气、水、陆地表面和冰雪面的温度b) 动力属性：风、洋流及其垂直运动和冰体运动c) 水分属性：空气湿度、云量、降水量、土壤湿度、河湖水位、冰雪等。d

5、) 静力属性：大气和海水的密度、压强、大气的组成、海水盐度及气候系统的几何边界和物理常数等。3) 气候系统的反馈过程5、气候系统的反馈过程 反馈：气候系统不同属性（变量）之间的相互作用，引起气候属性的变化，称为反馈。包括正反馈过程和负反馈过程。 正反馈：反馈过程造成的气候变化与原变化同号，使气候变化加剧，产生气候不稳定称为正反馈。 负反馈：反馈过程造成的气候变化与原变化反号，抑制气候的变化和异常，使气候趋于稳定，称为负反馈。 正反馈：冰雪反射率温度 水汽含量红外逸出辐射温度（水蒸气增加温室效应作用加强陆地和海洋表面温度上升产生更多水蒸气。汽是最重要的反馈机制之一，也是唯一最大的正反馈作用。）

6、CO2 海温（海温升高海洋中二氧化碳溶解度减小部分二氧化碳逃逸到大气中温室效应加剧海温升高） 负反馈： （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量小 赤道、极地温差大热量输送大赤道、极地温差小6、气候可预报性第一类可预报性 :初始误差(扰动)随时间增长（确定性预报的时效问题）;第二类可预报性:外强迫变化引起气候变化的模拟和预报能力（大气对外强迫的响应及敏感性）。7、气候系统的研究一、气候监测 二、气候诊断 三、气候重建 四、气候模拟 五、气候预测一、气候监测（1）大气常规观测（2）海洋及系统其他成员的常规观测 CODAS 雪盖、海冰面积 土壤温度及湿度 全球植被（3）非常

7、规观测 太阳常数观测大气中的微量气体（CO2, 甲烷，氯氟碳化物（CFCs） 观测；平流层气溶胶观测（研究火山爆发对气候影响）二、气候诊断定义：根据气候监测结果对气候变化与气候异常作出判断。内容：（1）气候异常的诊断：（2）气候变化的诊断；（3）气候异常事件的诊断；（4）气候变化原因的检测三、气候重建最常用的代用资料：（1）孢粉（2）冰芯（3）树木年轮（4）珊瑚（5）史料分析四、气候模拟： 根据一定的大气或海洋动力学、热力学定律，在给定边界条件下，采用数值计算的方法研究气候。五、气候预测目前我国及世界上大多数国家均把月以上的预报称为短期气候预测。气候预测分为两类：一类采用统计方法，另一类采用动

8、力学数值预报第三章 气候系统的能量平衡1、 辐射的基本定律基尔荷夫(kirchoff)定律：在一定温度下，任何物体对于某一波长的放射能力(e,T) 与物体对该波长的吸收率(a,T)的比值，只是温度和波长的函数，而与物体的其它性质无关。即:斯蒂芬波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律：黑体的总放射能力（ET）与它本身绝对温度（T）的四次方成正比。ET T 4维恩(Wien)位移定律：绝对黑体的放射能力最大值对应的波长(m) 与其本身的绝对温度(T)成反比。mT2897103nmK2、 太阳辐射太阳常数：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

9、阳辐射能。太阳高度角：是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角。天顶角：即入射光线与当地天顶方向（地面法线）的夹角（与太阳高度角互余。太阳赤纬：又称赤纬角，是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。3、 太阳高度角计算公式4、 天文辐射（太阳辐射日总量）定义：大气上界,某一天,水平面单位面积接受的日辐射量。公式：任一时刻：5、 大气对太阳辐射的吸收、散射（瑞利散射、米散射）1）大气光学路径：为太阳辐射通过大气介质的质量。2）大气质量（单位面积*光学路径）:光在大气中经过一定长度倾斜路径到达地表面时, 其经历空间中所含大气物质的质量。3）大气质量数(m):实际投射条件下的大气质量与垂直投射下

10、的大气质量的比值。当h在3090时,m可近似地表示为：4）大气透明度P：到达地面的单色辐射强度：大气透明度：是指透过一个大气质量数后的辐射强度与透过前的辐射强度之比，表示辐射通过大气后的削弱程度。5）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。两能级的差就是大气吸收的辐射能量值6）散射：当太阳辐射通过大气时，遇到大气中的各种质点，太阳辐射能的一部分散向四面八方，称为散射。 r0 热源 纪世（时间尺度万年以上）三大冰期：震旦大冰期，石碳二叠纪大冰期，第四纪大冰期二大间冰期：寒武纪石炭纪大间冰期，三叠纪-第三纪大间冰期二、历史时期气候变化定义：从第四纪大冰期中的武木（大理

11、）亚冰期的最近一次副冰期之后的1万年至有器测资料的“冰后期” 气候。从地质年代来看，该时期也称为全新世气候。特点： 温暖期与寒冷期交替出现主要气候事件 末次冰期冰盛期（Last Glacial Maximum:LGM） 21kaBP 新仙女木事件（Younger Dryas: YD） 12.8-11.5kaBP全球冰川消退、气候回暖过程中发生的气候突变事件，YD结束后即进入温暖湿润的全新世 全新世大暖期（Megathermal in Holocene） 8.5-3.0kaBP 中世纪暖期 ( Medieval Warm Period) AD 900-1300 小冰期 ( Little Ice

12、Age) AD 1320-1920三、现代气候变化1、器测资料：最早有气象观测记录地方 佛罗伦萨（1652），伦敦（1668），巴黎（1752）2、主要气候变化现象 1）全球增暖 (Global Warming)：波动阶段性上升不同区域增暖幅度不同，极区最显著（全球增暖证据：北极海冰面积减少，海平面上升） 2）近百年全球降水变化：近百年来，全球平均降水无显著趋势变化不同数据集趋势间存在明显差异，同时降水也有较大时空变率。北半球中纬度陆地降水很可能总体上呈增加趋势。 3）近百年中国降水变化： 近百年降水量并无明显趋势。 降水量的变化存在20-30年的干湿期交替 4）极端气候的变化4、全球气候变化

13、的基本特征 全球地质时期气候变化的时间尺度在22亿年到1万年以上，以大冰期和大间冰期的交替出现为特征，气温变化幅度在10C以上 历史时期的气候变化是近1万年来，主要是近5000年来的气候变化，变化的幅度最大不超过2-3C 近代的气候变化主要是指近百年或20世纪以来的气候变化，气温振幅在0.5-1.0C之间。 5、气候变化的影响因素 自然原因 银河系变化、太阳演化、太阳活动 地球轨道参数（轴倾、岁差、偏心率） 大陆漂移、造山运动、火山活动 海洋环流与海-冰-气-陆相互作用 人为原因 温室气体、气溶胶排放 土地使用、热带雨林破坏 城市化 时间尺度 不同时间尺度气候变化、形成机制不同6、冰期-间冰期

14、循环（万年尺度）的形成机制 1、日地关系的变化：由于天体间引力的影响，地球轨道偏心率、地轴倾斜度和岁差等地球轨道参数发生变化，使地球接收到的太阳辐射产生差异，从而引起数十万年间的气候变迁。1）地球轨道偏心率：描述地球绕太阳运动轨道的圆扁程度，值越大越扁，值越小越圆。 轨道偏心率越小(越接近圆形)时，四季变化相对较不明显，也不易有冰期的发生。反之，偏心率越接近1(但不等于)的轨道，四季明显，也较易产生冰期。 每隔10万年，地球公转轨道的偏心率变化一个周期2）地轴倾斜度(黄赤交角的变化)：21.824.5，现在为23.44地轴倾斜度的影响表现在： 角度越大，高纬度地区因接受辐射的时间差异较大，易形

15、成冰期。 地轴倾斜度增加：高纬度辐射量夏季增大，冬季减少，年较差增大，且年辐射量增加；赤道地区年辐射量减少。3）岁差 在远日点时，若北半球倾向太阳冬天温度将会相对较高；若因进动而导致南半球在远日点时倾向太阳，北半球的冬天将较为酷寒。 加上北半球陆地多，比热小，温度容易下降，而较容易形成冰期。 2、火山活动 3、太阳活动 4、大陆漂移与气候变化7、百年-千年尺度气候变化的形成机制海-气相互作用大西洋温盐环流（THC）变化8、温室气体增加产生的气候效应: 气候变暖 海平面升高 对降水量及分布的影响 对全球生态系统的影响9、全球变暖模拟的不确定性1）人类活动的不确定性：能源排放、人口增长、土地利用等

16、方面的发展状况；2）人类活动排放的微量气体在辐射过程中的作用的复杂性；3）气候模式的不确定性。10、全球变暖对人类与社会发展的影响1）农业：产量、生长的积温分布的可能变化、农作物耕作制度；2）林业：植被（森林）分布3）地球生态系统4）水资源：水循环、降水、径流；5）海洋和海岸带：海平面、海洋环流、海洋生态系统；6）人类健康；7）工业、运输等11、全球气候变暖的应对1）能源排放与减排对策，定期给出： 国家排放清单、计算各国未来排放方案、制订减排和限排方案、能源排放贸易和纳税、技术改革和技术转让等。2）风险评估：人类活动与气候变化和气候影响之间的关系尚未研究清楚，存在很大的不确定性，需要进行对气候

17、对策的风险评估。3)气候变化的集成评估 气候变化与影响研究涉及的领域很多，包括能源各部门、气象、环境、水利、农业、林业、交通、医药等部门，还间接涉及到政策与策略的许多部门以及人口、社会与经济发展的各部门。建立一种集成模式，把与气候变化有关系的各部门和行业通过一个统一模式定量地联系起来。4）减排与发展 对策：发展清洁能源来代替煤、石油、天然气；对排放温室气体的工业如冰箱制造业和农业如水稻田等方面进行技术改造；对排放的废气以及产生的废物和垃圾等进行有效处理等。12、气候变化研究方法一、非器测资料1 地质沉积：冰川遗迹、湖泊沉积、深海岩芯、黄土沉积、极地冰芯等；2 物候及生物方法：植物胞子和花粉、树木年轮等；3 自然地理方法：河流流量、江河水位、湖泊结冰等二、器测资料1 统计方法1）分析气候及气候变化事实： 单一时间序列：回归分析（趋势）、SSA及小波分析（周期）、突变检测 场序列：EOF（空间型）、REOF（分区）2）诊断不同气候要素间的统计联系： 相关分析、SVD、MCA、GEFA等；3）利用要素间的统计关系，进行气候预测： 建立回归统计模型；不能解释气候变化或相互联系的成因统计预测一般对气候异常或气候