及气候变化大气所气候学大部分

第一章

导论§1.1气候的概念

气象（空气中的现象：风、雨、雷、电等）

天气（风速、风向、降水、温度、湿度等）

大气（空气动力、热力过程，化学组成等）

气候一、气候与天气的区别1、火烧赤壁：“万事具备，只欠东风”：诸葛亮提前几天预测除了某日将有大风天气，这是典型的天气预报，是天气概念的范畴。有谋士告诫曹操时，曹操却说，冬春之交，偶有东风，乃是正常的天象，不需惊慌，这是利用了气候学的概念。这一点可以初步了解“天气”与“气候”的一些“统计”上的区别。一、气候与天气的区别2、常说今天“天气”不错，而不说今天“气候”不错。常说今年“气候”比较正常，而不说今年“天气”正常。这说明了“天气”和“气候”在时间尺度上是不同的。3、常说北方的“气候”冷，南方的“气候”暖。这表明“气候”有地域特征。4、知道山地气候、盆地的气候、海边的气候是不同的，表明气候与地形有关。5、沙漠的气候、海洋、森林的气候是不同的，表明气候与大气的下垫面有关。6、知道定常槽和脊控制下的气候是不同的，表明气候与大气环流有关。以上的气候认知是传统（气象）气候的概念。二、气候概念的演变

1、中文中的气候一词起源于春秋、战国时期（公元前770－221年）。当时人们为了掌握农业活动，将一年分为24节气和72候，以5天为一候，3候为一气。合称为“气候”。（24节气歌，数九天，天气谚语……）二、气候概念的演变2、现代意义上的气候开始于19世纪初。早期人们将“气候”认为是某一地区天气的平均状态和一般过程，或者是各种气象要素和气象现象的总和——时间尺度。因为气候是平均状态，因此认为“气候”是不变的。从地球诞生开始，地球上的气候就一直如此，没有发生过变化。二、气候概念的演变

后来根据对气候的观测和研究，人们将气候的概念作了进一步的延伸，认为气候是较大范围内，较长时期的特征性天气。气候不仅指平均天气情况，也包括某一地点和地区出现各种天气情况的极端值。气候不是一成不变的，有着非常重要的演变过程。并且逐渐认识到，气候不再单单是大气的现象，也包含了其它圈层的相互作用。二、气候概念的演变

定义（任何一门学科都是从一个简单定义开始）：气候是在太阳辐射、大气环流、海陆分布和下垫面性质等因素相互作用、相互影响而形成的带有特征性的天气状况——这其中已经蕴含着“气候系统”的概念，但最终还是落在天气层面（研究生期间会做修改）。太阳辐射：外部能量来源。大气环流（全球风系）、海陆分布（季风）、下垫面性质（局地环流）等：能量再分配，是“气候”本身。是“气象学气候”的外部因素。特征性的天气状况：气候状态是由一次一次的天气过程构成，且不同地区的天气过程是不同的。气候与天气的区别:时间尺度、控制因素等。根本区别是控制因素：天气主要是大气圈的问题，考虑的是气块的受力；气候考虑的是在外力影响下的多圈层的相互作用，是圈层间能量与物质的交换和分配。天气预报：大气受力运动及其未来趋势（大气环流及随大气环流运动的水汽）（动力的=确定的？非线性=混沌？）。（思考：天气是否是确定论的？）气候预测：气候系统在太阳辐射影响下的未来趋势可能性（概率的）（短期气候预测的方法：天气学方法（延伸预报）、统计学方法（规律）、气候学方法（圈层相互作用及外强迫））

。（思考：气候是否是确定论的？）（概率论和确定论的异同——影响因子过多时，确定论将变为概率论，如掷骰子）。第一章

导论§1.2系统论与气候系统

一、热力学系统的基本概念系统：在热力学框架内，系统可以认为是宇宙中具有固定或移动边界（墙）的任一个几何空间，它可以含有质量或能量，或两个都有。这样宇宙就被分成了两部分：系统和系统的周围环境。比如人是一个系统，一块小石子也是一个系统，全球大气是一个系统，太阳系是一个系统，也许整个宇宙也是一个系统。一、热力学系统的基本概念2系统分类一个系统按照它与环境的联系可以分为三类，即孤立系统、封闭系统和开放系统。孤立系统：是指与环境之间不存在任何物质和能量交换的系统。这种系统在已知的宇宙空间中尚难以找到。也许整个宇宙是一个孤立系统？一、热力学系统的基本概念封闭系统：指与环境之间只存在能量交换，而不存在物质交换的系统。严格意义上来讲，这样的系统在自然界中也难以找到。但在一定近似状态下，可以将某一些系统近似认为是封闭系统。如地－气系统，它可以从太阳获得能量，同时以长波辐射的形式向宇宙空间逸出能量，而该系统与宇宙空间的物质交换是很小的，可忽略不计，因此可认为是封闭系统。开放系统：所谓开放系统是指与环境之间存在物质和能量交换的系统。这一类系统又可以称为自组织系统（系统对外在变化作出响应，内部进行调整，使系统从一种平衡态进入另一种平衡态，这就是自组织过程：如生活环境变化，饮食结构变化）。一、热力学系统的基本概念3、系统的表示用熵这一状态函数来表示一个系统。熵是表示物体状态的有序或无序的。根据热力学第二定律，一个孤立系统的热力学熵总是增加的。当系统有负熵流流入时，系统的热力学熵才会减少。二、气候系统1、气候系统定义：气候系统是一个包括大气圈、水圈、岩石圈、冰雪圈和生物圈在内的，能够决定气候形成、气候分布和气候变化的统一的物理系统。气候系统可认为是一个封闭系统。“地球系统”概念的提出。二、气候系统2、气候系统的组成：一个物理系统一般是由多个子系统组成的。气候系统中包括大气、海洋、陆地、冰雪和生物等5个相互作用和相互依赖的子系统。这些子系统共同组成了一个全球气候系统，简称为地球－大气系统或地－气系统。一般认为驱动这一系统的能源，主要是太阳辐射，因此地－气系统的变化，受到太阳辐射变化的影响。二、气候系统地－气系统从属于一个更大的以太阳为中心的大系统（太阳系）。这就是所谓的天、地、生、人相互影响问题（伪科学？科学有真伪吗？）。太阳系这一系统又从属于银河系系统，有人认为地球气候变化受到银河系的强烈影响，比如研究发现，地球气候变化存在约2.6亿年的周期（冰期旋回），这与太阳系在银河旋臂中的位置有着密切的关系。第一章

导论§1.3气候系统的构成与反馈机制一、气候系统的构成气候系统包括5个子系统：大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈。气候——不仅仅是大气圈的问题！！！各圈层之间的简单关系如图所示。气候系统二、各圈层的特征

（1）大气圈

空间尺度：地球大气圈是几乎均匀地分布在地球表面上薄薄的一层气体混合物。在垂直方向上，大气99％以上的质量分布在30km高度以内。水平方向上的尺度约为20000km（南北两极之间的距离）。与固体地球相比，大气圈无论从质量和厚度上都要小的多。但它却是气候系统中的重要分量，是气候系统中最为活跃的一个圈层。

（1）大气圈大气空间分布：大气主要分成对流层、平流层、中间层和热成层共四层（见图）。大气化学组成：主要是氮、氧和惰性气体。直到中间层顶，这些主要成分的分布基本是均匀的。一些微量成分的分布一般都不均匀。如水汽主要分布在对流层的低层，臭氧主要分布在平流层的中层—臭氧的作用以吸收紫外线为主，臭氧洞（南极、高原、氟利昂的作用，诺贝尔奖），CO2在中间层顶以下基本是充分混合的。大气中的液态水、固态水、尘粒、气溶胶等的分布更加复杂，随时间、空间的变化而变化（气溶胶的作用，可抵消温室效应，火山爆发，核冬天-大气化学）。大气的主要气体成分、含量及分子量分子量主要气体成分空气中的含量/按体积％平均滞留期/年氮（N2）氧（O2）氩（Ar）二氧化碳(CO2）臭氧（O3）甲烷（CH4）水汽（H2O）78.0820.950.930.03（可变）0.000001（可变）0.000165可变10610410915？710天28.0232.0039.9444.0048.0016.0418地球大气是多种气体的混合物。主要是由氮和氧组成，他们共占大气体积的99%，其中，氮占大气体积的78%，氧占21%。此外还有氢、二氧化碳、臭氧、水汽和固体杂质等，他们的气体含量极少，其总和约占大气体积的1%。表大气气体的主要成分及含量大气圈（1）大气圈大气的运动：大气圈对于施加于其上的变化的响应时间比其它各圈层要快得多。大气运动尺度从分子尺度到行星尺度，跨度很大。大气主要是通过太阳的不均匀加热才有运动的（三圈环流、东西风带、海陆风（季风）、山地风系、局地风、湍流，等等）。大气运动的研究本质上是旋转影响下的对流问题。大气的运动大气的运动水平气压梯度力：在存在着气压梯度的地方，空气分子受到力的作用，驱使着空气沿着和气压梯度相同的方向移动的力，它是促使空气从静止到运动的原动力。地转偏向力（科里奥利力）：由于地球的自转，地球表面运动的物体都会发生运动方向的偏转。导致地球表面运动物体方向偏转的力。在地转偏向力的作用下，地表运动的物体，在北半球向右偏转，在南半球向左偏转。——地转平衡大气的辐合：在低压中心附近，大气由周围向中心集中。大气的辐散：在高压中心附近，大气向周围散开。气旋、反气旋：旋转着的向低压中心辅合的大气系统叫做气旋，旋转着的由高压中心向外辅散的大气系统叫做反气旋。由于受地转偏向力的作用，气旋、反气旋旋转的方向正好相反。大气的运动大气环流（自由大气）:在太阳辐射、地球自转、地表面性质以及地面摩擦的共同作用，使得大气圈内的空气产生了不同规模的三维运动。局地环流（近地层大气）：海陆风：发生在沿海地区的、白天吹海风、夜间吹陆风、以一日为周期的周期性风系高原季风：高耸挺拔的大高原，由于它与周围自由大气的热力差异所形成的冬夏相反的盛行风系。山谷风：在山区，白天从谷地吹向山坡、夜间从山坡吹向谷地，以一日为周期的周期性风系。焚风：山后的空气温度比山前同高度上空气的温度要高得多，湿度也小得多，形成了沿着背风坡向下吹的既热且干的风城市热岛：城市的温度一般高于周围的郊区和农村。（2）水圈的特征

组成：水圈指分布在地球上的所有液态水组成的圈层，主要包括海洋、内海、湖泊、河流及地下水等。不包括固态、气态水，如冰、雪、水汽。

水圈水圈—海洋（2）水圈的特征热特性：对气候而言，海洋是水圈中最重要的，海洋覆盖了约三分之二的地球表面。因此，太阳辐射到达地球表面后，大部分被海洋所吸收。海洋质量大，比重大，热容量大，形成巨大的能量贮存器，对温度变化起着缓冲器和调节器的作用。海洋的顶层部分是活跃性最强的，大约100m厚称为表面混合层。海温分布（2）水圈的特征海洋的运动:海洋环流运动速度比大气缓慢得多。海洋运动主要包括海流和温盐翻转（即与温度、盐度分布变化相联系的密度变化所引起的翻转）。在更小的尺度上，环流呈扰动状即湍流，但其比大气弱得多。海洋与大气之间存在强烈的相互作用——海气耦合。海流温盐环流（2）水圈的特征湖泊、河流和地下水是水分循环中的大陆分支的主要要素。对区域和局地气候有重要的影响。在靠近海岸的地方，河流是影响海洋盐度的重要因子。（3）冰雪圈组成：冰雪圈由地表的大量雪和冰构成。主要包括格陵兰和南极地区广阔的冰源，以及其它的大陆冰川、雪盖、海冰及永冻带（冻土的作用）。

南极冰川学院士，前气象局局长：秦大河格陵兰（右图为冰川退化）海冰（最低海冰量在2002年9月創下了新的紀錄，圖中紅線顯示的是每年9月左右的平均海冰覆蓋區。）

青藏高原冰川姚檀栋院士冻土冻土学院士：程国栋（3）冰雪圈作用：冰雪圈是地球上最大的淡水储存库，在气候系统中的作用主要在于其对太阳辐射的高反射率和很低的热传导性（“今冬麦盖三层被，来年枕着馒头睡”。秦大河南极考察的故事）以及融化后的水文效应。大陆冰盖和海冰（北极海冰）的季节变化可以导致大陆地区和海洋表面混合层的热量收支有较大的年变化，有时也有较大的年际变化。大的陆地冰原在冰期和间冰期的旋回中有着重要的作用（高原隆升与第四纪大冰期形成）。（4）岩石圈组成：岩石圈包括大陆和海床，其中大陆地形可以直接影响大气运动。岩石圈的上层为活动层（土壤层），那里的温度和含水量等可随大气和海洋的运动而变化。岩石圈也存在着各种尺度的变化。如地球表面每天都在波动，汤懋苍将这一现象与短期气候变化相联系。更长的时间尺度上，岩石圈的运动，对气候变化有着重要的影响。岩石圈（软流圈的波动）岩石圈（4）岩石圈

作用：主要通过物质（水分、尘埃、气溶胶、微量气体等）交换，动量（摩擦作用，山脉作用）交换，热量（感热、长波辐射）交换，与大气产生相互作用。板块运动——海陆分布。（5）生物圈组成：地表植被、大陆动物群、海洋的植物及动物群构成。气候变化中研究较多的是地表植被，其它研究较少。作用：生物界对气候的变化非常敏感，是气候变化的指示器—物候学；同时其本身又对气候有着重要的影响。生物圈对气候变化非常敏感，人们可利用受气候变化影响敏感的化石、树木年轮、孢粉、珊瑚礁等中所留下的信号来获得地球古气候信息（气候信息的遍历性；天气气候观测时间很短，无法满足研究变化规律的需要）。植被改变地表粗糙度、地表发射率、蒸发、径流及土壤热容量。并通过生理过程影响大气CO2平衡。植被分布三、气候系统—反馈机制三、气候系统的反馈机制

气候系统各个组成部分之间存在着各种各样的相互作用。在这些相互作用中，存在着大量的反馈过程，这些反馈过程起着从内部调节气候系统的作用。三、气候系统的反馈机制（1）反馈的定义①反馈：反馈就是将一个系统的输出回输到输入端，从而对系统的运行过程进行调节和控制。②正反馈：如果反馈过程能够使系统的运行得到进一步发展，则此反馈过程称为正反馈。③负反馈：如果反馈过程能够使系统的运行得到抑制，则此反馈过程称为负反馈。吵架的故事。i）禅宗公案里有个寒山与拾得的对话录。拾得曰：“世间有人，笑我、骂我、诽我、谤我、辱我、打我、嫉妒我、中伤我、非礼我，以及种种不堪我，当如何”？寒山子对曰：“只是听他、任他、忍他、让他、躲他、避他、漠然他、不理他、一味由他，再待几年，汝且看他”。ii）暴力不能解决任何问题，只会越来越暴力—人类最大的文明进步表现在屠杀工具。iii）看一点历史和哲学。气候系统中的反馈是指：气候系统不同组成部分之间的一种相互作用过程。三、气候系统的反馈机制（2）反馈作用举例水汽－辐射反馈（正反馈机制）（水圈-大气圈）不考虑其它过程情况下，地球表面温度的增加可导致地表蒸发量增加，从而导致大气中水汽含量增加。水汽是一种温室气体，可吸收长波辐射。水汽量增加将导致大气吸收更多的长波辐射，从而导致温度进一步升高。反之亦然。（南方和北方热的感觉不同）。三、气候系统的反馈机制云量－地面气温反馈（负反馈）（水圈-大气圈）地球表面温度升高，将导致地面蒸发增加，从而导致大气中水汽含量增加，促使云得到发展，云量的增加使入射到地面的太阳辐射减少，从而导致地面温度降低。温度降低导致……

这是为什么水汽是一种温室气体，且在大气中含量最大，但在讨论温室效应时一般不考虑水汽的主要原因。但2006年有科学家通过数值模拟研究，认为水汽才是全球变暖的主要原因，CO2等的作用尚在其次。三、气候系统的反馈机制冰雪－反射率反馈（正反馈）（冰雪圈-大气圈）冰雪的范围主要依赖与大气的近地面温度。若某种原因发生降温，冰雪覆盖一般会增加或维持时间更长，这将导致行星反照率增加。结果就反射掉更多的太阳辐射，使大气温度进一步下降。反之亦然。（垂直环流，导致冰雪区大气绝热下沉增温？）（温度降低，降水减少，不利于冰雪增加？）三、气候系统的反馈机制CO2－海洋－大气反馈（正反馈）（水圈-大气圈）人类活动导致大气CO2浓度升高，导致温室效应增加，低层大气温度升高，海洋表层水温也随之升高，海水的垂直稳定度增加（海洋的垂直运动减弱——海温垂直分布），使海洋吸收CO2的能力下降，这样就导致大气中CO2浓度增加的速度越来越大，低层大气增温越来越明显。反之亦然。

（这将导致全球变暖加速？）（温盐环流？海洋生物繁殖增强？）三、气候系统的反馈机制植被－沙漠化过程（正反馈）（生物圈-大气圈）沙漠地区热容量小，增温快，在太阳照射下，很快增温，相对于周边地区形成“热岛效应”，大气在沙漠上空形成上升运动，在周边地区下沉，导致周边地区更加干旱，植被退化，沙漠发展。（晚上？冬季？）（沙漠中的绿洲为什么会长期存在？局地环流——水分局地循环的作用，局地小气候效应。）植被－沙漠化过程（正反馈）三、气候系统的反馈机制（3）气候系统中反馈的作用反馈机制对气候变化具有重大的意义，使气候有变化，但不会超出一定范围。正反馈作用使气候要素的异常增大，因而使气候的稳定性减小；气候的不稳定性由气候系统内的正反馈机制控制。负反馈作用使气候系统异常减弱，因而使这些要素值接近于各自的气候标准值。气候的稳定性则是由气候系统内部的负反馈机制调节和维持的。三、气候系统的反馈机制（4）注意：虽然反馈机制对气候变化具有重大的意义。但整个气候系统中，各个组成部分之间的相互作用和反馈过程是非常复杂的，不能孤立地考虑其中一个过程而忽略了其它过程。总体看，在一个相当长的时间间隔内，地球气候的自然变化趋势是相对稳定的，这是由气候系统内部各种过程的相互作用和相互依赖所决定的。第一章

导论

§1.4气候观测

一、气候观测是对五圈层的全面观测科学研究一般经历观测（累积经验）、理论（提炼经验）和实（试）验（验证经验）三个阶段，气候研究也是如此。气象专业学生在不同年级如何进行天气预报。气候、气候系统定义的要求：太阳辐射特征及其变化观测；各圈层本身特征及其变化观测；各圈层相互作用过程及其变化观测。地基-空基-天基观测系统二、观测网（气候观测的主要内容）1、

大气观测地表观测：云、降水、温度、湿度、气压、风速等。高空观测：用气球、无线电探空仪、飞机、卫星、雷达等，观测各层大气的风速、温度、气压、湿度；风速、温度、气压、湿度等的垂直分布（廓线）。常规大气观测网存在问题：主要是为了满足天气预报（大尺度）的需求，空间分布、时间分布不合理，不能满足气候需求（各种尺度）；观测量主要包含常规气象量（大气圈的状态量），而大气成分、辐射和通量等气候量观测不全，甚至没有。气候观测：还需观测大气成分、辐射、各种通量等。2、海洋（水圈）观测以前主要由货轮和非日常调查船而来。现在已经建立了较完善的海洋观测网。观测：温度（SST、深层海温）、盐度、海流、氧含量，通量，海平面高度等。3、陆地（岩石圈）观测：土壤湿度、温度、湍流、蒸发、通量、摩擦、粗糙度、边界层等。4、冰雪圈观测：方法是目测和遥感，面积、深度（厚度），反照率，冻土（深度、冻融状况、面积、水热传输等）。5、生物圈：植被覆盖度、蒸散、CO2循环、植被指数、植被类型、氮循环、物候、摩擦、粗糙度等。物理量是什么？三、观测方法和设备常规仪器（温、压、湿、风、降水、蒸发皿等）自动气象站雷达各种通量观测仪器大气成分观测卫星遥感——应用广泛（DVB－S）①

云图（最早的卫星资料）（陶诗言首先引进）②

辐射量的观测，如OLR的观测③

植被——如NDVI、LAI④

冰雪（与云的分别）——无深度观测⑤

可降水、液态水——GPS⑥

海表风应力、海面高度……大气观测常规台站高空雷达卫星湿度计温度计风速风向自动气象站辐射观测站蒸发

长波辐射表

直接辐射表涡度观测站是观测脉动量的系统，能测得较大尺度的下垫面通量。用于观测生态系统和大气之间CO2，H2O等物质传输和能量交换。边界层梯度观测站可观测各要素垂直空间分布，能对大气平均特征和湍流特征直接测量。广泛应用于通量观测、风能观测、环境观测等领域。多普勒雷达风云三号美国法国日本地面接收三站四网三站：国家气候观象台：布局主要依据中国气候系统委员会关于中国气候观测系统的设计原则和确定的重点气候观测区，结合世界气象组织（WMO）对全球气候观测系统（GCOS）和区域气候站网选择原则，在原有国家级观测站基础上择优选址确定。国家气候观象台是对地球气候系统多圈层及其相互作用开展长期、连续、立体和综合观测并开展资料分析、评估研究和提供服务的平台。国家气象观测站：是国家获取基本气象观测资料的平台。其中国家气象观测一级站是国家气象观测骨干站，承担国家气象综合观测任务,为全国的天气预报和服务提供基本气象观测资料，并按要求承担全球资料交换任务，全日有人值守；国家气象观测二级站是一级站的重要补充，承担国家基本气象观测任务和根据地方服务需要承担其他观测任务,观测资料全国交换。区域气象观测站：是根据中小尺度灾害性天气预警、大中城市、特殊地区和专属经济区的气象和环境预报服务需要，在国家级观测站布局的基础上，根据当地经济社会发展需要建设的观测站，是国家观测站的重要补充。主要承担地面时空加密观测和实时要素监测业务，提供区域性高时空分辨率的中小尺度灾害性天气、局部环境和区域气候等观测数据。四网：国家气候监测网：以国家气候观象台和卫星观测系统为主体组成。根据气候要素的不同，可包括其他站中与气候业务密切相关的观测要素或项目。国家气候监测网提供高准确度、高可靠和稳定的基准气候观测产品，用于气候业务和气候变化研究，必要时可承担业务试验任务。高空观测根据需要提供大气成份、气溶胶、臭氧、辐射等更多要素的探空资料及产品。天气雷达提供面雨量产品。卫星观测要提供满足气候业务精度要求的产品。国家天气观测网：以国家气候观象台、国家气象观测站为主体组成，是国家天气观测的骨干网，包括了全部探空观测、天气雷达观测和气象卫星观测。主要是提供满足全国天气分析预报和数值模式预报需求的观测产品，也可提供气候预测业务所需的经过初步质量控制的观测产品。国家专业气象观测网：根据气象业务和服务需求，由全国布局的“三站”重要仪器、设施或站点构成的各种专业气象观（监、探）测网。目前主要发展：1）国家天气雷达观测网；2）大气成分观测网；3）生态与农业气象观测网；4）雷电探测网；5）空间天气监测网；6）水文气象观测网；7）海洋气象观测网；8）交通气象观测网；9）城市环境气象观测网；10）气候资源观测网；11）沙尘暴监测网；12）酸雨观测网；13）干旱监测网；14）风廓线雷达观测网；15）GPS/MET观测网等等。气象卫星星座网络是国家专业气象观测网的重要组成部分，根据观测需求，结合、空基观测仪器对特定对象开展一体化协同观测。区域气象观测网：由区域内的国家气候观象台、国家气象观测站为骨架，结合本地区的区域气象观测站构成，是各区域、各省（自治区、直辖市）地域内重要的区域气象综合观测网，是国