考博现代气候学引论

现代气候学基础大气科学学院：余锦华(

)第一章引论第二章气候系统的热力过程第三章气候系统的相互作用过程第四章气候形成第五章气候变化第一章

引论第一节现代气候学的发展和概念第二节

气候系统第一节一、现代气候学的发展简史1萌芽时期：１６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。现代气候学的发展和概念第一节2发展初期：１６世纪中叶～１９世纪中叶1)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．发明时间发明者姓名发明者国籍发明的气象观测仪器1593伽利略意大利温度表1643托里拆利意大利气压表1667胡克英国板式风速器1783索修尔瑞士毛发湿度计第一节2)

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。时间姓名国籍研究成果1820年布兰德德国绘制世界上第一张天气图1835科里奥利法国科里奥利力的概念1857白贝罗荷兰风压关系定律1863菲茨罗伊英国气旋模式1817洪堡德德国绘制世界平均气温分布图1883汉恩德国<气候学手册>三大卷第一节3

发展时期早期：19世纪末～20世纪中叶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．1928年苏联莫尔恰诺夫发明无线电探空仪第一节2)理论研究方面锋面气旋学说长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》第一节近期：20世纪中叶～至今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第一节2)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国际上召开了一系列气候学术会议、提出了气候系统的概念和世界气候计划（ＷＣＰ）、成立了政府间气候变化专业委员会（ＩＰＣＣ）、提出了《世界气候框架公约》世界气候计划(WCP)的四个子计划:世界气候资料计划（WCDP）、世界气候知识应用计划（WCAP）、世界气候影响研究计划(WCIP)和世界气候变化及变率研究计划（后改称为“世界气候研究计划”（WCRP）。《联合国气候变化框架公约》（UnitedNations

Framework

Convention

on

ClimateChange)，简称《框架公约》)是１９９２年

５月２２日联合国政府间谈判委员会就气候变化问题达成的公约，于１９９２年６月４日在巴西里约热内卢举行的联合国环发大会（地球首脑会议）上通过。《联合国气候变化框架公约》是世界上第一个为全面控制二氧化碳等温室气体排放，以应对全球气候变暖给人类经济和社会带来不利影响的国际公约，也是国际社会在对付全球气候变化问题上进行国际合作的一个基本框架。公约于１９９４年３月２１日正式生效。截至０４年５月，公约已拥有１８９个缔约方。政府间气候变化专业委员会(IPCC,2007年获诺贝尔奖):1988年由世界气象组织和联合国环境规划所共同建立,其任务是对与气候变化有关的各种问题展开定期的科学技术社会经济评估,为保护环境和气候提供重要的科学依据.《联合国气候变化框架公约》第十三次缔约方大会（COP13）和《京都议定书》第三次缔约方会议（MOP3）于2007年12月3～15日在印度尼西亚巴厘岛举行。国际社会对本次会议艰难谈判形成的成果称为

“巴厘岛路线图”。在“巴厘岛路线图”中，中国与其他发展中国家一道，承诺担当应对气候变化的相应责任。

“巴厘岛路线图”是人类应对气候变化历史中的一座新里程碑。2009年9月22日，联合国气候变化峰会在纽约联合国总部举行。此次峰会旨在为十二月在哥本哈根召开的气候变化会议铺平道路.哥本哈根《联合国气候变化框架公约》缔约方第15次会议（哥本哈根世界气候大会）于2009年12月7－18日在丹麦首都哥本哈根召开第一节我国的气象事业发展1)观测方面50年代：开始大规模建立气象观测网70年代：开始建立天气雷达网79年：实施中国青藏高原气象科学试验85年：建立中国南极长城站气象站开展大规模野外综合试验第一节2)理论研究方面1961年：曾庆存提出半隐式差分格式求解大气运动原始方程组；1965年：开始数值天气预报业务等等．竺可桢的《物候学》、《中国近五千年来气候变迁的初步研究》；1987年成立了国家气候委员会、组织编写了国家气候蓝皮书、制定了国家气候研究计划。第一节二、现代气候学的概念研究气候形成与变化、气候预测、气候应用以及

气候变化应对、气候与人类活动相互关系的学科。气候：在太阳辐射和气候系统各子系统相互作用下，地球上某一区域在某一特定时段内天气的多年平均状况及其极端情形。当代气候学不仅是用气象要素的统计平均来描述气候，把气候作为一特定时期的天气过程的总体来研究，而且把气候看作动态过程，即气候是不断变化的。用围绕气候平衡态的扰动或对平衡态的偏差或距平，来研究某个地区或全球范围的各种时间尺度的气候变化。过去140年来地球表面平均气温变化情况天气：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）及大气状态（温度、压强、湿度、密度等）的综合。大气现象与大气状态合称气象要素(气候要素).气候与天气的联系和区别：时间尺度、变化特点、影响因子气候学研究的基本内容包括(1)研究气候系统的一般特性。如大气圈、水圈、冰雪圈、陆地表面、生物圈等的组成物质的微观性质(包括物质组成、密度、范围和结构等)，以及这些圈层的宏观性质(包括热力学和动力学属性等)；(2)研究气候系统及其子系统中各种能量的源汇、性质、转换和输送等；(3)研究气候系统及其子系统在各种时空尺度上的行为特征，探索气候系统演变的客观规律，进而解释各种典型气候事件发生和发展的具体规律；(4)预报未来各种时空尺度上气候系统的状态；(5)研究气候变化对自然环境和人类社会产生的影响，研究由于人类活动可能引起的气候变化，为从科学上和政策上确定或制订约束人类活动的准则提供理论依据；(6)研究人类在何种程度上、以什么样的方式影响气候系统，进而为人类最大限度地合理利用气候资源以及改善人类的生存环境提供科学依据。近年来全球范围的气候异常已经对许多国家的粮食生产、水资源和能源带来了十分严重的影响，气候变化及其对经济、社会发展的影响引起了当前各国政府、科学家以及一些国际组织的深切关注。面对气候异常和气候变化对人类生存环境的严峻挑战，世界气象组织、国际科学联盟理事会、联合国环境规划署等国际组织积极倡议、组织和实施了一些大规模和有效的国际合作研究计划，极大地促进了现代气候学的发展。包括卫星在内的全球气候观测网为我们提供了丰富的气候系统资料，许多国家的科研机构先后建立和发展了自己的气候模式，再加上超高速、大容量超级计算系统的普遍使用等，使得动力气候学的研究有了飞速的发展。今天，气候学已经成为一门不仅具有重大理论意义而且具有重大现实意义的学科。近代气候研究的基本特点：经典气候学把气候看作某一时期的平均状态，对一些参数进行统计平均来描述气候及其变化。近代气候学则把各种时间尺度的气候变化（相对于某种平均状态的扰动）作为研究和预测的主要对象。空间上，近代气候更为广泛地注意气候异常或气候距平的全球分布，尤其是它们之间的相互关系和影响，例如：“遥相关型”及其动力学理论。近代气候不仅认为气候变化是大气内部的过程，而且认为气候变化还受到与大气上下边界直接

相关的其它因素的影响。对气候系统进行定量观测和综合分析是近代气候学的另一重要特征。为此全球范围内进行了一系列的观测实验：全球能量和水循环试验（GEWEX），“热带海洋和全球大气（TOGA）”计划；“海洋环流实验（WOCE）”；“海冰预测国际气候试验（SIPICE）”；“国际卫星陆面气候计划（ISLSCP）”；“国际卫星云气候学计划（ISCCP）”。同时还设立了“世界气候资料计划（WCDP）”。第二节

气候系统概述

一、气候系统的基本概念气候系统：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。气候系统有连续的外界能量输入，且其各个组成部分之间通过物质和能量交换紧密地相互联系和影响着，因此是一个非线性的开放系统。控制全球气候系统的基本过程是入射太阳短波辐射的加热和射出地球长波辐射的冷却。这种加热和冷却及其时空差异是驱动大气和海洋运动变化的原动力。气候学研究的就是这个极复杂的、非均匀的热力学-动力学系统。也可以把气候系统分为：内系统:大气、海洋、冰雪等系统，即气候系统中由气体和水构成的部分外系统(强迫系统):全部固体岩石圈和地球周围的宇宙组成气候系统及其相互作用示意图大气－海洋－冰－陆面－生物量耦合气候系统示意图(实线箭头是气候变化外部过程的例子，空心箭头是气候变化内部过程的例子)1

大气圈组成及特性:干洁空气、水汽、固态和液态微粒（气溶胶粒子）【固态颗粒来源—工厂、地表、植物、大海（盐粒）、火山灰；液体颗粒—水滴、过冷水滴】结构主要特点：*气候系统中最容易变化的部分，是气候系统的主体；*热惯性和动力惯性小,热力调整特征时间为一个月左右.（动力、热力性质）1987年9月16日：签署的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》；1995年1月23日：联合国大会通过决议，确定从1995年开始，每年的9月16日为“国际保护臭氧层日”。4）主要过程：大气和气候系统其他成员间的热量、水分和物质交换是气候系统中各圈层之间相互作用的最基本过程例如:1)地－气之间的热量、动量及水汽的湍流输送过程；2)水汽凝结时的潜热释放过程；3)云对太阳辐射和长波辐射的影响过程；4)大气中CO2、水汽、臭氧及其它微量气体的辐射冷却和加热过程；5)地表状况的变化第二节大气的保温效应（温室效应）：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．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少，引起地面气温

的下降，其效应类似于太阳伞，故称为阳伞

效应．包围地球的大气层，其具有的热量只占气候系统总能量的3.4%，大气系统对外部因子的响应大约为1个月；如果没有外部能量的补充，因为摩擦的消耗作用，能量消耗时间大约也是一个月左右。在讨论大气运动规律时（如短期数值预报），往往可以简单地将大气作为一个孤立系统处理，不考虑大气圈与外界的相互作用，但对于长期天气过程和气候变化，必须考虑大气与外界的相互作用，甚至外界的强迫影响。大气与外界相互作用的主要形式为：海洋-大气相互作用陆地-大气相互作用海冰-大气相互作用宇宙空间-大气相互作用2

水圈、陆圈、冰雪圈和生物圈概述水圈组成：海洋、河流、湖泊、地下水和地表上的一切液态水。结构：海陆水平分布；海温垂直结构！海洋由于温度结构和物质组成不同可分为三层：混合层、温跃层(斜温层)和深海层。混合层是海洋最有活力的层次·海洋特点：海洋是水圈的主体部分，约占地球表面积的70.8%，大部分水汽８７.５％来自于海洋，一半以上的太阳辐射由海洋吸收，１００米深的表层海水，其热量占整个气候系统总热量的95.6%，海洋是一个巨大的能量贮存库。动力、热力性质：反射率小、热容量大、流速小，动力、热力惯性大。变化的时间尺度：海洋上层的热调整时间至少需要几个月到几年，深海的热调整时间超过数百年乃至上万年对气候的影响：（1）对温度的调节作用、水汽源地；（2）海-气相互作用。例如，洋流驱动着全球的热量输送，洋流本身受海洋与大气间动量、热量和水分交换的制约。第二节大洋平均温度典型垂直分布海水密度大于纯水，是温度、盐度和压力的函数盐度增加时密度增大；温度升高时（高于最大密度的温度）密度减小海水最大密度的温度随盐度增加而降低第二节5101520

25

3003543210-1-2-3-1.332

CmaxTrTf温度(C)盐度(‰)24.695最大密度的温度海水冰点1.海洋的基本特性海洋具有以下三个特性：一、面积大：海洋占全球表面积70%以上，又大陆主要集中在北半球，故北半球大陆性

气候比较明显，南半球海洋性气候比较明显。二、表面辐射特性的差异

1.反射率上的差异，水面的反射率较小，不到10%；陆地的反射率较大，在20~25%。

2.海水透射性能好，太阳辐射能够被较深的海水所吸收，因此海水上下层之间的温度差异较小；大陆地表不透明，太阳辐射最多到达5cm的深度，因此太阳辐射主要加热地表浅层，土壤的上下层之间温差较大。三、海陆的热力差异

1.海水的比热大，存储的热量也多，海温日较差和年较差较小；大陆表面的土壤和岩石的比热小，地温日较差和年较差大。

2.海洋有充足的水分用于蒸发，因而海面的蒸发大，向大气输送的潜热也多；陆地的水分不足，地面蒸发小，向大气输送的潜热也少。

3.海洋热容量大，大陆热容量较小，因而夏季海洋温度较大陆低；冬季海洋温度较大陆高。2.

海洋对气候的作用（主要过程：热量、水分、CO2）（1）海水储存大量的热，使地球气候不至于太热。海水的热容量很大，在全球热量平衡过程中有重要作用。海水具有良好的透射性质，能使太阳辐射传输到海水深层。（2）海水能释放大量的热，使得地球气候不至于太冷。海水在冬季通过对流混合使下层温度较高的海水上升到海面加热大气。海水通过洋流，将低纬较暖的海水输送到高纬，高纬较冷的海水输送到低纬，从而减小了高地纬度海水的温差，调节了气候。（3）海洋能溶解大量的温室气体，使得大气中温室气体的含量基本保持稳定，气温不至于上升太高。（4）海面温度异常，是产生气候变化的重要原因。Elnino、南方涛动、沃克环流是主要的热带低纬度海气相互作用事件。当赤道低纬度东太平洋海面温度发生异常增暖（Elnino事件），或异常降温（Lanina事件）时，将产生全球气候的异常变化。（5）海洋是气候系统水循环中水汽的主要来源，对全球的降水起着决定性的作用。（6）海水的湍流混合作用，使表层海水和下层海水进行热量交换。减缓了海表温度的极端变化。冷暖洋流对高低纬度之间海水和大气的热量交换起着重要的作用，调节了全球气候。2）陆圈组成及结构：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。热力性质:热容量小,热惯性小.变化的时间尺度:是气候系统的所有组成中最长的（山脉形成:105~108年;大陆漂移:106~109年;陆块位置和高度变化:109年以上）对气候的影响：地形动力作用；地表热力作用（感热、潜热、湍流输送）；物质交换3

）冰雪圈组成及结构：全球的冰体和积雪。如大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪盖。热力性质：反射率大变化的时间尺度：陆地雪盖：季节~年际变化;海冰：季节~几十年际变化;大陆冰原和高山冰川：几百年~几百万年.对气候的影响：冰雪面-大气相互作用冰雪圈对地表热量平衡的作用：增加反射率，阻止地表与大气之间的热量交换。4）生物圈组成：大气、陆地和海洋中的动植物，也包括人类本身。动力、热力、水文等特性：反射率、粗糙度、蒸发、蒸腾、水份循环、CO2平衡变化的时间尺度：季节~千年！作用：调节和控制着大气、海洋和陆地之间几种温室气体通量(主要是CO2和CH4)的大小；其中对气候影响较大的是植被，植被既可以影响不同时间尺度的气候变化，又是特定气候条件的产物。人类活动通过改变地表特性和大气成分对气候产生影响。植被对气候的影响通过植被的物理和生理特性改变地气系统之间的能量和物质交换而实现的。①植被的反射率比裸土小；②植被冠层的蒸发力较强；③植被根系能将深层土壤水分向地面输送。④植被地面的粗糙度较大；⑤植被对降水的截流作用。二.气候系统的基本性质1

气候系统的属性：系统：许多物体（成分）和属性（变量）组成的结构群，这些物体和属性之间通过一定的物理过程而相互联系，并按某种观测的型作为一个复杂的整体而起作用。系统的分类：开放系统：有能量和物质与系统外交换。封闭系统：没有能量和物质与系统外交换。耗散系统：有能量但无物质与系统外交换。热力属性:空气、水、陆地表面和冰雪面的温度动力属性：风、洋流及其垂直运动和冰体运动水分属性：空气湿度、云量、降水量、土壤湿度、河湖水位、冰雪等。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。2

气候系统的反馈过程（反馈性）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。第三节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、开放的巨系统热力学的观点,是一个开放系统。空间分布和时间变化上，气候系统中发生的过程类型上，气候系统都是非常复杂的。气候系统各组成部分间相互作用表现出高度非线性气候系统的各子系统间有显著的热力学和动力学属性差异气候系统的相对稳定性：气候系统的能量收支、内部性质表现为空间分布、时间分布上的相对稳定4)气候系统的反馈过程a定义:b主要反馈过程正反馈过程有：(1)冰雪面－反射率－温度；

(2)水汽含量，红外逸出辐射－温度；(3）二氧化碳－温度；负反馈过程有：(1)(中低)云量多－太阳辐射少－稳定度大－云量少；(2)蒸发量大－水面温度低－蒸发小；(3)赤道、极地温差大－热量输送大－赤道、极地温差小5)敏感性！定义：控制气候系统的外部参数的改变所引起的气候变量(如温度)的相应改变量！外部因子:太阳辐射量的变化

火山灰CO2含量在模式中作为参数出现！内部因子:作为变量出现,与各种物理过程有关第四节气候系统的物理化学过程！气候系统中存在各种时、空尺度的物理化学过程。以前的研究偏重物理，而现在要同化学相联系。1.辐射过程：太阳辐射经过大气吸收、散射、反射等衰减过程，到达地表，被地面所反射和吸收，地面又放出长波辐射，使得地面接收的辐射能