大气科学导论

第一章绪论

天气业务是气象业务中最早发展起来的业务，至今仍然是主要的气象业务之

一。天气业务起源于19世纪，进入二十世纪七、八十年代，由于数值天气预报

投入业务使用，天气业务获得了突飞猛进的发展。

主要内容

第一节天气业务的内含和方法

1.1天气业务的内含

1.2天气业务方法

第二节传统天气业务

2.1天气业务的诞生

2.2天气图分析和预报

2.3传统天气业务的理论和方法

第三节现代天气业务

3.1数值天气预报发展历程

3.2气象要素和灾害性天气的中短期预报

第四节天气业务的拓宽

4.1气象灾害预报

4.2相关应用气象业务

第一节天气业务的内含和方法

1.1天气业务的内含

“天气”是由各种气象要素和现象所共同表现的大气状态，它是随时、随地

变化的。天气业务是分析气象要素、天气现象及其演变规律，并据此预报未来天

气变化的业务。

天气业务按预报对象划分，可以分为气象要素预报、天气现象特别是灾害性

天气监测和预报，天气引发的气象灾害预报。

航空气象属于天气业务的范畴，虽然它关注的是机场和航线上上的天气，但

是航空气象制作的产品全部属于天气产品。交通气象要制作的产品是公路、黄金

水道、轨道交通线上低能见度天气（强降水、雾、沙尘暴）、大风、高温、路面

热力状况等的监测和预报，因此属于天气业务。海洋气象中海上风、雾、温度、

结冰等都是气象要素或天气现象，因此它们的监测和预报自然属于天气业务，海

浪、风暴潮等是水文现象，其监测和预报便不属于天气业务了。水文气象中面（体

积）雨量的监测和预报等属于天气业务，流量和水位监测和预报是水文业务。但

是，为了完整起见，本书都作了介绍。另外，本书还对环境气象、健康气象、电

力和能源气象都作了比较全面的介绍，虽然它们的预报对象不是天气，但是它们

都是由气象条件引起的，只要找到相关的临界气象条件（它们都是天气业务中要

预报的气象要素和天气现象），就可以制作相关的预报产品了。

天气业务按预报时效划分，又可以分为天气及其引发的灾害的监测、临近预

报（0-3小时）、短时预报（3-12小时）、短期预报（1-3天）、中期预报（4-10

天）和延伸期预报（11-30天），其中延伸期预报尚未真正形成业务。

按天气业务发展的阶段划分，我们可以将天气业务划分为两个阶段：传统天

气业务和现代天气业务，进入现代天气业务的标志是数值天气分析预报产品在天

气预报中的广泛应用并成为天气预报的基础。前一阶段开始于十九世纪中口卜，第

二阶段发达国家大约开始于二十世纪七十年代末八十年代初，我国则开始于上世

纪九十年代初。

1.2天气业务方法

天气业务所用的方法主要有天气分析、天气图、数值天气分析和预报以及临

近预报方法。

天气分析涉及的面很广，主要有天气图分析、天气雷达资料分析、卫星资料

分析、风廓线分析、GPS/MET资料分析、闪电资料分析等。在目前天气业务中，

天气分析是一个薄弱环节，预报员过多地依赖数值分析预报产品，忽视了天气图

的分析，很多预报员不会定锋面，常常漏分析高空小槽和地面中尺度系统，对天

气图上云和天气现象的符号不甚了了，对从稠密自动气象站来的高时空分辨率资

料不做必要的中分析，因而在天气业务中常常漏掉了引发灾害性天气的中尺度系

统和天气。天气雷达反射率回波不仅强度与灾害性天气紧密相关，而且回波的形

状也是不同强对流天气的识别器；多普勒雷达径向风场包含着丰富的识别灾害性

天气的信.息，例如逆风区是强降水的信号，中气旋是强风的指标等等。可见光、

红外和水汽云图配合天气图分析以及物理量的诊断可以提供许多有用的天气诊

断和预报的信.息。目前我国预报员对天气雷达和卫星资料的分析应用水平不高，

影响了我国灾害性天气的监测和临近预报水平的提高。随着我国气象探测系统的

发展，新资料不断涌现，分析和应用好这些资料是提高灾害性天气监测率和预报

准确率的必由之路。

天气图及其辅助图表以前是现在仍然是天气分析和预报的重要工具，虽然数

值天气预报已经成为天气业务的基础，但是目前数值模式对气象要素的预报水平

还不高，需要预报员进行订正；目前数值预报直接输出的产品中还没有天气现象

特别是没有灾害性天气的预报，更需要预报员去制作这些天气的预报。预报员依

靠自身的经验制作灾害性天气预报，一是根据数值预报产品前期的误差对其进行

订正，更重要的是应用天气图方法制作预报，数值天气预报的分析场和预报场都

是天气图，预报员根据气旋学说、锋面学说、长波理论、不稳定理论、降水学说

等天气学知识和各种分析工具，在这些“天气图”上画出灾害性天气的落区，制

作灾害性天气预报，因此天气图分析和预报仍然是现代天气业务不可或缺的重要

工具。

数值天气分析和预报包括分析和预报两个部分。数值天气分析就是要得到…

个接近真实的初始场，这是近十年来各国提高数值天气预报水平的关键，数值天

气分析包括观测资料的质量控制和资料同化，我国已经建立三维变分同化业务，

四维变化同化已经成为发达国家的业务；数值天气预报就是用数值模式从初始场

开始积分预报未来的天气形势和天气。数值预报中的天气形势预报水平早已超过

有经验的预报员的水平，因而成为天气业务的基础。

数值分析预报产品解释应用是制作站点和格点气象要素预报的重要方法，使

用的方法包括MOS、PP、SVM神经元网络等方法。

近年来各国发展的集合预报业务对于延长预报时效和提高灾害性天气概率

预报水平已经并将发挥重要的作用。大气是一个高度非线性的系统，数值预报对

初值非常敏感，由于气象观测总是存在误差和时空覆盖存在很多空隙，我们不可

能获得一个完全真实的初值，再加上模式的误差、模式过程的误差和计算的误差,

完全确定性的预报是可望而不可求的事情，3天之内的预报确定性较高，之后数

值解就发散了，因此，集合预报就成为必然的选择。集合预报分为多初值、多过

程、多模式的集合，各国业务中心用得最多的是多初值集合预报，初值扰动方法

分为奇异向量法和增长模繁殖法；预报员用得最多的是多模式的集合，预报员面

对许多业务中心的数值分析预报产品，根据多年使用的经验进行主观集成，制作

预报产品；如果能在检验各家模式优劣的基础上，发展客观定量的集合预报方法,

一定会提高3-5天灾害性天气的预报水平。

由于数值模式与初始场相协调需要一定的时间，再加上数值预报对灾害性天

气的预报准确率和时空分辨率不高，因此临近预报业务发展起来，目前临近预报

主要使用的方法是利用天气雷达、气象卫星、自动气象站、闪电定位等实况资料

对灾害性天气进行识别，然后根据过去位置的变化规律进行外推预报，利用雷达

资料进行外推的方法主要有TREC、TITAN等方法，尽管临近预报平均预报时效只

有1小时，但是临近预报的准确率和时空分辨率高，因此在气象防灾减灾中具有

特殊的作用，为了延长预报时效，必须与数值分析预报产品相结合。

第二节传统天气业务

2.1天气业务的诞生

虽然古希腊大哲学家亚里斯多德在约公元前350年就有《气象学》问世，该

书综合论述了水、空气和地震等现象，但并不意味着气象学就此真的诞生了。就

像远在三千年前，我国殷代甲骨文已有关于风、云、雨、雪、虹、霞、龙卷、雷

暴等文字记载，还常卜问未来十天的天气（称为“卜旬”），并将实况记录下来以

资验证不能称之为天气预报业务一样，因为它们都没有科学技术基础。

科学意义上的天气业务起源于十九世纪中叶，从此时起，欧洲和北美地面气

象观测台、站相继建立，形成了地面气象观测网。同时，无线电技术的发明，使

地面观测资料可以快速传输到各地，为绘制天气图创造了条件，在1860T865

年间欧洲和北美各国纷纷绘出了天气图，并用天气图来做天气预报，标志着天气

业务的诞生。

2.2天气图分析和预报

传统天气业务的标志是天气图分析和预报。

常规天气图分为地面天气图和高空天气图，按照世界气象组织规定的填图模

式，将观测资料填在站点上。在地面天气图上需要分析等压线和等温线，用规定

的颜色线画出不同天气现象出现的区域，并在该区域内用规定的符号标明该天气

现象，在地面天气图上需要重点分析的天气系统是高压、低压和锋面等。高空天

气图一般是指等压面天气图，这是因为求一定气压的高度比求一定高度的气压容

易，另外在等压面天气图上地转风（或梯度风）速可以用等压面上等高线的间隔

来表示，而且间隔和风速的关系与等压面的气压无关，因此在各等压面上可使用

同样的地转风速尺，但高度不同风速和等气压线间隔的关系就不一样了。在高空

图上需要绘制等高线和等温线，需要重点分析的天气系统是高空槽、切变线、低

压和高压（脊）等。

“天气图”是展现同一时刻不同地区气象要素和天气现象分布的很好工具。

现代天气观测的工具和手段多种多样,各种常规和非常规探测资料的分布图都是

“广义的天气图”，通过它们可以看到各种“天气系统”以及与其相联系的天气

现象的发生、发展和演变过程，因而使我们能“纵观世界，一览天下”的风云变

幻。

气象要素也称为气象变量。对于确定时间的气象要素的空间分布称为气象变

量场，气象要素是一种场变量。天气图所表现的就是某一时刻的气象变量场，“天

气系统”就是气象变量场上的某种基本特征。通过连续的天气图分析就可以了解

气象变量场特征和天气系统随时间的变化，天气图分析和预报就是通过分析各种

气象变量场特征的发生、发展和演变的规律，来预报未来的天气。

传统天气业务的标志是天气图分析和预报，包括辅助图表的分析，例如

TTnP图、各种剖面图和时间演变图等，在传统天气业务中还需要分析各种稳定

度、涡度、散度、垂直速度、水汽通量和散度等物理量，以制作天气预报。

2.3传统天气业务的理论和方法

支持传统天气业务的理论和方法有很多，首先是锋面/气旋理论。1918年J.

皮叶克尼斯首先将锋与锋面的概念引入气象学文献和预报实践中，1928年贝吉

隆对锋的形成和消失提出了一个运动学的解释，通过研究贝吉隆得出结论，锋是

由于在具有温度对比的区域中气流的汇合运动造成的，那时还没有高空观测，但

是他们根据地面图分析所推论得到的概念却完全是三度空间的，特别是将广义的

锋看作为一条斜压带，通过垂直环流将位能转变为动能。1918年皮叶克尼斯还

提出了一个气旋模式，这个模式除概述了气旋典型结构之外，还阐述了气旋动力

学过程。他发现冷空气像一个楔子位于暖空气下方,其间分界面的坡度为1：100,

云雨区的典型分布可以用冷暖锋上暖空气绝热上升冷却的结果来解释。

其次是波动理论。上世纪30-40年代，由于要求能早期预报出灾害性天气，

同时无线电探空及高空测风业务的普遍发展，能够分析出较好的高空天气图，罗

斯贝等研究大气环流,提出了长波理论，为进行1-3天的天气预奠定了理论基础。

产生大气波动的因子很多，如大气温度层结、可压缩性、重力、惯性力等。不同

因子形成的波动其性质有很大的差别，不同类型的波动对天气的影响也极不相

同。有些类型的波动对天气变化及一些天气现象的产生起着重要的作用，有些则

不然。对于小尺度运动，主要是重力内波（由大气的稳定层结和重力的作用而形

成）起作用；对于中尺度运动，主要是惯性-重力内波起作用；对于大尺度运动,

主要是长波（由B效应而形成的）。短期天气过程主要取决于长波，中期天气过

程主要决定于长波与超长波，超长波由冷热源及地形的强迫作用通过P效应而产

生。

第三是不稳定理论。不稳定是实际天气系统发生和发展的一个重要的动力机

制，正压不稳定扰动发展的能源主要取自基本气流的动能，斜压不稳定扰动发展

的能源主要取自有效位能的释放，对于对流性较强的系统（如台风）的发生发展,

潜热能的释放也是扰动发展的重要能量来源。这里要特别提到对斜压不稳定和

CISK（第二类条件不稳定）做出突出贡献的气象学家，Eadyl949年首先讨论了

长波和气旋波动的不稳定问题（以后就称为Eady模式），以后郭晓岚、Charney、

Green也先后对斜压不稳定研究作出了贡献，说明斜压性是大气中系统发生发展

的主要因子。Charney和Eliassion以及0oyamal964年首先讨论了小尺度积云

对流加热与大尺度流场演变的相互作用，是使得大尺度系统不稳定增长的一个具

体物理机制，并称之为CISK（第二类条件不稳定）。1973年J.R.Bates同时考虑

边界层摩擦辐合以及变压风辐合，提出了广义第二类条件不稳定；Lindzenl974

年提出大气中的内波尤其是重力内波提供了在CISK过程中启动积云对流的上升

运动，并称此为波型第二类条件不稳定，从而进一步完善了第二类条件不稳定理

论。

第三节现代天气业务

现代天气业务的标志是数值天气分析和预报成为天气业务的基础。

3.1数值天气预报发展历程

数值预报是集大气探测、天气学、动力气象以及计算机、通信技术为一体的

综合性科学。它的模式是建立在大气动力学基础上，有赖于对大气动力过程物理

本质的理解和认识，依据现实的大气状况，借助反映大气动量、能量、质量守恒

和水汽守恒的运动方程组来外推未来时刻大气状态。

早在1904年V.Bjerknes首次提出数值天气预报的理论思想：将预测大气

未来时刻的状态（即天气预报）问题提为一组数学物理方程的初值问题。之后

1922年Richardson首次尝试实践V.Bjerknes的数值天气预报的理论思想，从

一组不经过任何处理的大气原始方程组出发，利用数值计算的方法，试图计算出

未来天气的变化，虽然是以失败告终。直至1954年数值天气预报的实际业务应

用才首先在瑞典得以实现。自此，随着超级计算机、大规模并行处理技术和互联

网的问世和发展，以及探测技术、新计算方法和地球科学本身的进步，业务数值

天气预报就走上了一条不断发展的轨道。特别是近十几年来，变分资料同化技术

的应用和卫星遥感资料的使用，数值天气预报的水平又上了一个新台阶。现在，

作为被人们所普遍接受的观念，数值预报已成为现代气象预报业务的基础和提高

准确率与服务水平的最根本科学途径。以数值预报技术为基础，结合其他方法建

立起来的现代综合气象预报系统，已成为气象工作者进行天气分析和预报的重要

而有效的手段。

与先进国家相比，我国的业务数值预报起步较晚，1956年我国中央气象局

气象科学研究所成立了由著名的气象学家顾正潮主持下的数值预报研制小组，并

于1959年将研制的第一张正压模式的欧亚形势预报图向国庆十周年献礼。此后，

1961年提高为北半球模式，1969-1978年运用DJS-6平均运算速度为6万次/秒

的计算机，制作三层原始方程模式（A模式）72h短期业务预报。改革开放后，1982

年根据全国灾害性天气预报服务工作会议上重点发展数值预报，逐步实现天气预

报客观、定量的精神，中国的数值预报以前所未有的速度迅猛地发展起来。

1981-1982年在百万次速度的Ml70机上先后建立了分辨率为381公里、五层原

始方程的半球预报模式（B模式）和分辨率小于200公里、垂直层次为15层的

亚洲有限区域模式预报系统。而后，又引进ECMWF预报模式分别于1990年、1992

和1997年建立了T42半球、T63全球和T106全球预报模式。自从1999年峰值

速度为760亿的SP并行机在气象中心落户后，数值预报工作者一鼓作气将并行

算法的T213模式在2002年3月实现了业务运行。之后又经过五年的攻关，全球

资料（特别是卫星资料）三维变分同化和全球谱模式T213L31升级为T639L60的

研发工作取得重大进展，2006年开展业务试验，2007年已投入业务运行；为2008

年北京奥运会服务的精细模式（最高水平分辨率达到1公里）在引进吸收消化的

基础上进行创新，解决了多普勒雷达等资料的变分同化和开发符合我国天气实际

情况的物理过程等方面取得了实质性进展。T106全球集合预报也于1998年上业

务，2007年又升级为T213全球集合预报业务。

由于数值预报在气象业务服务中的基础性作用以及数值模式在大气与地球

科学研究中的重要地位，自主发展我国的数值天气预报系统成为世纪之交我国大

气科学界与管理部门共同关注的一个热点。

2001年中国气象局把数值预报系统创新技术的发展列为气象科技创新的最

重要项目之一，组织了数值预报技术创新的专门队伍与机构，同时，国家科技部

在“十五”国家重点科技攻关计划中启动了“中国气象数值预报系统技术创新研

究”项目，开始自主研究开发我国新一代全球/区域同化预报系统(GRAPES,

Global/RegionalAssimilationPrEdictionSystem)。

经过5年的联合攻关，完全依靠中国科学家自己的力量，研究建立了一套新

的数值预报系统，它以变分同化和全可压非静力平衡模式的理论为基础，并将全

球/区域的资料同化、预报模式“一体化(unified)"的思想贯穿于系统设计和

工程实现之中。目前GRAPES系统已在全国业务、科研、教学等许多单位得到了

多方面的应用。

以上数值天气预报系统的研究和开发，大大提高我国数值天气预报业务的水

平，缩短与世界先进水平的差距。

3.2气象要素和灾害性天气的中短期预报

数值天气分析预报产品虽然为天气业务提供了很好的基础，但是天气的监测

和预报最后还得预报员去做。在天气业务中，预报员既要充分重视数值天气分析

预报产品的应用，又不能完全依赖它。预报员应当发挥主观能动性，不仅要分析

和统计数值分析预报产品的误差并据此订正它，还要应用多种技术和方法对数值

分析预报产品进行解释应用；与此同时，还要综合应用多种技术和方法，制作气

象要素和灾害性天气预报。

随着我国数值预报业务的建立，数值分析预报产品解释应用工作也逐步开展

起来，在天气业务中可以制作数值天气预报可用时效内逐日的气象要素预报，国

家气象中心已经建立全国近2500个站点1-7天降水、最高最低温度、风向风速、

相对湿度、云等气象要素预报业务，24小时之内已提供3小时间隔的预报产品

了；各省气象局在国家气象中心指导产品的基础上，发展了乡镇、风景名胜地的

气象要素预报业务。

集合预报已经成为发达国家灾害性天气中短期概率预报的主要工具，我国正

在发展该项业务，天气气候统计方法和动力统计方法仍然是灾害性天气中短期预

报的重要工具。

灾害性天气短时临近预报发达国家在上世纪九十年代已经建立强对流天气

临近预报业务，2000年在悉尼奥运会上进行了预报示范。我国最早的临近预报

系统是2008年“北京奥运气象保障技术研究”项目从2002年开始由北京市气象

局组织开发的，这个系统在北京奥运会中发挥了较好的作用，接着湖北、广东、

上海也开发了临近预报系统，2008年预测减灾司为了集成全国临近预报优秀成

果，设立了“灾害性天气短时临近预报系统建设和改进”项目，相信在不久的将

来我们一定能够推出具有自主知识产权和国际先进水平的短时临近预报系统。

第四节天气业务的拓宽

气象灾害预报和应用气象业务是近几年天气业务的重要拓展。气象灾害预报

是国家防灾减灾的迫切需求，应用气象业务与国民经济敏感行业关系非常密切，

是提高气象服务的针对性和专业化的必由之路，因此，开展气象灾害预报和应用

气象业务是十分必要的。与此同时，气象部门有开展气象灾害预报和应用气象业

务的独特优势，近几年的实践表明，拓展这两项业务是完全可行的。

4.1气象灾害预报

近儿年国家气象中心和有关省（区、市）气象台都开展的气象灾害预报有地

质灾害（滑坡、泥石流）预报、森林和草场火险等级、积涝、河流凌汛等预报，

有的省还开展了道路结冰预报等。气象灾害预报的关键是确定产生气象灾害的临

界气象条件，知道了产生气象灾害的临界气象条件，就可以将天气预报转化为气

象灾害预报了。气象灾害预报反过来又可以促进天气预报工作，例如临界气象条

件中如果存在目前天气业务中没有的预报项目，就应当增加这个项目；又如山洪

和地质灾害是造成人民生命财产安全的重要灾害，但是它们出现的范围很小，目

前的中短期天气预报很难满足要求，因此要求气象台站发展精细的降水临近预报

业务。目前这项工作离要求还有很大差距，一是预报的气象灾害种类少；二是预

报准确率和精细度低，难以满足气象防灾减灾的需求；三是没有系统细致地做产

生气象灾害临界气象条件的研究工作，气象灾害预报和防御心中无数。因此，应

当下大力气研究产生气象灾害的临界气象条件，发展精细天气预报业务，增加监

测和预报的气象灾害的种类。

4.2相关应用气象业务

需要发展的与天气业务有关的应用气象业务包括航空气象、海洋气象、水文

气象、交通气象、环境气象、健康气象、电力和能源气象等。

航空气象业务包航空港及3公里范围内大雾、大风、风切变和下击暴流、雷

暴、沙尘暴、飞机结冰等航空灾害性天气的监测和预报，航线上的预报包括飞机

颠簸和结冰等的监测和预报。航空气象所用的方法与一般的天气业务方法相同，

因为航空气象监测和预报的精细度要求很高，因此航空气象特别重视航空灾害性

天气的监测和临近预报。为了支持全球航空气象业务，世界气象组织和国际民用

航空协会合作制定了航空气象业务和服务的规范，并在华盛顿和伦敦设立了两个

世界航空气象预报中心，每天为全世界制作并分发许多航空气象监测和预报产

品。因为航空气象独立成卷，所以本书没有包括航空气象的内容。

海洋气象的服务分为海岸带、近海和远洋三类。海岸带是各国的经济密集区,

对气象服务的要求高，大风、大浪和风暴潮对沿海的经济和人民的生命财产安全

构成重大威胁，大雾对海港和海上运输安全影响很大，海上石油等物资泄漏和赤

潮等对海岸带的环境影响很大；海岸带的开发更是对天气预报服务提出了一些非

常规的需求。近海的气象服务主要是为航运、渔业和海上资源开发提供气象保障,

涉及到大风、大雾、大浪、海冰（渤海）等的预报，另外，海损事故救援更是对

气象服务提出了精准的要求。远洋的气象服务主要是气象导航，为远洋船舶提供

最佳路线，并为它们的航行安全提供气象保障是气象导航的主要任务。海上观测

资料稀少，不仅要重视船舶、浮标、海岛和海上钻井平台气象水文观测资料的应

用，更要特别重视卫星资料的应用和同化。

交通气象是为了改善交通通行能力、保障交通安全、提高交通运输质量所进

行的气象监测、预报、警报和服务工作。本章所阐述的交通气象主要包括公路、

水路和铁路交通的有关气象问题，在交通工程的设计、施工和交通运营期间，很

大程度上受到气象条件的影响和制约。不良天气直接影响到交通运输的质量和效

率，灾害性天气甚至可导致交通运输的中断和交通事故的发生，造成不良的社会

影响和巨大的经济损失。大雾、强降水、大风、高温、大雪、结冰等气象灾害，

以及由它们造成的次生灾害（如山谷风、路面积水、强降水时的低能见度等）或

伴生的地质灾害（如山体坍塌、滑坡、泥石流等）都是交通气象业务所关注的范

围。降低或消除气象灾害对交通运输的影响，是我国交通运输不断发展而产生的

一个新需求，交通气象业务就是为了适应和满足这一需求的产物。公路、水路和

轨道交通对气象服务的要求既有相同点又有不同点，准确的大风和结冰预报是它

们的共同要求，尽管影响它们安全的大风或结冰的级别是不同的；低能见度天气

对公路和内河航运的安全都有影响，但是对轨道交通的影响相对要小一些，同时

影响公路和内河航运安全的能见度又有所不同；高温是对高速公路车辆运行安全

的隐患，高速公路上那些肉眼看不见的冰楂更是车辆安全运行的威胁，在交通气

象中高速公路的气象保障要求最高、气象监测和预报的项目最多。高密度的气象

监测是交通气象业务的基础，精细化的预报警报是交通气象业务的关键，全方位

的气象服务是交通气象业务的最终目标，科学性的评估结论是交通气象业务的重

要依据。

水文气象学主要应用于江河湖库的防洪兴利，水资源调度、水环境管理和水

利水电工程的规划设计等。江河湖库防汛的最重要工作之一，就是依靠水文与气

象方法的密切结合，开展暴雨洪水的监测、预报和警报工作。一个地方水资源评

价以及旱涝规律分析和长期趋势预报，也必须依靠水文与气象方法的密切结合。

在水利工程特别是大型水利工程规划设计中，必须对规划设计方案进行气象上的

合理性分析，使水利工程建筑在更为安全可靠和经济合理的基础上。随着经济社

会的发展，水旱灾害损失越来越大以及水资源紧缺、能源紧缺和水环境污染日趋

严重等，各级政府管理部门及社会公众对水文气象工作提出了更高的要求。目前,

水文气象业务服务主要有流域雨情实时监测，区域干旱、渍涝监测，为江河湖库

防汛抗旱、水资源调度、水环境管理以及水利工程建设与管理等开展的气象要素

预报，流域降水预报、暴雨洪水预报，江河冰情凌汛监测预报，风浪预报，水污

染气象条件潜势预报，流域旱涝趋势预测，以及气象条件对水资源、水环境的影

响的分析评估等。

健康气象包括医疗气象、人体舒适度和臭氧、紫外线、花粉的监测和预报。

医疗气象运用历史的气象和医疗的数据，采用气象敏感度法概率积分法

(IntegralprobabilityofGauss)>时间N测验法(N-method)等方法，建立各类疾

病的气象指标判据条件，然后根据气象要素的预报预报未来呼吸道疾病、心血管

疾病、传染病和其它疾病发生、加重或缓和及可能产生的影响。由于各地的气候

条件及人的适应性等因素的影响，引发各种疾病的气象条件会有很大的变化。人

体舒适度是用来表示人体对气温、湿度、风等气象因子综合效应的一种反应指标。

它表征人体在大气环境中的舒适程度。目前舒适度指标多以人体主观感觉结合环

境气象因子用经验公式计算的人体舒适指数、不舒适指数(温湿指数)、炎热指

数、风寒指数等来表示。

环境气象包括的内容十分广泛，涉及空气质量、大气污染物扩散规律等大气

边界层问题；酸雨、大气臭氧与紫外线辐射等大气化学问题；建设项目的大气环

境评价、区域大气环境评价、住宅小区大气质量评估等污染气象学问题；温室气

体引发的气候变暖问题、通过大气传播的传染病与特质性过敏症以及与大气参数

相关联的医疗气象问题；大型户外活动的气象保障任务；在人工生态系统中日益

突出的城市高层建筑、大型桥梁抗风问题与城市排水系统等工程气象问题；高速

公路、机场、港口面临受到浓雾严重影响的问题；及其人类通过人工手段抗击干

旱、暴雨、冰雹、霜害、雾害、雷电等人工影响天气问题，均属于环境气象学研

究的范畴。环境气象的基础知识相当广泛，涉及气象学、气候学、大气物理学、

大气化学、地理学、生态学、生物学、农学、林学、水利学、工程学、流行病学、

环境卫生学、社会学、经济学、法学、民俗学、家政学等等。本书取环境气象的

狭义定义，仅包括空气质量、突发环境污染事件、城市热岛的监测和预报。

电力与能源生产、电网安全以及电力需求方面都或多或少地受到气象条件变

化的影响。近年来，随着经济社会的发展，气象部门与电力能源部门的合作进…

步开展，气象为电力与能嫄的服务已转变为富有行业特色的专业预报服务。就其

内含来说，电力和能源气象包括电力负荷气象预测、水利发电气象保障和评估、

电力生产以及电网安全气象保障。电力气象首先要根据电力负荷变化与气象条件

(气温、湿度、天空云量、雨量等等)的相关关系分析，利用逐步回归方法建立

电力负荷预测模型，然后根据这些气象要素的预报制作电力负荷的预测。水利发

电气象保障需要的主要是流域降雨量预报，风力发电既需要风机高度上的风力预

报又需要风机安全的气象保障。

第二章大气运动规律

主要内容

第一节基本气象要素

1.1气压

1.2气温

L3湿度

1.4风

第二节基本概念

2.1参照系

2.2坐标系

2.3流体块的概念

第三节作用于大气的力

3.1气压梯度力

3.2地心引力

3.3摩擦力或者粘性力

3.4惯性离心力

3.5重力和重力位势

3.6地转偏向力

第四节大气运动基本规律

4.1运动方程

4.2连续方程

4.3状态方程和热力学能量方程

第五节地转风和梯度风

5.1地转风

5.2梯度风

复习思考题和答案

第一节基本气象要素

描述大气基本状态的参数有：温度、压力、湿度和风。这4个物理量是表征

大气基本状态的参数，又称气象要素，止匕外，还有降水量、云量、云状等。

1.1气压

一般用P来表示。在任何表面上，由于大气的重量所产生的压力，也就是单

位面积上所受到的力，叫做大气压。气压单位一般用hPa(百帕)来表示，lhPa=100

N/m2o气象上曾长期使用毫巴(mb)作为气压的单位，lhPa=lmb。

气压随高度呈指数递减，它不仅与高度有关，与空间位置、时间也有关。一

般在高纬度气压高，而低纬度气压低；气压有日变化、季节变化、年际变化，而

且还有非周期的变化。

常见气压场形式：高压、低压、槽、脊、鞍形场。

1.2气温

一般用T来表示，是分子热运动的度量，大气分子热运动的动能愈大，其温

度愈高。气温的单位一般有用摄氏温标，华氏温标和绝对温标。

气温不仅有日变化、季节变化、年际变化，还有非周期的变化。

1.3湿度

湿度是表征大气中水汽含量的一个物理参数。表示湿度的方法有多种：一般

有绝对湿度、相对湿度、露点温度、比湿，水汽压，混合比等等。

湿度随高度递减比气压随高度递减要快得多。它随空间和时间而变化。

1.4风

空气相对于地面的水平运动，称为风。有方向和大小。风向是指风的来向，

气象上用方位角来表示。风速是指单位时间内空气相对于地面移动的水平距离。

实际上空气相对于地面的运动是三维的，除水平运动外还有垂直运动。

第二节基本概念

2.1参照系

描述一个物体的位置和运动情况，应该首先选定其他物体作为标准，并假定

它（它们）是静止的，被选作标准的物体叫做参考系。参考系有惯性系和非惯性

系之分。牛顿第一定律成立的参考系称作惯性参考系或惯性系.反之，称为非惯

性系。

参考系的选择，原则上是任意的。在大气科学的研究中，一般是以旋转的地

球作为参考系，这是一个非惯性系。

2.2坐标系

参考系选定后，为了能定量地描述物体的位置和它的运动，在参考系上建立

一个适当的坐标系，把坐标系的原点和轴线固定在参考系上。坐标系实质上就是

参考系的儿何抽象。气象上最常用的坐标系有：球坐标，局地直角坐标，自然坐

标系，p坐标系，。坐标系，0坐标系等。

以气压P为垂直坐标的坐标系称为P坐标系。

考虑地形对大气的影响，以。为垂直坐标的坐标系称为。坐标系。

2.3流体块的概念

把离散分子构成的实际流体，看作是由无数流体质点没有空隙连续分布而构

成的，这就称作连续介质假设。

连续介质假设中的流体质点既要充分小，以使它在流动中可当作一个点，同

时又要足够大，能保持大量分子具有确定的平均效应值——各种宏观物理量值。

这种既大又小的流体质点，有时也称作流体微团或流体体素，一般则简称为流点。

在我们气象研究上，经常会用到这个概念——流体块，•个小的空气块。

第三节作用于大气的力

作用于大气的力可以分为两类，一类是真正作用于大气的力，称做基本力，

或牛顿力，包括气压梯度力、地心引力、摩擦力。另一类是站在随地球一起旋转

的非惯性系中观察大气运动时所表现的力，称做惯性力，包括惯性离心力和地转

偏向力。

3.1气压梯度力

G=--Vp

P

作用在单位质量空气上的净压力，就叫做气压梯度力。方向是由高压指向低

压，大小与气压梯度成正比，与空气密度成反比。在大气中，气压梯度力的垂直

分量比其水平分量要大得多。重力与气压梯度力的垂直分量始终处于平衡（这就

是静力平衡）状态。

3.2地心引力

地心引力是始终作用于大气的实在的力。

3.3摩擦力或者粘性力

单位质量受到的净粘滞力就称为摩擦力。

222

wdudv-dwr

F/歹+得1+玄外

3.4惯性离心力

在惯性系中具有向心加速度的物体在非惯性系中静止。为在非惯性系中应用

牛顿第二定律，引进一个力，其大小与向心力相等而方向相反。由于这个力与向

心力平衡，因而球静止，这个力就叫做惯性离心力。

C=Q2R

3.5重力和重力位势

由于地球的自转，静止于地球上的物体除受地心引力外还受惯性离心力的作

用。物体所受之重力实际是地心引力与惯性离心力之和。

重力在任何地方都垂直于水平面。重力是随纬度增加的，赤道最小，极地最

大。

3.6地转偏向力

图1.5传动圆盘上的偏向力

at=t0时情形，bt=+时情形

在惯性系中原本是直线运动的物体在转动坐标系中看来却在做曲线运动，为

了运用牛顿第二定律，引入虚拟力——地转偏向力。

A=-2QAV

第四节大气运动基本规律

大气运动遵循基本的物理规律：动量守恒、质量守恒、能量守恒定律的控制,

描写其动力和热力状态的变化，并支配其动力和热力状态的变化。

4.1运动方程

牛顿第二定律的数学表示

dV1---

——=——VP—2QAV+W+F

dtp

局地直角坐标系中的分量方程：

du1dp.

—=-----F2Q(vsin(p-wcos(p)+F

dtpdxx

dv\dp.

—=-----20〃sin(p+P

dtpdyv'

dwTdpg„

——=----—+2。"cos(p~g+F.

dtpdz

4.2连续方程

连续方程：表示大气质量守恒定律的数学表达式，表明了大气运动和大气质

量分布的关系。

空+\7-(2夕)=0或者无+27・病=0

dtdt

▽•(07)称为质量散度，即单位体积内流体的净流出量。净流出时散度为正,

净流入时为负。称为速度散度，表示流体在单位时间内体积的相对膨胀率

或者说，速度散度就是在单位时间内单位体积在膨胀时所增加的部分。当

▽刀〉0为辐散，\7刀＜0为辐合。

如果流体为不可压缩时，即流体在运动过程中其密度不变(P=0),则

V.V=O,即不可压缩流体的速度散度为零。大范围的大气运动，可近似地看成

是不可压缩的。

4.3状态方程和热力学能量方程

状态方程表征大气热力状态参数气压，温度和密度之间的基本关系。如果把

大气看做是理想气体，则状态方程为P=PRTO

热力学能量方程是热力学第一定律(能量守恒)在大气运动中的应用，反映

了大气系统状态的改变与热量交换之间的关系。大气的动力学过程和热力学过程

是相互联系，相互制约的。

de—•

P——=_°\7.V+pQ

第五节地转风和梯度风

5.1地转风

地转风是指自由大气中空气的水平等速直线运动，是自由大气中水平气压梯

度力和地转偏向力相平衡时的空气的水平运动。

1dp

n0=------+fv

pdx

1Sp

n0=------ju

pby

地转风的特点：

1）地转关系是在无摩擦，不考虑加速度和垂直方向的地转偏向力的情况下

近似成立的；

2）地转风与气压梯度力成正比，与密度和地转参数成反比；

3）地转风与等压线平行，在北半球，背风而立，低压在左高压在右，南半

球，背风而立，低压在右高压在左（风压定律）；

4）地转风速大小与纬度成反比，同样风速，纬度越高地转偏向力越大；气

压梯度力相同，纬度越高地转风速越小；同一纬度上，风速大的地方等压线密集,

风速小的地方等压线稀疏。

5.2梯度风

梯度风是地转风在一定条件下，转化成的另一种大尺度的系统风。当地转风

在圆形的气压场中时，风是做等速曲线运动。除梯度力、偏向力作用外，还要受

到惯性离心力的作用，当三个力作用平衡时，风沿等压曲线作等速曲线运动，这

就是梯度风。

梯度风应用：

大尺度系统，气旋性环流与低压相结合，低压中心就是气旋性环流中心；反

气旋性环流与高压相结合，高压中心就是反气旋性环流中心

应用：低压中心等压线可分析的密集些，高压中心附近等压线应分析的稀疏

些。

实际中，大风区经常出现在低压中心和高压边缘区域，气旋中心气压梯度和

风速可无极限，而在反气旋中则有极限，梯度风有一极大值。

第三章气候变化

主要内容

第一节气候与天气

第二节全球气候变化的事实

2.120世纪全球地面平均气温升高0.6℃

2.2过去40年大气层8千米以下部分已经升温

2.3雪盖和结冰范围已经减少

2.4全球平均海平面升高，海洋热容量增加

2.5气候的气体重要方面也发生了变化

第三节温室气体和人类活动

3.1温室效应

3.2二氧化碳和碳循环

3.3其它温室气体

复习思考题和答案

第一节气候与天气

气候是指大气圈一水圈一冰雪圈一岩石圈一生物圈这个综合系统的缓慢变

化状况。它以一段时间（比如一个月或者更长时间）以上的一些适当的平均量来

表征，同时考虑这些平均量随时间的变率；而对不同地区的气候进行分类时却要

考虑这些时间平均量在空间上变化。以前的气候概念是局地平均气候，基本上就

是地表温度和降水量的长期平均状况；近几十年来，随着对决定气候及其变率的

下垫面过程的认识日益增多和深入，气候的概念已经大大拓展并且发生了演化o

天气通常是指某个地区短时间（几小时到几天）的气象要素的综合表现，如

某市某日〃最高气温35℃、最低气温24C、午后有雷阵雨”就属于天气概念；而

气候是指某个地区较长时间（几个月至几年或更长时间）内气象要素的统计状态,

一般也可以理解为气候是某个地区天气的平均状况及变化特征，如某市"年平均

气温为11.8℃＞年平均降水量577毫米、极端最高气温40.6℃（出现在1961

年6月0日）、极端最低气温27.4C（出现在1966年2月22日）”,则属于气

候概念。由此可见，天气与气候即有区别有又联系，在日常生活中不应混为一谈。

但在谈论（分析）某地的近期天气变化，又联系到前期较长i段时间的天气变化

过程时，也可使用“近期天气气候（特征）”的概念。

地球大气经常在运动和变化着，因此人们看到的天气现象总是处在千变万化

之中。有时晴空万里，风和日丽，有时浓云密布，风狂雨骤，具有瞬息万变的特

征。天气就是指一个地方在短时间内气温、气压、温度等气象要素及其所引起的

风、云、雨等大气现象的综合状况。天气是瞬息万变的，但它的变化是有一定规

律的。在大气运动过程中，不同性质气团的矛盾斗争，形成不同的天气系统，而

每种天气系统都具有一定的天气特点。因此，掌握天气系统的演变和移动规律就

能分析出未来的天气变化。气候是指某一地区多年的和特殊的年份偶然出现的天

气状况的综合。气候和天气有密切关系：天气是气候的基础，气候是对天气的概

括。一个地方的气候特征是通过该地区各气象要素（气温、湿度、降水、风等）

的多年平均值及特殊年份的极端值反映出来的。例如，北京的气候：一月份平均

气温是-4.7C,七月份平均气温是26.1℃,最低气温记录是-22.8℃（1951年1

月13日），最高气温记录是42.6℃（1942年6月15日）；年平均降水量636.8毫米,

夏季（6〜8）月降水量占全年降水量的74%。概括说来，北京的气候特征是：冬

季寒冷干燥，夏季高温多雨。气候是利最复杂的自然现象，是自然地理诸要素

中一个最重要最活跃的要素，气候条件不仅决定着土壤、植被类型的形成，改变

着地表形态，也影响人类的活动。各项生产建设活动和国防建设无不需要考虑气

候的影响。气候已成为一种自然资源，供人类充分利用，为人类造福。但是，气

候也有其不利的一面，有时也给人类带来某些灾害，人类通过改变下垫面的状况

和低层大气中的某些成份，影响热量和水分状况的收支，从而在一定的区域范围

内改变了气候状况，使气候变得更加复杂。如果改变得合理，会使气候向着有利

于人类活动的方向发展；如果改变得不合理，破坏了自然界原有的规律，则会使

气候对人类造成危害。大气过程因受各项物理因子的影响，变得非常复杂。因而,

全球各地气候皆有差异，且类型多样而复杂。全球从南向北，不同的纬度有不同

的气候带。它们基本上沿纬向排列，成带状分布。另外，由于所处的海陆位置不

同，在同一纬度的大陆东、西岸和内陆可以出现不同类型的气候。例如，地中海

地区和我国长江流域几乎处于同一纬度带，但一个在大陆的西岸，一个在大陆的

东岸，地中海地区冬湿夏干，而我国长江流域却冬干夏湿。这些差异使气候的纬

度地带性分布遭到破坏，呈现出非地带性分布。即使在同一纬度、同一地区，由

于山地、高原、森林、沙漠等下垫面性质的不同，又有山地气候、高原气候、森

林气候、沙漠气候之分。“一山有四季、十里不同天”、“南枝向暖北枝寒，■

种春风有两般”等农谚，就是山地气候的生动写照。

第二节全球气候变化的事实

由于人类活动和自然变化的共同影响，全球气候正经历一场以变暖为主要特

征的显著变化，已引起了国际社会和科学界的高度关注。1988年11月，世界气

象组织(WMO)和联合国环境规划署(UNEP)联合建立了政府间气候变化专门委

员会(IPCC),就气候变化问题进行科学评估。IPCC分别于1990年、1996年、

2001、2007年出版了四次气候变化评估报告。

2.120世纪全球地面平均气温升高0.6℃

自1861年以来，全球地面平均温度(陆地和海平面近表层气温的平均值)

已经增加，20世纪期间增加了0.6±0.2℃。20世纪大部分的增温发生在两个时

段，即1910年至1945年及1976年到2000年。从全球来看，20世纪90年代很

可能是1861年以来仪器记录的最暖的10年，1998年很可能是同期最暖的一年。

2.2过去40年大气层8千米以下部分已经升温

自50年代以来，8千米以下低层大气的总的全球升温和近地层的类似，都

在每10年0.1℃量级上。自1979年有卫星观测记录以来，卫星观测和气球探空

都说明，8千米以下低层大气的全球平均温度每10年已经显著地增加了0.15±

0.10℃o它主要发生在热带和亚热带地区。

2.3雪盖和结冰范围已经减少

卫星资料表明，自60年代末以来，雪盖面积很可能减少了约10%o地面观

测表明，在20世纪北半球中高纬度河湖每年的结冰期很可能减少了约2个星期。

20世纪，非极地地区的山地冰川广泛消退。自50年代以来，北半球春夏海冰面

积减少约10T5队在最近几十年，北极夏末至初秋的海冰厚度可能减少了约4096,

期间冬季海冰厚度减少较慢。

2.4全球平均海平面升高，海洋热容量增加

根据潮汐站资料，20世纪全球平均海平面升高0.1至0.2米。自50年代以

来，全球海洋热容量增加，在这期间对海洋次表层温度有较充分的观测。

2.5气候的气体重要方面也发生了变化

20世纪北半球大陆大部分中高纬度地区降水每10年很可能增加了

0.5-1.0%o热带陆地地区降水每10年可能增加了0.2-0.3%,过去几十年热带的

增加不很显著。20世纪北半球大部分亚热带陆地地区的降水可能已减少，数值

在每10年月0.3虬对比之下，未发现南半球各纬带出现可比较的降水系统性变

化。

20世纪后期，北半球中高纬度地区强降水事件频率可能已增加2-4虬强降

水事件频率的增加可以起源于若干原因，例如大气中水汽、雷暴和大规模风暴活

动的变化。20世纪期间中高纬度地区云量可能已经增加2虬在大部分地区，这

个趋势同观测到的温度日较差较少密切相关。在20世纪，经历严重干旱或严重

洪涝的全球陆地面积略微增加。在许多地区，这些变化是由年代际和多年代气候

变率引起的，如ENSO向更暖事件的转化。在一些地区，如亚洲和非洲的部分地

区，近儿十年干旱的频率和强度已经增加。

自1950年以来，极端最低气温出现的频率很可能已减少，而极端最高温度

出现的频率略有增加。和前100年相比，70年代中期以来厄尔尼诺/南方涛动

（ENS0）暖事件的发生变得更经常、持续时间更长、强度更大。

气候变化及其影响是多尺度、全方位、多层次的，正面和负面影响并存，但

负面影响更受关注。全球变暖对许多地区的自然生态系统已经产生了影响，如海

平面升高、冰川退缩、冻土融化、河（湖）冰迟冻与早融、中高纬生长季节延长、

动植物分布范围向极区和高海拔区延伸、某些动植物数量减少、一些植物开花期

提前，等等。气候变化对我国国民经济的影响可能以负面为主，将使我国未来农

业生产面临以下三个突出问题：农业生产的不稳定性增加，产量波动大；农业生

产布局和结构将出现变动，作物种植制度可能发生较大变化；农业生产条件改变,

农业成本和投资大幅度增加。气候变暖将导致地表径流、旱涝灾害频率和一些地

区的水质等发生变化，特别是水资源供需矛盾将更为突出。与高温热浪天气有关

的疾病和死亡率可能增加。气候变暖引起的海平面上升还将严重影响到沿海地区

的社会经济发展。

目前对气候变化及其影响的基本事实已得到国际社会和科学界的广泛认同，

但对于气候变化的原因与未来气候变化趋势的预测及其影响的认识尚存在许多

不确定性，仍需进•步加强研究。

第三节温室气体和人类活动

3.1温室效应

温室气体是10微米（um）附近（8~14um）的红外光谱波长上吸收辐射

的所有气体，这个波段也正好是地球向外放射热辐射的波段。温室气体有若干非

常特殊的属性，它们对可见波长是透明的，故允许太阳光相对无阻挡地穿过大气

层。但是，它们在红外波长上有几个吸收带，因此，它们拦截并吸收了相当一部

分来自地表的红外辐射。然后，它们又向各个方向辐射这些能量，结果使部分能

量回到地面和低层大气，从而造成那里的额外加热。

地球大气是由多种气体成分组成的实体（表3.1）,为什么有的气体对可见

光和红外辐射是透明的，有点气体却强烈地吸收红外辐射？物理光学研究表明，

地球大气的大部分是由双原子构成的氮（N2）和氧（02）分子组成的，它们对可

见光和红外辐射都是透明的，但吸收某些紫外辐射。对大气中的某些微量成分这

些特征并不共有的。由3原子构成的C02、N2O、03和水汽（H20）等分子，每一

种都强烈地选择吸收红外辐射，油5原子构成的CH4（甲烷）也是如此。如果地

球大气仅仅包含氮和氧，地面平均温度降水T8℃左右，然而实际上地球的平均

地面气温大约是15℃就是因为大气中存在温室气体。温室气体使地球的平均地

面气温上升了大约33℃。这是因为温室气体对太阳光是几乎透明的，但强烈地

吸收红外辐射，它们在大气中的存在减少了地球表面向外空损失的热量，从而使

地球大气低层和地面变暖，这就是所谓的温室气体效应。

下列时间段内，地球表面温度变化

(a)过去140年

0.8

0.4

00

-0.4

—0.8

18601880190019201940196019802000

年

(b)过去1000年

100012001400160018002000

年

图3.1过去140年和1000年地球表面温度的变化

表3.1大气组成：主要成分(氮气和氧气)和温室气体

气体浓度：百分比(为)或百万分之一的体积比(ppmv)

氮气(N2)78%

氧气(02)21%

水汽(H20)可变(0~0.02%)

二氧化碳(C02)360ppmv

甲烷(CH4)1.8ppmv

氧化亚氮(N20)0.3ppmv

氯氟煌(CFCs)0.OOlppmv

臭氧(03)可变(O"lOOOppmv)

温室内部

的热辐射

图3.2一个温室具有与大气类似的对入射太阳辐射和射出热辐射的作用

早在19世纪初就已经了解了温室效应的基本原理。那时，第一次提出了地

球大气和温室玻璃(图3.2)辐射特性之间的相似性，并因此取名为“温室效应”。

在温室中，来自太阳的可见光辐射儿乎无阻挡地透过玻璃并在里面的植物和土壤

吸收。但是，由植物和土壤发射的热辐射却被玻璃吸收并将部分辐射再发射回温

室中。玻璃因此成为帮助温室保持温暖的“辐射遮挡器”。

3.2二氧化碳和碳循环

碳在自然界的许多碳库之间的输送过程叫做碳循环，它主要是通过二氧化碳

来进行的。我们的每次呼吸都对这•循环有贡献。从食物中摄取的碳，被我们吸

入的氧氧化后，变成我们呼出的二氧化碳；维持我们生命所需要的能量就是以这

种方式提供的。动物对大气二氧化碳的贡献方式与此相同；燃烧、木材腐烂以及

土壤和其它地方的有机物的分解，亦与此相同。抵消这种碳转变为二氧化碳的呼

吸过程的则有：以相反方式运转的植物和树木中的光合作用过程;在光的存在下,

它们吸收二氧化碳，把碳用于机体的生长，并将氧释放回大气。在海洋中也存在

呼吸和光合作用。

图3.3是碳在各个碳库——大气、海洋(包括海洋生物群落)、土壤和陆地

生物群落——之间循环方式的一个简图。此图表明，以二氧化碳的形式进出大气

的碳输送量是很大的；大气中的总碳量每年有大约四分之一是进进出出的，其中

的一半是与陆地生物群落交换，另一半则通过物理和化学过程穿过海洋表面。陆

地和海洋中存储的碳远多于大气；所以，这些大的碳库的很小一点变化，都足以

对大气二氧化碳浓度造成很大的影响；存储在海洋中的碳只要释放2%,就会使

大气中的二氧化碳含量增加一倍。

图3.3陆地、生物圈、海洋和大气中的碳库以及各碳库之间的二氧化碳年交换

量（单位：十亿顿）

在我们关心的时间尺度内，人类活动排放到大气中的碳并未消失，而是在各

个碳库之间进行了再分配。因此，二氧化碳与其他温室气体的不同在于：其它温

室气体可通过大气化学反应而被破坏。在人类活动成为一种重要的扰动之前，在

比地质年代时间尺度短的时期内，各个碳库之间的交换是相当稳定的。在1750

年前后工业化开始之前的几千年内，一直维持着一个稳定的平衡。工业革命打乱

了这一平衡，造成大气中的二氧化碳浓度增加了30%左