气候系统与气候变化

1、第三章气候系统与气候变化,1 气候系统的概念、形成 2 气候系统的组成 3 气候变化与变率 4 长株潭地区气候变化研究 5 气候系统 变化的原因,第三章气候系统与气候变化,1 气候系统的概念、形成 1.1 气候系统的概念 1.2 气候的形成 1.3 气候带和气候型,1.1 气候系统的概念 （1）气候：,气候指某个地区多年间大气的一般状态及其变化特征。它既反映平均情况，也反映极端情况，是各种天气现象的多年综合。,气候与天气的区别：气候是时间尺度很长的大气过程，而天气是瞬间或短时间内的大气状况（如日照、气温、湿度、降水量、气压、风等都是气象要素，但表示一段时间就是气候要素了）；天气瞬息万变，不稳定

2、，气候在一定时间内相对稳定。气候的范畴远比天气广泛。,当代气候：世界气象组织规定，30年为整编气候资料时段长度的最短年限。对于当前气候，规定用刚过去的三个十年的平均值作为准平均，每过10年更新一次。目前应用19712000年准平均。,（2）气候系统,气候系统一般有以下几个特征：热力学特征，计有气温、水温、冰温和地温；运动学特征，包括风、洋流以及相应的垂直运动和冰块的运动；含水性，湿度、云量和云中的含水量、地下水、湖泊水位、雪的含水量，陆冰与海冰；静力学特征，大气和海洋的压力和密度，空气成分、海水盐度，以及系统的几何边界和物理常数。气候系统各部分之间的相互作用除了物理过程外，还有复杂的化学与生物

3、过程等，这些过程在不同时间和空间尺度上有着复杂的反馈机制，并构成一个耦合的气候系统。,一般来说，完整的气候系统包括五个部分组成 1）大气圈，气候系统的主体，也是最易变化和最敏感的部分 2）海洋，为气候系统中热量的储存库 3）冰雪圈，他们是气候变化的指示器，在地球热平衡中作用重要 4）陆面，陆面土壤是大气微粒物质的重要来源，作用重要 5）生物圈，对气候变化有敏感响应，也影响气候系统,1.2 气候的形成因素,（1）气候形成的辐射因子：太阳辐射是气候系统的能源，是一切大气物理过程和现象的基本动力，在气候形成中起主导作用。气候差异与气候的季节性变化主要决定与太阳辐射,A 地球的有效温度：在太阳系统的行

4、星中，只有地球上的太阳辐射强度和日地平均距离配置导致的288K表面温度（如火星215K，金星750K），使得地球上的水存在固态、液态和气态三种相态，适宜生物的发展。,B 地球上的天文气候：地球表面因辐射平衡随纬度和季节的变化形成的假想的简单气候模式称为天文气候。太阳辐射量的大小重要决定于日地距离、太阳高度和日照时间。赤道附近太阳辐射年变化平缓，随着纬度变大而变化剧烈。同一纬度的天文辐射，日总量、季总量和年总量相同，与纬线圈平行、呈带状分布，是形成气候带的主要原因。也是赤道带、热带、副热带、温带、副寒带、寒带和极地带的划分依据。,1.2 气候的形成因素（续）,（2） 气候形成的环流因子：太阳辐射

5、能量分布不均匀引起了大气环流，促进了地球上热量和水分的迁移，也是形成气团的基本原因，不同性质气团发生移动与交换是不同地区气候形成及其变化的重要方式，因此，不同纬度的不同环流形势下形成的气候类型也不同,（3） 大气环流与热量输送和水分循环：35oN/S间辐射能量为正值，高纬度为负值，导致了低纬度与高纬度间通过大气环流输送能量。大气环流还调节了海陆间的能量。另外，大气环流还将水汽盈余地区的水分输送到亏损的地区。促进了地球上热量和水分的迁移，也是形成气团的基本原因，不同性质气团发生移动与交换是不同地区气候形成及其变化的重要方式，因此，不同纬度的不同环流形势下形成的气候类型也不同,（4）大气环流与海温

6、异常：海温变化存在着明显的年际振荡，以厄尔尼诺现象为最。气象学家与海洋学家专用于赤道东太平洋海面水温异常增暖现象。南方涛动指热带太平洋与热带印度洋之间气压变化呈反相关的振荡现象。这两现象合称为“ENSO”，可以触发波及全球2/3地区的重大气候灾害。,1.2 气候的形成因素（续）,（5）气候形成的地理因子：地理因子是通过对辐射因子和环流因子的影响而作用于气候。任何气候都与一定的地区相联系。地理环境使得地球气候既具有纬度地带性，又具有非地带性特征。因此，分析气候成因必须考虑地理因子。,A 海陆分布对气候的影响：海陆性质不同，造成了海陆增温与冷却的显著不同。造成了纬度地带性分布的不连续，影响到气压分

7、布、大气运动方向以及水分分布，使同一纬度内出现海洋性气候和大陆性气候的差异。,B 洋流对气候的影响：洋流是大洋中任一持续不断并主要呈水平流动的海水，有暖流与寒流之分对气候的形成有重要作用。一表现在大陆东西两岸的气候不同上，另一表现在对降水影响上。,C 地形对气候的影响：主要影响的要素有海拔高度、地表形态、坡度和坡向。影响到水热条件的再分配，进而对气候产生影响。,1.3 气候带和气候型,（1） 低纬度气候：受赤道气团和热带气团控制，全年高温，最冷月均温在1518oC以上。影响气候的主要环流系统有热带辐合带、信风、赤道西风、热带气旋和副热带高压。根据这些系统的季节移动，低纬度气候可分为五种类型。,

8、A 赤道多雨带：在赤道两侧515o之间，终年为赤道低压槽控制，盛行赤道气团。全年长夏而无季节变化，年均温26oC左右，年降水量大都超过2000mm，分配均匀。植被茂密，种类繁多。,B 热带海洋气候：在1025oN/S信风带大陆东岸及热带海洋中的岛屿上。终年受热带海洋气团控制和信风影响。全年高温，年温较差比赤道多雨气候大，全年降水多，夏季相对集中。,C 热带干湿气候：主要分布在中美洲和非洲515o，由于赤道低气压带的南北移动，年内有明显的干湿变化。年降水量7501000 mm。自然植被为热带疏林草原，又称为Savanna。,D 热带季风气候：出现在10o到回归线附近的大陆东岸。如我国的台湾南部、

9、雷州半岛、海南岛、亚洲的中南半岛、印度半岛大部。年降水量15002000 mm以上，集中在夏季，为热带季雨林。,（2） 中纬度气候：受热带气团和极地气团影响，最冷月低于1518oC，有412个月平均气温大于10oC 。影响气候的主要环流系统有极锋、盛行西风、温带气旋和反气旋、副热带高压和热带气旋等,A 副热带干旱与半干旱气候：在2535oN/S大陆内部和西岸，是副热带高压下沉气流和信风带背岸风作用下形成的。可分为副热带干旱气候（为热带干旱气候的延续）和副热带半干旱气候（副热带干旱区外缘）。,B 副热带季风气候：主要出现在副热带大陆东岸，2535o。如我国秦岭、淮河以南。是热带海洋气团和极地大陆

10、气团交替控制地带。夏热冬温，四季分明。年降水量7501000 mm以上，主要集中在夏季,E 热带干旱与半干旱气候：出现在副热带高压带和信风带内的大陆中心和西岸纬度1525o间，因干旱程度和气候特征分为三个亚类：热带干旱气候型（以热带沙漠为主）；热带西岸多雾干旱气候型（分布在热带大陆西岸，受到沿岸寒流的影响）；热带半干旱气候型（分布在热带干旱气候区外围）,1.3 气候带和气候型（续）,1.3 气候带和气候型（续）,C 副热带湿润气候：2535oN/S间的北美洲大陆东岸、墨西哥湾沿岸、南美和非洲的东南海岸以及澳大利亚东岸。环流与副热带季风相似。相比温差小，降水分配较为均匀。,D 副热带夏干气候（地

11、中海气候）：3040oN/S大陆西岸，如地中海沿岸。夏季受副高中心或其东缘控制，十分炎热干燥，冬季受西风控制，温暖、多雨。,E 温带海洋性气候：4060o的温带大陆西岸。如欧洲西北部的英国、法国、荷兰、丹麦等。终年盛行西风，受海洋气团控制，冬暖夏凉，气温年较差小。全年湿润，冬雨相对较多，年降水量7001000 mm。,F 温带季风气候：主要分布在3555o亚欧大陆东岸。冬季受温带大陆气团影响，寒冷干燥，南北温差大。夏季受温带海洋气团或变性海洋气团控制，暖热多雨，南北温差小。年降水量500600 mm，集中在夏季。,1.3 气候带和气候型（续）,G 温带大陆性湿润气候：主要分布在亚欧大陆温带海洋

12、性气候区东侧和北美大陆100oW以东4060oN间。气温和温带季风气候类似。,H 温带干旱与半干旱气候：主要分布在3550oN亚洲和北美大陆中心地带，南美洲阿根廷大西洋沿岸巴塔哥尼亚。可分为温带干旱气候（年降水量在250mm以下，植物种类贫乏，自然景观为荒漠）；温带半干旱气候（年降水量在250500mm，植被为矮草草原，主要是位于大陆中心受大陆气团控制）,（3） 高纬度气候：分布在极圈附近，盛行极地气团和冰洋气团。低温无夏是其主要特点，降水少，当相对湿润，有大片沼泽存在。,A 副极地大陆性气候：主要出现在北半球高纬度地区，约50oN（或55oN ）65oN呈连续带状分布。为极地大陆气团源地，终

13、年受极地大陆气团控制和影响，冬季漫长而严寒，暖季短暂。年降水量少，主要集中在夏季。,B 极地长寒（苔原）气候：主要分布在亚欧大陆和北美大陆北部边缘，南半球与有分布。全年皆冬。年降水200300mm。,1.3 气候带和气候型（续）,C 极地冰原气候：出现在格陵兰、南极大陆冰冻高原以及北冰洋中靠近北极的若干岛屿上，是冰洋气团和南极气团源地。全年严寒，各月气温都在0oC以下，冰雪常年不融化。,（4） 高地气候：出现在55oS70oN之间的大陆高山高原地区，在北半球中纬度地区分布较广，南半球主要分布在安第斯山脉。自山麓到山顶各气候要素发生规律性变化，表现出明显的气候垂直地带性。,第三章气候系统与气候变

14、化,2.1、大气圈 2.2、海洋圈 2.3、岩石圈/陆面 2.4、冰雪圈 2.5、生物圈,2 气候系统的组成,大气-海洋-冰雪-陆地表面-生物圈耦合气候系统示意图,2.1 气候系统的组成大气圈,（1）. 大气圈 地球的气体所包围的圈，是气候系统中最活跃的、变化最大的组成部分。从能量学角度来看，大气是非常脆弱的。 （2）. 通过铅直和水平的热量输送，大气圈对于外部施加的影响响应时间约为一个月。 （3）. 如果没有补充大气动能的过程，动能因摩擦作用而耗尽的时间大约也是一个月。 （4）. 大气成分的变化改变气候系统的热力平衡，从而改变气候，如一些衡量气体CO2（温室效应）、 CO、 O3、 CH4，

15、水汽 、气溶胶等混合物。,大气的弱点：记忆力小 动力：如果没有外界能量输入，整个大气动能仅够维持1个月 热力：海洋最上层100m变化1C，整层大气就要变化几度。 维持大气基本状况的两个基本量都不持久，大气的变化依靠下垫面和其它成员的影响，最主要是海洋。,2.2 气候系统的组成 海洋圈,（1）海洋能吸收到达地表的太阳辐射的绝大部分，其热容量大，储热层深厚,气候系统中的能量储存库, 海洋的运动比较稳定,变化比较缓慢 。 （2） 洋流驱动着全球的热量输送，是全球能量平衡的重要组成部分， 洋流本身也受海洋与大气间动量、热量和水份交换的制约。,（3）海洋与大气间的物质交换，除了降水和蒸发外，另一个具有重

16、 要 的能量学意义的过程是CO2的交换过程（主要有溶解和生物沉淀等），这对气候变化和气候异常具有重要的意义。 （4）海洋的热力学和动力学惯性是其具有“低通滤波”作用, 它在空间和时间上的“平滑过程”有利于气候系统中缓慢的维持和发展. 大气的热力响应时间约为一个，海洋上层的热调整时间至少需要几个月到几年，而深海的热调整时间超过数百年乃至上百万年。,2.3 气候系统的组成岩石圈或陆面,岩石圈包括山脉、地表岩层、沉积物和土壤等。在近代气候变化时间尺度内，对大气的作用的作用主要发生在陆地表面，因此在气候系统中也称为陆面。 陆地表面不同的海拔高度和起伏形式，加之岩石圈的成分的性质不同，其对气候的影响复杂

17、多样。 陆地的植被状况，通过地表反照率及土壤的温湿度对大气环流和气候变化起作用。,4. 陆地表面对于全球水循环具有重要意义。如土壤湿度直接影响蒸散量； 降水主要通过径流完成海陆间的大水循环；高纬度的径流还可影响海洋环流等。 5. 另外，陆地表面还是对流层和平流层气溶胶或悬浮微粒的主要源地，而气溶胶对太阳辐射的反射等也是不可忽视的能量过程。 6. 和大气、海洋与冰雪相比，陆地表面主体特征变化的特征时间尺度最长，一般都在数百万年以上。,2.4 气候系统的组成 冰雪圈,冰雪圈包括大陆冰源、高山冰川、海冰和地表雪盖等。 冰雪对大气运动中是其冷源作用，它的主要效应是增加地表反照率；其中海冰对海洋盐度等产

18、生影响而影响气候。 冰雪-反照率反馈机制。,2.4 气候系统的组成生物圈,生物圈由陆地上的自然植被、农作物、大陆动物群、海洋生物和人类等组成。植物本身严格地受气候条件（如温度和水分等等）制约，尤其是自然植被。,生物圈对气候系统重要的意义: 它调节和控制着大气、海洋和陆地之间几种温室气体（主要是CO2和CH4等）通量的大小。地面植被类型也通过影响地面反照率、粗糙度、蒸发和渗透等等进而影响陆气相互作用的各个环节。 另外，人类活动引起的温室气体浓度变化也是影响近百年气候变化非常重要的因子。,第三章气候系统与气候变化,3 气候变化与变率 3.1 气候变化的概念 3.2 气候变化特征 3.3 气候变化尺

19、度 3.4 气候突变与气候异常 3.5 长株潭地区气候变化研究,3.1 气候变化概念,气候变化：气候平均状态统计学意义上的巨大改变或者持续较长一段时间（典型的为10年或更长）的气候变动； 相对气候平均值的偏差，几十年为一统计时段的差异（平均值、距平值) 气候变率：在统计时段内各个年份(年代)之间的差异。,图2: 相对1961-1990年综和的1861-2000年年地表和海表温度距平（C），在年数值上刻度指示有两个标准方差的不确定。19世纪后期以后大多数全球温度增暖主要出现在二个不同阶段：1910-1945年和1976年之后，两段时间温度升高的速率大约为0.15C/十年。,IPCC,2001,I

20、PCC,2001,气候变化与平均值和变化幅度之间关系,IPCC,2001,气候变化可以由气候平均值和离差的变化所引起，而且与极端天气事件出现的概率有关。,气候演变史的基本特征：冷暖交替，干湿变化,3.2 气候变化特征,气候变化的时间尺度：数百年直至数亿年；几百年、几十年、几年的短期气候振动。,气候变化的空间尺度：全球、区域。,地球气候的演变与人类的进化与发展、生物、海洋、地址等的演化存在相互影响和制约关系。,古代气候变化：古气候是采用“地质年代”来表示，如“代”- “纪”- “世”,3.3 气候变化时间尺度,地质时期的气候变化: 地质时期气候变化时间跨度最大，从距今22亿年到一万年，最大特点冰

21、期与间冰期交替出现(万年或更长)。,历史时期气候一般指一万年左右以来的气候(千年)。,近代气候指最近1200年有气象观测记录的气候 。又分为：短期气候变化(月季)；中期气候变化(年际)；长期气候变化(年代际)；超长期气候变化(几百年)。,（1）气候千年时间尺度的变化,（2）气候万年时间尺度的变化,Vostok Ice core record of variation in recent global temperature Bradley and Jones, 1995,据今（千年）,（4）年际变化 年代际变化,1920,1960,（3）气候百年时间尺度的变化,3.3 气候变化的阶段性,（1）

22、除多时间尺度外， 阶段性也是气候变化的又一个特征，气候变化的阶段性同气候变化的时间尺度是紧密联系的，不同时间尺度的变化有不同的 阶段性。,（2）气候变化的阶段性也是气候的振荡特征, 但这种振荡没有固定的周期, 是因不同时间尺度有变化的周期;,（3）它不是总是在某一平均值附近振荡,而是存在一定的趋势, 并且对于某些气候因子(如气温),其趋势线尤为明显。,全球尺度气候变化阶段性,仪器记录的陆地和海洋温度,图2: 相对1961-1990年综和的1861-2000年年地表和海表温度距平（C），在年数值上刻度指示有两个标准方差的不确定。19世纪后期以后大多数全球温度增暖主要出现在二个不同阶段：1910-

23、1945年和1976年之后，两段时间温度升高的速率大约为0.15C/十年。,区域,尺度气候变化阶段性,3.4 气候突变与气候异常 （1）气候突变,变率突变,趋势突变,均值突变,2.2 气候变化类型,（2）气候异常,在几年的时间尺度里，零点几度的全球或半球的温度波动以及较大的区域降水异常是非常普遍的。其中的某些变化是与热带太平洋地区的厄尔尼诺南方涛动（ENSO）现象相联系。 ENSO是能从观测资料中清楚辨识出来的最引人注目的大尺度气候事件，是海气相互作用的典型例子。 ENSO循环的振荡周期在27年的范围内变化。 ENSO事件本身发生在大部分热带地区，但其影响有时可延伸到高纬度地区。 ENSO事件

24、发生时，赤道东中太平洋反常增温，增温扩展到很多热带太平洋地区，相应地大气环流型也大大地不同于正常年份，许多地区降水异常。在热带海洋中部、东太平洋岛屿、秘鲁沿岸、澳大利亚、新西兰、印度、印度尼西亚、非洲东部和南部等地区都有强烈的ENSO相联系着的降水信号。尤其是印度干旱与ENSO事件是非常吻合的。,死亡,第三章气候系统与气候变化,4 长株潭气候变化研究 4.1 近50年来的气候变化 4.2 近50年来的极端气候事 件变化特征,4.1 近50年来的气候变化（1）资料与方法,资料: 三个气象站的逐日气象数据（气温、降水） 长沙望城站（2809N，E11255E，海拔680m，19512006）; 株

25、洲（2752N，11310E，海拔746m，19712006）; 湘潭（2753N，11254E, 19712007）,线性趋势法:一元线性回归: y=a+bx,距平及距平百分率:,方法:,19512007年平均气温距平与年降水量变化,4.2 近50年来的极端气候事件变化特征（1）资料与方法,资料: 三个气象站的逐日气象数据（气温、降水） 长沙望城站（2809N，E11255E，海拔680m，19512006）; 株洲（2752N，11310E，海拔746m，19712006）; 湘潭（2753N，11254E, 19712007）,百分比阈值法确定极端高温/低温事件,Morlet小波分析长株

26、潭地区极端气候事件的周期变化特征,从降水年际距平指标和年内降水距平指标来统计分析干旱事件,方法:,长株潭地区1951-2006极端气候事件变化特征,太阳黑子,厄尔尼诺事件,极端低温事件,极端暴雨事件,太阳黑子相对数与极端气候事件的遥相关,太阳黑子相对数与日最高温35日数5年移动平均的遥相关,第三章气候系统与气候变化,5 气候系统变化原因 5.1 自然因素与气候变率 5.2 人类活动,5.1 气候系统变化原因,太阳辐射 . 地球轨道参数 . 火山爆发 . 太阳活动 下垫面地理条件变化 . 海陆分布 . 地形变化 宇宙地球物理因子 . 地球自转速度 . 地球表面重力,(1) 自然因素与气候变率,(

27、2) 人类活动,太阳辐射,宇宙-地球物理因子,大气环流、成分,下垫面,气候系统变化,人类活动,气候系统变化的因子关系图,外部因子,气候系统主要成员,4.1 自然因素与气候变率,A 地球轨道因素：偏心率、地轴倾角和春分点的位置都以一定的周期变动着，这就导致地球上所受到的天文辐射发生变动，引起气候变化/变迁。,Qy- 地球在一年内所获得的太阳辐射能 T- 地球公转周期,主要有40万年和10万年两个准周期； Soc- 太阳常数； b0-Milankovitch/米兰科维奇 常数;,偏心率（Eccentricity）： e 地球公转轨道偏心率, 变化范围0.000.06, 其周期96000年。 e达到

28、最大值,地球获得的热量比现在增加3%. 若考虑近日点和远日点之间的辐射差异(7%),地球获得热量将比现在增加约30%.,(1) 太阳辐射,地轴倾角：赤道面与黄道面交角。24.24o 22.1o， T=40 000Y,以1850年为起点计算9100年前（此时倾角最大值为24.24o)和28300年前(此时最大倾角为22.1o)北半球每5o纬度一日内辐射量于1883年的差值, 然后再换算成温度的差值(表),在倾斜角为最大时高纬度地区的冬半年寒冷，夏半年炎热；在倾斜角为最小时则冬暖夏凉（表）。,当倾斜度增加， 高纬度的年辐射量增加 赤道区年辐射量减少，且对高纬度影响比低纬度影响多(表),24.24o

29、,22.1o,春分点的移动 (岁差现象)： 周期=21 000年， 四季开始时间变化、近日点和远日点变化。 一些气候事实表明,热带地区的气候响应在夏至点于近日点重合之后数千年达到极大, 即热带的气候响应与地球岁差之间存在落后现象,地球轨道参数的变化可以很好解释百万年时间尺度的冰期和间冰期的交替发生现象，由于地球轨道的变化，在过去100年中，由于地球轨道参数的变化引起的辐射 变化不到1w.m-2，它远远小于CO2增加引起的变化，并且是负值，因而也不可能是近百年全球变暖的原因。,两个最大值：19世纪末和20世纪3040年代。 1883年印尼克拉客托火山喷发出的火山灰逐渐沉降，大气透明度增加结果。

30、1902年帕累/Pelle等火山爆发引起。 1912年阿拉斯加卡特迈火山灰沉降，大气透明度增加，1915年后日射急增，长期增温。 20世纪40年代以后，人类活动影响，大气气溶胶浓度增加，引起辐射衰减，温度下降。,证据表明：1992年410月北半球两个大陆气温距平在-0.51.0 oC之间，19901991年曾是近百年较暖的两年，但1992年全球平均气温下降了0.2 oC ， 北半球下降0.4 oC(1991年菲律宾皮纳图博/Pinatubo火山爆发）,B 火山活动,一些研究结果：,火山爆发引起大气透明度的变化,而到达地表的太阳辐射要受大气透明度的影响。火山爆发对大气透明度的影响最大,它们能强烈

31、地反射和散射辐射, 削弱到达地面的直接辐射冷却效应。 火山爆发喷射到大气中的物质不仅直接影响大气的成分和光学性质，而且改变平流层大气成分，并且导致平流层化学过程的异常（表）。 火山灰云在平流层的存在，平流层气溶胶及其性质发生明显改变（图）。 平流层气溶胶变化引起的地面温度变化近似公式： 参见气候动力学引论,由于火山爆发的影响的延续时间只有几年，与温室气体增加产生的长期变化相比，是一种短时期的影响。因而不是造成近百年气候变化的原因。,1.太阳活动具有11年周期，太阳黑子峰值时太阳常数减少。 2.太阳黑子与太阳光斑？,C 太阳活动,通过200多年来对太阳黑子观测记录表明，太阳活动具有周期性，太阳活动增强时，太阳辐射也增强。,太阳活动改变大气电场结果：太阳黑子高峰期-大气电离程度比较强-直接经圈环流加强-Ferrel逆环流加强-空气南北交换加强-全球降水量偏多（Clayton,1923） 太阳活动引起大气臭氧层变化结果：太阳活动-紫外辐射-臭氧层-中层和平流层热状况-中层和平流层环流变化-行星波异常-对流层大气环流异常-气候变化,太阳活动（续）,. 海陆分布变化：晚石炭纪世界海陆分布 . 地