气候系统及其变化分解.ppt

1、第一讲气候系统及其变化，1。什么是天气和气候，气候变化和气候可变性？天气是指在短时间内(约1-3天)发生的天气现象，如暴雨、大风、雷暴和高温。气候通常指平均天气。因此，天气和气候变化是相互关联和交织在一起的，人们观察和感受的是天气变化。虽然天气和气候密切相关，但它们之间有重要的区别：(1)人们可以预测未来50年或100年的气候，但不能预测未来几周的天气，这往往令人困惑，这将在第二讲中解释；(2)在全球变暖的情况下，仍然会有寒冷的冬天或寒冷的地区，这是人们经常感到困惑的事情。但是如果你看看下面的图1，你会得到一个清晰的理解。这主要是因为总是有极端的冷热。但是当天气在时间和空间上被平均时，全球变暖

2、的事实可以被清楚地强调。平均状态改变，平均状态与色散振幅同时改变，并且色散振幅改变。图1，1。气候系统组成及其与气候变化的关系。全球气候系统是指由大气、水圈、冰雪圈、岩石圈(地表)和生物圈组成的高度复杂的系统，它们之间存在明显的相互作用(图2)。在系统动力学和外部作用力(如火山爆发、太阳变化、大气成分变化和人类活动引起的土地利用变化)的作用下，气候系统不断随时间演变(渐变和突变)，并在不同的时间和空间尺度上发生气候变化和变率(月、季、年际、年代际和百年尺度上的气候变率和变率)。图2是气候系统及其层间相互作用过程的示意图，气候系统的组成，气候系统是地球系统的主要部分之一。地球系统还包括人类和生命

3、系统、社会和经济方面等。它是一个完整的、相互关联的系统，具有复杂的代谢和自我调节机制。它的生物过程与物理和化学过程相互作用，从而形成了一个复杂的地球生命支持系统。因此，不仅要研究系统各部分的特性和循环，还要研究整个系统的集成行为和子系统之间的相互作用。因此，有必要打破传统的学科概念，研究学科边界之间的跨学科问题。大气是气候系统中最不稳定和变化最快的部分。大气不仅直接受其他四层的影响，而且与人类活动关系最密切。人类主要生活在大气中，因此大气的状态和变化直接影响着人类的生活条件和各种活动。气候系统其他层面变化的最终影响将会在大气中反映出来。因此，大气是气候系统的中心。大气主要通过大气成分和辐射收支

4、的变化来影响地球的气候。首先，让我们看看大气中大气成分的变化。大气由各种气体和水蒸气、固体和液体粒子(气溶胶)、云等组成。气体中，氮气(N2)占78.1%(体积混合比)，氧气(O2)占20.9%，氩气(氩气)占0.93%(表1)。然而，这些气体是所谓的惰性气体，它们通常与入射的太阳辐射几乎没有相互作用，并且不与地球发射的红外长波辐射相互作用，也就是说，它们既不吸收也不发射热辐射。大气中的许多微量气体对地球的气候有很大的影响。例如二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N2O)和臭氧(O3)。尽管这些气体只占大气总体积的不到0.1%，但它们在地球的能量收支中起着基本的作用，因为它们吸收和

5、辐射辐射。所以这些气体也被称为温室气体。大气中的水蒸气(H2O)也是一种天然的温室气体，也是最强的温室气体。由于它可以通过相变转化为水滴、云滴和冰晶，对地球气候的变化有很大影响，其体积混合比随时间和地点变化很大，一般约占大气总体积混合比的1%。臭氧(O3)在地球的能量收支中也起着重要作用。低层大气(对流层下部和平流层)中的O3是一种温室气体，而平流层上部的O3浓度较高，形成自然臭氧层，吸收太阳紫外辐射，在平流层辐射平衡中发挥重要作用。大气中悬浮的固体和液体物质(气溶胶)以极其复杂的方式与入射的太阳辐射和发射的长波辐射相互作用，从而影响地球的气候变化，这一问题近年来越来越受到关注。水圈及其循环，

6、水圈由所有的液体表面和地下水组成，包括淡水(如河流、湖泊和岩层中的水)和海水。这些水域通过复杂的水圈相互连接(图3)。海洋和陆地表面的水通过蒸发或蒸发进入大气，特别是海洋中的水蒸气通过大气环流输送到陆地，在那里形成云和雨。部分降水以地表径流的形式流入海洋(主要在河流中)，这影响了海洋的盐度和环流。另一部分渗入地下，成为地下径流和地下水。前者可以返回海洋，而后者储存在地下以补充不断被带到那里的地下水。上述水圈循环重复进行，为地球的各种系统提供了必要的水源。图3:全球变暖将影响整个水循环。本特森，1998，海洋对水圈气候的影响最大。海洋约占地球面积的70%。它可以储存和运输大量的能量，同时溶解和储

7、存大量的二氧化碳，这是全球碳循环的一个非常重要的部分。根据最近的估计，海洋每年可以吸收17亿吨碳，占化石燃料燃烧和工业生产排放总量的27%。海洋环流比大气环流慢得多，大气环流是由盐度和温度梯度之间的密度差(即温盐环流)驱动的。北大西洋温盐环流是对气候影响最大的温盐环流。气候的突然变化与这种环流的突然减弱或关闭有关(图3)。图4全球温度和盐循环传送带示意图，海洋具有很大的热惯性，主要是由于海水的热容量大，可以减缓或减缓巨大的强温度变化，起到地球气候调节器的作用，另一方面，由于海洋的长记忆性(特别是在热带海洋)，它可以通过长期的海气相互作用影响大气变化，成为自然气候变率的来源。这就是为什么海洋必须

8、包含在目前设计的各种复杂气候模型和碳循环模型中。赤道东太平洋的厄尔尼诺和拉尼娜现象(即该地区海面温度快速上升或下降的现象)是海洋产生的最显著的自然变化，已成为目前各国年度和季节预报的最重要的强气候信号。岩石圈和陆地过程，岩石圈是指固体地球的上部，包括陆地和海洋。它由所有的地壳表层岩石和上地幔的低温弹性部分组成。虽然火山活动是岩石圈的一部分，但它并不包含在气候系统中，而是作为一种自然的外部强迫因素，它影响着地球的气候。岩石圈与气候变化关系最为密切，气候变化是地壳、地幔和地表的结构。它们可以通过改变天气的化学成分来影响地球的气候。这种现象被称为气候变化的地质结构原因。地壳被分成不同的板块，漂浮在地

9、幔上。当两个板块碰撞时，会引起一系列的物理变化(图5)。火山爆发和造山运动是能够改变地球气候的物理过程，也是目前地球大气成分的来源。在地质时代的气候变化中，这种地质结构变化的原因非常重要，并将在未来继续成为一个重要的气候变化因素。当风吹过地表时，地表的结构或粗糙度也会动态地影响大气。粗糙度通常由地形和植被条件决定。风也将灰尘从地表吹向大气，从而影响区域大气辐射收支。sa的出现图5是板块俯冲、海底扩张和造山运动、生物圈(包括陆地和海洋以及所有生态系统和生物)的示意图。通过生物圈中的生物过程与物理和化学过程之间的强有力的相互作用，地球上的生命系统赖以生存的环境得以产生。生物圈对大气成分有重要影响。

10、例如，生物过程通过海洋吸收大量的二氧化碳来控制长期大气中的二氧化碳浓度。植物浮游生物的光合作用降低了海洋表面的CO2含量，因此大气中更多的CO2溶解在海洋中(图6)。海洋中浮游植物吸收的碳约有25%沉入海洋，在那里它不再与大气接触，而是储存在深海中数百年或数千年。这种所谓的生物泵和上述CO2溶解过程控制着海洋和空气之间的CO2交换分布模式(图7)。因此，生物圈在碳循环中起着核心作用。陆地生物群也是气候系统的重要组成部分，具有多种功能。例如，陆地植被的类型影响蒸发到大气中的水分和太阳辐射的吸收或反射。植被根系的状况和活动在碳和水的储存以及陆地-空气的流动中也起着重要的作用。叶表面指数是描述植物冠

11、层功能的重要指标，与全球和区域气候变化密切相关。陆地生态系统的生物多样性影响关键生态系统过程(如生产力)的数量级，并在生态系统的长期稳定中发挥重要作用。图6海面与低层大气的相互作用图。三种主要的船用碳泵限制了大气中CO2的自然变化：溶解泵、生物碳泵和碳酸钙反向泵。海洋对人类CO2的吸收是由海面对无机碳的吸收和从海面到深海对人类碳的吸收决定的。如果海洋循环不变，因为养分循环不变，生物泵不会受到很大影响。如果海洋循环减缓，人类对碳的吸收是由无机缓冲过程和物理运输决定的。然而，如果它的下沉速度不变，海洋粒子的流量就能到达深海。图7海气界面和碳循环，冰冻圈，包括大陆冰川、雪域、海冰和冻土，以及格陵兰岛

12、和南极洲的冰原。目前，冰川覆盖了全球约3%的表面，储存了75%的非海水(淡水)。海冰占陆地面积的7%，冻土占陆地面积的20.25%。冰冻圈对气候系统的重要性在于它对太阳辐射的高反射率(反照率)、低热导率、大的热惯性以及它在驱动深海环流中的关键作用。它可以影响地表能量和水汽通量、云、降水、水文循环以及大气和海洋循环，但最明显的影响是海平面高度。因为冰盖储存了大量的水，它的体积变化会导致海平面上升。如果包含世界上近90%冰川冰的南极冰盖完全融化，全球海平面可能会上升70米。如果只有南极冰盖的西部融化(这很有可能发生，拉森冰架在2002年3月破裂并融化)，这将足以使海平面上升约6米。因此，冰川的质量

13、平衡对海平面有直接影响。目前，冰川对海平面变化最直接的影响是通过融化高山冰川和冰架边缘区域来实现的。据估计，过去一个世纪海平面上升的一半是冰川融化的结果。2.气候系统中不同层之间的相互作用，气候系统的每一层都不是独立存在的，而是它们之间存在着明显的相互作用，这种相互作用不仅是物理的、化学的和生物的，而且具有不同的时间和空间尺度。所以气候系统变成了一个非常复杂的系统。尽管气候系统的不同层在组成、物理和化学特征、结构和状态方面有明显的差异，但它们都通过质量、热量和动量通量相互关联，因此这些层是一个开放和相互关联的系统。在气候系统不同层次的相互作用中，最重要的是海气相互作用、陆气相互作用和海陆相互作

14、用。海气相互作用、海洋和大气紧密耦合在一起，热量、水蒸气和动量热量和水汽是水文循环的一部分，它们可以产生凝结，形成云、降水和径流，并为天气系统提供运动能量。另一方面，降水对海洋盐度及其分布和温盐环流有影响。大气和海洋也交换二氧化碳，这是全球碳循环的重要组成部分。二氧化碳溶解在极地的冷水中，沉入海洋深处，并在赤道附近上升的海水中释放出来，从而保持平衡。虽然海-气相互作用的重要作用已被认识，并进行长期的观测和研究，但仍有许多重要问题没有得到很好的理解和定量计算，特别是海-气之间的化学-物理相互作用和反馈。目前还不清楚这些相互作用是如何影响气候系统或受气候影响的。此外，值得研究的问题包括：上层海洋的

15、物理、化学和生物过程如何影响海气通量和气候状态？气候系统如何影响海洋生态系统的结构和生产力？物质，尤其是碳化合物，是如何在深海中运输或储存的？连接海洋和大陆边缘的主要物理、化学和生物过程是什么？陆空相互作用，是气候系统中最基本的相互作用之一，包括冰冻层中的雪、冰川、冻土以及岩石圈和大气之间的相互作用；包括各种物质运输和转化、热量和水蒸气以及土地使用的变化。关键问题是：陆地和空气之间的水和能量交换如何改变地球的气候以及微量气体的排放和沉积？陆地上的大量中小尺度过程如何共同影响大尺度天气过程？人类引起的土地覆盖变化在陆地-空气界面过程和整个气候系统中扮演什么角色？为人类提供食物和纤维的生态系统如何

16、受到气候变化和人类利用的影响？海陆相互作用的关键问题是海岸带的变化和跨境运输，包括：海陆界面的物质运输和海岸生态系统对气候变化的影响；海岸带加速变化对上游陆域物质转移、过滤或储存能力的影响；气候系统的系统变化对海岸带，特别是最脆弱地区的影响，海气界面对加热场和大气环流的影响等。气候包含非常复杂的物理、化学和生物过程以及各层之间的相互作用。气候系统中任何循环的任何变化，无论是人为的还是自然的，内部的还是外部的作用力，都会通过相互作用引起气候系统的变化或气候变化。*气候变化中的生物地球化学过程见附录二。在不同层之间的相互作用过程中，主要进行水、碳和氧的交换和循环。图3给出了水循环图。气候系统中最大

17、的水源区域是地幔(见表1)。火山爆发时，地幔中的水向外喷发。据估计，地球上只有5%的水被释放出来。表1气候系统(大气科学，2008)中每单位面积各种水源的质量(103千立方厘米-2)和保留时间，以及碳循环过程如图8所示。碳储存在大气、海洋、生物圈和地壳中。这是碳库。它们之间有一个明显而复杂的交换(通量)，最终调节并决定大气中的碳浓度。也就是说，两种温室气体的浓度：CO2和CH4。图8地球系统、大气与海洋、地壳、生物圈、地幔层、光合作用、呼吸与衰退、埋藏、俯冲、海底扩张、风化、火山活动中不同碳库之间的碳循环，大气中的氧在地球形成早期主要是氢，然后氧增加，氢大大减少。就是这样，地球上有生命。氧主要

18、由生物群的光合作用产生，并通过氧化过程被还原。目前，氧气开始减少(图9)。海洋酸化会导致海洋中氧气减少，从而威胁海洋生物和生态系统的安全。，世界上CO2浓度和氧分子浓度的变化，13C和12C的总碳排放和同位素比值的变化，图9，3。气候演变的特征：气候变化和气候多变性，气候变化是指气候平均状态的统计意义上的巨大变化或持续时间较长(通常为10年或更长)的气候变化。气候变化的原因可能是自然的内部过程、外部胁迫或人为的大气成分和土地利用的持续变化。联合国气候变化框架公约(UNFCCC)第一段对“气候变化”的定义是：“经过相当长一段时间的观测，人类活动引起的气候变化，除了自然气候变化以外，还直接或间接地改变了全球大气的组成。”因此，气候公约区分了因人类活动而改变大气组成的“气候变化”和因自然原因造成的“气候变化”(图1012)。因为天气预报应该尽可能了解所有的初始条件，所以把气候作为天气预报的基本背景条件是非常有用的。同时，气候也可以作为确定基本天气模式的全