《現(xiàn)代氣候學基礎》第二章 氣候系統(tǒng)

第二章氣候系統(tǒng)2.1氣候系統(tǒng)的組成2.2氣候系統(tǒng)的物理、化學過程2.3氣候系統(tǒng)的基本特性2.4氣候系統(tǒng)的可預報性2.5氣候系統(tǒng)的研究第二節(jié)2.1氣候系統(tǒng)的組成氣候系統(tǒng)的定義：大氣圈、與水圈（海洋）、冰雪圈、巖石圈和生物圈相互作用的整體。氣候系統(tǒng)及其相互作用示意圖大氣+水=氣候的內系統(tǒng)全部陸地+地球外的宇宙=氣候的外系統(tǒng)氣候系統(tǒng)的變化中最為重要的外強迫因子太陽輻射、地球本身的結構作用大氣圈1)結構2)組成及特性:干潔空氣、水汽、固態(tài)和液態(tài)微粒（氣溶膠粒子）溫室氣體包括：水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、

氧化亞氮(N2O)、甲烷(CH4)和臭氧(O3)3)動力、熱力性質:熱慣性和動力慣性小,特征時間為15個天左右.

根據(jù)垂直方向上大氣溫度變化、運動狀態(tài)、密度及成分的變化等,將大氣分為:對流層,平流層,中間層,熱層和外逸層.大氣結構7T為循環(huán)的溫度;dT為循環(huán)的溫差;L為熱量，這里為汽化潛熱（相變熱）;ν為飽和蒸汽的比容;ν’為液體的比容;e為飽和水汽壓克勞修斯克拉珀方程

clausiusclapeyronequation對流層平流層中間層熱成層臭氧層溫度隨高度變化分子量主要氣體成分空氣中的含量/按體積％平均滯留期/年氮（N2）氧（O2）氬（Ar）二氧化碳臭氧（O3）干潔空氣78.0820.950.930.03（可變）0.000001（可變）100.0010610410915？28.0232.0039.9444.0048.0028.96

干潔空氣氣體的主要成分及含量對于具體的大氣成分來說，隨著高度的變化，其濃度變化也十分顯著。二氧化碳CO2,大氣中集中在大氣圈底部，從地面到20km高度以下這一薄層。在20km以下的大氣中一般占0.03%，到了20km以上含量顯著減少。它的天然源主要是海洋脫氣、甲烷轉化、生物過程、巖石的風化和沉積，比如，火山噴發(fā)，動植物的呼吸和有機物的腐爛、燃燒等；人為源主要是煤、石油、天然氣等礦物燃料的燃燒過程以及大量砍伐森林，隨著人類活動的不斷加劇，大氣中CO2的濃度不斷增加。臭氧隨高度的分布大氣臭氧的季節(jié)變化和緯度分布

南極臭氧洞：南極地區(qū)上空大氣臭氧總含量大幅度異常下降的一種現(xiàn)象。２０００CFCs對臭氧分析子的破壞過程1987年9月16日：簽署的《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》；

1995年1月23日：聯(lián)合國大會通過決議，確定從1995年開始，每年的9月16日為“國際保護臭氧層日”。1974年，羅蘭（Rowland）和穆連（Molina）發(fā)現(xiàn)氯氟碳化合物(CFCs)會破壞平流層臭氧

1976年，國家科學院發(fā)布了證實羅蘭（Rowland）和穆連（Molina）發(fā)現(xiàn)的報告

1976年，食品和藥品局和環(huán)境保護機構宣布階段性終止溶膠劑中的氯氟碳化合物(CFCs)

1978年，氯氟碳化合物(CFCs)在溶膠劑中的使用在美國禁止

1984年，約瑟夫法文（JosphFarman）領導的國際研究組探測到南半球春天南極上空4%的臭氧缺損

1985年，美國宇航局的衛(wèi)星數(shù)據(jù)證實了南極上空臭氧空洞的存在。

1987年，簽定蒙特利爾協(xié)議,呼吁全球范圍的氯氟碳化合物(CFCs)減少50%

1988年，美國全票批準蒙特利爾協(xié)議

1996年，對工業(yè)生產氯氟碳化合物(CFCs)的全面禁止開始實施

1989年，科學家宣布了在北冰洋上空臭氧層空洞的先期發(fā)現(xiàn)

1995年，F(xiàn).希拉伍德羅蘭（F.SherwoodRowland）和馬里奧穆連MarioMolina因在天氣化學領域的研究而被授予諾貝爾獎)

溫室效應（GreenhouseEffect）太陽輻射長波輻射溫室效應（大氣的保溫效應）：大氣中的溫室氣體對太陽輻射的吸收很少，但卻能強烈地吸收地面輻射，同時又向地面放射長波輻射，補償?shù)孛嬉蚍派漭椛涠鴵p失的能量，使地面氣溫升高的效應．主要溫室氣體對全球氣溫升高的貢獻CH4N2OCO2煙囪林立固態(tài)顆粒來源—

工廠、地表茅山的黃棕壤玉龍雪山

密林深處固態(tài)顆粒來源—

植物、大海（鹽粒）海洋挑戰(zhàn)者陽傘效應火山灰

露珠液體顆?！?、過冷水滴小雪花陽傘效應氣溶膠對太陽輻射的散射和吸收，使到達地面的太陽輻射減弱，引起地面氣溫的下降，其效應類似于陽傘效果，故稱為陽傘效應．水圈（海洋）、陸圈（巖石圈）、冰雪圈和生物圈水圈（海洋）組成：海洋、河流、湖泊、地下水和地表上的一切液態(tài)水。結構：海陸水平分布、海溫垂直結構地球表面海洋占地球表面積的70%，由于海水熱容量大，若僅考慮100m深的表層海水，其熱容量占整個氣候系統(tǒng)總熱量的95%海洋可以分成1.混合層（上層水團）2.溫躍層3.深層水團（恒溫層）大平洋典型溫度垂直面海洋上層的溫度受到大氣影響，在海洋表面向下的幾十米的水層里，風浪和海流引起的湍流混合十分強烈，海水溫度的垂直變化很小，因此被稱為混合層。但到某一個高度以后，很快遇到一個較薄的水層，其海水溫度隨深度的變化特別劇烈，這一區(qū)域被稱之為溫躍層。溫躍層混和層大洋平均溫度典型垂直分布圖6大洋中典型的密度鉛直向分布1、大氣逆溫層由于太陽短波輻射從地面反射到空氣的，加熱是越接近地面越顯著的，因此隨高度增加，氣溫亦越來越低。一種和此情況相反的，溫度隨高度的增加而增加，稱為逆溫現(xiàn)象；受逆溫現(xiàn)象影響的一段垂直厚度大氣則稱之為逆溫層。

2、平流層

3、海洋溫躍層

溫躍層是位于海面以下溫度和密度有巨大變化的薄薄一層，是上層的薄暖水層與下層的厚冷水層間出現(xiàn)水溫急劇下降的層。溫躍層把變化緩慢的深海與變化迅速的上層海洋分隔開來。

3、鋒面

分隔冷、暖兩種不同性質氣團之間的狹窄的過渡帶。這個過渡帶自地面向高空冷氣團一側傾斜。

海水密度

大于純水，是溫度、鹽度和壓力的函數(shù)鹽度增加時密度增大；溫度升高時（高于最大密度的溫度）密度減小海水最大密度的溫度隨鹽度增加而降低51015202503035-1-2-301234-1.332C溫度(C)鹽度(‰)24.695最大密度的溫度海水冰點

動力、熱力性質：反射率小、熱容量大、流速小，動力、熱力慣性大。變化的時間尺度：幾個月~幾年(上層海洋)

世紀尺度(深層海洋)

對氣候的影響：（1）對溫度的調節(jié)作用、水汽源地；（2）海-氣相互作用第二節(jié)巖石圈（陸圈）組成及結構：地球表層的固體表面，由巖石、土壤和沉積物組成。包括高原、平原、山地、丘陵、盆地等。熱力性質:熱容量小,熱慣性小.

變化的時間尺度:山脈形成:105~108年;大陸漂移:106~109年;陸塊位置和高度變化:109年以上.

對氣候的影響：地形的動力作用、地表的熱力作用、陸面水循環(huán)冰雪圈組成及結構：大陸冰原、高山冰川、海冰和地面雪蓋。熱力性質：反射率大變化的時間尺度：陸地雪蓋：季節(jié)~年際變化;海冰：季節(jié)~幾十年際變化;大陸冰原和高山冰川：幾百年~幾百萬年.

對氣候的影響：冰雪面-大氣相互作用冰島的Eyiafjalla冰川(制高點1666m)天山的積雪和冰川這張由美國航空航天局發(fā)布的衛(wèi)星照片顯示了2006年9月北極地區(qū)海冰的景象,面積約為530.95萬平方公里，為自有衛(wèi)星監(jiān)測以來的最小面積生物圈組成：陸地和海洋中的植物，空氣、海洋和陸地生活的動物，包括人類本身。動力、熱力、水文等特性：反射率、粗糙度、蒸發(fā)、蒸騰、水份循環(huán)、CO2平衡變化的時間尺度：季節(jié)~千年人類活動通過改變地表特性和大氣成分對氣候產生影響。植被2.2氣候系統(tǒng)的物理、化學過程在太陽輻射加熱作用下，在大氣中生成了風，在海洋中產生了洋流。風和洋流反過來又將熱量從過剩的地區(qū)輸送到熱量不足地區(qū)。赤道與極地溫差、地表和大氣高層的溫差、海陸的熱力差異、海陸分布引起的南北半球的熱力差異等等1)熱力屬性:空氣、水、陸地表面和冰雪面的溫度2)動力屬性：風、洋流及其垂直運動和冰體運動3)水分屬性：空氣濕度、云量、降水量、土壤濕度、河湖水位、冰雪等。4)靜力屬性：大氣和海水的密度、壓強、大氣的組成、海水鹽度及氣候系統(tǒng)的幾何邊界和物理常數(shù)等。圈層和代表物質大氣圈空氣水圈水冰雪圈冰(純)、雪(新鮮)陸地表面粘土(干)生物圈森林密度（103kg/m3）0.00121.000.920.101.60比熱容（103J/kg.K)1.004.192.102.090.89熱容量(106J/m3.K)0.00124.191.930.211.42熱傳導(W/m.K)0.0260.582.240.080.25熱擴散(10-6m2/s)21.50.141.160.380.18傳導能力(103J/m2.K.s1/2)0.0061.572.080.130.60日穿透深度(m)2.30.20.50.30.2年穿透深度(m)443.610.26.03.9反射率(%)～272～10～7084～95＞20＜20連續(xù)性好好可壓縮性較強較弱弱弱粘性小較大大大流動性好好差差氣候系統(tǒng)各組成部分屬性的對比氣候系統(tǒng)的物理過程與生命周期為2-3周以內的大尺度天氣系統(tǒng)的物理過程相比，氣候系統(tǒng)的外部加熱起著舉足輕重的作用。大尺度天氣系統(tǒng)的第一近似可視為絕熱系統(tǒng)，而氣候系統(tǒng)則必須考慮非絕熱加熱。這些過程包括：輻射過程、云過程、陸面過程、海洋過程、冰雪過程、氣溶膠過程、碳循環(huán)及生物過程2.3氣候系統(tǒng)的基本特性氣候系統(tǒng)是一個復雜的、高度非線性的、開放的局系統(tǒng)有規(guī)則的周期性變化：日變化、年變化等較規(guī)則的周期性變化：準雙周振蕩、準兩年振蕩等不規(guī)則的變化：百年增暖、大氣環(huán)流的突變

氣候系統(tǒng)的反饋過程反饋：氣候系統(tǒng)不同屬性（變量）之間的相互作用，引起氣候屬性的變化，稱為反饋。包括正反饋過程和負反饋過程。正反饋：反饋過程造成的氣候變化與原變化同號，使氣候變化加劇，產生氣候不穩(wěn)定稱為正反饋。負反饋：反饋過程造成的氣候變化與原變化反號，抑制氣候的變化和異常，使氣候趨于穩(wěn)定，稱為負反饋。正反饋：冰雪——反射率——溫度

水汽含量——紅外逸出輻射——溫度CO2——海溫高云（云頂高度）——逸出輻射——溫度負反饋：

（中低）云量多——太陽輻射少——穩(wěn)定度大——云量少

蒸發(fā)量大——水面溫度低——蒸發(fā)量小

赤道、極地溫差大——熱量輸送大——赤道、極地溫差小全球增暖是正反饋、還是負反饋？2.4氣候系統(tǒng)的可預報性第一類氣候預報：對未來某一具體時段氣候狀態(tài)的預報，其可預報性取決于作用于氣候系統(tǒng)的外力和氣候系統(tǒng)相互作用對