1氣候動(dòng)力學(xué)-緒論

氣候動(dòng)力學(xué)氣候動(dòng)力學(xué)是以地球流體力學(xué)和大氣環(huán)流動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，是大氣科學(xué)與地球科學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)相互交叉的一個(gè)前沿學(xué)科。第一章緒論1.1氣候動(dòng)力學(xué)的任務(wù)、特點(diǎn)和方法1.2氣候變化和氣候可預(yù)報(bào)性1.3氣候系統(tǒng)氣候動(dòng)力學(xué)的定義通過觀測、分析（診斷和理論）和數(shù)值模擬等方法，研究氣候系統(tǒng)各部分發(fā)生的物理、化學(xué)和生物過程以及它們之間的相互作用，認(rèn)識(shí)氣候變化和變異的規(guī)律和機(jī)制，為氣候預(yù)測提供理論基礎(chǔ)。1.1氣候動(dòng)力學(xué)的任務(wù)、特點(diǎn)和方法氣候動(dòng)力學(xué)的主要任務(wù)和目標(biāo)了解異常氣候的變化規(guī)律和形成機(jī)制，并對(duì)異常氣候作出較為可靠的預(yù)測1、應(yīng)用動(dòng)力學(xué)診斷方法揭露大氣中時(shí)間尺度為一周以上的各種異常氣象現(xiàn)象及其變化。例如大氣環(huán)流遙相關(guān)、大氣季節(jié)內(nèi)振蕩和平流層準(zhǔn)二年振蕩(QBO)的發(fā)現(xiàn)，平流層爆發(fā)性增溫和ENSO事件的診斷研究2、從氣候系統(tǒng)的各子系統(tǒng)之間的相互作用入手研究上述異常氣候的產(chǎn)生機(jī)制。例如從海氣相互作用入手研究ENSO過程，從陸地生物地球物理反饋機(jī)制研究干旱化的形成。3、研究在上述氣象異常現(xiàn)象形成中的動(dòng)力學(xué)過程。例如研究球面二維Rossby波的傳播過程來解釋大氣中季節(jié)內(nèi)振蕩和遙相關(guān)特征；從波流相互作用的動(dòng)力學(xué)過程來研究QBO和平流層爆發(fā)性增溫的形成機(jī)理。氣候動(dòng)力學(xué)研究的主要特征氣候動(dòng)力學(xué)所涉及的范圍包括：產(chǎn)生異常氣候的源，由源引起的長期動(dòng)力過程，異常氣候出現(xiàn)的整個(gè)過程。其最終目的不僅僅是要了解氣候異常產(chǎn)生的原因、過程，而且要提出預(yù)測這種氣候異常的動(dòng)力學(xué)方法。

氣候動(dòng)力學(xué)的研究方法動(dòng)力學(xué)診斷方法純理論的研究方法尋找描寫某一過程的數(shù)學(xué)－物理方程組的解析解數(shù)值模擬方法利用氣候模式如AGCM、OGCM或CGCM來研究氣候異常現(xiàn)象1、氣候變化的基本特點(diǎn)2、氣候的可預(yù)報(bào)性3、WCRP和CLIVAR簡介1.2氣候變化和氣候可預(yù)報(bào)性●氣候變化的時(shí)間尺度●氣候變化的確定性和隨機(jī)性●氣候變化的階段性和周期性●氣候變化的持續(xù)性和突變性1、氣候變化的基本特點(diǎn)●氣候變化的時(shí)間和空間多尺度性

氣候變化的時(shí)間尺度有長達(dá)數(shù)百萬年，直至數(shù)千萬年的冰期和間冰期循環(huán)，也有幾百年，甚至幾年的短期氣候振動(dòng)。氣候變化所涉及的空間范圍，既有全球的，也有一個(gè)洲，甚至更小區(qū)域的。1880年以來北半球年平均溫度的變化(

T)(引自MacCracken，etal.，1990)。(a)、(b)和(c)分別表示不同作者的結(jié)果氣候變化按時(shí)間尺度分為六類：短期氣候變化（時(shí)間尺度為月或季）年際氣候變化（時(shí)間尺度為幾年）長期氣候變化（時(shí)間尺度為幾十年-年代際變化)超長期氣候變化（時(shí)間尺度為幾百年-世紀(jì)際變化)歷史時(shí)期氣候變化（時(shí)間尺度為千年）地質(zhì)期氣候變化（時(shí)間尺度為萬年或更長）由于有氣候資料記載的時(shí)間不過幾百年，對(duì)于氣候變化的研究也就主要集中在短期、年際、年代際和百年四個(gè)時(shí)間尺度的氣候變化上，尤其是前三個(gè)時(shí)間尺度的氣候變化。三個(gè)時(shí)間尺度的氣候變化問題月和季時(shí)間尺度大氣環(huán)流的持續(xù)性異常大氣低頻振蕩邊界條件和外源強(qiáng)迫（SST）年際尺度ENSOQBO火山爆發(fā)海－氣－陸相互作用（上層海洋環(huán)流）年代際尺度人類活動(dòng)的影響：排放，地表覆蓋全球海洋環(huán)流，包括深層海洋環(huán)流，碳循環(huán)為了深入認(rèn)識(shí)氣候的演變規(guī)律，探索氣候變化的原因，歷史時(shí)期和地質(zhì)時(shí)期的氣候變化問題也值得研究。當(dāng)然，對(duì)于研究后三類時(shí)間尺度、特別是后兩類時(shí)間尺度的氣候變化，需要通過一些特殊的辦法獲得氣候變化的信息。中國年平均氣溫變化趨勢（%/10a）分布圖（1960—1999）●氣候變化的確定性和隨機(jī)性

氣候的日、年變化與地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)有關(guān)，105（10萬）年和3×108年（億年）時(shí)間尺度的變化與地球運(yùn)行軌道參數(shù)及太陽系在銀河系中的運(yùn)動(dòng)周期有聯(lián)系，氣候變化具有確定性。在一定的地理緯度、一定的海陸分布環(huán)境和一定的地形條件下，也有一定的氣候和氣候變化特點(diǎn)，都遵循基本的熱力學(xué)、水文學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理。從這個(gè)意義上說，氣候變化都具有非隨機(jī)性。由于影響氣候的各種外部因素具有不同時(shí)間尺度的變化，氣候系統(tǒng)內(nèi)部影響氣候的各種物理過程、化學(xué)過程和生物過程的時(shí)間尺度也各不相同，因而某一類型氣候變化的確切程度、影響范圍、確切的開始和持續(xù)時(shí)間都是難以確定和預(yù)測的。因此，氣候變化的隨機(jī)性是客觀存在的，也正是這種隨機(jī)性構(gòu)成了千變?nèi)f化的氣候異?，F(xiàn)象。相對(duì)于1961－1990年溫度距平（℃）18601880190019201940196019802000-0.8-0.200.40.80.60.2-0.4-0.6●氣候變化的階段性和周期性

氣候的日、年變化是受嚴(yán)格的地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)變化周期支配的，是人們熟悉和感覺得到的。

這些不同時(shí)間尺度的氣候冷暖交替出現(xiàn)，循環(huán)變化，具有周期性，但是在這些周期變化的大背景中，每次冷暖持續(xù)時(shí)間的長度、變化的幅度都是不一樣的，因此氣候變化的非周期性也是很明顯的和客觀存在的。

氣候變化的非周期性與氣候變化的隨機(jī)性是有緊密聯(lián)系的。由于隨機(jī)性的影響，使實(shí)際氣候變化的周期性變得不嚴(yán)格甚至很紊亂。●氣候變化的持續(xù)性和突變性

在氣候演變的過程中，往往會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間連續(xù)溫暖或者一段時(shí)間連續(xù)寒冷，降水也往往會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間多雨洪澇，一段時(shí)間少雨干旱，這種現(xiàn)象稱之為氣候的持續(xù)性。持續(xù)性也是氣候變化的一種常見現(xiàn)象。氣候從一種狀態(tài)發(fā)展到另一種狀態(tài)需要經(jīng)過一段時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，如果這種調(diào)整的時(shí)間很短，且兩種狀態(tài)的差異較大，往往就稱之為氣候突變。均值突變趨勢突變變率突變(振幅、周期)

氣候突變類型1880-1999年中國年平均氣溫距平2、氣候變化的可預(yù)報(bào)性天氣預(yù)報(bào)技巧的改進(jìn)(CourtesyofA.Hollingsworth,EuropeanCentreforMediumRangeForecasting.)氣候可預(yù)報(bào)性：不同時(shí)間尺度氣候變化的可預(yù)報(bào)程度●氣候的可預(yù)報(bào)性

Lorenz(1975)把氣候的可預(yù)報(bào)性分為兩類，

第一類可預(yù)報(bào)性是初始誤差(擾動(dòng))隨時(shí)間的增長問題，直接與大氣統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的預(yù)報(bào)有關(guān)，主要表現(xiàn)為按時(shí)間順序預(yù)報(bào)氣候狀態(tài)的可能程度；

第二類可預(yù)報(bào)性是指外強(qiáng)迫發(fā)生變化后，氣候變化的模擬和預(yù)報(bào)能力?！谝活悮夂蚩深A(yù)報(bào)性第一類氣候可預(yù)報(bào)性實(shí)際上就是關(guān)于確定性預(yù)報(bào)的時(shí)效問題，因?yàn)轭A(yù)報(bào)時(shí)效總會(huì)存在極限，超過這個(gè)時(shí)限時(shí)，因誤差太大預(yù)報(bào)將毫無意義?！诙悮夂蚩深A(yù)報(bào)性大氣是一個(gè)開放系統(tǒng)、同外界存在能量及其他交換。如果把外界的各種影響看成外強(qiáng)迫的話，氣候狀態(tài)則是大氣運(yùn)動(dòng)與外強(qiáng)迫共同作用的產(chǎn)物。由于外強(qiáng)迫的改變，尤其一些持續(xù)性的外強(qiáng)迫異常，必然使大氣環(huán)流和氣候狀態(tài)發(fā)生變化，怎樣估計(jì)以及在多大程度上可以較好地估計(jì)這種異常外強(qiáng)迫的影響，將是第二類氣候可預(yù)報(bào)性問題。對(duì)于這個(gè)問題，一般都用數(shù)值模擬的辦法進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，研究模式大氣對(duì)外強(qiáng)迫源的響應(yīng)及其敏感性?！诙悮夂蚩深A(yù)報(bào)性海溫異常對(duì)大氣的強(qiáng)迫地形熱力和動(dòng)力作用對(duì)大氣的影響CO2增加引起的全球增暖古氣候數(shù)值模擬3、WCRP和CLIVAR簡介世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）氣候變率和可預(yù)報(bào)性研究計(jì)劃（CLIVAR）●世界氣候研究計(jì)劃(WCRP：WorldClimateResearchProgram)

世界氣候研究計(jì)劃(WCRP)是世界氣候計(jì)劃的研究計(jì)劃部分，該計(jì)劃旨在協(xié)調(diào)和尋求對(duì)整個(gè)氣候系統(tǒng)的科學(xué)了解,特別是研究在什么程度上可以預(yù)測氣候和人類在多大程度上能夠影響氣候。該計(jì)劃設(shè)立于1980年，由世界氣象組織(WMO)、國際科學(xué)聯(lián)盟(ICSU)和聯(lián)合國科教文組織(UNESCO)下屬的政府間海洋委員會(huì)(IOC)共同組建。

WCRP涉及的是整個(gè)氣候系統(tǒng)，最終目標(biāo)是為建立月、季、年際以及年代際等氣候預(yù)測提供科學(xué)認(rèn)識(shí)和基礎(chǔ)。政策方面氣候變化框架公約（荒漠化、生物多樣化）政府間氣候變化委員會(huì)（IPCC）（科學(xué)評(píng)估）研究方面國際地圈-生物圈計(jì)劃（IGBP）世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）全球環(huán)境變化的國際人類活動(dòng)計(jì)劃（IHDP）為可持續(xù)發(fā)展的預(yù)測與服務(wù)能力建設(shè)START與相關(guān)計(jì)劃全球氣候觀測系統(tǒng)（GCOS）國家和研究觀測系統(tǒng)WCRP在國際氣候活動(dòng)中的作用氣候影響評(píng)估世界氣候研究計(jì)劃(WCRP)包括：

氣候變率和可預(yù)報(bào)性研究計(jì)劃（CLIVAR）平流層過程及其在氣候中作用的研究計(jì)劃（SPARC）全球能量和水份循環(huán)計(jì)劃（GEWEX）世界大洋環(huán)流計(jì)劃（WOCE）北極氣候研究（ACSYS）和極地氣候計(jì)劃熱帶海洋和全球大氣計(jì)劃（TOGA）主要目標(biāo)氣候的可預(yù)報(bào)程度；人類活動(dòng)對(duì)氣候影響的可能程度。針對(duì)氣候變化的三種不同的時(shí)間尺度，WCRP分別提出了三個(gè)具體目標(biāo):建立月至季度的氣候異常的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)方法；預(yù)測年際尺度(幾年)的全球氣候變化；估計(jì)年代際尺度(幾十年)的氣候變化趨勢，尤其是估計(jì)人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響?！駳夂蜃兟屎涂深A(yù)報(bào)性研究計(jì)劃（CLIVAR）

作為WCRP的一個(gè)重要科學(xué)研究計(jì)劃是在1995年建立的，它是在TOGA與WOCE計(jì)劃的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，于1998年正式實(shí)施。目前已成為WCRP計(jì)劃中最活躍的氣候研究計(jì)劃之一。●CLIVAR的總目標(biāo)(goals)：（1）通過收集和分析觀測資料與發(fā)展和應(yīng)用耦合模式，并與其它相關(guān)氣候研究和觀測計(jì)劃合作，以求能更好地描述和了解造成季、年際、年代和百年時(shí)間尺度的氣候變率及其可預(yù)報(bào)性；（2）通過收集和集成經(jīng)過質(zhì)量控制的古氣候與儀器觀測資料集，把氣候變率的記錄延長到必需的時(shí)間尺度；（3）通過發(fā)展全球耦合預(yù)報(bào)模式增加季節(jié)到年際氣候預(yù)測的時(shí)效和準(zhǔn)確性；（4）了解和預(yù)測氣候系統(tǒng)對(duì)溫室氣體和氣溶膠增加的響應(yīng)，并把這些預(yù)測與觀測到的氣候記錄進(jìn)行比較以檢測人類活動(dòng)是如何影響自然氣候信號(hào)的。CLIVAR計(jì)劃的組成部分：CLIVAR-GOALS，主要研究全球海洋—大氣—陸地系統(tǒng)（GOALS）的季—年際氣候變率與可預(yù)報(bào)性；CLIVAR-DecCen，主要研究十年到百年的氣候變率與可預(yù)報(bào)性；CLIVAR-ACC，主要研究氣候?qū)θ祟惢顒?dòng)產(chǎn)生的輻射活躍氣體與氣溶膠的響應(yīng)。——CLIVAR-GOALS的研究領(lǐng)域：

G1：ENSO。旨在利用、延伸和改進(jìn)ENSO預(yù)報(bào)，中心問題是研究與ENSO有關(guān)的熱帶太平洋季到年際變率與耦合大氣

-海洋演變。

G2：亞澳季風(fēng)系統(tǒng)變率。研究和確定亞澳季風(fēng)氣候系統(tǒng)可預(yù)報(bào)性的上限；從定量的方面研究亞澳季風(fēng)系統(tǒng)由緩變的邊界條件與內(nèi)部動(dòng)力學(xué)對(duì)季風(fēng)可預(yù)報(bào)性的相對(duì)貢獻(xiàn)；確定亞洲季風(fēng)在全球氣候系統(tǒng)可預(yù)報(bào)性中的作用特別是與ENSO有關(guān)的一些部分。

G3：美洲季風(fēng)系統(tǒng)變率。從多方面研究美洲季風(fēng)系統(tǒng)和平均狀態(tài)與變化及其可預(yù)報(bào)性，并盡可能進(jìn)行預(yù)報(bào)試驗(yàn)。

G4：非洲氣候變率。重點(diǎn)是研究非洲氣候年際變率和可預(yù)報(bào)性。——CLIVARDenCen的主要研究領(lǐng)域：D1：北大西洋濤動(dòng)（NAO）了解影響海洋變化的主要控制因子；年代際變化振幅隨時(shí)間增大的原因。D2：熱帶大西洋變率跨赤道偶極子（SST）兩個(gè)部分間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系；偶極子模態(tài)與邊界層物理過程的關(guān)系；局地海氣相互作用或遙相關(guān)影響。D3：大西洋溫鹽環(huán)流確定過去10－100年時(shí)間尺度變化的時(shí)空特征；溫鹽環(huán)流（THC）對(duì)表面通量變化的敏感性；了解THC改變的海洋動(dòng)力過程；估計(jì)基于THC影響而預(yù)測氣候的程度。D4：太平洋—印度洋年代際變率是什么樣的海洋或大氣條件造成了大尺度太平洋年代際變化型（包括ENSO和PNA模）；印度洋的年代際變化是否比較好描寫；印度洋年代際變化與熱帶/北太平洋模的關(guān)系。D5：南大洋溫鹽環(huán)流一些特殊水團(tuán)形成及活動(dòng)的機(jī)制；環(huán)南極波的物理機(jī)制及其與低緯的聯(lián)系；冰－海－氣耦合相互作用?！狢LIVAR—ACC的計(jì)劃：

A1：氣候變化預(yù)測。對(duì)各種預(yù)測模式的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)，盡最大努力改進(jìn)氣候變化預(yù)測，這包括支持減少氣候變化與大氣強(qiáng)迫不確定性的研究，持續(xù)地發(fā)展和評(píng)估氣候模式，并對(duì)模式結(jié)果進(jìn)行比較，另外還要研制標(biāo)準(zhǔn)的排放強(qiáng)迫構(gòu)想。

A2：氣候變化檢測和歸因。前者是要顯示觀測的氣候變化在統(tǒng)計(jì)意義上是高度異常的，即這種變化比由自然的內(nèi)部脈動(dòng)所預(yù)期發(fā)生的變化要大，而后者是要證明這種觀測的變化不可能用自然的原因來解釋，這是一種因果關(guān)系的建立過程1.3氣候系統(tǒng)

氣候系統(tǒng)氣候系統(tǒng)的物理約束在空間和時(shí)間上的統(tǒng)計(jì)分解氣候系統(tǒng)是由大氣、海洋、冰雪圈、巖石圈和生物圈（包括人類）組成，每個(gè)分量都具有許多不同的時(shí)間尺度和反饋過程，且各分量之間存在相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)。氣候系統(tǒng)中的某一部分的變化會(huì)影響所有的其它部分，較慢子系統(tǒng)（例如海洋和冰川）的反饋過程能引起較快子系統(tǒng)的變化，即大氣具有很長時(shí)間尺度的準(zhǔn)周期性。氣候系統(tǒng)總質(zhì)量守恒角動(dòng)量守恒能量守恒水汽守恒氣候系統(tǒng)的物理約束在空間和時(shí)間上的統(tǒng)計(jì)分解第一項(xiàng)表示時(shí)間平均流的輸送第二項(xiàng)表示瞬變波或渦旋輸送第一項(xiàng)表示緯圈平均經(jīng)向環(huán)流輸送第二項(xiàng)表示渦旋輸送平均經(jīng)向環(huán)流輸送（緯向?qū)ΨQ