第一章 气候系统

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1、全球气候系统南京信息工程大学缪启龙教授第一章气候系统一、气候的定义狭义上：气候通常被定义为“天气的平均状态”严格表述为：“某地在某一时段内气候要素的平均值和变率的统计描述”天气是指在短时间内（1-3天左右）发生的天气现象，如暴雨，大风，雷暴，高温等第一章气候系统二、气候系统通常定义为由大气、海洋、冰雪圈、岩石圈和生物圈等组成的相互作用的整体。因为气候系统有连续的外界能量输入，且其各个组成部份之间通过物质和能量交换紧密地相互联系和影响着，所以系统是一个非线性的开放系统。第一章气候系统气候系统的组成大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈

2、和生物圈内部及其之间普遍存在着能量、动量和物质的输送与交换过程。正是由于这些子系统之间复杂的物理、化学和生物作用，才形成了气候系统行为的多样性和复杂性。控制气候系统总体行为的两个最重要的外强迫因子是源于外空间能量输入的太阳辐射和源于地球本身的重力作用。地球气候系统的热力学和动力学状态均与这两个因子有关。气候系统不断地随时间演变（渐变与突变），而且具有不同时空尺度的气候变化与变率（月、季节、年际、年代际、百年尺度等气候变率与振荡）。第一章气候系统三、各个子系统1、大气系统是包围地球的一层气体，与地球的在固体部分相比，大气系统仅

3、为地球半径的0.5%厚的浅薄气体。但它是人类赖以生存的最重要的环境，是气候系统的主体部分，也是气候系统中最活跃、变化最大的部分。大气圈主要通过其中大气成分及辐射收支的变化来影响地球的气候。第一章气候系统2、水圈包括海洋、河流、湖泊和地下水，也应包括大气中的液态水，在有些工作中将冰雪圈也划入水圈。水圈也是气候系统中最活跃的组成之一，其三相变化的过程是气候系统最重要的过程之一，它的存在和运动构成了地表、空中、水中的形形色色的自然现象，纷纭复杂的气候类型，也是生命赖以生存的基本要素。在水系统中海洋对气候变化的影响最重要。在水圈中对

4、气候影响最大的是海洋。海洋占地球面积的70%左右，它一方面可以储存与输送大量的能量，同时还可以溶解与储存大量的CO2，是全球碳循环中非常重要的部分。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%。海洋的环流比大气环流要慢得多，它是由盐分与温度梯度产生的密度差（即温盐环流）驱动的。北大西洋温盐环流是对气候影响最显著的一种温盐环流。气候的突变与这种环流的突然减弱或关闭有关）。海洋通过洋流把赤道地区的多余热量向极地输送。它能影响地表能量与水汽通量、云、降水、水文循环以及大气与海洋环流，但最明显的

5、影响是对海平面高度。因为冰原储存了大量的水，其体积变化可引起海平面上升。海洋有很大的热惯性，这主要是由于海水的热容量很大，它一方面可以阻尼或减缓巨大的强温度变化，起到了地球气候调节器的作用，另一方面，由于它有较长的记忆力（尤其是在热带海洋），可以长时期内通过海气相互作用影响大气的变化，成为自然气候变率的源。这就是为什么在目前设计的各种复杂气候模式与碳循环模式中必须把海洋包括在内。在赤道东太平洋中发生的厄尔尼诺和拉尼娜现象（即该区域海表温度迅速升高或减少的现象）是由海洋产生的最显著的自然变率，它已成为目前各国进行年际预报和季节

6、预报的最重要气候强信号。第一章气候系统3、冰雪圈指全球的冰体和积雪，是气候寒冷的产物；由极地冰原、季节性雪盖、海冰、高山冰川和永冻层组成。无论海冰还是陆冰对气候也产生很大影响；影响地表辐射平衡和热量平衡。目前冰川对海平面变化最直接的作用是通过高山冰川的融化与冰架边缘地区的融化实现的。据估计，近百年海平面上升的约一半高度是冰川融化的结果。第一章气候系统4、岩石圈，即地球表层固体的壳体，包括大陆的陆块，即山体、地表岩石、沉积和土壤，也包括海洋底部形态。岩石圈与气候变化最密切相关的部分是地壳、地幔和陆面的结构。它们可通过改变天气的

7、化学成分影响地球的气候。这种现象被称为气候变化的地质构造原因。时间尺度是气候系统的所有组成中最长的，约为105~106年以上；影响主要表现在地形的动力作用、地表热力特性的差异及陆面水分循环。陆面的结构或其粗糙度在风吹过陆面的时候也可从动力学上影响大气。粗糙度一般决定于地形和植被条件。风也把沙尘从地表吹到大气中去，从而影响区域大气辐射收支。沙尘暴的发生就是一个最明显的例子。第一章气候系统5、生物圈，也称为生物系统是大气中、陆地上、海洋中的植物和动物，也包括人类本身生物圈与气候是休戚相关的，影响较大的是世界范围的植被，植被既是气

8、候的产物，反过来又对气候产生影响。主要是影响能量平衡和水分平衡生物圈在碳循环中起着中心作用。陆地生物群也是气候系统中的一个重要部分，其功能很多。例如陆地植被类型影响蒸发到大气的水分以及太阳辐射的吸收或反射。植被根部的状况与活动也对碳与水储存以及陆气通量有重要作用。叶面指数是描述植物群冠作用