第一讲 地球气候系统

《第一讲 地球气候系统》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、第1讲气候系统及其变化1.什么是天气和气候以及气候变化与气候变率？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。气候一般是指平均天气。因而天气与气候变化是相互关联和交织在一起的，人们观测和感觉到的是天气变化。虽然天气与气候是密切相关的，但它们又有重要的差别：（1）人们可以预测未来50年或100年的气候，但不能预测未来几星期的天气，这是人们经常感到迷惑的事，这将会在第二讲说明；（2）在全球变暖条件下，仍会发生寒冷的冬天或出现降冷的地区，这也是人们经常感到不解的事情。但是如果看下面的图1，将会得到清楚的了解。这主要是因为总是存在着冷热的极值。但当对天气

2、做时空平均值，就可以明显地突现出全球变暖的事实。平均状态变化平均状态与离差幅度同时变化离差幅度变化图11.气候系统组成及其对气候变化的关系全球气候系统指的是一个由大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈（陆面）和生物圈组成的高度复杂的系统，这些部分之间发生着明显的相互作用（图2）。在这个系统自身动力学和外部强迫作用下（如火山爆发、太阳变化、人类活动引起的大气成分的变化和土地利用的变化），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）。图2气候系统及其圈层间相互作用过程概略示意图气候系统的构成气候系统是地球系统的

3、主要部分之一。地球系统还包括人类与生命系统，社会—经济方面等。它是一个完整的、相互关联的具有复杂的代谢和自身调节机制的系统。它的生物过程与物理和化学过程强烈的相互作用，以此构成复杂的地球生命支持系统。因而不但需要分别研究系统中各个部分的特征与循环，而且必须研究整个系统的集成行为及各分系统的相互作用。这就需要打破传统学科的观念，研究各学科边界之间的交叉科学问题。大气圈大气圈是气候系统中最不稳定，变化最快的部分。大气圈不但受到其它四个圈层的直接作用与影响，而且与人类活动有最密切的关系。人类主要生活在大气圈中，因而大气圈的状态和变化直接影响着人类的生存条件和各种活动。气候系统中其它圈层

4、变化产生的最后影响结果都会反映在大气圈中。因而大气圈是气候系统的中心。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。首先我们看大气圈中大气成分的变化。大气由各种气体和水汽以及固、液态质点（气溶胶）、云等组成。在气体中氮（N2）占78.1%（体积混合比），氧（O2）占20.9%，氩（Ar）占0.93%（表1）。但这些气体是所谓惰性气体，一般它们与入射的太阳辐射相互作用甚小，与地球放射的红外长波辐射不相互作用，也就是说，他们既不吸收也不放射热辐射。对地球气候有重大影响的是大气中的许多痕量气体。如二氧化碳（CO2），甲烷（CH4），氧化亚氮（N2O）和臭氧（O3）。虽然这

5、些气体只占大气总体积混合比的0.1%以下，但由于它们吸收和放射辐射，在地球能量收支中起着基本的作用。所以这些气体又称温室气体。大气中的水汽（H2O）也是一种自然的温室气体，并且是最强的温室气体；由于它可以通过相变转化成水滴、云滴与冰晶，因而对地球气候的变化影响很大，其体积混合比随时间和地点变化甚大，一般约占大气总体积混合比的1%左右。臭氧（O3）在地球的能量收支中也起着重要作用。大气圈下层（对流层和平流层下部）的O3是一种温室气体，而平流层中上层的O3浓度很高，形成了自然的臭氧层，它吸收太阳紫外辐射，在平流层的辐射平衡中起着重要作用。大气中悬浮的固、液态质量（气溶胶）与云以极其复

6、杂的方式与入射太阳辐射和射出长波辐射相互作用，从而影响地球的气候变化，近年来日益引起人们的关注。水圈及其循环水圈由所有的液态地表和地下水组成，既包括淡水（如江河，湖以及岩层中的水）也包括海洋的咸水。这些水都通过复杂的水圈相互联系在一起（图3）。海洋和陆面的水通过蒸发或蒸散，以水汽的形成进入大气中，尤其是海洋中的水汽大量的被大气环流输送到陆地上空，在那里形成云、雨。降水的一部分又以地表径流（主要是在河流中）的形式流入海洋，影响着海洋的盐分和环流。另一部分渗透入地下变成地下径流和地下水。前者又可回流到海洋，后者则储存于地下补充那里不断被采取的地下水量。上述水圈循环周而复始，为地球的各

7、种系统提供必需的水源。图3：全球变暖将影响整个水循环过程Bengtson,1998在水圈中对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