氣候系統(tǒng)精品課件

1、氣候系統(tǒng)第1頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四2.1 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。第2頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四氣候系統(tǒng)及其相互作用示意圖第3頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四大氣+水 = 氣候的內(nèi)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(qiáng)迫因子太陽(yáng)輻射、地球本身的結(jié)構(gòu)作用第4頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四大氣圈1) 結(jié)構(gòu)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

2、括：水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、 氧化亞氮 (N2O)、甲烷(CH4)和臭氧(O3)3) 動(dòng)力、熱力性質(zhì): 熱慣性和動(dòng)力慣性小,特征時(shí)間為15個(gè)天左右.第5頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四 根據(jù)垂直方向上大氣溫度變化、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、密度及成分的變化等,將大氣分為:對(duì)流層,平流層,中間層,熱層和外逸層.大氣結(jié)構(gòu)第6頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四7第7頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四T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）;為飽和蒸汽的比容;為液體的比容;e為飽和水汽壓克勞修斯 克拉珀方

3、程clausius clapeyron equation 第8頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四對(duì)流層平流層中間層熱成層臭氧層溫度隨高度變化第9頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四分子量主要?dú)怏w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）0.000 001（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第10頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四

4、對(duì)于具體的大氣成分來(lái)說(shuō)，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20 km高度以下這一薄層。在20 km以下的大氣中一般占0.03%，到了20 km以上含量顯著減少。 它的天然源主要是海洋脫氣、甲烷轉(zhuǎn)化、生物過(guò)程、巖石的風(fēng)化和沉積，比如，火山噴發(fā)，動(dòng)植物的呼吸和有機(jī)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(guò)程以及大量砍伐森林，隨著人類活動(dòng)的不斷加劇，大氣中CO2的濃度不斷增加。第11頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四臭氧隨高度的分布第12頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四第13

5、頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四大氣臭氧的季節(jié)變化和緯度分布第14頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四第15頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四南極臭氧洞：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 。第16頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四第17頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四CFCs對(duì)臭氧分析子的破壞過(guò)程第18頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四1987年9月16日：簽署的關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書(shū)； 1995年1月23日：聯(lián)合國(guó)大會(huì)

6、通過(guò)決議，確定從1995年開(kāi)始，每年的9月16日為“國(guó)際保護(hù)臭氧層日”。第19頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四第20頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四1974年，羅蘭（Rowland）和穆連（Molina）發(fā)現(xiàn)氯氟碳化合物(CFCs)會(huì)破壞平流層臭氧1976年，國(guó)家科學(xué)院發(fā)布了證實(shí)羅蘭（Rowland）和穆連（Molina）發(fā)現(xiàn)的報(bào)告1976年，食品和藥品局和環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)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(guó)禁止1984年，約瑟夫 法文（Josph Farman）領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究

7、組探測(cè)到南半球春天南極上空4%的臭氧缺損1985年，美國(guó)宇航局的衛(wèi)星數(shù)據(jù)證實(shí)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(guó)全票批準(zhǔn)蒙特利爾協(xié)議1996年，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)氯氟碳化合物(CFCs)的全面禁止開(kāi)始實(shí)施1989年，科學(xué)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. Sherwood Rowland）和馬里奧 穆連Mario Molina因在天氣化學(xué)領(lǐng)域的研究而被授予諾貝爾獎(jiǎng)) 第21頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四溫室效應(yīng)（Greenhouse Effect）

8、太陽(yáng)輻射長(zhǎng)波輻射第22頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四溫室效應(yīng)（大氣的保溫效應(yīng)）：大氣中的溫室氣體對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收很少，但卻能強(qiáng)烈地吸收地面輻射，同時(shí)又向地面放射長(zhǎng)波輻射，補(bǔ)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(yīng)第23頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四推薦紀(jì)律片：難以忽視的真相 2006年 阿爾戈?duì)枺绹?guó)）全球變暖的大騙局 2007年 BBC第24頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四主要溫室氣體對(duì)全球氣溫升高的貢獻(xiàn)CH4N2OCO2第25頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四煙 囪 林 立固

9、態(tài)顆粒來(lái)源 工廠、地表茅山的黃棕壤第26頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四玉龍雪山密林深處固態(tài)顆粒來(lái)源 植物、大海（鹽粒）海洋挑戰(zhàn)者陽(yáng)傘效應(yīng)第27頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四火山灰第28頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四 露 珠液體顆粒水滴、過(guò)冷水滴小 雪 花第29頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四第30頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四第31頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四陽(yáng)傘效應(yīng)氣溶膠對(duì)太陽(yáng)輻射的散射和吸收，使到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射減弱，引起地

10、面氣溫的下降，其效應(yīng)類似于陽(yáng)傘效果，故稱為陽(yáng)傘效應(yīng)第32頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四第33頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四水圈（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(jié)構(gòu)：海陸水平分布、海溫垂直結(jié)構(gòu)第34頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四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(gè)氣候系統(tǒng)總熱量的95%第35頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四海洋可以分成 1.混合層（上層水

11、團(tuán)） 2.溫躍層 3.深層水團(tuán)（恒溫層）大平洋典型溫度垂直面第36頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四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(fēng)浪和海流引起的湍流混合十分強(qiáng)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(gè)高度以后，很快遇到一個(gè)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。溫躍層混和層第37頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四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第38頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四1、大氣逆溫層由于太陽(yáng)短波輻射從地面反射到空

12、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(lái)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(kāi)來(lái)。 3、鋒面 分隔冷、暖兩種不同性質(zhì)氣團(tuán)之間的狹窄的過(guò)渡帶。這個(gè)過(guò)渡帶自地面向高空冷氣團(tuán)一側(cè)傾斜。第39頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四海水密度大于純水，是溫度、鹽度和壓力的函數(shù)鹽度增加時(shí)密度增大；溫度升高時(shí)（高于最

13、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第40頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四51015202503035-1-2-301234-1.332 C溫度(C)鹽度()24.695最大密度的溫度海水冰點(diǎn)第41頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四 動(dòng)力、熱力性質(zhì)：反射率小、熱容量大、流速小，動(dòng)力、熱力慣性大。變化的時(shí)間尺度：幾個(gè)月幾年(上層海洋) 世紀(jì)尺度(深層海洋) 對(duì)氣候的影響：（1）對(duì)溫度的調(diào)節(jié)作用、水汽源地；（2）海-氣相互作用第二節(jié)第42頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四巖石圈（陸圈） 組成及結(jié)構(gòu)：地球表

14、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(zhì): 熱容量小,熱慣性小. 變化的時(shí)間尺度: 山脈形成:105108年;大陸漂移: 106109年;陸塊位置和高度變化:109年以上. 對(duì)氣候的影響：地形的動(dòng)力作用、地表的熱力作用、陸面水循環(huán)第43頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四第44頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四第45頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四冰雪圈 組成及結(jié)構(gòu)：大陸冰原、高山冰川、海冰和地面雪蓋。 熱力性質(zhì)：反射率大 變化的時(shí)間尺度：陸地雪蓋：季節(jié)年際變化;海冰：季節(jié)幾十

15、年際變化;大陸冰原和高山冰川：幾百年幾百萬(wàn)年. 對(duì)氣候的影響：冰雪面-大氣相互作用第46頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四冰島的Eyiafjalla冰川(制高點(diǎn)1666m)第47頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四天山的積雪和冰川第48頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四這張由美國(guó)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(wàn)平方公里，為自有衛(wèi)星監(jiān)測(cè)以來(lái)的最小面積 第49頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四生物圈 組成：陸地和海洋中的植物，空氣、海洋和陸地生活的動(dòng)

16、物，包括人類本身。 動(dòng)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(shí)間尺度：季節(jié)千年 人類活動(dòng)通過(guò)改變地表特性和大氣成分對(duì)氣候產(chǎn)生影響。第50頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四植被第51頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四2.2 氣候系統(tǒng)的物理、化學(xué)過(guò)程在太陽(yáng)輻射加熱作用下，在大氣中生成了風(fēng)，在海洋中產(chǎn)生了洋流。風(fēng)和洋流反過(guò)來(lái)又將熱量從過(guò)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第52頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期

17、四1) 熱力屬性: 空氣、水、陸地表面和冰雪面的溫度2) 動(dòng)力屬性：風(fēng)、洋流及其垂直運(yùn)動(dòng)和冰體運(yùn)動(dòng)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(qiáng)、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。第53頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四圈層和代表物質(zhì)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（103 kg/m3）0.00121.000.920.101.60比熱容（103 J/kg.K)1.004.192.102.090.89熱容量(106J/m3.K)0.00124.191.

18、930.211.42熱傳導(dǎo)(W/m.K)0.0260.582.240.080.25熱擴(kuò)散(10-6m2/s)21.50.141.160.380.18傳導(dǎo)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(%)272107084952020連續(xù)性好好可壓縮性較強(qiáng)較弱弱弱粘性小較大大大流動(dòng)性好好差差氣候系統(tǒng)各組成部分屬性的對(duì)比第54頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四氣候系統(tǒng)的物理過(guò)程與生命周期為2-3周以內(nèi)的大尺度天氣系統(tǒng)的物理過(guò)程相比，氣候系統(tǒng)的外

19、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(guò)程包括：輻射過(guò)程、云過(guò)程、陸面過(guò)程、海洋過(guò)程、冰雪過(guò)程、氣溶膠過(guò)程、碳循環(huán)及生物過(guò)程第55頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四2.3 氣候系統(tǒng)的基本特性氣候系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、高度非線性的、開(kāi)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(zhǔn)雙周振蕩、準(zhǔn)兩年振蕩等不規(guī)則的變化：百年增暖、大氣環(huán)流的突變第56頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四 氣候系統(tǒng)的反饋過(guò)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?qū)傩缘淖兓?，稱為

20、反饋。包括正反饋過(guò)程和負(fù)反饋過(guò)程。正反饋：反饋過(guò)程造成的氣候變化與原變化同號(hào)，使氣候變化加劇，產(chǎn)生氣候不穩(wěn)定稱為正反饋。負(fù)反饋：反饋過(guò)程造成的氣候變化與原變化反號(hào)，抑制氣候的變化和異常，使氣候趨于穩(wěn)定，稱為負(fù)反饋。第57頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四正反饋： 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(fù)反饋： （中低）云量多太陽(yáng)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(fù)反饋？第58頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四2.4 氣候系

21、統(tǒng)的可預(yù)報(bào)性第一類氣候預(yù)報(bào)：對(duì)未來(lái)某一具體時(shí)段氣候狀態(tài)的預(yù)報(bào)，其可預(yù)報(bào)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(duì)大氣影響的可預(yù)報(bào)性。第二類氣候預(yù)報(bào)：與時(shí)間無(wú)關(guān)，預(yù)測(cè)氣候?qū)δ骋挥绊懸蛩刈兓捻憫?yīng)。第59頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四氣候系統(tǒng)的可預(yù)報(bào)性與驅(qū)動(dòng)力外力周期性：日、年變化、米氏周期（米蘭科維奇理論）、銀河周期非周期性：火山爆發(fā)、地震等內(nèi)力周期性：系統(tǒng)內(nèi)部各因子之間相互耦合而成的自持振蕩（ENSO等)非周期性：隨機(jī)性內(nèi)部因子第60頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)59分，星期四2.5 氣候系統(tǒng)的研究氣候監(jiān)測(cè)、氣候診斷、氣候重建、氣候模擬、氣候預(yù)測(cè)氣候監(jiān)測(cè)：大氣常規(guī)觀測(cè)、海洋及系統(tǒng)其它成員的常規(guī)觀測(cè)氣候診斷：氣候變化、氣候異常、氣候異常事件、 氣候變化原因的檢驗(yàn)氣候重建：樹(shù)輪、冰芯、孢粉、鐘乳石、珊