現(xiàn)代氣候?qū)W原理重點知識總結(jié)

現(xiàn)代氣候?qū)W原理第一章導(dǎo)論氣候的定義及其表示；氣候?qū)W定義與分支；氣候?qū)W研究的三個階段；國內(nèi)外氣候研究計劃。第二章天文氣候與物理氣候天文輻射與日地關(guān)系；太陽輻射在大氣中的傳輸；輻射物理氣候特征。第三章地球一大氣系統(tǒng)的能量平衡能量平衡基本方程；輻射平衡的變化特征；全球熱量平衡；地球一大氣系統(tǒng)的能量平衡模式；能量的經(jīng)向調(diào)整；輻射加熱率和輻射冷卻率；大氣的溫室效應(yīng)。第四章大氣環(huán)流與氣候大氣環(huán)流；大氣環(huán)流形成的基本因子；一般大氣環(huán)流模式；大氣環(huán)流基本特征；角動量輸送與平衡；海陸分布對大氣環(huán)流的影響；大氣環(huán)流對氣候影響；氣團、鋒與氣候；氣旋、反氣旋與氣候第五章海一陸分布與氣候海陸物理特征的差異；海陸分布的溫度效應(yīng)；海陸分布與大氣水分；海陸分布與周期性風(fēng)；海陸間水分平衡與水分循環(huán)第六章海流與氣候海流形成與分類；海流對溫度和降水的影響；海流異常與厄爾尼諾現(xiàn)象第七章地形與氣候地形與輻射；地形與溫度；地形與降水；地面特性與氣候第八章氣候分類氣候帶和氣候型；氣候分類；氣候變化的事實；氣候變化的研究方法；氣候變化的可能原因；氣候預(yù)報問題；氣候變化的影響評估。第九章氣候變化及其影響第一章導(dǎo)論氣候的定義及其表示；氣候系統(tǒng)的構(gòu)成與反饋機制；氣候?qū)W定義與分支；氣候?qū)W研究的三個階段；國內(nèi)外氣候研究計劃1氣候的各種定義傳統(tǒng)：1、某地的氣候就是該地長時期內(nèi)天氣狀態(tài)的綜合反映---天氣氣候?qū)W。2、某地氣候就是該地在多年時期內(nèi)的大氣平均狀態(tài)---地理氣候?qū)W。如1845年，亞歷山大馮洪堡1.1氣候的定義及其表示（1769年~1859年）洪堡出生在柏林，是最早的科學(xué)家兼探險家之一。洪堡進行過兩次重要的探險活動。第一次始于1799年，是去南美洲。他們的主要目的是研究所旅行地區(qū)的自然史，因此攜帶了很多當(dāng)時最新的科學(xué)儀器。他們的調(diào)查還包括對秘魯海岸外洋流的研究（這個地區(qū)的一股洋流以洪堡的名字命名）。在一次充滿危險的河上旅行中，他們證實了奧利諾科學(xué)河是與亞馬孫河相通的。他們還創(chuàng)造了一項登山記錄，幾乎登上了厄瓜多爾的欽博拉索山頂5800米處，在這之前還無人到過這樣的高度。1804年，他們回到了歐洲。1829年，洪堡再次出發(fā)探險。在長達6個月經(jīng)西伯利亞到中國的旅行中，洪堡研究了亞洲的天氣和地質(zhì)情況。洪堡確信在世界范圍內(nèi)建立氣象站網(wǎng)的價值。他說服了俄國沙皇尼古拉一世，在其帝國范圍內(nèi)建立這樣的氣象站網(wǎng)。其他國家的政府隨之紛紛效仿。到20世紀(jì)后半葉，這些氣象站網(wǎng)已成為世界氣象信息的主要來源。在南美洲的旅行中，火山活動是洪堡能直接進行研究的一個領(lǐng)域。洪堡：德國氣象學(xué)家。1846年9月25日生于俄國圣彼得堡，1940年6月22日卒于奧地利格拉茨。1864年進入彼得堡大學(xué)學(xué)習(xí)，1870年獲萊比錫大學(xué)博士學(xué)位，1874年起任職于德國漢堡海洋氣象臺達50年。他在1876年研究北半球降雨的幾率，繪制低氣壓系統(tǒng)綜合路徑圖。1879年提出風(fēng)速日變化理論。1880年提出低氣壓系統(tǒng)大致按盛行風(fēng)方向前進的論點。1906年首先創(chuàng)用高空學(xué)這一學(xué)術(shù)名詞。1914年發(fā)現(xiàn)大型天氣現(xiàn)象有11年的周期存在?？卤緩?884年起繪制全球溫度帶圖，深入研究海洋、天氣和氣候，并系統(tǒng)地研究全球的氣候，于1900年提出較完整而簡要的氣候分類法，稱為柯本氣候分類，并被廣泛采用。著有《氣候?qū)W》第一卷《普通氣候?qū)W》，《地質(zhì)時代的氣候》（與A.L.韋格納合著），《氣候?qū)W手冊》5卷（與R.蓋格爾合編）等?？卤荆含F(xiàn)代：在太陽輻射、大氣環(huán)流、海陸分布和下墊面性質(zhì)多年來相互作用下形成的帶有特征性的天氣狀況時間尺度上，天氣是指短時間（幾分鐘到幾天）大氣狀態(tài)（氣溫、濕度、壓強等）和大氣現(xiàn)象（風(fēng)、云、霧、降水等）的綜合。如雷雨、冰雹、臺風(fēng)、寒潮、大風(fēng)等。天氣過程是大氣中的短期過程。天氣與氣候天氣變化快，變化的周期短。天氣系統(tǒng)可看作單純的大氣系統(tǒng)氣候是指太陽輻射、大氣環(huán)流、下墊面性質(zhì)和人類活動在長時間相互作用下，在某一時段內(nèi)大量天氣過程的綜合。氣候變化周期相對較長。從空間上，決定氣候變化的因子不僅僅是大氣內(nèi)部的種種過程，還決定于發(fā)生在大氣上邊界和下邊界的各種物理過程和化學(xué)過程。時間尺度：不同空間尺度：基本一致天氣系統(tǒng)時間尺度和空間尺度地面附近天氣系統(tǒng)的水平尺度和時間尺度的特征天氣系統(tǒng)水平尺度時間尺度最大風(fēng)速m.s-1溫帶氣旋500-2000km3-15d55冷鋒500-2000km3-7d25反氣旋500-2000km3-15d10暖鋒300-1000km1-3d15颶風(fēng)300-2000km1-7d90熱帶氣旋300-1500km3-15d33熱帶低壓300-1000km5-10d17干鋒200-1000km1-3d20小型臺風(fēng)50-300km2-5d50中尺度高壓10-500km3-12h25中尺度氣旋10-100km0.5-6h60龍卷30-3000m0.5-90min100沙塵暴1-100m0.2-15min40天氣系統(tǒng) 水平尺度時間尺度長波 8000-40000km15+d短波3000-8000km3-15d氣旋波1000-3000km2-5d西風(fēng)急流1000-8000km5-15h低空急流300-1000km1-3h積云雨10-30km1-3h積云2-5km10-100min龍卷漩渦擾動1-5km20-90min上沖塔狀云100-500m1-3min熱泡100-1000m5-20min云內(nèi)團流渦動10-100m不定中、高層天氣系統(tǒng)的水平尺度和時間尺度的特征氣候狀態(tài)定義：某一地區(qū)氣候系統(tǒng)的全部成分在任一特定時段內(nèi)的平均統(tǒng)計特征。某一時段的氣候狀態(tài)是指這一時段氣候系統(tǒng)各屬性的平均統(tǒng)計特征。氣候發(fā)生在一定下墊面之上的，帶有地方特點。兩者與人類活動關(guān)系不同：對人類需求，各自有不同的服務(wù)對象。2氣候?qū)W的內(nèi)部結(jié)構(gòu)氣候監(jiān)測理論系統(tǒng)：多學(xué)科匯集、提煉氣候?qū)W的應(yīng)用面：應(yīng)用氣候?qū)W。氣候同相關(guān)學(xué)科的有機結(jié)合。氣候?qū)W的分支：對不同尺度氣候研究氣候狀態(tài)表示氣候變化和氣候變率1-目前氣候描述方法氣候的標(biāo)準(zhǔn)時段氣象要素統(tǒng)計特征的表現(xiàn)年代際間、年際間WMO30Y氣候穩(wěn)定性：較差、距平、變率、均方差、變差系數(shù)*《參見氣候診斷分析方面的文獻》氣候周期變化：諧波分析、快速富里葉變換、譜分析、最大熵譜分析氣候要素場特征：經(jīng)驗正交分解氣候異常和氣候突變氣候系統(tǒng)劃分：內(nèi)在系統(tǒng)：地球周圍的大氣、水體和冰雪所組成，表現(xiàn)在其內(nèi)部各要素之間的反饋作用。其變化導(dǎo)致氣候變化的時間響應(yīng)較快。外界系統(tǒng)：下墊面和外層空間，大陸漂移引起的地殼變動、地球繞日運動的軌道變化以及達到大氣上界太陽輻射量的變化。其變化導(dǎo)致氣候變化的時間響應(yīng)較慢。1.2氣候系統(tǒng)的構(gòu)成與反饋機制驅(qū)動氣候系統(tǒng)基本過程的能量系統(tǒng)：外部能量：太陽輻射和譜分布，是決定氣候系統(tǒng)變化的外部強迫因子，此外還包括太陽本身發(fā)光的改變以及日地相對位置的改變所產(chǎn)生的影響。系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換：太陽輻射進入大氣后進行的一系列的變化。能量形式：熱能、輻射能、勢能、動能、化學(xué)能和電磁能因為氣候系統(tǒng)有連續(xù)的外界能量輸入，且其各個組成部分之間通過物質(zhì)和能量交換緊密地相互聯(lián)系和影響著，所以氣候系統(tǒng)是一個非線性的開放系統(tǒng)?？刂迫驓夂蛳到y(tǒng)的基本過程是入射太陽短波輻射的加熱和射出地球長波輻射的冷卻。這種加熱和冷卻及其時空差異是驅(qū)動大氣和海洋運動和變化的原動力。氣候系統(tǒng)的構(gòu)成氣候系統(tǒng)是指由大氣、海洋、陸地表面、冰雪圈和生物圈等組成的相互作用的整體。大氣：最活躍、變化最大水圈：海洋、湖泊、河流和地下水，陸地表面；冰雪圈；生物圈正反饋；負(fù)反饋；氣候系統(tǒng)反饋舉例；正反饋：冰雪-溫度；水汽-溫室效應(yīng)植被-反照率-穩(wěn)定度（導(dǎo)致干旱地區(qū)沙漠化的可能機制）負(fù)反饋：云在海一氣系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)作用；大氣中溫度-長波輻射耦合；大氣中各物理量輸送機制正負(fù)反饋在氣候系統(tǒng)中的作用：正反饋機制將使氣候系統(tǒng)變得失去控制而變得不穩(wěn)定，從而出現(xiàn)異常那個現(xiàn)象；而負(fù)反饋機制是氣候系統(tǒng)穩(wěn)定的保證。任何一種正反饋機制都必然會在某一階段由于受到其他內(nèi)部調(diào)節(jié)過程的相互作用而被抵消，否則氣候就會出現(xiàn)爆發(fā)式或連鎖式得變化了。正是大氣中存在負(fù)反饋機制，當(dāng)大氣中出現(xiàn)某一已嘗試。很快就能調(diào)整到新的平衡態(tài)，使氣候存在一種相對的穩(wěn)定中。1.3氣候?qū)W定義與分支氣候?qū)W定義；在輻射因子、大氣環(huán)流因子、下墊面性質(zhì)和人類活動的相互影響和相互作用下，研究氣候形成的過程和原因，以確定氣候特征的空間分布和時間演變規(guī)律，并有效預(yù)報未來的氣候及其變化趨勢。2氣候?qū)W分支按研究尺度分：大、中、小氣候?qū)W按研究所用原理和方法分：物理氣候?qū)W、天氣氣候、動力氣候?qū)W、衛(wèi)星氣候?qū)W、統(tǒng)計氣候?qū)W、地理氣候?qū)W按研究時段和所用資料分：地質(zhì)時期氣候?qū)W、歷史時期氣候?qū)W、近代氣候?qū)W物理氣候?qū)W、天氣氣候、動力氣候?qū)W、衛(wèi)星氣候?qū)W、統(tǒng)計氣候?qū)W、地理氣候?qū)W物理氣候?qū)W：用物理方法研究分析、研究氣候形成，并對各種氣候現(xiàn)象進行物理解釋，以解釋氣候因果關(guān)系。研究對象 大氣中的輻射過程以及大氣與地表面之間熱量、水汽、和各種物質(zhì)屬性的垂直交換過程，強調(diào)對氣候現(xiàn)象的解釋和其間的因果關(guān)系。。。。 輻射平衡、能量平衡和水分平衡。氣候?qū)W中幾個主要分支天氣氣候?qū)W：依據(jù)氣流場型式與天氣系統(tǒng)的關(guān)系來研究某地區(qū)一般的天氣氣候特征研究對象：長時期內(nèi)平均環(huán)流、環(huán)流型式與天氣系統(tǒng)的相互作用；大氣環(huán)流與大范圍氣候異常的相互關(guān)系等。動力氣候?qū)W：有流體力學(xué)觀點和方法研究氣候形成和氣候現(xiàn)象的物理規(guī)律性，目的在于對大氣環(huán)流，即對時間尺度和空間尺度都很大的大氣運動提供全面的解釋。偏重研究較大尺度的大氣運動，主要由全球氣候系統(tǒng)大氣動力學(xué)過程、熱力學(xué)過程和氣候的數(shù)值模擬，成為研究長期氣候變化的重要途徑之一。衛(wèi)星氣候?qū)W：利用氣象衛(wèi)星資料進行氣候?qū)W方面的研究。內(nèi)用主要包括地氣系統(tǒng)的輻射收支及其變化、全球和區(qū)域氣候變化特征及其變化、星星反射率和大氣輻射、冰雪覆蓋、大氣中的水汽含量及其溫度、海面溫度和地表溫度分布。古氣候?qū)W：廣義古氣候?qū)W有兩個研究領(lǐng)域，一是地質(zhì)時期氣候?qū)W，一是歷史時期氣候?qū)W。地質(zhì)年代全球氣候狀況和氣候變化?？脊艑W(xué)、古生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)發(fā)現(xiàn)的證據(jù)來推斷。人類文明社會以來的各個歷史時期的氣候狀況和氣候變化特點?？脊拧v史文獻記載。冷暖干濕演變。區(qū)域氣候?qū)W：地球表面某個特定區(qū)域的氣候特征和氣候現(xiàn)象的描述。主要依據(jù)地面觀測資料，運用氣候統(tǒng)計反映氣候演變的統(tǒng)計規(guī)律。氣候要素多年平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、頻率分布、絕對值、相關(guān)系數(shù)和特征向量；分布函數(shù)、時間序列、等統(tǒng)計學(xué)方法。小氣候?qū)W：不同下墊面或較小空間范圍內(nèi)氣候特點和形成規(guī)律。應(yīng)用氣候?qū)W：把氣候?qū)W的知識應(yīng)用到各個專業(yè)的學(xué)科。1.4氣候?qū)W研究的三個階段古典氣候?qū)W階段主要采用準(zhǔn)平均概念對氣候進行描述和分類。又稱描述性氣候?qū)W。天氣氣候?qū)W和動力氣候?qū)W階段；氣候系統(tǒng)論階段：用系統(tǒng)論、信息論和控制論的觀點研究氣候分布和氣候變化過程。1.5 國內(nèi)外氣候研究計劃地球系統(tǒng)科學(xué)伙伴計劃：地球系統(tǒng)科學(xué)聯(lián)盟（ESS-P）緣起日益嚴(yán)重的全球環(huán)境變化（GEC）問題。GEC是由人類活動和自然過程相互交織的系統(tǒng)驅(qū)動所造成的一系列陸地、海洋與大氣的生物物理變化。目的是促進地球系統(tǒng)集成研究和變化研究，以及利用這些變化進行全球可持續(xù)發(fā)展能力研究世界氣候研究計劃（WCRP）1970年代非洲的持續(xù)干旱；1970年代美國能源危機。著重研究氣候系統(tǒng)中物理方面的問題。目的是擴充人類對氣候的認(rèn)識，探索氣候的可預(yù)報性及人類對氣候的影響程度，它包括對全球大氣、海洋、海冰與陸冰以及地表的研究。WCRP科學(xué)目標(biāo)總目標(biāo)：--確定氣候變化的可預(yù)報程度；--人類活動對氣候影響的可能程度。具體目標(biāo)1） 月到季度氣候異常的業(yè)務(wù)預(yù)報；2） 年際時間尺度全球氣候變化的預(yù)測；3） 估計年代際尺度氣候變化趨勢，尤其是人類活動對氣候的影響。重點研究變化的大氣和緩慢變化的陸面、海洋和冰雪過程，人類的影響以及地球化學(xué)和生物物質(zhì)變化。特別研究世界季風(fēng)環(huán)流年循環(huán)強度的預(yù)報及海洋及其變率。是對耦合的大氣和海洋狀況及其變化有新的、深入的理解，從而對氣候系統(tǒng)作出一年或多年的更準(zhǔn)確的預(yù)測。CLIVAR研究目標(biāo)認(rèn)識、理解季節(jié)、年際、年代際和更長時間尺度上氣候變率的主要分布型，并評估其可預(yù)報性。提高短期（季節(jié)到年際）氣候預(yù)測能力，發(fā)展年代際氣候預(yù)測方法。重建反映快速氣候變化的歷史記錄，理解導(dǎo)致快速氣候變化的機制，評估未來發(fā)生快速氣候變化的潛在可能性。評估和改進氣候模式，開展人類活動影響氣候變化的模式預(yù)估研究；開展與全球氣候變化有關(guān)的其它研究?，F(xiàn)代氣候?qū)W原理氣候穩(wěn)定性：較差、距平、變率、均方差、變差系數(shù)氣候周期變化：諧波分析、快速富里葉變換、譜分析、最大熵譜分析氣候要素場特征：經(jīng)驗正交分解氣候異常和氣候突變氣候是對氣候系統(tǒng)的統(tǒng)計上的、動力上的、各種時空尺度和層次上的氣候系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為的客觀物理描述。氣候是可用由高階矩統(tǒng)計量，如方差、協(xié)方差、相關(guān)等等構(gòu)成的一組平均量來定義的，具有特定的時間尺度的氣候系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為首先，氣候并不僅僅局限于氣候系統(tǒng)的統(tǒng)計特征；其次，平均統(tǒng)計特征的時間尺度盡管是可變的，但應(yīng)該超出一般典型天氣尺度的上限；再次，氣候系統(tǒng)的特征并不是僅僅局限于平均統(tǒng)計。A.TropicalrainyclimatesAf,Am:Tropicalrainforest;AwTropicalsavanna,B.DryclimatesBS:Steppe;BW:Desert;C.HumidmesothermalclimatesCw:Warmwithdrywinter,Cs:Warmwithdrysummer,Cf:Humidtemperate,D.HumidmicrothermalclimatesDf:Coldwithmoistwinter;DW:Coldwithdrywinter,E.PolarclimatesET:Tundra,EF:Perpetualfrost1.2氣候系統(tǒng)的構(gòu)成與反饋機制氣候系統(tǒng)是指由大氣、海洋、陸地表面、冰雪圈和生物圈等組成的相互作用的整體。大氣：最活躍、變化最大水圈：海洋、湖泊、河流和地下水，因為氣候系統(tǒng)有連續(xù)的外界能量輸入，且其各個組成部分之間通過物質(zhì)和能量交換緊密地相互聯(lián)系和影響著，所以氣候系統(tǒng)是一個非線性的開放系統(tǒng)?？刂迫驓夂蛳到y(tǒng)的基本過程是入射太陽短波輻射的加熱和射出地球長波輻射的冷卻。這種加熱和冷卻及其時空差異是驅(qū)動大氣和海洋運動和變化的原動力。正反饋：其過程能夠使系統(tǒng)的運行進一步發(fā)展；使系統(tǒng)失去控制，并使輸出越來越偏離系統(tǒng)原來狀態(tài)。氣候系統(tǒng)中的反饋機制對氣候變化具有重要意義：是氣候要素的異常增大，因而是氣候穩(wěn)定性減少；氣候的不穩(wěn)定性是由氣候系統(tǒng)內(nèi)部的正反饋機制控制著；負(fù)反饋：是氣候要素的異常減小，因而是接近氣候的標(biāo)準(zhǔn)值；氣候的不穩(wěn)定性是由氣候系統(tǒng)內(nèi)部的正反饋機制控制著；幾個反饋例子水汽-輻射反饋；冰雪-反射率反饋；云量-地面氣溫反饋；二氧化碳-海洋-大氣反饋氣候系統(tǒng)的屬性：熱力屬性，包括空氣、水、冰和陸地的溫度；動力屬性，包括風(fēng)、洋流及與之相聯(lián)系的垂直運動和冰體移動；水分屬性，包括空氣濕度、云量及云中含水量、降水量、土壤濕度、河湖水位、冰雪等；靜力屬性，包括大氣和海水的密度和壓強、大氣的組成成分、大洋鹽度及氣候系統(tǒng)的幾何邊界和物理常數(shù)

等。這些屬性在一定的外因條件下通過氣候系統(tǒng)內(nèi)部的物理過程（也有化學(xué)過程和生物過程）而互相關(guān)聯(lián)著，并在不同時間尺度內(nèi)變化著。1.3氣候?qū)哟螝夂蛳到y(tǒng)除了受到不同時間尺度的外界周期的或非周期強迫作用外，內(nèi)部之間通過能量和動量交換、通過生物化學(xué)循環(huán)進行不同時間尺度的線性和非線性的相互作用，從而可以出現(xiàn)時間尺度的和空間尺度的變化。氣候系統(tǒng)有各種各樣的時空尺度，在研究復(fù)雜的氣候變化時，不僅要考慮各子系統(tǒng)之間的相互作用，還必須考慮某時間尺度與另一個時間尺度之間的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)：一些氣候過程和現(xiàn)象的空間尺度和時間尺度有密切關(guān)系，這種時間和空間內(nèi)在聯(lián)系的結(jié)構(gòu)叫做層次。不同層次對應(yīng)不同時空尺度，從而反映了氣候系統(tǒng)不同側(cè)面的本質(zhì)、現(xiàn)象和規(guī)律。氣候系統(tǒng)的自相似性氣候系統(tǒng)的高層次和低層次在建立描寫一定條件的氣候模式時，作用力是至關(guān)重要的。決定不同氣候?qū)哟窝莼袨榈闹饕牧κ遣煌模簺Q定氣候高層次的力對低層次而言是一恒定的背景場，而決定低層次的力對高層次而言則是一種擾動場。大氣圈GasNameChemicalFormulaPercentVolumeNitrogen78.08%Oxygen20.95%Water0to4%Argon0.93%CarbonDioxide0.0360%Neon0.0018%Helium0.0005%Methane0.00017%Hydrogen0.00005%NitrousOxide0.00003%Ozone0.000004%大氣成分Averagecompositionoftheatmosphereuptoanaltitudeof25km其中水汽主要分布在對流層下部；臭氧分布在平流層中層；二氧化碳、氮氣、氧氣和其他惰性氣體在中間層以下基本上是均勻分布的；固體塵粒、液態(tài)和固態(tài)水、硫酸鹽氣溶膠和火山灰等各種懸浮物大都分布在平流層以下，且其濃度具有較大的空間差異。大氣結(jié)構(gòu)：大氣圈GasNameChemicalFormulaPercentVolumeNitrogen78.08%Oxygen20.95%Water0to4%Argon0.93%CarbonDioxide0.0360%Neon0.0018%Helium0.0005%Methane0.00017%Hydrogen0.00005%NitrousOxide0.00003%Ozone0.000004%大氣成分Averagecompositionoftheatmosphereuptoanaltitudeof25km其中水汽主要分布在對流層下部；臭氧分布在平流層中層；二氧化碳、氮氣、氧氣和其他惰性氣體在中間層以下基本上是均勻分布的；固體塵粒、液態(tài)和固態(tài)水、硫酸鹽氣溶膠和火山灰等各種懸浮物大都分布在平流層以下，且其濃度具有較大的空間差