氣候系統(tǒng)課件

氣候系統(tǒng)的提出是氣候?qū)W進(jìn)入一個(gè)新階段的重要標(biāo)志之一。因此，研究范圍包括：第一章第2節(jié)氣候系統(tǒng)氣候系統(tǒng)大氣內(nèi)部過程對(duì)氣候的影響海洋冰雪陸面生物圈物理過程化學(xué)過程生物過程平均狀態(tài)各種時(shí)間尺度氣候系統(tǒng)還應(yīng)包括天文因素（太陽活動(dòng)）大范圍的大氣運(yùn)動(dòng)一般就被稱為大氣環(huán)流，它的主要狀況(形勢(shì))往往就決定著全球或區(qū)域的天氣和氣候類型及其變化。尤其是氣候異常(例如大范圍旱澇的發(fā)生)往往同大氣環(huán)流的某種持續(xù)異常有關(guān)—因此大氣環(huán)流形勢(shì)持續(xù)異常對(duì)認(rèn)識(shí)和了解氣候及其氣候變化是非常重要的。

2.1大氣2.1.1大氣環(huán)流短波輻射，長(zhǎng)波輻射，能量向極地輸送

能量的向極輸送不僅對(duì)維持大氣能量平衡有作用，而且還減小了因輻射過程造成的經(jīng)向溫度梯度。

1）冬季的經(jīng)向梯度大于夏季2）南半球大于北半球

3）夏季平流層在赤道附近溫度最低4）對(duì)流層分布特征，有效位能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，維持大氣運(yùn)動(dòng)根據(jù)熱成風(fēng)原理在對(duì)流層頂附近有西風(fēng)急流，冬強(qiáng)，30°N附近；夏季較弱，40°N附近。地面：赤道附近為東風(fēng)帶，在極區(qū)附近的近地面層有高緯的東風(fēng)帶在平流層，圍繞夏季極區(qū)，整個(gè)半球?yàn)闁|風(fēng)控制、圍繞冬季的極區(qū)，卻是西風(fēng)帶，且在高緯度地區(qū)存在強(qiáng)西風(fēng)的極夜急流(中心在平流層中部)。平均經(jīng)圈環(huán)流是在渦動(dòng)輸送和外源強(qiáng)迫作用下—產(chǎn)生的—種次級(jí)環(huán)流。大氣環(huán)流主要成員東西風(fēng)帶（西風(fēng)急流）平均經(jīng)圈環(huán)流準(zhǔn)定常槽脊相互作用相互制約構(gòu)成一個(gè)整體比如：波流相互作用，西風(fēng)強(qiáng)度決定大型擾動(dòng)的強(qiáng)度以及速度；西風(fēng)切變動(dòng)力穩(wěn)定度和擾動(dòng)的發(fā)展2.1.2大氣成分在近地面25~30KM以內(nèi)，大氣由一些固有氣體和氣溶膠組成。氧氣氮?dú)獯髿獾?9%，對(duì)氣候變化而言可以忽略2.1.2大氣成分在近地面25~30KM以內(nèi)，大氣由一些固有氣體和氣溶膠組成。氧氣氮?dú)獯髿獾?9%，對(duì)氣候變化而言可以忽略水汽含量小熱力學(xué)過程相變和輻射過程作用非常大臭氧：10-50km存在，20-28km層有最大含量，叫做臭氧層含量少，作用大吸收紫外線，導(dǎo)致平流層溫度向上遞增對(duì)地球生物起保護(hù)作用30km是源地30km以下，大氣環(huán)流的動(dòng)力作用，是源地

對(duì)流層上，平流層下層，在中高緯低層有明顯的垂直運(yùn)動(dòng)，大氣環(huán)流的作用總是將25-30km臭氧輸注入到平流層低層和對(duì)流層上層，然后通過大氣環(huán)流輸送作用，造成各地臭氧總量及其垂直分布上的差異溫室氣體：Co2，甲烷，氟利昂氣溶膠:氣溶膠是液態(tài)或固態(tài)微粒在空氣中的懸浮體系。霧、煙、霾、輕霧(靄)、微塵和煙霧等,都是天然的或人為的原因造成的大氣氣溶膠

它們能作為水滴和冰晶的凝結(jié)核（大氣凝結(jié)核、大氣冰核）、太陽輻射的吸收體和散射體，并參與各種化學(xué)循環(huán)，是大氣的重要組成部分。溫室氣體：Co2，甲烷，氟利昂氣溶膠火山灰煙塵海面等直接效應(yīng)間接效應(yīng)氣候變冷氣溶膠間接效應(yīng):直接輻射強(qiáng)迫是指顆粒物通過吸收和散射長(zhǎng)波和短波輻射，從而改變地球－大氣系統(tǒng)輻射平衡。

大氣中的顆粒物作為云凝結(jié)核或者冰核而改變?cè)频奈⑽锢砗凸鈱W(xué)特征以及降水效率，從而間接影響氣候，稱為間接輻射強(qiáng)迫氣溶膠直接效應(yīng):大氣氣溶膠的氣候效應(yīng):氣候系統(tǒng)變化過程示意圖2.1.3大氣與外界的相互作用：當(dāng)討論大氣運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律時(shí)或討論短期數(shù)值預(yù)報(bào)，大氣視為孤立系統(tǒng)長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)和氣候變化來講，必須考慮大氣與外界的相互作用，甚至外界的強(qiáng)迫影響是最重要的因素動(dòng)量交換能量交換質(zhì)量（物質(zhì)）交換大氣與外界的相互作用海洋—大氣相互作用陸地—大氣相互作用海冰一大氣相互作用宇宙空間一大氣相互作用略2.2大氣基本運(yùn)動(dòng)方程組

海洋在地球氣候的形成和變化中的重要作用巳越來越為人們所認(rèn)識(shí)，被認(rèn)為是地球氣候系統(tǒng)的最重要的組成部分。80年代的研究結(jié)果清楚地表明、海洋一大氣相互作用是氣候變化問題的核心內(nèi)容，對(duì)于幾年到幾十年時(shí)間尺度的氣候變化及其預(yù)測(cè)．只有在充分了解大氣——海洋的相互互作用及其動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上才可能得到解決。2.3海洋2.3.1海洋的基本特性及其影響

從大氣運(yùn)動(dòng)及其變化的角度：海洋具備三個(gè)重要特性：1）海洋，尤其是熱帶海洋，是大氣運(yùn)動(dòng)的重要能源；2）熱容量大，相比較大氣尤其是熱帶海洋，是大氣運(yùn)動(dòng)的重要能源；3)海洋是地球大氣系統(tǒng)中co2的最大的匯。海洋對(duì)氣候變化的影響：1）對(duì)地球大氣熱力系統(tǒng)的影響（太陽能絕大部分儲(chǔ)存在海洋表層中，以潛熱、長(zhǎng)波輻射和感熱交換的形式輸送給大氣，驅(qū)動(dòng)大氣運(yùn)動(dòng)。因此，海洋熱狀況的變化以及海面蒸發(fā)的強(qiáng)度如何都將對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的能量發(fā)生重要影響，從而引起氣候的變化。海洋并非是靜止的流體，海洋環(huán)流在地球大氣的能量輸送和平衡中也有重要作用：大氣運(yùn)動(dòng)比海洋一般要快100倍，0.1-1.0m/s.黑潮地球能量的分布，低緯度獲得的凈輻射能大于高緯度，為了保持能量平衡，低渦流向高緯全球而言：70%由大氣完成30%由海洋完成低緯度：海洋輸送大于大氣，20N達(dá)到最大30N以外地區(qū)：大氣輸送大于海洋，50N達(dá)到最大對(duì)地球大氣系統(tǒng)的能量平衡而言：中低緯：海洋環(huán)流向高緯度輸送中緯度50N附近：通過強(qiáng)烈的相互作用，海洋把多余的熱量輸送給大氣，再由大氣以特定的環(huán)流形勢(shì)輸送到高緯度地區(qū)所以：海洋對(duì)熱量的經(jīng)向輸送的強(qiáng)度及位置無疑對(duì)氣候變化有重要影響水汽及其含量既是氣候變化的表征之一，又會(huì)對(duì)氣候產(chǎn)生影響。2）對(duì)水汽循環(huán)的影響：低緯度海洋是大氣水汽的主要來源

在同海洋的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)慣性相聯(lián)系。海洋的運(yùn)動(dòng)和變化有明顯的緩慢性和持續(xù)性。海洋的這種特性一方面使海洋有較強(qiáng)的“記憶性?？梢园汛髿猸h(huán)流的變化通過海氣相互作用把信息貯存于海洋中。然后再對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生作用另一方面，海洋的熱慣性使得海洋狀況的變化有滯后效應(yīng)。

通過海氣耦合作用還可以使較高頻率的大氣變化(擾動(dòng)）減頻，高頻波的頻率變低后再作用于大氣，就相當(dāng)于大氣中的較高頻變化轉(zhuǎn)而成為較低頻的變化。3）對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的調(diào)諧作用：

海洋,尤其是海洋環(huán)流，不僅減小了大氣的增熱，使高緯大氣加熱，降水量亦發(fā)生相應(yīng)的改變，而且海洋環(huán)流對(duì)熱量的向極輸送所引起的大氣環(huán)流的變化，還使得大氣對(duì)某些因素變化的敏感性降低。例如大氣中CO2含量增加的溫室效應(yīng)就因海洋的存在而被減弱。4）對(duì)溫室效應(yīng)的緩解作用：2.3.2海氣耦合相互作用三者變化的總趨勢(shì)相當(dāng)一致海氣相互作用的物理機(jī)制是什么？海洋通過潛熱和感熱的輸送推動(dòng)其上面的大氣大氣主要通過風(fēng)應(yīng)力將動(dòng)量送給海洋，影響海洋除了在北半球的暖西部邊界流有主要的熱通量中心外，赤道以外的熱帶區(qū)域是主要的熱通量大位區(qū)。風(fēng)應(yīng)力的分布表明，除中緯度(50N緯帶附近)地區(qū)，尤其是南半球中緯度地區(qū)之外，赤道以外的熱帶區(qū)域也有較大的數(shù)值。同時(shí)，對(duì)于不同的季節(jié)，熱通量和風(fēng)應(yīng)力的分布有著明顯的不同。2.3.3海洋氣候

氣候本來是指大氣運(yùn)動(dòng)的較長(zhǎng)時(shí)間尺度的變化現(xiàn)象，但是、近來也出現(xiàn)了“海樣氣候”的說法這是因?yàn)楹Ｑ蟮倪\(yùn)動(dòng)和變化雖然比較弱，但也有時(shí)間演變過程；而且海洋年際變化的時(shí)空尺度同大氣中氣候變化的時(shí)空尺度是相當(dāng)?shù)?，各自的演變又有密切的?lián)系，最能表現(xiàn)“海洋氣候”特征的是海面水溫(ssT)和大洋環(huán)流ELNINO現(xiàn)象南方濤動(dòng)35大氣與海洋相互作用大氣海洋交互作用--ELNINO與南方濤動(dòng)赤道太干洋大面積的ssT異常使得熱帶地區(qū)的主要大氣環(huán)流系統(tǒng)跟著出現(xiàn)異常例。在增暖期，赤道附近的海溫可以高于氣溫，水汽通量和降水在赤道附近地大大地增加，赤道輻合帶(1TCZ)將靠近赤道；在增暖時(shí)期。Hadey環(huán)流將明顯增強(qiáng)。并將引起中緯度逆環(huán)流的變化。由于出現(xiàn)東西向海溫梯度的變化、熱帶地區(qū)的主要降水區(qū)及Walk環(huán)流也將發(fā)生明顯異常。

大洋環(huán)流的時(shí)間變化既是“海洋氣候”的重要部分，又對(duì)大氣環(huán)流和氣候變化有重要影響、尤其是大洋基本環(huán)流的改變對(duì)幾十年到幾百年時(shí)間尺度氣候變化的影響。382.3陸地和冰雪圈

同海洋一樣，陸地和冰雪圈也是大氣運(yùn)動(dòng)的下邊界、其狀況及其變化都會(huì)對(duì)大氣環(huán)流和氣候變化產(chǎn)生極重要的影響；大氣環(huán)流和氣候的變化也要對(duì)陸地和冰雪狀況產(chǎn)生影響這種相互作用過程比海氣相互作用影響更顯著。391）陸地(不同的植被狀況)和雪蓋主要通過影響地表反照率以及土壤溫度和濕度而對(duì)大氣環(huán)流和氣候變化起作用；2）大氣環(huán)流和氣候變化則主要通過云、降水和氣溫的變化對(duì)植被和雪蓋狀況起作用。4041

2.3.1冰雪的作用地表反照率；冷源作用；融化時(shí)吸收熱量，對(duì)由冬到夏的季節(jié)轉(zhuǎn)換有一定的延緩作用4243冰雪覆蓋的區(qū)域由于反照率大大增加，反射掉大部分的入射輻射從而改變了地表的輻射平衡，對(duì)大氣的熱力和動(dòng)力過程都產(chǎn)生重要影響。

一般地，地面空氣溫度和高反照率冰雪覆蓋間的相互作用可構(gòu)成一種正反饋，即所謂冰雪一反照率反饋機(jī)制。當(dāng)冰雪覆蓋面積增大時(shí)，由于更多的輻射能被反射，地面空氣溫度將會(huì)降低．這又造成冰雪面積的擴(kuò)展，4445

由于冰雪主要位于地球的兩極，因此，由于冰雪過程造成的氣溫下降也主要發(fā)生在高緯度及極地區(qū)域。結(jié)果是：在有較大冰雪面積的情況下，大氣的經(jīng)向溫度梯度將增加，緯向西風(fēng)也將增加積雪異常的氣候效應(yīng)，除了因其大的反照率造成積雪區(qū)與無雪區(qū)的凈輻射差很大、地溫和氣溫也相差很大，從而影響基本風(fēng)系的強(qiáng)度和位置之外，積雪融化后特使土壤濕度增大，蒸發(fā)量也會(huì)加大，大氣中的熱量和水分平衡也會(huì)發(fā)生改變。而且積雪融化及其影響有—定的持續(xù)性。46

所以，積雪異常通過太陽輻射吸收的變化以及積雪融化后土壤濕度的變化，其氣候效應(yīng)應(yīng)可持續(xù)數(shù)月之久。47

２.４.２植被的作用

一旦植被發(fā)生了較大的變化，反過來也會(huì)導(dǎo)致氣候的改變，從而達(dá)成新的平衡，出現(xiàn)新的生態(tài)環(huán)境。48

植被的影響機(jī)制

物理機(jī)制

生理機(jī)制

物質(zhì)交換能量交換49

植被的影響機(jī)制

地表反照率

地表粗糙度

蒸騰作用

感熱和潛熱

對(duì)水分的滯留

地表徑流

地表水文過程50

２.５水分及其循環(huán)

降雨量的多少是一個(gè)地區(qū)最為重要的氣候條件，一個(gè)地區(qū)降雨量的多少，又和其大氣以及土壤中的含水量有關(guān)，而大氣中的水汽含量主要來自海面蒸發(fā)，因此，水循環(huán)是地球氣候中極為重要的問題。51什么是水循環(huán)？

水循環(huán)指的是地球上各種形態(tài)的水，在太陽輻射、重力等作用下，通過蒸發(fā)、水汽輸送、凝結(jié)降水、下滲以及徑流等環(huán)節(jié)，不斷地發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換和周而復(fù)始運(yùn)動(dòng)的過程。5253

水循環(huán)的主要過程

凝結(jié)和降水

徑流、滲透

蒸發(fā)和蒸騰

感熱和潛熱

地下水

地表徑流

地表水文過程54

凝結(jié)和降水

包括若干微物理過程，氣候問題可以不考慮55Duringpartofthewatercycle,thesunheatsupliquidwaterandchangesittoagasbytheprocessofevaporation.WaterthatevaporatesfromEarth’soceans,lakes,rivers,andmoistsoilrisesupintotheatmosphere.

5657

Theprocessofevaporationfromplantsiscalledtranspiration.(Inotherwords,it’slikeplantssweating.)

5859Aswater(intheformofgas)riseshigherintheatmosphere,itstartstocoolandbecomealiquidagain.Thisprocessiscalledcondensation.Whenalargeamountofwatervaporcondenses,itresultsintheformationofclouds.

6061Whenthewaterinthecloudsgetstooheavy,thewaterfallsbacktotheearth.Thisiscalledprecipitation.

62

徑流

任何一個(gè)地區(qū)的降水量都不可能完全變成徑流

徑流

滲透到土壤

植被截留一部分

存儲(chǔ)起來

蒸發(fā)6364Whenrainfallsontheland,someofthewaterisabsorbedintothegroundformingpocketsofwatercalledgroundwater.Mostgroundwatereventuallyreturnstotheocean.Otherprecipitationrunsdirectlyintostreamsorrivers.Waterthatcollectsinrivers,streams,andoceansiscalledrunoff.

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某一地區(qū)徑流

降水量

蒸發(fā)量

北半球的河流水系分為四類

冰河水系

海洋性降雨水系

熱帶降雨水系

雪原水系662.5.3人類活動(dòng)對(duì)水循環(huán)的影響植被的改變

對(duì)降水量的截留

植物的蒸騰

滲透率的影響，植被多，

滲透率大

對(duì)積雪的存儲(chǔ)和遮蔽672.5.3人類活動(dòng)對(duì)水循環(huán)的影響2）人工融冰化雪3）人為控制蒸發(fā)量4）城市化的影響5）農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)水平衡和水循環(huán)的影響68692.8生態(tài)系統(tǒng)

生態(tài)系統(tǒng)（ecosystem）指由生物群落與無機(jī)環(huán)境構(gòu)成的統(tǒng)一整體。生態(tài)系統(tǒng)的范圍可大可小，相互交錯(cuò)，最大的生態(tài)系統(tǒng)是生物圈；最為復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)是熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)，人類主要生活在以城市和農(nóng)田為主的人工生態(tài)系統(tǒng)中。生態(tài)系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，為了維系自身的穩(wěn)定，生態(tài)系統(tǒng)需要不斷輸入能量，否則就有崩潰的危險(xiǎn)；許