第8章第1节气候系统.pptVIP

第1节 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？;平均状态变化;1.气候系统组成及其对气候变化的关系;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;大气圈; 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;图3：全球变暖将影响整个水循环过程;;图4全球温盐环流输送带示意图;;岩石圈和陆面过程; 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。 ;生物圈;图6 海表和低层大气相互作用图;三种主要海洋碳泵制约着自然的大气CO2变化：溶解泵，生物碳泵和碳酸钙反泵。海洋对人类CO2的吸收由海表无机碳的吸收与人类碳从海表到深海的吸收决定。如海洋环流不变，因为营养循环不变，生物泵不受太大影响。如果海洋环流减慢，人类碳的吸收由无机缓冲过程和物理输送决定。但如果其下沉速度不变，海洋颗粒物通量可达到深海。;冰冻圈;2.气候系统中各圈层的相互作用;海气相互作用;陆气相互作用;陆海相互作用; 在各圈层相互作用过程中，主要进行水、碳和氧的交换与循环过程。水循环的图示给出在图3中。气候系统中最大的水源区在地幔中（见表1）。火山爆发时，地幔中的水向外喷发。估计在地球生命中只有5%的水被释放出来。 表1 气候系统中单位面积上各种水源的质量（103kgm-2）及留存时间（大气科学，2008）; 碳循环过程由图8表示。碳储存在大气、海洋、生物圈与地壳中。这就是碳库。它们之间发生着明显而复杂的交换（通量），最后调剂和决定着大气中碳的浓度。即两种温室气体的浓度：CO2和CH4。 ;图8 地球系统不同碳库间的碳循环;大气中的氧 在地球形成的早期，主要是氢，后来氧增多了，氢气大量减少，这是氧上升的时期。从而也有了地球的生命，氧主要通过生物群的光合作用产生，通过氧化过程而减少，目前正开始处于氧的减少时候（图9）。海洋的酸化可以导致海洋中氧的减少，将威胁海洋生物和生态系统的安全。;CO2浓度和O分子浓度变化;3.气候演变的表征：气候变化与气候变率; 由于天气预报应尽可能知道所有的初值条件，因而把气候作为天气预报的基本背景条件是十分有用的。同时气候也可作为决定基本天气型的全球背景条件。例如ElNino事件是一个气候现象，它延续1-2年，并影响整个北半球，它不仅决定秘鲁沿岸的天气，而且影响大范围地区的天气现象与天气型。因而ElNino现象实际上是确定随机效应能够产生的天气型的一种可能演变界限。也就是说，天气预报的结果是一种混沌现象，初始条件只要有微小的差别，预报结果能有很大差别（所谓Lorenz的蝴蝶效应）。但在如ElNino现象气候条件的约束下，其预报的差别将可能主要出现在一定的范围或幅度内。又如混沌理论可能会由于初值的微小差别改变一个风暴到达的时间和所走的精确路径，但当该气旋位于该气候区（该地区与该时段）时由它们产生的平均温度和降水大致是相同的。这反映了气候条件对天气的制约作用。实际上是减少了天气预报的混沌性质。;气候变化（climate change）;气候变率（climate variability）;说明气候变化超过阈值时应对范围改变的示意图。适应可以建立新的阈值和应对范围。减少对气候变化的脆弱性（Jones and Meanns, 2005）;;; 应该