气候系统及其变化解读.ppt

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。但当对天气做时空平均值，就可以明显地突现出全球变暖的事实。 1.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）。 气候系统的构成 气候系统是地球系统的主要部分之一。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。 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，为地球的各种系统提供必需的水源。 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减弱或关闭有关（图3）。 图4全球温盐环流输送带示意图 海洋有很大的热惯性，这主要是由于海水的热容量很大，它一方面可以阻尼或减缓巨大的强温度变化，起到了地球气候调节器的作用，另一方面，由于它有较长的记忆力（尤其是在热带海洋），可以长时期内通过海气相互作用影响大气的变化，成为自然气候变率的源。这就是为什么在目前设计的各种复杂气候模式与碳循环模式中必须把海洋包括在内。在赤道东太平洋中发生的厄尔尼诺和拉尼娜现象（即该区域海表温度迅速升高或减少的现象）是由海洋产生的最显著的自然变率，它已成为目前各国进行年际预报和季节预报的最重要气候强信号。 岩石圈和陆面过程 岩石圈是指固体地球的上层部分，既包括陆地，也包括海洋。它由所有地壳表层岩石和上地幔中的低温弹性部分组成。火山活动虽然是岩石圈的一部分，但不包含在气候系统之中，而是作为一种自然的外强迫因子影响地球的气候。岩石圈与气候变化最密切相关的部分是地壳、地幔和陆面的结构。它们可通过改变天气的化学成分影响地球的气候。这种现象被称为气候变化的地质构造原因。地壳分裂成不同的板块，板块又漂浮在地幔上。当两块板块相碰撞时，可引起一系列的物理变化过程（图5）。火山爆发，造山运动是物理过程，可以改变地球上的气候，是目前地球大气成分的一个来源。在地质年代的气候变化中，这种地质构造变化的原因十分重要，今后还将继续是重要的气候变化因子。 生物圈 它