现代气候学第7-8章：陆面过程、冰雪圈与气候

1、第七章 陆面过程第一节第一节 陆面过程的基本概念陆面过程的基本概念第二节第二节 陆面过程对气候的影响陆面过程对气候的影响第三节第三节 陆面过程模拟陆面过程模拟陆面基本特征：植被、土壤质地、地形地貌陆面过程（陆-气相互作用）的定义：发生在陆地表面的热力、动力、水文以及生物物理、生物化学等一系列复杂过程，以及陆地表面与大气的相互作用过程称之为陆面过程。 陆面物理过程、陆面生物化学过程、陆面生态过程7.1 陆面过程的基本概念陆面过程的基本概念 IGBP全球陆地表面的分类图 tsSQHLER地面辐射差额地面与大气的潜热通量地面与大气的湍流热通量地表与下层的热量交换地表与上层生物体的化学、生物过程有关的

2、能通量1）热力过程（能量平衡过程）2） 动量交换过程地面对风的摩擦，植被对风的阻挡3） 水文过程降水、蒸发、植物的蒸腾、凝结、地表径流、冰雪融化等。4） 物质交换过程水汽、CO2及其他化学气体和气溶胶的交换，大气悬浮物的沉落。1.地表反射率1）土壤类型、土壤水分、植被覆盖等陆面状况的变化均会引起地表反射率的变化。2）反射率的变化可影响地面辐射差额，进而影响地表温度以及地表与大气的热量交换。7.2 陆面过程对气候的影响陆面过程对气候的影响地表反照率异常变化可能引起的气候效应 2.土壤湿度土壤湿度变化可能引起的气候效应 全球陆地不同土壤湿度情况下模拟的降水率分布：（阴影区为降水率大于2mm/d的区

3、域） 湿土壤干土壤3. 植被改变反射率、土壤湿度、粗糙度，影响地表辐射差额以及与大气间的水分和热量交换来影响局地和远处的气候。模式模拟的亚马逊地区的热带雨林砍伐引起的气候变化，Shukla等，1990） 地表温度（单位：）深层土壤温度（单位：）降水量（mm/a）蒸发量（mm/a）植被植被反射率 地表净辐射感热潜热云量 降水 日照净辐射土壤湿度反射率正反馈负反馈植被变化对气候影响的反馈过程1）通过影响反射率，影响地面辐射差额；2）影响水分存储、渗透和热容量的大小：影响地面温度和土壤湿度;3）影响地面与上层大气的湍流感热交换：对气温高低产生直接影响;4）影响地面与上层大气的湍流潜热交换：对空气湿度

4、产生直接影响;5）影响地面粗糙度：对地面风速产生直接影响.4.下垫面性质的变化对局地气候影响的基本过程5. 局地气候效应1）城市热岛效应：由于城市地表性质与郊区的差异以及城市人为热的影响，城市中的气温明显高于外围郊区的现象。2）森林破坏效应3）水库效应 陆面过程的研究数值模拟：通过数值方法求解控制陆面的能量、质量、动量平衡方程，计算土壤温度、土壤湿度等陆面状态参量，同时确定地-气之间的能量通量（辐射通量、感热通量、潜热通量）、动量通量和质量通量等，在描述陆面状态变化的同时，为大气模式提供陆地部分的下边界条件。资料分析：卫星观测、地表通量观测等陆面过程局地气候大气遥响应与周围气候差异第八章 冰雪

5、圈与气候第一节第一节 地球上冰雪圈得分布和变化地球上冰雪圈得分布和变化第二节第二节 冰雪覆盖对气候的影响冰雪覆盖对气候的影响第三节第三节 冰雪作用的模拟冰雪作用的模拟冰雪占全球水分的冰雪占全球水分的2%2%，占全球淡水的，占全球淡水的80%80%1.1.冰雪反射率和融解潜热很高，冰雪圈起着大气和海洋的有效冰雪反射率和融解潜热很高，冰雪圈起着大气和海洋的有效热汇的作用热汇的作用2.2.冰雪热传导率低，能减少大气、海洋和陆地之间的热量交换冰雪热传导率低，能减少大气、海洋和陆地之间的热量交换3.3.融化冰雪吸收大量热量融化冰雪吸收大量热量4.4.海水结冰是盐分析出，增加海洋上层盐度，海冰融化是表层海

6、水结冰是盐分析出，增加海洋上层盐度，海冰融化是表层海水盐度减小，影响海洋的层结稳定海水盐度减小，影响海洋的层结稳定More solar energy is being deposited in the Arctic Ocean Perovich et al., GRL, 2007Ann. Review of Marine Science, 2009Snow-Ice Albedo Feedback8.1 8.1 地球上冰雪圈得分布和变化地球上冰雪圈得分布和变化8.1.1 8.1.1 地球上冰雪圈的分布地球上冰雪圈的分布 冰和雪是水的固态形式。冰和雪是水的固态形式。与液态和气态的水相比，冰和雪是相

7、对稳定的。与液态和气态的水相比，冰和雪是相对稳定的。冰雪圈组成部分：冰雪圈组成部分：海冰、大陆冰川、大陆雪盖海冰、大陆冰川、大陆雪盖永久积雪永久积雪大陆稳定积雪大陆稳定积雪季节积雪季节积雪永久海冰永久海冰冰-气相互作用的能量平衡方程Ri 冰面的净辐射通量LE，H 分别为冰面与大气间的潜热和感热通量Q为通过冰层分子传输的热通量。tQ为冰融化热通量QQHLERti冰主要分布在南极冰盖，北极海冰和大陆冰川（格陵冰主要分布在南极冰盖，北极海冰和大陆冰川（格陵兰岛、青藏高原等）。兰岛、青藏高原等）。冰雪圈的覆盖范围是可以改变的，海冰平均覆盖世界冰雪圈的覆盖范围是可以改变的，海冰平均覆盖世界海洋的海洋的7

8、%，大陆冰盖占陆地表面的，大陆冰盖占陆地表面的11%。水的冰点恰好位于地球上通常的最低温度和最高温度水的冰点恰好位于地球上通常的最低温度和最高温度之间大约一半的地方之间大约一半的地方，因此，冰雪圈的分布范围对地，因此，冰雪圈的分布范围对地球表面温度的变化极为敏感。球表面温度的变化极为敏感。南极冰盖南极冰盖南极洲，位于南极点四周，为南极洲，位于南极点四周，为冰雪覆盖的大陆，周围岛屿冰雪覆盖的大陆，周围岛屿星罗棋布。南极洲的面积，星罗棋布。南极洲的面积，包括南极大陆及其岛屿面积包括南极大陆及其岛屿面积共约共约1 400万平方千米，占世万平方千米，占世界陆地面积的界陆地面积的10%，与美国和与美国和

9、墨西哥面积之和相当，是中墨西哥面积之和相当，是中国陆地面积的国陆地面积的1.45倍倍，是澳大，是澳大利亚陆地面积的利亚陆地面积的2倍，为世界倍，为世界第五大陆。第五大陆。 南极大陆的南极大陆的98%98%被冰雪覆盖着。经过科学家多年的测量被冰雪覆盖着。经过科学家多年的测量计算，计算，平均厚度为平均厚度为17001700米米，最大厚度为最大厚度为48004800米。最厚的米。最厚的冰盖位于东南极洲的澳大利亚凯西站以东冰盖位于东南极洲的澳大利亚凯西站以东510510千米处。千米处。南极大陆常年被冰雪覆盖着，使得南极大陆，特别是东南极大陆常年被冰雪覆盖着，使得南极大陆，特别是东南极洲形成一个穹状的高

10、原，南极洲形成一个穹状的高原，平均高度为平均高度为23502350米米，成为，成为地球上最高的大陆，比包括青藏高原在内的亚洲大陆的地球上最高的大陆，比包括青藏高原在内的亚洲大陆的平均高度要高平均高度要高2.52.5倍。但是如果不计这巨大的冰盖，倍。但是如果不计这巨大的冰盖，南南极大陆的平均高度仅有极大陆的平均高度仅有410410米米，比整个地球上陆地的平，比整个地球上陆地的平均高度要低得多。均高度要低得多。南极海冰（冰山）南极海冰（冰山）在南极周围的海洋在南极周围的海洋南大洋中，漂浮着数以万计的冰山，其体积之南大洋中，漂浮着数以万计的冰山，其体积之大，数量之多，远远超乎人们的想象。大，数量之多

11、，远远超乎人们的想象。 冰山和浮冰不同，浮冰是海水冻成的海冰，冰山却是从南极冰盖分离出来的。每年都有数以万计的冰山从陆缘冰的边缘分裂出来，成为南每年都有数以万计的冰山从陆缘冰的边缘分裂出来，成为南极海域独具特色的象征。据统计，南大洋的冰山大约有极海域独具特色的象征。据统计，南大洋的冰山大约有218 300218 300座，座，平均每个冰山重平均每个冰山重1010万吨。万吨。由于南大洋的冰山体积大，海面温度低，一般寿命可以维持由于南大洋的冰山体积大，海面温度低，一般寿命可以维持1010年左右年左右才会慢慢消融才会慢慢消融 南极地区的冰雪南极地区的冰雪如果全部融化，全球洋面将升高如果全部融化，全球

12、洋面将升高6565米米，地球上的陆地面积将因此而缩小，地球上的陆地面积将因此而缩小20002000万平方千米。这将会给世界上人口相对稠密的低海拔地区造成巨大万平方千米。这将会给世界上人口相对稠密的低海拔地区造成巨大灾难。灾难。南极地区冰雪覆盖在多冰的南极地区冰雪覆盖在多冰的9 9月约占该半球总面积的月约占该半球总面积的13%13%，而最小值为，而最小值为6.3%6.3%，从而可以推断南极的冰雪覆盖具有显著的气候效应，从而可以推断南极的冰雪覆盖具有显著的气候效应南极洲的冰和雪是世界上最大的淡水库，南极洲的冰和雪是世界上最大的淡水库，冰盖的总体积约冰盖的总体积约24502450万立方千万立方千米，

13、占世界陆地冰量的米，占世界陆地冰量的9090，淡水总量的，淡水总量的7070中山站中山站长城站长城站1985 年2月20日1989年1月26日2009年1月27日昆仑站昆仑站伊丽莎白公主伊丽莎白公主(比利时比利时)康科迪亚站康科迪亚站(法国、意大利法国、意大利)诺伊迈尔诺伊迈尔科考站科考站(德国德国)阿蒙森阿蒙森-斯科特站斯科特站(美国美国)哈利哈利VI(英国英国)萨纳伊萨纳伊(南非南非)北极地区北极地区边缘海分布边缘海分布北极地区海洋深度北极地区海洋深度（单位：米）（单位：米）北极海冰冰盖面积表北极海冰冰盖面积表格陵兰岛格陵兰岛大陆冰盖占全岛面积大陆冰盖占全岛面积 4/54/5格陵兰岛的大陆

14、冰盖平均厚度为格陵兰岛的大陆冰盖平均厚度为1500m1500m，最高为，最高为1900m1900m全部融化，全球海面将升高全部融化，全球海面将升高7m7m地球上现存的大陆冰盖：南极冰盖和格陵兰冰盖。地球上现存的大陆冰盖：南极冰盖和格陵兰冰盖。这两大冰盖约占全球冰川总面积的这两大冰盖约占全球冰川总面积的97%，总冰量的，总冰量的99%中国北极黄河站中国北极黄河站 2004年年7月中国在北极地区月中国在北极地区斯匹次卑尔根群岛的新奥尔松建立的科学考察站，斯匹次卑尔根群岛的新奥尔松建立的科学考察站，位于北纬位于北纬7855、东经、东经1156NASA1980Annual Sea Ice Minimu

15、m2007Annual Sea Ice MinimumNASA200720051980September Ice Extent Annual Review of Marine Science, 2009北极海冰 19572001冬季夏季8.1.2 8.1.2 地球上冰雪覆盖的季节变化地球上冰雪覆盖的季节变化世界海洋(l)、北半球(2)及南半球（3）海冰面积的季节变化 世界海洋北半球南半球8.1.3 8.1.3 地球上冰雪的多年变化地球上冰雪的多年变化1979-2005年海冰面积的变化曲线、十年平滑线和趋势线（IPCC AR4,2007） 雪线雪线 长年积雪的下线。雪线处的长年积雪的下线。雪线处的 年降雪量等于消融量，年降雪量等于消融量，二者平衡。是