气候系统精品课件

1、气候系统第1页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四2.1 气候系统的组成气候系统的定义：大气圈、与水圈（海洋）、冰雪圈、岩石圈和生物圈相互作用的整体。第2页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四气候系统及其相互作用示意图第3页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四大气+水 = 气候的内系统全部陆地+地球外的宇宙 = 气候的外系统气候系统的变化中最为重要的外强迫因子太阳辐射、地球本身的结构作用第4页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四大气圈1) 结构2) 组成及特性:干洁空气、水汽、固态和液态微粒（气溶胶粒子）温室气体包

2、括：水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、 氧化亚氮 (N2O)、甲烷(CH4)和臭氧(O3)3) 动力、热力性质: 热惯性和动力惯性小,特征时间为15个天左右.第5页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四 根据垂直方向上大气温度变化、运动状态、密度及成分的变化等,将大气分为:对流层,平流层,中间层,热层和外逸层.大气结构第6页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四7第7页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四T为循环的温度;dT为循环的温差;L为热量，这里为汽化潜热（相变热）;为饱和蒸汽的比容;为液体的比容;e为饱和水汽压克劳修斯 克拉珀方

3、程clausius clapeyron equation 第8页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四對流層平流層中間層熱成層臭氧層溫度隨高度變化第9页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四分子量主要气体成分空气中的含量/按体积平均滞留期/ 年氮（N2）氧（O2）氩（Ar）二氧化碳臭氧（O3）干洁空气78.0820.950.930.03（可变）0.000 001（可变）100.0010610410915？28.0232.0039.9444.0048.0028.96 干洁空气气体的主要成分及含量第10页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四

4、对于具体的大气成分来说，随着高度的变化，其浓度变化也十分显著。 二氧化碳CO2,大气中集中在大气圈底部，从地面到20 km高度以下这一薄层。在20 km以下的大气中一般占0.03%，到了20 km以上含量显著减少。 它的天然源主要是海洋脱气、甲烷转化、生物过程、岩石的风化和沉积，比如，火山喷发，动植物的呼吸和有机物的腐烂、燃烧等；人为源主要是煤、石油、天然气等矿物燃料的燃烧过程以及大量砍伐森林，随着人类活动的不断加剧，大气中CO2的浓度不断增加。第11页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四臭氧随高度的分布第12页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四第13

5、页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四大气臭氧的季节变化和纬度分布第14页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四第15页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四南极臭氧洞：南极地区上空大气臭氧总含量大幅度异常下降的一种现象 。第16页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四第17页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四CFCs对臭氧分析子的破坏过程第18页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四1987年9月16日：签署的关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书； 1995年1月23日：联合国大会

6、通过决议，确定从1995年开始，每年的9月16日为“国际保护臭氧层日”。第19页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四第20页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四1974年，罗兰（Rowland）和穆连（Molina）发现氯氟碳化合物(CFCs)会破坏平流层臭氧1976年，国家科学院发布了证实罗兰（Rowland）和穆连（Molina）发现的报告1976年，食品和药品局和环境保护机构宣布阶段性终止溶胶剂中的氯氟碳化合物(CFCs)1978年，氯氟碳化合物(CFCs)在溶胶剂中的使用在美国禁止1984年，约瑟夫 法文（Josph Farman）领导的国际研究

7、组探测到南半球春天南极上空4%的臭氧缺损1985年，美国宇航局的卫星数据证实了南极上空臭氧空洞的存在。1987年，签定蒙特利尔协议,呼吁全球范围的氯氟碳化合物(CFCs)减少50%1988年，美国全票批准蒙特利尔协议1996年，对工业生产氯氟碳化合物(CFCs)的全面禁止开始实施1989年，科学家宣布了在北冰洋上空臭氧层空洞的先期发现1995年，F.希拉伍德 罗兰 （F. Sherwood Rowland）和马里奥 穆连Mario Molina因在天气化学领域的研究而被授予诺贝尔奖) 第21页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四温室效应（Greenhouse Effect）

8、太阳辐射长波辐射第22页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四温室效应（大气的保温效应）：大气中的温室气体对太阳辐射的吸收很少，但却能强烈地吸收地面辐射，同时又向地面放射长波辐射，补偿地面因放射辐射而损失的能量，使地面气温升高的效应第23页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四推荐纪律片：难以忽视的真相 2006年 阿尔戈尔（美国）全球变暖的大骗局 2007年 BBC第24页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四主要温室气体对全球气温升高的贡献CH4N2OCO2第25页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四烟 囱 林 立固

9、态颗粒来源 工厂、地表茅山的黄棕壤第26页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四玉龙雪山密林深处固态颗粒来源 植物、大海（盐粒）海洋挑战者阳伞效应第27页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四火山灰第28页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四 露 珠液体颗粒水滴、过冷水滴小 雪 花第29页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四第30页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四第31页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四阳伞效应气溶胶对太阳辐射的散射和吸收，使到达地面的太阳辐射减弱，引起地

10、面气温的下降，其效应类似于阳伞效果，故称为阳伞效应第32页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四第33页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四水圈（海洋）、陆圈（岩石圈）、冰雪圈和生物圈水圈（海洋） 组成：海洋、河流、湖泊、地下水和地表上的一切液态水。 结构：海陆水平分布、海温垂直结构第34页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四地球表面海洋占地球表面积的70%，由于海水热容量大，若仅考虑100m深的表层海水，其热容量占整个气候系统总热量的95%第35页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四海洋可以分成 1.混合层（上层水

11、团） 2.温跃层 3.深层水团（恒温层）大平洋典型温度垂直面第36页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四海洋上层的温度受到大气影响，在海洋表面向下的几十米的水层里，风浪和海流引起的湍流混合十分强烈，海水温度的垂直变化很小，因此被称为混合层。但到某一个高度以后，很快遇到一个较薄的水层，其海水温度随深度的变化特别剧烈，这一区域被称之为温跃层。温跃层混和层第37页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四大洋平均温度典型垂直分布图6 大洋中典型的密度铅直向分布第38页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四1、大气逆温层由于太阳短波辐射从地面反射到空

12、气的，加热是越接近地面越显著的，因此随高度增加，气温亦越来越低。一种和此情况相反的，温度随高度的增加而增加，称为逆温现象；受逆温现象影响的一段垂直厚度大气则称之为逆温层。 2、平流层 3、海洋温跃层 温跃层是位于海面以下温度和密度有巨大变化的薄薄一层，是上层的薄暖水层与下层的厚冷水层间出现水温急剧下降的层。温跃层把变化缓慢的深海与变化迅速的上层海洋分隔开来。 3、锋面 分隔冷、暖两种不同性质气团之间的狭窄的过渡带。这个过渡带自地面向高空冷气团一侧倾斜。第39页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四海水密度大于纯水，是温度、盐度和压力的函数盐度增加时密度增大；温度升高时（高于最

13、大密度的温度）密度减小海水最大密度的温度随盐度增加而降低第40页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四51015202503035-1-2-301234-1.332 C温度(C)盐度()24.695最大密度的温度海水冰点第41页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四 动力、热力性质：反射率小、热容量大、流速小，动力、热力惯性大。变化的时间尺度：几个月几年(上层海洋) 世纪尺度(深层海洋) 对气候的影响：（1）对温度的调节作用、水汽源地；（2）海-气相互作用第二节第42页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四岩石圈（陆圈） 组成及结构：地球表

14、层的固体表面，由岩石、土壤和沉积物组成。包括高原、平原、山地、丘陵、盆地等。 热力性质: 热容量小,热惯性小. 变化的时间尺度: 山脉形成:105108年;大陆漂移: 106109年;陆块位置和高度变化:109年以上. 对气候的影响：地形的动力作用、地表的热力作用、陆面水循环第43页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四第44页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四第45页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四冰雪圈 组成及结构：大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪盖。 热力性质：反射率大 变化的时间尺度：陆地雪盖：季节年际变化;海冰：季节几十

15、年际变化;大陆冰原和高山冰川：几百年几百万年. 对气候的影响：冰雪面-大气相互作用第46页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四冰岛的Eyiafjalla冰川(制高点1666m)第47页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四天山的积雪和冰川第48页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四这张由美国航空航天局发布的卫星照片显示了2006年9月北极地区海冰的景象 ,面积约为530.95万平方公里，为自有卫星监测以来的最小面积 第49页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四生物圈 组成：陆地和海洋中的植物，空气、海洋和陆地生活的动

16、物，包括人类本身。 动力、热力、水文等特性：反射率、粗糙度、蒸发、蒸腾、水份循环、CO2平衡 变化的时间尺度：季节千年 人类活动通过改变地表特性和大气成分对气候产生影响。第50页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四植被第51页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四2.2 气候系统的物理、化学过程在太阳辐射加热作用下，在大气中生成了风，在海洋中产生了洋流。风和洋流反过来又将热量从过剩的地区输送到热量不足地区。赤道与极地温差、地表和大气高层的温差、海陆的热力差异、海陆分布引起的南北半球的热力差异等等第52页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期

17、四1) 热力属性: 空气、水、陆地表面和冰雪面的温度2) 动力属性：风、洋流及其垂直运动和冰体运动3) 水分属性：空气湿度、云量、降水量、土壤湿度、河湖水位、冰雪等。4) 静力属性：大气和海水的密度、压强、大气的组成、海水盐度及气候系统的几何边界和物理常数等。第53页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四圈层和代表物质大气圈空气水圈水冰雪圈冰(纯)、雪(新鲜)陆地表面粘土(干)生物圈森林密度（103 kg/m3）0.00121.000.920.101.60比热容（103 J/kg.K)1.004.192.102.090.89热容量(106J/m3.K)0.00124.191.

18、930.211.42热传导(W/m.K)0.0260.582.240.080.25热扩散(10-6m2/s)21.50.141.160.380.18传导能力(103J/m2.K.s1/2)0.0061.572.080.130.60日穿透深度(m)2.30.20.50.30.2年穿透深度(m)443.610.26.03.9反射率(%)272107084952020连续性好好可压缩性较强较弱弱弱粘性小较大大大流动性好好差差气候系统各组成部分属性的对比第54页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四气候系统的物理过程与生命周期为2-3周以内的大尺度天气系统的物理过程相比，气候系统的外

19、部加热起着举足轻重的作用。大尺度天气系统的第一近似可视为绝热系统，而气候系统则必须考虑非绝热加热。这些过程包括：辐射过程、云过程、陆面过程、海洋过程、冰雪过程、气溶胶过程、碳循环及生物过程第55页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四2.3 气候系统的基本特性气候系统是一个复杂的、高度非线性的、开放的局系统有规则的周期性变化：日变化、年变化等较规则的周期性变化：准双周振荡、准两年振荡等不规则的变化：百年增暖、大气环流的突变第56页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四 气候系统的反馈过程 反馈：气候系统不同属性（变量）之间的相互作用，引起气候属性的变化，称为

20、反馈。包括正反馈过程和负反馈过程。正反馈：反馈过程造成的气候变化与原变化同号，使气候变化加剧，产生气候不稳定称为正反馈。负反馈：反馈过程造成的气候变化与原变化反号，抑制气候的变化和异常，使气候趋于稳定，称为负反馈。第57页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四正反馈： 冰雪反射率温度 水汽含量红外逸出辐射温度 CO2 海温 高云（云顶高度）逸出辐射温度负反馈： （中低）云量多太阳辐射少稳定度大云量少 蒸发量大水面温度低蒸发量小 赤道、极地温差大热量输送大赤道、极地温差小全球增暖是正反馈、还是负反馈？第58页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四2.4 气候系

21、统的可预报性第一类气候预报：对未来某一具体时段气候状态的预报，其可预报性取决于作用于气候系统的外力和气候系统相互作用对大气影响的可预报性。第二类气候预报：与时间无关，预测气候对某一影响因素变化的响应。第59页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四气候系统的可预报性与驱动力外力周期性：日、年变化、米氏周期（米兰科维奇理论）、银河周期非周期性：火山爆发、地震等内力周期性：系统内部各因子之间相互耦合而成的自持振荡（ENSO等)非周期性：随机性内部因子第60页，共69页，2022年，5月20日，23点59分，星期四2.5 气候系统的研究气候监测、气候诊断、气候重建、气候模拟、气候预测气候监测：大气常规观测、海洋及系统其它成员的常规观测气候诊断：气候变化、气候异常、气候异常事件、 气候变化原因的检验气候重建：树轮、冰芯、孢粉、钟乳石、珊