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第一章气候系统

第六讲气候系统各圈层之间的相互作用1本次课程学习围绕的问题气候系统中各圈层的相互作用

(1)海-气相互作用

(2)陆-气相互作用(陆面过程）气候系统各圈层相互作用的意义？2（2）冰-气相互作用海冰大气①海冰的高反照率减少海面吸收的太阳辐射有海冰－－海水吸收太阳辐射的30～50％

无海冰－－海水吸收太阳辐射的85～95％②海冰是强的绝缘体限制了海气界面的热量、质量、动力和化学成分的交换。③海冰的生成、融化海水的盐度海洋的垂直密度层结 海冰的生成－－－脱盐－－－海水盐度↑ 海冰的融化－－淡水通量－－海水盐度↓

2023/4/153大气海冰

①动力作用：大气风应力是海冰运动和海冰边缘的第一驱动力；

②大气的风、温度、湿度冰气界面的能量平衡海冰的维持、生长和融化有重要作用；

2023/4/154陆-气相互作用

这是气候系统中最基本的相互作用之一，包括冰冻圈中的积雪、冰川、冻土及岩石圈和地表生物圈与大气的相互作用；包括各种物质、热量、水汽输送与转换以及土地利用变化等。关键问题为：陆气之间的水与能量交换如何改变地球上的气候与痕量气体的排放和沉降？陆面大量的中小尺度过程如何一起影响大尺度天气过程？人类引起的陆面覆盖变化在陆气界面过程以及整个气候系统中的作用是什么？为人类提供食物与纤维的生态系统怎样受到气候变化与人类利用的影响？2023/4/155陆地下垫面湖泊冰川森林草地62023/4/156陆地下垫面沙漠河流湿地戈壁72023/4/157气候变化引起区域水文生态过程的变化地表地下水文及陆地覆盖变化引起气候的改变气候与植被、地表水、地下水有重要的相互作用土地沙化生态环境恶化

北方干旱南方洪涝高原冰川退化河道干枯地下水位下降植被减少82023/4/158

陆面过程（也称为陆气相互作用）：是指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，以及这些过程与大气的相互作用。陆面过程的时间尺度：从秒到万年。空间尺度：从分子到全球。陆面过程涉及的的几大过程：1.陆面物理过程

2.陆面生物化学过程

3.陆面生态过程9陆地－大气相互作用2023/4/159陆面物理过程：主要是指发生在陆面和陆其界面的能量平衡、水分平衡和动量交换过程。（1）热力过程（能量平衡过程）：辐射过程、感热潜热交换过程（2）水文过程（水分平衡过程）：降水、蒸发，径流、冰雪融化（3）动量过程：地面和植被对风的摩擦、阻挡作用（4）物质交换过程：水汽、其他化学气体和气溶胶的向上输送，大气悬浮物的沉落。

辐射LWSWGLESH热量动量CO2等痕量气体径流rain水分102023/4/15102.陆面生物化学过程:是指与陆地植被或陆地生态系统中

的碳同化，气孔传导、蒸腾、光合作用以及碳、氮等化学

元素循环转化有关的时间尺度较长的过程。3.陆面生态过程:

是指月至年到年际时间尺度上陆地生态系统的演变及其与气候之间的相互作用过程。包含了植被的生长、演替以及各种扰动（如火灾、虫灾、土地利用等）对陆地生态系统的影响，同时还考虑植被与土壤之间碳氮等营养物质的交换过程。112023/4/1511

反照率地表反照率的变化是陆面异常的最重要的特性之一，反照率的变化通过影响地表能量平衡直接对大气产生影响。土壤水分的异常植被的变化地表反照率的变化积雪覆盖的异常●Charneyetal(1975，1977)提出了沙漠化理论机制：地球生物—物理反馈机制：陆面状况的变化→反照率的异常→影响地面辐射平衡→气候变化

；

陆面过程对大气的作用2023/4/1512

土壤湿度土壤是地表水循环的重要组成部分，土壤湿度的变化不仅对地表水循环产生影响，而且会改变地表的蒸发，从而直接影响地气之间的水分交换和潜热通量。2023/4/1513土壤温度(地表热状况异常）土壤的热容量远大于空气，土壤的热状况及其变化将会对大气的陆面下边界起重要的作用。土壤温度度的变化可以直接影响地气之间的感热通量。土壤温度的变化还会影响地气之间的辐射通量，从而对气候变化起到反馈作用。另外，土壤温度或地表热状况的异常可以改变地表的其他特性，近而产生间接的影响。2023/4/1514积雪积雪是气候系统中的一个重要而活跃的组成部分，积雪的异常可以引起下垫面能量和水分的异常，改变地表与大气之间的热量和水汽交换，从而对气候变化产生重要的影响。积雪异常的气候效应主要体现在三个方面:反照率效应:积雪的高反射率,引起地面吸收的太阳辐射减少,产生净的冷却效应,改变地表的热力状况及地气之间的热量交换;积雪水分效应:积雪异常通过融雪对地表的水平衡产生影响,引起土壤水分及蒸发的异常,影响地气系统之间的水汽、能量交换;

雪盖异常引起的大气异常的遥响应:雪盖异常的局地效应,通过大气对它的响应以及大气环流的调整,对更大范围乃至对全球气候产生影响.2023/4/1515

陆面为不同类型的植被所覆盖，由于植被存在，使得陆面过程变得更加复杂。植被的生理及形态特性对陆面过程具有十分重要的影响。其影响主要表现为：（1）拦截作用（2）辐射的吸收（3）蒸散（4）土壤湿度（5）改变动量输送（6）生物通量

植被2023/4/1516生物对气候的负反馈

17气候与生物之间的正反馈作用气候变暖/冷大气中CO2浓度升高/降低植被光合作用强/弱大陆植被增加/减少（CO2吸收增加/减少大气中CO2浓度降低/升高气候变冷/暖2023/4/1517陆面热力过程：发生在大气、植被和土壤表面的辐射过程（直接辐射、反射辐射和长波辐射）、土壤、植被、大气间的感热和潜热交换；地面以下土壤的热传导与气隙中的热输送。陆面水文过程：大气降水、蒸发和植物蒸腾、凝结、地表径流以及冰雪融化和冻结；大气降水、地面水的渗漏和深层水的上吸、植物根系的吸收、地下水流及土壤冻结和融化。陆面动量交换：地面对风的摩擦和植被的阻挡；陆面与大气的物质交换：气体、气溶胶、烟尘向上输送和大气悬垂物的沉落；陆面过程主要方面的总结182023/4/1518陆面过程在气候系统中的作用决定了大气动力学控制方程发展的下边界条件-预报源/汇项大气控制方程中:动量方程（决定风速变化）中的摩擦力项能量方程（决定大气温度变化）中的感热项水汽方程（决定大气湿度变化）中的潜热项等气候系统对不同的陆地下垫面的敏感性地表反照率土壤湿度表面粗糙度土地利用/土地覆盖变化在气候模式及气象预报中的地位（如森林、草原、沙漠）通过对风速的影响影响大气动力过程如，城市化，沙漠化，伐林开荒，农田植被的变化地表反照率土壤湿度表面粗糙度土地利用/土地覆盖变化19降水陆面的干、湿状态、地表水循环；

大气的风、温度、湿度地气界面的能量平衡引起地表状况的变化；大气的温度、降水植被的分布大气对陆面过程的影响2023/4/1520气候系统各圈层相互作用的意义2023/4/1521

在各圈层相互作用过程中，主要进行水、碳以及热量的交换与循环过程。气候系统中最大的水源区在地幔中。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。水源质量存留时间水源质量存留时间大气0.01几天格陵兰岛冰川510000年淡水（湖泊、河流）0.6几天到几年南极冰川5310000年淡水（地下水）15上百年海洋2700高山冰川0.2上百年地壳和地幔200001011年气候系统中单位面积上各种水源的质量（103kgm-2）及留存时间2023/4/1522地气系统的水分平衡（水循环)(HydrologicalCycle）水循环的基本过程：蒸发、蒸腾（蒸散）降水（凝结）、地表径流、水汽输送：海洋洋流的循环输送、径流输送、大气中的水汽输送地下水水循环过程的重要性：

大气中的水循环过程

热力过程密切相关2023/4/1523全球碳循环示意图全球碳库：大气碳库：750GtC陆地碳库：1750GtC海洋碳库：37400GtC岩石圈中的碳：65.5×1010GtCG=1000000000(1billion).2023/4/1524地球上的水因蒸发成为水汽，经输送、上升、冷却、凝结，在适当的条件下，再降落到地面。这种蒸发—凝结—降水—再蒸发不断循环过程，称为水循环。

水循环包括了多种的复杂过程，如蒸发、水汽输送、冷凝、降水、植物截留、滞蓄、下渗、径流等。其中最重要的基本现象是蒸发、降水、下渗、径流。地球上的水分循环2023/4/1525水循环自然界的水在地理环境中通过各个环节循环运动的过程。1、概念：2、类型海陆间循环（大循环）海上内循环陆上内循环262023/4/1526425385407111141全球水循环：年输送量1000km32023/4/1527地下水含水层融雪径流土壤水下渗湖泊冰雪海洋海洋蒸发蒸散发水面蒸发径流降水降水水平对流凝结凝结升华全球水循环框架282023/4/1528111385全球水循环数量（单位：1000km3）292023/4/1529（1）促进地球上各种水体的更新，维护全球水的动态平衡；水循环意义联系地球各大圈层:（2）促进地球表层各圈层的物质迁移和能量交换；（3）塑造地表形态。302023/4/1530地气系统的热量（能量）平衡（EnergyBalance)地球气候系统是一个热力系统，系统通过各种不同方式保持得到的热量和失去的热量之间的平衡关系。对地球表面、大气和地-气系统的热量收支是气候学研究的基本问题。全球热量（能量）平衡是气候系统最基本的物理过程之一。主要通过大气、云、地表之间的辐射传输等大量的反馈过程来维持。地气系统能量（热量）传输的基本过程：太阳短波辐射长波辐射感热通量（湍流热通量）潜热通量热量的水平、垂直输送。2023/4/1531地气系统的能量平衡（EnergyBalance）太阳短波辐射长波辐射地表能量平衡2023/4/1532能量平衡（EnergyBalance）大气获得能量主要通过4种方式：（1）潜热（23％）（2）太阳短波辐射（19％）（3）吸收下垫面放射的长波辐射（15％）（4）感热（7％）2023/4/1533洋流与热量输送（1）海洋与大气的向极热量输送总量相当；（2）低纬的热量输送，海洋多于大气；中、高纬的热量输送，则大气多于海洋。2023/4/1534碳循环1个体水平细胞水平食物链水平地质大循环2023/4/1535碳的储存库碳循环大气圈：储量最小，二氧化碳等岩石圈：储量最大，碳酸盐岩等水圈：储量中等生物圈：2000年的估计数据,全球陆地生态系统碳储量约24770亿t,其中植被4660亿t,土壤20110亿t。森林为陆地生态系统中最大的碳储库,森林植被的碳储量约占全球植被的77%,森林土壤的碳储量约占全球土壤的39%

。2023/4/1536

碳循环过程由图表示。碳储存在大气、海洋、生物圈与地壳中。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。2023/4/1537人类活动对碳循环的影响碳循环工业革命以前,大气中的CO2

浓度平均值约为280×10-6

ppm,变化幅度大约在10×10-