第0章 气候学的发展

第0章气候学的发展全球气候系统1、气候学的革命2、气候系统3、气候变化的时间尺度4、气候学研究1、气候学的革命1960’s末~1970’s初，短期天气预报发展迅速，从1956年Phillips的文章开始，短期天气预报的时效从24h–48h-72h数值积分是否可以无限止进行下去？1960’s末发生了许多气候异常现象，造成重大灾害，气候是否可以预测？人类活动必然影响气候，而气候和环境的改变必然影响人类生存，人类活动对气候到底有多大影响？在社会的这些需求下，现代意义下的气候学研究大量展开。1979年召开了为期2周的世界气候大会，近400人与会，这是一次里程碑式的会议。气候学飞速发展的条件在当时已经具备：计算机巨大发展手算手摇计算机

电动计算机没有计算机，许多原理上可以实现的做法，实际上都不可能，没有前期工作，也就不可能有进一步的思想产生。例如，EOF分析，三大涛动WalkerandBliss,1932WalkerandBliss,1932WalkerandBliss,1932b.观测系统卫星对SST、冰雪分布、高原、冰川、极地等

ARGO（ArrayResearchofGlobalOcean)：深层海洋从狭隘的气候学概念发展到气候系统概念，在本质上有了变化，过去经典意义和现代意义的气候概念完全不同。不了解气候系统各个成员，就不可能了解其变化原因，更不可能预测。全球观测系统的建立，才使得现代气候学发展起来。c.与气候学有关的学科有了长足的进步EOF原理：1950年代提出苏联巴格洛夫首先用于气象美国Lorenz

最初用于气象研究的例子，一个是7阶，一个是10阶。周期分析过去用周期图现在：功率谱、小波分析等等气候学研究的革命包括：气候形成及变化的原因 经典解释是气候形成有3个要素： 太阳辐射（随纬度和季节变化）、海陆分布、大气环流 现在：这三个因子不完全，而且都有变化概念突破：气候学

气候系统 不再是局地气候要素的概念，而是全球五大圈层不同成员之间的相互作用，一个地区的气候异常不只决定于本地，而是整个气候系统承认；气候变化（30年平均normal） 19世纪末20世纪初提出某地30年的平均就可以代表该地气候，现在承认不同30年之间气候有变化，20世纪中期以后气候变化研究增多。经典(古典,地理)气候学的终结: 静态的 孤立的 描述的 归纳的 观测的 局地的 线性的动态的开放的定量的演绎的实验的全球的非线性的气候是活跃的，不是一成不变的，有几十年观测就可得到气候的normal是不可能的。20世纪后1/4，气候学发生的剧烈变化，介绍现代气候学的基本知识是我们这门课的主要目的。1、大气2、海洋3、冰雪4、陆面5、生物圈全球气候系统的成员1、大气最主要、最活跃的成员狭义气候的概念：低层大气

airsurfacetemperatureprecipitationsealevelpressure大气：整体（大气环流）大气环流是影响局地气候的重要因子，是形成气候异常的直接原因。大气的弱点：记忆力小动力：如果没有外界能量输入，整个大气动能仅够维持1周热力：海洋最上层100m变化1ºC，整层大气就要变化几度。维持大气基本状况的两个基本量都不持久，大气的变化依靠下垫面和其它成员的影响，最主要是海洋。2、海洋：重要成员，全球能量的储存库（过去认为）海洋传送带决定于海水的温度、盐度在20世纪不到10年的时间提出THC。THC有几十年的振荡——年代际变化，数值模式也模拟出海洋的THC。THC被认为是气候年代际变化的重要原因，后来发现也是千年尺度气候变化的原因。过去只注意到海气在界面的动力、热力、质量交换ENSO：年际变化的最强信号3、冰雪：阻止大气与下垫面热量、物质交换，主要影响反照率。冰期-间冰期旋回，其温度变化幅度无法完全用地球轨道要素解释，冰雪反馈作用在气候系统中起到非常大的作用。反馈：正负例：高纬度地区，冰雪——温度低纬度地区，云量——SST

高低纬之间，温度梯度——经向热量输送4、陆面自1960年代始的Sahel干旱，植被覆盖破坏严重持续30多年的Sahel干旱是20世纪重要的气候异常现象之一5、生物圈a.人类活动对大气成分的改变b.人类对环境的破坏（亚玛逊原始森林严重被破坏，IGBP下的新国际计划，季风亚洲区计划都主要是针对人类活动可能引起的全球变化，包括环境等）Sahel地区雨季降水量,(a)20-10

N,15

W-30

E平均6-9月降水量,据Hulme(1992)；(b)是20-8

N，20

W-10

E区域14个站平均6-9月降水量,据Janowiak(1988)；(c)为10-20

N,18

W-20

E平均7-9月降水指数，据Thiaw和Bell(1999)。标准化处理，对1951-1980年.1、冰期-间冰期旋回100~40ka10ºC轨道要素2、D/O振荡1.5ka5ºCTHC3、年代-百年变率102~101a1ºC火山、太阳4、年际100a2~3ºC

海气5、短期气候振荡10-1a3~4ºC

海气气候变化的时间尺度D/O振荡是20世纪古气候研究的巨大成果。过去认为冰期很冷，间冰期很暖，现在发现冰期、间冰期中还有很剧烈的气候振荡，其时间尺度平均为1.5ka(1~3ka),期间气候变化非常剧烈。3、年代-百年气候变化振幅较小，10-1ºC，原因：火山、太阳活动4、年际ENSO5、短期气候振荡月~季（短期气候预测）

12345类

1053~42~31ºC变化幅度不同，导致变化的原因，其尺度从大到小1、气候诊断Diagnostics2、气候预测3、气候模拟4、气候重建5、人类活动影响气候学研究1、气候诊断医学名词，根据病情做出判断气候学中：对气候事件、气候变化做出判断，1970年代才开始使用观测只能直接表现观测对象，不需要、也得不出任何结果，要想有结论，必须分析。诊断：根据资料，进行分析，做出判断。每年一次的美国气候诊断与预测年会已开了27届对过去一年气候事件、异常进行诊断分析研究是每届年会的首要内容。2.3%2б如何判断气候异常：联合国气象组织规定，距平>2б通常，也要考虑实际需要，东北亚低温冷害气候事件、气候过程、气候异常都需要判断近些年，出现模式诊断，可以得到无测站地方（如青藏高原西部）的模式结果，其精度与模式水平的试验方案有关。气候诊断在20世纪后1/4有了很大发展，现中国、美国、联合国有每月气候诊断公报。2、气候预测途径：统计、动力，过去、现在都以统计为主，将来应该以动力学为主，统计、动力相结合。气候预测的发展：在20世纪中期，J.Namias提倡用气候平均，做平均环流的预报。开始是做严格30天的平均图。苏联的穆尔坦洛夫用日天气图，划分自然周期，（韵律的概念）N抓住了时间尺度长，空间尺度必然大这一特点M抓住天气周期，但难于操作，年与年之间难于比较，一旦周期划分有不同意见，非常难于修改。最后统一用月平均，虽不尽合理，但易于实现。平均环流的优点（Namias的重要贡献）1、30天平均滤掉了指数循环（对天气预报非常重要），更加突出了大尺度、超长波运动。2、证明月平均环流与气候（温度、降水）有关模式的长处在于预报环流，而不是直接预报温度、降水。N证明平均环流与气温、降水关系密切，为在气候预测中引入数值模式奠定了坚实基础。3、30天平均环流变化是否有规律？N证明有。短期气候数值预测是在短中期数值天气预报不断成功的基础上发展起来的。（可预报性、集合预报、气候漂移等问题）统计方法：没有动力学做基础，不知道其物理机制动力学方法：水平不高，没有“教养”，但是主要发展方向国际上在1990年代初很乐观，提出90年代中期月预报业务化，90年代后期，季度预测业务化。都没有实现，气候预测的复杂性3、气候模拟过去：气候=统计现在：利用GCM研究气候是重要手段。分以下几个阶段：1956年Phillips：给定initialcondition，可计算以后的大气状态。转盘实验：机械模拟?GCM：数值模拟1960年代：给定海陆分布、大地形、太阳辐射（包括季节变化），可计算出大气环流的基本状态，高低压中心等。1970年代：敏感性试验，试验物理因子（太阳辐射变化1%、CO2浓度加倍）对大气环流的影响。1980年代以后：气候变率的研究 自然变率（大气内部变率、下垫面变化造成的） 气候随时间变化：给定SST，强迫大气环流变化 人类活动检测4.古气候重建 在20世纪后期有了飞速的发展，这对气候学研究非常重要。如果不了解气候变化的事实，不可能研究气候的原因，更不用说预测未来。5.人类活动的影响 1970年代末提出这一问题 1979年召开第一次世界气候大会，题目是“气候与人类” 认为人类活动影响气候，气候也影响人类发展。提出这一问题的科学依据是：如果CO2（当时还没有提出温室气体这一概念）加倍，地球上气温上升1.5~4.5C。当时认为，这种情况一旦发生，会给社会带来巨大冲击。建立了WCP 1985年维也纳保护O3层公约 1987年蒙特利尔议定书，减少氟里昂排放1988年成立IPCC（从WCPIPCC，政府出面协调）

IPCC规定每5年出版一次气候评估，1990（1992）、1995、2001，分三部分：A.ScientificAssessment,B.ImpactAssessment,C.Strategy 1990年第二次世界气候大会 1992年气候变化框架公约，里约热内卢，原则上减少排放CO2 1997年京都议定书，要求发达国家将排放水平在1990