1、第第1 1講講 氣候系統(tǒng)及其變化氣候系統(tǒng)及其變化1.1.什么是天氣和氣候以及什么是天氣和氣候以及氣候變化與氣候變率？氣候變化與氣候變率？ 天氣是指在短時(shí)間內(nèi)（天氣是指在短時(shí)間內(nèi)（1-31-3天左右）發(fā)生的天氣現(xiàn)象天左右）發(fā)生的天氣現(xiàn)象，如暴雨，大風(fēng)，雷暴，高溫等。如暴雨，大風(fēng)，雷暴，高溫等。氣候一般是指平均天氣氣候一般是指平均天氣。因。因而天氣與氣候變化是相互關(guān)聯(lián)和交織在一起的，人們觀測(cè)和而天氣與氣候變化是相互關(guān)聯(lián)和交織在一起的，人們觀測(cè)和感覺到的是天氣變化。雖然天氣與氣候是密切相關(guān)的，但它感覺到的是天氣變化。雖然天氣與氣候是密切相關(guān)的，但它們又有重要的差別們又有重要的差別：（：（1 1）人們

2、可以預(yù)測(cè)未來）人們可以預(yù)測(cè)未來5050年或年或100100年的年的氣候，但不能預(yù)測(cè)未來幾星期的天氣，這是人們經(jīng)常感到迷氣候，但不能預(yù)測(cè)未來幾星期的天氣，這是人們經(jīng)常感到迷惑的事，這將會(huì)在第二講說明；（惑的事，這將會(huì)在第二講說明；（2 2）在全球變暖條件下，）在全球變暖條件下，仍會(huì)發(fā)生寒冷的冬天或出現(xiàn)降冷的地區(qū)，這也是人們經(jīng)常感仍會(huì)發(fā)生寒冷的冬天或出現(xiàn)降冷的地區(qū)，這也是人們經(jīng)常感到不解的事情。但是如果看下面的圖到不解的事情。但是如果看下面的圖1 1，將會(huì)得到清楚的了，將會(huì)得到清楚的了解。這主要是因?yàn)榭偸谴嬖谥錈岬臉O值。但當(dāng)對(duì)天氣做時(shí)解。這主要是因?yàn)榭偸谴嬖谥錈岬臉O值。但當(dāng)對(duì)天氣做時(shí)空平均值，

3、就可以明顯地突現(xiàn)出全球變暖的事實(shí)。空平均值，就可以明顯地突現(xiàn)出全球變暖的事實(shí)。平均狀態(tài)變化平均狀態(tài)變化平均狀態(tài)與平均狀態(tài)與離差離差幅度同時(shí)變化幅度同時(shí)變化離差幅度變化離差幅度變化圖11.1.氣候系統(tǒng)組成及其對(duì)氣候系統(tǒng)組成及其對(duì)氣候變化的關(guān)系氣候變化的關(guān)系 全球氣候系統(tǒng)指的是一個(gè)由大氣圈、水圈、全球氣候系統(tǒng)指的是一個(gè)由大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈（陸面）和生物圈組成的高冰雪圈、巖石圈（陸面）和生物圈組成的高度復(fù)雜的系統(tǒng)，度復(fù)雜的系統(tǒng)，這些部分之間發(fā)生著明顯的這些部分之間發(fā)生著明顯的相互作用（圖相互作用（圖2 2）。在這個(gè)系統(tǒng)自身動(dòng)力學(xué)和）。在這個(gè)系統(tǒng)自身動(dòng)力學(xué)和外部強(qiáng)迫作用下（如火山爆發(fā)、太陽(yáng)變

4、化、外部強(qiáng)迫作用下（如火山爆發(fā)、太陽(yáng)變化、人類活動(dòng)引起的大氣成分的變化和土地利用人類活動(dòng)引起的大氣成分的變化和土地利用的變化），氣候系統(tǒng)不斷地隨時(shí)間演變（漸的變化），氣候系統(tǒng)不斷地隨時(shí)間演變（漸變與突變），而且變與突變），而且具有不同時(shí)空尺度的氣候具有不同時(shí)空尺度的氣候變化與變率變化與變率（月、季節(jié)、年際、年代際、百（月、季節(jié)、年際、年代際、百年尺度等氣候變率與振蕩）。年尺度等氣候變率與振蕩）。圖2 氣候系統(tǒng)及其圈層間相互作用過程概略示意圖 氣候系統(tǒng)的構(gòu)成氣候系統(tǒng)的構(gòu)成 氣候系統(tǒng)是地球系統(tǒng)的主要部分之一。地球系氣候系統(tǒng)是地球系統(tǒng)的主要部分之一。地球系統(tǒng)還包括人類與生命系統(tǒng)，社會(huì)統(tǒng)還包括人類與生

5、命系統(tǒng)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面等。經(jīng)濟(jì)方面等。它它是一個(gè)完整的、相互關(guān)聯(lián)的具有復(fù)雜的代謝和自身是一個(gè)完整的、相互關(guān)聯(lián)的具有復(fù)雜的代謝和自身調(diào)節(jié)機(jī)制的系統(tǒng)。它的生物過程與物理和化學(xué)過程調(diào)節(jié)機(jī)制的系統(tǒng)。它的生物過程與物理和化學(xué)過程強(qiáng)烈的相互作用，以此構(gòu)成復(fù)雜的地球生命支持系強(qiáng)烈的相互作用，以此構(gòu)成復(fù)雜的地球生命支持系統(tǒng)。因而不但需要分別研究系統(tǒng)中各個(gè)部分的特征統(tǒng)。因而不但需要分別研究系統(tǒng)中各個(gè)部分的特征與循環(huán)，而且必須研究整個(gè)系統(tǒng)的集成行為及各分與循環(huán)，而且必須研究整個(gè)系統(tǒng)的集成行為及各分系統(tǒng)的相互作用。這就需要打破傳統(tǒng)學(xué)科的觀念，系統(tǒng)的相互作用。這就需要打破傳統(tǒng)學(xué)科的觀念，研究各學(xué)科邊界之間的交叉科學(xué)問題

6、。研究各學(xué)科邊界之間的交叉科學(xué)問題。 大氣圈大氣圈 大氣圈是氣候系統(tǒng)中大氣圈是氣候系統(tǒng)中最不穩(wěn)定，變化最最不穩(wěn)定，變化最快的部分。快的部分。大氣圈不但受到其它四個(gè)圈層的大氣圈不但受到其它四個(gè)圈層的直接作用與影響，而且直接作用與影響，而且與人類活動(dòng)有最密切與人類活動(dòng)有最密切的關(guān)系。的關(guān)系。人類主要生活在大氣圈中，因而大人類主要生活在大氣圈中，因而大氣圈的狀態(tài)和變化直接影響著人類的生存條氣圈的狀態(tài)和變化直接影響著人類的生存條件和各種活動(dòng)。氣候系統(tǒng)中其它圈層變化產(chǎn)件和各種活動(dòng)。氣候系統(tǒng)中其它圈層變化產(chǎn)生的最后影響結(jié)果都會(huì)反映在大氣圈中。因生的最后影響結(jié)果都會(huì)反映在大氣圈中。因而大氣圈是氣候系統(tǒng)的中心

7、。大氣圈主要通而大氣圈是氣候系統(tǒng)的中心。大氣圈主要通過其中大氣成分及輻射收支的變化來影響地過其中大氣成分及輻射收支的變化來影響地球的氣候。球的氣候。 首先我們看大氣圈中大氣成分的變化。首先我們看大氣圈中大氣成分的變化。大氣由各種氣體和水大氣由各種氣體和水汽以及固、液態(tài)質(zhì)點(diǎn)（氣溶膠）、云等組成。汽以及固、液態(tài)質(zhì)點(diǎn)（氣溶膠）、云等組成。在氣體中氮（在氣體中氮（N N2 2）占占78.1%78.1%（體積混合比），氧（體積混合比），氧（O O2 2）占）占20.9%20.9%，氬（，氬（ArAr）占）占0.93%0.93%（表（表1 1）。但這些氣體是所謂惰性氣體，一般它們與入射的太陽(yáng)輻）。但這些氣

8、體是所謂惰性氣體，一般它們與入射的太陽(yáng)輻射相互作用甚小，與地球放射的紅外長(zhǎng)波輻射不相互作用，也就射相互作用甚小，與地球放射的紅外長(zhǎng)波輻射不相互作用，也就是說，他們既不吸收也不放射熱輻射。是說，他們既不吸收也不放射熱輻射。對(duì)地球氣候有重大影響的對(duì)地球氣候有重大影響的是大氣中的許多痕量氣體。是大氣中的許多痕量氣體。如二氧化碳（如二氧化碳（COCO2 2），甲烷（），甲烷（CHCH4 4），氧），氧化亞氮（化亞氮（N N2 2O O）和臭氧（）和臭氧（O O3 3）。雖然這些氣體只占大氣總體積混合）。雖然這些氣體只占大氣總體積混合比的比的0.1%0.1%以下，但以下，但由于它們吸收和放射輻射，在地球

9、能量收支中由于它們吸收和放射輻射，在地球能量收支中起著基本的作用。所以這些氣體又稱溫室氣體。起著基本的作用。所以這些氣體又稱溫室氣體。大氣中的水汽大氣中的水汽（H H2 2O O）也是一種自然的溫室氣體，并且是最強(qiáng)的溫室氣體；由于）也是一種自然的溫室氣體，并且是最強(qiáng)的溫室氣體；由于它可以通過相變轉(zhuǎn)化成水滴、云滴與冰晶，因而對(duì)地球氣候的變它可以通過相變轉(zhuǎn)化成水滴、云滴與冰晶，因而對(duì)地球氣候的變化影響很大，其體積混合比隨時(shí)間和地點(diǎn)變化甚大，一般約占大化影響很大，其體積混合比隨時(shí)間和地點(diǎn)變化甚大，一般約占大氣總體積混合比的氣總體積混合比的1%1%左右。臭氧（左右。臭氧（O O3 3）在地球的能量收支

10、中也起）在地球的能量收支中也起著重要作用。大氣圈下層（對(duì)流層和平流層下部）的著重要作用。大氣圈下層（對(duì)流層和平流層下部）的O3O3是一種溫是一種溫室氣體，而平流層中上層的室氣體，而平流層中上層的O O3 3濃度很高，形成了自然的臭氧層，濃度很高，形成了自然的臭氧層，它吸收太陽(yáng)紫外輻射，在平流層的輻射平衡中起著重要作用。大它吸收太陽(yáng)紫外輻射，在平流層的輻射平衡中起著重要作用。大氣中懸浮的固、液態(tài)質(zhì)量（氣溶膠）與云以極其復(fù)雜的方式與入氣中懸浮的固、液態(tài)質(zhì)量（氣溶膠）與云以極其復(fù)雜的方式與入射太陽(yáng)輻射和射出長(zhǎng)波輻射相互作用，從而影響地球的氣候變化，射太陽(yáng)輻射和射出長(zhǎng)波輻射相互作用，從而影響地球的氣候

11、變化，近年來日益引起人們的關(guān)注。近年來日益引起人們的關(guān)注。水圈及其循環(huán)水圈及其循環(huán) 水圈由所有的液態(tài)地表和地下水組成，既包括水圈由所有的液態(tài)地表和地下水組成，既包括淡水（如江河，湖以及巖層中的水）也包括海洋的淡水（如江河，湖以及巖層中的水）也包括海洋的咸水。咸水。這些水都通過復(fù)雜的水圈相互聯(lián)系在一起這些水都通過復(fù)雜的水圈相互聯(lián)系在一起（圖（圖3 3）。海洋和陸面的水通過蒸發(fā)或蒸散，以水汽）。海洋和陸面的水通過蒸發(fā)或蒸散，以水汽的形成進(jìn)入大氣中，尤其是海洋中的水汽大量的被的形成進(jìn)入大氣中，尤其是海洋中的水汽大量的被大氣環(huán)流輸送到陸地上空，在那里形成云、雨。降大氣環(huán)流輸送到陸地上空，在那里形成云、

12、雨。降水的一部分又以地表徑流（主要是在河流中）的形水的一部分又以地表徑流（主要是在河流中）的形式流入海洋，影響著海洋的鹽分和環(huán)流。另一部分式流入海洋，影響著海洋的鹽分和環(huán)流。另一部分滲透入地下變成地下徑流和地下水。前者又可回流滲透入地下變成地下徑流和地下水。前者又可回流到海洋，后者則儲(chǔ)存于地下補(bǔ)充那里不斷被采取的到海洋，后者則儲(chǔ)存于地下補(bǔ)充那里不斷被采取的地下水量。上述水圈循環(huán)周而復(fù)始，為地球的各種地下水量。上述水圈循環(huán)周而復(fù)始，為地球的各種系統(tǒng)提供必需的水源。系統(tǒng)提供必需的水源。 l圖圖3：全球變暖將全球變暖將影響整個(gè)影響整個(gè)水循環(huán)過程水循環(huán)過程Bengtson,1998 在水圈中對(duì)氣候影響

13、最大的是海洋在水圈中對(duì)氣候影響最大的是海洋。海洋占地。海洋占地球面積的球面積的70%70%左右，它一方面可以儲(chǔ)存與輸送大量的左右，它一方面可以儲(chǔ)存與輸送大量的能量，同時(shí)還可以溶解與儲(chǔ)存大量的能量，同時(shí)還可以溶解與儲(chǔ)存大量的COCO2 2，是全球碳，是全球碳循環(huán)中非常重要的部分。根據(jù)最近的估計(jì)海洋每年循環(huán)中非常重要的部分。根據(jù)最近的估計(jì)海洋每年可以吸收可以吸收1717億噸碳，占化石燃料燃燒和工業(yè)生產(chǎn)排億噸碳，占化石燃料燃燒和工業(yè)生產(chǎn)排放總量的放總量的27%27%。海洋的環(huán)流比大氣環(huán)流要慢得多，它。海洋的環(huán)流比大氣環(huán)流要慢得多，它是由鹽分與溫度梯度產(chǎn)生的密度差（即溫鹽環(huán)流）是由鹽分與溫度梯度產(chǎn)生的

14、密度差（即溫鹽環(huán)流）驅(qū)動(dòng)的。驅(qū)動(dòng)的。北大西洋溫鹽環(huán)流是對(duì)氣候影響最顯著的北大西洋溫鹽環(huán)流是對(duì)氣候影響最顯著的一種溫鹽環(huán)流。氣候的突變與這種環(huán)流的突然減弱一種溫鹽環(huán)流。氣候的突變與這種環(huán)流的突然減弱或關(guān)閉有關(guān)（圖或關(guān)閉有關(guān)（圖3 3）。）。圖圖4全球溫鹽環(huán)流輸送帶示意圖全球溫鹽環(huán)流輸送帶示意圖 海洋有很大的熱慣性，這主要是由于海水的熱容海洋有很大的熱慣性，這主要是由于海水的熱容量很大，量很大，它一方面可以阻尼或減緩巨大的強(qiáng)溫度變它一方面可以阻尼或減緩巨大的強(qiáng)溫度變化，起到了地球氣候調(diào)節(jié)器的作用，另一方面，由化，起到了地球氣候調(diào)節(jié)器的作用，另一方面，由于它有較長(zhǎng)的記憶力（尤其是在熱帶海洋），可以于

15、它有較長(zhǎng)的記憶力（尤其是在熱帶海洋），可以長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)通過海氣相互作用影響大氣的變化，成為長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)通過海氣相互作用影響大氣的變化，成為自然氣候變率的源。自然氣候變率的源。這就是為什么在目前設(shè)計(jì)的各這就是為什么在目前設(shè)計(jì)的各種復(fù)雜氣候模式與碳循環(huán)模式中必須把海洋包括在種復(fù)雜氣候模式與碳循環(huán)模式中必須把海洋包括在內(nèi)。在赤道東太平洋中發(fā)生的厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)內(nèi)。在赤道東太平洋中發(fā)生的厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象（即該區(qū)域海表溫度迅速升高或減少的現(xiàn)象）是象（即該區(qū)域海表溫度迅速升高或減少的現(xiàn)象）是由海洋產(chǎn)生的最顯著的自然變率，它已成為目前各由海洋產(chǎn)生的最顯著的自然變率，它已成為目前各國(guó)進(jìn)行年際預(yù)報(bào)和季節(jié)預(yù)報(bào)的最重

16、要?dú)夂驈?qiáng)信號(hào)。國(guó)進(jìn)行年際預(yù)報(bào)和季節(jié)預(yù)報(bào)的最重要?dú)夂驈?qiáng)信號(hào)。 巖石圈和陸面過程巖石圈和陸面過程 巖石圈是指固體地球的上層部分，既包括陸地，也包括巖石圈是指固體地球的上層部分，既包括陸地，也包括海洋。海洋。它由所有地殼表層巖石和上地幔中的低溫彈性部分組它由所有地殼表層巖石和上地幔中的低溫彈性部分組成。火山活動(dòng)雖然是巖石圈的一部分，但不包含在氣候系統(tǒng)成。火山活動(dòng)雖然是巖石圈的一部分，但不包含在氣候系統(tǒng)之中，而是作為一種自然的外強(qiáng)迫因子影響地球的氣候。之中，而是作為一種自然的外強(qiáng)迫因子影響地球的氣候。巖巖石圈與氣候變化最密切相關(guān)的部分是地殼、地幔和陸面的結(jié)石圈與氣候變化最密切相關(guān)的部分是地殼、地幔和陸

17、面的結(jié)構(gòu)。它們可通過改變天氣的化學(xué)成分影響地球的氣候。構(gòu)。它們可通過改變天氣的化學(xué)成分影響地球的氣候。這種這種現(xiàn)象被稱為氣候變化的地質(zhì)構(gòu)造原因。地殼分裂成不同的板現(xiàn)象被稱為氣候變化的地質(zhì)構(gòu)造原因。地殼分裂成不同的板塊，板塊又漂浮在地幔上。當(dāng)兩塊板塊相碰撞時(shí)，可引起一塊，板塊又漂浮在地幔上。當(dāng)兩塊板塊相碰撞時(shí)，可引起一系列的物理變化過程（圖系列的物理變化過程（圖5 5）。火山爆發(fā)，造山運(yùn)動(dòng)是物理）。火山爆發(fā)，造山運(yùn)動(dòng)是物理過程，可以改變地球上的氣候，是目前地球大氣成分的一個(gè)過程，可以改變地球上的氣候，是目前地球大氣成分的一個(gè)來源。在地質(zhì)年代的氣候變化中，這種地質(zhì)構(gòu)造變化的原因來源。在地質(zhì)年代的氣

18、候變化中，這種地質(zhì)構(gòu)造變化的原因十分重要，今后還將繼續(xù)是重要的氣候變化因子。十分重要，今后還將繼續(xù)是重要的氣候變化因子。 陸面的結(jié)構(gòu)或其粗糙度在風(fēng)吹過陸面的時(shí)候也陸面的結(jié)構(gòu)或其粗糙度在風(fēng)吹過陸面的時(shí)候也可從動(dòng)力學(xué)上影響大氣。粗糙度一般決定于地形和可從動(dòng)力學(xué)上影響大氣。粗糙度一般決定于地形和植被條件。風(fēng)也把沙塵從地表吹到大氣中去，從而植被條件。風(fēng)也把沙塵從地表吹到大氣中去，從而影響區(qū)域大氣輻射收支。沙塵暴的發(fā)生就是一個(gè)最影響區(qū)域大氣輻射收支。沙塵暴的發(fā)生就是一個(gè)最明顯的例子。明顯的例子。 圖5 板塊俯沖、海底擴(kuò)張和造山運(yùn)動(dòng)的示意圖生物圈生物圈 它它包括陸地和海洋以及所有的生態(tài)系統(tǒng)和生物。包括陸地

19、和海洋以及所有的生態(tài)系統(tǒng)和生物。通過生通過生物圈生物過程與物理和化學(xué)過程強(qiáng)烈地相互作用可以產(chǎn)生維物圈生物過程與物理和化學(xué)過程強(qiáng)烈地相互作用可以產(chǎn)生維持地球上生命系統(tǒng)賴以生存的環(huán)境。生物圈對(duì)大氣成分有重持地球上生命系統(tǒng)賴以生存的環(huán)境。生物圈對(duì)大氣成分有重要影響，例如生物過程通過海洋大量吸收要影響，例如生物過程通過海洋大量吸收COCO2 2以此控制著長(zhǎng)以此控制著長(zhǎng)期的大氣期的大氣COCO2 2濃度。通過植物濃度。通過植物浮游生物的光合作用減少海浮游生物的光合作用減少海洋表層的洋表層的COCO2 2含量，以此使大氣中更多的含量，以此使大氣中更多的COCO2 2溶解于海洋中溶解于海洋中（圖（圖6 6）

20、。大約在海洋上層植物）。大約在海洋上層植物浮游生物吸收的浮游生物吸收的25%25%碳又沉碳又沉入海洋內(nèi)部，在那里它不再與大氣接觸，儲(chǔ)存于深海達(dá)幾百入海洋內(nèi)部，在那里它不再與大氣接觸，儲(chǔ)存于深海達(dá)幾百或幾千年，這種所謂生物泵與上述或幾千年，這種所謂生物泵與上述COCO2 2的溶解過程控制著海的溶解過程控制著海氣的氣的COCO2 2交換分布型（圖交換分布型（圖7 7）。因而生物圈在碳循環(huán)中起著中）。因而生物圈在碳循環(huán)中起著中心作用。陸地生物群也是氣候系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分，其功心作用。陸地生物群也是氣候系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分，其功能很多。例如陸地植被類型影響蒸發(fā)到大氣的水分以及太陽(yáng)能很多。例如陸地植被

21、類型影響蒸發(fā)到大氣的水分以及太陽(yáng)輻射的吸收或反射。植被根部的狀況與活動(dòng)也對(duì)碳與水儲(chǔ)存輻射的吸收或反射。植被根部的狀況與活動(dòng)也對(duì)碳與水儲(chǔ)存以及陸氣通量有重要作用。葉面指數(shù)是描述植物群冠作用的以及陸氣通量有重要作用。葉面指數(shù)是描述植物群冠作用的一個(gè)重要指數(shù)，它與全球和區(qū)域氣候變化有密切的關(guān)聯(lián)。一個(gè)重要指數(shù)，它與全球和區(qū)域氣候變化有密切的關(guān)聯(lián)。陸陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性影響關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)過程的量級(jí)（如地生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性影響關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)過程的量級(jí)（如生產(chǎn)力），對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有重要作用。生產(chǎn)力），對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有重要作用。圖圖6 6 海表和低層大氣相互作用圖海表和低層大氣相互作用圖排放

22、徑流氣溶膠降雨感熱潛熱交換干濕沉降pH調(diào)節(jié)氧化化學(xué)冰輻射海鹽質(zhì)點(diǎn)氣體交換營(yíng)養(yǎng)物浮游植物 細(xì)菌浮游動(dòng)物 病菌光化學(xué)溶解有機(jī)物三種主要海洋碳泵制約著自然的大氣三種主要海洋碳泵制約著自然的大氣COCO2 2變化：溶解泵，生物碳泵和碳酸鈣反泵。海洋對(duì)變化：溶解泵，生物碳泵和碳酸鈣反泵。海洋對(duì)人類人類COCO2 2的吸收由海表無機(jī)碳的吸收與人類碳從海表到深海的吸收決定。如海洋環(huán)流不變，的吸收由海表無機(jī)碳的吸收與人類碳從海表到深海的吸收決定。如海洋環(huán)流不變，因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)循環(huán)不變，生物泵不受太大影響。如果海洋環(huán)流減慢，人類碳的吸收由無機(jī)緩因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)循環(huán)不變，生物泵不受太大影響。如果海洋環(huán)流減慢，人類碳的吸收由無機(jī)

23、緩沖過程和物理輸送決定。但如果其下沉速度不變，海洋顆粒物通量可達(dá)到深海。沖過程和物理輸送決定。但如果其下沉速度不變，海洋顆粒物通量可達(dá)到深海。圖圖7 7 海氣界面與碳循環(huán)海氣界面與碳循環(huán)冰凍圈冰凍圈 冰凍圈包括大陸冰川、雪區(qū)、海冰和凍土以及格陵蘭和冰凍圈包括大陸冰川、雪區(qū)、海冰和凍土以及格陵蘭和南極的冰原。南極的冰原。目前，冰川覆蓋了全球地表約目前，冰川覆蓋了全球地表約3%3%面積，它儲(chǔ)存面積，它儲(chǔ)存了了75%75%的非海洋水（淡水）。海冰占的非海洋水（淡水）。海冰占7%7%面積，永久凍土占陸面面積，永久凍土占陸面的的2025%2025%面積。冰凍圈對(duì)氣候系統(tǒng)之所以重要是由于它對(duì)太面積。冰凍圈

24、對(duì)氣候系統(tǒng)之所以重要是由于它對(duì)太陽(yáng)輻射有較高的反射率（反照率），低熱傳導(dǎo)率，大的熱慣陽(yáng)輻射有較高的反射率（反照率），低熱傳導(dǎo)率，大的熱慣性以及在驅(qū)動(dòng)深海環(huán)流中的關(guān)鍵作用。它能影響地表能量與性以及在驅(qū)動(dòng)深海環(huán)流中的關(guān)鍵作用。它能影響地表能量與水汽通量、云、降水、水文循環(huán)以及大氣與海洋環(huán)流，但最水汽通量、云、降水、水文循環(huán)以及大氣與海洋環(huán)流，但最明顯的影響是對(duì)海平面高度。因?yàn)楸瓋?chǔ)存了大量的水，其明顯的影響是對(duì)海平面高度。因?yàn)楸瓋?chǔ)存了大量的水，其體積變化可引起海平面上升。如果包含近體積變化可引起海平面上升。如果包含近90%90%世界冰川冰的南世界冰川冰的南極冰原全部融化，全球海平面將可能會(huì)升高極

25、冰原全部融化，全球海平面將可能會(huì)升高7070米。如果只是米。如果只是南極冰原西部融化（這是很可能發(fā)生的，南極冰原西部融化（這是很可能發(fā)生的，20022002年年3 3月已有其中月已有其中的拉森的拉森BB冰架斷裂與融化），也足以使海平面上升冰架斷裂與融化），也足以使海平面上升6 6米左右。米左右。因而冰川的質(zhì)量平衡代表了對(duì)海平面的一種直接影響。目前因而冰川的質(zhì)量平衡代表了對(duì)海平面的一種直接影響。目前冰川對(duì)海平面變化最直接的作用是通過高山冰川的融化與冰冰川對(duì)海平面變化最直接的作用是通過高山冰川的融化與冰架邊緣地區(qū)的融化實(shí)現(xiàn)的。據(jù)估計(jì)，近百年海平面上升的約架邊緣地區(qū)的融化實(shí)現(xiàn)的。據(jù)估計(jì)，近百年海平面

26、上升的約一半高度是冰川融化的結(jié)果。一半高度是冰川融化的結(jié)果。 2.2.氣候系統(tǒng)中各圈層的相互作用氣候系統(tǒng)中各圈層的相互作用 氣候系統(tǒng)的各圈層不是獨(dú)立存在的，它們之間氣候系統(tǒng)的各圈層不是獨(dú)立存在的，它們之間發(fā)生著明顯的相互作用，發(fā)生著明顯的相互作用，這種相互作用不但有物理這種相互作用不但有物理的，化學(xué)的和生物的，還具有不同的時(shí)間與空間尺的，化學(xué)的和生物的，還具有不同的時(shí)間與空間尺度。從而使氣候系統(tǒng)成一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。度。從而使氣候系統(tǒng)成一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。氣候氣候系統(tǒng)的各圈層，雖然在組成、物理與化學(xué)特征、結(jié)系統(tǒng)的各圈層，雖然在組成、物理與化學(xué)特征、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)上有明顯的差別，但它們都是通過質(zhì)量、

27、構(gòu)和狀態(tài)上有明顯的差別，但它們都是通過質(zhì)量、熱量和動(dòng)量通量相互聯(lián)系在一起，因而這些圈層是熱量和動(dòng)量通量相互聯(lián)系在一起，因而這些圈層是一個(gè)開放的相互聯(lián)系的系統(tǒng)。一個(gè)開放的相互聯(lián)系的系統(tǒng)。在氣候系統(tǒng)各圈層相在氣候系統(tǒng)各圈層相互作用中，最重要的是海氣相互作用、陸氣相互作互作用中，最重要的是海氣相互作用、陸氣相互作用和陸海相互作用。用和陸海相互作用。 海氣相互作用海氣相互作用 海洋和大氣強(qiáng)烈地耦合在一起，并通過感熱輸送、動(dòng)量海洋和大氣強(qiáng)烈地耦合在一起，并通過感熱輸送、動(dòng)量輸送和蒸發(fā)過程交換熱量、水汽和動(dòng)量。輸送和蒸發(fā)過程交換熱量、水汽和動(dòng)量。熱量和水汽是水文熱量和水汽是水文循環(huán)的一部分，可產(chǎn)生凝結(jié)，形

28、成云、降水與徑流，并為天循環(huán)的一部分，可產(chǎn)生凝結(jié)，形成云、降水與徑流，并為天氣系統(tǒng)提供運(yùn)動(dòng)的能量。另一方面，降水對(duì)海洋的鹽度及其氣系統(tǒng)提供運(yùn)動(dòng)的能量。另一方面，降水對(duì)海洋的鹽度及其分布和熱鹽環(huán)流有影響。分布和熱鹽環(huán)流有影響。大氣與海洋也交換大氣與海洋也交換COCO2 2，都是全球，都是全球碳循環(huán)的重要部分。碳循環(huán)的重要部分。COCO2 2在下沉到深海的極區(qū)冷水溶解，在在下沉到深海的極區(qū)冷水溶解，在近赤道較暖的上升海水中釋放從而維持一種平衡。近赤道較暖的上升海水中釋放從而維持一種平衡。 雖然對(duì)于海氣相互作用已認(rèn)識(shí)到它的重要作用，并且也雖然對(duì)于海氣相互作用已認(rèn)識(shí)到它的重要作用，并且也進(jìn)行了長(zhǎng)期的觀

29、測(cè)和研究，但還有許多重要的問題了解不夠，進(jìn)行了長(zhǎng)期的觀測(cè)和研究，但還有許多重要的問題了解不夠，且定量的計(jì)算更少，特別是海氣間的化學(xué)物理相互作用及反且定量的計(jì)算更少，特別是海氣間的化學(xué)物理相互作用及反饋?zhàn)饔谩?duì)于這些相互作用是怎樣影響氣候系統(tǒng)或被氣候所饋?zhàn)饔谩?duì)于這些相互作用是怎樣影響氣候系統(tǒng)或被氣候所影響的問題也不是很清楚。另外值得研究的問題還包括：上影響的問題也不是很清楚。另外值得研究的問題還包括：上層海洋的物理、化學(xué)與生物過程怎樣影響海氣通量以及氣候?qū)雍Ｑ蟮奈锢怼⒒瘜W(xué)與生物過程怎樣影響海氣通量以及氣候狀態(tài)？氣候系統(tǒng)怎樣影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)力？物狀態(tài)？氣候系統(tǒng)怎樣影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)

30、構(gòu)與生產(chǎn)力？物質(zhì)尤其是碳化合物是怎樣輸送或儲(chǔ)存于深海中的？聯(lián)系海洋質(zhì)尤其是碳化合物是怎樣輸送或儲(chǔ)存于深海中的？聯(lián)系海洋與大陸邊緣的關(guān)鍵物理、化學(xué)與生物過程又是什么？與大陸邊緣的關(guān)鍵物理、化學(xué)與生物過程又是什么？陸氣相互作用陸氣相互作用 這是氣候系統(tǒng)中最基本的相互作用之一，這是氣候系統(tǒng)中最基本的相互作用之一，包括包括冰凍圈中的積雪、冰川、凍土及巖石圈與大氣的相冰凍圈中的積雪、冰川、凍土及巖石圈與大氣的相互作用；包括各種物質(zhì)、熱量、水汽輸送與轉(zhuǎn)換以互作用；包括各種物質(zhì)、熱量、水汽輸送與轉(zhuǎn)換以及土地利用變化等。及土地利用變化等。關(guān)鍵問題為：陸氣之間的水與關(guān)鍵問題為：陸氣之間的水與能量交換如何改變地球

31、上的氣候與痕量氣體的排放能量交換如何改變地球上的氣候與痕量氣體的排放和沉降？陸面大量的中小尺度過程如何一起影響大和沉降？陸面大量的中小尺度過程如何一起影響大尺度天氣過程？人類引起的陸面覆蓋變化在陸氣界尺度天氣過程？人類引起的陸面覆蓋變化在陸氣界面過程以及整個(gè)氣候系統(tǒng)中的作用是什么？為人類面過程以及整個(gè)氣候系統(tǒng)中的作用是什么？為人類提供食物與纖維的生態(tài)系統(tǒng)，怎樣受到氣候變化與提供食物與纖維的生態(tài)系統(tǒng)，怎樣受到氣候變化與人類利用的影響？人類利用的影響？ 陸海相互作用陸海相互作用 最關(guān)鍵的問題是海岸帶地區(qū)的變化及跨邊界輸送問題，最關(guān)鍵的問題是海岸帶地區(qū)的變化及跨邊界輸送問題，這包括：跨陸這包括：跨陸

32、海界面的物質(zhì)輸送及沿岸生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變海界面的物質(zhì)輸送及沿岸生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的影響；海岸帶的加速變化對(duì)來自上游陸地地區(qū)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響；海岸帶的加速變化對(duì)來自上游陸地地區(qū)的物質(zhì)轉(zhuǎn)移，過濾或儲(chǔ)存的能力的影響；氣候系統(tǒng)的系統(tǒng)變化對(duì)海岸移，過濾或儲(chǔ)存的能力的影響；氣候系統(tǒng)的系統(tǒng)變化對(duì)海岸帶特別是最脆弱地區(qū)的影響以及海氣界面對(duì)加熱場(chǎng)及大氣環(huán)帶特別是最脆弱地區(qū)的影響以及海氣界面對(duì)加熱場(chǎng)及大氣環(huán)流的影響等。流的影響等。 氣候包含了非常復(fù)雜的物理、化學(xué)與生物過程以及圈層氣候包含了非常復(fù)雜的物理、化學(xué)與生物過程以及圈層之間的相互作用。氣候系統(tǒng)中任意圈層的任何變化，之間的相互作用。氣候系統(tǒng)中任意圈層的任何變化

33、，不論它不論它是人為的或是自然的，內(nèi)部的或是外強(qiáng)迫的，都會(huì)通過相互是人為的或是自然的，內(nèi)部的或是外強(qiáng)迫的，都會(huì)通過相互作用造成氣候系統(tǒng)的變化或氣候的變異。作用造成氣候系統(tǒng)的變化或氣候的變異。* *氣候變化中的生物地球化學(xué)過程參看附錄氣候變化中的生物地球化學(xué)過程參看附錄B B 在各圈層相互作用過程中，主要進(jìn)行水、碳和氧的交在各圈層相互作用過程中，主要進(jìn)行水、碳和氧的交換與循環(huán)過程。水循環(huán)的圖示給出在圖換與循環(huán)過程。水循環(huán)的圖示給出在圖3 3中。氣候系統(tǒng)中中。氣候系統(tǒng)中最大的水源區(qū)在地幔中（見表最大的水源區(qū)在地幔中（見表1 1）。火山爆發(fā)時(shí)，地幔中）。火山爆發(fā)時(shí)，地幔中的水向外噴發(fā)。估計(jì)在地球生命

34、中只有的水向外噴發(fā)。估計(jì)在地球生命中只有5%5%的水被釋放出來。的水被釋放出來。表表1 1 氣候系統(tǒng)中單位面積上各種水源的質(zhì)量（氣候系統(tǒng)中單位面積上各種水源的質(zhì)量（10103 3kgmkgm-2-2）及留存時(shí)間（大氣科學(xué)，及留存時(shí)間（大氣科學(xué)，20082008）水源水源質(zhì)量質(zhì)量存留時(shí)間存留時(shí)間水源水源質(zhì)量質(zhì)量存留時(shí)存留時(shí)間間大氣大氣0.010.01幾天幾天格陵蘭島格陵蘭島冰川冰川5 51000010000年年淡水（湖泊、河淡水（湖泊、河流）流）0.60.6幾天到幾年幾天到幾年南極冰川南極冰川53531000010000年年淡水（地下水）淡水（地下水）1515上百年上百年海洋海洋27002700

35、高山冰川高山冰川0.20.2上百年上百年地殼和地地殼和地幔幔200002000010101111年年 碳循環(huán)過程由圖碳循環(huán)過程由圖8 8表示。碳儲(chǔ)存在大氣、表示。碳儲(chǔ)存在大氣、海洋、生物圈與地殼中。這就是碳庫(kù)。它們海洋、生物圈與地殼中。這就是碳庫(kù)。它們之間發(fā)生著明顯而復(fù)雜的交換（通量），最之間發(fā)生著明顯而復(fù)雜的交換（通量），最后調(diào)劑和決定著大氣中碳的濃度。即兩種溫后調(diào)劑和決定著大氣中碳的濃度。即兩種溫室氣體的濃度：室氣體的濃度：COCO2 2和和CHCH4 4。圖8 地球系統(tǒng)不同碳庫(kù)間的碳循環(huán)大氣與海洋地殼生物圈地幔層光合作用呼吸與衰亡埋藏俯沖海床擴(kuò)張風(fēng)化作用火山活動(dòng)大氣中的氧大氣中的氧 在地

36、球形成的早期，主要是氫，后來氧在地球形成的早期，主要是氫，后來氧增多了，氫氣大量減少，這是氧上升的時(shí)期。增多了，氫氣大量減少，這是氧上升的時(shí)期。從而也有了地球的生命，氧主要通過生物群從而也有了地球的生命，氧主要通過生物群的光合作用產(chǎn)生，通過氧化過程而減少，目的光合作用產(chǎn)生，通過氧化過程而減少，目前正開始處于氧的減少時(shí)候（圖前正開始處于氧的減少時(shí)候（圖9 9）。海洋的）。海洋的酸化可以導(dǎo)致海洋中氧的減少，將威脅海洋酸化可以導(dǎo)致海洋中氧的減少，將威脅海洋生物和生態(tài)系統(tǒng)的安全。生物和生態(tài)系統(tǒng)的安全。COCO2 2濃度和濃度和O O分子分子濃度變化濃度變化全球排放的碳全球排放的碳總量和總量和1313C

37、 C和和1212C C同位素比的變同位素比的變化化圖圖9 9 3.氣候演變的表征：氣候變化與氣候變率氣候變化是指氣候平均狀態(tài)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的巨大改氣候變化是指氣候平均狀態(tài)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的巨大改變或者持續(xù)較長(zhǎng)一段時(shí)間（典型的為變或者持續(xù)較長(zhǎng)一段時(shí)間（典型的為1010年或更長(zhǎng)）年或更長(zhǎng)）的氣候變動(dòng)。氣候變化的原因可能是自然的內(nèi)部進(jìn)的氣候變動(dòng)。氣候變化的原因可能是自然的內(nèi)部進(jìn)程，或是外部強(qiáng)迫，或者是人為地持續(xù)對(duì)大氣組成程，或是外部強(qiáng)迫，或者是人為地持續(xù)對(duì)大氣組成成分和土地利用的改變。成分和土地利用的改變。聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約（UNFCCCUNFCCC）第一）第一款中，將款中，將“

38、氣候變化氣候變化”定義為：定義為：“經(jīng)過相當(dāng)一段時(shí)經(jīng)過相當(dāng)一段時(shí)間的觀察，在自然氣候變化之外由人類活動(dòng)直接或間的觀察，在自然氣候變化之外由人類活動(dòng)直接或間接地改變?nèi)虼髿饨M成所導(dǎo)致的氣候改間接地改變?nèi)虼髿饨M成所導(dǎo)致的氣候改變。變。”UNFCCCUNFCCC因此將因此將因人類活動(dòng)而改變大氣組成的因人類活動(dòng)而改變大氣組成的“氣候變化氣候變化”與與歸因于自然原因的歸因于自然原因的“氣候變率氣候變率”區(qū)區(qū)分開來（圖分開來（圖10101212）。 由于天氣預(yù)報(bào)應(yīng)盡可能知道所有的初值條件，因而把氣由于天氣預(yù)報(bào)應(yīng)盡可能知道所有的初值條件，因而把氣候作為天氣預(yù)報(bào)的基本背景條件是十分有用的。同時(shí)氣候也候作為天

39、氣預(yù)報(bào)的基本背景條件是十分有用的。同時(shí)氣候也可作為決定基本天氣型的全球背景條件。例如可作為決定基本天氣型的全球背景條件。例如ElNinoElNino事件是事件是一個(gè)氣候現(xiàn)象，它延續(xù)一個(gè)氣候現(xiàn)象，它延續(xù)1-21-2年，并影響整個(gè)北半球，它不僅年，并影響整個(gè)北半球，它不僅決定秘魯沿岸的天氣，而且影響大范圍地區(qū)的天氣現(xiàn)象與天決定秘魯沿岸的天氣，而且影響大范圍地區(qū)的天氣現(xiàn)象與天氣型。因而氣型。因而ElNinoElNino現(xiàn)象實(shí)際上是確定隨機(jī)效應(yīng)能夠產(chǎn)生的天現(xiàn)象實(shí)際上是確定隨機(jī)效應(yīng)能夠產(chǎn)生的天氣型的一種可能演變界限。也就是說，天氣預(yù)報(bào)的結(jié)果是一氣型的一種可能演變界限。也就是說，天氣預(yù)報(bào)的結(jié)果是一種混沌現(xiàn)

40、象，初始條件只要有微小的差別，預(yù)報(bào)結(jié)果能有很種混沌現(xiàn)象，初始條件只要有微小的差別，預(yù)報(bào)結(jié)果能有很大差別（所謂大差別（所謂LorenzLorenz的蝴蝶效應(yīng)）。但在如的蝴蝶效應(yīng)）。但在如ElNinoElNino現(xiàn)象氣候現(xiàn)象氣候條件的約束下，其預(yù)報(bào)的差別將可能主要出現(xiàn)在一定的范圍條件的約束下，其預(yù)報(bào)的差別將可能主要出現(xiàn)在一定的范圍或幅度內(nèi)。又如混沌理論可能會(huì)由于初值的微小差別改變一或幅度內(nèi)。又如混沌理論可能會(huì)由于初值的微小差別改變一個(gè)風(fēng)暴到達(dá)的時(shí)間和所走的精確路徑，但當(dāng)該氣旋位于該氣個(gè)風(fēng)暴到達(dá)的時(shí)間和所走的精確路徑，但當(dāng)該氣旋位于該氣候區(qū)（該地區(qū)與該時(shí)段）時(shí)由它們產(chǎn)生的平均溫度和降水大候區(qū)（該地區(qū)

41、與該時(shí)段）時(shí)由它們產(chǎn)生的平均溫度和降水大致是相同的。這反映了致是相同的。這反映了氣候條件對(duì)天氣的制約作用氣候條件對(duì)天氣的制約作用。實(shí)際上。實(shí)際上是減少了天氣預(yù)報(bào)的混沌性質(zhì)。是減少了天氣預(yù)報(bào)的混沌性質(zhì)。氣候變化（氣候變化（climate changeclimate change） 氣候變化是指氣候平均狀態(tài)和離差（距平）氣候變化是指氣候平均狀態(tài)和離差（距平）兩兩者中的一個(gè)或兩個(gè)一起出現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)意義上顯著的變者中的一個(gè)或兩個(gè)一起出現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)意義上顯著的變化。離差值越大，表明氣候變化的幅度越大，氣候化。離差值越大，表明氣候變化的幅度越大，氣候狀態(tài)不穩(wěn)定增加。氣候變化敏感性也越大。簡(jiǎn)單地狀態(tài)不穩(wěn)定增加。氣候

42、變化敏感性也越大。簡(jiǎn)單地說它實(shí)際上是表征了能持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期的氣候說它實(shí)際上是表征了能持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期的氣候態(tài)的改變或變遷，如由偏冷的狀態(tài)轉(zhuǎn)為偏暖的狀態(tài)態(tài)的改變或變遷，如由偏冷的狀態(tài)轉(zhuǎn)為偏暖的狀態(tài)或少暴雨期變?yōu)槎啾┯昶冢视腥艘步袣夂蜃冞w。或少暴雨期變?yōu)槎啾┯昶冢视腥艘步袣夂蜃冞w。它它可以由自然的原因引起，也可以由人類活動(dòng)的原可以由自然的原因引起，也可以由人類活動(dòng)的原因造成因造成（聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約的定義），也可（聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約的定義），也可以由以由自然與人類活動(dòng)的原因共同引起自然與人類活動(dòng)的原因共同引起（IPCCIPCC的定的定義）。義）。氣候變率氣候變率（climate variabilityclimate variability） 它它表示所有時(shí)空尺度上氣候平均態(tài)或其它統(tǒng)計(jì)量表示所有時(shí)空尺度上氣候平均態(tài)或其它統(tǒng)計(jì)量（如標(biāo)（如標(biāo)準(zhǔn)差，極端事件發(fā)生頻率）的變化或變異，也可理解為在一準(zhǔn)差，極端事件發(fā)生頻率）的變化或變異，也可理解為在一個(gè)長(zhǎng)期氣候變化趨勢(shì)或平均態(tài)上迭加的各種時(shí)間尺度的氣候個(gè)長(zhǎng)期氣候變化趨勢(shì)或平均態(tài)上迭加的各種時(shí)間尺度的氣候脈動(dòng)或距