气候的形成.

气象学与气候学第七章气候形成因子•气候的概念•气候系统•气候的形成因子一、气候和气候系统1、气候定义气候是指某一地区多年间大气的一般状态及其变化特征。它既反映平均情况，也反映极端情况，是各种天气现象的综合。•气候和天气区别–时间尺度–稳定性–范畴•从时间尺度上看气候是时间尺度很长的的大气过程，天气则是瞬时或短时间内的大气状态。日照、气温、湿度、降水量、气压、风等都是气象要素，如用以表示一段时间的平均状态，就成为气候要素。•从稳定性上看天气瞬息多变，具有不稳定性。而气候在一定时段里具有相对稳定性。天气过程是个快过程，气候则是一个慢过程。或者说，天气是气候背景上的振动。天气振动是多元随机过程，而这些过程的统计特性则属于气候范畴，因而也成为气候研究的主要对象。天气在更大程度上由初始条件决定；气候则更多地由边界条件决定。•从研究范畴看气候的范畴远比天气的概念广泛。天气通常指对流层大气的物理状况，不包括高空大气。气候的研究往往涉及整个大气圈。有些气候指标更是天气概念所不能包括的。如，一个地方的干湿状况，不仅仅与大气降水有关，还取决于土壤状况和植物的耐旱程度。（一）气候的概念•气候按空间尺度可分为：–全球气候–区域气候–小气候研究尺度不同，考虑的因子也不同。例如，对于所谓的大气候，地理纬度、海陆分布、大地形等是主要研究因子，而地表状况可以忽略。如研究小气候，植被、地表状况就变得十分重要而地理纬度等因子则可以不考虑。（一）气候的概念气候是研究大气过程的某种平均状态。•从现代大气科学角度出发，地球气候系统指包括大气、海洋（水圈）、冰雪圈（低温层）、岩石圈和生物圈在内的整个气候系统物理状况的统计特征。包括其平均值、极值、各阶矩和各种气候变量的联合概率分布，反映了气候相对稳定而不断变化的双重性。既然气候是一种平均概念，如何对气候统计量取时间平均，就成为至关重要的问题。WMO规定，30年为整编气候资料时段长度的最短年限，并以1931-1960年的气候要素统计量作为可可比较标准。对于当前气候，规定用刚刚过去的三个十年，共三十年的平均值作为准平均，每过十年更新一次。目前应用1971－2000年准平均。采用30年平均资料作为描述气候特点的基本时段，平滑了20-40年周期振动，能够表现更宏观（约百年阶段）的气候状况。时段长度与人的自然寿命期相近，适合作为人类活动环境参数。从有观测记录以来，30年气候具有近似稳定性。近百年来个个30年比较，温度相差不到1℃，降水量相差不足100mm（一）气候的概念2、当代气候•气候系统是上个世纪70年代提出的一个新概念。现在一般把气候系统的特性概括分为•热力学特性：气温、水温、冰温和地温；•运动学特性：风、洋流以及相应的垂直运动和冰块运动；•含水性：湿度、云量和云中的含水性、地下水、湖泊水位、陆冰和海冰；•静力学特性：大气和海洋的压力和密度、空气成分、海水盐度等。（二）气候系统•气候系统间的相互作用除物理过程外，还有复杂化学、生物过程等，这些过程在不同时间和空间尺度上有着复杂的反馈机制，并构成一个耦合的气候系统。气候的形成和变化的影响因子外部因子：将那些能够影响气候而本身不受气候影响的因子称为外部因子（如太阳辐射、地球轨道参数的变化、大陆飘移、火山活动等）；内部因子：气候系统各成员之间的相互作用为内部因子（如大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、冰雪圈等之间的关系）。外部因子又必须通过系统内部的相互作用，才能对气候产生影响。气候系统气候—海面—冰川之间的相互关系气候的变化，将导致海平面的升降、冰川的消长，而海平面的升降、冰川的消长将通过均衡作用引起岩石圈的变动与调整，岩石圈的变动又会通过海平面的升降影响气候的变化。它们之间相互反馈、相互作用，构成了一个有机联系的水-气-岩系统。气候的冷暖变化，将导致海水温度的降低或升高，海水温度的降低或升高引起海水的收缩或膨胀，从而导致海平面的下降或上升。海平面的升降以及海水温度的变化，导致洋流的变化，从而通过海-气相互作用导致大气环流和气候的变化。湖泊效应由于比热与热容量的差异，水体覆盖的地面温度变化迟缓，而没有水体覆盖的地面温度变化迅速，从而导致不同部位地面温度的差异。在湖泊及其周围，由于湖泊与周围地区地面热容量的差异，导致了局地性大气环流和小气候的产生。在太阳照射时，湖泊周围的地面升温比较快，导致大气的加热上升；而湖区由于水体热容量大，温度升高缓慢，温度相对于周围地面比较低，空气在这里下沉，从而产生了湖泊及其周围地区的局部的大气环流。湖泊效应与水--气--生相互作用一般来说湖泊周围地区降水比较多，气候比较湿润，植被也就比较繁茂。植被繁茂又反过来，增加了地面下渗，增强了蒸腾作用，从而增大了大气湿度、土壤湿度与大气降水。因此，水库建造后，常常会使水库周围地区降水增多、空气湿度增大，就是这个道理。沙漠化效应与水--气--生相互作用在干旱半干旱地区，当地面植被受到破坏，地面所吸收的太阳辐射能明显减少。白天在阳光照射下，地面强烈增温，使地面长波辐射增强。又因为地面散失的热量很多。在那里的空气一定要下沉，压缩增温。由于下沉的空气十分干燥，使得气候进一步变干，从而导致植被的进一步减少，这就是地面的沙漠化效应。当植被受到破坏，降水的利用率降低。因为没有植被对降水的拦截，土壤入渗减弱，大部分降水以径流的形式流走；地面蒸发作用加强。因而导致区域水平衡的破坏，从而使区域气候变干，植被进一步变稀少，即进一步沙漠化。灌溉、绿洲效应与水--气--生相互作用沙漠里空气干燥，温度日较差比较大，并且降水稀少。而沙漠里的绿洲，由于土壤湿度大、蒸发和蒸腾到空气中的水比较多，空气湿度比较大，降水也比较多；由于含水量比较大的土壤的热容量比较大，并且由于蒸发和蒸腾对热量的调节，土壤温度和近地面气温的日较差比较小，这就是绿洲效应。气候变化与海平面升降之间的关系海平面变化是水圈变动的表现，气候变化则是大气圈变化的显示。海平面升降与气候变化的相互作用，在一定程度上反映了水圈与大气圈的相互作用。气候的变化引起了海平面的升降；海平面的升降，反过来又导致气候的变化。气候变化与海平面升降，相互作用、相互影响，构成了气候/海平面之间的一个反馈机制。完整的气候系统由五个部分组成。•大气圈是气候系统的主体，也是气候系统最易变化和最敏感的部分。从能量角度看，大气非常脆弱。即使认为气候系统只包括表层100m深的海洋，大气的热量也只占系统总热量的3.4%。因此大气的影响多与其动力学有关。但大气动能与气候系统总能量相比于几乎微不足道。所以，在气候形成与气候变化中，大气以外的其他成员有着决定性作用。大气依靠热惯性输送热量，1个月时间可调整一次温度的分布。（二）气候系统•海洋(水圈)海洋约占地球表面积的70.8%，仅100m深的表层海水就占整个气候系统总热量的95.6％。因此，可以认为海洋是气候系统的热量储存库。海洋吸收80%到达地面的太阳辐射，然后通过长波辐射、潜热和感热等形式传输给大气。同时洋流也进行着高低纬度间的热量传输。海洋的“低通滤波”作用在时空上的“平滑过程”，有利于气候系统中缓慢运动的维持和发展。上层海洋与大气圈、冰雪圈相互作用，其特征时间尺度为数月到数年，而深层海洋的热力调整时间为世纪尺度。（二）气候系统年平均逐日从海洋输入大气的总热量（单位：X0.484W/m2)在图示的总热量中，平均而言，输送的潜热约为显热的8倍强。这种热量的输送，不仅影响大气的温度分布，更重要的是它是驱使大气运动的能源，在大气环流的形成和变化中有着极为重要的作用。因此可以说，海洋是大气环流运转的能量和水汽供应的最主要的源地和储存库，对地球气候的形成起着不可忽视的作用。（二）气候系统洋面封冻产生的环境效应叫做洋面封冻效应。洋面封冻是发生在水圈的变化，但是洋面封冻不仅会影响到气候，而且还会直接或者间接地影响到生物。气候与生物的变化又反过来作用于水圈。因此，从洋面封冻效应可以看出水圈、大气圈、生物圈之间的相互作用的关系与机制。（二）气候系统•冰雪圈全球的冰层和积雪。计有大陆冰盖、高山冰川、地面雪被、多年冻土、海洋、湖水和河冰，约占陆地面积的10.6%。冰原体积和范围的变化是气候变化的指示器，对气候长期变化产生反馈，在地球热平衡中起着重要的作用。（二）气候系统•陆面（岩石圈）山脉、岩石、沉积物、土壤等。陆地位置、高度和地形发生变化的时间尺度，在气候系统中是最长的，在季节、年际以至十年尺度的气候变化中可以忽略。但是土壤作为大气微粒的重要来源之一，在气候变化中有重要作用，而土壤又会随气候和植物状况而变化。（二）气候系统•生物圈地球生命物质构成的圈层。对气候变化敏感，也影响气候。生物对气候的负反馈当大气中二氧化碳、甲烷等温室气体增加时，气候将会变暖，与此同时植物的光合作用加强。光合作用的增强，将会使植物从大气吸收的二氧化碳的数量增加，从而降低大气二氧化碳的浓度，降低温室效应，使气候变暖幅度减小或变冷。这就是生物对气候变化或对温室效应的负反馈作用。相反，如果大气二氧化碳浓度降低，将会导致气候的变冷和植物光合作用强度的减弱。植物光合作用强度的减弱，将使得从大气吸收的二氧化碳的数量减少，从而抑制大气二氧化碳浓度减低的速度和气候变冷的幅度，甚至使气候变暖。生物对气候变化的正反馈作用Ⅰ海洋生物的兴衰对于地球表层碳的循环起着重要的作用。研究表明，对世界大多数海域来说，铁不足是海洋生物生产率的一个重要限制因素。而落入海洋的风尘则是海洋铁补充的主要途径。干旱区的风尘落入海洋，提高海洋生物的生产率，增加了海洋对大气二氧化碳的吸收，促使气候变冷。当冰期来临或气候变冷，风尘沉积速率增大，使海洋生物的生产率提高，导致大气二氧化碳含量的降低，从而使气候进一步变冷。当间冰期来临或气候变暖，风尘沉积速率减小，使海洋生物的生产率降低，导致大气二氧化碳含量的升高，从而使气候进一步变暖。（图a，b）生物对气候变化的正反馈作用Ⅱ温度升高对呼吸作用的影响，尤其对土壤微生物的影响：温度升高，引起生物呼吸作用加强，导致大气二氧化碳的升高，促使温度进一步升高。温度升高引起的胁迫，导致生物生长减缓和森林枯萎，从而导致大气二氧化碳的升高，增强了温度升高的趋势二、气候的形成因子气候是复杂的自然地理现象之一。气候系统的组成、气候的地带性分异，都是表征它的自然地理特性。气候还随时间发生变化，不同地区、不同时间之所以有气候差异，是多种原因综合的结果。气候的形成受很多因素的影响，其中主要包括：•辐射因子•环流因子•地理因子•人为因子（一）气候形成的辐射因子太阳辐射是气候系统的能源，又是一切大气物理过程和现象形成的基本动力，在气候形成中起着主导作用。不同地区的气候差异及气候季节交替，主要是由太阳辐射能在地球表面分布不均匀及其变化引起的。而太阳辐射的时空分布受纬度制约，故气候形成的辐射因子是一种纬度因素。•地球是太阳系中最具有适合生命繁衍的理想条件的行星。•地球大气的优越条件是由一系列控制气候系统的外参数恰当组合决定的。•太阳辐射强度和日地距离决定了太阳常数的大小，加上地表反射率，就决定了地球上具有较为适宜的有效温度。（一）气候形成的辐射因子1.地球的有效温度•地球有效温度对形成现阶段的气候系统具有基本的重要性。也正是这个温度使大气中存在了水的三相物质。•地球上同时具备阳光、空气和水，使生命得以存在和繁衍。•地球表面因辐射平衡温度随纬度和季节的分布形成的简单气候模式，称为天文气候。•天文气候能够反映地球气候的基本轮廓。研究天文气候既可以使问题简化，又能突出太阳辐射对气候形成的实质性作用。2.地球上的天文气候（一）气候形成的辐射因子天文辐射•在到达大气圈上界的太阳辐射由地球的天文位置所决定，所以称为天文辐射。•如果将太阳看做是一个很远的点光源，它的辐射可以被认为是一种平行、单向的光。地球的曲面性质使得来自太阳的辐射平行线与球面的交角随纬度的不同而变化，可以接受太阳垂直照射的点称为直射点，它们变化于赤道面、南北回归线之间。所有纬度高于回归线的其他地点都以小于90°的倾斜角接受太阳辐射。•在一年的时间内，赤道上空的热成