现代气候学-总结

现代气候学第一章绪论1、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。气候是天-地-生相互作用下的大气系统的较长时间的平均状态2、天气：某一地区在某一瞬间或某一短时间内大气现象（风、云、雨、雪、干、湿、雷、电等）及其状态（温度、压强、湿度、密度等）的综合。3、气候：在某一时间段内气候要素的平均值和变率的统计描述4、现代气候学：在太阳辐射和气候系统各子系统相互作用下，地球上某一区域在某一特定时段内气候要素的平均值和变率的统计状态。气候标准时段：30年（1971-2000年，1980-2010年）5.、、现代气候学与传统气候学的区别：传统气候学描述一定区域的气候特点现代气候学研究气候形成和变化的原因，要求预测某个地区或全球范围的各个时间尺度的气候变化，即围绕平衡态的扰动或对平衡态的偏差或距平。6、气候学发展史（1）萌芽时期：１６世纪中叶以前，感性和经验认识阶段，零碎的定性观察和描述。（2）发展初期：１６世纪中叶～１９世纪中叶a）观测方面：气象仪器的发明、建立地面气象观测站和观测网，开始气象要素的观测和积累。b）理论研究方面：气象学和气候学由单纯定性的描述进入了可以定量分析的阶段，逐渐发展为独立的学科。（3）发展时期早期：19世纪末～20世纪中叶a）观测方面地面观测内容更加丰富和精确，观测站网扩大。气象观测从地面向高空发展。b）理论研究方面锋面气旋学说长波理论降雨学说气候学方面：创立了气候型的概念和几种气候分类法、出版了五卷《气候学手册》（4）近期a）观测方面先进的观测技术常规气象观测网的加密开展大规模的综合观测试验b）理论研究方面建立数值模式，进行定量数值模拟试验，使气象学、气候学进入试验科学阶段。气候学领域中的科学革命。7、现代气候学阶段的三个特点（王绍武，2005）：从气候变化来研究气候；从气候系统来研究气候；从气候动力学来研究气候。第二章气候系统1、气候系统的定义：大气圈、水圈（海洋）、冰雪圈、岩石圈和生物圈相互作用的整体。2、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。3、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，引起地面气温的下降，其效应类似于阳伞效果，故称为阳伞效应。4、气候系统的基本特性1)气候系统是一个复杂的、高度非线性的、开放的巨系统a)开放的非孤立系统b)响应时间差异很大，可分为内部系统和外部系统c)不稳定的高度耗散系统2)各个气候子系统之间显著的热力学和动力学属性差异a)热力属性:空气、水、陆地表面和冰雪面的温度b)动力属性：风、洋流及其垂直运动和冰体运动c)水分属性：空气湿度、云量、降水量、土壤湿度、河湖水位、冰雪等。d)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。3)气候系统的反馈过程5、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。•正反馈：冰雪——反射率——温度水汽含量——红外逸出辐射——温度（水蒸气增加→温室效应作用加强→陆地和海洋表面温度上升→产生更多水蒸气。汽是最重要的反馈机制之一，也是唯一最大的正反馈作用。）CO2——海温（海温升高→海洋中二氧化碳溶解度减小→部分二氧化碳逃逸到大气中→温室效应加剧→海温升高）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6、气候可预报性第一类可预报性:初始误差(扰动)随时间增长（确定性预报的时效问题）;第二类可预报性:外强迫变化引起气候变化的模拟和预报能力（大气对外强迫的响应及敏感性）。7、气候系统的研究一、气候监测二、气候诊断三、气候重建四、气候模拟五、气候预测一、气候监测（1）大气常规观测（2）海洋及系统其他成员的常规观测CODAS雪盖、海冰面积土壤温度及湿度全球植被（3）非常规观测太阳常数观测大气中的微量气体（CO2,甲烷，氯氟碳化物（CFCs）观测；平流层气溶胶观测（研究火山爆发对气候影响）二、气候诊断定义：根据气候监测结果对气候变化与气候异常作出判断。内容：（1）气候异常的诊断：（2）气候变化的诊断；（3）气候异常事件的诊断；（4）气候变化原因的检测三、气候重建最常用的代用资料：（1）孢粉（2）冰芯（3）树木年轮（4）珊瑚（5）史料分析四、气候模拟：根据一定的大气或海洋动力学、热力学定律，在给定边界条件下，采用数值计算的方法研究气候。五、气候预测目前我国及世界上大多数国家均把月以上的预报称为短期气候预测。气候预测分为两类：一类采用统计方法，另一类采用动力学数值预报第三章气候系统的能量平衡1、辐射的基本定律基尔荷夫(kirchoff)定律：在一定温度下，任何物体对于某一波长的放射能力(eλ,T)与物体对该波长的吸收率(aλ,T)的比值，只是温度和波长的函数，而与物体的其它性质无关。即:TTTEae,,,斯蒂芬—波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律：黑体的总放射能力（ET）与它本身绝对温度（T）的四次方成正比。ET＝σT4维恩(Wien)位移定律：绝对黑体的放射能力最大值对应的波长(λm)与其本身的绝对温度(T)成反比。λmT＝2897×103nm·K2、太阳辐射太阳常数：大气上界、日地平均距离处、垂直于太阳光线方向、单位时间、单位面积接收到的所有波长的太阳辐射能。太阳高度角：是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角。天顶角：即入射光线与当地天顶方向（地面法线）的夹角（与太阳高度角互余。太阳赤纬：又称赤纬角，是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。3、太阳高度角计算公式coscoscossinsinsinh4、天文辐射（太阳辐射日总量）定义：大气上界,某一天,水平面单位面积接受的日辐射量。公式：)sincoscossinsin(0020DTIS任一时刻：)coscoscossin(sin20DII5、大气对太阳辐射的吸收、散射（瑞利散射、米散射）1）大气光学路径：zldldl0为太阳辐射通过大气介质的质量。2）大气质量（单位面积*光学路径）:光在大气中经过一定长度倾斜路径到达地表面时,其经历空间中所含大气物质的质量。dlds3）大气质量数(m):实际投射条件下的大气质量与垂直投射下的大气质量的比值。dzdlm当h在30°～90°时,m可近似地表示为：sinh1cschm4）大气透明度P：到达地面的单色辐射强度：mPII0大气透明度：是指透过一个大气质量数后的辐射强度与透过前的辐射强度之比，表示辐射通过大气后的削弱程度。5）吸收：大气分子被入射太阳辐射激发，由低能级跃迁到高能级的过程称为吸收。两能级的差就是大气吸收的辐射能量值．6）散射：当太阳辐射通过大气时，遇到大气中的各种质点，太阳辐射能的一部分散向四面八方，称为散射。r波长时，瑞利散射。r～波长时，米散射。7）米散射:尘埃或灰尘（气溶胶）直径比波长大,各种波长的散射能力相等。8）瑞利分子散射定律：当大气干洁，质点半径小于200nm时，散射值与入射光波长的四次方成反比。即：4SD意义：入射光波长愈短，散射能力愈强。9）漫射：当大气混浊，质点半径＞10,000nm时，入射光的各种波长具有同等散射能力，散射系数不再随波长改变，称之为漫射。6、大气窗：位于地面辐射波段最强处,大气的吸收率最小,透射率最大,这一波段能量透过大气射向宇宙空间,将这一波段称为大气窗.7、地球面的辐射平衡S=太阳直接辐射(经过大气吸收和散射）D=散射辐射Q=地表总辐射A=地表反射辐射F=地面长波有效辐射R=地表净辐射(吸收的短波-放出的长波)R=Q–A–F=(S+D)–A–F=Q(1–a)–FU=地面辐射（地面向上放射的长波辐射）G=大气逆辐射（大气向下放射的长波辐射）ε=大气相对辐射率εG=地面吸收的大气逆辐射F=U-εG8、地—气系统的辐射平衡Q=地表总辐射；a=地表反射率Q(1–a)=地表吸收的短波辐射Qa=大气吸收的短波辐射as=行星反照率Fs=F∞=地-气系统向外宇宙逸出的长波辐射Rs=Q(1–a)+Qa–F∞（地吸收+气吸收-放出长波）=S0(1–as)–Fs（地气系统吸收-放出长波）9、大气系统的辐射平衡Qa=大气吸收的短波辐射Ua=大气吸收的长波辐射Ga=大气逆辐射（长波辐射，向地面方向）U∞=大气向外宇宙逸出的长波辐射F∞=地-气系统向外宇宙逸出的长波辐射F=地面长波有效辐射Ra=Qa+Ua–(Ga+U∞)=Qa+(F–F∞)（大气短波吸收+放出长波）10、太阳直接辐射：（1）定义：太阳辐射经过大气的吸收和散射的消弱后，沿投射方向直接到达地表面的那部分太阳辐射能量称为太阳直接辐射。（2）影响因子：1）太阳高度角愈小，等量的太阳辐射散布的面积就愈大，因而地表单位面积上所获得的太阳辐射就愈小2）太阳高度角愈小，太阳辐射穿过的大气层愈厚3）气候特征:日、年变化和随纬度的变化11、散射辐射：当太阳辐射通过大气时，受到大气中的气体分子、尘埃、气溶胶、水汽等的散射作用，使太阳辐射的一部分以漫射形式从天空的各个角度到达地表，这一部分辐射量成为散射辐射。12、地表总辐射----到达地面的太阳总辐射：实际大气条件下到达地表的太阳直接辐射与散射辐射之和，是地表面得到的太阳辐射的总能量，称为地表总辐射。13、天文辐射：)coscoscossin(sinsinh2020DIDII00d)coscoscossin(sin220DTIS14、地表反射辐射：投射到地面的太阳辐射，并非完全被地面所吸收，其中一部分被地面所反射。地表对太阳辐射的反射率，决定于地表面的性质和状态。15、行星反照率：地球-大气系统的反照率称为行星反照率，它表示地球作为行星对入射的太阳辐射的反射能力。全球取0.316、地表辐射差额：某段时间内单位面积地表面所吸收的总辐射和其有效辐射的差值。17、地表热量平衡方程tsSQHLERQs：地表与下层的热量交换St：地表与上层生物体的化学生物过程有关的能量通量18、大气的热量平衡定义：自地面伸展到大气顶的单位截面积垂直空气柱内所有热通量的代数和。HLrCDRaaaDa：大气柱热含量变化Ca：热平流引起的热交换Lr：降水的潜热释放19、地-气系统的热量平衡定义：下垫面及其以下活动层（温度日变化波及的深度）和大气柱内的热量收支状况。大洋上：sasDQrELCR)(陆地上：sasDrELCR)(Qw：水体的平流输送Ds：地气系统内气柱、水柱、土柱热含量的变化20、地面冷、热源定义：某一地区地表有湍流热量向大气输送，称该地区为热源，反之为地面冷源（热汇）。HLEQRs0热源0冷源第四章气候系统的水循环1、气候系统中的水海洋水：海洋是水圈的主体，是地球上水的最大源地。约占地球总水量的96%～97%。陆地水：河流；湖泊；沼泽；地下水；冰川。2、气候系统水的更新速度水体的更替周期是指水体在水循环过程中全部水量被交替更新一次所需要的时间，T=W/ΔW。大气水：8日3、水分循环：地球上各种形态的水，在太阳辐射、地球引力以及大气运动等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。4、水循环类型：外循环（大循环）：水分由海洋输送到陆地，又回到海洋的循环；内循环（小循环）：由海洋（陆地）通过蒸发的水汽，再以降水的形式直接落到海洋（陆地）的循环。6、水分循环的成因：内因：水的三种状态及其相互转