氣候學復習點整理講義

1、第一章 氣候與氣候系統(tǒng)1. 現代氣候學特點1) 從氣候變化來研究氣候 寬的時間譜：萬年, 千年、年，季等。 2)從氣候系統(tǒng)來研究氣候 大氣、海洋、冰雪、陸地、生物圈 3）從氣候動力學來研究氣候 現代氣候學的靈魂。 2.天氣系統(tǒng)：指大氣圈和水圈、冰雪圈、巖石圈、生物圈之間相互作用的整體。3.反射率及其物理作用：反射率：物體表面所能反射的光量和它所接受的光量之比。常用百分率和小數表示。（百科）冰雪對太陽輻射的反射率是水的幾倍，能有效地反射太陽輻射。冰雪對熱量傳輸是絕緣的，有冰雪覆蓋的洋面和陸面，與大氣的熱量交換是很弱的。因此，冰雪覆蓋對地球熱量平衡有著重要的影響，對氣候變化起著穩(wěn)定器的作用。4.反

2、饋、正反饋、負反饋，及正負反饋的判別反饋：就是將一個系統(tǒng)的輸出回輸到輸入端，從而對系統(tǒng)的運行過程進行調節(jié)和控制。如果反饋過程能夠使系統(tǒng)的運行得到進一步的發(fā)展，稱為正反饋；反之，稱為負反饋。1）冰雪反照率反饋 強烈的正反饋放大作用： 溫度降低冰雪覆蓋增大反射率增大太陽輻射減少溫度降低 溫度升高冰雪覆蓋減小反射率減小太陽輻射增多溫度升高2）水汽反饋 正反饋作用：水汽吸收紅外輻射 氣溫升高 蒸發(fā)加強 水汽增加 溫室效應 氣溫升高 加速蒸發(fā)過程 熱效應5.大氣環(huán)流：大范圍的大氣運動稱為大氣環(huán)流，東西風帶（包括急流）、平均經圈環(huán)流和準定常的槽脊是大氣環(huán)流的主要成員。它的主要狀況（形勢）決定著全球的或區(qū)域

3、的天氣和氣候類型及其變化。三圈環(huán)流：假設大氣均勻的在地表運動，在南北半球各有3個平行的風圈或風帶，包括低緯環(huán)流、中緯環(huán)流和高緯環(huán)流。低緯度是正環(huán)流或直接環(huán)流又稱為哈得來環(huán)流貿易風：信風（又稱貿易風）指的是在低空從副熱帶高壓帶吹向赤道低氣壓帶的風。北半球吹東北風，南半球吹東南風。6.輻射強迫：輻射強迫是對某個因子改變地球大氣系統(tǒng)射入和逸出能量平衡影響程度的一種度量，它同時是一種指數，反映了該因子在潛在氣候變化機制中的重要性。正強迫使地球表面增暖，負強迫則使其降冷。（百科）溫室氣體：二氧化碳、甲烷、黑炭氣溶膠等非自然造成，人為改變，使大氣環(huán)境中多增加了輻射7.簡述 海洋對大氣的影響(1)對大氣系統(tǒng)

4、熱力平衡的影響海洋吸收的太陽輻射有85%貯存在海洋表層（混合層）中，以潛熱、長波輻射和感熱交換形式輸送給大氣，所以海洋熱狀況和海面蒸發(fā)強度都會引起氣候的變化。(2)對水汽循環(huán)的影響大氣中水汽含量的86%由海洋提供，海洋（尤其是低緯度海洋）是大氣中水汽的主要源地;不同的海洋狀況通過蒸發(fā)和凝結過程對氣候及其變化產生影響。 (3)對溫室效應的緩解作用海洋環(huán)流減少極赤溫差，改變降水的分布，引起大氣環(huán)流的變化，也減弱了微量氣體含量增加所引起的氣候溫室效應的敏感性。(4)對大氣運動的調諧作用由于海洋運動和變化的緩慢性和持續(xù)性，使其有較強的“記憶”能力，可以把大氣環(huán)流的變化通過海-氣相互作用把信息貯存下來，

5、再作用于大氣。海洋熱慣性的滯后（大約一個月）效應，使大氣變化（擾動）的高頻波通過海-氣耦合作用減頻成為低頻波（低頻變化）后，再作用于大氣。8.感熱、潛熱感熱：亦稱顯熱，物體在加熱或冷卻過程中，溫度升高或降低而不改變其原有相態(tài)所需吸收或放出的熱量。（百科）潛熱：相變潛熱的簡稱，指物質在等溫等壓情況下，從一個相變化到另一個相吸收或放出的熱量。這是物體在固、液、氣三相之間以及不同的固相之間相互轉變時具有的特點之一。海洋通過潛熱和感熱的輸送推動其上的大氣運動，而大氣則通過風應力來影響海洋環(huán)流。9.植被的作用植被比裸地的反照率要小，從而吸收更多的太陽輻射能；植物冠部有較強的蒸騰能力，根系可吸收深層土壤的

6、水分，用以維持蒸騰。因此，植被和裸露的下墊面之間的潛熱和感熱狀況有明顯的差異。植被增大地表粗糙度，改變地氣間的交換過程。植被對水分的滯留還可改變地表徑流和地表水文過程。第二章 氣候變遷1. 氣候變化的時間尺度從時間尺度看，氣候變化可以分為六類： 地質時期 萬年或萬年以上（104108年） 歷史時期 幾千年（103104年） 超長期 幾百年 （世紀際102103 ） 長期 幾十年（年代際101102年） 中期 幾年（年際100101年） 短期 月或季（100年）2.冰期、間冰期冰期：冰期地球表面覆蓋有大規(guī)模冰川的地質時期。又稱為冰川時期。間冰期：兩次冰期之間唯一相對溫暖時期，稱為間冰期。3.第四

7、紀氣候 特點第四紀的氣候特點是冰期、間冰期交替，表現出了氣候變化的不穩(wěn)定特性。4.全新世全新世：地質時代最新階段，開始于1200010000年前持續(xù)至今，氣候比較穩(wěn)定的這一時期，又稱為冰后期。5. 新仙女木事件發(fā)生在全新世，距今最近的一次，源于氣候突變。即剛離開寒冷的冰河期，陸冰和海冰均處在消融過程中，溫度回升不穩(wěn)定，這期間突然氣溫又驟然下降，氣候變寒冷，短短十年內，地球平均氣溫下降了大約7、8，降溫持續(xù)了上千年，才又突然回升。這就是地球歷史上著名的新仙女木事件。6.小冰期氣候變化平穩(wěn)后期，出現的歷時400-500年氣候降溫時期，區(qū)域較小，且各地持續(xù)時間不同，大約15世紀初開始，全球

8、氣候進入一個寒冷時期，通稱為“小冰期”束于20世紀初期。7. 氣候突變及其類型氣候突變：從一個氣候階段變化到另一個氣候階段時，氣候往往發(fā)生較為快速的劇烈變化，即突變。三種類型：均值突變、變率突變和趨勢突變。8.現代氣候變化特點 補充材料氣候系統(tǒng)的變暖是毋庸置疑的。自20世紀50年代以來，觀測到的許多變化在幾十年乃至上千年時間里都是前所未有的。大氣和海洋已變暖，積雪和冰量已減少，海平面已上升，溫室氣體濃度已增加。大氣：過去三個十年的地表已連續(xù)偏暖于1850年以來的任何一個十年。在北半球，1983-2012年可能是過去1400年中最暖的30年（ 中等信度 ）。降水： 大部分陸地區(qū)域更暖和/或更少冷

9、晝和冷夜；大部分陸地區(qū)域更暖和/或更頻繁的熱晝和熱夜。強降水事件，大多數大陸地地區(qū)強降水的頻率、強度和/或雨量增加。海洋：海洋變暖在氣候系統(tǒng)儲存能量的增加中占主導地位，近30年間累積能量的90%以上儲存于海洋，海洋上層（0-700米）已經變暖。海平面：19世紀中葉以來的海平面上升速率比過去兩千年來的平均速率高（ 高信度 ）。1901-2010年期間，全球平均海平面上升了0.19米。冰凍圈：格陵蘭冰蓋和南極冰蓋的冰量一直在損失，全球范圍內的冰川幾乎都在繼續(xù)退縮，北極海冰和北半球春季積雪范圍在繼續(xù)縮小。碳和其它生物地球化學循環(huán)：二氧化碳、甲烷和氧化亞氮的大氣濃度至少已上升到過去80萬年以來前所未有

10、的水平。自工業(yè)化以來，二氧化碳濃度已增加了40%，這首先是由于化石燃料的排放，其次是由于土地利用變化導致的凈排放。海洋已經吸收了大約30%的人為二氧化碳排放，這導致了海洋酸化。增加了近400ppm。第三章 中國氣候變化旱澇研究等級劃分：1a: 全國澇，長江為主1b: 長江澇, 華北及華南旱2: 長江澇,江北旱3：長江旱, 華北及華南澇4: 江南旱、江北澇5、全國旱第四章 輻射與能量平衡1.太陽輻射的特點（太陽短波輻射）太陽表面的溫度一般都高于6000K，按照Planck輻射定律，其輻射能量主要在波長小于2-5m的波長范圍，只有約0.4%的輻射能處在大于5m的波長范圍。因此一般稱太陽輻射為短波輻

11、射。 2.太陽常數：在平均日地距離情況下到達地球大氣外界的直接太陽輻射能的總通量，即為太陽常數，推薦值1367±7 W/m2之間。3.太陽短波輻射的變化 太陽常數因太陽活動而發(fā)生變化。太陽輻射光譜的末端隨著太陽黑子數有很大變化，這部分輻射可影響平流層的光化過程，進而影響天氣氣候。黃道傾角一般在22.08º-24.43º之間變化，改變氣候帶和季節(jié)差異，黃道傾角增大時極赤之間平均溫度梯度減小，平均周期為4.1萬年；偏心率在0-0.052之間變化，平均周期為9.7萬年；受地球扁圓度影響，二分點沿軌道的進動，影響太陽輻射的季節(jié)性變化，平均周期為2.1萬年。 4.臭氧、水汽

12、對太陽輻射的吸收 了解臭氧對太陽短波輻射有很強的吸收作用，在紫外區(qū)有兩個強吸收帶，在可見光區(qū)有較弱的吸收帶。對臭氧吸收來說，大氣中的漫射輻射也有重要意義。水汽吸收主要在近紅外波段，是加熱大氣的重要過程，Rayleigh散射可以不考慮。水汽的吸收系數受氣壓和溫度的影響，并對波長有選擇性，其過程非常復雜。5.地表輻射特性、影響因素（地表反照率、云、受到溫度波長變化）地表反照率（名詞）：地表物體向各個方向上反射的太陽總輻射通量與到達該物體表面上的總輻射通量之比。太陽高度角越大，其反照率越??；天空云量越多，反照率越小。云的反照率：大氣中云直接反射的太陽輻射所占入射太陽輻射的百分數，是地球反照率的重要組

13、成部分。地表的比輻射率和凈輻射量：地球表面并不真正像黑體一樣以地表溫度向外放射紅外輻射，故用地表的實際輻射通量與同等溫度下的黑體輻射通量的比值來描寫地表的放射本領和特征，稱為比輻射率。它隨地表特征和波長而變化。了解（主要受到地表溫度、以長波為主波長變化）。第五章 氣候系統(tǒng)的研究1.收集氣候觀測數據要考慮的三個因素1)空間上，進行全面的觀測，綜合大氣、陸地、海洋等多方面研究數據。2)時間上，一定要長時間連續(xù)穩(wěn)定觀測。3)數據要有源數據特征，采用描繪性語言說明數據獲取采用的手段、當地特征等，要有述性。2. TOGA計劃確定熱帶海洋大氣浮標觀測陣列，目前大約由70個錨定浮標組成，這一觀測網比較全面地

14、提供了熱帶太平洋的風、氣溫、相對濕度釉及海洋觀測資料。3.溫度異常、降水異常、干旱洪澇的確定溫度異常：由于月平均氣溫服從正態(tài)分布，根據t-檢驗法，可以得到出現異常高值(低值)的距平值超過(低于)2倍的標準差的約為100年一次。降水異常：對月降水量采用分布計算不同百分位所對應的降水量，幫助確定其異常程度。干旱與洪澇 ：用指數確定，我國業(yè)務監(jiān)測中采用Z指數方法確定。（了解）Z指數是假設降水量服從Person-III分布，通過對月降水量標準化處理后，通過偏態(tài)系數和標準化變量得到Z指數進行分級判斷，就可以確定干旱和洪澇的等級。4.AMO：是發(fā)生在北大西洋區(qū)域空間上具有海盆尺度、時間上具有多十年尺度的海

15、表溫度（sea surface temperature,SST）準周期性暖冷異常變化。平均70年左右出現一次。5. 對CO2溫室效應的檢測一方面從氣候變化本身來檢測，例如把氣溫變化的曲線與CO2濃度變化曲線比較，分析變暖的季節(jié)與地理分布，并與氣候模擬的結果比較等。 另一方面也可以從氣候變化的物理因子來檢測，例如，首先排除或盡量減少城市熱島效應和觀測技術改變的影響，然后估計太陽輻射變化(包括太陽活動)、火山活動等的影響，從原序列中把這些因素排除后，再進行濾波除去高頻的氣候異常的影響，最后有可能得到一條受溫室效應影響的曲線。6.三大濤動NAO: 北大西洋濤動 北大西洋上北大西洋上冰島低壓與亞述爾高

16、壓的氣壓變化為明顯負相關；當冰島低壓加深時，亞速爾高壓加強，或冰島低壓填塞時，亞速爾高壓減弱, 蹺蹺板式的氣壓變化。NPO: 北太平洋濤動 太平洋上阿留申低壓與夏威夷高壓之間蹺蹺板式的氣壓變化。 SO: 南方濤動 南太平洋氣壓與印度洋氣壓的蹺蹺板的變化。QBO: 赤道平流層緯向風有準兩年(26個月)的振蕩。東西風位向變化7.樹木年輪推測氣溫變化的方法，技術路線 3步根據樹木年輪重建古氣候大體有三個步驟，即取樣、建立年輪序列、氣候重建。取樣，一般取靠近林區(qū)邊緣的樹木。在森林上限100米范圍內，或森林北界的樹木對氣溫變化比較敏感，森林下限或南界對降水量變化反應較為強烈。為了排除偶然性因素，可以取幾

17、棵樹作一組樣本，每棵樹也可以從幾個不同方向讀數。取得年輪序列后，要去掉生長趨勢的影響，目前應用較多的除去生長量的方法是指數函數擬合的方法。消除生長量后的年輪序列，即可用來作氣候重建。一般是用鄰近測站的觀測資料，用統(tǒng)計方法確定用樹木年輪擬和哪一個季節(jié)哪一種要素效果最好。每棵樹的樹齡是有限的。為了得到較長的序列，有時可以把幾棵不同時間的樹木年輪序列拚接。8.氣候模擬、氣候模式的分類氣候模擬：根據一定的大氣或海洋動力學、熱力學定律，在給定邊界條件下，采用數值計算的方法研究氣候。分類：(1)能量平衡模式(EBM)；(2) 輻射對流模式(RCM)； (3) 統(tǒng)計動力模式(SDM)；(4) 總環(huán)流模式(G

18、CM)。 （5）地球系統(tǒng)模式9.集合預報：80年代中后期，人們采用了與統(tǒng)計方法結合，克服初始場誤差的方法。可分為兩類：一類稱為落后平均預報；一類稱為蒙特卡羅預報第六章 海陸分布及海流與氣候1. 大尺度海氣相互作用的基本特征在相互制約的大氣-海洋耦合系統(tǒng)中，海洋主要通過向大氣輸送熱量、提供潛熱影響大氣運動；大氣主要通過風應力向海洋傳輸動量，改變洋流及重新分配海洋的熱含量。在大尺度海氣相互作用中，海洋對大氣的作用是熱力的，大氣對海洋的作用是動力的風應力強迫：大洋表層環(huán)流的顯著特點之一是：北半球海區(qū)環(huán)流沿順時針方向流動；南半球為逆時針。另一個重要特征是：“西向強化”。最典型的是西北太平洋的近岸海區(qū)和

19、北大西洋的西部海域，那里流線密集，流速較大。這是風應力強迫海洋環(huán)流的結果。（了解）2. 溫鹽環(huán)流：是一個因為海水的溫度和含鹽度引起的海洋密度分布不均勻，從而驅動的全球洋流循環(huán)的系統(tǒng)。NADW輸送帶：北大西洋的NADW在深層以西邊界流的形式向南流去，之后圍繞南極繞極流，NADW部分和形成于威德爾海的南極底層水混合，流向太平洋和印度洋，在那里上翻穿過溫躍層達到上層海洋，該輸送帶由位于北大西洋高緯的海水下沉支驅動。 3. 溫鹽環(huán)流與氣候變率1）年代際氣候變率觀測發(fā)現，全球近地表氣溫、非洲降水和登陸美國海岸的強颶風、北極海冰的范圍、北大西洋海表溫度距平等，都表現出數十年/年代際時間尺度的變率。年代際氣

20、候變率的源可能是溫鹽環(huán)流的內部振蕩。2）千年時間尺度的氣候變率可能是和溫鹽環(huán)流的中斷與重新形成相聯系,如新仙女木事件（11000-10000a BP).第七章 ENSO系統(tǒng)1. ENSO：由于厄爾尼諾與南方濤動有密切關系，厄爾尼諾時濤動為負位項，拉尼娜時濤動為正位項。所以人們把這兩個現象合起來稱為ENSO。 厄爾尼諾：厄爾尼諾現象是發(fā)生在熱帶太平洋海溫異常增暖的一種氣候現象，大范圍熱帶太平洋增暖，會造成全球氣候的變化，但這個狀態(tài)要維持3個月以上，才認定是真正發(fā)生了厄爾尼諾事件。 拉尼娜：指赤道太平洋東部和中部海面溫度持續(xù)異常偏冷的現象（與厄爾尼諾現象正好相反），是熱帶海洋和大氣共同作用的產物。

21、 南方濤動：南太平洋氣壓與印度洋氣壓的蹺蹺板的變化。 沃克環(huán)流：赤道東太平洋冷水域上空大氣是下沉運動，西太平洋印度尼西亞海洋大陸上空大氣對流強烈，以上升運動為主，而地面為偏東信風，高空對流層上層為西風，這樣就形成一個閉合的東西向環(huán)流圈。（個在赤道太平洋上空的緯向環(huán)流圈，東部下沉、西部上升。）2.ENSO對沃克環(huán)流、西太平洋副高、QBO的影響ENSO對沃克環(huán)流：El Nino事件發(fā)生情況下，主要增暖區(qū)的西邊，也就是在日界線附近及其西面地區(qū)將有異常積云對流的強烈發(fā)展，因此在El Nino期間主要降水區(qū)由印度尼西亞地區(qū)東移到了那里。同時，Walker環(huán)流也出現了明顯的異常，其上升支由印度尼西亞地區(qū)東

22、移到了日界線附近。 ENSO對西太平洋副熱帶高壓的影響：同El Nino年ITCZ位置偏南相匹配，西太副高的位置在El Nino年一般也偏南，而La Nina年西太副高位置偏北。ENSO對QBO也有明顯影響：El Nino事件會使所在的西風位相或緊接著的西風位相(若El Nino在東風位相爆發(fā))的持續(xù)時間縮短。3.PNA：EI Nino發(fā)生時在大氣中激發(fā)的太平洋-北美型遙響應。4. 3.ENSO與全球氣候異常 （可舉例說明，并干變濕區(qū)域各舉3例）由于ENSO的發(fā)生造成了大氣環(huán)流，尤其是熱帶大氣環(huán)流的嚴重持續(xù)異常，因而給全球范圍帶來明顯的氣候異常。（1）距SST正距平區(qū)較近的中南美太平洋沿岸地區(qū)

23、，由于赤道地區(qū)東西向垂直環(huán)流圈的異常，原來在南美東岸的環(huán)流上升支西移到了南美西岸，因而積云對流活動在秘魯沿岸地區(qū)極為強烈，造成哥倫比亞、厄瓜多爾和秘魯等地的持續(xù)大雨。但El Nino事件的發(fā)生又往往造成南亞、印度尼西亞和東南非洲的的大范圍干旱。 （2）El Nino事件的發(fā)生使中高緯度西風加強，阿留申低壓往往比正常時強(氣壓值低)，因而常給北美西岸地區(qū)造成頻繁的強風暴活動，使得暴風雨和風暴浪潮的影響較為嚴重。（3）El Nino事件在東北太平洋和北美地區(qū)引起的PNA型遙響應也必然造成北美大陸氣候的異常。但是，由于所引起的PNA遙響應型在位相分布上并不十分固定，這種位相差異又會使得氣候異常的情況

24、不盡相同。5.ENSO對中國夏季氣候異常的影晌臺風：在El Nino年，西太平洋臺風數較常年偏少；而在La Nina年，西太平洋臺風數較常年明顯偏多。并且在El Nino (La Nina)年，登陸中國大陸的臺風數也偏少(多)。 東北低溫：在El Nino年夏季，中國東北氣溫往往偏低；而在La Nina年夏季，中國東北氣溫多偏高。東部的汛期降水：ENSO同中國東部降水的關系，分地區(qū)(例如華北地區(qū)和長江中下游地區(qū))而論比較恰當。在EI Nino(SOI低)年我國大部分地區(qū)的降水量偏少，而SOI高的年份，出現多雨的可能性較大。第九章 影響氣候系統(tǒng)的因子1.太陽活動可能對地球氣候變化的影響1）認為是

25、太陽活動改變大氣電場。太陽活動地球大氣電離程度大氣經圈環(huán)流天氣氣候變化太陽黑子高峰期，大氣電離程度比較強(特別是高緯) 。在地磁作用下，可導致高緯度直接經圈環(huán)流的加強，也使中緯Ferrel逆環(huán)流加強?？諝饽媳苯粨Q將加強，大氣活動中心會明顯偏強，全球的降水量也可能偏多。（了解）2）太陽活動能引起大氣臭氧層的變化。太陽活動紫外輻射臭氧層平流層熱狀況天氣氣候而O3混合比同太陽輻射加熱有明顯的關系。3）太陽活動引起地球磁場的變化，磁場的變化將引起地殼內部磁流體（溶漿）運動的改變。太陽活動地球磁場地球自轉速度大氣和海洋環(huán)流天氣氣候地球自轉速度（日長）的變化，通過地球與大氣和海洋的角動量交換將引起大氣環(huán)流

26、和海洋環(huán)流的變化，最終影響天氣氣候。2.火山爆發(fā)對地球氣候變化的影響（1）直接影響大氣的成分和光學性質。（2）參加化學反應，改變大氣成分。（3）平流層氣溶膠及光學性質的變化會影響到大氣的輻射平衡，進而影響氣候變化?；鹕奖l(fā)頻繁時期地面氣溫有偏低趨勢，平流層高層有明顯升高。3.生態(tài)系統(tǒng)對地球氣候變化的影響(1)氣候條件，主要是降水量和溫度對植物群落有制約作用，而降水量對植被種群比溫度具有更大的影響。(2)植被通過蒸騰作用以及對土壤的“固水”作用，對氣候狀態(tài)起著一定的影響。例如在降了25mm的雨后，有植被地區(qū)的土壤濕度明顯高于周圍地區(qū)。 4. 溫室氣體和氣溶膠溫室氣體：地球氣候主要是地-氣系統(tǒng)吸收

27、進入其中的太陽輻射能而在輻射平衡條件下形成的，輻射能的吸收和放射都同大氣成分有關，因此大氣中的化學成分及其變化必將改變大氣的輻射平衡，從而影響氣候變化。大氣中的一些微量和痕量氣體，如二氧化碳、甲烷、氯氟化合物及一氧化二氮等，可以通過溫室效應使得地球大氣溫度升高，人們就把它們稱為溫室氣體。長周期的：CO2 CH4 鹵烴 N2OCO2既能吸收太陽短波輻射，又能吸收和發(fā)射長波輻射。海洋是大氣CO2的最重要的貯藏器，森林也是另一重要匯。CH4是大氣中在化學和輻射方面都很活躍的成分，它主要通過缺氧過程而生成，在對流層主要通過與氫氧基（OH）的反應而被清除，這種反應過程是平流層水汽的重要源。生物活動是大氣中CH4的主要來源。鹵烴不僅對平流層臭氧有破壞作用，同時也是重要的溫室氣體，他們對環(huán)境的影響十分嚴重，因此許多國家開始限制生產和使用氟里昂。 N2O主要來自生物過程，化肥的使用可增加生物脫硝過程，而