氣候變化 ppt課件 Lecture5new

第一章氣候系統(tǒng)

第五講氣候系統(tǒng)各圈層之間的相互作用1前兩次課程學(xué)習(xí)的回顧2氣候系統(tǒng)的基本概念水圈的組成？對氣候影響最重要的部分？海洋環(huán)流（表層流、深層流分布特點，作用），重要性？冰雪圈的組成？對氣候影響最重要的部分？冰雪的特性（兩高一低）；冰雪覆蓋與氣溫變化，重要性？巖石圈（陸面）如何對氣候的影響？生物圈的定義？重要組成部分？植被分布對哪些參數(shù)有影響？對氣候變化的重要性？人類圈的組成和范圍？提出人類圈的依據(jù)？對氣候變化的重要性？2023/4/152本次課程學(xué)習(xí)圍繞的問題氣候系統(tǒng)中各圈層的相互作用

(1)海-氣相互作用

(2)陸-氣相互作用(陸面過程）氣候系統(tǒng)各圈層相互作用的意義？3氣候系統(tǒng)中各圈層的相互作用

氣候系統(tǒng)的各圈層不是獨立存在的，它們之間發(fā)生著明顯的相互作用，這種相互作用不但有物理的，化學(xué)的和生物的，還具有不同的時間與空間尺度。從而使氣候系統(tǒng)成一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)。氣候系統(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、熱量和動量通量相互聯(lián)系在一起，因而這些圈層是一個開放的相互聯(lián)系的系統(tǒng)。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和陸氣相互作用。2023/4/1545氣候系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用（1）海-氣相互作用（2）冰-氣相互作用（3）陸-氣相互作用冰-海－氣相互作用生物圈－大氣相互作用2023/4/156海-氣相互作用

海洋和大氣強烈地耦合在一起，并通過感熱輸送、動量輸送和蒸發(fā)過程交換熱量、水汽和動量。熱量和水汽是水文循環(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)提供運動的能量。另一方面，降水對海洋的鹽度及其分布和熱鹽環(huán)流有影響。大氣與海洋也交換CO2，都是全球碳循環(huán)的重要部分。CO2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。值得研究的問題：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？物質(zhì)尤其是碳化合物是怎樣輸送或儲存于深海中的？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？2023/4/157海洋－大氣相互作用

海洋大氣同屬流體，構(gòu)成耦合系統(tǒng)，對地球氣候形成重要。海洋給大氣以感熱和潛熱形式提供熱量和水汽，來影響大氣運動。大氣通過風(fēng)應(yīng)力向海洋提供動量，改變洋流以及重新分配海洋熱量。海洋影響大氣存在關(guān)鍵海區(qū)。大氣影響海洋存在關(guān)鍵過程。8（1）海氣相互作用海洋大氣

①海洋對大氣的加熱作用將吸收的太陽輻射通過長波輻射、感熱、潛熱的形式來加熱大氣。（海表溫度SST）

②海洋是地氣系統(tǒng)能量的“調(diào)節(jié)”器（海流的熱量輸送作用）

太陽輻射隨緯度的不均勻分布，通過海流對熱量的輸送保持各緯度帶熱量的平衡。

③

海洋是大氣主要的水汽源地

海洋蒸發(fā)（84%)

海洋蒸發(fā)的水汽在大氣中凝結(jié)潛熱在海氣能量交換中有重要的作用。海洋

大氣熱力作用動力作用2023/4/159

①動力作用：大氣風(fēng)應(yīng)力是驅(qū)動海洋（表層）環(huán)流的重要驅(qū)動力；

②大氣的風(fēng)、溫度、濕度海氣界面的能量平衡、海溫

③大氣降水產(chǎn)生的淡水通量海水的鹽度。大氣海洋海洋－大氣相互作用（耦合過程）2023/4/1510

air-seainteractionprocessesAtmosphereWaveOceanHeatfluxSurfacestressFreshwaterfluxSST,sea-iceWave-inducedstresscurrentSurfacestressWave-inducedRoughnesslengthTheair-seainteractioninfluencesnotonlyweatherscaleprocess,likestorm,Cyclone,butalsoseasonalandlongertimescaleclimate,likemonsoon,Atmosphericoscillationanddecadalvariability.11大洋的劃分(Levitus,1982)TropicalPacific12熱帶太平洋SST13熱帶太平洋氣候平均海洋和大氣環(huán)流示意圖142023/4/1515ElNi?o對中高緯度大氣環(huán)流異常的影響1、ElNi?o年Ferrel環(huán)流偏強，中緯度西風(fēng)也偏強，而在反ElNi?o年，則環(huán)流反之。2、在ElNi?o(LaNina)事件發(fā)生之后，對流層上層和平流層低層的緯向風(fēng)會有明顯變化，高緯度地區(qū)西風(fēng)明顯偏弱（偏強），而副熱帶地區(qū)西風(fēng)明顯偏強（偏弱）。2023/4/1516TheAtmosphericBridge赤道中太平洋的冬季平均海溫，與隨后的春季海溫，在印度洋、熱帶大西洋、熱帶外北太平洋和南太平洋，都存在著顯著的相關(guān)，這意味著這些區(qū)域的海溫變化，通過“大氣橋梁”，受到來自熱帶太平洋的強迫影響。17赤道太平洋的SST距平與北太平洋、熱帶北大西洋、印度洋的海溫變化，在北半球冬春季節(jié)存在顯著聯(lián)系。與ENSO相關(guān)聯(lián)的SST距平，在夏季的西北太平洋、秋季的印度洋，同樣很強勁。“大氣橋”驅(qū)動SST距平的主要途徑，是表面熱通量的變化。大氣橋?qū)釒夂Ｑ蟮挠绊?，不僅僅局限在年際尺度上的SST變化，它還影響到混合層的厚度、鹽度、上層海洋的季節(jié)變化，以及北太平洋SST的低頻變率。圍繞著聯(lián)系熱帶太平洋和其它大洋氣候變率的“大氣橋梁”，來自觀測和模擬的研究，主要有以下結(jié)論：18處于發(fā)展階段的ENSO事件往往造成我國華北地區(qū)夏季降水偏少；處于衰減階段的ENSO事件則易引起江淮流域降水偏少，而黃河流域、華北地區(qū)可能偏多.

ENSO事件的發(fā)生已經(jīng)被作為預(yù)測中國夏季風(fēng)年際異常的前期重要信號之一

發(fā)展階段的ElNino導(dǎo)致的菲律賓反氣旋示意圖B.Wang,200219利用ENSO做短期氣候預(yù)測并不穩(wěn)定氣象學(xué)報200720TyphoonSinlaku

09/06/2002AVHRRSSTcompositeimageforhurricaneGert21-24Sep.1998cyclone-oceansystemSSTdifferenceAir-seainteraction21（2）冰-氣相互作用海冰大氣①海冰的高反照率減少海面吸收的太陽輻射有海冰－－海水吸收太陽輻射的30～50％

無海冰－－海水吸收太陽輻射的85～95％②海冰是強的絕緣體限制了海氣界面的熱量、質(zhì)量、動力和化學(xué)成分的交換。③海冰的生成、融化海水的鹽度海洋的垂直密度層結(jié) 海冰的生成－－－脫鹽－－－海水鹽度↑ 海冰的融化－－淡水通量－－海水鹽度↓

2023/4/1522大氣海冰

①動力作用：大氣風(fēng)應(yīng)力是海冰運動和海冰邊緣的第一驅(qū)動力；

②大氣的風(fēng)、溫度、濕度冰氣界面的能量平衡海冰的維持、生長和融化有重要作用；

2023/4/1523陸-氣相互作用

這是氣候系統(tǒng)中最基本的相互作用之一，包括冰凍圈中的積雪、冰川、凍土及巖石圈和地表生物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)換以及土地利用變化等。關(guān)鍵問題為：陸氣之間的水與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人類利用的影響？2023/4/1524陸地下墊面湖泊冰川森林草地252023/4/1525陸地下墊面沙漠河流濕地戈壁262023/4/1526氣候變化引起區(qū)域水文生態(tài)過程的變化地表地下水文及陸地覆蓋變化引起氣候的改變氣候與植被、地表水、地下水有重要的相互作用土地沙化生態(tài)環(huán)境惡化

北方干旱南方洪澇高原冰川退化河道干枯地下水位下降植被減少272023/4/1527

陸面過程（也稱為陸氣相互作用）：是指發(fā)生在陸地表面的熱力、動力、水文以及生物物理、生物化學(xué)等一系列復(fù)雜過程，以及這些過程與大氣的相互作用。陸面過程的時間尺度：從秒到萬年?？臻g尺度：從分子到全球。陸面過程涉及的的幾大過程：1.陸面物理過程

2.陸面生物化學(xué)過程

3.陸面生態(tài)過程28陸地－大氣相互作用2023/4/1528陸面物理過程：主要是指發(fā)生在陸面和陸其界面的能量平衡、水分平衡和動量交換過程。（1）熱力過程（能量平衡過程）：輻射過程、感熱潛熱交換過程（2）水文過程（水分平衡過程）：降水、蒸發(fā)，徑流、冰雪融化（3）動量過程：地面和植被對風(fēng)的摩擦、阻擋作用（4）物質(zhì)交換過程：水汽、其他化學(xué)氣體和氣溶膠的向上輸送，大氣懸浮物的沉落。

輻射LWSWGLESH熱量動量CO2等痕量氣體徑流rain水分292023/4/15292.陸面生物化學(xué)過程:是指與陸地植被或陸地生態(tài)系統(tǒng)中

的碳同化，氣孔傳導(dǎo)、蒸騰、光合作用以及碳、氮等化學(xué)

元素循環(huán)轉(zhuǎn)化有關(guān)的時間尺度較長的過程。3.陸面生態(tài)過程:

是指月至年到年際時間尺度上陸地生態(tài)系統(tǒng)的演變及其與氣候之間的相互作用過程。包含了植被的生長、演替以及各種擾動（如火災(zāi)、蟲災(zāi)、土地利用等）對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響，同時還考慮植被與土壤之間碳氮等營養(yǎng)物質(zhì)的交換過程。302023/4/1530

反照率地表反照率的變化是陸面異常的最重要的特性之一，反照率的變化通過影響地表能量平衡直接對大氣產(chǎn)生影響。土壤水分的異常植被的變化地表反照率的變化積雪覆蓋的異?！馛harneyetal(1975，1977)提出了沙漠化理論機制：地球生物—物理反饋機制：陸面狀況的變化→反照率的異?！绊懙孛孑椛淦胶狻鷼夂蜃兓?/p>

；

陸面過程對大氣的作用2023/4/1531

土壤濕度土壤是地表水循環(huán)的重要組成部分，土壤濕度的變化不僅對地表水循環(huán)產(chǎn)生影響，而且會改變地表的蒸發(fā)，從而直接影響地氣之間的水分交換和潛熱通量。2023/4/1532土壤溫度(地表熱狀況異常）土壤的熱容量遠(yuǎn)大于空氣，土壤的熱狀況及其變化將會對大氣的陸面下邊界起重要的作用。土壤溫度度的變化可以直接影響地氣之間的感熱通量。土壤溫度的變化還會影響地氣之間的輻射通量，從而對氣候變化起到反饋作用。另外，土壤溫度或地表熱狀況的異?？梢愿淖兊乇淼钠渌匦?，近而產(chǎn)生間接的影響。2023/4/1533積雪積雪是氣候系統(tǒng)中的一個重要而活躍的組成部分，積雪的異?？梢砸鹣聣|面能量和水分的異常，改變地表與大氣之間的熱量和水汽交換，從而對氣候變化產(chǎn)生重要的影響。積雪異常的氣候效應(yīng)主要體現(xiàn)在三個方面:反照率效應(yīng):積雪的高反射率,引起地面吸收的太陽輻射減少,產(chǎn)生凈的冷卻效應(yīng),改變地表的熱力狀況及地氣之間的熱量交換;積雪水分效應(yīng):積雪異常通過融雪對地表的水平衡產(chǎn)生影響,引起土壤水分及蒸發(fā)的異常,影響地氣系統(tǒng)之間的水汽、能量交換;

雪蓋異常引起的大氣異常的遙響應(yīng):雪蓋異常的局地效應(yīng),通過大氣對它的響應(yīng)以及大氣環(huán)流的調(diào)整,對更大范圍乃至對全球氣候產(chǎn)生影響.2023/4/1534

陸面為不同類型的植被所覆蓋，由于植被存在，使得陸面過程變得更加復(fù)雜。植被的生理及形態(tài)特性對陸面過程具有十分重要的影響。其影響主要表現(xiàn)為：（1）攔截作用（2）輻射的吸收（3）蒸散（4）土壤濕度（5）改變動量輸送（6）生物通量

植被2023/4/1535生物對氣候的負(fù)反饋

36氣候與生物之間的正反饋作用氣候變暖/冷大氣中CO2濃度升高/降低植被光合作用強/弱大陸植被增加/減少（CO2吸收增加/減少大氣中CO2濃度降低/升高氣候變冷/暖2023/4/1536陸面熱力過程：發(fā)生在大氣、植被和土壤表面的輻射過程（直接輻射、反射輻射和長波輻射）、土壤、植被、大氣間的感熱和潛熱交換；地面以下土壤的熱傳導(dǎo)與氣隙中的熱輸送。陸面水文過程：大氣降水、蒸發(fā)和植物蒸騰、凝結(jié)、地表徑流以及冰雪融化和凍結(jié)；大氣降水、地面水的滲漏和深層水的上吸、植物根系的吸收、地下水流及土壤凍結(jié)和融化。陸面動量交換：地面對風(fēng)的摩擦和植被的阻擋；陸面與大氣的物質(zhì)交換：氣體、氣溶膠、煙塵向上輸送和大氣懸垂物的沉落；陸面過程主要方面的總結(jié)372023/4/1537陸面過程在氣候系統(tǒng)中的作用決定了大氣動力學(xué)控制方程發(fā)展的下邊界條件-預(yù)報源/匯項大氣控制方程中:動量方程（決定風(fēng)速變化）中的摩擦力項能量方程（決定大氣溫度變化）中的感熱項水汽方程（決定大氣濕度變化）中的潛熱項等氣候系統(tǒng)對不同的陸地下墊面的敏感性地表反照率土壤濕度表面粗糙度土地利用/土地覆蓋變化在氣候模式及氣象預(yù)報中的地位（如森林、草原、沙漠）通過對風(fēng)速的影響影響大氣動力過程如，城市化，沙漠化，伐林開荒，農(nóng)田植被的變化地表反照率土壤濕度表面粗糙度土地利用/土地覆蓋變化38降水陸面的干、濕狀態(tài)、地表水循環(huán)；

大氣的風(fēng)、溫度、濕度地氣界面的能量平衡引起地表狀況的變化；大氣的溫度、降水植被的分布大氣對陸面過程的影響2023/4/1539氣候系統(tǒng)各圈層相互作用的意義2023/4/1540

在各圈層相互作用過程中，主要進行水、碳以及熱量的交換與循環(huán)過程。氣候系統(tǒng)中最大的水源區(qū)在地幔中?；鹕奖l(fā)時，地幔中的水向外噴發(fā)。估計在地球生命中只有5%的水被釋放出來。水源質(zhì)量存留時間水源質(zhì)量存留時間大氣0.01幾天格陵蘭島冰川510000年淡水（湖泊、河流）0.6幾天到幾年南極冰川5310000年淡水（地下水）15上百年海洋2700高山冰川0.2上百年地殼和地幔200001011年氣候系統(tǒng)中單位面積上各種水源的質(zhì)量（103kgm-2）及留存時間2023/4/1541地氣系統(tǒng)的水分平衡（水循環(huán))(HydrologicalCycle）水循環(huán)的基本過程：蒸發(fā)、蒸騰（蒸散）降水（凝結(jié)）、地表徑流、水汽輸送：海洋洋流的循環(huán)輸送、徑流輸送、大氣中的水汽輸送地下水水循環(huán)過程的重要性：

大氣中的水循環(huán)過程

熱力過程密切相關(guān)2023/4/1542全球碳循環(huán)示意圖全球碳庫：大氣碳庫：750GtC陸地碳庫：1750GtC海洋碳庫：37400GtC巖石圈中的碳：65.5×1010GtCG=1000000000(1billion).2023/4/1543地球上的水因蒸發(fā)成為水汽，經(jīng)輸送、上升、冷卻、凝結(jié)，在適當(dāng)?shù)臈l件下，再降落到地面。這種蒸發(fā)—凝結(jié)—降水—再蒸發(fā)不斷循環(huán)過程，稱為水循環(huán)。

水循環(huán)包括了多種的復(fù)雜過程，如蒸發(fā)、水汽輸送、冷凝、降水、植物截留、滯蓄、下滲、徑流等。其中最重要的基本現(xiàn)象是蒸發(fā)、降水、下滲、徑流。地球上的水分循環(huán)2023/4/1544水循環(huán)自然界的水在地理環(huán)境中通過各個環(huán)節(jié)循環(huán)運動的過程。1、概念：2、類型海陸間循環(huán)（大循環(huán)）海上內(nèi)循環(huán)陸上內(nèi)循環(huán)452023/4/1545425385407111141全球水循環(huán)：年輸送量1000km32023/4/1546地下水含水層融雪徑流土壤水下滲湖泊冰雪海洋海洋蒸發(fā)蒸散發(fā)水面蒸發(fā)徑流降水降水水平對流凝結(jié)凝結(jié)升華全球水循環(huán)框架472023/4/1547111385全球水循環(huán)數(shù)量（單位：1000km3）482023/4/1548（1）促進地球上各種水體的更新，維護全球水的動態(tài)平衡；水循環(huán)意義聯(lián)系地球各大圈層:（2）促進地球表層各圈層的物質(zhì)遷移和能量交換；（3）塑造地表形態(tài)。492023/4/1549地氣系統(tǒng)的熱量（能量）平衡（EnergyBalance)地球氣候系統(tǒng)是一個熱力系統(tǒng)，系統(tǒng)通過各種不同方式保持得到的熱量和失去的熱量之間的平衡關(guān)系。對地球表面、大氣和地-氣系統(tǒng)的熱量收支是氣候?qū)W研究的基本問題。全球熱量（能量）平衡是氣候系統(tǒng)最基本的物理過程之一。主要通過大氣、云、地表之間的輻射傳輸?shù)却罅康姆答佭^程來維持。地氣系統(tǒng)能量（熱量）傳輸?shù)幕具^程：太陽短波輻射長波輻射感熱通量（湍流熱通量）潛熱通量熱量的水平、垂直輸送。2023/4/1550地氣系統(tǒng)的能量平衡（EnergyBalance）太陽短波輻射長波輻射地表能量平衡2023/4/1551能量平衡（EnergyBalance）大氣獲得能量主要通過4種方式：（1）潛熱（23％）（2）太陽短波輻射（19％）（3）吸收下墊面放射的長波輻射（15％）（4