成信工大氣科學(xué)概論講義07氣候變化

第七章氣候變化氣候與環(huán)境是人類及一切生物賴以生存最重要的條件，人們愈來愈認(rèn)識(shí)到氣候變化嚴(yán)重地影響著人類生存環(huán)境，它影響著全球所有國家的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是影響著糧食生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、能源消耗和水資源，而水資源又與人民生活密切相關(guān)；反過來，人類的生產(chǎn)和生活活動(dòng)又嚴(yán)重地影響著氣候變化，這正是近年來國際上重視對氣候變化研究的主要原因。所謂氣候是指氣溫、降水量等氣象要素經(jīng)過長時(shí)間的平均，一般取左右。在世紀(jì)年代所言的氣候較常年的異常，這個(gè)常年按現(xiàn)在國際的規(guī)定為年的平均，因此，若說今夏降水偏多，或去年夏季氣溫偏高是指今年的夏季降水量比年夏季平均降水量偏多，或去年夏季氣溫比年夏季平均氣溫偏高；而在世紀(jì)初所言的氣候較常年的異常，這個(gè)常年按現(xiàn)在國際的規(guī)定，應(yīng)為年的平均。但是，近年來，隨著國際上對氣候變化研究熱潮的掀起，現(xiàn)代大氣科學(xué)已把年、季節(jié)或月甚至周以上所平均的氣象要素的異常隨時(shí)間變化也歸結(jié)在氣候?qū)W研究范圍。第一節(jié)氣候變化的全球性氣候變化不僅僅是由于大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈等系統(tǒng)各圈層相互作用的結(jié)果，而且還受到火山活動(dòng)、地球軌道、太陽活動(dòng)等因素的影響，因此，氣候變化不僅具有非絕熱性，而且具有全球性和系統(tǒng)性等特征。一、氣候變化的非絕熱性根據(jù)從觀測資料估算，在北半球冬季，大氣運(yùn)動(dòng)的總能量為，夏季約為；而在南半球冬季約為，夏季約為。大氣的總質(zhì)量為，因此，單位質(zhì)量的能量大約為大氣的能源歸根結(jié)底是來自太陽輻射，太陽給地球能量的功率約為，其中直接反射到太空，地球上實(shí)際收到的能量約為，可見，這當(dāng)中只有很小一部分能量轉(zhuǎn)換成大氣的動(dòng)能。如果沒有外部能量的輸入，大氣全部能量轉(zhuǎn)換成大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能需要周左右的時(shí)間。因此，大氣外部的能量對于周以上的大氣運(yùn)動(dòng)是相當(dāng)重要的，這意味著包括太陽活動(dòng)、海洋和陸地等大氣外部對大氣能量的注入和補(bǔ)充是相當(dāng)重要的。下面來看看大氣能量的耗散過程。大氣能量的耗散過程是一種串級(jí)過程，即將大渦旋逐級(jí)地向小渦旋傳輸能量，最后由分子粘性耗散成熱量，這樣，大氣動(dòng)能的耗散時(shí)間尺度約為周從上面大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能制造和消耗兩方面來看，由大氣的位能所轉(zhuǎn)換來的動(dòng)能大約在周左右的時(shí)間內(nèi)就消耗盡了，所以，時(shí)間尺度在周以上的大氣環(huán)流演變所需的動(dòng)能靠大氣本身位能轉(zhuǎn)換是不夠的，還需從外界提供能量來補(bǔ)償。因此，引起氣候變化的原因不僅僅是大氣內(nèi)部的動(dòng)力過程與熱力過程(總稱為大氣的內(nèi)動(dòng)力過程)，而且更重要的是外部強(qiáng)迫過程，主要二、氣候變化的全球性從世紀(jì)年代后期起，大氣科學(xué)的一個(gè)重要進(jìn)展是認(rèn)識(shí)到氣候系統(tǒng)。大氣除本身存在著各種空間尺度的運(yùn)動(dòng)外，還受到太陽的直接輻射及從地表面和海表面發(fā)射出來的紅外輻射，它又以長波輻射的形式射向天空，大氣處于海洋、陸地之上，故大氣與海洋、陸地表面將進(jìn)行熱量交換；并且由于陸地上有的地方又有冰雪覆蓋，各地植被又不一樣，這又大大地影響了對太陽輻射的反照率，陸地上又有山脈，它會(huì)給大氣造成動(dòng)力強(qiáng)迫作用，在大氣中還有云及等微量氣體，它們不僅會(huì)影響輻射，而且還會(huì)進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)。此外，在海洋上還有海冰，在海洋及陸地之下還有巖石圈。這些因素與大氣相互作用構(gòu)成了各種不同時(shí)間尺度的氣候變化。對于季度到年際的短期氣候變化而言，不僅大氣內(nèi)部動(dòng)力、熱力過程是重要的，而且海洋和陸地表面熱狀況也是重要的。由于氣候變化是指較長時(shí)間尺度大氣環(huán)流和氣象要素的變化，一般運(yùn)動(dòng)的時(shí)間愈長，它的空間尺度也愈大，這就有兩方面問題：一方面在這么長的時(shí)間內(nèi)，大氣任何一部分變化都不能看成是獨(dú)立的，它不僅僅由自身的狀況所決定的，而且還取決于與大氣相接的海洋、陸地、高原和冰雪等的變化的狀況，如南亞與東亞夏季風(fēng)的變化，它不僅僅取決于季風(fēng)系統(tǒng)自身的變化，還要依賴于過赤道氣流的強(qiáng)弱、青藏高原的熱狀況、太平洋與印度洋的海表熱狀況及西風(fēng)帶的天氣系統(tǒng)等等；另一方面在這么長的時(shí)間內(nèi)，大氣要與它的下墊面產(chǎn)生相互作用，若下墊面比大氣熱，則它要向大氣輸送感熱，若大氣比下墊面熱，大氣向下墊面輸送和傳導(dǎo)熱量；此外，海第二節(jié)全球不同時(shí)間尺度的氣候變化正因?yàn)榈厍驓夂蚓哂腥蛐?，因此，就全球氣候而言，地球已?jīng)歷了各種不同時(shí)間尺度的氣候變化、地質(zhì)年代的氣候變化、歷史時(shí)期的氣候變化和近代氣候變化。地質(zhì)時(shí)代的氣候變化現(xiàn)可利用在南極、格陵蘭或大陸冰川鉆探所得到的冰芯，再利用氧同位素的測定方法來推算而得到；而歷史時(shí)期的氣候可以利用樹木的年輪，古書記載，特別是我國各歷史朝代的皇宮的奏章中推測而得到。本書目的不想闡述這些很長時(shí)間尺度的氣候變化，主要闡述有觀測記錄的近代的氣候變化。我國從世紀(jì)開始制作雨量計(jì)，朝鮮從世紀(jì)開始制作雨量計(jì)，而近代的雨量計(jì)則是世紀(jì)意大利人制作的，而獲取某個(gè)地點(diǎn)的月平均降水量是在英國年開始，并且英國在年就開始獲取月平均氣溫。由于利用儀器觀測氣溫、降水量的歷史還不到多年，因此，在本節(jié)所言近代氣候變化也只能主要闡述的時(shí)間尺度的氣候變化。一、全球氣候變化的不同時(shí)間尺度正如上述所言，氣候變化是受到諸多因素而引起的，它具有不同時(shí)間尺度的變化。這些氣候變化可以根據(jù)變化的時(shí)間尺度及性質(zhì)，如圖所示，可分為以下幾種(詳見王紹武，趙宗圖全球氣候變化的不同時(shí)間尺度(引自 (一)地質(zhì)時(shí)期的氣候變化地球從形成至今已有億年的歷史，在這么長的歷史中，地球大氣的氣候經(jīng)歷了無數(shù)次的劇烈變化。這些變化包括了冰河期與間冰期。冰河期：所謂冰河期是指地球大氣的氣候顯著變冷，估計(jì)氣溫可比目前低之多，那時(shí)從極地到北半球以北的廣大陸地都被冰雪所覆蓋，大陸冰蓋可占大陸總面積左右，甚至在較低緯度地區(qū)也可見到高山冰川。由于水分都在兩極高緯地區(qū)變成冰雪，并且海水水體由于冷收縮，故海洋水位顯著下降，在冰河時(shí)期海水水位比目前要低之多。那時(shí)期，我國渤海很可能只是一片洼地。從地球形成以來至少經(jīng)歷了次冰河期：億年前的震旦紀(jì)大冰河期；億年前的二迭紀(jì)大冰河期；第四紀(jì)大冰河期等。第四紀(jì)大冰河期大約發(fā)生在多萬年到萬年以前。間冰期：與每次冰河期交替為間冰期。間冰期時(shí)地球大氣的氣溫較高，據(jù)估計(jì)比現(xiàn)在可能要高出，那時(shí)南北極沒有積冰、海水水位要比現(xiàn)在高得多。亞冰河期：冰河期與間冰期交替時(shí)也出現(xiàn)時(shí)間尺度比冰河期短的冰川發(fā)展期。亞冰河期，第四紀(jì)大冰河期的最后多萬年至少有四段時(shí)期冰川發(fā)展，每次亞冰河期可經(jīng)歷幾十萬)副冰河期：每個(gè)亞冰河期中氣候也不是穩(wěn)定的，也還有偏冷和偏暖的氣候振蕩，這些偏冷的時(shí)期就稱為副冰河期，偏暖的時(shí)期稱為副間冰期。武木亞冰河期中至少有次副冰河期，每次副冰河期維持約萬年，副間冰期則亦可維持萬年左右。從地質(zhì)時(shí)代氣候變化角度來看，現(xiàn)在地球氣候處于副間冰期階段中。 (二)歷史時(shí)期的氣候變化歷史時(shí)期的氣候變化主要指冰后期的氣候變化，也是萬年以來的氣候變化。萬年以來的氣候就逐漸接近現(xiàn)在的實(shí)際氣候狀況了。自武木亞冰河期的最近一次副冰期結(jié)束，氣候仍有變動(dòng)。這期間至少可以分個(gè)寒冷時(shí)期與個(gè)溫暖時(shí)期：第一個(gè)寒冷期：它出現(xiàn)在約年前，主要寒期在公元前年前后。程度比較微弱。第三個(gè)寒冷期：它約在公元前年到公元年之間，主要冷期在公元前年前第四個(gè)寒冷期：它約出現(xiàn)在公元年之間，即小冰河期。次溫暖時(shí)期主要出現(xiàn)于距今年，年左右以及公元年之間。對于近代氣候變化在下一小節(jié)詳細(xì)闡述。近代氣候變化都是由觀測儀器所測得氣候各要素的長期變化情況，故有時(shí)也稱器測氣候變化。 (一)氣溫圖是全球氣溫的變化曲線，從此圖可以看到，全球氣溫在年左右比較低，從世紀(jì)末氣溫又略有上升，但從世紀(jì)伊始到世紀(jì)初(大約在年左右)氣溫又下降，到年，全球氣溫上許多學(xué)者認(rèn)為地球正在變冷；然而從年代末，全球氣溫又很快上升，到了年代，全球的增溫速率比起年代增溫要快得多，年冬是全球近年來最暖。圖全球百年來氣溫距平的變化(單位： (引自兩半球氣溫變化有一定的相似性，但也有不同。北半球氣溫變化與全球比較相似，而南半球在世紀(jì)中期到世紀(jì)末，氣溫并沒有多大變化，比較穩(wěn)定。與北半球一樣，從世紀(jì)初到年代，南半球氣溫有所下降，但從年代起氣溫也很快上升，到了年代達(dá)到最高點(diǎn)；在年代之后南半球又下降，一直到年代末；從年代末南半球的氣溫與北半球氣溫變化一樣，也在上升。南、北半球氣溫變化的相似性再一次說明了氣候變化具有全球性的特征。因此，無論北半球或者南半球，從年以來到現(xiàn)在平均氣溫均有不同程度的升高，對于全球平均而言，全球大約升高了，而從年這年全球大約升高了這是一個(gè)不小的數(shù)值，有些區(qū)域冬季平均氣溫升高可能達(dá)之多。 (二)降水估計(jì)全球降水量的變化其科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值可能比平均氣溫變化的意義更大。然而，由于降水無論空間或時(shí)間的變率都比較大，而且在廣大海洋上幾乎無法得到降水的長時(shí)期觀測值，因此，迄今還沒有見到全球平均降水的年代際百年時(shí)間尺度的變化。但是在陸地和一些重要區(qū)域，如南亞、東亞、北非、歐洲和北美洲有較詳細(xì)的降水年代際和百年時(shí)間尺度的變化。根據(jù)胡爾默)的研究，正如圖所示，世紀(jì)初一直到年代，全球陸地降水偏少；從年代到年代末，全球陸地降水增加；但從年代降水減少，并從年代降年代末全球陸地降水又減少。圖全球陸地平均降水量變化(引自北半球各緯度帶降水變化并不一致，中緯度地區(qū)月份或月份的降水量年代際百年時(shí)間尺度變化較大，而在副熱帶、熱帶降水量的年代際變化較??；并且，在中緯度地區(qū)降水量變化與氣溫變化是相反的，氣溫下降，降水反而增加。因此在北半球中緯度地區(qū)，隨著氣溫回升，降水反而減少，降水在世紀(jì)年代最小，年代隨著氣溫下降，反而增加；而在熱帶與副熱帶地區(qū)，月份降水與北半球氣溫變化同位相，即氣溫升高，降水也隨之升高。當(dāng)今最引人注目的降水量年代際百年時(shí)間尺度的變化是西非薩赫勒地區(qū)的降明顯減少，出現(xiàn)持續(xù)干旱，并不斷加劇，迄今仍處于持續(xù)干旱期。圖西非薩赫勒地區(qū)降水量標(biāo)準(zhǔn)距平的年際變化() (引自，后又補(bǔ)充資料)我國處于東亞的副熱帶和中緯度地帶，東臨太平洋，西有青藏高原，東部處于東亞季風(fēng)區(qū)，西部處于內(nèi)陸干旱地帶。 (一)我國氣候的特征四季分明，降水集中在夏季由于我國處于副熱帶和中緯度地區(qū)，大部分地區(qū)的氣候?qū)儆趤啛釒Ш蜏貛夂?，因此，我是在華北地區(qū)，夏季降水量可占全年降水量左右；秋季，秋高氣爽，降水由北向南逐漸減由于我國降水主要集中在夏季，因此，大部分旱澇災(zāi)害也發(fā)生在夏季。氣溫、降水在空間分布嚴(yán)重非均勻由于我國地形復(fù)雜，東部又屬于季風(fēng)氣候，氣溫和降水在空間分布嚴(yán)重非均勻。正如圖 所示，我國多年平均的年降水量從東南向西北遞減，在江南年降水量可達(dá)左右，而廣大西北地區(qū)年降水量不足，有不少地區(qū)年降水量還不到。然而，水面蒸發(fā)量卻是由東南向西北增加，在西北的戈壁灘或沙漠地區(qū)水面蒸發(fā)量可達(dá)季，尤其是華北和東北地區(qū)。圖中國年氣候平均年總降水量的分布(單位：我國氣溫冬季是由北向南升高，夏季我國東部濕熱，而西部干熱。 (二)我國氣候區(qū)劃由于我國氣溫與降水在空間嚴(yán)重不均勻，這就構(gòu)成了多種氣候區(qū)。我國氣候區(qū)劃有各種區(qū)劃法，不同研究者從不同氣候要素出發(fā)就可得不同氣候區(qū)劃。下面，按照濕潤指數(shù)來劃分氣候根據(jù)我國氣候濕潤指數(shù)分布，我國氣候區(qū)可劃分為：濕潤區(qū)：主要位于長江流域，特別江南地區(qū)、四川盆地、云貴高原、華南地區(qū)和東南沿海。從圖可以看到，這些地區(qū)年降水量大于左右。這)半濕潤區(qū)：主要位于東北和華北平原，如圖所示，年降水量為左右。這左兩個(gè)地區(qū)由于氣候變化的緣故，從世紀(jì)年代以來干旱化非常嚴(yán)重。半干旱區(qū)：主要位于華北的西北部、內(nèi)蒙古與河套地區(qū)，年降水量為左右。同樣，由以氣候變化，這個(gè)地區(qū)從年代至今干旱化也很嚴(yán)重。廊的西部和南疆地區(qū)，年降水量不到。而這些地區(qū)水面蒸發(fā)量超過，如敦煌地區(qū)年降水量不到，而水面蒸發(fā)量可達(dá)。這些地區(qū)到處是沙漠、戈壁，植被稀少，只有在沙漠綠州中可見到一些農(nóng)作物。二、我國降水年代際變化特征由于我國地處東亞季風(fēng)區(qū)，氣候變化主要取決于東亞季風(fēng)的強(qiáng)弱。而東亞季風(fēng)不僅受印度西南季風(fēng)和跨赤道氣流的作用，而且還受到西太平洋副熱帶高壓和中緯度西風(fēng)帶擾動(dòng)系統(tǒng)的影響，因此，東亞季風(fēng)的變化比較復(fù)雜，這就使得我國氣候不僅有很大的年代際變化，而且有很大的年際變化。 (一)我國降水的年代際變化圖是我國年降水距平的變化，可以看到，我國降水有明顯的年代際變化，具有的變化周期，平均周期為。從圖還可以看到在世紀(jì)初，年代、年代、年代和從年代末到年代初我國降水偏少；而在世紀(jì)年代、年代初、年代上半期、年代上半期和年代初我國降水偏多。圖中國年降水量距平百分率的變化 (氣候平均取的平均)(引自王紹武， (二)我國夏季降水的年代際變化由于我國東部處于季風(fēng)區(qū)，夏季降水占全年降水的主要部分，因此，夏季降水的變化可以大概表征年降水量的變化。圖和分別是世紀(jì)和年代(年)我國夏季降水距平百分率的分布。從圖可以看到，在年代，華北和黃河流域、長江和淮河流域、華南和東北中部夏季降水偏多，而西北和南嶺以北的江南地區(qū)降水偏少，因此，可以說，在年代全國降水以偏多為主，無論是華北和黃河中下游或是江淮流域，夏季發(fā)生洪澇偏多；而到年代，正如圖所示，我國出現(xiàn)了一個(gè)與年代大致相反的降水距平分布，在華北地區(qū)、江淮流域和東北地區(qū)降水從偏多變成偏少，一個(gè)負(fù)距平中心位于黃河中游，華北地區(qū)開始出現(xiàn)偏旱現(xiàn)象，而江南地區(qū)夏季降水從偏少變成偏多；到了年代，我國華北地區(qū)北部和黃河中游的降水繼續(xù)減少(見圖，華北地區(qū)和黃河中游的干旱趨勢繼續(xù)，并且長江中下游地區(qū)、西南地區(qū)降水由偏多變成偏少，相反，西北地區(qū)的降水由偏少變成偏多，可以說，到了年代，正如圖所示，華北和華南地區(qū)的降水偏少加劇，干旱趨勢加重，但是，長江中下游和江淮地區(qū)的降水由偏少變成偏多，洪澇明顯增多，這些地區(qū)似乎又從少水期變成多水期；到了年代，正如圖所示，華北中圖我國各年代的夏季降水距平百分率分布(氣候平均值取年平均為標(biāo)準(zhǔn)值)世紀(jì)與圖相比較，可以看到，我國和年代的氣候與年代相比，發(fā)生了很大變化。從上面分析結(jié)果還可以看出，我國降水距平年代際的變化，華南地區(qū)的降水變化與華北比較一致，而江淮流域的降水變化與東北北部的變化比較一致，從南到北呈現(xiàn)出一遙相關(guān)型，這種變化似如一波列的分布。三、我國降水的年際變化由于受亞洲季風(fēng)與西太平洋副熱帶高壓的共同作用，我國長江流域、黃河流域旱澇年際變化是很大的。 (一)我國降水的年際變化規(guī)律圖分別是我國多個(gè)測站年月降水分析的第一主分量的特征函數(shù)分布與時(shí)間系數(shù)的變化。從時(shí)間系數(shù)的變化可以看到，從世紀(jì)年代中期以后到年代，我國東部降水明顯存在著準(zhǔn)兩年周期，而從年代到年代中，我國東部降水年際變化的準(zhǔn)兩年周期不明顯。從圖可以看到，這個(gè)準(zhǔn)兩年周期的降水變化主要位于長江中下游和淮河流域、江南和華北地區(qū)。圖中國東部月總降水量分析第一主分量特征函數(shù)的空間分布與相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)變化)第一主分量特征函數(shù)的空間分布；)相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)的變化 (二)我國區(qū)域夏季旱澇的年際變化一般來說，用某測站降水的距平百分率的變化能清楚而直觀地反映該測站周圍的降水變化。由于我國東部是處于東亞季風(fēng)區(qū)，降水主要集中在夏季，因此，計(jì)算某區(qū)域所有測站平均的夏季月)降水距平百分率的年際變化可以表現(xiàn)此區(qū)域降水的年際變化。我們計(jì)算了我國各區(qū)域夏季月)降水距平的年際變化。圖與分別給出黃河流域、華北地區(qū)和江淮流域夏季降水距平的年際變化。圖中國東部地區(qū)夏季降水距平百分率的年際變化)黃河流域和華北地區(qū)；)江淮流域若詳細(xì)分析年江淮地區(qū)的夏季降水距平百分率的年際變化，可以看到和年江淮流域的降水偏少，尤其在和年夏季，江淮流域降水偏少了成，發(fā)生干旱；相反，在和年夏季，江淮流域的降水偏多，尤其在和年夏季，江淮流域的降水偏多成以上，造成了嚴(yán)重洪澇。特別要提到年夏季，如圖所示，長江流域、嫩江和松花江流域地區(qū)發(fā)生了歷史上罕見的特大洪澇災(zāi)害，夏季降水比正常多倍以上，造成了嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。圖年中國東部夏季降水距平百分率分布圖從上面的觀測事實(shí)可以看到，江淮流域夏季降水的年際變化與華北地區(qū)、黃河流域的降水的年際變化有相反的趨勢。一般，若江淮流域的降水偏多，則華北地區(qū)、黃河流域的降水偏少，這種情況往往發(fā)生在赤道東太平洋海溫處于升高階段，即發(fā)生在事件的發(fā)展階段，或者發(fā)生在菲律賓周圍對流活動(dòng)弱的夏季；相反，若江淮流域的降水偏少，則江南地區(qū)往往發(fā)生洪澇，華北地區(qū)、黃河流域的降水正?；蚱?，這往往發(fā)生在赤道東太平洋海溫處于下降階段，即發(fā)生在事件的衰減階段，或發(fā)生在菲律賓周圍對流強(qiáng)的夏季。四、我國氣溫的年代際變化特征 (一)我國氣溫的年代際變化特征圖是我國氣溫距平的變化。從圖可以看到，我國氣溫變化有明顯的年代際變化。它的變化與全球氣溫的年代際變化比較一致，在世紀(jì)初我國氣溫偏低偏冷，從 年代氣溫回升一直到年代；從年代氣溫開始下降，但從年代末氣溫又回升到年代末，特別在年代，氣溫回升很快，增溫率明顯大于年代的增溫由于我國大部分屬于東亞季風(fēng)氣候，各區(qū)域氣溫的變化很不一樣，冬季受東亞冬季風(fēng)影于夏季氣溫變化比較小，并比較復(fù)雜，故本章只闡述冬季。 (二)我國區(qū)域氣溫的年代際變化圖和分別是世紀(jì)和年代我國冬季氣溫距平百分率圖中國年平均氣溫的距平變化(引自王紹武，圖我國冬季氣溫距平的年代際分布(氣候平均值取年的平均單位：)“一”；陰影區(qū)表示氣溫距平大于＋ (按照國際規(guī)定，以年各月氣溫平均值為氣候標(biāo)準(zhǔn)值)。從圖可以看到，年代我國除東南沿海和西南氣溫偏高外，其余地區(qū)氣溫偏低，特別是東北與華北北部氣溫約低 ℃左右；正如圖所示，年代我國氣溫除江南外，其余地區(qū)氣溫偏低，但程度不如 年代；到了年代，我國除西南外，其余地區(qū)氣溫略偏高，在華北北部和內(nèi)蒙東部氣溫比氣候平均值約偏高了以上(見圖；到了年代，如圖所示，我國除江南地到了年代，如圖所示，我國除西南長江上游地區(qū)外，全國氣溫偏高，在華北和東北一些地區(qū)，氣溫偏高℃以上。這種升溫趨勢如圖所示，年代與年代氣溫之差反映更清楚。圖表明了除西南地區(qū)外，我國大部分地區(qū)冬季均不同程度升溫，升溫最劇烈的中心位于我國內(nèi)蒙、華北北部和東北地區(qū)。這種升溫趨勢可能是由于人類活動(dòng)所引起的全球增溫的反映。圖我國世紀(jì)年代與年代冬季氣溫的差(單位：)圖中陰影區(qū)表示氣溫距平大于＋從上述我國氣溫的年代際變化特征可以看出，我國氣溫的變化似乎有從南到北變化的特征；并且從世紀(jì)年代起增溫趨勢非常明顯，特別年代有加快增溫的趨勢。年代氣溫異從上述我國夏季氣溫距平的各年代際變化特征還可以看出，年代氣溫異常的分布正好與年代相反，這可能是由于熱帶太平洋發(fā)生了“年代際這似乎表明我國夏季氣溫的變化更反映氣候系統(tǒng)的自然變化。第四節(jié)我國的氣候?yàn)?zāi)害種類與分布特征我國是世界上氣候脆弱區(qū)之一。由于受氣候年際變化的影響，氣候異常經(jīng)常在我國發(fā)生，這些氣候異常給我國帶來的氣候?yàn)?zāi)害比較嚴(yán)重，尤其是旱澇災(zāi)害，這些災(zāi)害每年造成約億的糧食損失和千余億元的經(jīng)濟(jì)損失。氣候?yàn)?zāi)害的形成及預(yù)測已成為我國大氣科學(xué)的前沿研究問題，我國大氣科學(xué)界一直重視這個(gè)問題的研究。一、氣候?yàn)?zāi)害及其對國民經(jīng)濟(jì)的影響世紀(jì)年代以來，我國因氣象災(zāi)害而造成的經(jīng)濟(jì)損失每年平均在億元以上。年夏季淮河流域及長江中、下游地區(qū)發(fā)生的特大洪澇以及華南和河套地區(qū)的干旱約造成億元的經(jīng)濟(jì)損失；而年江淮流域的嚴(yán)重干旱及華南與遼南地區(qū)的洪澇造成的經(jīng)濟(jì)損失竟達(dá)億元；年夏季，我國長江流域、嫩江與松花江流域發(fā)生了我國在世紀(jì)第到國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的億元的經(jīng)濟(jì)損失。一般年份，氣象災(zāi)害造成的糧食經(jīng)濟(jì)損失可占到國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的害造成的損失嚴(yán)重，而其中以干旱與雨澇兩種氣候?yàn)?zāi)害最為嚴(yán)重，約占?xì)庀鬄?zāi)害總損失的。因此，研究旱澇氣候?yàn)?zāi)害的發(fā)生特征及規(guī)律，特別是對旱澇氣候?yàn)?zāi)害的預(yù)測是當(dāng)前一項(xiàng)重要的科學(xué)研究任務(wù)。圖我國各種氣象災(zāi)害造成的糧食損失占全部氣象災(zāi)害總損失的百分率二、我國氣候?yàn)?zāi)害的主要種類和類型 (一)我國氣候?yàn)?zāi)害的主要種類干旱：干旱是我國最常見、也是影響最大的氣候?yàn)?zāi)害，每年因干旱造成的糧食減收和經(jīng)濟(jì)損失大約占?xì)庀鬄?zāi)害造成的總損失的左右。全國各地一年四季均可發(fā)生干旱，我國平均每年因干旱受災(zāi)的耕地面積約億畝億)左右，占我國耕地總面積約左右。嚴(yán)重干旱年份降水量可比常年少成，個(gè)別季度能比常年平均少成。由于氣候變化，我國華北地區(qū)在年以后，降水連年減少，年代的年降水量約比年代年平均降水量減少了，造成了嚴(yán)重干旱。由于干旱，造成了水資源短缺，水資源缺乏致使華北地區(qū)人均水資源占有量只有全國平均的，耕地畝均水資源占有量只有全國平均的。干旱與水資源缺乏已嚴(yán)重影響了華北地區(qū)人民的生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性發(fā)展。雨澇：雨澇是我國另一種常見的氣候?yàn)?zāi)害，它每年造成的糧食和經(jīng)濟(jì)損失約占所有氣生洪澇，僅安徽、江蘇兩省糧食就減產(chǎn)億。我國平均每年因雨澇受災(zāi)農(nóng)田面積約億左右。雨澇主要發(fā)生在夏季，但春、秋季甚至冬季也時(shí)有發(fā)生。例如，年冬季，華南就發(fā)生了幾十年不遇的洪澇災(zāi)害。夏季低溫：除了降雨量的多少可形成氣候?yàn)?zāi)害外，氣溫長時(shí)間的偏低或偏高也能造成災(zāi)害。東北地區(qū)是我國重要的糧食基地，一般說來，這里夏季溫度適宜，雨水豐富，對一年一熟的作物適宜，但是，有的年份夏季出現(xiàn)低溫就可能嚴(yán)重影響作物生長。因此，夏季低溫是造成我國東北地區(qū)糧食減產(chǎn)最嚴(yán)重的氣候?yàn)?zāi)害，年和年東北地區(qū)因夏季低溫冷害，糧食減產(chǎn)分別為億和億霜凍：春、秋季的霜凍也是一種經(jīng)常發(fā)生的氣候?yàn)?zāi)害。因?yàn)榍锛境跛掌谔崆埃蛘叽杭窘K霜日期推遲，都意味著氣溫的長時(shí)期變化，它將嚴(yán)重影響作物的生長與成熟，從而可嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量，所以，雖然霜凍只是一種天氣現(xiàn)象，但通常人們把它作為氣候?yàn)?zāi)害來看。一旦初霜日提前，秋季氣溫偏低，而終霜日推遲，則春季氣溫偏低。初霜日或終霜日早、晚能相差，造成嚴(yán)重霜凍災(zāi)害。江南低溫陰雨：對于我國南方地區(qū)，春季的低溫陰雨也是嚴(yán)重的氣候?yàn)?zāi)害。春季的低溫陰雨主要造成爛秧和死苗，從而影響早稻生產(chǎn)。嚴(yán)重春季低溫陰雨年，爛秧率可達(dá)，重者可達(dá)均大的毀壞作用。牧區(qū)。這些地區(qū)若冬半年積雪量過多，積雪持續(xù)不化，使草場部分或全部被雪掩埋，牲畜無法采食，加上雪后常出現(xiàn)劇烈降溫，造成牲畜因凍餓而死亡，疾病的傳染又會(huì)加劇其影響。除了以上幾類主要的氣候?yàn)?zāi)害外，還有臺(tái)風(fēng)也是影響我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，嚴(yán)重危害人民生命財(cái)產(chǎn)的天氣災(zāi)害。單個(gè)臺(tái)風(fēng)的影響只是天氣災(zāi)害，而登陸臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)多少所造成的災(zāi)害應(yīng)是氣候?yàn)?zāi)害。登陸我國的臺(tái)風(fēng)有很大的年際變化，年平均每年登陸個(gè)，最多達(dá)個(gè) 年)，最少個(gè)(年)。 (二)氣候?yàn)?zāi)害的類型上面所述的我國主要?dú)夂驗(yàn)?zāi)害從其發(fā)生機(jī)理看，可以分為種類型；第類型是由于降水異常所造成，如干旱、雨澇、雪災(zāi)；第類是氣溫異常所造成，如夏季低溫、霜凍、寒害；第類是氣溫與降水異常所造成的，如春季連陰雨。三、我國主要?dú)夂驗(yàn)?zāi)害的發(fā)生和分布特征 (一)主要?dú)夂驗(yàn)?zāi)害發(fā)生的頻率及分布我國由于處于東亞季風(fēng)區(qū)，各種氣候?yàn)?zāi)害出現(xiàn)的頻率隨季節(jié)和地理位置而變化。干旱分布特征干旱主要發(fā)生在我國西北和華北地區(qū)。西北地區(qū)由于年降水量很少，一年四季均可發(fā)生干旱，屬于干旱氣候。我國華北降水量年際和季節(jié)變化很大，特別是黃淮地區(qū)頻繁發(fā)生干旱。雖然我國大部分地區(qū)干旱發(fā)生頻率在，對每個(gè)季節(jié)來講，大約為年一遇，但華北和西南地區(qū)干旱發(fā)生頻率隨季節(jié)變化較大，華北和西南地區(qū)春季干旱發(fā)生頻率可達(dá)到(見圖，為年兩遇；其次是長江、淮河流域夏季干旱也時(shí)常發(fā)生。圖我國春季干旱發(fā)生頻率(單位：)圖中陰影區(qū)表示發(fā)生頻率大于雨澇分布特征雨澇發(fā)生頻率稍低，約為，大約年一遇。雨澇災(zāi)害主要發(fā)生在長江中、下游地區(qū)和東南沿海，夏季這些地區(qū)雨澇發(fā)生頻率可達(dá)左右，為年一遇，而且強(qiáng)度大、影響范圍廣。如和年夏季，在長江流域或淮河流域發(fā)生了特大洪澇，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。低溫的分布特征夏季低溫一般發(fā)生在我國東北(包括內(nèi)蒙古)。我國東北地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受夏季低溫危害最大，近年來，嚴(yán)重低溫年就有和年，再加上一般低溫冷害年，出現(xiàn)頻率約達(dá)到年一遇。其他地區(qū)夏季低溫較少見。霜凍的分布特征出現(xiàn)在秋季的偏早初霜凍與出現(xiàn)在春季偏晚終霜凍出現(xiàn)頻率各約年一遇；偏早初霜凍與偏晚終霜凍的頻率各約年一遇；二者合在一起，早初霜凍與晚終霜凍的出現(xiàn)頻率各約年一遇。春季終霜凍偏遲的高頻區(qū)位于內(nèi)蒙古東部和華北西部，長江中、上游地區(qū)有次高區(qū)；而秋季初霜凍偏早的高頻區(qū)位于華北西部和華南丘陵地區(qū)，特早初霜凍高頻地區(qū)位于內(nèi)蒙古東部和華北西部。雪災(zāi)的分布特征雪災(zāi)的高頻區(qū)，冬季在內(nèi)蒙古東部、青藏高原東部以及新疆的天山一帶，春、秋季主要在高原東部，頻率均在，約年一遇。內(nèi)蒙古東部和天山一帶春、秋季兩季卻下降到寒害的分布特征寒害對華南地區(qū)影響比較嚴(yán)重，影響華南寒害有冬季寒潮、春季低溫和秋季寒露風(fēng)。無論是冬季寒潮、春季低溫還是秋季寒露風(fēng)，其發(fā)生頻率分布均自南向北增加。但由于北方冬季一般無作物生長，長江流域一些越冬作物一般抗寒能力較強(qiáng)，華南由于冬季有各種作物、蔬菜和水果均在生長。因此華南受到寒害的影響比較嚴(yán)重。我國除海南島南部無寒害外，自南向北寒害平均每年由次增加到次，春季低溫也是由次增加到次，秋季寒露風(fēng)也是由次增加到次。登陸臺(tái)風(fēng)的分布特征臺(tái)風(fēng)本應(yīng)屬于天氣災(zāi)害，但每年臺(tái)風(fēng)生成多少或登陸我國臺(tái)風(fēng)的個(gè)數(shù)則屬于氣候。每年在我國登陸的臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)大約為個(gè)，在近年(年)期間達(dá)到個(gè)以上的，有和年。但是，受災(zāi)情況不僅決定于臺(tái)風(fēng)登陸個(gè)數(shù)，而且還與登陸時(shí)間及地點(diǎn)有關(guān)。我國以東南沿海臺(tái)風(fēng)災(zāi)害最頻繁，夏季是高頻期，平均每年發(fā)生次，高頻中心位于福建省；秋季臺(tái)風(fēng)災(zāi)害次多；春季最少，平均每年約次左右。 (二)主要?dú)夂驗(yàn)?zāi)害發(fā)生的季節(jié)、年際和年代際變化從上分析可以看到，我國氣候?yàn)?zāi)害隨季節(jié)變化很大。旱澇主要發(fā)生在春、夏季；臺(tái)風(fēng)與低溫主要發(fā)生在夏季；而寒害和雪災(zāi)主要發(fā)生在冬季；霜凍災(zāi)害主要發(fā)生在春、秋季。各種重大氣候?yàn)?zāi)害發(fā)生的頻率大部分均在年一遇。這樣如果以季為單位，并且考慮到不同地區(qū)的影響，則全國每年可能發(fā)生重大氣候?yàn)?zāi)害約次左右，有些年份氣候條件差，各種氣候?yàn)?zāi)害同時(shí)發(fā)生，從而造成嚴(yán)重自然災(zāi)害；有些年份則相對氣候條件較好，風(fēng)調(diào)雨順，糧食豐收。這些氣候?yàn)?zāi)害還有很大的年代際變化，總的情況大體上是：世紀(jì)年代除雨澇災(zāi)害較多外，其他災(zāi)害不多；年代氣候?yàn)?zāi)害最頻繁，干旱、雨澇、霜凍等重大災(zāi)害多發(fā)生在年期間；年代干旱發(fā)生頻率增加，其他災(zāi)害頻次低于年代，但與年代相當(dāng)，仍遠(yuǎn)大于年代；年代嚴(yán)重旱澇災(zāi)害發(fā)生的頻率增加。從上所述可以看出，我國氣候?yàn)?zāi)害發(fā)生頻繁，給我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)帶來很大損失。因此，不僅要分析各種氣候?yàn)?zāi)害發(fā)生的頻率，而且還要研究各種氣候?yàn)?zāi)害的成因，以便做好氣候?yàn)?zāi)害的預(yù)測和防御，從而減少氣候?yàn)?zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)所造成的損失。近年來，由于世界許多地方發(fā)生了大范圍的干旱、洪澇、嚴(yán)寒與酷暑，這給世界人民帶來嚴(yán)重的災(zāi)害，因此，人們愈來愈重視氣候變化的預(yù)測，特別是短期氣候變化的預(yù)測。要預(yù)測短期氣候變化首先必須弄清它變化的物理機(jī)制，在世界氣候研究計(jì)劃中把研究短期氣候變化的物理基礎(chǔ)作為第一目標(biāo)，因此，在本章著重研究短期氣候變化的物理機(jī)制。第五節(jié)北半球大氣環(huán)流和氣候異常遙相關(guān)氣候除了年代際變化，還有年際和季內(nèi)變化。氣候和大氣環(huán)流異常的遙相關(guān)現(xiàn)象就是氣候變化一種典型的現(xiàn)象。近年來，在世界上許多地方發(fā)生了大范圍的干旱與洪澇，給世界上一些地區(qū)的人民帶來嚴(yán)重的災(zāi)害。我國與世界某些區(qū)域一樣，不斷遭受干旱與洪澇的威脅，特別是長江、黃河流域不斷發(fā)生嚴(yán)重的洪澇與干旱。這些洪澇與干旱都是大氣環(huán)流發(fā)生持續(xù)性異常所造成的。然而，這些地區(qū)的氣候和大氣環(huán)流異常并不是孤立的，而是與其他有關(guān)區(qū)域的氣候和大氣環(huán)流的異常是互相聯(lián)系。這些聯(lián)系又稱遙相關(guān)。一、北半球冬季大氣環(huán)流和氣候異常遙相關(guān)研究表明，某區(qū)域大氣環(huán)流和氣候的異常不僅僅是由該區(qū)域大氣的動(dòng)力、熱力異常所造成，它也可能是由于其他一些區(qū)域的環(huán)流異常傳播所造成，因此，一個(gè)區(qū)域氣候變化、大氣環(huán)流的異常可以引起另一些區(qū)域氣候變化和大氣環(huán)流的異常，這種區(qū)域性環(huán)流異常或它所引起的氣候要素異常的相關(guān)性就稱為遙相關(guān)(關(guān)于北半球冬季大氣環(huán)流遙相關(guān)的研究是比較多，也是比較早的。早在世紀(jì)年代，與就系統(tǒng)地分析地面氣象要素，從海平面氣壓的變化發(fā)現(xiàn)了大西洋與歐洲之間的海平面氣壓、地表面附近的空氣溫度存在著明顯的遙相關(guān)現(xiàn)象。到年代，與利用海平面氣壓與異常存在著幾種遙相關(guān)型：利用海平面氣壓與異常存在著幾種遙相關(guān)型： (一)太平洋／北美型(簡稱為如圖所示，這種環(huán)流的異常型表現(xiàn)為當(dāng)副熱帶太平洋高壓加強(qiáng)，位于阿留申地區(qū)的低壓加深，位于北美西北部的脊加強(qiáng)，美國東部的低壓槽加深，可造成美國冬季嚴(yán)寒天氣。圖型遙相的示意圖(引自 (二)西大西洋型(簡稱為型)這種環(huán)流異常型表現(xiàn)為當(dāng)大西洋副熱帶高壓弱，冰島低壓就弱；反之，當(dāng)大西洋副熱帶高 (三)東大西洋型(簡稱為型)這種型表現(xiàn)為當(dāng)北大西洋上空的高壓強(qiáng)，則在副熱帶大西洋與西歐上空的低壓也強(qiáng)；反之當(dāng)北大西洋上空的高壓弱，則在副熱帶大西洋與西歐上空的低壓也弱。 (四)歐亞型(簡稱型)這種環(huán)流異常型表現(xiàn)為當(dāng)西歐上空的高壓脊加強(qiáng)，則在西伯利亞上空的槽就會(huì)加深，而在中國的東北和日本一帶的高度場出現(xiàn)正距平的異常；反之，當(dāng)西歐上空的高壓脊減弱，在西伯利亞上空的槽變?nèi)?，在我國東北、日本一帶的高度場異常為負(fù)距平。這種遙相關(guān)型對于我國冬、夏季大氣環(huán)流和氣候異常有著重要影響。 (五)西太平洋型(簡稱為型)這種環(huán)流異常型表現(xiàn)為當(dāng)阿留申低壓強(qiáng)，西太平洋副熱帶高壓就強(qiáng)；反之，當(dāng)阿留申低壓弱，西太平洋副熱帶高壓就弱。從上面冬季大氣環(huán)流異常