气候系统及其变化分解.ppt

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1、第第1 1讲讲 气候系统及其变化气候系统及其变化1.1.什么是天气和气候以及什么是天气和气候以及气候变化与气候变率？气候变化与气候变率？天气是指在短时间内（天气是指在短时间内（1-31-3天左右）发生的天气现象天左右）发生的天气现象，如暴雨，大风，雷暴，高温等。如暴雨，大风，雷暴，高温等。气候一般是指平均天气气候一般是指平均天气。因。因而天气与气候变化是相互关联和交织在一起的，人们观测和而天气与气候变化是相互关联和交织在一起的，人们观测和感觉到的是天气变化。虽然天气与气候是密切相关的，但它感觉到的是天气变化。虽然天气与气候是密切相关的，但它们又有重要的差别们又有重要的差别：（：（1 1）人们可

2、以预测未来）人们可以预测未来5050年或年或100100年的年的气候，但不能预测未来几星期的天气，这是人们经常感到迷气候，但不能预测未来几星期的天气，这是人们经常感到迷惑的事，这将会在第二讲说明；（惑的事，这将会在第二讲说明；（2 2）在全球变暖条件下，）在全球变暖条件下，仍会发生寒冷的冬天或出现降冷的地区，这也是人们经常感仍会发生寒冷的冬天或出现降冷的地区，这也是人们经常感到不解的事情。但是如果看下面的图到不解的事情。但是如果看下面的图1 1，将会得到清楚的了，将会得到清楚的了解。这主要是因为总是存在着冷热的极值。但当对天气做时解。这主要是因为总是存在着冷热的极值。但当对天气做时空平均值，就

3、可以明显地突现出全球变暖的事实。空平均值，就可以明显地突现出全球变暖的事实。平均状态变化平均状态变化平均状态与平均状态与离差离差幅度同时变化幅度同时变化离差幅度变化离差幅度变化图11.1.气候系统组成及其对气候系统组成及其对气候变化的关系气候变化的关系 全球气候系统指的是一个由大气圈、水圈、全球气候系统指的是一个由大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈（陆面）和生物圈组成的高冰雪圈、岩石圈（陆面）和生物圈组成的高度复杂的系统，度复杂的系统，这些部分之间发生着明显的这些部分之间发生着明显的相互作用（图相互作用（图2 2）。在这个系统自身动力学和）。在这个系统自身动力学和外部强迫作用下（如火山爆发、太阳变化

4、、外部强迫作用下（如火山爆发、太阳变化、人类活动引起的大气成分的变化和土地利用人类活动引起的大气成分的变化和土地利用的变化），气候系统不断地随时间演变（渐的变化），气候系统不断地随时间演变（渐变与突变），而且变与突变），而且具有不同时空尺度的气候具有不同时空尺度的气候变化与变率变化与变率（月、季节、年际、年代际、百（月、季节、年际、年代际、百年尺度等气候变率与振荡）。年尺度等气候变率与振荡）。图2 气候系统及其圈层间相互作用过程概略示意图 气候系统的构成气候系统的构成 气候系统是地球系统的主要部分之一。地球系气候系统是地球系统的主要部分之一。地球系统还包括人类与生命系统，社会统还包括人类与生命

5、系统，社会经济方面等。经济方面等。它它是一个完整的、相互关联的具有复杂的代谢和自身是一个完整的、相互关联的具有复杂的代谢和自身调节机制的系统。它的生物过程与物理和化学过程调节机制的系统。它的生物过程与物理和化学过程强烈的相互作用，以此构成复杂的地球生命支持系强烈的相互作用，以此构成复杂的地球生命支持系统。因而不但需要分别研究系统中各个部分的特征统。因而不但需要分别研究系统中各个部分的特征与循环，而且必须研究整个系统的集成行为及各分与循环，而且必须研究整个系统的集成行为及各分系统的相互作用。这就需要打破传统学科的观念，系统的相互作用。这就需要打破传统学科的观念，研究各学科边界之间的交叉科学问题。

6、研究各学科边界之间的交叉科学问题。大气圈大气圈 大气圈是气候系统中大气圈是气候系统中最不稳定，变化最最不稳定，变化最快的部分。快的部分。大气圈不但受到其它四个圈层的大气圈不但受到其它四个圈层的直接作用与影响，而且直接作用与影响，而且与人类活动有最密切与人类活动有最密切的关系。的关系。人类主要生活在大气圈中，因而大人类主要生活在大气圈中，因而大气圈的状态和变化直接影响着人类的生存条气圈的状态和变化直接影响着人类的生存条件和各种活动。气候系统中其它圈层变化产件和各种活动。气候系统中其它圈层变化产生的最后影响结果都会反映在大气圈中。因生的最后影响结果都会反映在大气圈中。因而大气圈是气候系统的中心。大

7、气圈主要通而大气圈是气候系统的中心。大气圈主要通过其中大气成分及辐射收支的变化来影响地过其中大气成分及辐射收支的变化来影响地球的气候。球的气候。首先我们看大气圈中大气成分的变化。首先我们看大气圈中大气成分的变化。大气由各种气体和水大气由各种气体和水汽以及固、液态质点（气溶胶）、云等组成。汽以及固、液态质点（气溶胶）、云等组成。在气体中氮（在气体中氮（N N2 2）占占78.1%78.1%（体积混合比），氧（体积混合比），氧（O O2 2）占占20.9%20.9%，氩（，氩（ArAr）占占0.93%0.93%（表（表1 1）。但这些气体是所谓惰性气体，一般它们与入射的太阳辐）。但这些气体是所谓惰

8、性气体，一般它们与入射的太阳辐射相互作用甚小，与地球放射的红外长波辐射不相互作用，也就射相互作用甚小，与地球放射的红外长波辐射不相互作用，也就是说，他们既不吸收也不放射热辐射。是说，他们既不吸收也不放射热辐射。对地球气候有重大影响的对地球气候有重大影响的是大气中的许多痕量气体。是大气中的许多痕量气体。如二氧化碳（如二氧化碳（COCO2 2），），甲烷（甲烷（CHCH4 4），），氧氧化亚氮（化亚氮（N N2 2O O）和臭氧（和臭氧（O O3 3）。）。虽然这些气体只占大气总体积混合虽然这些气体只占大气总体积混合比的比的0.1%0.1%以下，但以下，但由于它们吸收和放射辐射，在地球能量收支中由

9、于它们吸收和放射辐射，在地球能量收支中起着基本的作用。所以这些气体又称温室气体。起着基本的作用。所以这些气体又称温室气体。大气中的水汽大气中的水汽（H H2 2O O）也是一种自然的温室气体，并且是最强的温室气体；由于也是一种自然的温室气体，并且是最强的温室气体；由于它可以通过相变转化成水滴、云滴与冰晶，因而对地球气候的变它可以通过相变转化成水滴、云滴与冰晶，因而对地球气候的变化影响很大，其体积混合比随时间和地点变化甚大，一般约占大化影响很大，其体积混合比随时间和地点变化甚大，一般约占大气总体积混合比的气总体积混合比的1%1%左右。臭氧（左右。臭氧（O O3 3）在地球的能量收支中也起在地球的

10、能量收支中也起着重要作用。大气圈下层（对流层和平流层下部）的着重要作用。大气圈下层（对流层和平流层下部）的O3O3是一种温是一种温室气体，而平流层中上层的室气体，而平流层中上层的O O3 3浓度很高，形成了自然的臭氧层，浓度很高，形成了自然的臭氧层，它吸收太阳紫外辐射，在平流层的辐射平衡中起着重要作用。大它吸收太阳紫外辐射，在平流层的辐射平衡中起着重要作用。大气中悬浮的固、液态质量（气溶胶）与云以极其复杂的方式与入气中悬浮的固、液态质量（气溶胶）与云以极其复杂的方式与入射太阳辐射和射出长波辐射相互作用，从而影响地球的气候变化，射太阳辐射和射出长波辐射相互作用，从而影响地球的气候变化，近年来日益

11、引起人们的关注。近年来日益引起人们的关注。水圈及其循环水圈及其循环 水圈由所有的液态地表和地下水组成，既包括水圈由所有的液态地表和地下水组成，既包括淡水（如江河，湖以及岩层中的水）也包括海洋的淡水（如江河，湖以及岩层中的水）也包括海洋的咸水。咸水。这些水都通过复杂的水圈相互联系在一起这些水都通过复杂的水圈相互联系在一起（图（图3 3）。海洋和陆面的水通过蒸发或蒸散，以水汽）。海洋和陆面的水通过蒸发或蒸散，以水汽的形成进入大气中，尤其是海洋中的水汽大量的被的形成进入大气中，尤其是海洋中的水汽大量的被大气环流输送到陆地上空，在那里形成云、雨。降大气环流输送到陆地上空，在那里形成云、雨。降水的一部分

12、又以地表径流（主要是在河流中）的形水的一部分又以地表径流（主要是在河流中）的形式流入海洋，影响着海洋的盐分和环流。另一部分式流入海洋，影响着海洋的盐分和环流。另一部分渗透入地下变成地下径流和地下水。前者又可回流渗透入地下变成地下径流和地下水。前者又可回流到海洋，后者则储存于地下补充那里不断被采取的到海洋，后者则储存于地下补充那里不断被采取的地下水量。上述水圈循环周而复始，为地球的各种地下水量。上述水圈循环周而复始，为地球的各种系统提供必需的水源。系统提供必需的水源。l图图3：全球变暖将全球变暖将影响整个影响整个水循环过程水循环过程Bengtson,1998 在水圈中对气候影响最大的是海洋在水圈

13、中对气候影响最大的是海洋。海洋占地。海洋占地球面积的球面积的70%70%左右，它一方面可以储存与输送大量的左右，它一方面可以储存与输送大量的能量，同时还可以溶解与储存大量的能量，同时还可以溶解与储存大量的COCO2 2，是全球碳是全球碳循环中非常重要的部分。根据最近的估计海洋每年循环中非常重要的部分。根据最近的估计海洋每年可以吸收可以吸收1717亿吨碳，占化石燃料燃烧和工业生产排亿吨碳，占化石燃料燃烧和工业生产排放总量的放总量的27%27%。海洋的环流比大气环流要慢得多，它。海洋的环流比大气环流要慢得多，它是由盐分与温度梯度产生的密度差（即温盐环流）是由盐分与温度梯度产生的密度差（即温盐环流）

14、驱动的。驱动的。北大西洋温盐环流是对气候影响最显著的北大西洋温盐环流是对气候影响最显著的一种温盐环流。气候的突变与这种环流的突然减弱一种温盐环流。气候的突变与这种环流的突然减弱或关闭有关（图或关闭有关（图3 3）。）。图图4全球温盐环流输送带示意图全球温盐环流输送带示意图 海洋有很大的热惯性，这主要是由于海水的热容海洋有很大的热惯性，这主要是由于海水的热容量很大，量很大，它一方面可以阻尼或减缓巨大的强温度变它一方面可以阻尼或减缓巨大的强温度变化，起到了地球气候调节器的作用，另一方面，由化，起到了地球气候调节器的作用，另一方面，由于它有较长的记忆力（尤其是在热带海洋），可以于它有较长的记忆力（尤

15、其是在热带海洋），可以长时期内通过海气相互作用影响大气的变化，成为长时期内通过海气相互作用影响大气的变化，成为自然气候变率的源。自然气候变率的源。这就是为什么在目前设计的各这就是为什么在目前设计的各种复杂气候模式与碳循环模式中必须把海洋包括在种复杂气候模式与碳循环模式中必须把海洋包括在内。在赤道东太平洋中发生的厄尔尼诺和拉尼娜现内。在赤道东太平洋中发生的厄尔尼诺和拉尼娜现象（即该区域海表温度迅速升高或减少的现象）是象（即该区域海表温度迅速升高或减少的现象）是由海洋产生的最显著的自然变率，它已成为目前各由海洋产生的最显著的自然变率，它已成为目前各国进行年际预报和季节预报的最重要气候强信号。国进行

16、年际预报和季节预报的最重要气候强信号。岩石圈和陆面过程岩石圈和陆面过程 岩石圈是指固体地球的上层部分，既包括陆地，也包括岩石圈是指固体地球的上层部分，既包括陆地，也包括海洋。海洋。它由所有地壳表层岩石和上地幔中的低温弹性部分组它由所有地壳表层岩石和上地幔中的低温弹性部分组成。火山活动虽然是岩石圈的一部分，但不包含在气候系统成。火山活动虽然是岩石圈的一部分，但不包含在气候系统之中，而是作为一种自然的外强迫因子影响地球的气候。之中，而是作为一种自然的外强迫因子影响地球的气候。岩岩石圈与气候变化最密切相关的部分是地壳、地幔和陆面的结石圈与气候变化最密切相关的部分是地壳、地幔和陆面的结构。它们可通过改

17、变天气的化学成分影响地球的气候。构。它们可通过改变天气的化学成分影响地球的气候。这种这种现象被称为气候变化的地质构造原因。地壳分裂成不同的板现象被称为气候变化的地质构造原因。地壳分裂成不同的板块，板块又漂浮在地幔上。当两块板块相碰撞时，可引起一块，板块又漂浮在地幔上。当两块板块相碰撞时，可引起一系列的物理变化过程（图系列的物理变化过程（图5 5）。火山爆发，造山运动是物理）。火山爆发，造山运动是物理过程，可以改变地球上的气候，是目前地球大气成分的一个过程，可以改变地球上的气候，是目前地球大气成分的一个来源。在地质年代的气候变化中，这种地质构造变化的原因来源。在地质年代的气候变化中，这种地质构造

18、变化的原因十分重要，今后还将继续是重要的气候变化因子。十分重要，今后还将继续是重要的气候变化因子。陆面的结构或其粗糙度在风吹过陆面的时候也陆面的结构或其粗糙度在风吹过陆面的时候也可从动力学上影响大气。粗糙度一般决定于地形和可从动力学上影响大气。粗糙度一般决定于地形和植被条件。风也把沙尘从地表吹到大气中去，从而植被条件。风也把沙尘从地表吹到大气中去，从而影响区域大气辐射收支。沙尘暴的发生就是一个最影响区域大气辐射收支。沙尘暴的发生就是一个最明显的例子。明显的例子。图5 板块俯冲、海底扩张和造山运动的示意图生物圈生物圈 它它包括陆地和海洋以及所有的生态系统和生物。包括陆地和海洋以及所有的生态系统和

19、生物。通过生通过生物圈生物过程与物理和化学过程强烈地相互作用可以产生维物圈生物过程与物理和化学过程强烈地相互作用可以产生维持地球上生命系统赖以生存的环境。生物圈对大气成分有重持地球上生命系统赖以生存的环境。生物圈对大气成分有重要影响，例如生物过程通过海洋大量吸收要影响，例如生物过程通过海洋大量吸收COCO2 2以此控制着长期以此控制着长期的大气的大气COCO2 2浓度。通过植物浓度。通过植物浮游生物的光合作用减少海洋表浮游生物的光合作用减少海洋表层的层的COCO2 2含量，以此使大气中更多的含量，以此使大气中更多的COCO2 2溶解于海洋中（图溶解于海洋中（图6 6）。）。大约在海洋上层植物大

20、约在海洋上层植物浮游生物吸收的浮游生物吸收的25%25%碳又沉入海洋内碳又沉入海洋内部，在那里它不再与大气接触，储存于深海达几百或几千年，部，在那里它不再与大气接触，储存于深海达几百或几千年，这种所谓生物泵与上述这种所谓生物泵与上述COCO2 2的溶解过程控制着海气的的溶解过程控制着海气的COCO2 2交换交换分布型（图分布型（图7 7）。因而生物圈在碳循环中起着中心作用。陆）。因而生物圈在碳循环中起着中心作用。陆地生物群也是气候系统中的一个重要部分，其功能很多。例地生物群也是气候系统中的一个重要部分，其功能很多。例如陆地植被类型影响蒸发到大气的水分以及太阳辐射的吸收如陆地植被类型影响蒸发到大

21、气的水分以及太阳辐射的吸收或反射。植被根部的状况与活动也对碳与水储存以及陆气通或反射。植被根部的状况与活动也对碳与水储存以及陆气通量有重要作用。叶面指数是描述植物群冠作用的一个重要指量有重要作用。叶面指数是描述植物群冠作用的一个重要指数，它与全球和区域气候变化有密切的关联。数，它与全球和区域气候变化有密切的关联。陆地生态系统陆地生态系统的生物多样性影响关键生态系统过程的量级（如生产力），的生物多样性影响关键生态系统过程的量级（如生产力），对生态系统的长期稳定性有重要作用。对生态系统的长期稳定性有重要作用。图图6 6 海表和低层大气相互作用图海表和低层大气相互作用图排放径流气溶胶降雨感热潜热交换

22、干湿沉降pH调节氧化化学冰辐射海盐质点气体交换营养物浮游植物 细菌浮游动物 病菌光化学溶解有机物三种主要海洋碳泵制约着自然的大气三种主要海洋碳泵制约着自然的大气COCO2 2变化：溶解泵，生物碳泵和碳酸钙反泵。海洋对变化：溶解泵，生物碳泵和碳酸钙反泵。海洋对人类人类COCO2 2的吸收由海表无机碳的吸收与人类碳从海表到深海的吸收决定。如海洋环流不变，的吸收由海表无机碳的吸收与人类碳从海表到深海的吸收决定。如海洋环流不变，因为营养循环不变，生物泵不受太大影响。如果海洋环流减慢，人类碳的吸收由无机缓冲因为营养循环不变，生物泵不受太大影响。如果海洋环流减慢，人类碳的吸收由无机缓冲过程和物理输送决定。

23、但如果其下沉速度不变，海洋颗粒物通量可达到深海。过程和物理输送决定。但如果其下沉速度不变，海洋颗粒物通量可达到深海。图图7 7 海气界面与碳循环海气界面与碳循环冰冻圈冰冻圈 冰冻圈包括大陆冰川、雪区、海冰和冻土以及格陵兰和南冰冻圈包括大陆冰川、雪区、海冰和冻土以及格陵兰和南极的冰原。极的冰原。目前，冰川覆盖了全球地表约目前，冰川覆盖了全球地表约3%3%面积，它储存了面积，它储存了75%75%的非海洋水（淡水）。海冰占的非海洋水（淡水）。海冰占7%7%面积，永久冻土占陆面的面积，永久冻土占陆面的2025%2025%面积。冰冻圈对气候系统之所以重要是由于它对太阳面积。冰冻圈对气候系统之所以重要是由

24、于它对太阳辐射有较高的反射率（反照率），低热传导率，大的热惯性以辐射有较高的反射率（反照率），低热传导率，大的热惯性以及在驱动深海环流中的关键作用。它能影响地表能量与水汽通及在驱动深海环流中的关键作用。它能影响地表能量与水汽通量、云、降水、水文循环以及大气与海洋环流，但最明显的影量、云、降水、水文循环以及大气与海洋环流，但最明显的影响是对海平面高度。因为冰原储存了大量的水，其体积变化可响是对海平面高度。因为冰原储存了大量的水，其体积变化可引起海平面上升。如果包含近引起海平面上升。如果包含近90%90%世界冰川冰的南极冰原全部世界冰川冰的南极冰原全部融化，全球海平面将可能会升高融化，全球海平面将

25、可能会升高7070米。如果只是南极冰原西部米。如果只是南极冰原西部融化（这是很可能发生的，融化（这是很可能发生的，20022002年年3 3月已有其中的拉森月已有其中的拉森B B冰架冰架断裂与融化），也足以使海平面上升断裂与融化），也足以使海平面上升6 6米左右。因而冰川的质米左右。因而冰川的质量平衡代表了对海平面的一种直接影响。目前量平衡代表了对海平面的一种直接影响。目前冰川对海平面变冰川对海平面变化最直接的作用是通过高山冰川的融化与冰架边缘地区的融化化最直接的作用是通过高山冰川的融化与冰架边缘地区的融化实现的。据估计，近百年海平面上升的约一半高度是冰川融化实现的。据估计，近百年海平面上升的

26、约一半高度是冰川融化的结果。的结果。2.2.气候系统中各圈层的相互作用气候系统中各圈层的相互作用 气候系统的各圈层不是独立存在的，它们之间气候系统的各圈层不是独立存在的，它们之间发生着明显的相互作用，发生着明显的相互作用，这种相互作用不但有物理这种相互作用不但有物理的，化学的和生物的，还具有不同的时间与空间尺的，化学的和生物的，还具有不同的时间与空间尺度。从而使气候系统成一个非常复杂的系统。度。从而使气候系统成一个非常复杂的系统。气候气候系统的各圈层，虽然在组成、物理与化学特征、结系统的各圈层，虽然在组成、物理与化学特征、结构和状态上有明显的差别，但它们都是通过质量、构和状态上有明显的差别，但

27、它们都是通过质量、热量和动量通量相互联系在一起，因而这些圈层是热量和动量通量相互联系在一起，因而这些圈层是一个开放的相互联系的系统。一个开放的相互联系的系统。在气候系统各圈层相在气候系统各圈层相互作用中，最重要的是海气相互作用、陆气相互作互作用中，最重要的是海气相互作用、陆气相互作用和陆海相互作用。用和陆海相互作用。海气相互作用海气相互作用 海洋和大气强烈地耦合在一起，并通过感热输送、动量海洋和大气强烈地耦合在一起，并通过感热输送、动量输送和蒸发过程交换热量、水汽和动量。输送和蒸发过程交换热量、水汽和动量。热量和水汽是水文热量和水汽是水文循环的一部分，可产生凝结，形成云、降水与径流，并为天循环

28、的一部分，可产生凝结，形成云、降水与径流，并为天气系统提供运动的能量。另一方面，降水对海洋的盐度及其气系统提供运动的能量。另一方面，降水对海洋的盐度及其分布和热盐环流有影响。分布和热盐环流有影响。大气与海洋也交换大气与海洋也交换COCO2 2，都是全球碳都是全球碳循环的重要部分。循环的重要部分。COCO2 2在下沉到深海的极区冷水溶解，在近赤在下沉到深海的极区冷水溶解，在近赤道较暖的上升海水中释放从而维持一种平衡。道较暖的上升海水中释放从而维持一种平衡。虽然对于海气相互作用已认识到它的重要作用，并且也虽然对于海气相互作用已认识到它的重要作用，并且也进行了长期的观测和研究，但还有许多重要的问题了

29、解不够，进行了长期的观测和研究，但还有许多重要的问题了解不够，且定量的计算更少，特别是海气间的化学物理相互作用及反且定量的计算更少，特别是海气间的化学物理相互作用及反馈作用。对于这些相互作用是怎样影响气候系统或被气候所馈作用。对于这些相互作用是怎样影响气候系统或被气候所影响的问题也不是很清楚。另外值得研究的问题还包括：上影响的问题也不是很清楚。另外值得研究的问题还包括：上层海洋的物理、化学与生物过程怎样影响海气通量以及气候层海洋的物理、化学与生物过程怎样影响海气通量以及气候状态？气候系统怎样影响海洋生态系统的结构与生产力？物状态？气候系统怎样影响海洋生态系统的结构与生产力？物质尤其是碳化合物是

30、怎样输送或储存于深海中的？联系海洋质尤其是碳化合物是怎样输送或储存于深海中的？联系海洋与大陆边缘的关键物理、化学与生物过程又是什么？与大陆边缘的关键物理、化学与生物过程又是什么？陆气相互作用陆气相互作用 这是气候系统中最基本的相互作用之一，这是气候系统中最基本的相互作用之一，包括包括冰冻圈中的积雪、冰川、冻土及岩石圈与大气的相冰冻圈中的积雪、冰川、冻土及岩石圈与大气的相互作用；包括各种物质、热量、水汽输送与转换以互作用；包括各种物质、热量、水汽输送与转换以及土地利用变化等。及土地利用变化等。关键问题为：陆气之间的水与关键问题为：陆气之间的水与能量交换如何改变地球上的气候与痕量气体的排放能量交换

31、如何改变地球上的气候与痕量气体的排放和沉降？陆面大量的中小尺度过程如何一起影响大和沉降？陆面大量的中小尺度过程如何一起影响大尺度天气过程？人类引起的陆面覆盖变化在陆气界尺度天气过程？人类引起的陆面覆盖变化在陆气界面过程以及整个气候系统中的作用是什么？为人类面过程以及整个气候系统中的作用是什么？为人类提供食物与纤维的生态系统，怎样受到气候变化与提供食物与纤维的生态系统，怎样受到气候变化与人类利用的影响？人类利用的影响？陆海相互作用陆海相互作用 最关键的问题是海岸带地区的变化及跨边界输送问题，最关键的问题是海岸带地区的变化及跨边界输送问题，这包括：跨陆这包括：跨陆海界面的物质输送及沿岸生态系统对气

32、候变海界面的物质输送及沿岸生态系统对气候变化的影响；海岸带的加速变化对来自上游陆地地区的物质转化的影响；海岸带的加速变化对来自上游陆地地区的物质转移，过滤或储存的能力的影响；气候系统的系统变化对海岸移，过滤或储存的能力的影响；气候系统的系统变化对海岸带特别是最脆弱地区的影响以及海气界面对加热场及大气环带特别是最脆弱地区的影响以及海气界面对加热场及大气环流的影响等。流的影响等。气候包含了非常复杂的物理、化学与生物过程以及圈层气候包含了非常复杂的物理、化学与生物过程以及圈层之间的相互作用。气候系统中任意圈层的任何变化，之间的相互作用。气候系统中任意圈层的任何变化，不论它不论它是人为的或是自然的，内

33、部的或是外强迫的，都会通过相互是人为的或是自然的，内部的或是外强迫的，都会通过相互作用造成气候系统的变化或气候的变异。作用造成气候系统的变化或气候的变异。*气候变化中的生物地球化学过程参看附录气候变化中的生物地球化学过程参看附录B B 在各圈层相互作用过程中，主要进行水、碳和氧的交在各圈层相互作用过程中，主要进行水、碳和氧的交换与循环过程。水循环的图示给出在图换与循环过程。水循环的图示给出在图3 3中。气候系统中中。气候系统中最大的水源区在地幔中（见表最大的水源区在地幔中（见表1 1）。火山爆发时，地幔中）。火山爆发时，地幔中的水向外喷发。估计在地球生命中只有的水向外喷发。估计在地球生命中只有

34、5%5%的水被释放出来。的水被释放出来。表表1 1 气候系统中单位面积上各种水源的质量（气候系统中单位面积上各种水源的质量（10103 3kgmkgm-2-2）及留存时间（大气科学，及留存时间（大气科学，20082008）水源水源质量质量存留时间存留时间水源水源质量质量存留时存留时间间大气大气0.010.01几天几天格陵兰岛格陵兰岛冰川冰川5 51000010000年年淡水（湖泊、河淡水（湖泊、河流）流）0.60.6几天到几年几天到几年南极冰川南极冰川53531000010000年年淡水（地下水）淡水（地下水）1515上百年上百年海洋海洋27002700高山冰川高山冰川0.20.2上百年上百年

35、地壳和地地壳和地幔幔200002000010101111年年 碳循环过程由图碳循环过程由图8 8表示。碳储存在大气、表示。碳储存在大气、海洋、生物圈与地壳中。这就是碳库。它们海洋、生物圈与地壳中。这就是碳库。它们之间发生着明显而复杂的交换（通量），最之间发生着明显而复杂的交换（通量），最后调剂和决定着大气中碳的浓度。即两种温后调剂和决定着大气中碳的浓度。即两种温室气体的浓度：室气体的浓度：COCO2 2和和CHCH4 4。图8 地球系统不同碳库间的碳循环大气与海洋地壳生物圈地幔层光合作用呼吸与衰亡埋藏俯冲海床扩张风化作用火山活动大气中的氧大气中的氧 在地球形成的早期，主要是氢，后来氧在地球形成

36、的早期，主要是氢，后来氧增多了，氢气大量减少，这是氧上升的时期。增多了，氢气大量减少，这是氧上升的时期。从而也有了地球的生命，氧主要通过生物群从而也有了地球的生命，氧主要通过生物群的光合作用产生，通过氧化过程而减少，目的光合作用产生，通过氧化过程而减少，目前正开始处于氧的减少时候（图前正开始处于氧的减少时候（图9 9）。海洋的）。海洋的酸化可以导致海洋中氧的减少，将威胁海洋酸化可以导致海洋中氧的减少，将威胁海洋生物和生态系统的安全。生物和生态系统的安全。COCO2 2浓度和浓度和O O分子分子浓度变化浓度变化全球排放的碳全球排放的碳总量和总量和1313C C和和1212C C同位素比的变同位素

37、比的变化化图图9 9 3.气候演变的表征：气候变化与气候变率气候变化是指气候平均状态统计学意义上的巨大改气候变化是指气候平均状态统计学意义上的巨大改变或者持续较长一段时间（典型的为变或者持续较长一段时间（典型的为1010年或更长）年或更长）的气候变动。气候变化的原因可能是自然的内部进的气候变动。气候变化的原因可能是自然的内部进程，或是外部强迫，或者是人为地持续对大气组成程，或是外部强迫，或者是人为地持续对大气组成成分和土地利用的改变。成分和土地利用的改变。联合国气候变化框架公约联合国气候变化框架公约（UNFCCCUNFCCC）第一第一款中，将款中，将“气候变化气候变化”定义为：定义为：“经过相

38、当一段时经过相当一段时间的观察，在自然气候变化之外由人类活动直接或间的观察，在自然气候变化之外由人类活动直接或间接地改变全球大气组成所导致的气候改变。间接地改变全球大气组成所导致的气候改变。”UNFCCCUNFCCC因此将因此将因人类活动而改变大气组成的因人类活动而改变大气组成的“气气候变化候变化”与与归因于自然原因的归因于自然原因的“气候变率气候变率”区分开区分开来（图来（图10101212）。由于天气预报应尽可能知道所有的初值条件，因而把气由于天气预报应尽可能知道所有的初值条件，因而把气候作为天气预报的基本背景条件是十分有用的。同时气候也候作为天气预报的基本背景条件是十分有用的。同时气候也

39、可作为决定基本天气型的全球背景条件。例如可作为决定基本天气型的全球背景条件。例如ElNinoElNino事件是事件是一个气候现象，它延续一个气候现象，它延续1-21-2年，并影响整个北半球，它不仅年，并影响整个北半球，它不仅决定秘鲁沿岸的天气，而且影响大范围地区的天气现象与天决定秘鲁沿岸的天气，而且影响大范围地区的天气现象与天气型。因而气型。因而ElNinoElNino现象实际上是确定随机效应能够产生的天现象实际上是确定随机效应能够产生的天气型的一种可能演变界限。也就是说，天气预报的结果是一气型的一种可能演变界限。也就是说，天气预报的结果是一种混沌现象，初始条件只要有微小的差别，预报结果能有很

40、种混沌现象，初始条件只要有微小的差别，预报结果能有很大差别（所谓大差别（所谓LorenzLorenz的蝴蝶效应）。但在如的蝴蝶效应）。但在如ElNinoElNino现象气候现象气候条件的约束下，其预报的差别将可能主要出现在一定的范围条件的约束下，其预报的差别将可能主要出现在一定的范围或幅度内。又如混沌理论可能会由于初值的微小差别改变一或幅度内。又如混沌理论可能会由于初值的微小差别改变一个风暴到达的时间和所走的精确路径，但当该气旋位于该气个风暴到达的时间和所走的精确路径，但当该气旋位于该气候区（该地区与该时段）时由它们产生的平均温度和降水大候区（该地区与该时段）时由它们产生的平均温度和降水大致是

41、相同的。这反映了致是相同的。这反映了气候条件对天气的制约作用气候条件对天气的制约作用。实际上。实际上是减少了天气预报的混沌性质。是减少了天气预报的混沌性质。气候变化（气候变化（climate changeclimate change）气候变化是指气候平均状态和离差（距平）气候变化是指气候平均状态和离差（距平）两两者中的一个或两个一起出现了统计意义上显著的变者中的一个或两个一起出现了统计意义上显著的变化。离差值越大，表明气候变化的幅度越大，气候化。离差值越大，表明气候变化的幅度越大，气候状态不稳定增加。气候变化敏感性也越大。简单地状态不稳定增加。气候变化敏感性也越大。简单地说它实际上是表征了能持

42、续相当长一段时期的气候说它实际上是表征了能持续相当长一段时期的气候态的改变或变迁，如由偏冷的状态转为偏暖的状态态的改变或变迁，如由偏冷的状态转为偏暖的状态或少暴雨期变为多暴雨期，故有人也叫气候变迁。或少暴雨期变为多暴雨期，故有人也叫气候变迁。它它可以由自然的原因引起，也可以由人类活动的原可以由自然的原因引起，也可以由人类活动的原因造成因造成（联合国气候变化框架公约的定义），也可（联合国气候变化框架公约的定义），也可以由以由自然与人类活动的原因共同引起自然与人类活动的原因共同引起（IPCCIPCC的定义）。的定义）。气候变率气候变率（climate variabilityclimate vari

43、ability）它它表示所有时空尺度上气候平均态或其它统计量表示所有时空尺度上气候平均态或其它统计量（如标（如标准差，极端事件发生频率）的变化或变异，也可理解为在一准差，极端事件发生频率）的变化或变异，也可理解为在一个长期气候变化趋势或平均态上迭加的各种时间尺度的气候个长期气候变化趋势或平均态上迭加的各种时间尺度的气候脉动或距平变化。它有年代际，年际，年，季，季节内与高脉动或距平变化。它有年代际，年际，年，季，季节内与高频变化。有局地尺度，区域尺度和大陆尺度和全球尺度。气频变化。有局地尺度，区域尺度和大陆尺度和全球尺度。气候变率经常导致一段时间内天气与气候的异常。它可以是大候变率经常导致一段时

44、间内天气与气候的异常。它可以是大气内部的变率（动力学引起），也可由自然的和人类活动产气内部的变率（动力学引起），也可由自然的和人类活动产生的外强迫引起。生的外强迫引起。气候变率和气候变化的差别主要是语义上气候变率和气候变化的差别主要是语义上的：的：如所关注的变化发生在某一特定时段（如如所关注的变化发生在某一特定时段（如2020世纪），则世纪），则称其为该时段内的气候变率；如涉及两个连续时代（如称其为该时段内的气候变率；如涉及两个连续时代（如2020世世纪上半叶与下半叶）的差异（气候态）的变化，则被称为从纪上半叶与下半叶）的差异（气候态）的变化，则被称为从一个时代到下一个时代的气候变化，如冰期与

45、间冰期。一个时代到下一个时代的气候变化，如冰期与间冰期。说明气候变化超过阈值时应对范围改变的示意图。适应可以建立新的阈值和应对范围。减少对气候变化的脆弱性（Jones and Meanns,2005）平均值发生了变化，注意脆弱范围和应对范围适应区间的变化（IPCC，2007）T0说明气候变率的幅度发生了变化，这反映了了气候变化的幅度变大了。T0因而气候处于两种不同的状态，也可以表现为如图所示，气候的主要变化模态（时间变化）发生了变化。T0以后以更长周期的气候时间模态为主。应该强调，虽然气候变化可由内部过程和（或）应该强调，虽然气候变化可由内部过程和（或）外强迫引起，但外强迫引起，但了解气候变化

46、的关键目的是认识由了解气候变化的关键目的是认识由人类活动和自然外强迫产生的气候变化，以及如何人类活动和自然外强迫产生的气候变化，以及如何区分它们与气候系统内部过程造成的变化与变率之区分它们与气候系统内部过程造成的变化与变率之间的差别。间的差别。内部变率表现在各种时间尺度上。大气内部变率表现在各种时间尺度上。大气过程能产生内部变率，其时间尺度从极短的瞬间到过程能产生内部变率，其时间尺度从极短的瞬间到数年。气候系统的其它分量，如海洋和大冰盖产生数年。气候系统的其它分量，如海洋和大冰盖产生的变率时间尺度长得多。它们按自身的演变过程产的变率时间尺度长得多。它们按自身的演变过程产生一定的内部变率，并且也

47、与迅速变化大气引起的生一定的内部变率，并且也与迅速变化大气引起的变率混合在一起。此外，地球气候系统的各圈层的变率混合在一起。此外，地球气候系统的各圈层的耦合相互作用也产生内部变率，耦合相互作用也产生内部变率，ENSOENSO就是一明显的就是一明显的例子。但要区分外部影响的作用与内部气候变率是例子。但要区分外部影响的作用与内部气候变率是不容易的。这需要根据观测资料的分析和对气候系不容易的。这需要根据观测资料的分析和对气候系统的物理认识。这是统的物理认识。这是气候变化的检测和归因研究，气候变化的检测和归因研究，它主要是用客观统计方法检验观测资料中是否包含它主要是用客观统计方法检验观测资料中是否包含预期的对外强迫响应的证据，并评估它是否与气候预期的对外强迫响应的证据，并评估它是否与气候系统内产生的变化（内部变率）有何区别。系统内产生的变化（内部变率）有何区别。