气候系统-现代气候学-教学课件.ppt
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1、第二章气候系统第二章气候系统2.1 气候系统的组成气候系统的组成2.2 气候系统的物理、化学过程气候系统的物理、化学过程2.3 气候系统的基本特性气候系统的基本特性2.4 气候系统的可预报性气候系统的可预报性2.5 气候系统的研究气候系统的研究2.1 气候系统的组成气候系统的组成 云宇宙空间宇宙空间地球辐射地球辐射H H2 2O O,N N2 2,O O2 2,COCO2 2,O O3 3,气溶胶,气溶胶太阳辐射变化太阳辐射变化大气大气冰冰雪雪大气成分的变化大气成分的变化陆地陆地大气陆地耦合大气陆地耦合海冰海冰 海冰海洋耦合海冰海洋耦合陆地性质、地形、植陆地性质、地形、植被和反照率的变化被和反
2、照率的变化海底形状、盐度等的变化海底形状、盐度等的变化海洋海洋热交换热交换降水降水风应力风应力大气海洋耦合大气海洋耦合生态生态大气海冰耦合大气海冰耦合气候系统示意图气候系统示意图太阳活动影响气候的几种可能途径太阳活动影响气候的几种可能途径(1)太阳活动地球大气电离程度大气经圈环流气候变化(2)太阳活动紫外辐射臭氧层平流层热状况气候变化(3)太阳活动地球磁场地球自转速度大气和海洋环流 气候变化(4)太阳活动地球磁场核-幔边界上的地磁能量大气和海 洋状况气候变化大气圈大气圈地球大气圈是几乎均匀地分布在地球表面上薄薄的一层(地球半径的地球大气圈是几乎均匀地分布在地球表面上薄薄的一层(地球半径的0.5
3、%厚)气体混合物。厚)气体混合物。大气是气候系统中最活跃、变化最大的部分,是气候系统的主体部分大气是气候系统中最活跃、变化最大的部分,是气候系统的主体部分。大气圈对于施加在其上的变化的响应时间比气候系统中任何其它分。大气圈对于施加在其上的变化的响应时间比气候系统中任何其它分量短得多。量短得多。所谓响应时间,指的是施加一个小扰动到系统的边界条件所谓响应时间,指的是施加一个小扰动到系统的边界条件或边界强迫上,该系统重新平衡到一个新状态所需要的时间。或边界强迫上,该系统重新平衡到一个新状态所需要的时间。大气和气候系统其他成员间的热量、水分和物质交换是气候系统各圈大气和气候系统其他成员间的热量、水分和
4、物质交换是气候系统各圈层之间相互作用的最基本过程:层之间相互作用的最基本过程:如地如地气之间的热量、动量及水汽湍气之间的热量、动量及水汽湍流输送过程;水汽凝结时的潜热释放过程;云对太阳辐射和长波辐射流输送过程;水汽凝结时的潜热释放过程;云对太阳辐射和长波辐射的影响过程;大气中的影响过程;大气中CO2、水汽及其他微量气体的辐射冷却和加热过、水汽及其他微量气体的辐射冷却和加热过程;地表状况的变化及气溶胶、山脉、海陆分布等都对大气圈产生重程;地表状况的变化及气溶胶、山脉、海陆分布等都对大气圈产生重要作用要作用CompositionTab 1.1aPermanentgases分子量主要气体成分主要气体
5、成分空气中的含量空气中的含量/按体积按体积 平均滞留期/年氮(氮(N2)氧(氧(O2)氩(氩(Ar)二氧化碳二氧化碳臭氧(臭氧(O3)干洁空气干洁空气78.0820.950.930.03(可变)(可变)0.000 001(可变)(可变)100.0010610410915?28.0232.0039.9444.0048.0028.96 干洁空气气体的主要成分及含量干洁空气气体的主要成分及含量Tab 1.1bVariablegasesCompositionFig 1.3 H2O evaporates in NUIST.CompositionThe earths atmosphere is a ric
6、h mixture of many gases,with clouds of condensed water vapor and ice crystals.Here,water evaporates from the oceans surface.Rising air currents then transform the invisible water vapor into many billions of tiny liquid droplets that appear as puffy cumulus clouds.If the rising air in the cloud shoul
7、d extend to greater heights,where air temperatures are quite low,some of the liquid droplets would freeze into minute ice crystals.Fig 1.4CO2 cycleComposition.Early spring MAXSummer MIN1.8ppm/yrFig 1.5 CO2 at HawaiiCompositionFig 1.6 CO2 in Antarctica And HawaiiComposition15CH4-MethaneAnother greenh
8、ouse gas,also increasingNASAFig 1.7 O3 holeComposition 臭氧层空洞的发现 1985年年英国英国南极考察队在南纬南极考察队在南纬60地区观测发现地区观测发现臭臭氧层氧层空洞,引起世界各国极大关注。臭氧层的臭氧浓度减空洞,引起世界各国极大关注。臭氧层的臭氧浓度减少,使得太阳对地球表面的紫外辐射量增加,对生态环境少,使得太阳对地球表面的紫外辐射量增加,对生态环境产生破坏作用,影响人类和其他生物有机体的正常生存。产生破坏作用,影响人类和其他生物有机体的正常生存。关于臭氧层空洞的形成,在世界上占主导地位的是关于臭氧层空洞的形成,在世界上占主导地位的是
9、人类人类活动活动化学假说:人类大量使用的氯氟烷烃化学物质(如制化学假说:人类大量使用的氯氟烷烃化学物质(如制冷剂、发泡剂、清洗剂等)在大气冷剂、发泡剂、清洗剂等)在大气对流层对流层中不易分解,中不易分解,当其进入当其进入平流层平流层后受到强烈后受到强烈紫外线紫外线照射,分解产生氯游照射,分解产生氯游离基,游离基同臭氧发生离基,游离基同臭氧发生化学反应化学反应,使臭氧浓度减少,从,使臭氧浓度减少,从而造成臭氧层的严重破坏。而造成臭氧层的严重破坏。臭氧随高度的分布臭氧随高度的分布臭氧层空洞的危害臭氧层空洞的危害 10多年来,经科学家研究;大气中的臭氧每减少多年来,经科学家研究;大气中的臭氧每减少1
10、。照射到地面的紫外线就增加照射到地面的紫外线就增加2,人的皮肤癌就增加,人的皮肤癌就增加4-6,还受到白内障、免疫系统缺陷和发育停滞等疾病的袭击,还受到白内障、免疫系统缺陷和发育停滞等疾病的袭击。现在居住在距南极洲较近的智利南端海伦娜岬角的居民,现在居住在距南极洲较近的智利南端海伦娜岬角的居民,已尝到苦头,只要走出家门,就要在衣服遮不住的肤面,已尝到苦头,只要走出家门,就要在衣服遮不住的肤面,涂上防晒油,戴上太阳眼镜,否则半小时后,皮肤就晒成涂上防晒油,戴上太阳眼镜,否则半小时后,皮肤就晒成鲜艳的粉红色,并伴有痒痛;羊群则多患白内障,几乎全鲜艳的粉红色,并伴有痒痛;羊群则多患白内障,几乎全盲。
11、盲。Fig 1.8Volcanoes transport H2O,CO2 and SOx.Composition Vertical StructureFig 1.9 Air pressure and densityVertical StructureFig 1.10Pressuredecreaseswith increasing altitude.Vertical StructureFig 1.11Layers of atmosphere温室效应(Greenhouse Effect)l 太阳太阳辐射辐射l 长波长波辐射辐射温室气体包括:温室气体包括:水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、氧化亚氮
12、(N2O)、甲烷(CH4)和臭氧(O3)温室效应(大气的保温效应)温室效应(大气的保温效应):大气中的温室气体: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辐射而损失的能量,使地面气温升高的效应主要温室气体对全球气温升高的贡献主要温室气体对全球气温升高的贡献CH4N2OCO2 温室效应固然有维持地表气温的好处,但与此同时,也不能忽视过于强烈的温室效应带给自然界和人类社会的危害。1、海平面上升2、影响农业和自然生
13、态系统3、加剧洪涝、干旱及其它气象灾害4、影响人类健康5、物种的灭绝6、对流层外大气的变冷阳伞效应阳伞效应气溶胶对太阳辐射的散射和吸收,使到达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,故称为阳伞降,其效应类似于阳伞效果,故称为阳伞效应效应火山灰火山灰水圈水圈水圈有分布在地球上的所有液态水构成。它包括海洋、内海、湖泊、水圈有分布在地球上的所有液态水构成。它包括海洋、内海、湖泊、河流及地下水。河流及地下水。对于气候研究,对于气候研究,海洋是水圈中最重要的海洋是水圈中最重要的,它们覆盖了约三分之二的地,它们覆
14、盖了约三分之二的地球表面。球表面。达到地球的太阳辐射的大部分落在海洋上并被海洋所吸收。达到地球的太阳辐射的大部分落在海洋上并被海洋所吸收。由于海洋有大的热惯性,它对温度的变化起着缓冲器和调节器的作用由于海洋有大的热惯性,它对温度的变化起着缓冲器和调节器的作用。海洋的响应时间变化大,在混合层内为数周到几个月,海洋的响应时间变化大,在混合层内为数周到几个月,在几百米深的在几百米深的斜温层响应时间达几个季度,而在深海甚至达几个世纪到几百万年。斜温层响应时间达几个季度,而在深海甚至达几个世纪到几百万年。地球表面地球表面海洋占地球表面积的海洋占地球表面积的71%,由于海水热容量大,由于海水热容量大,若仅
15、考虑若仅考虑100m深的表层海水,其热容量占整个深的表层海水,其热容量占整个气候系统总热量的气候系统总热量的95%海洋上层的温度受到大气影响,在海洋表面向下的几十米的水层里,风浪和海流引起的湍流混合十分强烈,海水温度的垂直变化很小,因此被称为混合层混合层。但到某一个高度以后,很快遇到一个较薄的水层,其海水温度随深度的变化特别剧烈,这一区域被称之为温跃层温跃层。温跃层混和层大洋平均温度典型垂直分布大洋平均温度典型垂直分布图6 大洋中典型的密度铅直向分布Coupled Ocean and Atmosphere Process海洋性质海洋性质海水密度大于纯水,是温度、盐度和压力的函数海水密度大于纯水
16、,是温度、盐度和压力的函数盐度增加时密度增大;温度升高时(高于最大密盐度增加时密度增大;温度升高时(高于最大密度的温度)密度减小度的温度)密度减小海水最大密度的温度随盐度增加而降低海水最大密度的温度随盐度增加而降低动力、热力性质:动力、热力性质:反射率小、热容量大、流速小,反射率小、热容量大、流速小,动力、热力惯性大。动力、热力惯性大。变化的时间尺度:变化的时间尺度:几个月几个月几年几年(上层海洋上层海洋)世纪尺度世纪尺度(深层海洋深层海洋)海洋具有以下三个重要特性:海洋具有以下三个重要特性:(1)海洋是大气运动的重要热源。地球表面约71%为海洋所覆盖,全球海洋吸收的太阳辐射量约占地球大气顶的
17、总太阳辐射量的70%左右。(2)海洋有着极大的热容量,相对于大气运动而言,海洋运动比较稳定,运动和变化比较缓慢。(3)海洋是地球系统CO2的最大的汇海洋主要有四方面的影响和作用海洋主要有四方面的影响和作用(1)对地球大气系统热力平衡的影响。海洋吸收的约70%的太阳入射辐射,绝大部分(85%)左右被储存在海洋表层(混合层)中。这些被储存的能量将以潜热、长波辐射和感热交换的形式输送给大气,驱动大气运动。海流:经向能量的输送(低纬高纬)。全球平均近70%的经向能量输送是由大气完成的,还有30%多输送要由海洋来承担(Oort 和 Haar,1976)(2)对水汽循环的影响(通过蒸发、凝结过程)大气中水
18、汽量的绝大部分(86%)由海洋提供,海洋,尤其是低纬海洋,是大气中水汽的主要源地。海洋主要有四方面的影响和作用(海洋主要有四方面的影响和作用(2)(3)对大气运动的调谐作用)对大气运动的调谐作用 海洋的运动和变化有显著的缓慢性和持续性。海洋的这种特性一方面使海洋有较强的“记忆”能力,可以把大气环流的变化通过海气相互作用把信息储存于海洋中,然后再对大气运动产生作用;另一方面,海洋的热惯性使得海洋状况的变化有滞后效应,例如海洋对太阳辐射季节变化的响应要比陆地上的响应落后大约1个月左右;通过海气耦合作用还可以使较高频的大气变化(扰动)减频,一旦耦合波的频率变低后再作用于大气,就相当于大气中较高频的变
19、化转变而成为较低频的大气。(4)对温度效应的缓解作用)对温度效应的缓解作用 大气中CO2含量增加的温室效应就因为有海洋的存在而被减弱冰雪圈冰雪圈冰雪圈包括格陵兰和南极地区范围很广的大陆冰原,高山冰川、海冰冰雪圈包括格陵兰和南极地区范围很广的大陆冰原,高山冰川、海冰等。等。冰雪圈是地球上最大的淡水储存库,但其在气候系统中的作用主要在冰雪圈是地球上最大的淡水储存库,但其在气候系统中的作用主要在于其对太阳辐射的于其对太阳辐射的高反射率高反射率等。等。大陆雪盖和海冰具有明显的大陆雪盖和海冰具有明显的季节、年际变化季节、年际变化,对短期气候变化有重要,对短期气候变化有重要的影响。的影响。此外,大的陆地冰
20、原在高达数万年的更长时间尺度的气候变化中,例此外,大的陆地冰原在高达数万年的更长时间尺度的气候变化中,例如在发生在更新世的冰期和间冰期中,它们起了主要作用。如在发生在更新世的冰期和间冰期中,它们起了主要作用。冰雪圈对气候变化的影响:冰雪圈对气候变化的影响:增加对太阳辐射的反射,减少地表对太阳辐射的吸收增加对太阳辐射的反射,减少地表对太阳辐射的吸收,从而影响大气中的热源、热汇的分布,从而影响大气中的热源、热汇的分布冰雪圈冰雪圈 组成及结构:大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪盖。组成及结构:大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪盖。热力性质:反射率大热力性质:反射率大 变化的时间尺度:变化的时间尺度:陆地
21、雪盖:季节陆地雪盖:季节年际变化年际变化;海冰:季节海冰:季节几十年际变化几十年际变化;大陆冰原和高山冰川:几百年大陆冰原和高山冰川:几百年几百万年几百万年.对气候的影响:冰雪面对气候的影响:冰雪面-大气相互作用大气相互作用天山的积雪和冰川天山的积雪和冰川这张由美国航空航天局发布的卫星照片显示了这张由美国航空航天局发布的卫星照片显示了2006年年9月北极地区海冰的景象月北极地区海冰的景象,面积约为面积约为530.95万平方公里万平方公里岩石圈(陆地圈)岩石圈(陆地圈)组成及结构:地球表层的固体表面,由岩石、土组成及结构:地球表层的固体表面,由岩石、土壤和沉积物组成。包括高原、平原、山地、丘陵、
22、壤和沉积物组成。包括高原、平原、山地、丘陵、盆地等。盆地等。热力性质热力性质:热容量小热容量小,热惯性小热惯性小.变化的时间尺度变化的时间尺度:山脉形成山脉形成:105108年年;大陆漂移大陆漂移:106109年年;陆块位置和高度变化陆块位置和高度变化:109年以上年以上.对气候的影响:对气候的影响:地形的动力作用、地表的热力作用、陆面水循环。地形的动力作用、地表的热力作用、陆面水循环。通过质量、角动量、感热的输送以及通过大气边界层的摩擦对动能的通过质量、角动量、感热的输送以及通过大气边界层的摩擦对动能的耗散,岩石圈与大气有很强的相互作用。耗散,岩石圈与大气有很强的相互作用。生物圈生物圈生物圈
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