1、气候系统的能量平衡1 概念： 总辐射：实际大气条件下到达地表面的太阳辐射总收入是由直接太阳辐射和散射辐射组成的，故水平地表面接受的太阳直接辐射和散射辐照度之和称为太阳总辐照度或简称总辐射。直接辐射：是太阳辐射通过大气直接到达地面的辐射量。散射辐射：太阳辐射被空气分子及其他气溶胶改变传播方向射向四面大方，到达地面的辐射量。反射率：在气候学中，反射率是指物体表面反射的太阳辐射与入射的太阳辐射之比。包括 a、地表反照率：指地球表面的反照率。是地球大气系统的总反照率的一部分，其大小对地表吸收的太阳辐射能起决定作用，并对研究地表能量平衡具有重要意义。b、行星反照率是地气系统总的反照率。反射辐射：到达地面
2、的太阳辐射，一部分被地面吸收，一部分被地面反射出去，被地面反射出去的太阳辐射就是反射辐射。2.长波辐射：与温度大于绝对零度的任何物体一样，地面和大气在其温度变化范围内以热辐射的形式放射辐射能。按照普朗克定律，地面和大气放射的辐射能主要部分落在红外光谱区，故统称为长波辐射（或红外辐射） 。地面向上放射的长波辐射称为地面射出辐射（也叫射出长波辐射） ，大气向下的长波辐射称为大气逆辐射，二者之差称为地面有效辐射或地表净长波辐射。3.大气中辐射传输过程大气透明系数：表征大气透明度的特征量，是指透过一个大气质量的透射辐射与入射辐射，之比，大气透明系数主要取决于所含水汽、水汽凝结物和尘埃杂质的多少。4.大
3、气对辐射吸收的主要特点：（1）大气中氧、臭氧、水汽、 和固体微粒（气溶胶）对于太阳短波辐射和地球2co长波辐射都是最主要的吸收体。 （2）气体的吸收具有选择性，即气体的吸收在某些波段上很强，在另一些波段上很弱，甚至没有吸收。如： 主要吸收长波辐射，臭氧主要吸收紫外短波辐射云对2c辐射状况有重要作用，云几乎吸收所有波段的辐射。云的反射以及它和地面之间的多次反射作用，对地表面、大气和地气系统的辐射平衡有重要意义。（3）散射作用。散射不发生能量的转换，但可改变能量的传递方向，增加吸收和反射路径。（4）吸收作用主要发生于紫外光谱区和红外光谱区，而散射主要发生于可见光谱区。 太阳常数：当太阳处于平均日地
4、距离时，大气上界垂直于太阳光线的表面上所接收到的太阳辐照度称为太阳常数。即太阳常数就是在日地间处于平均距离时在单位时间内，垂直投射到大气上届单位面积上的太阳辐射能。现在一般认为的太阳常数值约为 1367w 。2m太阳消光：到达大气上界的入射太阳辐射穿过大气层时，由于大气分子、水汽和灰尘等吸收、散射和反射作用，无论在数量上或光谱成分上都要发生很大的变化，因此到达地球表面的太阳辐照度比大气上界小得多。这种大气对太阳辐射的削弱作用称为大气消光。温室效应：由于地气系统能量基本处于平衡状态，故根据入射太阳辐射的大小，可以估算出地球的有效温度，这一估计温度约为 255k，这与实测的地表温度 288k 相差
5、了33k。这种差别主要是由于大气的温室效应引起的。大气对于太阳短波辐射的透明度比对长波辐射的大得多。约 50左右的太阳短波辐射可毫无阻碍地透过大气并被地面吸收；而由地面放射出的长波辐射绝大部分被大气所吸收（水汽和 等） ，并以长波辐射的形式向下输送，使得地面温2co度比没有大气时要高，这种特征通常就称为温室效应。5.地面辐射平衡方程 气候学中描述地表面辐射收支的数学表达式称为地表面辐射平衡方程，其表达式为： B=S+D +G - uSRL 式中 B 为地表面辐射平衡（即地表面净辐射） ；S为到达水平地表面上的直接太阳辐射，D 为天空散射辐射，G 为大气逆辐射，这三项（S、D、G）是地表辐射吸收
6、项； 为短波反射辐射， 为长波反射辐射，u 为地表长波辐射,这三项为支出SL项。 一般 很小可忽略不计；SDQ 为总辐射； /QA 为反照率；uGF 称LRSR为有效辐射。故平衡方程又可改为 BQ（1A）F 当净辐射 B0 时，地表面为大气辐射热源，当 B0 时，地表面为大气辐射热汇。大气辐射平衡方程： 大气辐射平衡方程可表示为： quGAu 其中 是大气辐射平衡（净辐射） ；q是大气吸收的直接太阳辐射和散射辐射；uB为地表面向上的长波辐射被大气吸收的部分；这两项（ q和 u）为大气辐射吸收项；G 为大气逆辐射， 为逸出宇宙空间的大气长波辐射，这两项为支出项。 u地气系统辐射平衡方程： 将地表
7、面和大气辐射平衡方程相加可得： =Q(1-A)+ qSBF 其中 为大气向宇宙空间的逸出辐射 Fu 其中 为地表长波辐射的穿过率。 或可写为 = (1- )SBQSAF式中 为地球大气系统的辐射平衡， 为大气上界太阳辐射到达量， 为行星反照率，S S SA为地气系统向宇宙空间的长波放射辐射。F热量平衡方程：地表： 一般形式 根据能量守恒的原则，地表面在某时刻的热量收入与该表面热量的支出相等，用数学形式表达出来，就是地表面热量平衡方程。 地表面热量平衡方程：B=P+LE+H+ OC 其中 B 为净辐射（地表辐射平衡） ，这是收入项；P 为地表面与低层大气间的感热交换；LE 为潜热交换；H 为地表
8、面与其下层土壤或水体的能量交换，也就是向下的热通量； 为地表面以下能量的水平输送。OC LE 为 LE，L 为相变潜热，E 为蒸发量或凝结量。 对土壤而言，一般 可忽略不计，但在海洋（水体）中， 必须考虑。 OC 对陆地而言：B=P+LE+H对年平均而言：H 为零，B=P+LE。大气： -Lr-PABAC 其中 为大气净辐射（见前文） ，是收入项； 为大气柱在规定时间内的热含量的变化而产生的热量贮存或释放；A 为大气中由于空气流动而产生的能量水平输送；C Lr 为水汽凝结与水滴蒸发耗热之差，近似等于降水产生的潜热，r 为降水量； P 为地表面与大气间的感热交换。 地气系统： = +L(E-r)
9、+ +SBHACO =B+ A =H+S气候的水分循环1.地表面的水分平衡方程：2 大气水分平衡方程：3.地气系统的水分平衡方程(年平均情况： )=+ =4.气候系统水循环主要过程：1 水贮存在海洋、冰雪、陆地（土壤、深层地下、河流、湖泊） 、大气和生物五个子系统中。2 海洋、土壤、河流、湖泊中的水分可以直接通过蒸发，进入大气，成为大气水汽。3 生物中的植被可以通过生理过程吸收土壤水分，经蒸腾过程进入大气，成为大气水汽。4 冰雪圈固态水可以通过升华过程直接成为大气水汽。5 大气水汽经过输送，凝结后，可以通过雨、雪、冰雹等形式回到海洋、土壤、河流、湖泊、冰雪圈、地下，完成水分循环过程。6 另外河
10、流、地下水、海洋、湖泊、冰雪圈的水也可通过各种过程相互转化。大气环流1. 大气环流形成的物理因子（参 P134-139）2. 大气环流的基本特征（参 P140-156）3. 季风：季风根据其形成原因分为四种类型，分别为：（1）海陆季风（传统意义上的季风）：它是海陆热力特性的差异导致冬、夏温度场和气压场的相反分布和季节变化所形成的季风现象。（2）行星季风：由于行星风系在一年中随太阳直射点变化而又显著的南北移动，因此在两个行星风系交接的地区发生风向的季节变化现象。这类季风常见于赤道和热带地区，又称赤道季风或热带季风。 （3）高空季风：为补偿低空海陆季风出现时空气质量的流入和流出，而在高空所发生的风
11、向随季节的变化现象。（4）高原季风：巨大而高耸的高原同与它同高度的四周的自由大气之间，冬、夏的温度梯度是相反的，由这种作用而产生的热力环流所引起的冬、夏盛行风向相反的现象。4.东亚季风：成因：东亚季风主要是由于海陆分布热力差异而引起的，因其位于亚洲东部，故称东亚季风。这里西边是全球最大的大陆欧亚大陆，东边是全球最大的太平洋。海陆间的气温梯度和气压梯度及其季节变化比世界上其它地区都更显著，所以这一地区的季风是海陆季风中最强的一支。实际上，东亚季风是海陆分布、行星风系和青藏高原这三个因素的共同影响下形成的气候现象。 地-气相互作用1. 陆地表面所包括的主要物理过程：能量循环过程、水分循环过程、对大
12、气成分的影响、动力作用。陆地表面过程对气候的作用主要途径：1、能量循环过程 陆地表面是主要能量提供系统之一。 气候系统中热量的最终来源是太阳，但太阳辐射进入气候系统以后，大气对太阳辐射的直接吸收是不多的。而大部分太阳辐射将被下垫面吸收，其中陆地表层是除海洋以外的一个重要的吸收系统。 陆地表面吸收太阳辐射后，将以感热、潜热的长波辐射的形式加热大气，从而改变大气的性质，引起全球气候的变化。其中感热主要加热低层大气；潜热主要加热高层大气并与陆地水循环密切相连；长波辐射对各层大气都有一定的加热作用。 地表特征对气候的影响 地表吸收太阳辐射的多少强烈的依赖于地表反照率的大小，一般地表反照率越大，吸收率越
13、小。 影响地表反照率的因子很多，主要有积雪、土壤湿度、植被分布状况、土壤类型等。 2、 水分循环过程 地表蒸发也是大气水分的一个重要来源，地表蒸发的大小主要取决于土壤湿度、植被分布以及气候条件。土壤湿度越大，植被状态越好，则地表蒸发越多。 3、 对大气成分的影响地表沙尘是大气气溶胶的主要来源。大气气溶胶的存在会通过辐射效应影响气候系统的辐射平衡，从而影响全球变化。地表生态系统，特别是绿色植物，会通过其生理过程影响大气 浓度的变化，2co从而引起大气温室效应的改变，影响全球气候状态。 4、动力作用 陆地地表的摩擦作用，是大气动量的重要消耗机制。 大地形的动力影响也是陆面过程影响大气动力学过程的一
14、个重要物理过程，比如绕流、爬坡、背风槽等。 2. ENSOENSO 包括两个过程，即发生于大气中的南方涛动（SO）现象和发生于海洋的“El Nino”现象。SO：印度洋各站气压（澳大利亚-印尼附近）下降时，太平洋各站（复活岛附近）气压增加，两地气压如同跷跷板一样上下振动，周期为 3 年。El Nino：过去主要指每年圣诞节前后南美沿岸海温上升的现象，后来专门用来指那些海温上升异常激烈的年份。通常，当赤道东太平洋表层海温出现正（负）距平时，SO 指数往往出现负（正）值，两者之间的负相关指数-0.57-0.75 之间，信度达到 99.9%，表明 El Nino 和 SO 之间的关系非常紧密。ENS
15、O 对我国天气的影响：（1）：东北夏季低温：EL Nino 导致环流异常，造成夏季东北地区及西北太平洋 500hPa高度场负距平，使夏季出现频繁的低压槽，从而气温偏低。（2）：我国东部地区的夏季降水异常：1.ENSO 与雨型的关系：ENSO 当年雨型为中间型。ENSO 次年如果前期青藏高原高温，则次年雨型为北方型；如果前期青藏高原低温，则雨型为南方型。2.与梅雨降水趋势的关系：冬秋季开始增暖的 ENSO事件，梅雨偏多；春夏季开始的增暖的 ENSO 事件，梅雨偏少。3.ENSO 不同相位发展阶段与我国降水分布的关系：ENSO 为发展相位阶段，该年夏季我国江淮流域、东北地区降水偏多；黄河流域、华北
16、地区、江南地区的降水偏少。（3）西太平洋副高强度和西伸强度的年际变化：El Nino 年，副高强，面积大，西伸明显。（4）西太平洋台风活动：El Nino 年台风活动频数少于 La Nina 年。3.地形对气候变化的作用（辐射、温度、气流、降水的影响）（1）地形对辐射的影响 直接太阳辐射随地形高度的增加而增加 散射辐射随高度增加而减小 总辐射随高度增加而增加 有效辐射在温度相同时，高海拔地区比低海拔地区大 净辐射：雪线以上，净辐射随高度减小；雪线以下，净辐射变化不大（2）地形对温度的影响 自由大气中，平均温度随高度的减小为 0.6C/100m，相同地形条件下，气温随海拔升高而降低。 高地形区的
17、温度变化振幅比低地形区大 通常山地平均温度高于同高度的自由大气，山地气温日较差大于自由大气。 山坡上的土壤温度高于气温，且土壤空气的温度差随高度而增大 （3） 地形对气流的影响 动力作用：a、绕流：北脊南槽。b、爬坡：迎风坡形成上升运动，背风坡出现下沉运动。c、摩擦和侧向摩擦 热力作用：形成局地环流，热低压、冷高压、高原周边的下沉运动等. （4）地形对降水的影响 地形降水的定义：气流在地形影响下形成的降水或由地形作用而导致的降水强度增大后出现的降水，称为地形降水。 山脉迎风坡空气被迫抬升到达凝结高度后可能形成降水，多雨；背风坡少雨。4.青藏高原大地形对气候的动力和热力作用动力作用：爬坡、绕流、
18、摩擦绕流：无论冬夏绕流作用都比爬坡作用重要，但在冬季，爬坡作用相对增大，形成南槽北脊（高原北部脊区我国北方晴天多；高原南部孟加拉湾低槽我国南方阴雨多） 。爬坡：迎风坡上升运动，有利于反气旋性涡度增强，可能形成地形降水，背风坡下沉运动，少雨，有利于气旋性涡度加强。爬坡和绕流的共同作用：东亚大槽摩擦：青藏高原南北两侧侧向摩擦，北侧多小高压（兰州小高压，干燥） ；南侧多低压系统（西南涡，降水多） 。热力作用：青藏高原夏季热源，冬季为热汇作用。对季风环流，对夏季 500hPa 副高断裂，对 100hPa 南亚高压形成和维持有直接影响。夏季：热低压，他上空的大气几乎在整个对流层内呈现对流不稳定，高温高湿
19、；冬季：冷高压。5.冰雪对气候变化影响的主要物理过程（1）高反照率：反射掉更多的太阳短波辐射，降低地表温度，从而降低气温。（2）低热导率：陆地积雪不利于地表散温，保持地表温度，减慢陆气间热量交换过程；海冰将隔断海洋与大气之间的直接接触，减慢海气间热量交换过程。（3）水文效应：陆地冰雪融化后，增加土壤湿度，将有利于陆气间水分循环过程，并通过潜热影响大气运动；海冰将隔断海洋与大气之间的直接接触，不利于海气之间水分循环。冰雪异常与气候变化的相互作用反馈机制为正反馈机制：冰雪的范围主要依赖与大气的近地面温度。若因为某种原因发生降温，冰雪量一般说会增加或维持时间更长，这将导致行星反照率增加。结果就反射掉
20、更多的太阳辐射，使大气温度进一步下降。另一方面，如果雪盖或冰盖面积减小，则由于反照率降低，冰雪表面反射掉的太阳短波辐射就更少，温度就会升高，从而导致冰雪面积进一步减少。气候变化和模拟1 气候变化；气候趋势；气候变动；气候振动；气候波动；气候周期性；气候不连续性；气候变迁（这些概念都在参考书 P392）气候时间尺度的划分：（1） 年：大冰期气候、大间冰期气候608（2） 年：亚冰期与亚间冰期气候5（3） 年：副冰期、副间冰期气候410（4） 年：寒冷期与温暖期气候23（5） 年：世纪及世纪内气候变化（包括年代际、年际尺度的变化） 012.气候变化原因与时间尺度的关系（1）太阳活动（时间尺度 年）
21、100109短期影响：太阳黑子多太阳活动强太阳辐射强气温高，所以太阳黑子的变化有 11 年准周期地球气温应存在 11 年准周期，但不是很显著。长期影响：太阳活动的极小期对应气候相对冷期；极大期对应暖期，（2）地球轨道三要素(时间尺度 )104105年a偏心率：地球公转轨道是椭圆形的，当地球在夏季通过地球轨道的近日点时，则北半球具有短而热的夏季，长而冷的冬季，使一年之内冷热差异非常大。偏心率越大，这种效应越明显。这一变化周期为 9-10 万年。b岁差：地球自转的地轴存在摆动，这一摆动周期为 2.1 万年，它会造成靠近太阳的季节发生变化。c黄赤交角：地球自转的地轴相对于地球轨道平面的偏角。周期大约
22、 4 万年，会造成太阳辐射在冬、夏季以及南、北半球输送量有差异。（3）地壳运动a大陆漂移学说（ 年） 。106108b造山运动：造山运动对气候影响可以是区域性的，也可以是全球性的，如高原隆起对高原地区以及周边地区，甚至对整个地球气候都产生了重大影响（ 年） 。105108c火山爆发：火山灰的传播；火山活动活跃期，全球气温将有所下降。 （ 年）100109（4）大气成分（ 年）108化石燃料燃烧，造成二氧化碳浓度的变化，从而导致了气候变化。气溶胶（主要是化学气溶胶，如硫化物等，具有制冷作用） 。（5）大气、海洋、水、生物的自变化 年）（ 100109如海洋分布状态。盐度性质的变化，都会对气候造成
23、影响。（6）人类活动（ 年）101102人类活动对气候的影响主要表现于两个方面：1、 改变大气成分：化石燃料的燃烧 2CO浓度变化气候变化2、改变地表特征：早在数千年前，人类为了垦荒种地、放牧等，大量砍伐森林，特别在非洲撒哈拉地区、亚洲中东的阿拉伯地区、我国黄河上游地区等，使这些地区植被覆盖率下降，地表状况恶化，气候变化，以至成为沙漠或半沙漠地区。 近代这种现象也非常严重。其影响机理：改变地表能量平衡、水分平衡等，从而产生局地气候变化。 （7）宇宙地球物理因子（ 年）100109宇宙因子指的是月球和太阳的引潮力，地球物理因子指的是地球重力空间变化、地球自转速度的变化等。 月球引潮力多年变化在海
24、洋中产生多年月球潮汐大尺度的波动，因而使海洋环流系统发生变化，进而影响海-气间的热交换，引起气候变化。地球重力空间变化：地轴是在不断地移动的，地球自转速度也在变动着，这些都会引起离心力的改变，相应地也会引起海洋和大气的变化，从而导致气候变化。下垫面变化对气候变化的影响（参考书 P457）气候统计变量（几乎不怎么考）辐射平衡：收入的辐射能与支出的辐射能的差额；即地表面上（地-气系统）吸收的太阳辐射量和有效辐射量（地-气系统向外放出的辐射量）的差值。水分平衡：在给定的时间内，该地区水分的总收入量与总支出量的差值，等于该地区水分含量的变化量。云对气候变化的影响：（1）辐射（长波辐射、向下逆辐射） ， （2）水分循环， （3）热量循环（潜热释放） ， （5）对气流阻挡、摩擦，(6)云-地面温度负反馈：地球表面温度升高，将导致地面蒸发增加，从而导致大气中水汽含量增加，促使云得到发展，云量的增加使入射到地面的太阳辐射减少，从而导致地面温度降低。 这是为什么水汽是一种温室气体，且在 大气中含量最大，但在讨论温室效应时一般不考虑水汽的主要原因。热量平衡：辐射差额与其转变为其它能量消耗之间的平衡。
