气候系统

气候系统（Climate System）

气候系统由大气、海洋、陆地表面、冰雪覆盖层和生物圈等五个部分组成。太阳辐射是这个系统的主要能源。在太阳辐射的作用下，气候系统内部产生一系列的复杂过程，各个组成部分之间，通过物质交换和能量交换，紧密地联结成一个开放系统。

气候系统

大气圈是气候系统中最活跃、变化最大的组成部分。

1）大气圈的组成：

大气是由多种气体混合组成的，此外，还悬浮由一些固体杂质和液体微粒；

大气的气体组成成分：主要成分——氮、氧、氩，99.96%；微量气体成分——二氧化碳、臭氧、甲烷等；

干洁空气：90km以下可以看成是分子量为28.97的“单一成分”的气体；

大气中臭氧的形成、分布与作用；

大气中的二氧化碳；

大气中的水汽；

大气气溶胶粒子。

2）大气的结构：

大气的上界：物理上界——1200km；着眼于大气密度，约2000－3000km。

大气的垂直分层：观测证明，大气在垂直方向上的物理性质是有显著差异的。根据温度、成分等物理性质，同时考虑到大气的垂直运动等情况，可将大气分为五层：

（1）对流层：

范围：～对流层顶（对流层顶高度的纬度、季节变化）

主要特征：气温随高度增加而降低；垂直对流运动显著；气象要素水平分布不均匀。

对流层的分层：行星边界层（或摩擦层）、自由大气、对流层顶。

（2）平流层：

范围：对流层顶～55km左右。

气候系统

主要特征：随高度的增高，气温最初保持不变或微有上升，约30km以上，气温随高度增加而显著升高；气流比较平稳，垂直混合运动显著减弱；水汽含量极少。

（3）中间层：

范围：平流层顶～85km左右。

主要特征：气温随高度增加迅速下降；垂直运动强烈；水汽含量更少；电离层D层。

（4）热层：

此层没有明显的顶部。有人观测在250～500km；有人认为可达800km。

主要特征：气温随高度增加迅速升高；空气处于高度电离状态；在高纬度晴夜，可出现极光。

（5）散逸层：

是大气的最高层，又称外层。

主要特征：该层的主要特点是大气粒子经常散逸至星际空间，是大气圈与星际空间的过渡地带。

1）水圈：

水圈包括海洋、湖泊、江河、地下水和地表上的一切液态水，其中海洋在气候形成和变化中最重要。

海温的垂直变化：表层暖层、斜温层、冷水层。

海洋在气候系统中具有最大的热惯性，是一个巨大的能量贮存库。

2）陆面：

岩石圈、陆地表面；岩石圈变化时间尺度长；陆面的动力作用和热力作用。

3）冰雪圈：

冰雪圈包括大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪盖等。

冰雪圈的变化尺度：陆地雪盖——季节变化；海冰——季节到几十年际的；大陆冰原和冰川——几百甚至到几百万年。

冰雪圈对地表热量平衡的影响：很大的反射率；阻止地表和大气间的热量交换。

4）生物圈：

对气候变化很敏感，反过来影响气候。

对大气和海洋的二氧化碳平衡、气溶胶粒子的产生以及其他与气体成分和盐类有关的化学平衡等的作用。

1）气候系统是一个开放系统：

气候系统与其外空间的物质交换是微乎其微的。从这个意义上，气候系统可以被看作是一个封闭系统。

气候系统与外空间有能量交换。从这个意义上，气候系统是一个开放系统。

2）气候系统是一个复杂的系统：

无论从描述气候系统的物理量的空间分布和时间变化上讲，还是从气候系统中发生的过程类型上讲，气候系统都是非常复杂的。

3）气候系统是一个高度非线性的系统：

气候系统中的重要过程：物理过程、化学过程和生物过程。

气候系统中发生的重要过程是气候系统各组成部分之间相互作用和相互影响的具体表现，是气候系统表现出高度非线性的根本原因。

气候系统各部分之间热力学和动力学属性的显著差异。

气候系统的稳定性（广义）是气候系统演变的重要性质。

气候系统稳定性的两个制约因素：能量收支方面的外部因素、气候系统内部的性质。

气候系统的稳定性是相对的。

反馈机制对系统起内部控制作用，它来自于两个或更多子系统之间一种特殊的耦合或调整。在反馈过程中一部分输出又返回来充作输入，其结果是系统的净响应有了变化。反馈机制既可增强最终的输出结果(正反馈)，也可以减弱输出结果（负反馈）。

气候系统

反馈过程举例：正反馈过程——冰雪反照率反馈、水汽反馈、二氧化碳反馈；负反馈过程——云反馈。

气候系统的敏感性和稳定性与反馈机制。

Lorenz把气候预报分为两类，第一类是与时间有关的，即习惯上的气候预报问题；第二类是与时间无关的，对应于敏感性问题。

气候系统的可预报性与外部强迫及内部过程的特性有关。

气候系统的热力学状态和动力学状态具有空间分布上的不均匀性。这种空间不均匀性的尺度在量级上有一个非常宽的范围。

气候系统的变化具有多时间尺度性。观测事实和古气候证据表明地球上的气候在过去发生了很大的变化，其变化有一个非常宽的时间谱，从月际到几亿年都有。

大气是气候系统中最容易变化的部分，例如，当外界热量输入(主要是太阳辐射)发生变化后，通过各种热量输送和交换过程能在一个月的时间内，调整对流层温度的分布。

海洋占地球表面面积的71%左右，它能吸收到达地表的大部分太阳辐射能，海水又具有很大的热容量，所以它是气候系统中一个巨大的能量贮存库。洋流在热量输送和全球热量平衡中起着巨大的作用，海洋表层在数月到数年内与大气或海冰相互发生作用，调节其温度。海洋的深层热量调节时间则需要几百年。

陆地表面具有不同的海拔高度、地形、岩石、沉积物和土壤，以及河、湖、地下水等。河、湖、地下水是水分循环中的重要组成部分，它们也是气候系统中容易变化的部分。陆块位置、高度和地形发生变化的时间尺度，在气候系统的所有组成部分中是最长的。

冰雪覆盖层包括大陆冰原、高山冰川、海冰和地面雪被等。雪被和海冰有很明显的季节变化，冰川和冰原的变化要缓慢得多。冰川和冰原的体积变化与海平面的变化有密切的联系。冰雪具有很大的反射率，在气候系统中，它是一个致冷因素。

生物圈指的是陆地上和海洋中的植物以及生存在大气、海洋和陆地的动物。生物对于大气和海洋的二氧化碳平衡、气溶胶的产生，以及其他气体成分和盐类有关的化学平衡都有很重要的作用。植物可以随着温度、辐射和降水的变化而发生自然变化，其变化的时间尺度为一个季节到数千年不等；而且植物反过来又会改变地面反射率和粗糙度，影响水分的蒸发、蒸腾，以及地下水循环。由于动物需要得到适当的食物和栖息地，所以动物群体的变化，也反应了气候的改变。

气候系统的属性可以概括为以下四个方面：热力属性，包括空气、水、冰和陆地的温度；动力属性，包括风、洋流及与之相联系的垂直运动和冰体移动；水分属性，包括空气湿度、云量及云中含水量、降水量、土壤湿度、河湖水位、冰雪等；静力属性，包括大气和海水的密度和压强、大气的组成成分、大洋盐度及气候系统的几何边界和物理常数等。这些属性在一定的外因条件下通过气候系统内部的物理过程(也有化学过程和生物过程)而互相关联着，并在不同时间尺度内变化着。

有的科学家把气候状态定义为：气候系统的全部成分在任一特定时段内的平均统计特征。这个定义的可取之处在于：

(1)它指出气候的物质基础是气候系统，而不仅仅是大气，它和天气系统是有区别的；

(2)气候是一个历史的概念，它和特定的时间阶段相联系，而不存在绝对的气候概念；

(3)某一时段的气候状态是指这一时段气候系统各属性的平均统计特征，不像天气是指某一瞬时或某一短时间内大气中气象要素和天气现象的综合。

必须指出，气候是复杂的自然地理现象之一。气候系统本身就说明了这个问题，气候的地带性和非地带性的地区差异，更足以表征它的自然地理特性。