• 大气环流是大范围的大气运动，热量和水 分通过大气环流进行传输，水分的传输影 响到陆地上降水的分布、冰盖的发展和海 水的盐度 • 大气环流的主要状况(形式)往往决定着全球 的或区域的天气和气候类型及其变化:尤其 是气候的异常(如大范围早涝的发生)往往都 同大气环流的某种持续异常有关。 • 在全球尺度上，主要有三种相互关联的大 气环流形式
• 大西洋和太平洋之间的水体流动构成了一个跨越大洋的海洋’‘传送 带” • 向北大西洋地区的输送海洋热，占该地区所获得的所有热量的25%。 这些热量的有无对高纬度的温度与大陆冰盖的生消有重大的影响。 • 大洋环流一气候关系模式来解释第四纪冰期一间冰期的转换机制
二、 水文循环与气候系统中的反馈 过程
• 一是与太阳辐射强度及地球轨道要素相关 联的到达地球的太阳辐射能的多少，它们 的变化会引起到达大气上界的太阳辐射的 变化，是影响地球能量收支平衡的外在因 素。
• 二是地球的行星反射率，决定了到达地球 的太阳能被直接反射回太空的份额的多少。 云量、大气气溶胶、冰雪覆盖面积、陆地 植被、地貌形态，以及海陆分布格局等都 对地球行星反射率产生影响。上述诸因素 的改变所引起的反射率变化均可导致地球 实际接收到的太阳辐射的份额相应改变。
一、气候系统与水文循环过程
• 物理气候系统由大气、海洋、冰雪、陆地表面和生物圈 所组成，太阳能是物理气候系统的驱动力。 • 气候形成和维持的物理过程主要与气候系统的加热率和输 送过程有关。有了一定的加热率后，气候状态的形成还取 决于大气和海洋如何响应(发展为风和洋流)，以及风、洋 流和大尺度涡旋如何通过对物理量的输送到达稳定平衡， 维持一定的全球平衡态。如果气候系统的能量收支与时空 分布的平衡受到破坏，将导致物理气候系统状态发生改变， 即发生气候变化。 • 能量循环过程很大程度上由气、液和固态水物质所支配， 是通过水的循环来实现的，与水循环相联系的各种过程在 气候系统中至关重要。
• 水循环过程的意义不仅是水的气相、液相和固相 之间的状态转换，更为重要是，就气候系统而言， 以全球能量和水循环过程为主体的气候和水文系 统的过程是有机联系在一起的。 • 气候过程则通过水、热、物质和动能的输送，控 制着陆、海表面和大气的相互作用，在气候系统 中引起一系列重要的反馈过程，其中以下四个反 馈过程对气候变化最为重要。
• 第一，水汽反馈。水汽反馈是最重要的一种反馈。水汽的 反馈总体上是正反馈。
• 第二，云辐射反馈。 • 对地球的行星反射率有重要影响； • 另一方面云又是红外辐射的良好吸收体，对于来自地球 表面的热辐射，具有类似温室气体的作用
• 一般来说，低云以反射作用为主，常导致降温，而高云则 以被毯效应为主，常使系统增暖，因此云的反馈既可能是 正反馈也可能是负反馈，气候对云量和云的结构变化十分 敏感。
• 第三，冰雪圈反馈。 • 有很大的季节性变化的雪盖和海冰，以及 变化较慢的冰川和冰原构成了气候系统的 低温层。 • 冰雪通过其高反射率和融解成为有效的热 汇，它们在大气热量平衡中起着冷却面的 作用。 • 冰雪圈的反照率具有强烈的正反馈放大作 用:温度降低(升高)~冰雪覆盖增大(减小)~地 表反射率增大(减小)~吸收太阳辐射减少(增 多)~温度降低(升高)。
全球变化的主要过程 和驱动力
全球变化研究的主要内容
–全球变化的过程和驱动力 –全球环境变化在时间和空间上的表现形式 –全球变化的影响与人类的响应 –全球变化信息的获取、处理与分析技术
第一节 全球变化的主要过程
• 全球变化的原因是维持地球系统的 平衡关系发生了变化。 • 这种变化是通过维持地球系统状态 的某些过程的变异来实现的，初始的变 化过程中通过一系列复杂的驱动与响应 的反馈作用而放大，并最终导致各圈层 性质与全球环境状态的相应改变，如气 候变化、海陆分布与地貌形态的变化、 生物地带的变化等。
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其它特性，如海洋的分布、陆地和冰川 的分布，在较短的时间尺度上可以认为是 固定的，但在千年以上时间尺度中则成为 不可忽视的变量，它们的变化都对地表在 气候形成和演化中的作用产生显著影响。
地球表面的能量平衡与温室效应
• 气候系统的加热率取决于地球气候系统能量的收支平衡。 其影响因素可归结为三个方面，其中的任何一个方面发生 变化都可能引起气候变化。
• 地球是一个充满水的星球，水是地球系统许多子 系统中必不可少的成分，许多过程都是在水的参 与下才得以实现的。 • 水在上述相互作用的水体之间不停地相互迁移转 换，构成水文循环过程，此过程受太阳能所驱动， 一般在几年之内就可循环一次，但不同部分循环 更新的速度有快有慢，通常大气中的水汽约10天 循环更新一次，而水在海洋中的停留时间超过10 年以上。
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大气和海洋以十分复杂的非线性方式紧密联结 在一起，形成一个十分敏感的耦合系统，共同承 担着地球上能量的传递作用，是热量从赤道向极 地传输的重要方式。 • 大气环流驱动大洋表层水体发生相应的运动， 形成表层环流。 • 在有上升流和下降流的地区，其海洋表面温度 低于或高于其它海区，赤道地区大洋两侧海水温 度的差别导致了沃克环流的出现，海温的变异引 起厄尔尼诺与拉尼娜现象的发生，并通过海气作 用导致沃克环流异常，造成大尺度的环流异常与 全球气候异常。 • 除表层风生流之外，大洋中还存在由海水的密 度分布决定的海洋环流，由于密度又取决于温度 和盐度，所以也称为热盐环流。
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三是进人到地球系统中的太阳能在地球系统中滞留的时 间，与地球的温室效应相联系。 • 维持温室气体的平衡是生物地球化学循环的重要环节 • 在地质历史上，温室气体的含量曾发生过重大变化，并 与地球的温度变化之间存在着密切的对应关系。
大气和海洋环流
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大气和海水都是流体，地球在吸收和释放热量的过程中 驱动着大气和海洋的运动。 大气从地面获得的能量是大气直接从太阳获得的能量的 2.3倍，因此地面是大气热机的主要热源。穿过大气到达 地面的太阳辐射，约有80%被海洋吸收，然后，通过长波 辐射、潜热释放及感热输送的形式传输给大气。 在地面热源中，主要来自海洋的潜热占50%以上，比感热 多两倍多。 海洋主要通过对潜热和感热的输送推动其上面的大气运动， 强烈地影响气候 大气主要通过风应力将动量送给海洋，影响海洋环流， 气候系统正是通过大气和海洋的运动实现物质和能量的传 输与转化。