Chapter 1

Climate System

地球气候系统

“Rising Earth”William Anders, Apollo 8, 1968

冰雪陆地

海洋大气

Climate System

太阳

火山活动

人类活动

植被变迁

温室气体

气溶胶

行星运动

臭氧

自然变率

General Picture

Outline

1. 气候系统的内部分量1.1 大气1.2 海洋1.3 海冰1.4 陆地

2. 气候系统内部的反馈

3. 气候系统外部的强迫

1.1 大气

• 大气组分

• 太阳与地球辐射

• 地球热量不均匀

• 三圈环流

• 海陆热力环流（季风）

• 天气尺度斜压波

• 中小尺度对流冰雪陆地

海洋大气

Climate System

分布高度不均一的水汽

分布高度不均一的臭氧

大气组分

影响LW的组分：- Water vapor & 云- CO2

- CH4

- N2O

影响SW的组分：- O3

- 云

“XY4”型分子的振动

Stretching

Bending

Symmetric Stretch Asymmetric Stretch

Twisting Wagging Rocking Scissoring

对称拉伸 非对称拉伸

剪摇摆前后同时摆一前一后扭摆

红框是“XY2”型分子的化学键振动形式

CO215um吸收带

太阳辐射（SW）vs.

地球辐射（LW）

Global Energy Budget

大气层顶能量的进出

Video: Terra/CERES OLR (1-yr daily data)

地球大气热量分布极不均匀

主要原因：

1. 地球的几何形状（球形）

2. 太阳直射点的时间变化（日循环、年循环）

3. 下垫面介质不均一（海陆、植被、反照率）

4. 垂直方向特殊的加热机理

不均匀性1：“赤道-极地”

这是“地球热机”持续工作的基本动力

造成： 大气中的三圈环流（从赤道向极地输送热量）海洋中的大洋环流（从赤道向极地输送热量）

不均匀性2：“冬半球-夏半球”

December June

造成：Hadley环流和季风环流

另见教材 Fig. 3.7

不均匀性3：下垫面介质“海洋-陆地”

造成：1. 夏季风和冬季风（季节循环），决定季风国家的农业生产2. 海陆风（日循环），可用于风力发电

不均匀性4：“城市热岛”

大城市强对流天气多，内涝风险大

不均匀性5：三热板与“对流层”

造成：对流层的对流不稳定

绝对稳定

稳定/不稳定

绝对稳定

稳定/不稳定80% mass

99.9% mass

地球大气热量分布极不均匀

大气发生运动以抵消各种不均匀

Scale of Atmospheric Motions

分子扩散

大气运动能谱

Spectrum

GAP

三圈环流：调整“赤道-极地”温度梯度

最古老的观点

经典观点

现代观点

季风环流：调整“海-陆”温度梯度

为什么东亚异于同纬度的沙漠带？

中纬度斜压波：调整南北温度梯度

1

2

3

4

5

6

ClimatologyEddy

经向环流型斜压波：完成中-高纬度能量交换

释放势能，转化为动能

纬向环流型西风带：阻止了中-高纬度能量交换

积累势能

热带气旋：调整热带-副热带温度梯度

对流：调整垂直温度梯度

MODIS Cloud Amount

Aug 26, 2011

云：大气运动的示踪物

云：大气运动的示踪物

风暴路径

风暴路径

ITCZ

1.1 大气

• 大气组分

• 太阳与地球辐射

• 地球热量不均匀

• 三圈环流

• 海陆热力环流（季风环流）

• 天气尺度斜压波

• 中小尺度对流

物理：辐射方案

物理：积云对流方案

动力：原始方程

阅读作业：教材第3章（The Atmosphere / M. Salby）

1. 简介- 组分和垂直结构- 辐射平衡- 全球能量budget

- 大气环流

2. 大气热力学- 热力学第一定律- 绝热过程（T-theta）- 热力学第二定律（entropy-theta）- 异质系统（界面水汽压）- 从干空气到湿空气- 垂直位移与干湿转换（相当位温）

3. 静力平衡- 位势高度及静力平衡- 温度直减率- 静力稳定性- 浮力与N

- 对流过程

4. 辐射传输- 辐射平衡（垂直SW、LW过程）- 热耗散- 温室效应

5. 云- 云的形成- 云对辐射的影响（层云、对流云）

6. 大气动力学- 惯性坐标系运动方程组- 旋转坐标系

7. 大气运动- 运动的尺度- 地转流- 准地转流（摩擦）- 垂直风切变

8. 大气波动- 重力波- 行星波（Rossby波）

9. 大气环流（斜压波）

10. 中层大气（行星波）

海洋环流与大气环流最重要的区别？

Chapter 1: Climate System2. The Ocean Circulation

Contents

• 海洋的基本情况

• 海洋洋流

• 风生环流

• 深层环流

• 海洋对热输送的贡献

Basics

Currents

Wind-driven

circulation

Deep

circulation

Thermal

transport

海洋的基本情况海洋洋盆的几何特征；洋中脊；

海水组成；温度-盐度分布；海洋层结

全球陆表高度分布

average depth of Earth (2.4 km)

海床岩龄

“海洋山脉”

南大西洋断面南纬25度

如上页黄色线

大西洋洋中脊 Walvis脊

海洋的水

2012年5月，美国USGS宣布，地球水量相当于1384km直径的水球，地球的绝对水量非常之少

海水组分

35‰

海洋表面温度 SST

海洋盐度 Salinity

WOA99

温度-盐度-密度

温度廓线的季节变化

北太平洋（50N,145W）

从春到夏

从秋到冬

教材Fig.4.10

海洋层结

海洋洋流航海时代的发现；风应力与海洋洋流

葡萄牙16世纪大型帆船Santa Catarina do Monte Sinai

Map of Ship DriftMatthew F. Maury, 1800s

落帆的船的漂流速度=1节（0.5m/s）

海洋洋流

红色是暖洋流，蓝色是冷洋流

Great Pacific Garbage Path

风应力

教材Fig 4.5

风应力计算经验公式

风生环流Ekman输送；大洋环流Gyre；地转SSM理论；

不能用大尺度理论解释的costal eddy

Ekman的故事

1893年（北极探险的伟大时代）， 挪威科学家Fridtjof Nansen乘船探险北极，船体冰封于海冰中。他原以为船和浮冰会被北风吹到北极点，但长时间观测发现一只在向东漂流。

1902年，Nansen问V Bjerknes“坐在墙角那个内向的学生”能不能帮他分析北极洋流问题，Bjerknes就答应了。

这个“内向的学生”就是Ekman。

1905年，瑞典学生V. M. Ekman展示博士论文，用简单的公式描述了Ekman Transport的概念。后来任职于瑞典Lund大学的力学和机械工程系。

为了纪念海洋学家Ekman的巨大贡献，大气边界层的摩擦损耗廓线也被称为“Ekman”螺线。

Vagn Walfrid Ekman1874-1954

1874年生于瑞典Stockholm，父亲是物理海洋学家。本科学习海洋学。后经人介绍师从V. Bjerknes，1902年去挪威首都Oslo的ILOR(国际海洋研究实验室)攻读博士学位。1905年发表论文

1910年离开ILOR回瑞典Lund大学力学和工程物理系任教，干了30年，退休前被评为瑞典皇家科学院院士。

Ekman一生酷爱音乐，是天才的钢琴演奏家，男低音歌唱家，作曲家。

Ekman输送

150 m

Wind Speed

10 m/sSurface Current Speed

6.4 cm/s

图上标注的数字是35N典型值

Ekman输送导致Gyre

North Pacific Gyre

South Pacific Gyre

Indian Ocean

Gyre

North Atlantic

Gyre

South Atlantic

Gyre

西风

信风

Gyre

Gyre’s Dome

Gyre’s Dome完成地转适应后

大洋环流的地转理论

主要考虑 Pros Cons

Sverdrup 1947混合层质量输送与风应力的旋度有关

可解释大洋东边界的环流状况；可解释ECC

无法解释西部强化

Stommel 1948在Sverdrup基础上，考虑底摩擦

可解释西部强化（Gyre的东-西方向非对称性）

西部强化的还不够强

Munk 1950在Stommel基础上，在东-西方向考虑侧边界eddy摩擦

更好地估计西部强化；对西北小尺度乱流有所估计

Sverdrup’s Model

Sverdrup理想模型根据Sverdrup模型用真实风应力计算的流场

Stommel’s Model

Gyre’s Dome Bottom stress

From Stommel (1948)

Munk’s Model

From Munk (1950)

地转理论不能解释Eddy

SST satellite image, from U. Miami RSMAS

Gulf stream and rings

西边界极快的沿岸流，受湍流影响很大，以斜压为主，无法用地转理论解释

Eddies in California Currents

(a) Satellite SST (July 16,

1988), with subjectively

determined flow vectors

based on successive images.

(b) Surface pigment

concentration from the CZCS

satellite on June 15, 1981.

Source: From Strub et al.

(1991).

EKE

Kinetic energy in physics = ½ mv2 --> for water/ocean, use ½ ρ(u2+v2)

Eddy Kinetic Energy (EKE): use u’ = uobserved -umean so EKE = ½ ρ(u’2+v’2)

深层环流深层水体层结；大西洋翻转环流AMOC；大传送带假说

大西洋深层水体层结

南极底水 北大西洋深水

南极中层水

AMOC

北海下沉支／北支

拉布拉多海下沉支／南支

全球深层环流

北大西洋MOC

印度洋MOC

北太平洋洋MOC

海洋经向热输送大气vs海洋；海洋经向热输送

大气 vs 海洋

Peixoto & Oort, 1992

海洋经向热输送

Trenberth & Caron, 2001

大西洋只有向北输送，无向南输送

印度洋几乎没有向北输送

多尺度海洋环流的经向热输送

教材 Fig 11.15海洋模式中不同尺度海洋环流的经向热输送Semtner & Chervin, 1988

MOC与Gyre

是最主要的热输送过程

热带地区：风驱动的Gyre并没有把

热量带出去的作用；而热驱动的MOC可以有效地完成经向热输送

Contents

• 海洋的基本情况

• 海洋洋流

• 风生环流

• 深层环流

• 海洋对热输送的贡献

• 阅读作业：Ch4 The Ocean Circulationby P. Niiler

Basics

Currents

Wind-driven

circulation

Deep

circulation

Thermal

transport

海洋环流与大气环流最重要的区别？

Nature, 1987, v6, n11

Chapter 1: Climate System3 Sea-Ice

Contents

• 海冰的几何特征

• 海冰的形成与消融

• 海冰对气候的影响

• 北极海冰的长期趋势

海冰的几何特征水平尺度的重要性；区别于冰山和冰盖的特征；

北极海冰与南极海冰的图景

海冰的几何特征

北极海冰Arctic sea-ice

南极海冰Antarctica sea-ice

冰山Iceberg

冰盖Ice sheet

水平范围 5~15 百万平方公里 4~18 百万平方公里 10~100 米 2~14 百万平方公里

厚度 3~4 米 1~2 米 600 米 1~3 公里

最主要维度 水平 水平 垂直 水平+垂直

两极的海冰占地球总面积的7%

冰山Iceberg

500~

1000 m

海冰Sea-ice

海冰Sea-ice

海冰Sea-ice

北极海冰

南极海冰

海冰的形成与消融基本结构；动力学和热力学；形成；消融；

海冰的基本结构

Matti, Atmosphere-Ocean 1993

雪盖（松雪层、新雪层）

冰层

海冰冰底是海冰生长的地方发生析盐作用

动力学和热力学

Sea Ice

Atmosphere

大气施加的冰面风应力

海水施加的冰底海流应力

地球旋转施加的科氏力冰层内部的形变应力海面高度梯度造成的压力梯度力盐泡改变了海冰的很多种理化性质

从海洋

-到大气

的向上热传导

海冰的形成• 水温降至-1.8度以下• 有冰核（雪花、冰屑等）存在• 表层水由于冷却密度较高而下沉• 垂直方向整层一起结冰，冰内冻有盐泡和气泡• 冰块彼此碰并形成结实的整块海冰• 整块海冰最终形成，其上累计降雪

数据• 北极海冰2-4米厚；南极海冰0.5-1米厚• 北极海冰冬季15x106平方公里• 南极海冰冬季18x106平方公里• 海冰于3月到达冬季极值；9月夏季极值

1静海

2 3

1动海

海冰的消融

• 夏天来临，白天变长，短波入射加强

• 冰面积雪融化，反照率减小

• 吸收更多短波入射

• 雪化完，冰开始融化，每天0.04米

• 冰上出现：水道、融坑、融池（主要是盐泡部位）

• 海冰融化1-1.5米后，海潮和风暴加速分裂海冰

• 最终分解全部海冰

海冰的消融

海冰的消融

海冰对气候的影响反照率；感热；水汽（潜热）；AMOC

海冰的气候效应

• 影响辐射（对气候系统）海冰反照率约50~70%；水面约5~15%

通过Ice-Albedo正反馈显著影响了高纬气候

• 绝热作用（对大气）冬天：大气-50~-20度，海水-2~0度若开放洋面：100~1000瓦/平方米海冰存在：10~20瓦/平方米海冰显著地减弱了海气之间的热量输送，使分子热传导的慢过程成为极地垂直热量输送的主要机制；进一步影响赤-极梯度，影响经圈环流

• 阻挡水汽（对大气）使得北极气团干冷，现在这种情况正在快速改变…

• 深水/底水的形成（对海洋）海冰下由于脱盐作用，使得海水密度很大而下沉，是大洋深水和底水形成的主要机制，是北大西洋地区热盐环流下沉支的主要动力

海冰对海气相互作用的阻挡

海冰像一块绝热板、绝水汽板

海冰促进高纬地区大洋深水、底水的形成

NADW和AABW的形成需要上百年至一千年它们的密度很大，沉在大洋底部，移动非常缓慢

这是是气候模式或海洋模式模拟的难点

北极海冰的长期趋势水平范围快速减少；老冰比例减少；

冰层厚度减少；体积减少

北极海冰范围快速减少

此图外缘是北极圈

120E (Beijing)

新地岛

Schiermeier, Nature, Sep 2012

北极海冰范围减少、老冰比例下降

夏天海冰持续减少 老冰越来越少新冰越来越多

Arctic Sea-Ice 1988~1990

Arctic Sea-Ice 2010~2013

北极海冰越来越薄

Video北极海冰体积快速减少

Contents

• 海冰的几何特征

• 海冰的形成与消融

• 海冰对气候的影响

• 北极海冰的长期趋势

Chapter 1: Climate System

4 Land Surface

Amazon Rainforest

Outline

1. 陆面与其它分量的对比

2. 基本陆面类型

3. 陆面过程

4. 陆气界面的通量交换

5. 陆面模式发展回顾

让我们仔细端详覆盖地球30%面积的陆地

陆面与海面的对比

陆面 海冰 海洋 大气

水平范围 30% 7% 70% 100%

垂直厚度 2米 2米 4000米（1000米） 8000米

Heat Capacity 可忽略 可忽略 巨大热储库 很小

Heat Transfer N/A N/A 被动 主动

均一性水平、垂直极不均一

高度均一 高度均一 垂直层结

交互对象 陆-气 冰-气；冰-海 海-气；海-冰 气-陆；气-海；气-冰

变化时间尺度 Seasonal Seasonal Interannual Synoptic

陆面对大气最主要的是：水汽大气对陆面最主要的是：热量

0 - Undefined

1 - Evergreen Needleleaf Forest 常绿针叶2 - Evergreen Broadleaf Forest 常绿阔叶3 - Deciduous Needleleaf Forest 落叶针叶4 - Deciduous Broadleaf Forest 落叶阔叶5 - Mixed Forest 混交林6 - Closed Shrubland 郁闭灌丛7 - Open Shrubland 开放灌丛8 - Woody Savannas 树木草原

USGS全球高分辨率陆面类型经典18种（17种）

9 - Savannas 非洲大草原10 - Grassland 草地11 - Permanent wetlands 永久湿地12 - Cropland 农田13 - Urban and Built-up 城市14 - Cropland/Natural Veg. 农田/自然植被15 - Snow and Ice 冰雪16 - Bare Ground 贫瘠土地17 - Water Bodies 水体

热带雨林

中纬度落叶阔叶林

农牧交错带

高寒草场

2011年7月 西藏那曲 4700米

高纬苔原

阿拉斯加Denali国家公园

陆面过程

冠层截流再蒸发渗漏

过量雨水汇入地表径流

雨水重力向下渗透

过量雨水汇入地下径流

根部吸水反渗透

导管运输水分

叶面气孔蒸腾

太阳短波照射加热叶面反照率（反射SW）叶面向大气LW加热

叶面向土壤LW加热土壤向叶面LW加热

冠层对大气风场的摩擦耗散

蓝色：水过程红色：辐射和热传导绿色：动量过程

土壤上下热传导

叶面指数：LAI

叶面指数的全球分布

陆面过程

Yang Z.-L., 2004

陆-气通量交换

植被

大气

土壤蒸发

+蒸腾

感热

长波辐射

短波

辐射

降水

摩擦耗散

Energy Mass Momentum

陆气界面

大气模式

陆面

模式

陆面模式的发展回顾

• Bucket Model1969年，Manabe发展陆面参数化方案，只能吸收15cm降水，多余部分进入径流，蒸发用土壤湿度的经验公式，所有地表参数都为日平均，不能模拟日循环。后不断改进，改进蒸发计算，增加土壤中水过程等。

• Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer Model (SVAT)1978年，Deardorff发展第一个现代陆面模式。2层土壤，1层植被。包含植被和土壤之间的水运动。蒸腾作用显式表达。在此之后的几十年间，全球共开发了约10几个陆面模式，基本结构都与此类似。

• 例1：Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme (Dickinson, 1983/84)3层土壤，1层植被；18陆面类型，15植被类型（每种27个理化生参数）；基本完整的陆面过程；后加入动力植被。全球广泛使用，包括全球模式和区域模式。

陆面模式的发展回顾

• 例2：Simple Biosphere(SiB) Model (Sellers, 1986)设计初衷是“植被主导一切”。3层土壤，2层植被，一开始有12种植被类型，后缩减为9种。包含“光合作用”等多种化学生物过程。全球广泛使用。1991年，UCLA薛永康将输入参数由54个大幅减少至26个，改进代码和部分参数化过程，计算效率提高一倍，称为Simplified SiB (SSiB)

• 例3：Common Land Model (戴永久）结合Dickinson的BATS开发而成。1层植被，多层土壤，多层陆冰/雪。被NCAR选中放入气候系统模式中。现尝试加入动力植被。

1960s-70s

第一代LSM

水

1980s-90s

第二代LSM

植被

2000s

第三代LSM

生物化学

陆面模式面临的挑战

• 从柱模式到3D模式：侧向格点的作用

• 叶面表达：从笼统的“大叶片”到“真实叶片”

• 更多的小模块：Lake，Glacier等

• 动力植被和生物化学过程

• 分辨率，特别是水平方向

Outline

1. 陆面与其它分量的对比

2. 基本陆面类型

3. 陆面过程

4. 陆气界面的通量交换

5. 陆面模式发展回顾

阅读作业：教材 Chapter 5 Land Surface

By Robert Dickinson

Chapter 1: Climate System5 Feedback

冰雪陆面

海洋大气

Climate System

Outline

• 什么是反馈

• 主要反馈过程

Ice-albedo feedback

Water vapor (Greenhouse effect) feedback

Cloud feedback

Land surface feedbacks

• 其它反馈过程

• 几点反思

反馈 Feedback

概念源于电子工程学

正反馈：某系统的输出量的一部分，再附加在输入量上。表现为振荡放大。负反馈：某系统的输出量的一部分，要从输入量中减去。表现为阻尼振荡减弱。

1. 冰雪反馈在季节尺度上的影响主要集中在中高纬度 (60⁰-80⁰)

2. 热带基本不受冰雪反馈影响

3. 两极受冰雪反馈影响很小，为什么？

4. 冰雪反馈能无限进行下去吗？

Ice-Albedo Feedback

冰雪反馈在地球气候史上的影响

Tmin

Tmax

Ice Free Snowball

αmin

αmax

当前地球气候总的来说处于偏冷期

80% 15% 5%0

1

α=0.3

Occurrence%

IPCC AR4 2007

柱水汽含量的季节变化

Water vapor Feedback

Greenhouse Effect Feedback

1. Water vapor (热带) 能无限进行下去吗？

2. CO2 (全球海洋)

3. CH4 (高纬陆地冻土层和湖泊)

Cloud Feedbacks云反馈是正是负，尚不明朗！

• 根本原因云既影响短波（反射为主）云又影响长波（水汽和云滴的温室效应为主）

• 复杂度1–全球变暖与云量关系不明：全球变暖导致水汽增加但水汽增加是否导致总云量增加尚不明确

• 复杂度2–云反馈依赖于云型：低云-中云：温度高于环境，LW冷却，cooling高云：温度低于环境，温室效应明显，warming

• 复杂度3–云反馈依赖于云微物理特性：小云滴、多数量：反射作用更强，因此cooling大云滴、少数量：温室效应更强，因此warming

现有的气候模式对“云”的模拟能力仍然非常有限，多用参数化，少部分模式开始尝试显式地引入云微物理参数化方案(Cloud Microphysics Scheme)。完全显式地模拟云仍然负担不起。

Surface Temperature

? ?

地表植被反馈

植被-反照率反馈主要和温度对植被类型的影响有关

常见于高纬地区

植被-降水反馈主要和降水对植被类型的影响有关

常见于低纬地区

Other Feedbacks

• Bjerknes feedback (ENSO)

• Forest fires feedback

• Carbonate-Silicate cycle

• Lapse rate feedback

关于Feedback的几点思考

• 系统中能只有+/-反馈吗？只有+反馈，系统会振荡崩溃

只有-反馈，系统会绝对稳态

• 系统中两种过程互相制衡+反馈使得系统振幅大，频谱较宽

-反馈使得系统振幅小，频谱较窄

• 自然过程的反馈往往是确定的

人类活动的反馈往往是不确定的

海洋

物理介质 流体 流体 固体 固体

运动原因 热量不均匀 风生/密度不均匀 N/A N/A

运动形式大尺度环流斜压波动热对流

风生环流热盐环流

N/A N/A

热机触发热带对流

“温度”很重要高纬度下沉

“密度”很重要垂直热传导 水和生物过程

运动结果 减小热梯度 减小热梯度 放大热梯度 放大热/水梯度

内部主要反馈 负反馈为主 负反馈为主 正反馈为主 正反馈为主

评价 稳定气候 稳定气候 使气候不稳定 使气候不稳定

Outline

• 什么是反馈

• 主要反馈过程Ice-albedo feedback

Water vapor (Greenhouse effect) feedback

Cloud feedback

Land surface feedbacks

• 其它反馈过程

• 几点反思

• 阅读作业：Chapter 1: Introduction to Climate Modeling其中，第1.2节讲述了气候系统中的反馈过程

Chapter 1: Climate System6 Climatic Forcing

冰雪陆面

海洋大气

Climate System

自然强迫

人类活动

气候系统的基本图景

“Natural” “Anthropogenic”

Mt. Pinatubo

6 气候系统的强迫

6.1 自然强迫

- 地球轨道要素

- 太阳活动

- 火山活动

6.2 人为强迫

- 温室气体 (CO2, CH4, N2O, CFCs)

- 气溶胶

- 陆面变迁

地球气候概貌

46亿年以来，地球整体上逐渐变冷，特别是到新生代以后显著变冷

地球绝大多数时间完全没有冰盖，直到新生代后期两极规律地出现大范围冰盖

地球发生过5次大冰期：

a. Huronian Glaciations

b. Late Proterozoic Glaciations

c. Late Ordovician Glaciations

d. Permo-Carboniferous Glaciations

e. Paleistocene Glaciations

a

b

c

d

e

Hadean

古

中

新

奥陶-志留纪冰期

泥炭-二叠纪冰期

第四纪冰期

Ho

t H

ou

se

Ice

Ho

use

新生代温暖时期的繁荣

British Museum of Natural History

Irish Giant Deer

第四纪气候变化

4万年旋回 10万年旋回

第四纪冰期的基本特征：• 地球气候在“冰期”和“间冰期”之间快速振动(Glacial-to-Interglacial Cycles)，越来越冷• 250万年至100万年之间，以4万年为周期，频率高但振幅小，进行较快的冰期-间冰期旋回• 100万年至今，以10万年为周期，频率略放慢但振幅大，进行较慢的冰期-间冰期旋回• 我们生活在最后一次间冰期中

新生代6500万年这张图是新生代最后10%的时间

今天的人类

地球轨道要素

岁差2万年

黄赤交角4万年

偏心率10万年

萨尔维亚人，1879-1958

维也纳工业学院 工程学博士The schedule sun radiation on the earth's surface, 1913

地球轨道要素对地球温度的影响

在过去100万年间：“冰期/间冰期”旋回（10万年）

北纬65度的辐射量对冰雪最敏感为什么？

偏心率（10万年）

黄赤交角（4万年）

岁差（2万年）

Vostok EPICA

世界各国驻南极考察站分布图http://www.ted.com/talks/lee_hotz_inside_an_antarctic_time_machine.html

长城站 1985

中山站 1989

昆仑站 2009

夏季站

Amundsen-Scott

Polar Station

泰山站 2014

Video

Sun Dynamics Observatory

Since 2010

http://sdo.gsfc.nasa.gov/

太阳黑子的蝴蝶图

太阳黑子的11a周期

太阳活动

小冰期Little Ice Age

1677年泰晤士河冰封 1625年Avercamp画作：打冰球

Hendrick Avercamp关于小冰期的画作

火山活动

IPCC AR4 2007

Warming

平流层

Cooling

对流层

2012年10月6日俄罗斯Shiveluch火山喷发

MODIS/Aqua

Pinatubo Volcano

June 1991

菲律宾吕宋岛二战后最大的、观测完备的火山喷发

火山喷发气溶胶的全球扩散

1991年6月12日（菲律宾独立日），菲律宾Pinatubo火山首次喷发；15日火山连续喷发9小时，火山灰喷至35

公里高。造成800人死亡，10万人无

家可归。卫星观测到火山灰绕地球若干圈。之后的数年中造成可观测到的全球变冷。

1982年3月28日-4月4日墨西哥El

Chichon火山喷发，尽管强度不大，

但是人类首次使用科学仪器密集观测的火山喷发。由于详细地观测了到火山灰围绕全球的扩散过程，导致之后的三周内重创全球民航航空业。

温室气体

怀疑论者的论调：

• 是人类活动导致CO2

增加再导致全球变暖？

• 还是某种未知的自然原因导致全球变暖，使得CO2增加？

如何回答这个“CO2增加是因还是果”的问题？

气溶胶

IPCC AR4 2007

注意：这里讨论的是人为排放的气溶胶。不包括自然源气溶胶，如火山喷发、海盐等。

气溶胶对气候的影响直接效应散射辐射

第一间接效应Twomey效应云反照率效应

云滴数量

第二间接效应Albrecht效应云生命周期效应

云生命时间、云降水量、云型

准直接效应黑炭吸收辐射

CM中基本都包含气溶胶的直接效应，但间接效应基本都不包含（因为缺失显式的云模式），因而是CM中最不确定的部分。

陆面变迁

• 沙漠化 Desertification

• 森林砍伐 Deforestation

• 城市化 Urbanization

• 河湖改造、水坝工程

陆面变迁1：Sahel沙漠化

UNEP估计：死亡10万-25万人

是天灾：降水、大西洋海温、季风变迁、局地植被反馈是人祸：人口增长过快、低水平大面积农作物耕种

陆面变迁2：雨林砍伐

A. 巴西Amazon雨林的砍伐（教材进行了深入探讨）

Amazon砍伐量占全球1/5

B. 印度尼西亚雨林的砍伐

C. Greenpeace组织阻截KFC砍伐Amazon树木种大豆

A B

C

VideoAmazon Deforestation

安徽宣城：为道路建设砍伐森林

安徽芜湖：石灰矿，2012年已关闭

6 气候系统的强迫

6.1 自然强迫

- 地球轨道要素

- 太阳活动

- 火山活动

6.2 人为强迫

- 温室气体

- 气溶胶

- 陆面变迁

阅读作业

教材第2章：人类活动对气候的影响

冰雪陆面

海洋大气

Climate System

自然强迫

人类活动