第二講氣候動(dòng)力學(xué)-中國氣象局培訓(xùn)中心培訓(xùn)課件

1、第2講 氣候變化的原因,,1.全球輻射平衡與輻射強(qiáng)迫,太陽輻射是驅(qū)動(dòng)地球上所有天氣和氣候現(xiàn)象的能量來源。就全球和年平均而言，有343W/m2的太陽輻射（又稱短波輻射）入射到大氣頂，但其中三分之一（103W/m2）被云層和地表面又反射回太空，因而只留下240W/m2被地球的氣候系統(tǒng)所吸收。大氣本身對太陽輻射的直接吸收很少，大部分被陸面、海洋、冰面所吸收，使它們溫度升高。為了維持地球的氣候長期不變，根據(jù)輻射平衡的原理，地球作為一個(gè)黑體（嚴(yán)格

2、說應(yīng)為灰體）被地表和大氣吸收的太陽輻射必須在大氣頂被地球自身放射的紅外輻射（又稱長波輻射）所平衡，其量值也應(yīng)該是240W/m2。這種情況下，地球系統(tǒng)由于沒有任何凈能量輸入，則能保持地球氣候狀況（主要由全球地表平均溫度表征）不變。因而全球輻射平衡是維持穩(wěn)定地球氣候的基本原理。不論何種原因，如果這種平衡一旦被破壞，則全球輻射平衡不能維持，地球系統(tǒng)將獲得或損失能量，從而導(dǎo)致地球氣候的變化。,破壞全球輻射平衡可以有兩種方式：一是入射到大氣頂?shù)奶?/p>

3、陽短波輻射量發(fā)生了改變，它主要由太陽活動(dòng)本身的變化或太陽常數(shù)的變化引起，也可以由地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道參數(shù)（偏心率，進(jìn)動(dòng)和傾斜角）變化引起（即米蘭科維奇循環(huán)），也可以是大氣中的云層覆蓋面積或大氣氣溶膠顆粒物含量發(fā)生了變化，從而使反射的太陽輻射量發(fā)生了變化（用反照率表示）。這些變化是引起氣候自然變化的主要原因之一。它可以影響不同時(shí)間尺度的氣候變化。二是射出長波輻射的變化。能夠影響地球射出長波輻射向外空傳輸?shù)闹饕蜃邮谴髿庵械乃?，O3和溫

4、室氣體等。它們能捕獲或攔截地球和大氣向外射出的長波輻射，使射出的長波輻射減少，從而破壞了全球輻射平衡。由上可知，能夠改變大氣頂凈輻射或使輻射平衡發(fā)生擾動(dòng)或破壞的任何因子都可以引起全球氣候變化，它們被稱為輻射強(qiáng)迫(圖1A）。實(shí)際上，全球氣候變化是對輻射強(qiáng)迫的響應(yīng)，通過這種響應(yīng)過程，地球系統(tǒng)改變自身的氣候狀況，以重新恢復(fù)原來的或建立新的全球輻射平衡。在這個(gè)過程中，由于氣候系統(tǒng)中各圈層響應(yīng)的快慢不一樣，其所表現(xiàn)出的氣候變化狀況就不一樣（圖1B

5、）。,圖1A 各種影響全球氣候變化物質(zhì)引起的全球平均輻射強(qiáng)迫值（RF）2005年，相對于1750年）（a）及其90%信度水平的發(fā)生概率分布（b）。LOSU是科學(xué)認(rèn)識(shí)水平，火山氣溶膠未包括。（IPCC,2007）,圖1A 各種影響全球氣候變化物質(zhì)引起的全球平均輻射強(qiáng)迫值（RF）（2005年，相對于1750年）（a）及其90%信度水平的發(fā)生概率分布（b）。LOSU是科學(xué)認(rèn)識(shí)水平，火山氣溶膠未包括。（IPCC,2007）,,箭頭：對流層頂凈

6、通量不平衡。蘭線：未擾動(dòng)溫度剖面；桔紅線：擾動(dòng)溫度剖面。從左到右，瞬時(shí)RF（IRF）：大氣溫度處處不變；平流層調(diào)整的RF：允許平流層溫度調(diào)整；零地面溫度變化RF，允許對流層大氣溫度調(diào)整，而地面溫度不變；平衡氣候響應(yīng)：允許大氣與地表溫度都調(diào)整達(dá)到新的平衡態(tài)，對流層頂RF消失。地面溫度變化了ΔTs。（IPCC,2007),圖1B RF計(jì)算方法,,大氣的對流層和海洋響應(yīng)較慢，因而它們在幾十年之后才可能表現(xiàn)出明顯的氣候變化；而平流層大氣響應(yīng)快

7、，一般在一個(gè)月左右就可發(fā)生明顯的變化。正的輻射強(qiáng)迫可使地表溫度上升，導(dǎo)致全球變暖，負(fù)的輻射強(qiáng)迫（如火山爆發(fā)）使全球變冷。應(yīng)該指出，輻射強(qiáng)迫的計(jì)算是研究氣候變化原因和預(yù)測氣候變化的一個(gè)關(guān)鍵。它所關(guān)心的是太陽輻射和長波輻射的變化，而不是其本身，從這個(gè)意義上講，入射的太陽輻射并不是輻射強(qiáng)迫，只有它的變化量才是輻射強(qiáng)迫。,2、氣候變化的驅(qū)動(dòng)力,,外強(qiáng)迫的作用：氣候變化的驅(qū)動(dòng)力之一,,,幾千萬年～幾億的氣候變化的驅(qū)動(dòng)力主要是地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)，包括板

8、塊運(yùn)動(dòng)，火山爆發(fā)，海底的地質(zhì)構(gòu)造變化等，也包括沙塵的影響。通過這些地質(zhì)構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)，通過改變大氣中溫室氣體的濃度和反照率，影響著地質(zhì)年代的氣候。,更新世（200萬年-1萬年）氣候變化及其意義（圖2-4）,1.氣候變化的主要啟動(dòng)力是地球軌道變化，非常弱的強(qiáng)迫2.更新世氣候變化的主要機(jī)制是GHGs和冰蓋區(qū)，作為反饋機(jī)制3.長時(shí)間尺度的氣候變化對很小的強(qiáng)迫是很敏感的4.人類造成的強(qiáng)迫矮化了引起冰期與間冰期氣候變化的自然強(qiáng)迫5.人類活動(dòng)是

9、現(xiàn)代氣候變化的一個(gè)驅(qū)動(dòng)力,Hansen,2007,溫度距平(℃),年距今,人類活動(dòng)擾動(dòng),圖2 目前的CO2濃度是42萬年來的最大值。83萬年來，仍是最大值,( redrew from Petit et al. 1999 ),,南極東方站（Vostok）測量的大氣CO2濃度變化,（IPCC，2001）,For past 425 ky, (A) GHGs and sea level, (B) Surface albedo and GH

10、G forcings, (C) Observed and calculated temperatures,圖3 過去425千年: (A) GHGs與海平面，(B)地表反照率與GHGs強(qiáng)迫，(C)觀測與計(jì)算的溫度,圖4 冰期氣候強(qiáng)迫,氣候敏感性,人類活動(dòng)輻射強(qiáng)迫是否超過了自然輻射強(qiáng)迫？,,全球氣候是否會(huì)向冰期（變冷）演變？ 根據(jù)米蘭科維奇（Milankovitch）循環(huán)理論，近幾百萬年由于地球軌道參數(shù)的變化（進(jìn)動(dòng)，地軸傾斜和地球軌

11、道橢圓性變化），氣候具有周期為10萬年左右的冰期—間冰期循環(huán)。這種自然的軌道強(qiáng)迫可在幾千年時(shí)間尺度上影響關(guān)鍵的氣候系統(tǒng)，如全球季風(fēng)，全球海洋環(huán)流，大氣的溫室氣體含量等，我們目前處于末次間冰期，但其向冰期演變的冷卻趨勢不會(huì)減緩現(xiàn)代的全球變暖。至少在30000年之內(nèi)地球不會(huì)自然的進(jìn)入下一個(gè)冰河期。,,,太陽活動(dòng)的變化是引起近代氣候變暖的主要原因嗎？ 總太陽輻射的連續(xù)直接觀測至今只有28年，結(jié)果表明，太陽輻射具有確定的11年周期變化

12、，其輻射量從最小到最大的周期循環(huán)變化率只有0.08%，并且無顯著長期趨勢，工業(yè)化前后并無太大的變化，輻射量變化的主要原因是太陽黑子和耀斑的變化。計(jì)算的太陽輸出（從1750年）造成的直接RF是±0.12w/m2。這個(gè)值雖然是正值，但比溫室氣體的RF要小得多（2.3w/m2），所以太陽輻射的變化不是引起近代氣候變暖的主要原因（圖5-6）。,圖5 總太陽輻射變化（太陽常數(shù)）,圖6 最近28年太陽總輻射量的變化,,圖7 驅(qū)動(dòng)冰河期循環(huán)

13、的地球軌道參數(shù)變化示意圖,氣候變化的驅(qū)動(dòng)力之二：溫室效應(yīng)與人類活動(dòng)的作用,,,這是了解全球氣候變化原因的最重要的物理基礎(chǔ)之一。溫室效應(yīng)有兩種，一種是自然的溫室效應(yīng)，一種是增強(qiáng)的溫室效應(yīng)，即人類活動(dòng)引起的溫室效應(yīng)。我們首先考察一下自然的溫室效應(yīng)，它不但發(fā)生地球的氣候演變中，也發(fā)生在其它行星的氣候形成中，就目前的知識(shí)而言，至少在我們地球的近鄰行星金星（離太陽比地球近）與火星上（離太陽比地球遠(yuǎn)）。地球大氣中，除了含有占99%氮、氧以外還含有

14、其它少量的微量氣體如CO2，CH4等以及云，水和塵埃等，后者雖然所占體積和數(shù)量很少，但它們可以吸收地表放射的一部分紅外熱輻射，根據(jù)基爾霍夫定律（Kirchoff定律），大氣中的一個(gè)氣層如果吸收輻射，它也在同一頻率下，正比于吸收再以自己的溫度放射出輻射。,因而大氣中 上述這些微量氣體和水汽、云等在吸收大氣與地表發(fā)射的長波熱輻射的同時(shí)，也以自身的溫度向外空放射出熱輻射。在大氣高層的這些氣體、水汽與云，由于其溫度比地表低得多（大氣中的氣溫從地

15、表到對流層頂（平均約12Km）平均以6℃/Km下降，因而在5-10Km的高層大氣，比地表冷30-50℃），發(fā)射的熱輻射量比較小，因此這些高層的溫室氣體吸收了大量或全部（看作黑體）由地表和低層大氣發(fā)射的長波輻射，但向外發(fā)射了比其吸收小得多的長波輻射。這比沒有這些水汽與溫室氣體情況下的大氣損失于外空的熱輻射要小得多。因而這些溫室氣體的作用猶如覆蓋在地表上的一層棉被（即被毯作用），棉被的外表比里表要冷，使地表熱輻射不致于無阻擋地逸向外空，從而

16、使地表比沒有這些溫室氣體時(shí)更為溫暖。從輻射傳輸?shù)挠^點(diǎn)看，也可以認(rèn)為是增加了中、上層大氣中溫室氣體、水汽、云等向下放射的長波輻射，使地表和近地面空氣增溫。 由上可見，地球上如果沒有溫度隨高度減小的溫度垂直分布，就不會(huì)有溫室效應(yīng)。,溫室氣體和水汽對紅外輻射的吸收是在不同的光譜帶發(fā)生的。整個(gè)吸收譜相當(dāng)復(fù)雜，如溫室氣體中最重要的二氧化碳（CO2）其吸收帶有15μm，10μm，5.2μm，4.3μm以及2.7μm和2.0μm，其中最強(qiáng)的是

17、15與4.3μm兩個(gè)吸收帶。在氣候變化的研究過程中，曾有人認(rèn)為大氣CO2吸收帶已經(jīng)飽和，因而溫室效應(yīng)已經(jīng)達(dá)到飽和，即使將來CO2濃度再增加也不會(huì)產(chǎn)生明顯的溫室效應(yīng)。但事實(shí)并非如此，許多紅外光譜與大氣輻射的研究表明，CO2的吸收作用或溫室效應(yīng)在15μm的中心波段確實(shí)已經(jīng)達(dá)到飽和，但在CO2整個(gè)吸收區(qū)間（14-18μm）（尤其是中心峰值的兩翼）以及其它吸收波段（如10μm，5.2μm等）遠(yuǎn)未達(dá)到飽和，最近的將來也不會(huì)達(dá)到飽和。,應(yīng)該指出，不

18、論地表和大氣內(nèi)部的物理過程如何復(fù)雜，都如本講開始時(shí)所指出，進(jìn)入與離開大氣頂?shù)妮椛淠芰恐g必需保持平衡。由圖8，在有云的大氣中，進(jìn)入大氣的凈太陽輻射為240w/m2，則射出的長波輻射必需也有這個(gè)量。這種平衡一旦被破壞，它可以通過地球表面溫度的升高來恢復(fù)平衡。由于大氣成分中存在著自然產(chǎn)生的溫室氣體、云和水汽，通過它們產(chǎn)生的正輻射強(qiáng)迫和溫室效應(yīng)，即自然的溫室效應(yīng)可使地表增暖，溫度比沒有這些溫室氣體和水汽條件下的大氣上升了33℃，即從-19℃（

19、雪球）上升到14～15℃。這是地球上適合生命存在的溫度，可以說，沒有自然的溫室效應(yīng)，生命就難以維持?；鹦桥c金星上有類似的自然溫室效應(yīng)，但由于CO2含量和溫度與地球不同，它們最后達(dá)到的平衡行星溫度不是太高就是太低，不適合生命的存在。,圖8 大氣頂?shù)娜蜉椛淦胶夂唸D。太陽輻射的凈輸入必須被地球的凈紅外輻射輸出平衡（240W/m2）。入射太陽輻射的三分之一被反射回太空（103W/m2），其余主要被地表所吸收。射出的長波輻射被溫室氣體和云吸收，

20、使地球比沒有溫室效應(yīng)時(shí)要高33℃左右。,可以造成全球輻射平衡破壞的主要因子也可以是由于人類活動(dòng)引起的大氣中溫室氣體的增加。由此而造成的地表溫度的進(jìn)一步增加被稱為增強(qiáng)的溫室效應(yīng)。因而，這種增強(qiáng)的溫室效應(yīng)實(shí)際上是由于人類活動(dòng)引起的附加在自然溫室效應(yīng)之上的一種溫室效應(yīng)。雖然其量值比自然溫室效應(yīng)小得多，但其增暖作用的意義是非常重要的。通過這種人為的溫室效應(yīng)，可進(jìn)一步增強(qiáng)阻止長波輻射向外輻射的被毯作用，這就意味著高層大氣向外空放射長波輻射進(jìn)一步減

21、少。從輻射傳輸和輻射平衡的角度看，相當(dāng)于大氣頂產(chǎn)生一向下的輻射通量密度增加，而使大氣頂輻射不平衡（凈長波減少）。因而地表溫度將會(huì)進(jìn)一步增加以響應(yīng)這種不平衡（輻射強(qiáng)迫）直到大氣頂射出的凈長波輻射量又等于入射的凈太陽輻射。當(dāng)?shù)厍蛳到y(tǒng)完全向這種人類活動(dòng)引起的輻射強(qiáng)迫調(diào)整后，地球的平均溫度將會(huì)增加到某一量值的溫度以響應(yīng)增強(qiáng)的或人為的溫室強(qiáng)迫作用（圖9）。,圖9說明了自然的溫室效應(yīng)（圖9a）與增強(qiáng)的溫室效應(yīng)（圖9c）。在圖4中，由于大氣中水汽和溫

22、室氣體的存在，使地球的溫度由-19℃上升15℃。如果由于人類的排放，大氣中CO2濃度增加一倍（圖9b），這時(shí)大氣頂?shù)妮椛淦胶鈱⑹艿狡茐?，由于增加的CO2攔截了地球和大氣放射的長波輻射，使離開大氣的長波輻射量只有236W/m2，因而氣候系統(tǒng)內(nèi)部將進(jìn)行調(diào)整，以恢復(fù)原有的平衡。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼公式 （Tg是地表平均溫度），地表必須升溫1.2℃。溫度升高之后，根據(jù)克勞修斯—克拉珀龍方程，大氣中的水汽將增加，這將使溫室效應(yīng)

23、進(jìn)一步加強(qiáng)。通過這種正反饋?zhàn)饔?，地表的增溫將不?.2℃，而是2.5℃，所以反饋?zhàn)饔檬欠浅Ｃ黠@的。,,圖9 地球的自然溫室效應(yīng)和增強(qiáng)的溫室效應(yīng)示意圖。（a）自然的溫室效應(yīng)；（b）CO2濃度增加到原來的2倍。（c）增強(qiáng)的溫室效應(yīng)。（d）反饋?zhàn)饔肹4],“最近50年的氣候變化是由人類活動(dòng)產(chǎn)生的”這一結(jié)論的可信度提高,IPCC關(guān)于氣候變化成因的認(rèn)識(shí)逐步深化：第三次評(píng)估報(bào)告（2001年）：新的、更強(qiáng)的證據(jù)表明，過去50年觀測到的大部分增暖“可

24、能”歸因于人類活動(dòng)（66％以上可能性）；第四次評(píng)估報(bào)告（2007年）：人類活動(dòng)“很可能”是氣候變暖的主要原因（90％以上可能性）（圖10-12）,圖 10全球平均溫度距平。黑線：觀測?；揖€：多模式（13個(gè)）集成模擬。（a）人類活動(dòng)+自然強(qiáng)迫；（b）只有自然強(qiáng)迫,圖11 不同地區(qū)氣溫變化原因的模擬結(jié)果（1906-2005） 黑線：觀測值 紅色：人類變化+自然變化

25、 藍(lán)色：自然變化,圖12 過去1100年的輻射強(qiáng)迫和模擬的溫度（a）火山活動(dòng)，（b）太陽輻射變化，（c）所有強(qiáng)迫，（e）北半球年溫度（分別對人類活動(dòng)和自然強(qiáng)迫）,有三個(gè)原因把工業(yè)化后CO2增加趨勢歸因于化石燃料燃燒,（1）南極和格林蘭冰芯記錄表明：大氣中CO2開始增加的時(shí)間是在工業(yè)革命前后，從那以后，其濃度變化大致與化石燃料消耗的增長率相近。（2）北半球大氣CO2濃度比南半球的高幾個(gè)ppmv，因?yàn)榇蠖鄶?shù)最強(qiáng)的排放源位于北半球。（

26、3）大氣中氧含量每年減少3ppmv，這與大氣中CO2增加是相對應(yīng)的，因?yàn)镃O2是燃燒的一種產(chǎn)品。,氣候變化的驅(qū)動(dòng)力之三：氣候的內(nèi)部變率,,,迭加在氣候變暖趨勢線上的冷暖異常期被稱為氣候脈動(dòng)或氣候變率。這種氣候變率具有不同時(shí)間尺度和空間尺度。短的只有幾十天，長的可達(dá)幾十年；范圍小的只有幾百或上千公里，范圍大的可達(dá)半球尺度。它們形成的原因與外強(qiáng)迫或溫室氣體增加引起全球氣候變化不同，主要是由大氣內(nèi)部的變率和氣候系統(tǒng)各圈層之間的耦合變率造成，

27、統(tǒng)稱為氣候的內(nèi)部變率。值得指出，耦合變率由圈層之間的相互作用產(chǎn)生?？捎珊Ｑ?、陸地、生物圈和冰凍圈對大氣的強(qiáng)迫產(chǎn)生，它在本質(zhì)上與大氣內(nèi)部動(dòng)力過程產(chǎn)生的內(nèi)部變率不同。這種變率本質(zhì)上由大氣波動(dòng)的形成，傳播，振蕩和不穩(wěn)定發(fā)展造成（圖13），它們不但可以通過波能的傳播或波導(dǎo)影響下游的天氣氣候異常，而且可以發(fā)生定常性傳播，使一個(gè)地區(qū)的天氣或氣候異常傳播到很遠(yuǎn)的地區(qū)（即大氣遙相關(guān)）。,圖13 大尺度羅斯貝波、遙相關(guān)和大氣振蕩示意圖,另外，在耦合強(qiáng)迫或

28、人類活動(dòng)產(chǎn)生的氣候變化背景下，大氣中出現(xiàn)大尺度靜止性振蕩，表現(xiàn)為此起彼伏地翹翹板形式的變化。這種現(xiàn)象被稱為大氣濤動(dòng)。它們可形成優(yōu)勢的氣候異常模態(tài)。它們也是大氣波動(dòng)變化的一種形式。能夠產(chǎn)生天氣變化和氣候異常的大氣波動(dòng)最主要的是大尺度行星波，其次是重力波，聲波的作用可以忽略。在地球上大尺度行星波的波長一般在幾千公里到一萬公里左右，其最簡單的形式就是羅斯貝（Rossby）波。這種波是由于在旋轉(zhuǎn)的地球上柯利奧里斯參數(shù)

29、 （ 是緯度, 是地球自轉(zhuǎn)角速度）隨緯度的變化產(chǎn)生。波動(dòng)一旦產(chǎn)生，波動(dòng)本身相對于大氣的基本氣流以每秒幾米的速度向西漂移或傳播，波長越長，向西傳播的相速度越大。,,,,,三維的羅斯貝波不但可以考慮水平傳播，還可以垂直傳播（如由對流層到平流層或反之）。應(yīng)該指出，大氣中的波動(dòng)也可由地球上赤道與極地的南北或經(jīng)向溫度差造成，圖13的左側(cè)說明，由于熱帶地區(qū)接受的太陽輻射多于射出的長波輻射，凈的輻射平衡是正，即輻射是盈余的，而高緯和極

30、區(qū)正好相反，是虧損的，因而熱量必須通過大氣與洋流從熱帶向極區(qū)輸送以達(dá)到全球輻射的平衡，同時(shí)建立了從熱帶指向極區(qū)的經(jīng)向溫度梯度。并通過斜壓不穩(wěn)定產(chǎn)生大尺度行星波（又稱斜壓波），承擔(dān)這種熱量的南北輸送或交換,在實(shí)際大氣中，情況比上述單一的簡諧波要復(fù)雜得多。一個(gè)天氣擾動(dòng)可以看成是由許多不同振幅，不同頻率的簡諧波疊加而成，這種合成波稱為波群或波包。波群傳播的速度稱為群速，它與相速是有差別的。群速是波動(dòng)頻散理論中最重要的概念之一。從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)，它

31、代表能量傳播的速度。,大氣是頻散介質(zhì)，當(dāng)大氣中產(chǎn)生了某種擾動(dòng)后，其能量是按群速傳播的。當(dāng)群速Cg>0時(shí)，若群速大于相速（C），即Cg>C，擾動(dòng)能量先于波動(dòng)向下游傳播，在下游產(chǎn)生新的擾動(dòng)或使下游原有的擾動(dòng)增強(qiáng)，這種效應(yīng)稱為上游效應(yīng)。因此羅斯貝波作為旋轉(zhuǎn)大氣中最重要的頻散波，它的頻散對大尺度天氣和氣候的演變是非常重要。它的形成或被激發(fā)，傳播，振蕩和不穩(wěn)定發(fā)展是造成大氣中天氣與氣候變化和異常的直接原因。如果沒有外源作用，由于能量的

32、頻散，大尺度擾動(dòng)終將消失，所以外源或外強(qiáng)迫（加熱場，地形等）作用對于激發(fā)羅斯貝波是很重要的。概括起來，大尺度大氣波動(dòng)能夠通過下列五種方式影響氣候異常和氣候變化。,概況起來，大尺度大氣波動(dòng)能夠通過下列五種方式影響氣候異常和氣候變化。（1）羅斯貝波波動(dòng)的傳播和能量頻散與擾動(dòng)的發(fā)展。羅斯貝是頻散波。在沿緯向方向，它的群速度總是大于相速度的，因而它可以先于羅斯貝波波峰（波脊）和波谷（波槽）到達(dá)之前在下游引起新的擾動(dòng)發(fā)展或使原擾動(dòng)加強(qiáng)（或減弱）

33、，從而引起下游地區(qū)天氣或氣候的異常。此外，羅斯貝波的不穩(wěn)定性，即它的發(fā)展和減弱，新生和消失以及波動(dòng)狀況的調(diào)整（如移動(dòng)變靜止，波數(shù)變化等）也能影響天氣與氣候，尤其是和當(dāng)波動(dòng)的槽脊振幅不斷加大形成準(zhǔn)靜止的南北振幅很大的定常波動(dòng)時(shí)（即由阻塞高壓和切斷低壓組成氣壓場偶極子型時(shí)）對天氣氣候的異常影響更為明顯和持久。一個(gè)突出的例子是在2008年1月10-2月5日中國南方罕見的低溫、冰凍、雨雪災(zāi)害發(fā)生時(shí)，在歐亞地區(qū)出現(xiàn)了持久性阻塞高壓形勢，它不斷地導(dǎo)

34、致冷空氣從西伯利亞和中亞從西方侵入中國，造成了中國南方極端異常的天氣氣候條件。,（2）定常波的波導(dǎo)與大氣遙相關(guān) 當(dāng)移動(dòng)性羅斯貝波變成定?；蜢o止波時(shí)，通過其波峰和波谷的局地振蕩，也可以把波動(dòng)的影響逐次向下游傳播很遙遠(yuǎn)的地區(qū)，影響哪里的天氣與氣候異常。因而一個(gè)地方如果通過加熱或地形作用激發(fā)出了波動(dòng)，它們常常以定常波的形式在球面上沿大圓路徑傳播。如果波動(dòng)在低緯由大量對流加熱激發(fā)產(chǎn)生，它可以向東北方向傳播到達(dá)中高緯度并在一定緯度（稱臨界

35、緯度），它開始折轉(zhuǎn)向東南方向傳播，因而波動(dòng)的影響可以到達(dá)離波動(dòng)發(fā)生區(qū)很遠(yuǎn)的地點(diǎn)。這種在球面上按大園路徑傳播的情況十分類似于光學(xué)中的思涅爾（Snell）折射定律。這種不是在臨近地區(qū)產(chǎn)生影響，而是很遙遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)生作用或影響的現(xiàn)象被稱為大氣遙相關(guān)。在大氣中有許多種遙相關(guān)型，例如中國的氣候異?；蜃兓墒艿絹碜詺W洲到北大西洋遙相關(guān)型的影響，同時(shí)也可以受到來自印度季風(fēng)區(qū)和熱帶西太平洋暖池地區(qū)（海洋溫度很高的地區(qū)）遙相關(guān)的影響。這大大增加了氣候變化預(yù)測

36、的復(fù)雜性和困難。遙相關(guān)的本質(zhì)主要是羅斯貝波能量波導(dǎo)現(xiàn)象的結(jié)果。在中緯度中高層，主要由緯向波數(shù)5（波長近1萬公里）左右的羅斯貝傳輸。在傳輸?shù)倪^程中可以造成大圓路徑中氣候的異常與變化。由遙相關(guān)作用形成的波導(dǎo)可以圍繞整個(gè)全球傳播，在其路徑上引起風(fēng)、氣壓的定常振蕩或變化。圖14是夏季北半球遙相關(guān)的概略圖（丁慶華，Bin Wang）。,（3）大氣振蕩和優(yōu)勢環(huán)流型式 全球大氣環(huán)流有不少優(yōu)勢的環(huán)流變化型式，它們常常表現(xiàn)為兩個(gè)大氣環(huán)流中心的耦合

37、振蕩，即呈翹翹板式的呈反向的強(qiáng)弱變化，兩者具有很高的相關(guān)性，其時(shí)間尺度有年際的，也有幾十年的。如果在某一大范圍地區(qū)某一時(shí)期被這種振蕩的某一相位（正或負(fù)）所控制，則氣候會(huì)出現(xiàn)具有明顯特征的持續(xù)性異?；蜃兓Ｔ趦蓚€(gè)固定的環(huán)流中心振蕩的不同地區(qū)，氣候狀態(tài)可能完全相反，并在振蕩的不同位相，風(fēng)暴路徑的位置，強(qiáng)度以及相關(guān)的熱量、水汽和動(dòng)量南北輸送都不相同，因而對于一個(gè)地區(qū)旱、澇、熱浪、寒潮和其它種類氣候變化的發(fā)生十分重要。從物理本質(zhì)上這種優(yōu)勢環(huán)流型

38、或振蕩的形成也是大氣遙相關(guān)或定常波傳播的一種表現(xiàn)，通過這種振蕩型控制著從季節(jié)到幾十年時(shí)間尺度的大范圍地區(qū)的氣候異常與變化。大氣振蕩的研究已有近百年的長期歷史，概括起來至少有5種形式：南方濤動(dòng)（SO，印度季風(fēng)區(qū)與東南太平洋海平面氣壓有反相振蕩），北大西洋濤動(dòng)（NAO，冰島低壓和亞速爾高壓有反相振蕩），北極濤動(dòng)（AO，也稱北半球環(huán)狀模（NAM），極地渦旋與環(huán)繞它的高壓帶成反向振蕩），南極濤動(dòng)（AAO，也稱南半球環(huán)狀模（SAM），南極渦旋與圍

39、繞它的高壓帶成反向振蕩），太平洋年代尺度振蕩（PDO）和北太平洋年代際振蕩（IPO）（兩種振蕩基本類似，有相同的時(shí)間演變，但后者是前者在太平洋地區(qū)的擴(kuò)展，它表示阿留申低壓與北太平洋海表溫度的同時(shí)變化）（見圖15-18）。,圖14 全球遙相關(guān)型,圖15 PNA（太平洋—北美型）（左）和NAO（北大西洋濤動(dòng)）遙相關(guān)型（右）。1958-2005年，北半球冬季500hPa一點(diǎn)相關(guān)圖。負(fù)相關(guān)為虛線。,圖16 左上圖：年平均海平面氣壓（南方濤動(dòng)指數(shù)

40、）的相關(guān)，右上圖：地表溫度（195-2004年）。左下圖：1979-2003GPCP降水。右下圖：據(jù)達(dá)爾文港計(jì)算的SOI（負(fù)海平面氣壓距平（紅色線為El Nino）。,圖17 上圖：太平洋年代尺度振蕩（1901-2004，SST海溫），下圖：年平均時(shí)間序列,圖18 下圖：SAM指數(shù)曲線。上圖左：850hPa SAM高度場。上圖右：地表溫度的回歸（1982-2004年）,,上述優(yōu)勢環(huán)流型的形成與耦合的海氣強(qiáng)迫密切關(guān)系；近來的研究表明，也可

41、能與人類活動(dòng)造成的氣候變化有關(guān)聯(lián)。從前面的闡述中可知，全球氣候變化是輻射強(qiáng)迫擾動(dòng)的結(jié)果，它與耦合的海氣強(qiáng)迫（氣候系統(tǒng)內(nèi)部變化）從物理上不同。但是因?yàn)闅夂虻倪\(yùn)動(dòng)方程是非線性的，輻射強(qiáng)迫擾動(dòng)可能會(huì)快速地激發(fā)氣候變率的自然模態(tài)，因而長期的氣候變化預(yù)測的準(zhǔn)確性可能對這些時(shí)間尺度的氣候異常與變化有重要影響。,（4）波動(dòng)能量的垂直傳播與平流層對氣候變化的影響 很早以前，人們認(rèn)為平流層大氣（12-50Km）和對流層大氣是很不相同的，兩者基本上

42、是由位于12Km左右的對流層頂分開的。上世紀(jì)60年代以后開始從動(dòng)力學(xué)上認(rèn)識(shí)到兩者是通過波動(dòng)耦合起來的。人們發(fā)現(xiàn)起源于對流層的行星尺度羅斯貝波，重力波，混合型羅斯貝—重力波和近赤道地區(qū)的開爾文波，其能量可向上傳播到平流層，以后再在那里被吸收與耗散（臨界層處，大致在緯向風(fēng)u=0高度），同時(shí)引起平流層氣流的變化。但反過來，平流層的變化并不能影響到對流層。因而對流層與平流層之間的相互作用是單向的，即對流層波可影響平流層環(huán)流，而平流層環(huán)流異常不能

43、影響對流層天氣和氣候。這種觀點(diǎn)一直盛行到1990年代。但是在近5-10年，這種傳統(tǒng)觀點(diǎn)發(fā)生了改變，許多研究證實(shí)，高緯大氣環(huán)流變化清楚地反映了平流層和對流層環(huán)流雙向的相互作用，也就是說，平流層與對流層環(huán)流的變化是耦合在一起的，其耦合機(jī)制就是波動(dòng)的垂直傳播。,垂直耦合最明顯的表現(xiàn)是中高緯大氣變率的環(huán)狀模（NAM與SAM，annual modes）。這種環(huán)流耦合模態(tài)在兩半球在垂直方向從地面擴(kuò)展到平流層，主要特征是極區(qū)的位勢高度場（相當(dāng)于氣壓場

44、）與其周圍的中緯高度場上下一致地具有南北方向的振蕩。平流層可以通過三種方式影響對流層的天氣與氣候變化。一是平流層作為對流層的邊界條件，其環(huán)流變化可以以同樣方式擾動(dòng)對流層，尤其是極地渦旋或高緯西風(fēng)，從而影響對流層的天氣與氣候，尤其是在一些敏感地區(qū)，其影響程度甚至超過海表溫度，其影響時(shí)間可長達(dá)2個(gè)月。它主要通過由平流環(huán)流異常產(chǎn)生的低頻波（30-60天周期）向?qū)α鲗觽鞑?shí)現(xiàn)的。二是南半球臭氧洞或平流層臭氧耗損能通過環(huán)狀模態(tài)的垂直耦合影響南半球

45、大氣環(huán)流（主要是極地渦旋），這也是一種遙相關(guān)作用。南極臭氧洞與南半球極地渦旋的正反饋?zhàn)饔檬箖烧叨嫉玫郊訌?qiáng)。從而南極地區(qū)至今并未表現(xiàn)出全球變暖的現(xiàn)象，甚至在其主體，溫度和冰層是增加的。,這實(shí)際上反映了平流層與對流層作為一個(gè)耦合整體是人類產(chǎn)生的臭氧耗損（平流層冷卻）與溫室氣體增加（也使平流層冷卻）在上邊界產(chǎn)生的一種負(fù)輻射強(qiáng)迫作用，它必然導(dǎo)致平流層大氣產(chǎn)生低頻的變化與響應(yīng)，以后又引起對流層大氣環(huán)流的變化與響應(yīng)。類似地，太陽活動(dòng)（如11年周期）

46、也會(huì)引起平流層輻射強(qiáng)迫的變化，這種信號(hào)同樣通過激發(fā)低頻變化在平流層和對流層中傳播，甚至在海洋上表層產(chǎn)生影響。三是平流層通過大氣垂直和水平波導(dǎo)可能提供連接熱帶地區(qū)與中高緯地區(qū)或北太平洋與大西洋間的一個(gè)橋梁，從而增加了氣候的可預(yù)報(bào)性。,（5）熱帶行星波的傳播及其對中高緯天氣氣候的影響。 熱帶大氣運(yùn)動(dòng)與全球天氣和氣候變化有著密切的關(guān)系。這主要是通過熱帶大氣波動(dòng)的緯向、經(jīng)向和垂直傳播實(shí)現(xiàn)的。在熱帶地區(qū)，存在著兩種行星尺度的波動(dòng)：一種是在

47、近赤道地區(qū)向東傳播的開爾文波（Kelvin）；一種是向西傳播的混合型羅斯貝—重力波。這兩種波動(dòng)的波長都在10000公里左右。開爾文波與地球旋轉(zhuǎn)效應(yīng)無關(guān)，本質(zhì)上是旋轉(zhuǎn)地球上的純重力波，而混合型羅斯貝—重力波與地球的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)f有關(guān)，本質(zhì)上是羅斯貝波與重力慣性內(nèi)波的混合波。它們產(chǎn)生的原因主要與熱帶對流云釋放的潛熱加熱有關(guān)。當(dāng)這些波動(dòng)分別向東、向西傳播時(shí)，它們產(chǎn)生的氣壓與風(fēng)場擾動(dòng)可不斷改變所經(jīng)過地區(qū)的天氣與氣候，最顯著的表現(xiàn)出30-60天周期的

48、振蕩，另外還有10-25天同期的振蕩。,由于這些振蕩具有準(zhǔn)周期性，目前已被用于月與季節(jié)的氣候預(yù)報(bào)中，同時(shí)人們也發(fā)現(xiàn)全球的臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)以及熱帶降水的發(fā)生地區(qū)，時(shí)間和強(qiáng)度也與這種波動(dòng)有密切有關(guān)。除了緯向傳播以外，這兩種波動(dòng)還可在垂直方向和南北方向傳播。在垂直方向，可以把對流活動(dòng)激發(fā)的波能傳播到平流層中，造成那里基本氣流的變化，最著名的是產(chǎn)生平流層熱帶風(fēng)場的準(zhǔn)兩年振蕩（QBO）（圖19），即熱帶地區(qū)平流層的風(fēng)場大致是一年出現(xiàn)東風(fēng)異常，下一年出現(xiàn)

49、西風(fēng)異常，如此循環(huán)不已，由此改變了熱帶大氣的風(fēng)場結(jié)構(gòu)和天氣氣候條件。在南北方向，這種波動(dòng)通過遙相關(guān)可一直影響到中緯度，甚至高緯度，改變那里的大氣條件，造成天氣和氣候變化。這種向北的傳播在亞洲與太平洋地區(qū)更明顯。另外海洋中也存在這種緩慢的行星尺度波動(dòng)，它們的傳播與厄爾尼諾事件的發(fā)生有密切關(guān)系。因而熱帶地區(qū)大氣和海洋的行星尺度波動(dòng)對于全球的氣候變化是非常重要的，由于它們都是低頻波動(dòng)，常常耦合在一起，這大大增加了海洋對大氣的強(qiáng)迫作用，這就是為