第0章氣候?qū)W的發(fā)展全球氣候系統(tǒng)1、氣候?qū)W的革命2、氣候系統(tǒng)3、氣候變化的時間尺度4、氣候?qū)W研究1、氣候?qū)W的革命1960’s末~1970’s初，短期天氣預(yù)報發(fā)展迅速，從1956年P(guān)hillips的文章開始，短期天氣預(yù)報的時效從24h–48h-72h數(shù)值積分是否可以無限止進行下去？1960’s末發(fā)生了許多氣候異?，F(xiàn)象，造成重大災(zāi)害，氣候是否可以預(yù)測？人類活動必然影響氣候，而氣候和環(huán)境的改變必然影響人類生存，人類活動對氣候到底有多大影響？在社會的這些需求下，現(xiàn)代意義下的氣候?qū)W研究大量展開。1979年召開了為期2周的世界氣候大會，近400人與會，這是一次里程碑式的會議。氣候?qū)W飛速發(fā)展的條件在當(dāng)時已經(jīng)具備：計算機巨大發(fā)展手算手搖計算機

電動計算機沒有計算機，許多原理上可以實現(xiàn)的做法，實際上都不可能，沒有前期工作，也就不可能有進一步的思想產(chǎn)生。例如，EOF分析，三大濤動WalkerandBliss,1932WalkerandBliss,1932WalkerandBliss,1932b.觀測系統(tǒng)衛(wèi)星對SST、冰雪分布、高原、冰川、極地等

ARGO（ArrayResearchofGlobalOcean)：深層海洋從狹隘的氣候?qū)W概念發(fā)展到氣候系統(tǒng)概念，在本質(zhì)上有了變化，過去經(jīng)典意義和現(xiàn)代意義的氣候概念完全不同。不了解氣候系統(tǒng)各個成員，就不可能了解其變化原因，更不可能預(yù)測。全球觀測系統(tǒng)的建立，才使得現(xiàn)代氣候?qū)W發(fā)展起來。c.與氣候?qū)W有關(guān)的學(xué)科有了長足的進步EOF原理：1950年代提出蘇聯(lián)巴格洛夫首先用于氣象美國Lorenz

最初用于氣象研究的例子，一個是7階，一個是10階。周期分析過去用周期圖現(xiàn)在：功率譜、小波分析等等氣候?qū)W研究的革命包括：氣候形成及變化的原因 經(jīng)典解釋是氣候形成有3個要素： 太陽輻射（隨緯度和季節(jié)變化）、海陸分布、大氣環(huán)流 現(xiàn)在：這三個因子不完全，而且都有變化概念突破：氣候?qū)W

氣候系統(tǒng) 不再是局地氣候要素的概念，而是全球五大圈層不同成員之間的相互作用，一個地區(qū)的氣候異常不只決定于本地，而是整個氣候系統(tǒng)承認；氣候變化（30年平均normal） 19世紀(jì)末20世紀(jì)初提出某地30年的平均就可以代表該地氣候，現(xiàn)在承認不同30年之間氣候有變化，20世紀(jì)中期以后氣候變化研究增多。經(jīng)典(古典,地理)氣候?qū)W的終結(jié): 靜態(tài)的 孤立的 描述的 歸納的 觀測的 局地的 線性的動態(tài)的開放的定量的演繹的實驗的全球的非線性的氣候是活躍的，不是一成不變的，有幾十年觀測就可得到氣候的normal是不可能的。20世紀(jì)后1/4，氣候?qū)W發(fā)生的劇烈變化，介紹現(xiàn)代氣候?qū)W的基本知識是我們這門課的主要目的。1、大氣2、海洋3、冰雪4、陸面5、生物圈全球氣候系統(tǒng)的成員1、大氣最主要、最活躍的成員狹義氣候的概念：低層大氣

airsurfacetemperatureprecipitationsealevelpressure大氣：整體（大氣環(huán)流）大氣環(huán)流是影響局地氣候的重要因子，是形成氣候異常的直接原因。大氣的弱點：記憶力小動力：如果沒有外界能量輸入，整個大氣動能僅夠維持1周熱力：海洋最上層100m變化1oC，整層大氣就要變化幾度。維持大氣基本狀況的兩個基本量都不持久，大氣的變化依靠下墊面和其它成員的影響，最主要是海洋。2、海洋：重要成員，全球能量的儲存庫（過去認為）海洋傳送帶決定于海水的溫度、鹽度在20世紀(jì)不到10年的時間提出THC。THC有幾十年的振蕩——年代際變化，數(shù)值模式也模擬出海洋的THC。THC被認為是氣候年代際變化的重要原因，后來發(fā)現(xiàn)也是千年尺度氣候變化的原因。過去只注意到海氣在界面的動力、熱力、質(zhì)量交換ENSO：年際變化的最強信號3、冰雪：阻止大氣與下墊面熱量、物質(zhì)交換，主要影響反照率。冰期-間冰期旋回，其溫度變化幅度無法完全用地球軌道要素解釋，冰雪反饋作用在氣候系統(tǒng)中起到非常大的作用。反饋：正負例：高緯度地區(qū)，冰雪——溫度低緯度地區(qū)，云量——SST

高低緯之間，溫度梯度——經(jīng)向熱量輸送4、陸面自1960年代始的Sahel干旱，植被覆蓋破壞嚴重持續(xù)30多年的Sahel干旱是20世紀(jì)重要的氣候異常現(xiàn)象之一5、生物圈a.人類活動對大氣成分的改變b.人類對環(huán)境的破壞（亞瑪遜原始森林嚴重被破壞，IGBP下的新國際計劃，季風(fēng)亞洲區(qū)計劃都主要是針對人類活動可能引起的全球變化，包括環(huán)境等）Sahel地區(qū)雨季降水量,(a)20-10

N,15

W-30

E平均6-9月降水量,據(jù)Hulme(1992)；(b)是20-8

N，20

W-10

E區(qū)域14個站平均6-9月降水量,據(jù)Janowiak(1988)；(c)為10-20

N,18

W-20

E平均7-9月降水指數(shù)，據(jù)Thiaw和Bell(1999)。標(biāo)準(zhǔn)化處理，對1951-1980年.1、冰期-間冰期旋回100~40ka10oC軌道要素2、D/O振蕩1.5ka5oCTHC3、年代-百年變率102~101a1oC火山、太陽4、年際100a2~3oC

海氣5、短期氣候振蕩10-1a3~4oC

海氣氣候變化的時間尺度D/O振蕩是20世紀(jì)古氣候研究的巨大成果。過去認為冰期很冷，間冰期很暖，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)冰期、間冰期中還有很劇烈的氣候振蕩，其時間尺度平均為1.5ka(1~3ka),期間氣候變化非常劇烈。3、年代-百年氣候變化振幅較小，10-1oC，原因：火山、太陽活動4、年際ENSO5、短期氣候振蕩月~季（短期氣候預(yù)測）

12345類

1053~42~31oC變化幅度不同，導(dǎo)致變化的原因，其尺度從大到小1、氣候診斷Diagnostics2、氣候預(yù)測3、氣候模擬4、氣候重建5、人類活動影響氣候?qū)W研究1、氣候診斷醫(yī)學(xué)名詞，根據(jù)病情做出判斷氣候?qū)W中：對氣候事件、氣候變化做出判斷，1970年代才開始使用觀測只能直接表現(xiàn)觀測對象，不需要、也得不出任何結(jié)果，要想有結(jié)論，必須分析。診斷：根據(jù)資料，進行分析，做出判斷。每年一次的美國氣候診斷與預(yù)測年會已開了27屆對過去一年氣候事件、異常進行診斷分析研究是每屆年會的首要內(nèi)容。2.3%2б如何判斷氣候異常：聯(lián)合國氣象組織規(guī)定，距平>2б通常，也要考慮實際需要，東北亞低溫冷害氣候事件、氣候過程、氣候異常都需要判斷近些年，出現(xiàn)模式診斷，可以得到無測站地方（如青藏高原西部）的模式結(jié)果，其精度與模式水平的試驗方案有關(guān)。氣候診斷在20世紀(jì)后1/4有了很大發(fā)展，現(xiàn)中國、美國、聯(lián)合國有每月氣候診斷公報。2、氣候預(yù)測途徑：統(tǒng)計、動力，過去、現(xiàn)在都以統(tǒng)計為主，將來應(yīng)該以動力學(xué)為主，統(tǒng)計、動力相結(jié)合。氣候預(yù)測的發(fā)展：在20世紀(jì)中期，J.Namias提倡用氣候平均，做平均環(huán)流的預(yù)報。開始是做嚴格30天的平均圖。蘇聯(lián)的穆爾坦洛夫用日天氣圖，劃分自然周期，（韻律的概念）N抓住了時間尺度長，空間尺度必然大這一特點M抓住天氣周期，但難于操作，年與年之間難于比較，一旦周期劃分有不同意見，非常難于修改。最后統(tǒng)一用月平均，雖不盡合理，但易于實現(xiàn)。平均環(huán)流的優(yōu)點（Namias的重要貢獻）1、30天平均濾掉了指數(shù)循環(huán)（對天氣預(yù)報非常重要），更加突出了大尺度、超長波運動。2、證明月平均環(huán)流與氣候（溫度、降水）有關(guān)模式的長處在于預(yù)報環(huán)流，而不是直接預(yù)報溫度、降水。N證明平均環(huán)流與氣溫、降水關(guān)系密切，為在氣候預(yù)測中引入數(shù)值模式奠定了堅實基礎(chǔ)。3、30天平均環(huán)流變化是否有規(guī)律？N證明有。短期氣候數(shù)值預(yù)測是在短中期數(shù)值天氣預(yù)報不斷成功的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。（可預(yù)報性、集合預(yù)報、氣候漂移等問題）統(tǒng)計方法：沒有動力學(xué)做基礎(chǔ)，不知道其物理機制動力學(xué)方法：水平不高，沒有“教養(yǎng)”，但是主要發(fā)展方向國際上在1990年代初很樂觀，提出90年代中期月預(yù)報業(yè)務(wù)化，90年代后期，季度預(yù)測業(yè)務(wù)化。都沒有實現(xiàn)，氣候預(yù)測的復(fù)雜性3、氣候模擬過去：氣候=統(tǒng)計現(xiàn)在：利用GCM研究氣候是重要手段。分以下幾個階段：1956年P(guān)hillips：給定initialcondition，可計算以后的大氣狀態(tài)。轉(zhuǎn)盤實驗：機械模擬?GCM：數(shù)值模擬1960年代：給定海陸分布、大地形、太陽輻射（包括季節(jié)變化），可計算出大氣環(huán)流的基本狀態(tài)，高低壓中心等。1970年代：敏感性試驗，試驗物理因子（太陽輻射變化1%、CO2濃度加倍）對大氣環(huán)流的影響。1980年代以后：氣候變率的研究 自然變率（大氣內(nèi)部變率、下墊面變化造成的） 氣候隨時間變化：給定SST，強迫大氣環(huán)流變化 人類活動檢測4.古氣候重建 在20世紀(jì)后期有了飛速的發(fā)展，這對氣候?qū)W研究非常重要。如果不了解氣候變化的事實，不可能研究氣候的原因，更不用說預(yù)測未來。5.人類活動的影響 1970年代末提出這一問題 1979年召開第一次世界氣候大會，題目是“氣候與人類” 認為人類活動影響氣候，氣候也影響人類發(fā)展。提出這一問題的科學(xué)依據(jù)是：如果CO2（當(dāng)時還沒有提出溫室氣體這一概念）加倍，地球上氣溫上升1.5~4.5C。當(dāng)時認為，這種情況一旦發(fā)生，會給社會帶來巨大沖擊。建立了WCP 1985年維也納保護O3層公約 1987年蒙特利爾議定書，減少氟里昂排放1988年成立IPCC（從WCPIPCC，政府出面協(xié)調(diào)）

IPCC規(guī)定每5年出版一次氣候評估，1990（1992）、1995、2001，分三部分：A.ScientificAssessment,B.ImpactAssessment,C.Strategy 1990年第二次世界氣候大會 1992年氣候變化框架公約，里約熱內(nèi)盧，原則上減少排放CO2 1997年京都議定書，要求發(fā)達國家將排放水平在1990