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1、气候学 复习点整理剖析第一章 气候与气候系统1. 现代气候学特点1) 从气候变化来研究气候 宽的时间谱：万年, 千年、年，季等。 2)从气候系统来研究气候 大气、海洋、冰雪、陆地、生物圈 3）从气候动力学来研究气候 现代气候学的灵魂。 2.天气系统：指大气圈和水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈之间相互作用的整体。3.反射率及其物理作用：反射率：物体表面所能反射的光量和它所接受的光量之比。常用百分率和小数表示。（百科）冰雪对太阳辐射的反射率是水的几倍，能有效地反射太阳辐射。冰雪对热量传输是绝缘的，有冰雪覆盖的洋面和陆面，与大气的热量交换是很弱的。因此，冰雪覆盖对地球热量平衡有着重要的影响，对气候变化起

2、着稳定器的作用。4.反馈、正反馈、负反馈，及正负反馈的判别反馈：就是将一个系统的输出回输到输入端，从而对系统的运行过程进行调节和控制。如果反馈过程能够使系统的运行得到进一步的发展，称为正反馈；反之，称为负反馈。1）冰雪反照率反馈 强烈的正反馈放大作用： 温度降低冰雪覆盖增大反射率增大太阳辐射减少温度降低 温度升高冰雪覆盖减小反射率减小太阳辐射增多温度升高2）水汽反馈 正反馈作用：水汽吸收红外辐射 气温升高 蒸发加强 水汽增加 温室效应 气温升高 加速蒸发过程 热效应5.大气环流：大范围的大气运动称为大气环流，东西风带（包括急流）、平均经圈环流和准定常的槽脊是大气环流的主要成员。它的主要状况（形

3、势）决定着全球的或区域的天气和气候类型及其变化。三圈环流：假设大气均匀的在地表运动，在南北半球各有3个平行的风圈或风带，包括低纬环流、中纬环流和高纬环流。低纬度是正环流或直接环流又称为哈得来环流贸易风：信风（又称贸易风）指的是在低空从副热带高压带吹向赤道低气压带的风。北半球吹东北风，南半球吹东南风。6.辐射强迫：辐射强迫是对某个因子改变地球大气系统射入和逸出能量平衡影响程度的一种度量，它同时是一种指数，反映了该因子在潜在气候变化机制中的重要性。正强迫使地球表面增暖，负强迫则使其降冷。（百科）温室气体：二氧化碳、甲烷、黑炭气溶胶等非自然造成，人为改变，使大气环境中多增加了辐射7.简述 海洋对大气

4、的影响(1)对大气系统热力平衡的影响海洋吸收的太阳辐射有85%贮存在海洋表层（混合层）中，以潜热、长波辐射和感热交换形式输送给大气，所以海洋热状况和海面蒸发强度都会引起气候的变化。(2)对水汽循环的影响大气中水汽含量的86%由海洋提供，海洋（尤其是低纬度海洋）是大气中水汽的主要源地;不同的海洋状况通过蒸发和凝结过程对气候及其变化产生影响。 (3)对温室效应的缓解作用海洋环流减少极赤温差，改变降水的分布，引起大气环流的变化，也减弱了微量气体含量增加所引起的气候温室效应的敏感性。(4)对大气运动的调谐作用由于海洋运动和变化的缓慢性和持续性，使其有较强的“记忆”能力，可以把大气环流的变化通过海-气相

5、互作用把信息贮存下来，再作用于大气。海洋热惯性的滞后（大约一个月）效应，使大气变化（扰动）的高频波通过海-气耦合作用减频成为低频波（低频变化）后，再作用于大气。8.感热、潜热感热：亦称显热，物体在加热或冷却过程中，温度升高或降低而不改变其原有相态所需吸收或放出的热量。（百科）潜热：相变潜热的简称，指物质在等温等压情况下，从一个相变化到另一个相吸收或放出的热量。这是物体在固、液、气三相之间以及不同的固相之间相互转变时具有的特点之一。海洋通过潜热和感热的输送推动其上的大气运动，而大气则通过风应力来影响海洋环流。9.植被的作用植被比裸地的反照率要小，从而吸收更多的太阳辐射能；植物冠部有较强的蒸腾能力

6、，根系可吸收深层土壤的水分，用以维持蒸腾。因此，植被和裸露的下垫面之间的潜热和感热状况有明显的差异。植被增大地表粗糙度，改变地气间的交换过程。植被对水分的滞留还可改变地表径流和地表水文过程。第二章 气候变迁1. 气候变化的时间尺度从时间尺度看，气候变化可以分为六类： 地质时期 万年或万年以上（104108年） 历史时期 几千年（103104年） 超长期 几百年 （世纪际102103 ） 长期 几十年（年代际101102年） 中期 几年（年际100101年） 短期 月或季（100年）2.冰期、间冰期冰期：冰期地球表面覆盖有大规模冰川的地质时期。又称为冰川时期。间冰期：两次冰期之间唯一相对温暖时期

7、，称为间冰期。3.第四纪气候特点第四纪的气候特点是冰期、间冰期交替，表现出了气候变化的不稳定特性。4.全新世全新世：地质时代最新阶段，开始于1200010000年前持续至今，气候比较稳定的这一时期，又称为冰后期。5. 新仙女木事件发生在全新世，距今最近的一次，源于气候突变。即刚离开寒冷的冰河期，陆冰和海冰均处在消融过程中，温度回升不稳定，这期间突然气温又骤然下降，气候变寒冷，短短十年内，地球平均气温下降了大约7、8，降温持续了上千年，才又突然回升。这就是地球历史上著名的新仙女木事件。6.小冰期气候变化平稳后期，出现的历时400-500年气候降温时期，区域较小，且各地持续时间不同，大约15世纪初

8、开始，全球气候进入一个寒冷时期，通称为“小冰期”束于20世纪初期。7. 气候突变及其类型气候突变：从一个气候阶段变化到另一个气候阶段时，气候往往发生较为快速的剧烈变化，即突变。三种类型：均值突变、变率突变和趋势突变。8.现代气候变化特点 补充材料气候系统的变暖是毋庸置疑的。自20世纪50年代以来，观测到的许多变化在几十年乃至上千年时间里都是前所未有的。大气和海洋已变暖，积雪和冰量已减少，海平面已上升，温室气体浓度已增加。大气：过去三个十年的地表已连续偏暖于1850年以来的任何一个十年。在北半球，1983-2012年可能是过去1400年中最暖的30年（ 中等信度 ）。降水： 大部分陆地区域更暖和

9、/或更少冷昼和冷夜；大部分陆地区域更暖和/或更频繁的热昼和热夜。强降水事件，大多数大陆地地区强降水的频率、强度和/或雨量增加。海洋：海洋变暖在气候系统储存能量的增加中占主导地位，近30年间累积能量的90%以上储存于海洋，海洋上层（0-700米）已经变暖。海平面：19世纪中叶以来的海平面上升速率比过去两千年来的平均速率高（ 高信度 ）。1901-2010年期间，全球平均海平面上升了0.19米。冰冻圈：格陵兰冰盖和南极冰盖的冰量一直在损失，全球范围内的冰川几乎都在继续退缩，北极海冰和北半球春季积雪范围在继续缩小。碳和其它生物地球化学循环：二氧化碳、甲烷和氧化亚氮的大气浓度至少已上升到过去80万年以

10、来前所未有的水平。自工业化以来，二氧化碳浓度已增加了40%，这首先是由于化石燃料的排放，其次是由于土地利用变化导致的净排放。海洋已经吸收了大约30%的人为二氧化碳排放，这导致了海洋酸化。增加了近400ppm。第三章 中国气候变化旱涝研究等级划分：1a: 全国涝，长江为主1b: 长江涝, 华北及华南旱2: 长江涝,江北旱3：长江旱, 华北及华南涝4: 江南旱、江北涝5、全国旱第四章 辐射与能量平衡1.太阳辐射的特点（太阳短波辐射）太阳表面的温度一般都高于6000K，按照Planck辐射定律，其辐射能量主要在波长小于2-5m的波长范围，只有约0.4%的辐射能处在大于5m的波长范围。因此一般称太阳辐

11、射为短波辐射。 2.太阳常数：在平均日地距离情况下到达地球大气外界的直接太阳辐射能的总通量，即为太阳常数，推荐值13677 W/m2之间。3.太阳短波辐射的变化 太阳常数因太阳活动而发生变化。太阳辐射光谱的末端随着太阳黑子数有很大变化，这部分辐射可影响平流层的光化过程，进而影响天气气候。黄道倾角一般在22.08-24.43之间变化，改变气候带和季节差异，黄道倾角增大时极赤之间平均温度梯度减小，平均周期为4.1万年；偏心率在0-0.052之间变化，平均周期为9.7万年；受地球扁圆度影响，二分点沿轨道的进动，影响太阳辐射的季节性变化，平均周期为2.1万年。 4.臭氧、水汽对太阳辐射的吸收 了解臭氧

12、对太阳短波辐射有很强的吸收作用，在紫外区有两个强吸收带，在可见光区有较弱的吸收带。对臭氧吸收来说，大气中的漫射辐射也有重要意义。水汽吸收主要在近红外波段，是加热大气的重要过程，Rayleigh散射可以不考虑。水汽的吸收系数受气压和温度的影响，并对波长有选择性，其过程非常复杂。5.地表辐射特性、影响因素（地表反照率、云、受到温度波长变化）地表反照率（名词）：地表物体向各个方向上反射的太阳总辐射通量与到达该物体表面上的总辐射通量之比。太阳高度角越大，其反照率越小；天空云量越多，反照率越小。云的反照率：大气中云直接反射的太阳辐射所占入射太阳辐射的百分数，是地球反照率的重要组成部分。地表的比辐射率和净

13、辐射量：地球表面并不真正像黑体一样以地表温度向外放射红外辐射，故用地表的实际辐射通量与同等温度下的黑体辐射通量的比值来描写地表的放射本领和特征，称为比辐射率。它随地表特征和波长而变化。了解（主要受到地表温度、以长波为主波长变化）。第五章 气候系统的研究1.收集气候观测数据要考虑的三个因素1)空间上，进行全面的观测，综合大气、陆地、海洋等多方面研究数据。2)时间上，一定要长时间连续稳定观测。3)数据要有源数据特征，采用描绘性语言说明数据获取采用的手段、当地特征等，要有述性。2. TOGA计划确定热带海洋大气浮标观测阵列，目前大约由70个锚定浮标组成，这一观测网比较全面地提供了热带太平洋的风、气温

14、、相对湿度釉及海洋观测资料。3.温度异常、降水异常、干旱洪涝的确定温度异常：由于月平均气温服从正态分布，根据t-检验法，可以得到出现异常高值(低值)的距平值超过(低于)2倍的标准差的约为100年一次。降水异常：对月降水量采用分布计算不同百分位所对应的降水量，帮助确定其异常程度。干旱与洪涝 ：用指数确定，我国业务监测中采用Z指数方法确定。（了解）Z指数是假设降水量服从Person-III分布，通过对月降水量标准化处理后，通过偏态系数和标准化变量得到Z指数进行分级判断，就可以确定干旱和洪涝的等级。4.AMO：是发生在北大西洋区域空间上具有海盆尺度、时间上具有多十年尺度的海表温度（sea surfa

15、ce temperature,SST）准周期性暖冷异常变化。平均70年左右出现一次。5. 对CO2温室效应的检测一方面从气候变化本身来检测，例如把气温变化的曲线与CO2浓度变化曲线比较，分析变暖的季节与地理分布，并与气候模拟的结果比较等。 另一方面也可以从气候变化的物理因子来检测，例如，首先排除或尽量减少城市热岛效应和观测技术改变的影响，然后估计太阳辐射变化(包括太阳活动)、火山活动等的影响，从原序列中把这些因素排除后，再进行滤波除去高频的气候异常的影响，最后有可能得到一条受温室效应影响的曲线。6.三大涛动NAO: 北大西洋涛动 北大西洋上北大西洋上冰岛低压与亚述尔高压的气压变化为明显负相关；

16、当冰岛低压加深时，亚速尔高压加强，或冰岛低压填塞时，亚速尔高压减弱, 跷跷板式的气压变化。NPO: 北太平洋涛动 太平洋上阿留申低压与夏威夷高压之间跷跷板式的气压变化。 SO: 南方涛动 南太平洋气压与印度洋气压的跷跷板的变化。QBO: 赤道平流层纬向风有准两年(26个月)的振荡。东西风位向变化7.树木年轮推测气温变化的方法，技术路线 3步根据树木年轮重建古气候大体有三个步骤，即取样、建立年轮序列、气候重建。取样，一般取靠近林区边缘的树木。在森林上限100米范围内，或森林北界的树木对气温变化比较敏感，森林下限或南界对降水量变化反应较为强烈。为了排除偶然性因素，可以取几棵树作一组样本，每棵树也可

17、以从几个不同方向读数。取得年轮序列后，要去掉生长趋势的影响，目前应用较多的除去生长量的方法是指数函数拟合的方法。消除生长量后的年轮序列，即可用来作气候重建。一般是用邻近测站的观测资料，用统计方法确定用树木年轮拟和哪一个季节哪一种要素效果最好。每棵树的树龄是有限的。为了得到较长的序列，有时可以把几棵不同时间的树木年轮序列拚接。8.气候模拟、气候模式的分类气候模拟：根据一定的大气或海洋动力学、热力学定律，在给定边界条件下，采用数值计算的方法研究气候。分类：(1)能量平衡模式(EBM)；(2) 辐射对流模式(RCM)； (3) 统计动力模式(SDM)；(4) 总环流模式(GCM)。 （5）地球系统模

18、式9.集合预报：80年代中后期，人们采用了与统计方法结合，克服初始场误差的方法。可分为两类：一类称为落后平均预报；一类称为蒙特卡罗预报第六章 海陆分布及海流与气候1. 大尺度海气相互作用的基本特征在相互制约的大气-海洋耦合系统中，海洋主要通过向大气输送热量、提供潜热影响大气运动；大气主要通过风应力向海洋传输动量，改变洋流及重新分配海洋的热含量。在大尺度海气相互作用中，海洋对大气的作用是热力的，大气对海洋的作用是动力的风应力强迫：大洋表层环流的显著特点之一是：北半球海区环流沿顺时针方向流动；南半球为逆时针。另一个重要特征是：“西向强化”。最典型的是西北太平洋的近岸海区和北大西洋的西部海域，那里流

19、线密集，流速较大。这是风应力强迫海洋环流的结果。（了解）2. 温盐环流：是一个因为海水的温度和含盐度引起的海洋密度分布不均匀，从而驱动的全球洋流循环的系统。NADW输送带：北大西洋的NADW在深层以西边界流的形式向南流去，之后围绕南极绕极流，NADW部分和形成于威德尔海的南极底层水混合，流向太平洋和印度洋，在那里上翻穿过温跃层达到上层海洋，该输送带由位于北大西洋高纬的海水下沉支驱动。 3. 温盐环流与气候变率1）年代际气候变率观测发现，全球近地表气温、非洲降水和登陆美国海岸的强飓风、北极海冰的范围、北大西洋海表温度距平等，都表现出数十年/年代际时间尺度的变率。年代际气候变率的源可能是温盐环流的

20、内部振荡。2）千年时间尺度的气候变率可能是和温盐环流的中断与重新形成相联系,如新仙女木事件（11000-10000a BP).第七章 ENSO系统1. ENSO：由于厄尔尼诺与南方涛动有密切关系，厄尔尼诺时涛动为负位项，拉尼娜时涛动为正位项。所以人们把这两个现象合起来称为ENSO。 厄尔尼诺：厄尔尼诺现象是发生在热带太平洋海温异常增暖的一种气候现象，大范围热带太平洋增暖，会造成全球气候的变化，但这个状态要维持3个月以上，才认定是真正发生了厄尔尼诺事件。 拉尼娜：指赤道太平洋东部和中部海面温度持续异常偏冷的现象（与厄尔尼诺现象正好相反），是热带海洋和大气共同作用的产物。 南方涛动：南太平洋气压与

21、印度洋气压的跷跷板的变化。 沃克环流：赤道东太平洋冷水域上空大气是下沉运动，西太平洋印度尼西亚海洋大陆上空大气对流强烈，以上升运动为主，而地面为偏东信风，高空对流层上层为西风，这样就形成一个闭合的东西向环流圈。（个在赤道太平洋上空的纬向环流圈，东部下沉、西部上升。）2.ENSO对沃克环流、西太平洋副高、QBO的影响ENSO对沃克环流：El Nino事件发生情况下，主要增暖区的西边，也就是在日界线附近及其西面地区将有异常积云对流的强烈发展，因此在El Nino期间主要降水区由印度尼西亚地区东移到了那里。同时，Walker环流也出现了明显的异常，其上升支由印度尼西亚地区东移到了日界线附近。 ENS

22、O对西太平洋副热带高压的影响：同El Nino年ITCZ位置偏南相匹配，西太副高的位置在El Nino年一般也偏南，而La Nina年西太副高位置偏北。ENSO对QBO也有明显影响：El Nino事件会使所在的西风位相或紧接着的西风位相(若El Nino在东风位相爆发)的持续时间缩短。3.PNA：EI Nino发生时在大气中激发的太平洋-北美型遥响应。4. 3.ENSO与全球气候异常 （可举例说明，并干变湿区域各举3例）由于ENSO的发生造成了大气环流，尤其是热带大气环流的严重持续异常，因而给全球范围带来明显的气候异常。（1）距SST正距平区较近的中南美太平洋沿岸地区，由于赤道地区东西向垂直环

23、流圈的异常，原来在南美东岸的环流上升支西移到了南美西岸，因而积云对流活动在秘鲁沿岸地区极为强烈，造成哥伦比亚、厄瓜多尔和秘鲁等地的持续大雨。但El Nino事件的发生又往往造成南亚、印度尼西亚和东南非洲的的大范围干旱。 （2）El Nino事件的发生使中高纬度西风加强，阿留申低压往往比正常时强(气压值低)，因而常给北美西岸地区造成频繁的强风暴活动，使得暴风雨和风暴浪潮的影响较为严重。（3）El Nino事件在东北太平洋和北美地区引起的PNA型遥响应也必然造成北美大陆气候的异常。但是，由于所引起的PNA遥响应型在位相分布上并不十分固定，这种位相差异又会使得气候异常的情况不尽相同。5.ENSO对中

24、国夏季气候异常的影晌台风：在El Nino年，西太平洋台风数较常年偏少；而在La Nina年，西太平洋台风数较常年明显偏多。并且在El Nino (La Nina)年，登陆中国大陆的台风数也偏少(多)。 东北低温：在El Nino年夏季，中国东北气温往往偏低；而在La Nina年夏季，中国东北气温多偏高。东部的汛期降水：ENSO同中国东部降水的关系，分地区(例如华北地区和长江中下游地区)而论比较恰当。在EI Nino(SOI低)年我国大部分地区的降水量偏少，而SOI高的年份，出现多雨的可能性较大。第九章 影响气候系统的因子1.太阳活动可能对地球气候变化的影响1）认为是太阳活动改变大气电场。太阳

25、活动地球大气电离程度大气经圈环流天气气候变化太阳黑子高峰期，大气电离程度比较强(特别是高纬) 。在地磁作用下，可导致高纬度直接经圈环流的加强，也使中纬Ferrel逆环流加强。空气南北交换将加强，大气活动中心会明显偏强，全球的降水量也可能偏多。（了解）2）太阳活动能引起大气臭氧层的变化。太阳活动紫外辐射臭氧层平流层热状况天气气候而O3混合比同太阳辐射加热有明显的关系。3）太阳活动引起地球磁场的变化，磁场的变化将引起地壳内部磁流体（溶浆）运动的改变。太阳活动地球磁场地球自转速度大气和海洋环流天气气候地球自转速度（日长）的变化，通过地球与大气和海洋的角动量交换将引起大气环流和海洋环流的变化，最终影响

26、天气气候。2.火山爆发对地球气候变化的影响（1）直接影响大气的成分和光学性质。（2）参加化学反应，改变大气成分。（3）平流层气溶胶及光学性质的变化会影响到大气的辐射平衡，进而影响气候变化。火山爆发频繁时期地面气温有偏低趋势，平流层高层有明显升高。3.生态系统对地球气候变化的影响(1)气候条件，主要是降水量和温度对植物群落有制约作用，而降水量对植被种群比温度具有更大的影响。(2)植被通过蒸腾作用以及对土壤的“固水”作用，对气候状态起着一定的影响。例如在降了25mm的雨后，有植被地区的土壤湿度明显高于周围地区。 4. 温室气体和气溶胶温室气体：地球气候主要是地-气系统吸收进入其中的太阳辐射能而在辐

27、射平衡条件下形成的，辐射能的吸收和放射都同大气成分有关，因此大气中的化学成分及其变化必将改变大气的辐射平衡，从而影响气候变化。大气中的一些微量和痕量气体，如二氧化碳、甲烷、氯氟化合物及一氧化二氮等，可以通过温室效应使得地球大气温度升高，人们就把它们称为温室气体。长周期的：CO2 CH4 卤烃 N2OCO2既能吸收太阳短波辐射，又能吸收和发射长波辐射。海洋是大气CO2的最重要的贮藏器，森林也是另一重要汇。CH4是大气中在化学和辐射方面都很活跃的成分，它主要通过缺氧过程而生成，在对流层主要通过与氢氧基（OH）的反应而被清除，这种反应过程是平流层水汽的重要源。生物活动是大气中CH4的主要来源。卤烃不

28、仅对平流层臭氧有破坏作用，同时也是重要的温室气体，他们对环境的影响十分严重，因此许多国家开始限制生产和使用氟里昂。 N2O主要来自生物过程，化肥的使用可增加生物脱硝过程，而使N2O的排放增多。大气中的光化学分解是N2O的主要损失过程，主要发生在平流层；土壤对对流层的N2O也有一定的吸收作用。大气中N2O主要来自好气性土壤的脱氮作用，特别是热带森林的土壤，海洋也是N2O的重要源地，矿物燃料的燃烧和生物的氧化过程也起一定的作用。气溶胶 气溶胶通过对太阳辐射和红外辐射的吸收和散射直接影响气候，还通过改变云的微物理过程和性质而间接地影响气候。气溶胶在对流层的生命史是几天或几个星期，但新的气溶胶不断产生

29、，因此，其含量一直较高。当对流层的气溶胶被输送到平流层之后，会在那里存在数年时间，从而会对地球气候产生持续的影响。气溶胶使近地层和低层大气升温还是降温，取决于气溶胶的光学特性、所处的位置及下垫面的状况。大气中SO2既是重要的气溶胶成分，又是主要的成酸要素，对环境的影响十分严重。 5.地-气系统的温度变化大气中CO2浓度增加将通过改变辐射强迫使地气系统的温度发生变化。模拟结果表明，CO2浓度倍增将使地面和对流层大气温度增加，而使平流层空气温度降低。高纬度地区增暖大于低纬度地区，尤其是在晚秋和冬季。海洋是大气中CO2的汇，由于海洋有很大的热容量，可以延迟大气对CO2浓度增加的响应。同时，由于海流的

30、作用，将会减小因CO2浓度增加所造成的大气增暖，特别是在高纬地区。5.臭氧、臭氧作用及 臭氧空洞臭氧：大气中的臭氧主要分布在10-50km层，其中以20-28km层有最大含量，习惯上称其为臭氧层。作用：1）臭氧对太阳紫外辐射有强烈吸收作用，使得到达地面的对地球生物有杀伤的短波辐射保持在较低的强度，从而对地球生物和人类有保护作用。因此有人称平流层的臭氧层为臭氧保护层。2）臭氧的紫外辐射吸收是平流层的主要加热源，是它导致平流层温度的向上递增现象。 臭氧洞：就是极地平流层臭氧浓度的区域性急剧下降，从而形成臭氧空洞现象。造成臭氧破坏的直接原因是人类活动排放的物质引起的化学反应，尤其是氯和溴的耦合化学反应，也称接触反应循环。但这种反应的进行要求较特别的条件，在极地的局地低温（-84C）下，可形成特有的极地平流层冰晶云，对上述化学反应起催化作用，造成臭氧的严重破坏，甚至出现臭氧洞。