短期气候预测课件 第一章气候系统及其变化和预测.

1.3.2 气候变化的特征
（1）气候变化多时间尺度性
归纳已有的研究结果，可以把气候变化按时间尺度分为六类,即:
•短期气候变化，月或季； •中期气候变化，几年（年际变化）； •长期气候变化，几十年（年代际变化）； •超长期气候变化，几百年（世纪际变化）； •历史时期气候变化，千年； •地质期气候变化，万年或更长。
冰在1990s后呈微弱上升
冰冻圈关键地区（二）
青藏高原
冰川变化， 积雪变化，冻土变化, 重大自然灾害监测 （雪灾、冰湖溃决等） 三江源地区土地覆盖变化(草场退化、土地沙化）
气 候系统
4. 岩 石 圈
地幔
液 体 地 核
大气、海洋、地壳、地幔、地核示意图。 注意大气厚度约为20km被放大了）（引自Oort,1989）
气候预测的性质
1.4.2. LORENZ的可预报性分类
第一类可预报性 :初始误差(扰动)随时间增长; 第二类可预报性:外强迫变化引起气候变化的模拟和预报能力
非线性动力系统与可预报性
自然变率和外强迫变化 噪声是不可预报的
图1.4.2 500hPa的高度的均方根 误差的增长示意图
(a)持续性预报 (b)现有模式预报 (c)理想化模式预报
(℃)
( redrew from Mann and Jones, 2003 )
年
20世纪是过去2000年中最温暖的100年。
近百年中国气温变化的事实
℃
中国东部
温
度
距
平
（
中国西部
）
（更新自基本一致。 上世纪20－40年代和80年代以后出现了明显增暖。
中 国 东 部 夏 季 降 水
径流
洋流
湖泊与河流
陆面过程
冰川和积雪 人类活动
1.1 气候概念
1.1.1 气候概念
1。经典的气候概念
长期以来，人们把气候看成为表征地球大
气的一些基本要素的平均值，一般认为 30年的平均就可以得到基本稳定的平均
值，而这些平均值就表征了气候的基本特 征。随着科学的发展，经典的气候概念受
到了挑战，气候概念得到了扩展。
（3） 气候变化的突变性
1.3.2 气候变化的特征
气候突变三种型：均值突变、变率突变和趋势突变。
均值突变：从一个气候基本状态（以某一平均值表示）向另一个气候
基本状态的急剧变化。
•变率突变：两个气候状态（阶段）的平均值并无明显差异，但其变
率有极明显的变化。变率突变包括两种情况，其一是振幅有明显差异的 突变；其二是频率有明显差异的突变。
•趋势突变：两个气候阶段有完全不同的变化趋势，例如，某个气候
阶段温度一致持续下降，其后一个气候阶段的温度一致持续上升。
1.3.2 气候变化的特征
图1.1.6 三类气候突变示意图 （a）均值突变 （b）趋势突变（c）变率突变
1.3.2. 气候变化的原因
外因：不受气候变量本身影响，纯外部因子变化引起的气候变化
蒸发 降水
气候系统及其子系统
A
B
海冰消融
C 和凝结
融雪 冰川
H 径流
盐度
L
土壤湿度
A
= 大气 H B
= 水文圈 = 生物圈
C = 冰雪圈(雪和冰) L = 岩石圈(陆地)
1.3.1 气候变化的特征
气候是变化的，气候变化已引起了人们的普遍关注， 因为它与经济建设，社会发展和人民生活密切地联系。要 观测气候的变化，首先需要认识气候变化及其规律。
《短期气候预测基础》
第1章 气候系统及其变化和预测
序言
气候变化与人类文明
·气候变化与人类社会文明进程有密切关系，甚
至于会影响到社会的重大变革
·我国古代旱涝的历史记载与社会文明关系密切 ·年代际气候变化
·人类活动对气候变化的影响
盘古开天地
女娲补天
夸父追日
后羿射日
夏禹
大禹治水
• 干旱的灾难性后果:
海底形状、盐度等的变化
图1.2.1 气候系统示意图
气候系统及其子系统
A
蒸发 降水
海冰消融
C 和凝结
融雪 冰川
H 径流
盐度
B
L
土壤湿度
A
= 大气 H B
= 水文圈 = 生物圈
C = 冰雪圈(雪和冰) L = 岩石圈(陆地)
气 候系统
1. 大 气 圈
图1.2.2理想温度垂直廓线及大气垂直分层
气 候系统
气候变化的时间和空间尺度及研究方向
WCRP(80年代初）气候研究主要集中于三个方向; CLIVAR(1995)（1996～2010）：
（1）季节到年际时间尺度气候变化及可预报性 (CLIVAR-GOALS)
（2）年代际一世纪时间尺度气候变化和可预报性 (CLIVAR—DecCen)
（3）人类活动造成的气候改变的模拟、检测和分析 (CLIVAR-ACC)
评分 60 60 54 52 49 49 48 47 37
相关系数 -0.16 -0.21 -0.27 -0.21 -0.22 -0.39 -0.29 -0.35 -0.37
为什么目前的短期气候预测水平这样低？
对气候变化规律及其形成原因的认识还不够； 目前的气候预测的方法还不能满足要求。
解决办法：
1.3.2 气候变化的特征
（2） 气候变化的阶段性
除了多时间尺度特征之外，阶段性是气候变化的又一特征。气候 变化的阶段性同气候变化的时间尺度是紧密联系的，不同时间尺度的 变化也就有不同的阶段性。在过去的50万年的时间里，冰期和间冰期 有交替出现的现象，这是气候变化阶段性的明显特征。因为冰期的寒 冷气候与间冰期较温暖的气候是两种差别较大的状况，也可以认为气 候变化分别处于不同的阶段，在冰期阶段气温普遍偏低，而在间冰期 阶段气温普遍偏高。同样，近千年来的气候变化也有其阶段性，在 1300～1800年间的小冰期，气温长时间偏低，尽管其间气温还有相对 较高或较低的时期，但整个时段的平均温度相当低。而在小冰期前后 的一段相当长的时期里，平均温度却相当高，同小冰期相比无疑可视 为另一个气候变化阶段。
• 公元1637～1647年，五百年未遇的
干
特大旱灾所造成的后果尤为惨烈。这
旱
也间接地导致了明王朝的迅速败亡。
灾
害
500年中最严重的明末大旱过程（1633~1643年）
全球地表温度变化
相对于1961－1990年30年气候平均 公元200－1980年 公元1856－2003年
温 度 距 平
1998年
第1章 气候系统及其变化和预测
1.1 气候概念 1.2 气候系统及其性质 1.3 气候变化及其原因 1.4 气候预测 1.5 短期气候变化及其预测
气候变化的事实
太阳 （短波）
辐射
陆地 （长波）
辐射
云
气－冰 相互作用 海冰
冰－海洋 相互作用
吸收 反射 发射
风
海－气 相互作用
火山喷发：气体 和火山颗粒
图2 山脉力矩的计算示意图
气 候系统
5. 生 物 圈
陆－气相互作用示意图
1.2.2. 气候系统的性质
1。全球性的开放系统（非孤立系统）； 2。非均匀的热力—动力系统； 3。多时间尺度变化系统（内部系统和外部系统）； 4。不稳定的高度耗散系统 ； 5。系统内存在着许多反馈过程。
1.3. 气候变化及其原因
生物圈云云宇宙空间地球辐射气溶胶太阳辐射变化大气大气成分的变化陆地大气陆地耦合冰海洋耦合陆地性质地形植被和反照率的变化海底形状盐度等的变化海洋热交换降水风应力大气海洋耦合生态图121气候系统示意图海冰消融和凝结盐度土壤湿度径流降水蒸发图图122122理想温度垂直廓线及大气垂直分层理想温度垂直廓线及大气垂直分层世界海洋水平洋流海流全球变暖将影响整个水循环过程水循环将加强水循环将加强北极土地利用和土地覆盖变化北半球雪盖变化modis卫星资料冰冻圈关键地区一南北极海冰范围从1970s末开始快速缩小但南极海冰在1990s后呈微弱上升北极南极青藏高原冰川变化积雪变化冻土变化重大自然灾害监测雪灾冰湖溃决等三江源地区土地覆盖变化草场退化土地沙化冰冻圈关键地区二地幔大气海洋地壳地幔地核示意图
1.2. 气候系统及其性质
1.2.1 气候系统分量 大气圈；水圈；冰雪圈；岩石圈；生物圈
宇宙空间
太阳辐射变化
地球辐射
H2O，N2，O2，CO2，O3，气溶 胶
冰
大气－陆地耦合
和
生态
雪
盖
陆地
大气成分的变化
大气
云
海 冰 热交换
风应力
降水
冰－海洋耦合
大气－海洋耦合
海洋
陆地性质、地形、植 被和反照率的变化
1.5. 短期气候变化及其预测
2. 水 圈
世界海洋水平洋流（海流）
深海海流图
全球变暖将影响整个水循环过程 水循环将加强
气 候系统
3. 冰 冻 圈
冰冻圈关键地区（一）
两极地区
• 冰盖变化 • 海冰监测和冰山统计 • 积雪变化 • 冻土变化 • 北极土地利用和土地
覆盖变化
北半球雪盖变化（MODIS卫星资料）
北极
南极
南、北极海冰范围从1970s 末开始快速缩小，但南极海
<-20%
>20%
预 测 评 分
汛期降水预测回顾-2002
实况
NCC预报
预 测 评 分 NIM预报
汛期降水预测回顾-2003
实况
NCC预报
NIM预报
预 测 评 分
预测单位 中国科学院寒旱区环境与工程研究所 水利部水利信息中心 中国气象科学研究院 北京大学 国家气候中心提交大会讨论意见 南京气象学院 国家气候中心正式发布预报（全国汛期会议综合意见） 中国科学院大气物理研究所 总参气象中心
先看气候变化曲线：
气候变化
1.3.2 气候变化
极为清楚的特征是在1300～1800年期间出现了“小冰期”。小冰期现象的出现， 是超常期（百年时间尺度）气候变化的明显反映。在过去50万年以来冰期和间冰期 的交替出现（间隔为10万年左右）则清楚的反映了地质气候变化的特征。最近的一 次冰期发生在距今2万年前，当时加拿大和大部分欧亚地区都为冰雪所覆盖。由于海 冰面积的扩大当时的海面高度差不多比现在低80 m，足见当时气候的恶劣程度。
天文强迫：太阳辐射，地球轨道，地球旋转速率 地文强迫；火山爆发，人类活动，地表变化，大陆漂移等
内因：与内部系统不同物理过程中的非线性相互作用有关的变化
与各种反馈机制有关； 系统内部的不稳定或振荡。
气候变化两种模态：强迫变化和自由变化
1）强迫变化：对外界强迫的响应产生的变化 2）自由变化：内部不稳定，反馈过程，气候系
国家层面：加强科学研究，加强人才培养，加强基础建设。 业务人员：认真负责，加强科学研究，提高预测水平。
本课程的主要内容：
气候系统及其预测的基本概念（第1章）； 短期气候变化及其预测基础理论（第2—5章）； 短期气候预测的基本方法（第6—9章）； 短期气候变化的年代际背景（第10章）。 实习。
本课程的目标：掌握短期气候变化及其预测的基本概念， 基础理论和预测的基本方法，具有制作业务短期气候预测 和进行研究工作的能力。
某一瞬时或某一短时间内大气中气象要素和天气现象的综合。
气候表示方法
两个气候要素观测值：
平均值： 方 差： 协方差：
x
1 n
n i 1
xi
s 2
1 n
n
( xi
i 1
x)2
sxy
1 n
n i 1
( xi
x)( yi
y)
1.1.2 气候变化与极端气候事件 平均值变化
变率变化
1.1.3. 描述气候状态的方程组
3. 气候概念
现代气候概念是指气候系统在较长时间内的平均状态 及其变化和变率。一般可用气候系统的平均值和高阶矩统 计量（例如：方差，协防差等）来表示。表示了一段时间 内气候系统的结构和行为。主要反映一地区的冷暖，干湿 等特征。
气候这个定义的意义在于：
(1)它指出气候的物质基础是气候系统，而不仅仅是大气，它和天气系统是有区别的； (2)气候是变化的，不稳定。是一个在时间域上的概念，它和特定的时间阶段相联系； (3)某一时段的气候状态是指这一时段气候系统各属性的平均统计特征，不像天气是指
统内部的非线性相互作用产生的变化。
1.4. 气候预测
气候预测
1)。气候变化可分为两部分:自然变化;外源强迫变化; 2)。短期气候预测:初试时刻,历史资料,外源强迫 3)。气候噪声
气候预测的性质
1.4.1. 冯.纽曼的大气运动分类
第一类:由初始场决定—短期,中期预报; 第二类:几乎完全与初始场无关,敏感性试验; 第三类:初始场有一定影响,气候预报;
在对天气和气候的研究认为，控制天气和气候演变的物 理规律本质上是相同的。然而，方程在天气、气候这两类 问题中的应用却是有区别的。
在气候研究中，不仅要考虑大气的内部作用，还要考虑大气与外部系统之间复 杂的相互作用。对于天气预报，大气几乎依惯性运动，缓慢作用的边界条件于是 可以忽略。
例如，在一至两周的天气预报中，海表温度和雪、冰盖的扰动可不予考虑。即 使如此，当时间逐渐拉长时，这些外界变化渐渐地影响低层大气，当我们要研究 气候时，它们已变得很重要了。
气候变化
全球变暖￫极端气候事件增多
洪涝
干旱
气象灾害直接影响社会经济发 展和人来的生命安全
雷暴
大风
沙尘暴
高温
人类活动的影响？
温室效应、阳伞效应、 土地利用变化、城市化效应
自然变率？
面对气象灾害，我们能做什么？
面对气象灾害，我们能做什么？
2014年部分气象灾害
汛期降水预测回顾-1998
实况
NCC预报
寒带 温带 热带
2. 气候概念的发展
经典气候受到的挑战主要是从两方面进行拓展：
一方面是气候平均值概念，大量观测事实说明30年平 均的气候平均值是变化的，不稳定的，人们认识到气候变 化在时间域上是多尺度的；
另一方面人们认识到气候变化在空间域上是全球性的， 气候变化与海洋、陆地、冰雪、生物和人类活动相互影响， 引起了全球变化，并与区域性的气候变化相互影响，形成 了气候系统概念。