第二讲气候动力学

图1B RF计算方法
箭头：对流层顶净通量不平衡。兰线：未扰动温度剖面；桔 红线：扰动温度剖面。从左到右，瞬时RF（IRF）：大气温 度处处不变；平流层调整的RF：允许平流层温度调整；零地 面温度变化RF，允许对流层大气温度调整，而地面温度不变； 平衡气候响应：允许大气与地表温度都调整达到新的平衡态，
全球气候是否会向冰期（变冷）演变？
根据米兰科维奇（Milankovitch）循环理论， 近几百万年由于地球轨道参数的变化（进动，地轴 倾斜和地球轨道椭圆性变化），气候具有周期为10 万年左右的冰期—间冰期循环。这种自然的轨道强 迫可在几千年时间尺度上影响关键的气候系统，如 全球季风，全球海洋环流，大气的温室气体含量等， 我们目前处于末次间冰期，但其向冰期演变的冷却 趋势不会减缓现代的全球变暖。至少在30000年之内 地球不会自然的进入下一个冰河期。
第2讲 气候变化的原因
1.全球辐射平衡与辐射强迫
太阳辐射是驱动地球上所有天气和气候现象的能量来源。 就全球和年平均而言，有343W/m2的太阳辐射（又称短波辐射） 入射到大气顶，但其中三分之一（103W/m2）被云层和地表面 又反射回太空，因而只留下240W/m2被地球的气候系统所吸收。 大气本身对太阳辐射的直接吸收很少，大部分被陆面、海洋、 冰面所吸收，使它们温度升高。为了维持地球的气候长期不 变，根据辐射平衡的原理，地球作为一个黑体（严格说应为 灰体）被地表和大气吸收的太阳辐射必须在大气顶被地球自 身放射的红外辐射（又称长波辐射）所平衡，其量值也应该 是240W/m2。这种情况下，地球系统由于没有任何净能量输入， 则能保持地球气候状况（主要由全球地表平均温度表征）不 变。因而全球辐射平衡是维持稳定地球气候的基本原理。不 论何种原因，如果这种平衡一旦被破坏，则全球辐射平衡不 能维持，地球系统将获得或损失能量，从而导致地球气候的 变化。
2、气候变化的驱动力
外强迫的作用： 气候变化的驱动力之一
• 几千万年～几亿的气候变化的驱动力主要 是地质构造活动，包括板块运动，火山爆 发，海底的地质构造变化等，也包括沙尘 的影响。通过这些地质构造的运动，通过 改变大气中温室气体的浓度和反照率，影 响着地质年代的气候。
更新世（200万年-1万年） 气候变化及其意义（图2-4）
人类活 动扰动
(℃)
温
度 距 平
CO2 浓 度
(ppmv)
( redrew from Petit et al. 1999 )
年距今
图2 目前的CO2浓度是42万年来的最大值。
83万年来，仍是最大值
（IPCC，2001）
图3 过去425千年: (A) GHGs与海平面，(B)地表反照率与GHGs强迫， (C)观测与计算的温度
破坏全球辐射平衡可以有两种方式：一是入射到大气顶的 太阳短波辐射量发生了改变，它主要由太阳活动本身的变化 或太阳常数的变化引起，也可以由地球围绕太阳公转的轨道 参数（偏心率，进动和倾斜角）变化引起（即米兰科维奇循 环），也可以是大气中的云层覆盖面积或大气气溶胶颗粒物 含量发生了变化，从而使反射的太阳辐射量发生了变化（用 反照率表示）。这些变化是引起气候自然变化的主要原因之 一。它可以影响不同时间尺度的气候变化。二是射出长波辐 射的变化。能够影响地球射出长波辐射向外空传输的主要因 子球是和大大气气中向的外水射汽出，的长O3和波温辐室射气，体使等射。出它的们长能波捕辐获射或减拦少截，地从 而破坏了全球辐射平衡。由上可知，能够改变大气顶净辐射 或使辐射平衡发生扰动或破坏的任何因子都可以引起全球气 候变化，它们被称为辐射强迫(图1A）。实际上，全球气候 变化是对辐射强迫的响应，通过这种响应过程，地球系统改 变自身的气候状况，以重新恢复原来的或建立新的全球辐射 平衡。在这个过程中，由于气候系统中各圈层响应的快慢不 一样，其所表现出的气候变化状况就不一样（图1B）。
1.气候变化的主要启动力是地球轨道变化， 非常弱的强迫
2.更新世气候变化的主要机制是GHGs和冰盖 区，作为反馈机制
3.长时间尺度的气候变化对很小的强迫是很 敏感的
4.人类造成的强迫矮化了引起冰期与间冰期 气候变化的自然强迫
5.人类活动是现代气候变化的一个驱动力
Hansen,2007
南极东方站（Vostok）测量的 大气CO2浓度变化
图1A 各种影响全球气候变化物质ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ起的全球平均辐射强迫值（RF）2005年，相对于1750年）（a）及其90%信度水平的发生概率分布（b）。 LOSU是科学认识水平，火山气溶胶未包括。（IPCC,2007）
图1A 各种影响全球气候变化物质引起的全球平均辐 射强迫值（RF）（2005年，相对于1750年）（a）及 其90%信度水平的发生概率分布（b）。LOSU是科学 认识水平，火山气溶胶未包括。（IPCC,2007）
对流层顶RF消失。地面温度变化了ΔTs。（IPCC,2007)
大气的对流层和海洋响应较慢，因而它们在几十 年之后才可能表现出明显的气候变化；而平流层大 气响应快，一般在一个月左右就可发生明显的变化。 正的辐射强迫可使地表温度上升，导致全球变暖， 负的辐射强迫（如火山爆发）使全球变冷。应该指 出，辐射强迫的计算是研究气候变化原因和预测气 候变化的一个关键。它所关心的是太阳辐射和长波 辐射的变化，而不是其本身，从这个意义上讲，入 射的太阳辐射并不是辐射强迫，只有它的变化量才 是辐射强迫。
太阳活动的变化是引起近代气候变暖的主要原因吗？
总太阳辐射的连续直接观测至今只有28年，结果 表明，太阳辐射具有确定的11年周期变化，其辐射量 从最小到最大的周期循环变化率只有0.08%，并且无 显著长期趋势，工业化前后并无太大的变化，辐射量 变化的主要原因是太阳黑子和耀斑的变化。计算的太 阳输出（从1750年）造成的直接RF是±0.12w/m2。这 个值虽然是正值，但比温室气体的RF要小得多 （2.3w/m2），所以太阳辐射的变化不是引起近代气 候变暖的主要原因（图5-6）。
For past 425 ky, (A) GHGs and sea level, (B) Surface
albedo and GHG forcings, (C) Observed and calculated
temperatures
人类活动辐射强迫是否超过了自然辐射强迫？
图4 冰期气候强迫
气候敏感性