大气科学概论

各种温室气体加热地球表面，功率大约2W/m 各种温室气体加热地球表面，功率大约2W/m2，相当于在地球 上每平方米面积上点燃了两个1W的小电灯泡。 两个1W 上每平方米面积上点燃了两个1W的小电灯泡。由于海洋吸收了 巨大的热量，因此减慢了地球变暖的完全效应。 巨大的热量，因此减慢了地球变暖的完全效应。
• • • • •
• 近年来，气候与气候变化 climate and climate change, 大气化学atmospheric chemistry 已成为大气科学的主要内容 • 近年来，主要成果与进展，可概括为以下 几个方面： • 观测手段的发展与资料的丰富 • 天气与气候预报准确率的提高， • 大气化学与大气环境引起重视，气候动力 学的进展。
? 为何地球的某些地区比另外一些地区变得更暖
目前的一种看法：宇宙射线 是全球变暖的原因之一
Bago and Butler (2002)等
改变低层大气中形成云层的方式使地球变暖
来自外层空间的高能粒子将原子中的电子 轰击出来，形成的带电离子可以引起水滴 的凝结，从而可增加云层的生长，从而影 响地球大气的能量收支平衡。
当今气候施扰因素——温室气体 温室气体 当今气候施扰因素 二氧化碳 水汽 微量气体
• 温室气体吸收本应从地球表面及 大气中逸出到太空的红外热辐射， 大气中逸出到太空的红外热辐射， 象给大气盖了一张毯子； 象给大气盖了一张毯子； • 若无这些温室气体，地表温度只 若无这些温室气体， 能保持在-18度左右 度左右； 能保持在-18度左右；这些气体的 存在才使得地表温度得以保持15 存在才使得地表温度得以保持15 度左右——“温室效应” 度左右 温室效应” 温室效应 • 二氧化碳是数量最多的温室气体
• Climate is what you expect, weather is what you get
• 2005年，ＷＭＯ启动了ＴＨＯＲＰＥＸ计 划，主要针对观测系统与可预报性的研究 ，这也是大气科学的两个主要方面 • 在观测方面，手段与方法都有长足进步， 从常规的地面观测，发展到卫星，雷达等 遥感技术对大气现象进行观测，还利用飞 机对气象资料进行观测与转发（AMDAR)， 使我们对大气的情况了解更加深入，为气 象预报准确率的提高，提供了重要基础
大气化学的进展
• 数十年前，大气化学主要关心城市空气质 量问题，燃煤排放的 sulfur dioxide (so2), Oxides of sulfur and nitrogen （NO, NO2, N2O5) 溶解于云滴中，形成 weak solutions of sulfuric and nitric acids , 这时 下雨就形成了酸雨，对植物与农作物造成 伤害。 排放源会影响到下游公里到数千公里
• 大西洋地区TC路径的准确率逐步提高，01-05年5年间， 预报时间(小时) 24 36 48 72 96 120 误差（海里） 65 91 118 171 231 300 • 24-72小时期间的预报误差只有上世纪九十年代的一半左右 • 5天的预报与15年前的三天预报准确率相当
• 我国在TC的路径预报方面也是成绩斐然，麻素红 等（2003）通过对神威机上运行的T213L31模式 进行分析，指出该模式自2002年投入业务运行后， 24、36、 48小时TC中心预报平均误差为162、 215、296km。 • 在“十一五”期间，TC24小时路径预报偏差将缩 小到120公里以内。
随着大气CO2浓度的进一步增加，温度是否 会这样增加下去？
各种模型预测21世纪CO2 浓度变化趋势 各种模型预测21世纪温度变化趋势
(据IPCC,2001)
“温室气体不是全球变暖的惟一原因”
? 为何地表增温显著,而大气低层增温不显著 如果温室气体是引起全球变暖的惟一原因，地表和大气的变暖程度就应该 相同，而卫星测量表明事实并非如此。事实是地球表面在过去１００年虽 然升高了０.６摄氏度，但大气层最下面８公里处的温度变化却很小。
天气预报的进展
• 从预报时效来看，由Day-to-day (short time range forecasting )延伸到3-7天天气预报 • 发展了Nowcasting (very short time range forecasting, hourly forecasting，0-6小时) • 中期预报Medium range forecasting • 长期预报）Long range forecasting • 气候预报Climatological forecasting
臭气洞的发现
• 80年代，发现在每年春季，南极上空的平 流层出现臭氧洞 (Ozone hole)，见下图 • 其原因是冰箱与工业中应用的CFCs 氯氟碳 化物，氯氟烃 (chlorofluorocarbons ) 与平 流层的云中，与臭氧发生反应
,
• ２5km高处，氧分子由于太阳紫外辐射 （ultraviolet radiation)的光解作用 （photodissociation)成为氧原子，它很快 与氧分子结合为臭氧， • 臭氧吸收紫外辐射，保护生物细胞为紫外 线杀伤 • 臭氧洞的出现,对人类健康农作物生长都有 不利影响 • 控制CFCs的排放是重要问题
Greenhouse effect and global warming
• 二氧化碳 carbon dioxide ,与其他示踪气体 如甲烷methane 等通称的温室气体，这种 气体的存在，将使大气的温度升高，导致 全球增暖Global warming • 这是当前的一个重要问题,节能减排是当前 的重要政策
过去16万年来气温 据氢同位素 过去 万年来气温(据氢同位素 万年来气温 推算） 含量（ 推算）和CO2含量（据南极地区 含量 冰芯资料推算）的变化。 冰芯资料推算）的变化。
CO2的增加：人为因素 的增加：
——
人为因素的证据
• “欧洲南极冰核” 计划：在过去的65万年 欧洲南极冰核” 计划：在过去的65 65万年 大气中二氧化碳的含量从未超过300PPM 里，大气中二氧化碳的含量从未超过300PPM 百万分之三百）， ），而目前的二氧化碳含量 （百万分之三百），而目前的二氧化碳含量 则达到了380PPM 380PPM， 则达到了380PPM，比工业化前的最高值还要 27％。 ％。这清楚地表明人类活动是如何影响 高27％。这清楚地表明人类活动是如何影响 到温室气体的含量的。 到温室气体的含量的。
• 从此可计算出未来的u
• • • • •
一完整的预报方程，应包括 动量方程 热流量方程 连续方程 水汽与湿度方程
• 由于初值，计算与物理方程的误差，使得 预报出现误差， • 目前利用统计，集成等方法来加以补充， 来提高预报准确率
Progress of short range weather forecasting
低云量 宇宙射线通量
总云量
宇宙射线通量与低云量的关系在1991/2年之前吻合很好,但 1991/2之后,只有低云量与宇宙射线通量仍保持很好对应关系.
目前地球正变得越来越热的原因： 目前地球正变得越来越热的原因：太阳辐射处于近一 千年来最强烈的时期，这可能影响到了全球温度。 千年来最强烈的时期，这可能影响到了全球温度。 太阳耀斑较少的年份， 太阳耀斑较少的年份，往往对应于地球的一个低温期 但上世纪，太阳耀斑的数量明显增多， ，但上世纪，太阳耀斑的数量明显增多，地球的温度 也稳定上升。 也稳定上升。
全球变暖与国家利益 密切相关
冰川消退
全球气候的小幅度波动虽然并不为人明显发觉， 但对于冰川来说则有显著影响了。气温的轻微上 升都会使高山冰川的雪线上移，海洋冰川范围缩 小。
Marr Glacier in the Antarctic peninsula, which is receding.
• 海平面升高
• 从图可以见到，现在的５天预报的水平， 相当于二十年前的３天预报的水平
l. TC的路径预报 的路径预报
随着观测手段的改进，观测资料的质量和数量 大为改观，而资料同化、集合预报技术的应用和数 值天气预报模式精度的提高和物理过程的完善，使 得TC路径预报的误差在过去10-20年的时间里大大减 小。
• 数值预报是，把描述大气运动的一组偏微分方 程，利用大型，快速的计算机，用数值方法求 解，预测出未来大气的运动情况， • 例如，运动方程为
∂u ∂u ∂u ∂u 1 ∂p ∂ 2u +u +v +w − fv = − +k 2 ∂t ∂x ∂y ∂z ρ ∂x ∂z t = 0, u = u0
全球性气温上升，导致海水受热膨胀、 全球性气温上升，导致海水受热膨胀、高山 冰川融化、南极冰盖解体，使得海平面上升， 冰川融化、南极冰盖解体，使得海平面上升，人 类被迫迁居内陆。 类被迫迁居内陆。 使冰融化而让海平面升高1m所需要的热量大 使冰融化而让海平面升高 所需要的热量大 约是12W·年/m2 (就全球平均而言 ，即如果地球 就全球平均而言) 约是 年 就全球平均而言 的能量失衡达到1W/m2，则在 年内就可使海平 则在12年内就可使海平 的能量失衡达到 面上升1m。 面上升 。
• 下面，将主要讨论温室气体中最重要二氧 化碳问题 • 过去50年，二氧化碳浓度增长率为每年 1ppm， • 过去10年二氧化碳浓度增长率为1.8ppm/年
CO2的气候效应问题
CO2含量的变化会引起全 CO2含量的变化会引起全 球气温的变化 在约15万年前， 在约15万年前，大气中 15万年前 CO2含量也曾有激烈增 的CO2含量也曾有激烈增 加的现象， 加的现象，说明工业革 命不是大气中CO2 CO2含量增 命不是大气中CO2含量增 加的唯一原因。 加的唯一原因。
• 目前，较为一致的看法是：人类行为的影 响是主要的，特别是CO2 等温室气体是主 要的原因。 • 控制温室气体的排放也是我们能影响气候 的一个主要手段
全球变暖 — 影响
全 球 变 暖 的可能 影 响——
• 冰川消退、海平面升高、海水入侵 冰川消退、海平面升高、 • 极端天气气候事件增多 • 温盐环流崩溃，气候突变 温盐环流崩溃， • 对生态系统的影响：部分遗传基因减少 对生态系统的影响： • 热带传染病发生的增多 • 粮食作物产量的下降，粮食不足问题 粮食作物产量的下降， • 能源的增加，进而引发能源危机 能源的增加， ……
Methods of weather forecasting
• 从方法上来看，由天气图分析，经验外推 的主观Subjective (Experiences )，发展为 基于流体力学的数值方法Objective (Numerical weather forecasting) • Statistic +NWF • Assembly NWF
大气科学概论
An introductory survey of Atmospheric Sciences J. Wallace and P. Hobbs
l. Introduction and overview
• Atmospheric Sciences: 研究行星地球大气的结构与演百度文库Structure and evolution 发生在大气中的许多现象Phenomena 其内容在近几十年来，有很多变化， 30 年前，主要内容是天气预报，weather forecasting, 风暴产生的过程Processes ， 辐射平稳radiation balances.
Mauna Loa 月平均的co2含量隋时 间变化曲线
• 从此可见，co2是隋时间增大， • Co2含量的变化, 是影响气候增暖的一个重 要因子 • Co2增大，温度升高
，
• 不同温室气体在大气中的生存时间是不同 • 有些气体生存时间在千年以上 • 温室气体不仅对当时气候变化有影响，其 后将持续很长时间 • 温室气体的增温作用是非常重要的 • 气溶胶起有冷却作用，可抵消部分增温作 用，但其生存寿命很短