文档介绍：第六章气候的形成
气候的形成和变化受多种因子的制约。近代气候学将那些能够影响气候而本身不受气候影响的因子称为外部因子(如太阳辐射、地球轨道参数的变化、大陆飘移、火山活动等),气候系统各成员之间的相互作用为内部因子,而外部因子又必须通过系统内部的相互作用,才能对气候产生影响。
气候系统的属性可以概括为以下四个方面:①热力属性,包括空气、水、冰和陆地表面的温度;②动力属性,包括风、洋流及与之相联系的垂直运动和冰体运动;③水分属性,包括空气湿度、云量及云中含水量、降水量、土壤湿度、河湖水位、冰雪等;④静力属性,包括大气和海水的密度和压强、大气的组成成分、大洋盐度及气候系统的几何边界和物理常数等。这些属性在一定的外因条件下,通过气候系统内部的物理过程、化学过程和生物过程而相互作用着,关联着,并在不同时间尺度内变化着,形成不同时期的气候特征。
太阳辐射是气候形成和变化的最主要的外部因子,也是气候系统的能源。大气成分如二氧化碳、水汽、臭氧和气溶胶等可以影响大气中的辐射传输。云对辐射过程,通过反射、散射、吸收和透射等过程产生影响。太阳辐射在通过大气圈到达地表的过程中已经有不同程度的削弱。又由于下垫面的性质有海洋、冰雪覆盖和陆地(具有不同地形、植被、土壤和各种土地利用方式等)的差异,对太阳辐射的反射、吸收以及导致的自身增温作用大不相同,产生不同的热力属性。同时它们又通过长波辐射等方式将热量传输给大气。大气对来自太阳的辐
射(短波辐射)的吸收率很低,对来自气候系统内部的长波辐射却易于吸收而增温。整个气候系统再以地球长波辐射形式将辐射能返回宇宙空间。
气候系统的动力属性与气候系统内部的能量转换密切相关。投射到地球表面的太阳辐射能,绝大部分为下垫面所吸收,这一热能成为促使大气运动的基础能源。图6·1给出在大气运动中能量转换的级联(cascade)图解。这种能量传递的起始点是强烈受热的下垫面。由于下垫面的增热不均,形成大尺度的水平气温梯度和大尺度的对流性不稳定。气团从下垫面增热
(能量输入),
空气发生铅直上
升运动,增加其
可用位能。这种
位能产生大气的
对流活动,或通
过水平能量梯度,
产生大尺度的大
气水平运动和天
气尺度扰动,
转换为大尺度的环流动能。风在经过海洋表面时,由于风应力作用产生波浪并推动洋流,将大尺度能量直接传输给海洋。在经过崎岖不平和热力性质不均的陆地表面时,产生切变不稳定和其它边界效应,在能量上转换为小尺度运动的动能。这种动能因摩擦作用而逐渐消耗,使风速减小,能量逐级退化,最后转变成分子运动的动能和声能等(输出)。如此周而复始,下垫面不断吸收太阳辐射能,为大气各种运动提供持续的能源。
气候系统内部进行着复杂的物质交换,最突出的例子是水分循环。海洋、潮湿陆地、植被通过蒸发和蒸腾作用将水汽输送给大气,在一定的条件下,水汽在大气中凝结成云致雨,释放出潜热。大气中的最大热源就是这种潜热。雨水降落除直接返回海洋外,在陆上影响土壤湿度、河湖水位和冰雪等。气候系统的水分属性与水分循环关系极为密切。
人类活动对气候系统的属性有明显的影响。例如在城市中,由于燃煤量大,排放至空气中的污染物质多,可能改变局地大气的组成成分。据研究在排放的污染物质中,如果酸性物质与
碱性物质的总量比值较大,在一定的降水条件下,通过有关的物理化学过程,会形成酸雨降落。在长期受强酸雨影响的地区,可导致土壤和湖泊酸化,植物和鱼类受到严重危害,气候和生态环境恶化。
在气候系统内部发生的相互作用中,存在着大量的反馈过程,它们起着从内部调节气候系统的作用。其中有些反馈过程有使系统变化振幅加大的作用,称之为正反馈。另一类反馈过程则有对系统变化的阻尼作用,称之为负反馈。反馈过程表明气候系统各组成部分之间的耦合或相互补偿作用。
例如当地面温度升高时,蒸发加大,使大气中水汽含量增多,由于水汽对地面长波辐射的不透明性,产生了“温室效应”,从而使地表进一步增暖,蒸发进一步加大,这是一种正反馈过程。另一方面,当大气中水汽含量增多时,往往产生更多的云,云量的增多,将会减少地面吸收的太阳辐射,使地表降温,因此这是一种阻尼性负反馈过程。此外,云也有阻挡地表向外放射长波辐射的作用,如果这种影响胜过其对短波辐射的影响,也可以产生一类正反馈过程。不同高度、不同类型的云,对辐射的影响是不同的,必须针对具体情况,作具体分析。
从气候的自然变化中可以看出,任何正反馈作用必将由于另一些调节过程的介入而稳定在某一水平上,否则地球气候将失去控制而变得一发不可收拾。如地面温度因水汽、二氧化碳以及其它微量温室气体的增加而升高,地球气候变得越来越暖,但是火山活动所喷发出来的大量火山灰,能有效地削弱太阳辐射的强度,产生“阳伞效应”,使地面温度降低。因此气候的自然变化总趋势有可能在某一时期维持在某