现代气候学
第一章 绪论
1、气候系统的定义：
大气圈、与水圈（海洋）、冰雪圈、岩石圈和生物圈相互作用的整体。气候是天-地-生相互作用下的大气系统的较长时间的平均状态
2、天气：某一地区在某一瞬间或某一短时间内大气现象（风、云、雨、雪、干、湿、雷、电等）及其状态（温度、压强、湿度、密度等）的综合。
3、气候： 在某一时间段内气候要素的平均值和变率的统计描述
4、现代气候学：在太阳辐射和气候系统各子系统相互作用下，地球上某一区域在某一特定时段内气候要素的平均值和变率的统计状态。 气候标准时段：30年（1971-2000年，1980-2010年）
5.、现代气候学与传统气候学的区别： 传统气候学描述一定区域的气候特点 现代气候学研究气候形成和变化的原因，要求预测某个地区或全球范围的各个时间尺度的气候变化，即围绕平衡态的扰动或对平衡态的偏差或距平。
6、气候学发展史
（1）萌芽时期：１６世纪中叶以前，感性和经验认识阶段，零碎的定性观察和描述。
（2）发展初期：１６世纪中叶～１９世纪中叶
a）观测方面：气象仪器的发明、建立地面气象观测站和观测网，开始气象要素的观测和积累。
b）理论研究方面：气象学和气候学由单纯定性的描述进入了可以定量分析的阶段，逐渐发展为独立的学科。
（3）发展时期
早期：19世纪末～20世纪中叶 a）观测方面
地面观测内容更加丰富和精确，观测站网扩大。
气象观测从地面向高空发展。 b）理论研究方面 锋面气旋学说 长波理论
降雨学说
气候学方面：创立了气候型的概念和几种气候分类法、出版了五卷《气候学手册》
（4）近期 a）观测方面
先进的观测技术
常规气象观测网的加密
开展大规模的综合观测试验 b）理论研究方面
建立数值模式，进行定量数值模拟试验，使气象学、气候学进入试验科学阶段。
气候学领域中的科学革命。
7、现代气候学阶段的三个特点（王绍武，2005）： ? 从气候变化来研究气候 ； ? 从气候系统来研究气候； ? 从气候动力学来研究气候。
第二章 气候系统
1、气候系统的定义：大气圈、水圈（海洋）、冰雪圈、岩石圈和生物圈相互作用的整体。
2、温室效应（大气的保温效应）：大气中的温室气体对太阳辐射的吸收很少，但却能强烈地吸收地面辐射，同时又向地面放射长波辐射，补偿地面因放射辐射而损失的能量，使地面气温升高的效应。
3、阳伞效应：气溶胶对太阳辐射的散射和吸收，使到达地面的太阳辐射减弱，引起地面气温的下降，其效应类似于阳伞效果，故称为阳伞效应。
4、气候系统的基本特性
1) 气候系统是一个复杂的、高度非线性的、开放的巨系统
a) 开放的非孤立系统
b) 响应时间差异很大，可分为内部系统和外部系统 c) 不稳定的高度耗散系统
2) 各个气候子系统之间显著的热力学和动力学属性差异
a) 热力属性: 空气、水、陆地表面和冰雪面的温度 b) 动力属性：风、洋流及其垂直运动和冰体运动
c) 水分属性：空气湿度、云量、降水量、土壤湿度、河湖水位、冰雪等。 d) 静力属性：大气和海水的密度、压强、大气的组成、海水盐度及气候系
统的几何边界和物理常数等。
3) 气候系统的反馈过程
5、气候系统的反馈过程
? 反馈：气候系统不同属性（变量）之间的相互作用，引起气候属性的变化，称为反馈。包括正反馈过程和负反馈过程。
? 正反馈：反馈过程造成的气候变化与原变化同号，使气候变化加剧，产生气候不稳定称为正反馈。 ? 负反馈：反馈过程造成的气候变化与原变化反号，抑制气候的变化和异常，使气候趋于稳定，称为负反馈。
? 正反馈：
冰雪——反射率——温度
水汽含量——红外逸出辐射——温度
（水蒸气增加→温室效应作用加强→陆地和海洋表面温度上升→产生更多水蒸气。汽是最重要的反馈机制之一，也是唯一最大的正反馈作用。） CO2 ——海温
（海温升高→海洋中二氧化碳溶解度减小→部分二氧化碳逃逸到大气中→温室效应加剧→海温升高） ? 负反馈：
（中低）云量多——太阳辐射少——稳定度大——云量少 蒸发量大——水面温度低——蒸发量小
赤道、极地温差大——热量输送大——赤道、极地温差小
6、气候可预报性
第一类可预报性 :初始误差(扰动)随时间增长（确定性预报的时效问题）; 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（大气对外强迫的响应及敏感性）。
7、气候系统的研究
一、气候监测 二、气候诊断 三、气候重建 四、气候模拟 五、气候预测
一、气候监测
（1）大气常规观测
（2）海洋及系统其他成员的常规观测 CODAS
雪盖、海冰面积 土壤温度及湿度 全球植被 （3）非常规观测 太阳常数观测
大气中的微量气体（CO2, 甲烷，氯氟碳化物（CFCs） 观测；平流层气溶胶观测（研究火山爆发对气候影响）
二、气候诊断
定义：根据气候监测结果对气候变化与气候异常作出判断。
内容：（1）气候异常的诊断：（2）气候变化的诊断；（3）气候异常事件的诊断；（4）气候变化原因的检测
三、气候重建
最常用的代用资料： （1）孢粉 （2）冰芯 （3）树木年轮
（4）珊瑚 （5）史料分析
四、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。
五、气候预测
目前我国及世界上大多数国家均把月以上的预报称为短期气候预测。 气候预测分为两类：一类采用统计方法，另一类采用动力学数值预报
第三章 气候系统的能量平衡 1、 辐射的基本定律
基尔荷夫(kirchoff)定律：在一定温度下，任何物体对于某一波长的放射能力(eλ,T) 与物体对该波长的吸收率(aλ,T)的比值，只是温度和波长的函数，而与物体的其它性质无关。即:
斯蒂芬—波尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律：黑体的总放射能力（ET）与它本身绝对温度（T）的四次方成正比。 ET ＝σT 4
维恩(Wien)位移定律：绝对黑体的放射能力最大值对应的波长(λm) 与其本身的绝对温度(T)成反比。
3
e?,T?E?,Ta?,TλT＝2897×10nm·K
m
2、 太阳辐射
太阳常数：大气上界、日地平均距离处、垂直于太阳光线方向、单位时间、单位面积接收到的所有波长的太阳辐射能。
太阳高度角：是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角。
天顶角：即入射光线与当地天顶方向（地面法线）的夹角（与太阳高度角互余。 太阳赤纬：又称赤纬角，是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。
3、 太阳高度角计算公式
sinh?sin?sin??cos?cos?cos?
4、 天文辐射（太阳辐射日总量）
定义：大气上界,某一天,水平面单位面积接受的日辐射量。
S?公式：
I0T(?0sin?sin??cos?cos?sin?0)2?D