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[CM2015] Chapter 1 - Climate System
文档详细介绍了地球气候系统的各个组成部分，如大气、海洋和海冰的特点及其相互作用。重点讨论了大气热量分布的不均匀性及其对气候的影响，包括三圈环流和海洋环流的机制。还介绍了海冰的形成、消融及其对气候变化的影响，强调了海冰在反照率和热量传输中的重要角色。
![[CM2015] Chapter 10 - Coupling Techniques](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/cm2015-ch10-coupling-160120145925-thumbnail.jpg?width=640&height=640&fit=bounds)
![[CM2015] Chapter 4 - OGCM](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/cm2015-ch04-ogcm-160120145201-thumbnail.jpg?width=640&height=640&fit=bounds)
![[CM2015] Chapter 5 - Sea Ice Model](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/cm2015-ch05-sice-160120144419-thumbnail.jpg?width=640&height=640&fit=bounds)
![[CM2015] Chapter 6 - Land Surface Process Modeling](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/cm2015-ch06-lsm-160120144650-thumbnail.jpg?width=640&height=640&fit=bounds)
![[CM2015] Chapter 7 - Biogeochemistry](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/cm2015-ch07-biogeochemistry-160120145527-thumbnail.jpg?width=640&height=640&fit=bounds)
![[CM2015] Chapter 9 - Land Ice Modeling](https://cdn.slidesharecdn.com/ss_thumbnails/cm2015-ch09-landice-160120145726-thumbnail.jpg?width=640&height=640&fit=bounds)
[CM2015] Chapter 1 - Climate System
- 1. Chapter 1 Climate System 地球气候系统 “RisingEarth” William Anders, Apollo 8, 1968
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- 3. Outline 1. 气候系统的内部分量 1.1 大气 1.2海洋 1.3 海冰 1.4 陆地 2. 气候系统内部的反馈 3. 气候系统外部的强迫
- 4. 1.1 大气 • 大气组分 •太阳与地球辐射 • 地球热量不均匀 • 三圈环流 • 海陆热力环流（季风） • 天气尺度斜压波 • 中小尺度对流 冰雪陆地 海洋大气 Climate System
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- 8. 大气组分 影响LW的组分： - Water vapor& 云 - CO2 - CH4 - N2O 影响SW的组分： - O3 - 云
- 10. “XY4”型分子的振动 Stretching Bending Symmetric Stretch AsymmetricStretch Twisting Wagging Rocking Scissoring 对称拉伸 非对称拉伸 剪摇摆前后同时摆一前一后扭摆 红框是“XY2”型分子的化学键振动形式
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- 14. 大气层顶能量的进出 Video: Terra/CERES OLR(1-yr daily data)
- 15. 地球大气热量分布极不均匀 主要原因： 1. 地球的几何形状（球形） 2. 太阳直射点的时间变化（日循环、年循环） 3.下垫面介质不均一（海陆、植被、反照率） 4. 垂直方向特殊的加热机理
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- 24. Scale of AtmosphericMotions 分 子 扩 散
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- 35. MODIS Cloud Amount Aug26, 2011 云：大气运动的示踪物
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- 37. 1.1 大气 • 大气组分 •太阳与地球辐射 • 地球热量不均匀 • 三圈环流 • 海陆热力环流（季风环流） • 天气尺度斜压波 • 中小尺度对流 物理：辐射方案 物理：积云对流方案 动力：原始方程
- 38. 阅读作业：教材第3章（The Atmosphere /M. Salby） 1. 简介 - 组分和垂直结构 - 辐射平衡 - 全球能量budget - 大气环流 2. 大气热力学 - 热力学第一定律 - 绝热过程（T-theta） - 热力学第二定律（entropy-theta） - 异质系统（界面水汽压） - 从干空气到湿空气 - 垂直位移与干湿转换（相当位温） 3. 静力平衡 - 位势高度及静力平衡 - 温度直减率 - 静力稳定性 - 浮力与N - 对流过程 4. 辐射传输 - 辐射平衡（垂直SW、LW过程） - 热耗散 - 温室效应 5. 云 - 云的形成 - 云对辐射的影响（层云、对流云） 6. 大气动力学 - 惯性坐标系运动方程组 - 旋转坐标系 7. 大气运动 - 运动的尺度 - 地转流 - 准地转流（摩擦） - 垂直风切变 8. 大气波动 - 重力波 - 行星波（Rossby波） 9. 大气环流（斜压波） 10. 中层大气（行星波）
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- 40. Chapter 1: ClimateSystem 2. The Ocean Circulation
- 41. Contents • 海洋的基本情况 • 海洋洋流 •风生环流 • 深层环流 • 海洋对热输送的贡献 Basics Currents Wind-driven circulation Deep circulation Thermal transport
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- 43. 全球陆表高度分布 average depth ofEarth (2.4 km)
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- 54. 葡萄牙16世纪大型帆船 Santa Catarina doMonte Sinai
- 55. Map of ShipDrift Matthew F. Maury, 1800s 落帆的船的漂流速度=1节（0.5m/s）
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- 59. Ekman的故事 1893年（北极探险的伟大时代）， 挪威科学家Fridtjof Nansen 乘船探险北极，船体冰封于海冰中。他原以为船和浮冰会被 北风吹到北极点，但长时间观测发现一只在向东漂流。 1902年，Nansen问VBjerknes“坐在墙角那个内向的学生”能 不能帮他分析北极洋流问题，Bjerknes就答应了。 这个“内向的学生”就是Ekman。 1905年，瑞典学生V. M. Ekman展示博士论文，用简单的公式 描述了Ekman Transport的概念。后来任职于瑞典Lund大学的 力学和机械工程系。 为了纪念海洋学家Ekman的巨大贡献，大气边界层的摩擦损 耗廓线也被称为“Ekman”螺线。 Vagn Walfrid Ekman 1874-1954 1874年生于瑞典Stockholm， 父亲是物理海洋学家。本科 学习海洋学。后经人介绍师 从V. Bjerknes，1902年去 挪威首都Oslo的ILOR(国际 海洋研究实验室)攻读博士 学位。1905年发表论文 1910年离开ILOR回瑞典Lund 大学力学和工程物理系任教， 干了30年，退休前被评为瑞 典皇家科学院院士。 Ekman一生酷爱音乐，是天 才的钢琴演奏家，男低音歌 唱家，作曲家。
- 60. Ekman输送 150 m Wind Speed 10m/s Surface Current Speed 6.4 cm/s 图上标注的数字 是35N典型值
- 61. Ekman输送导致Gyre North Pacific Gyre SouthPacific Gyre Indian Ocean Gyre North Atlantic Gyre South Atlantic Gyre 西风 信风 Gyre
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- 63. Gyre’s Dome完成地转适应后 大洋环流的地转理论 主要考虑 ProsCons Sverdrup 1947 混合层质量输送与风应力的 旋度有关 可解释大洋东边界的环流 状况；可解释ECC 无法解释西部 强化 Stommel 1948 在Sverdrup基础上，考虑底 摩擦 可解释西部强化（Gyre的 东-西方向非对称性） 西部强化的还 不够强 Munk 1950 在Stommel基础上，在东-西 方向考虑侧边界eddy摩擦 更好地估计西部强化；对 西北小尺度乱流有所估计
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- 65. Stommel’s Model Gyre’s DomeBottom stress From Stommel (1948)
- 66. Munk’s Model From Munk(1950)
- 67. 地转理论不能解释Eddy SST satellite image,from U. Miami RSMAS Gulf stream and rings 西边界极快的沿岸流，受湍 流影响很大，以斜压为主， 无法用地转理论解释
- 68. Eddies in CaliforniaCurrents (a) Satellite SST (July 16, 1988), with subjectively determined flow vectors based on successive images. (b) Surface pigment concentration from the CZCS satellite on June 15, 1981. Source: From Strub et al. (1991).
- 69. EKE Kinetic energy inphysics = ½ mv2 --> for water/ocean, use ½ ρ(u2+v2) Eddy Kinetic Energy (EKE): use u’ = uobserved -umean so EKE = ½ ρ(u’2+v’2)
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- 75. 大气 vs 海洋 Peixoto& Oort, 1992
- 76. 海洋经向热输送 Trenberth & Caron,2001 大西洋只有向北输送， 无向南输送 印度洋几乎没有向北输送
- 77. 多尺度海洋环流的经向热输送 教材 Fig 11.15 海洋模式中不同尺度海洋环流的经向热输送 Semtner& Chervin, 1988 MOC与Gyre 是最主要的热输送过程 热带地区： 风驱动的Gyre并没有把 热量带出去的作用；而 热驱动的MOC可以有效 地完成经向热输送
- 78. Contents • 海洋的基本情况 • 海洋洋流 •风生环流 • 深层环流 • 海洋对热输送的贡献 • 阅读作业： Ch4 The Ocean Circulation by P. Niiler Basics Currents Wind-driven circulation Deep circulation Thermal transport
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- 80. Chapter 1: ClimateSystem 3 Sea-Ice
- 81. Contents • 海冰的几何特征 • 海冰的形成与消融 •海冰对气候的影响 • 北极海冰的长期趋势
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- 83. 海冰的几何特征 北极海冰 Arctic sea-ice 南极海冰 Antarctica sea-ice 冰山 Iceberg 冰盖 Icesheet 水平范围 5~15 百万平方公里 4~18 百万平方公里 10~100 米 2~14 百万平方公里 厚度 3~4 米 1~2 米 600 米 1~3 公里 最主要维度 水平 水平 垂直 水平+垂直 两极的海冰占地球总面积的7%
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- 93. 海冰的形成 • 水温降至-1.8度以下 • 有冰核（雪花、冰屑等）存在 •表层水由于冷却密度较高而下沉 • 垂直方向整层一起结冰，冰内冻有盐泡和气泡 • 冰块彼此碰并形成结实的整块海冰 • 整块海冰最终形成，其上累计降雪 数据 • 北极海冰2-4米厚；南极海冰0.5-1米厚 • 北极海冰冬季15x106平方公里 • 南极海冰冬季18x106平方公里 • 海冰于3月到达冬季极值；9月夏季极值 1 静海 2 3 1 动海
- 94. 海冰的消融 • 夏天来临，白天变长，短波入射加强 • 冰面积雪融化，反照率减小 •吸收更多短波入射 • 雪化完，冰开始融化，每天0.04米 • 冰上出现：水道、融坑、融池（主要是盐泡部位） • 海冰融化1-1.5米后，海潮和风暴加速分裂海冰 • 最终分解全部海冰
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- 98. 海冰的气候效应 • 影响辐射（对气候系统） 海冰反照率约50~70%；水面约5~15% 通过Ice-Albedo正反馈显著影响了高纬气候 • 绝热作用（对大气） 冬天：大气-50~-20度，海水-2~0度 若开放洋面：100~1000瓦/平方米 海冰存在：10~20瓦/平方米 海冰显著地减弱了海气之间的热量输送，使分子热传导的慢过程成为极地垂直热量输送的主要机 制；进一步影响赤-极梯度，影响经圈环流 •阻挡水汽（对大气） 使得北极气团干冷，现在这种情况正在快速改变… • 深水/底水的形成（对海洋） 海冰下由于脱盐作用，使得海水密度很大而下沉，是大洋深水和底水形成的主要机制，是北大西 洋地区热盐环流下沉支的主要动力
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- 108. Contents • 海冰的几何特征 • 海冰的形成与消融 •海冰对气候的影响 • 北极海冰的长期趋势
- 109. Chapter 1: ClimateSystem 4 Land Surface Amazon Rainforest
- 110. Outline 1. 陆面与其它分量的对比 2. 基本陆面类型 3.陆面过程 4. 陆气界面的通量交换 5. 陆面模式发展回顾
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- 112. 陆面与海面的对比 陆面 海冰 海洋大气 水平范围 30% 7% 70% 100% 垂直厚度 2米 2米 4000米（1000米） 8000米 Heat Capacity 可忽略 可忽略 巨大热储库 很小 Heat Transfer N/A N/A 被动 主动 均一性 水平、垂直 极不均一 高度均一 高度均一 垂直层结 交互对象 陆-气 冰-气；冰-海 海-气；海-冰 气-陆；气-海；气-冰 变化时间尺度 Seasonal Seasonal Interannual Synoptic 陆面对大气最主要的是：水汽 大气对陆面最主要的是：热量
- 113. 0 - Undefined 1- Evergreen Needleleaf Forest 常绿针叶 2 - Evergreen Broadleaf Forest 常绿阔叶 3 - Deciduous Needleleaf Forest 落叶针叶 4 - Deciduous Broadleaf Forest 落叶阔叶 5 - Mixed Forest 混交林 6 - Closed Shrubland 郁闭灌丛 7 - Open Shrubland 开放灌丛 8 - Woody Savannas 树木草原 USGS全球高分辨率陆面类型 经典18种（17种） 9 - Savannas 非洲大草原 10 - Grassland 草地 11 - Permanent wetlands 永久湿地 12 - Cropland 农田 13 - Urban and Built-up 城市 14 - Cropland/Natural Veg. 农田/自然植被 15 - Snow and Ice 冰雪 16 - Bare Ground 贫瘠土地 17 - Water Bodies 水体
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- 123. 陆-气通量交换 植被 大气 土壤 蒸发+蒸腾 感热 长波辐射短波辐射 降水 摩擦耗散 Energy MassMomentum 陆气界面 大气模式陆面模式
- 124. 陆面模式的发展回顾 • Bucket Model 1969年，Manabe发展陆面参数化方案，只能吸收15cm降水，多余部 分进入径流，蒸发用土壤湿度的经验公式，所有地表参数都为日平均， 不能模拟日循环。后不断改进，改进蒸发计算，增加土壤中水过程等。 •Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer Model (SVAT) 1978年，Deardorff发展第一个现代陆面模式。2层土壤，1层植被。包 含植被和土壤之间的水运动。蒸腾作用显式表达。在此之后的几十年 间，全球共开发了约10几个陆面模式，基本结构都与此类似。 • 例1：Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme (Dickinson, 1983/84) 3层土壤，1层植被；18陆面类型，15植被类型（每种27个理化生参 数）；基本完整的陆面过程；后加入动力植被。全球广泛使用，包括 全球模式和区域模式。
- 125. 陆面模式的发展回顾 • 例2：Simple Biosphere(SiB)Model (Sellers, 1986) 设计初衷是“植被主导一切”。3层土壤，2层植被，一开始 有12种植被类型，后缩减为9种。包含“光合作用”等多种化 学生物过程。全球广泛使用。1991年，UCLA薛永康将输入 参数由54个大幅减少至26个，改进代码和部分参数化过程， 计算效率提高一倍，称为Simplified SiB (SSiB) • 例3：Common Land Model (戴永久） 结合Dickinson的BATS开发而成。1层植被，多层土壤，多层陆冰/ 雪。被NCAR选中放入气候系统模式中。现尝试加入动力植被。 1960s-70s 第一代LSM 水 1980s-90s 第二代LSM 植被 2000s 第三代LSM 生物化学
- 126. 陆面模式面临的挑战 • 从柱模式到3D模式：侧向格点的作用 • 叶面表达：从笼统的“大叶片”到“真实叶片” •更多的小模块：Lake，Glacier等 • 动力植被和生物化学过程 • 分辨率，特别是水平方向
- 127. Outline 1. 陆面与其它分量的对比 2. 基本陆面类型 3.陆面过程 4. 陆气界面的通量交换 5. 陆面模式发展回顾 阅读作业： 教材 Chapter 5 Land Surface By Robert Dickinson
- 128. Chapter 1: ClimateSystem 5 Feedback
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- 130. Outline • 什么是反馈 • 主要反馈过程 Ice-albedofeedback Water vapor (Greenhouse effect) feedback Cloud feedback Land surface feedbacks • 其它反馈过程 • 几点反思
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- 132. 1. 冰雪反馈在季节尺度上的影响主要集 中在中高纬度 (60⁰-80⁰) 2.热带基本不受冰雪反馈影响 3. 两极受冰雪反馈影响很小，为什么？ 4. 冰雪反馈能无限进行下去吗？ Ice-Albedo Feedback
- 133. 冰雪反馈在地球气候史上的影响 Tmin Tmax Ice Free Snowball αmin αmax 当前地球气候总的 来说处于偏冷期 80%15% 5% 0 1 α=0.3 Occurrence%
- 134. IPCC AR4 2007 柱水汽含量的季节变化 Watervapor Feedback Greenhouse Effect Feedback 1. Water vapor (热带) 能无限进行下去吗？ 2. CO2 (全球海洋) 3. CH4 (高纬陆地冻土层和湖泊)
- 135. Cloud Feedbacks 云反馈是正是负，尚不明朗！ • 根本原因 云既影响短波（反射为主） 云又影响长波（水汽和云滴的温室效应为主） •复杂度1–全球变暖与云量关系不明： 全球变暖导致水汽增加 但水汽增加是否导致总云量增加尚不明确 • 复杂度2–云反馈依赖于云型： 低云-中云：温度高于环境，LW冷却，cooling 高云：温度低于环境，温室效应明显，warming • 复杂度3–云反馈依赖于云微物理特性： 小云滴、多数量：反射作用更强，因此cooling 大云滴、少数量：温室效应更强，因此warming 现有的气候模式对“云”的模拟能力仍然非常有限，多用参数化，少部分模式开始尝试显式地引入云微 物理参数化方案(Cloud Microphysics Scheme)。完全显式地模拟云仍然负担不起。 Surface Temperature ? ?
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- 137. Other Feedbacks • Bjerknesfeedback (ENSO) • Forest fires feedback • Carbonate-Silicate cycle • Lapse rate feedback
- 138. 关于Feedback的几点思考 • 系统中能只有+/-反馈吗？ 只有+反馈，系统会振荡崩溃 只有-反馈，系统会绝对稳态 • 系统中两种过程互相制衡 +反馈使得系统振幅大，频谱较宽 -反馈使得系统振幅小，频谱较窄 •自然过程的反馈往往是确定的 人类活动的反馈往往是不确定的
- 139. 海洋 物理介质 流体 流体固体 固体 运动原因 热量不均匀 风生/密度不均匀 N/A N/A 运动形式 大尺度环流 斜压波动 热对流 风生环流 热盐环流 N/A N/A 热机触发 热带对流 “温度”很重要 高纬度下沉 “密度”很重要 垂直热传导 水和生物过程 运动结果 减小热梯度 减小热梯度 放大热梯度 放大热/水梯度 内部主要反馈 负反馈为主 负反馈为主 正反馈为主 正反馈为主 评价 稳定气候 稳定气候 使气候不稳定 使气候不稳定
- 140. Outline • 什么是反馈 • 主要反馈过程 Ice-albedofeedback Water vapor (Greenhouse effect) feedback Cloud feedback Land surface feedbacks • 其它反馈过程 • 几点反思 • 阅读作业： Chapter 1: Introduction to Climate Modeling 其中，第1.2节讲述了气候系统中的反馈过程
- 141. Chapter 1: ClimateSystem 6 Climatic Forcing
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- 143. 6 气候系统的强迫 6.1 自然强迫 -地球轨道要素 - 太阳活动 - 火山活动 6.2 人为强迫 - 温室气体 (CO2, CH4, N2O, CFCs) - 气溶胶 - 陆面变迁
- 144. 地球气候概貌 46亿年以来，地球整体上逐渐变冷， 特别是到新生代以后显著变冷 地球绝大多数时间完全没有冰盖， 直到新生代后期两极规律地出现大 范围冰盖 地球发生过5次大冰期： a. Huronian Glaciations b. Late Proterozoic Glaciations c. Late Ordovician Glaciations d. Permo-Carboniferous Glaciations e. Paleistocene Glaciations a b c d e Hadean 古 中 新 奥陶-志留纪冰期 泥炭-二叠纪冰期 第四纪冰期 HotHouse IceHouse
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- 146. British Museum ofNatural History Irish Giant Deer
- 147. 第四纪气候变化 4万年旋回 10万年旋回 第四纪冰期的基本特征： • 地球气候在“冰期”和“间冰期”之间快速振动(Glacial-to-InterglacialCycles)，越来越冷 • 250万年至100万年之间，以4万年为周期，频率高但振幅小，进行较快的冰期-间冰期旋回 • 100万年至今，以10万年为周期，频率略放慢但振幅大，进行较慢的冰期-间冰期旋回 • 我们生活在最后一次间冰期中 新生代6500万年 这张图是新生代最后10%的时间 今天的人类
- 148. 地球轨道要素 岁差 2万年 黄赤交角 4万年 偏心率 10万年 萨尔维亚人，1879-1958 维也纳工业学院 工程学博士 The schedulesun radiation on the earth's surface, 1913
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- 150. 世界各国驻南极考察站分布图 http://www.ted.com/talks/lee_hotz_inside_an_antarctic_time_machine.html 长城站 1985 中山站 1989 昆仑站2009 夏季站 Amundsen-Scott Polar Station 泰山站 2014
- 151. Video Sun Dynamics Observatory Since2010 http://sdo.gsfc.nasa.gov/
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- 154. 太阳活动 小冰期 Little Ice Age 1677年泰晤士河冰封1625年Avercamp画作：打冰球
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- 163. 陆面变迁 • 沙漠化 Desertification •森林砍伐 Deforestation • 城市化 Urbanization • 河湖改造、水坝工程
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- 165. 陆面变迁2：雨林砍伐 A. 巴西Amazon雨林的砍伐（教材进行了深入探讨） Amazon砍伐量占全球1/5 B. 印度尼西亚雨林的砍伐 C.Greenpeace组织阻截KFC砍伐Amazon树木种大豆 A B C
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- 169. 6 气候系统的强迫 6.1 自然强迫 -地球轨道要素 - 太阳活动 - 火山活动 6.2 人为强迫 - 温室气体 - 气溶胶 - 陆面变迁 阅读作业 教材第2章：人类活动对气候的影响 冰雪陆面 海洋大气 Climate System 自然 强迫 人类 活动