气候变化概论重点

⽓候变化概论重点

⽓候变化概论复习

1、⽓候变化特点、⽓候变暖体现

1）近百年来地球⽓候系统正经历着⼀次以变暖为主要特征的显著变化

2）近百年来温室⽓体⼀直在波动增加

2012年，全球⼆氧化碳、甲烷和氧化亚氮年均浓度分别达到393ppm、1819ppb和325ppb，分别⽐⼯业⾰命(1750年)前增加了

41%、160%和20%，达到历史的最⾼值。

3）1979年以来北极海冰范围显著缩⼩

1979-2012年北极年均海冰范围以每⼗年3.5%-4.1%(0.45-0.51百万平⽅公⾥的速率缩⼩；

夏季海冰范围（多年海冰）以每⼗年9.4%-13.6%（0.73-1.07百万平⽅公⾥）缩⼩。北极海冰每⼗年平均下降速度在夏季最

⾼；

过去的30年，北极夏季海冰范围退缩史⽆前例，北极海表温度⾄少在过去1，450年来异常偏⾼。

2、温室⽓体：⼆氧化碳、甲烷、氧化亚氮、对流层臭氧和⽔汽等⽓体，不阻挡紫外辐射的射⼊，但吸收红外辐射有，造成

了“温室效应”，被称为“温室⽓体”。

温室效应：⼤⽓中的的CO2等⽓体能吸收地球表⾯反射的1200-1630nm的红外光谱，并把能量截留于⼤⽓之中，从⽽使⼤⽓温

度升⾼的现象称为温室效应。

3、辐射强迫的定义、量级、来源

辐射强迫：指在地球⽓候系统辐射能量收⽀平衡中外部强加的扰动。

辐射强迫在数值上定义为某种辐射强迫因⼦变化时所产⽣的对流层顶平均净辐射的变化（太阳辐射+红外辐射），单位：

W/m2。

来源：由辐射活性⽓体（如CO2等）浓度和太阳⼊射的长期变化或影响地表吸收辐射能量的其他变化（如地表反射率性质的变

化）所产⽣——估计全球年平均地表温度响应的⽅便⼯具。

4、温室⽓体辐射强迫量级

5、碳循环、碳源和碳汇

碳循环是指碳元素在⾃然界的循环状态；循环过程：⼤⽓中的CO2倍陆地和海洋中的植物吸收，然后通过⽣物或地质过程及⼈

类活动，⼜以CO2的形式返回⼤⽓。

碳源：化⽯燃料燃烧、⼟地利⽤变更、海洋植被⽣物质燃烧

碳汇：陆地⽣态系统及海洋

碳源：化⽯燃料和⽔泥排放量8.3±0.4Gt/年、⼟地利⽤排放量1.0±0.5Gt/年；

碳汇：⼤⽓增长4.3±0.1Gt/年、海洋沉积2.5±0.5Gt/年、其余陆地沉积2.6±0.9Gt/年。

全球⼈类活动引起的年碳排放量9.3±0.9Gt/年；⼤⽓年均碳通量4.3±0.1Gt/年、海洋年均碳通量2.5±0.5Gt/年、陆地年均碳通量

1.6±0.4Gt/年。

1 Gt = 10亿吨

（Gt的概念：Gigatonnes=109tonnes=1PgC（1Pg=1015g））

6、⼤⽓⽓溶胶主要成分：硫酸盐、硝酸盐、铵盐、⿊碳、有机碳、沙尘⽓溶胶。

短寿命⽓体和⽓溶胶影响⽓候变化

7、⽓溶胶物理特性

⽓溶胶浓度（数浓度、质量浓度、体积浓度），谱分布

⽓溶胶粒⼦的三模态及其特性（按⽓溶胶直径分）

1）Aitken mode(~ <0.1µm) （Aitken 模态）：Formed from condensation of hot vapors during combustion process and

from the nucleation of atmospheric species to form fresh particles. They are lost principally by coagulation with larger

particles.（由热蒸汽在燃烧过程中凝结形成，由⼤⽓物种成核形成新鲜颗粒。 它们主要通过较⼤颗粒的凝结⽽丧失。）

2）accumulation mode(0.1~2.5µm) （积聚模态）：The source of particles in the accumulation mode is the coagulation of

particles in the nuclei mode and from condensation of vapors onto existing particles ， causing them to grow into this size

range. The accumulation mode is so named becau particle removal mechanisms are least efficient in this regime ，

causing particles to accumulate there.（积聚模态中的粒⼦来源是核⼦模式下的粒⼦凝聚，蒸汽凝结到现有粒⼦上，使它们长

⼤到这个尺⼨范围。 积累模式是如此命名的，因为颗粒去除机制在这种情况下效率最低，导致颗粒在那⾥积累。）

3）coar particle mode (~ >2.5µm) （粗粒⼦模态）：Formed by mechanical process and usually consists of human-

made and natural dust particles. Coar particles have sufficiently large dimentation velocities that they ttle out of the

atmosphere in a reasonably short time.（由机械⼯艺形成，通常由⼈造天然粉尘颗粒组成。 粗颗粒具有⾜够⼤的沉降速度，

在相当短的时间内沉降在⼤⽓之外。）

8、⽓溶胶光学特性：⽓溶胶光学特性、单次散射反照率、不对称因⼦（散射相函数）等。

1）⽓溶胶光学厚度（AOD ）：是描述⽓溶胶通过吸收散射等⽅式对通过⼤⽓层的太阳光衰减作⽤的。

其定义为介质的消光系数在单位⾯积垂直⽅向上的积分。

不同成分⽓溶胶质量消光系数（α，unit: m 2/g)随相对湿度变化

dz z z z ),()(21e A λσλτ?

=

BC质量消光系数起步⼤，但基本不受RH影响；海盐、硫酸盐在RH>70%时，质量消光系数均超过10

2）单次散射反照率（SSA）：定义为散射系数与消光系数之⽐，是衡量⽓溶胶吸收强弱的重要光学参数，形如：

ω=ksc/kex=ksc/(ksc+kab)

ω为单次散射反照率，ksc为⽓溶胶散射系数，kab为⽓溶胶吸收系数.

ω是⽆量纲数，取值范围在0~1之间，当⽓溶胶粒⼦⽆吸收时，ω=1，当粒⼦为全吸收型时，ω=0。

单次散射反照率是在进⾏⽓溶胶辐射强迫评估时的重要参数之⼀。⽓溶胶层的⽓候效应是增温还是冷却主要是由单次散射反照

率和地表反照率决定的；Hann et在1997年就发现，在不同的地表反射条件和海拔⾼度上，当⽓溶胶的SSA从0.9降低⾄0.8

的时候，使得⽓溶胶辐射强迫的值呈现出从负值到正值的转变；强吸收性（SSA较⼩）的⽓溶胶对⼤⽓的加热作⽤不可忽视，

会对该区域的局地⽓候和⽔汽循环产⽣严重的影响。

SSA的影响因⼦：根据Mie理论，各种光学参数最终都可以由粒⼦的尺度参数和复折射指数来表达，因此，单次散射反照率的

影响因⼦为：1）粒⼦的尺度参数α=2πr/λ ；（2）粒⼦复折射指数m=n r-in i（n r，n i分别为复折射指数的实部和虚部，其中实

部对应散射，虚部对应吸收）

单次反照率在⼀定范围内随质粒半径的增⼤⽽增⼤；随复折射指数中虚部（吸收）的增⼤⽽减⼩。当粒⼦尺度参数约⼩于4

时，复折射率实部越⼤，单次散射反照率越⼤。当粒⼦尺度参数⼤于4时，它们之间⼏乎没有什么确定的关系。

3）⾮对称因⼦：

4）吸收性光学厚度(AAOD) = 光学厚度x 单次散射反照率

9、⽓溶胶的⽓候效应

1）直接⽓候效应：对太阳辐射的散射和吸收，是⽓溶胶对地-⽓系统辐射场的直接影响。

⽓溶胶⼤⽓顶端辐射强迫可正可负（依赖于不同⽓溶胶组分）

所有⽓溶胶成分的地表辐射强迫均为负值(减少到达地⾯的太阳辐射）

地表辐射强迫直接影响到⼤⽓稳定度等⽓象参数

2）间接⽓候效应：通过⽓溶胶对云的辐射性质的影响来实现的。

云反照率或⽓溶胶第⼀间接效应：对于恒定的液态⽔路径，云滴数的增加可使云的反照率增加。

云寿命或⽓溶胶第⼆间接效应：云滴愈⼩，其碰并形成降⽔尺度的⼤云滴的机会愈少，因此由⼈为⽓溶胶排放所引起的云滴数

量增加和云滴尺度减少将可能引起降⽔减少和云寿命延长。

3）⽓溶胶半直接⽓候效应：云滴中有⿊炭⽓溶胶时，会吸热升温蒸发..................................

10、⽓溶胶影响⽓候变化的机制

1）⽓溶胶对季风的影响：

全球⽓候模式结果显⽰⿊碳可通过改变⼤⽓稳定度和垂直运动，进⽽影响⼤尺度环流和⽔分循环，并有利于形成我国“南涝北

旱”的降⽔格局。

2）⽓溶胶对夏季风年代际转型的影响：

⽓溶胶→太阳辐射减少→陆地地⾯降温→海陆温差减弱→海陆⽓压差减弱→副热带⾼压南退→北风异常→夏

季风减弱→长江流域⽔汽滞留辐合→降⽔增加→地⾯温度降低

3）⽓溶胶对Hadley环流的影响：

⽓溶胶引起的⽓流功能变化与温室⽓体引起的变化幅度相当，这可能是由于半球间温度梯度的巨⼤变化引起的。

预计⽓溶胶的变化会引起位于5 N和5 S之间的异常逆时针流动，这与DJF Hadley环流异相，并且表明Hadley 细胞减弱，⽽在

JJA期间，这种预测的⽓溶胶诱发的异常流动变得同相，从⽽加强了哈德利环流。

4）⽓溶胶对纬向风的影响：

⽣物质燃烧⽓溶胶加剧亚洲⾚道地区⼲旱：

⽓溶胶减少地⾯短波辐射-19Wm-2

短波辐射减少使海平⾯⽓温和陆⾯⽓温减少0.5和0.4℃

潜热减少

BC加热⼤⽓和地⾯降温减少降⽔0.9mm/天(10%)

El Nino年，⼲旱-⼤⽕-⽓溶胶减少降⽔和⼟壤⽔分加剧⼲旱的正反馈？

⽣物质燃烧区域AOD>0.3，地⾯⽓压升⾼⼤⽓稳定度增加⽔汽辐散，降⽔减少

11、⽓候数据均⼀化：由于⽓象观测资料不可避免的受到台站迁址、观测仪器改变、要素计算法则变化、周边环境变化等⾮⾃

然因素的影响，导致不同时期的观测资料不完全可⽐，也即所谓的⾮均⼀性。经过统⼀、可核查的严格质量控制，综合利⽤标

准序列法、偏最⼩⼆乘回归、多元回归等插补⽅法进⾏缺测值插补，对测量背景不同的数据进⾏数学统计等⽅法的标准化，最

终实现数据的可⽐化。

均⼀化的地表⽓温/为什么均⼀化？好处？均⼀化的概念？

由于历史原因，⽓象观测台站及⽓象观测资料的情况⾮常复杂，不同时期、不同区域资料的质量也存在很⼤的差别。为了最⼤

限度地减⼩此类问题对研究⼯作造成的不便，同时尽可能地利⽤⼰有的宝贵的观测资料，弄清20世纪上半叶的⽓候变化的事

实，因此这⾥以1905年为起始年。同时采⽤与国际上长时间⽓温序列⼀致的⽅法，以最⾼和最低⽓温的平均值表⽰⽇和⽉平均

⽓温，从⽽避免了温度资料由于观测时制、时次及⽇值统计⽅法的不统⼀所造成的⾮均⼀性，以提⾼1950年以前⽓温序列的均

⼀性和1950年前后两段⽓温序列的可⽐性。

12、什么是极端⽓候事件

极端天⽓和⽓候事件（简称“极端事件”）可能造成不利的社会影响，当不利影响造成⼤范围破坏并引起社区或社会的运⾏出现

严重失常的时候，这些影响则被视为“灾害”。

“极端事件”的定义：某个天⽓或⽓候变量出现⾼于（或低于）该变量观测值区间上（或下）端（“末端”）附近某⼀阈值的数值

Probability-bad：With < 10，5，1%，or even lower chance of occurrence for a given time of the year during a specified

reference period (generally 1961-1990)

Absolute threshold-bad

极端天⽓事件是指在特定地区，在其统计参考分布之内的罕见现象事件。“罕见”的定义各不相同，但⼀般来讲，极端天⽓事件

的出现概率都要等于或少于10%。

13、什么是⽓候系统的⾃然变率、⾃然强迫、⼈为强迫，⾃然变率与⾃然强迫的区别。

实际变化=内部变率+⾃然变化+⼈为变化

内部变率: ENSO、PDO/IPO、AMO等海⽓过程产⽣

⾃然因素导致的外强迫：太阳辐射变化和⽕⼭喷发导致平流层硫化⽓溶胶增加

⼈类活动导致的外强迫：⼈类活动引起的温室⽓体、⽓溶胶、臭氧浓度变化、⼟地利⽤

14、⽓候变化归因：对⽓候变化现象的归因分析，主要是将⽓候现象归因为⼈为外强迫（主要包括CO2等温室⽓体和⽓溶胶辐

射强迫）、⾃然强迫（如⽕⼭和太阳活动）和内部变率（如ENSO、NAO、PDO等）三部分的影响。（加上上边第13条）

⼤⽓中的⽓候变化现象的归因-温度

⼤⽓中的⽓候变化现象的归因-降⽔

海洋中⽓候变化现象的归因-海洋温度和热容量

海洋中的⽓候变化现象的归因-海表⾯⾼度

极端事件的归因

中国⽓候变化的检测与归因：中国东部夏季⽓温的长期上升趋势可以检测到并可以归因于⼈类活动的影响，温室⽓体强迫是该

增温最⼤的贡献因⼦，城市化导致的热岛效应是第⼆⼤贡献因⼦。

15、⽓候敏感性的概念，⽓候敏感性的重要性是什么？

⽓候敏感性：⼤⽓中CO2浓度达到2倍时辐射强迫导致的温度变化

1) 平衡⽓候敏感性（Equilibrium climate nsitivity，ECS）

平衡⽓候敏感性是CO2浓度加倍后⽓候模式达到平衡状态对应的温度变化：

ECS=△T/△F ECS的单位是K m2 W-1

△T: Global mean temperature change (K);

△F: Change in radiative forcing due to CO2 doubling (W m-2)

2) 渐变⽓候敏感性（Transient climate respon，TCR）

⽓候变化积分中，每年将CO2浓度增加1%，积分100年时对应的温度变化：

TCR=△T/△F TCR的单位是K m2 W-1

△T: Global mean temperature change (K);

△F: Change in radiative forcing due to CO2 doubling (W m-2)

温度与CO2浓度的对应关系及不确定性的主要来源：⾃然变化的贡献；反馈过程（⽔汽、云等）；⼤⽓⽓溶胶；评估⼿段（统

计、数值模式）

⽓候敏感性的重要性：

哥本哈根⼤会后的挑战

16、什么是排放情景？

⽓候变化情景：基于⽓候学关系的科学假设（辐射、社会经济)，对未来⽓候状态的时间、空间分布形式的合理

描述。

排放情景：是指为了制作未来全球和区域⽓候变化的预测，根据⼀系列驱动因⼦的假设得出未来温室⽓体和硫化物⽓溶胶排放

的情景。

SA90 情景：1990 Scientific Asssment (SA90)，最早使⽤⽓候变化情景，包括⽓温和降⽔增量情景、CO2倍增和渐进递增

情景，仅考虑温室⽓体浓度的简单变化。社会经济情景中的⼈⼝和经济增长假设相同，只有能源消费不同。

IS92 情景：IPCC Scenarios(IS92)的排放情景划分为6种(IS92a～IS92f)，IS92a情景的辐射强迫与CO2浓度以每年1％速度增

加情景相当。社会经济情景中分别考虑了⾼、中、低三种不同的⼈⼝和经济增长及不同的排放预测，考虑与能源、⼟地利⽤等

相关的温室⽓体排放。

SRES 情景：温室⽓体排放预测与社会经济发展相联系。出现情景族，表⽰有着相似的⼈⼝统计、社会、经济、技术变化的情

节的多个情景组合（六个标志情景：A1B，A1FI，A1T，A2，B1，B2）RCPs/SSPs改变根据社会经济假设确定排放情景，输

⼊模式。SSPs包含了已有情景中的社会经济假设，可⽤于全球、区域和部门，SSPs矩阵可以更好地进⾏脆弱性分析，满⾜⽓

候变化适应与减缓研宄的需求

17、RCP不同的情景概念

单位⾯积的辐射强迫表⽰未来100年温室⽓体稳定浓度——应⽤较多的4种RCP强度RCP8.5，RCP6，RCPC4.5，和

RCP2.6。

RCP8.5假定⼈⼝最多、技术⾰新率不⾼、能源改善缓慢，所以收⼊增长慢。导致长时间⾼能源需求及⾼温室⽓体排放，⽽缺

少应对⽓候变化的政策。

RCP6.0反映了⽣存期长的全球温室⽓体和⽣存期短的物质的排放，以及⼟地利⽤/陆⾯变化，导致到2100 年辐射强迫稳定在

6.0 W/m2。

RCP4.5考虑了与全球经济框架相适应的，长期存在的全球温室⽓体和⽣存期短的物质的排放，以及⼟地利⽤/陆⾯变化。

RCP2.6从温室⽓体排放和辐射强迫看，都是最低端的情景。在21世纪后半叶能源应⽤为负排放。2010—2100年累计温室⽓体

排放⽐基准年减少70%。

18、什么是全球⽓候模式，及其发展历史？

⽓候模式简介：⼤⽓、⽓候系统的运动和变化，均遵从基本的物理定律（如⽜顿运动定律、能量和质量守恒定律）。这些物理

定律通常以数学⽅程式表达，构成了⽓候系统的数学模式。

作⽤：

能够合理描述多圈层相互作⽤过程；使得⼤⽓科学成为⼀门“可实验的科学”；是理解⽓候变化机理的重要⼯具；是预测和预估

未来⽓候不可或缺的⼿段

发展历史：

最早：数值天⽓预报的产⽣

20世纪初：Vilhelm Bjerknes (1862-1951)提出，把天⽓预报作为数学物理问题来考虑。

1922年：Lewis F. Richardson (1881-1953) 提出数值计算的⽅法，进⾏了制作天⽓预报的尝试。

1950年Jule G. Charney (1917-1981)等作出第⼀张可⽤的500hPa形势预报图：探空站的⼤量增加，电⼦计算机的出现，计算

⽅法、程序，以及长波理论、滤波理论等的问世。

近⼏⼗年来⽓候模式的发展⽰意图

在模式中不断耦合⼊新的分量，分辨率也逐渐提⾼，如由早期的⽔平500 km、垂直9层左右，发展到了⽬前的⼀般⽔平100

km、垂直近百层左右，并在继续增加，⽽越来越多的模式中引⼊了化学和⽣物学等过程，成为复杂的地球系统模式。

19、⽓候变化为什么有不确定性，不确定性来源？

观测时间短，未均⼀化；代⽤⽓候资料分析及其问题；器测时期观测资料及其问题；对⽓候系统过程与反馈认识的不确定性，

未来排放情景的不确定性；⽓候模式的代表性和可靠性。

另附：

1、为什么⿊碳⽓溶胶地表反照率越强，辐射强迫越⼤？

⿊碳⽓溶胶是吸收性⽓溶胶，能够导致正的辐射强迫，从⽽极⼤地减弱⽓溶胶对地球的冷却效果。

（⿊炭：含C物质的不完全燃烧产⽣的⽆定形C，在可见光到红外波段对太阳辐射有极强的吸收）

2、观测的⽓候变化体现在哪⼉？

雪盖、冰川退缩，海平⾯升⾼、海⽔热容增⼤，⼤⽓和海洋的环流系统发⽣变化，⽓候变率增⼤，极端天⽓⽓候事件增多等。

⽓温：逐年波动式升⾼，对流层变暖，平流层变冷，温室⽓体浓度升⾼；

1）⽓候变化的检——研究⽓候变化的基⽯，存在很多有待解决的科学问题2）全球碳循环——认识存在局限性、源、汇

3）⽓溶胶的⽓候效应——对⽓候影响较⼤，但关注度不⾼

4）⽓候变化的预估——关系经济发展，国家利益，追求⾼分辨率的⽓候模式5）极端⽓候事件与突变——全球变暖导致其增

加，造成影响

6）温室⽓体浓度稳定⽔平——受⼈为⼲扰

7）科学研究的不确定性——存在⽓候研究的所有环节中