第四章 气候过程
4．1 气候与气候系统
气候就是天气的统计特征．它是地球表层系统的子系统——气候系统的统计状态特征，这个特征是地球表层系统在天文系统因子、地球内部系统因子作用下长期的可统计特征．气候是不能离开气候系统而讨论的．气候系统是指形成地球上气候分布和气候变化的物理系统．从系统论的观点看，大气、海洋和陆地表面是由能量流和物质流组成的一个相互反馈的连级系统．气候系统是一个多因子组成的开放系统，各系统间存在着复杂的线性和非线性作用．它包括了大气圈、水圈(海洋及湖泊等)、结晶圈(极地和高山的冰雪覆盖)、岩石圈(大陆等)、生物圈(植物、动物及人类)中与气候有关的各自的和相互作用的物理、化学及生物学运动变化过程．
气候系统中各组成部分的性质及其特性之间的差异是很大的．各种过程的时空尺度的频谱非常宽广(从短时间发生、决定微气候的小尺度过程直至持续几年以上的．决定全球气候的行星尺度过程都存在)．
大气圈是气候系统中变化最大的子系统．气候变化主要发生在对流层．一般来说，通过各种机制的垂直和水平的热量转送作用，大气将在一个月左右的时间内调整到一个应有的温度分布．
海洋是地球上的一个巨大的“能库”，地球上的热量和水汽循环却必须依靠海洋来实现．这是由于海洋有着极大的热容量．据研究，海洋上层与其相邻系统相互作用的特征响应时间为几个月至几年，在海洋深层，其特征响应时间可达几个世纪．另外，海洋还是气候系统中化学量平衡的重要的一环，因为海洋与大气之间存在着大量的CO2交换．结晶圈的特征响应时间的变化域很广，地面雪覆盖和海冰的范围有显著的季节性变化，而大陆冰覆盖和高山冰川的特征响应时间就要长得多．在岩石圈中，地形的位置和高度的变化的特征响应时间可能是气候系统中最长的．
生物圈对气候非常敏感，并且也反过来影响气候．譬如，植物的自然变化是对温度、辐射和降水的响应，反过来它又改变着地面对太阳辐射的反射率、地面粗糙度、蒸发和地下水的水文状况．近几个世纪来，人类在气候变化中显示出愈来愈重要的作用．人类通过改变下垫面性质来影响气候，以致于将可能产生一些现今还无法预测的结果．
图4．1．1是气候系统的一个概念模式，它表述的是106年以下的气候，特别是10-1—102年尺度的气候变化相应的系统．为描述更长期的气候演变，必须考虑地质运动．当时间短于1个月时，气候问题逐渐过渡为天气问题，特别是10天以下问题是典型的天气学问题，地理科学不涉及这类纯物理问题．
一个气候系统既是个物理系统又是个地理系统．作为物理系统，它具有热力学特征和动力学特征．作为地理系统，它具有地理结构特征，特定的海陆分布、海水、冰川、植被和大地貌结构，构成了气候系统的介质条件．从数学上看，气候系统还是个随机系统，人类活动、火山活动和太阳黑子活动等等作为外部因子随时干扰着气候系统，并且是随机的．为了描述气候系统，物理上一般从质量守恒、能量平衡(热量平衡)、熵平衡、动量守恒、角动量守恒等角度建立微分方程模拟气候系统的气候过程，在模拟中，必须辅助于介质(空气、海水)的状态方程和各介质层(如海气)之间的作用关系．