全球氣候系統

全球氣候系統是指一個由大氣圈、水圈、冰雪圈、岩石圈（陸面）和生物圈組成的高度複雜的系統。

氣候系統的各圈層雖然在組成、物理與化學特徵、結構和狀態上有明顯區別，但是它們通過物質、熱量和動量等相互聯繫在一起，形成一個開放的、相互聯繫的系統。系統的各圈層之間存在着明顯的相互作用，這些相互作用不但有物理的、化學的和生物的，還具有不同的時間和空間尺度。在氣候系統的各圈層的相互作用中，最重要的是海氣相互作用、陸氣相互作用和陸海相互作用。

氣候不應侷限於温（氣温）、濕（降水）、壓（地面氣壓）3個要素。從現代氣候學的觀點來看，氣候是全球性的，而不是局地性的，對氣候的研究與摸擬不能僅限於局地氣候和氣候要素，而是全球氣候系統。人類也成為全球氣候系統中一個重要的組成部分。人類通過各種各樣的經濟活動改造着地表的形態、物質組成及能量交換．對氣候和氣候系統產生作用與影響。科學技術的進步使我們認識到氣候的複雜性及其全球性，經典的氣候學説得到了改進。隨着研究的深人，逐步認識到大氣、海洋、陸地等地球表層的幾個部分是相互混合地關聯在一起的，通過物質交換和能量傳輸而形成一個系統，這就是全球氣候系統。 ^[1] 

通過對氣候及其影響因家的深人研究，發現氣候具有全球性，即區城氣候不僅受到當地因素的影響，而且還受到全球海洋、陸地及地球表層系統等全球性因素的深刻影響。由於氣候影響因素的複雜性及各子系統中複雜的反饋與耦合關係，在進行氣候模擬與預測時，必須包括全球海洋、冰雪以及陸地表現的狀況及過程。氣候不是局部的，而是全球性的。很多研究表明，氣候現象中的遙相關是非常常見的，例如，美國西海岸的冬季暴雨與赤道東太平洋的海温異常（即厄爾尼諾現象）有較好的相關關係；又如20世紀宋發現深海中熱鹽環流的改變，可能是氣候變化的重要原因之一；再如，我國科學家的南極研究表明，南極海冰的變化與我國汛期降水存在着密切的遙相關關係。這些現象利用經典的氣候學知識是很難理解的，而利用全球氣候系統，答案則是顯而易見的。

在過去，氣候主要是僅僅被看作是大氣本身的問題，經典的氣候學認為：氣候包括3個基本要素，即温（氣温）、濕（降水）、壓（地面氣壓）；氣候形成有3個要素：太陽輻射（地理經緯度）、海陸分佈和大氣環流；如果有了30年3個基本要素的平均值，即可代表一個地方的氣候。隨着科學的發展，經典氣候學的這3個基本概念都先後受到了嚴重挑戰。人們原來認識到氣候狀況雖然年年不同．但是長期統計特徵是不變的，常常採用30年求得的氣候要素指標的平均值表示氣候。經典氣候學認為氣候的變化只是年際間的隨機波動，但是地球科學的研究與發展，很早就突破了這一概念。在地質學中發現了冰期和間冰期，後來孢粉、樹木年輪、歷史記載等種種證據都説明了氣候有時間尺度比30年尺度長得多的變化，過去的一個世紀以來的區域和全球尺度氣候變化的重大事件也使人們深刻地感受到了氣候在變化。

氣候系統的概念最初在20世紀70年代提出，此概念的提出深深影響了氣候研究與應用，對氣候模式的發展具有重要意義，使得氣候模式朝着大氣、海洋、陸地各系統多個層次、多種過程的相互耦合的方向發展。但實際上，現有的氣候模式離完全或完善的耦合模式還有很長的路要走。全球氣候變化模擬的主要方法、氣候模式的快速發展與廣泛應用與全球變化問題的提出密切相關。過去的氣候模式以大氣物理過程為主，全球變化的問題提出以後，氣候模式包括生物、化學及人類活動的多種過程，更加綜合、更加全面。從發展來看，氣候不僅僅是大氣本身的問題，而是與環境和人類活動密不可分地緊密地聯繫在一起。

全球氣候系統概念的提出與應用是氣候學上的一次進步與革命，使我們對氣候有了更深入的認識，在應用上，各種海洋環流模式、陸面過程模式與大氣環流模式相互耦合，使我們對氣候的模擬與預測更加精確，對導致氣候動態與變化的過程也更加清楚。全球氣候系統在我們對地球表層系統各分系統間的相互作用的研究與理解中具有重要價值，特別是有助於我們深人理解人類活動影響的土地利用與土地覆蓋在宏觀尺度上的環境效應。 ^[2] 

全球氣候系統的研究包含對組分的認識，對每一個組分中變化過程的認識，對這些組分之間相互作用和反饋過程的認識等方面。

（1）大氣圈是這個系統中最不穩定的和最迅速變化的組分。大氣圈內部存在大大小小的環流系統，是構成氣候變化的基本單元。地球上的幹空氣主要由氮氣、氧氣和氨氣組成。太陽入射對這些氣體有作用，而地球放射的長波輻射對其沒有作用。然而，有些微量氣體，像二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和臭氧，它們能夠吸收和放射長波輻射，所以它們會成為温室氣體。它們雖然佔大氣的體積混合比還不到0.1%，但在地球的能量收支中扮演了主要的角色。大氣中包含的水汽（H₂O），也是自然的温室氣體。水汽的體積混合比是隨高度變化的，其總量不超過1%。這些温室氣體吸收從地球輻射出的長波輻射並向外（空）和向下（地球）放射長波輻射，結果導致地球表面温度升高。水汽、CO₂和O₃也吸收短波輻射。

除了上述氣體外，大氣中還包含固體的和液體的質粒（氣溶膠，aerosols）和雲，它們與入射和放射輻射的作用是複雜多變的。其中一個多變的是大氣中水的相變，如水汽、雲粒和冰晶。水汽是最強的温室氣體，其相態的轉變可以吸收或釋放很多的能量。因此，水汽在氣候變化中扮演了重要的角色。

大氣的組成是隨地球的演化而變化的，在較長的時間尺度下對氣候變化尤為重要。地質史上有、無生命時期大氣組分是不同的。無生命時，N₂和O_2變少，CO_2變多，微量氣體是隨着生命的出現而增加的。大氣中的水汽含量和水分循環的速率是隨着地球不同時期温度而變化的。

（2）水圈是由所有地面和地下水組成，包含河、湖和地下淡水，海水。通過徑流，淡水由江河流向海洋並影響海洋成分和海流。海洋覆蓋地球表面約70%。海洋儲存和輸送大量的能量並分解和儲存大量CO₂。風可以驅動洋流。鹽分的密度梯度及熱力梯度也可以形成海洋環流，稱為温鹽環流，由於海洋巨大的熱慣性，它對氣候變化有巨大的調節作用，也是氣候變化的重要能量來源。

（3）冰凍圈包含格陵蘭島和南極冰蓋、大陸冰川和高原雪蓋、海冰及永凍土。全球陸地約有10.6%被冰覆蓋。海冰的面積比陸冰大，海冰約佔海洋麪積的6.7%。冰凍圈對氣候變化的驅動作用包括對太陽輻射的高反射率，低熱傳導，大的熱慣性，特別是它的變化（淡水注入和熱交換）可以驅動深海環流，通過形態改變大氣環流。兩極地區的冰蓋儲存着大量的水，其體積變化（冰蓋增長和融化）是海平面變化的潛在源。兩極地區也可以通過永凍土影響温室氣體的平衡。冰凍圈的反照率為7~9，而平均陸地為0.3。衞星觀測到的北半球月平均雪蓋和海冰面積分佈是在12月份範圍最大，8月份最小。

（4）地球的生物圈包括海洋生物和陸地生物。生物圈對大氣成分有影響，它的重要性在於生物能夠直接地轉化和釋放温室氣體。通過光合作用，海洋和陸地植物，特別是森林能夠把CO₂轉化並儲存足夠量的碳。於是，生物圈在碳循環過程和其他氣體（如CH₄和N₂O）的循環過程中扮演了重要的角色。其他的有機揮發成分對大氣化學有作用，同時也影響氣溶膠的形成和氣候變化。由於氣候影響碳的儲存和微量氣體的交換，這會發生氣候變化與微量氣體濃度之間的反饋過程。氣候對生物圈的作用會記錄在化石、樹輪、花粉中，使之成為過去氣候變化的生物指標或氣候代用指標。

（5）全球氣候系統的第五個組分是陸面。陸面上的植被和土壤能夠影響所到達的太陽能量轉換，這些能量會最終給大氣。加熱大氣的部分會以長波輻射的形式使地面增暖，一些熱量用於蒸發水並進人大氣中。由於土壤水汽的蒸發需要能量，濕的土壤對錶面温度也有很大的影響。陸地表面的粗糙度會改變地表的風，影響大氣邊界層的動力特徵和地氣物質交換。陸面上各種土地中，草地和沙漠佔了50%，農田和人類用地佔10%~13%，森林佔23%~33%，凍土和濕地佔8%~12%。全球植被繁茂的區域主要在熱帶及季風區和北半球的中高緯度地帶，它們與熱帶大氣中的鋒帶和中緯度極鋒帶的位置一致。

全球氣候系統構成的5個組分，以地心為中心是成層的。最外的大氣層從地面到大氣上界的幾個毫巴氣壓層。在大氣層中，太陽輻射可以使大氣成分發生光化學反應。水圈在地球的表層。生物圈包含在水圈和大氣圈中。冰凍圈在地球表面的高緯度和高海拔的地方。陸面實際上是地殼的表層。全球氣候系統的範圍就從地殼上層到大氣的上界位置。其上是全球氣候系統的下邊界，可以輻射的形式與系統外發生作用。其下是深部地殼作為邊界，地震和火山活動也是全球氣候系統外強迫的源口。 ^[3]