“XY4”型分子的振动
Stretching
Bending
Symmetric Stretch Asymmetric Stretch
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
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
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)
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
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V Bjerknes“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 Ekman1874-1954
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。
Ekman输送导致Gyre
North Pacific Gyre
South Pacific Gyre
Indian Ocean
Gyre
North Atlantic
Gyre
South Atlantic
Gyre
西风
信风
Gyre
Gyre’s Dome完成地转适应后
大洋环流的地转理论
主要考虑 Pros Cons
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
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
Eddies in California Currents
(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).
EKE
Kinetic energy in physics = 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)
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
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 Circulationby P. Niiler
Basics
Currents
Wind-driven
circulation
Deep
circulation
Thermal
transport
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Ice sheet
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%
动力学和热力学
Sea Ice
Atmosphere
大气施加的冰面风应力
海水施加的冰底海流应力
地球旋转施加的科氏力冰层内部的形变应力海面高度梯度造成的压力梯度力盐泡改变了海冰的很多种理化性质
从海洋
-到大气
的向上热传导
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
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
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
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
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
陆面过程
冠层截流再蒸发渗漏
过量雨水汇入地表径流
雨水重力向下渗透
过量雨水汇入地下径流
根部吸水反渗透
导管运输水分
叶面气孔蒸腾
太阳短波照射加热叶面反照率(反射SW)叶面向大气LW加热
叶面向土壤LW加热土壤向叶面LW加热
冠层对大气风场的摩擦耗散
蓝色:水过程红色:辐射和热传导绿色:动量过程
土壤上下热传导
陆面模式的发展回顾
• Bucket Model1969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。
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
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
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
Outline
• 什么是反馈
• 主要反馈过程
Ice-albedo feedback
Water vapor (Greenhouse effect) feedback
Cloud feedback
Land surface feedbacks
• 其它反馈过程
• 几点反思
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
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%
IPCC AR4 2007
柱水汽含量的季节变化
Water vapor 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)
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
? ?
Other Feedbacks
• Bjerknes feedback (ENSO)
• Forest fires feedback
• Carbonate-Silicate cycle
• Lapse rate feedback
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
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
Outline
• 什么是反馈
• 主要反馈过程Ice-albedo feedback
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
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
Ho
t H
ou
se
Ice
Ho
use
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-Interglacial Cycles),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
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 schedule sun radiation on the earth's surface, 1913
地球轨道要素对地球温度的影响
在过去100万年间:“冰期/间冰期”旋回(10万年)
北纬65度的辐射量对冰雪最敏感为什么?
偏心率(10万年)
黄赤交角(4万年)
岁差(2万年)
Vostok EPICA
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
火山喷发气溶胶的全球扩散
1991年6月12日(菲律宾独立日),菲律宾Pinatubo火山首次喷发;15日火山连续喷发9小时,火山灰喷至35
公里高。造成800人死亡,10万人无
家可归。卫星观测到火山灰绕地球若干圈。之后的数年中造成可观测到的全球变冷。
1982年3月28日-4月4日墨西哥El
Chichon火山喷发,尽管强度不大,
但是人类首次使用科学仪器密集观测的火山喷发。由于详细地观测了到火山灰围绕全球的扩散过程,导致之后的三周内重创全球民航航空业。
气溶胶对气候的影响直接效应散射辐射
第一间接效应Twomey效应云反照率效应
云滴数量
第二间接效应Albrecht效应云生命周期效应
云生命时间、云降水量、云型
准直接效应黑炭吸收辐射
CM中基本都包含气溶胶的直接效应,但间接效应基本都不包含(因为缺失显式的云模式),因而是CM中最不确定的部分。
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
Top Related