第六章 气候的形成(2)

　　气候系统的动力属性与气候系统内部的能量转换密切相关。投射到地球表面的太阳辐射能，绝大部分为下垫面所吸收，这一热能成为促使大气运动的基础能源。图6·1给出在大气运动中能量转换的级联（cascade）图解。这种能量传递的起始点是强烈受热的下垫面。由于下垫面的增热不均，形成大尺度的水平气温梯度和大尺度的对流性不稳定。气团从下垫面增热（能量输入），空气发生铅直上升运动，增加其可用位能（available potential energy）。这种位能产生大气的对流活动，或通过水平能量梯度，产生大尺度的大气水平运动和天气尺度扰动，转换为大尺度的环流动能。风在经过海洋表面时，由于风应力作用产生波浪并推动洋流，将大尺度能量直接传输给海洋。在经过崎岖不平和热力性质不均的陆地表面时，产生切变不稳定和其它边界效应，在能量上转换为小尺度运动的动能。这种动能因摩擦作用而逐渐消耗，使风速减小，能量逐级退化，最后转变成分子运动的动能和声能等（输出）。如此周而复始，下垫面不断吸收太阳辐射能，为大气各种运动提供持续的能源。

　　气候系统内部进行着复杂的物质交换，最突出的例子是水分循环。海洋、潮湿陆地、植被通过蒸发和蒸腾作用将水汽输送给大气，在一定的条件下，水汽在大气中凝结成云致雨，释放出潜热。大气中的最大热源就是这种潜热。雨水降落除直接返回海洋外，在陆上影响土壤湿度、河湖水位和冰雪等。气候系统的水分属性与水分循环关系极为密切。

　　人类活动对气候系统的属性有明显的影响。例如在城市中，由于燃煤量大，排放至空气中的污染物质多，可能改变局地大气的组成成分。据研究在排放的污染物质中，如果酸性物质与碱性物质的总量比值较大，在一定的降水条件下，通过有关的物理化学过程，会形成酸雨降落。在长期受强酸雨影响的地区，可导致土壤和湖泊酸化，植物和鱼类受到严重危害，气候和生态环境恶化。

　　在气候系统内部发生的相互作用中，存在着大量的反馈过程，它们起着从内部调节气候系统的作用。其中有些反馈过程有使系统变化振幅加大的作用，称之为正反馈。另一类反馈过程则有对系统变化的阻尼作用，称之为负反馈。反馈过程表明气候系统各组成部分之间的耦合或相互补偿作用。

　　例如当地面温度升高时，蒸发加大，使大气中水汽含量增多，由于水汽对地面长波辐射的不透明性，产生了“温室效应”，从而使地表进一步增暖，蒸发进一步加大，这是一种正反馈过程。另一方面，当大气中水汽含量增多时，往往产生更多的云，云量的增多，将会减少地面吸收的太阳辐射，使地表降温，因此这是一种阻尼性负反馈过程。此外，云也有阻挡地表向外放射长波辐射的作用，如果这种影响胜过其对短波辐射的影响，也可以产生一类正反馈过程。不同高度、不同类型的云，对辐射的影响是不同的，必须针对具体情况，作具体分析。

　　从气候的自然变化中可以看出，任何正反馈作用必将由于另一些调节过程的介入而稳定在某一水平上，否则地球气候将失去控制而变得一发不可收拾。如地面温度因水汽、二氧化碳以及其它微量温室气体的增加而升高，地球气候变得越来越暖，但是火山活动所喷发出来的大量火山灰，能有效地削弱太阳辐射的强度，产生“阳伞效应”，使地面温度降低。因此气候的自然变化总趋势有可能在某一时期维持在某一“平均”状态，并在这个水平线上来回振荡。

　　气候的形成和变化可归纳为以下诸因子：①太阳辐射②宇宙地球物理因子，③环流因子（包括大气环流和洋流），④下垫面因子（包括海陆分布、地形与地面特性、冰雪覆盖），⑤人类活动的影响。本章着重阐明①、③、④因子在气候形成中的作用，在第八章中再论述全部外因和内因在气候变化中的作用。

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