气候动力学

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气候动力学(climate dynamics)这门学科致力于研究气候的长期变化规律及原因，涉及的时间跨度长达数十年，而空间范围则覆盖全球。在该领域中，研究者需要理解自然的（不受扰动的）气候系统、人类活动对气候变化产生的影响、探索如何预测气候的未来，并且向公共部门提供有据可循的政策建议，包括能源利用、农业生产、水资源利用和保护、环境保护，等等。

气候的一种定义为“大气层、水圈、岩石圈系统的慢速变化”。有的定义将生物圈也包含其中，是由于生物在气候变化的过程中扮演了重要角色，例如：在地球的45亿年历史中，大气层的化学组成受到了生物演化的影响。

气候(climate)一词起源于希腊语 klima，指太阳的入射角。这是一个合理的词源，因为太阳辐射是气候系统中最根本的能量源。然而，人们需要研究更多因素才能理解气候。在地球系统的各种变化过程中，太阳辐射被转化为其它形式的能量，分布于全球，横跨南北极，并沿着竖直方向穿越大气层和海洋。太阳能不仅温暖了大气和海洋，也产生了风和洋流、激活了水的相变、驱动化学转化、支持生命活动，而气候变化则产生于各种交互过程中。

全球气候系统的原理概述如图1所示。图片展现了气候系统的五个子系统、决定气候状态量的重要过程，以及气候变化中的各个环节。

气候动力学目前正处于关键发展时期。根据可靠信息，过去和现在的气候存在显著差异，据此可知，气候系统能够发生明显变化，并且可以快速改变，同时大气层的化学组成也正在变化。如今卫星和基于地球的观测网络能够精准地检测气候变化。

图1 全球气候系统原理概述 气候系统的五个子系统（粗体）：大气层（Atmosphere）、水圈（hydrosphere）、生物圈（biosphere）、冰冻圈（cryosphere）、地表（land surface）。 交互过程（细箭头）：大气-冰交互（Atmosphere-ice Interaction）、热交换（Heat Exchange）、风压（Wind Stress）、降水-蒸发（Precipitation-Evaporation）、地表辐射（Terrestrial Radiation）、土壤-生物圈交互（Soil-Biosphere Interaction）、大气-生物圈交互（Atmosphere-Biosphere Interaction）、陆地-大气交互（Land-Atmosphere Interaction）、冰-海洋耦合（Ice-Ocean Coupling）、水圈的河流湖泊和海洋的交互（Hydrosphere: Rivers&Lakes, Ocean)。 变化中的要素（粗箭头）：太阳能输入变化（Changes in Solar Inputs）、大气层成分变化以及大气环流（Changes in the Atmosphere: Composition, Circulation）、水循环变化（Changes in the Hydrological Cycle）、海洋变化包括环流、海平面、生物地球化学（Changes in the Ocean: Circulation, Sea Level, Biogeochemistry）、地表变化包括地形、土地用途、植被、生态系统（Changes in/on the Land Surface: Orography, Land Use, Vegetation, Ecosystems）、冰冻圈包括海冰、冰盖、冰川（Cryoshpere: Sea Ice, Ice Sheets, Glaciers）。

布雷瑟顿图 (Bretherton diagram)

在科学史上，布雷瑟顿图首次表征了气候系统动力学原理，它展现了物理气候系统和生物地球化学循环(biogeochemical cycles)之间的耦合，用箭头表达复杂的力和反馈。人类则构成一个单独的环节，通过三种力及其各自的影响和气候系统链接，这三种力分别是：二氧化碳、污染排放、土地利用方式的改变。布雷瑟顿图将气候系统中的物理、化学和生物互动过程可视化，并且识别出人类行为是改变系统的重要驱动力。布雷瑟顿图有从简到繁各种不同的版本，此处列出两种经典版本：美国航空航天局(NASA)的简化地球系统布雷瑟顿图、普林斯顿学者Kerry H. Cook 推荐的标注有时间尺度和更多细节的布雷瑟顿图。