第一章 全球气候系统的构成

§1.1 系统

在确定的位置上占有一定的空间大小，其中有物质的组成和属性，称为“系统”。一个质点可以构成一个系统。两个质点可以构成一个相互有直接联系或影响的系统，如地-月系统。三个质点构成的系统，其相互作用则可能是非线性的复杂系统。

太阳系是由太阳、九大行星、若干小行星等组成的。太阳系中各成员的运动是满足确定的天体力学规则的。依照这样的规则，天文学家可以计算并预报出何时出现日食、月食等天文现象。为了研究问题的方便，这些行星通常作为质点来处理。冥王星是太阳系中最远的行星，那里，甚至更远些可以看做太阳系的边界。太阳系相对银河系的位置说明，太阳系是受到银河系和银河系中其他星体外强迫影响的。

上述这些例子说明，系统是一个物质的集合体。集合体内有不同的，甚至复杂的组成。集合体与外界的分隔面形成了这个系统的边界。系统内部的质点运动是无序的，还是有序的；是有规律的，还是不可预测的；运动和变化的原因是什么，构成了人们要研究的问题。系统的定位，除了确认系统所在的空间位置外，还要确认系统的“内部”组成和系统的“边界”，以便与系统的“外界”分开。

根据边界状况，系统有孤立系统、封闭系统和开放系统之分。和外界没有任何物质和能量的交换的系统称为孤立系统。通常所谓的能量交换，是指热量Q在系统内部与外部的传递和外界对系统所做的功W。以m代表系统的质量，则对孤立系统来说，有

这个系统必然是体积不变和总能量不变的。在短期天气预报中，人们是把某一部分大气作为孤立系统来处理的。这样的处理导致了短期天气预报中长波理论的形成。

系统和外界没有物质的交换，但有能量的交换，称为封闭系统。对封闭系统来说，有

如果我们忽略落入地球上与地球大气-海洋中的流星和宇宙尘埃，又不计大气分子向外空的逃逸，则固体地球-海洋-大气系统可以看做一个封闭系统。固体地球-海洋-大气系统不断吸收太阳（和其他恒星）的辐射以及得到太阳、月球和其他行星引潮力的作用，这一系统又向外放射长波辐射。事实上，把固体地球-海洋-大气看做一个封闭系统只是一个理想的近似。

系统与外界既有物质交换，也有能量交换的系统，称为开放系统。对开放系统有

在水分循环过程中，海洋上水汽蒸发进入大气，大气中水汽凝结形成降水和径流入河、入海。在此过程中不但大气质量会发生变化，由于水汽相变的发生，其能量也发生变化，因此，大气是一个开放系统。

地球大气中大大小小的天气系统，如副热带高压、阻塞高压、低涡、台风、龙卷风等，都是开放系统。

庄子有语：天地有大美而不言，四时有明法而不议，万物有成理而不说。从空间上来说，天地间不完全是混沌一团，其中存在着有组织、有结构的，甚至对称的、美的花样，只是不言而已。从时间上看，自然界演变总是遵循一定的规则，只是不议而已。从物理学上来讲，物质世界的分布有其内在的原理，只是不说而已。近代科学的发展就是在探寻对自然界和人类社会系统中“大美”、“明法”和“成理”的揭示与认识。