§1.3 气候系统

气候以各种各样的方式影响着我们的生活。四季的更替使人们享受着春夏秋冬不同的韵味，不同类型的气候使我们的地球气象异彩纷呈。然而，洪涝、台风、干旱、热浪、沙尘暴等灾害性天气气候事件的频繁发生又使人类遭受深重的灾难。

什么叫气候？气候（climate）一词源自希腊语中的“klima”，意思是“倾斜”，指的是地平线上太阳光线倾斜的角度。古希腊人早已知道气候的冷暖与太阳的入射倾角有关，极地入射倾角小则冷，赤道上入射倾角大则暖。现在人们知道气候不单单与太阳辐射有关，局地气候形成的原因要复杂得多。

气候的一般定义是某地区一段时间（1月、1季、半年、1年、10年、100年）内天气的总和特征。这个总和是从统计意义上讲的，它既包含了平均状态，也反映了极端情况，如极端高温和极端低温等。要明确天气统计量是对多长时间进行的，时间长度不同，天气的统计特征也不同。因此，气候这个概念隐含着以时间尺度作为基础。气候是在特定时间尺度下的天气统计特征。一旦这一时间尺度确定了，就可得到一些气象要素的统计量，即要素的时空频次分布，如平均值，温度的正态分布，降水的Gamma分布，风速的Weibull分布等。

早期，人们考虑的气候是指一个地方的气候，一般用30年的平均表示一个地区的气候。现在人们认识到，气候不是固定不变的，而是随时间在变化，每30年都会不一样。气候也不再是一个局地现象，气候变化有区域性，也有全球的整体性。如何监测和认识区域的和全球的气候变化，又如何解释这些气候变化的成因，都是有待研究的课题。

由于天气系统的移动决定了天气的变化，那么，天气系统在一段时间内的平均就应该决定一个地区的气候。我们知道静止锋上气旋活动频繁，对应降水较多。赤道复合带（ITCZ）上热带气旋的活动频率高，而副热带高压控制的地区天气晴好，气温较高。一定时间的平均后，天气图上表现的就是那些锋区、赤道复合带和副高等大型环流系统，也称为大气环流系统。所以，大气环流系统的稳定、移动和强度变化会直接改变一个区域的气候。

全球大气环流的整体变化会导致全球气候的变化。哪些是全球性的大气环流系统呢？沿赤道附近分布的全球ITCZ的强度（涡度）如果发生变化，可能是赤道加热变化的结果，则与ITCZ相垂直的Hadley环流强度会发生变化，于是不同纬度上的气候会相应发生变化。极地的冷源如果发生变化也会导致经向大气环流和气候的变化。地球绕太阳公转一周为一年。地质史上，一年中地球自转了400次，即一年有400天。现在地球的自转是365天，还在持续减慢。根据中纬度自由大气满足的地转风关系，地球自转速度Ω不同，则与西风强度对应的气压系统强度就会不同。于是，这些大型环流系统移动的速度就不同，气候也就会不同。此外，从地层下面喷发的火山活动（火山灰）、下垫面上（海洋和陆地）加热的变化和太阳辐射的变化都可以引起全球气候的变化。可见，气候变化不但有不同的空间尺度，气候变化也有不同的成因。随着地球年龄的增加，有一个总体趋势，包括地球自转角速度Ω会越来越慢，火山活动会越来越少。前者对应的天气系统尺度会越来越大，后者对全球气候的影响会越来越小，其趋势是尺度变大的天气系统预示着天气系统不同部位上形成的极端天气和极端气候将会是前所未有的。

气候是否发生了变化可以用一个或几个物理量随时间的变化来表征。温度、降水、风、湿度、气压等传统的气象观测量随时间的变化就可以用来表征气候的变化。现代表征气候变化的物理量范围拓宽了很多。海面温度（简称海温）的变化也是气候变化的信号。在年际变化的时间尺度上，尽管赤道东太平洋平均海温不是最高的，但其变化幅度是全球最大的。北太平洋海温和北大西洋海温的变化是年代际时间尺度上变化幅度最大的。近百年来全球平均气温在急剧升高。这些增幅明显的变量变化趋势和影响是当前人们研究气候变化的热点问题。

气候系统是一系列的大型环流系统，其尺度比天气系统的尺度大，稳定的时间长。天气的变化和预报与天气系统的变化和移动有关，那么气候的变化和预报也是与气候系统的变化和移动有关的。有哪些气候系统是值得关注的呢？上面给出的准静止锋、ITCZ、副热带高压、Hadley环流、阻塞高压、季风等环流系统都是气候系统。一个气候系统的变化不是孤立的，而是与其他的气候系统之间有联系和相互作用的。如ITCZ的强度和位置变化可以改变副热带高压和Hadley环流的强度和位置变化，反之亦然。气候系统所对应的位置及其变化就形成了当地的气候及其异常。

从天气与气候的关系出发，这从天气系统演绎出了气候系统的概念。这里的气候系统与即将要介绍的全球气候系统是不同的。