§1.5 物理气候系统

很多物理的、化学的和生物的相互作用过程，以不同的时空尺度发生在全球气候系统的各个方面，使得这一系统非常复杂。虽然全球气候系统的不同部分在成分、物理和化学特征、结构和行为等方面有所不同，但它们都普遍存在着质量通量、热量通量和动量通量。所有的这些次级系统或系统的各个方面都是开放的、互有联系的。

大气和海洋是强烈耦合的，是存在水汽和热量蒸发交换的系统。其中有水文循环的部分，形成凝结、成云、降水和径流，为天气系统提供能量。图1.5.1是水文循环的图解。海洋的蒸发使水汽进入大气。大气环流把海洋水汽输送到陆地上空，在那里辐合上升，成云致雨。降水形成地面径流和地下水流，沿湖和河流到海里。这就形成了一个大的水文循环。湖面蒸发和植被蒸腾，在有利条件下水汽在当地形成的降水又构成了局地水文循环。

在上述水文循环过程中，降水和径流影响到海洋盐分及其分布，从而改变温盐环流。在极地冷水区域，CO2随冷水下沉到深海，而在赤道，随暖的海水上升，从海洋中释放CO2，以维持大气与海洋之间一些气体的交换和平衡。

生物圈通过光合作用和呼吸作用改变CO2浓度，从而影响气候变化。生物圈也通过蒸发和蒸腾影响进入大气中的水分。生物对太阳光的反射改变着大气的辐射平衡。全球气候系统中存在着复杂的相互作用，人们对这些相互作用的认识还很少。无论是来自系统内部的相互作用，还是来自自然的、人为的、外界的强迫，都会导致气候的变化。

图1.5.2为全球气候系统中各个成分之间的相互作用图解。作为外源，存在太阳入射的变化。在大气中，存在大气成分和大气环流的变化，水文循环的变化。海洋的变化包括海洋环流、海平面变化，生物地球化学过程等。陆面变化包括地形、土地利用、植被和生态系统的变化。人类活动和火山活动对这个系统都存在着影响。在这些部分之间，存在海-气相互作用，气-冰相互作用，冰-海相互作用，大气-生物圈相互作用，陆面-大气相互作用，土壤-生物相互作用等。

图1.5.3给出的是一个物理气候系统的图解。物理气候系统中包含了人们可能描述的内部和外部动力学的各个方面。系统的外部强迫包括火山活动和太阳辐射的变化。这两个外强迫可以直接导致平流层的化学和动力学过程。太阳活动会改变大气的成分和运动，存在复杂的物理学和动力学的过程，最后引起气候的变化。人类活动包括土地利用和温室气体及污染物的变化。在这些过程中还包含了海洋动力学、陆地能量与水分过程、土壤水分过程、海洋生物地球化学、陆地生态系统和对流层化学等。这些过程和动力学都会反映到气候变化上来。这里可以提出的一个问题是，能否用数学的语言描述这一物理气候系统？

全球气候系统在外强迫作用下的各个分量之间的相互作用和内部的动力学过程形成了不同时空尺度上的气候及其变化。气候要维持一个定常态也是这个系统动态平衡的表现。气候变化往往是围绕着这个平衡态发生的扰动或振动。热力对比是驱动大气和海洋环流变化的原因，环流变化的结果形成了气候变化。在天气学中，我们把这一过程描述为：热生风，风生雨。因此，热和环流仍然是我们预测气候变化的前提和基础。下垫面海洋和陆地的所有物理特性及其可能的随时间变化都会通过大气环流的异常形成气候的变化。