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第一编　基本理论和方法1

前言1

第一章　引论3

1.1　气候的定义及其表示3

1.2　气候系统5

1.3　气候层次7

1.4　理论气候学的研究内容及方法8

1.5　世界气候研究计划和世界气候影响研究计划9

1.5.1　世界气候研究计划9

1.5.2　世界气候影响研究计划10

第二章　气候系统的基本特性12

2.1　气候过程12

2.1.1　辐射和云过程12

2.1.2　陆面过程14

2.1.3　海洋过程15

2.1.4　冰雪圈过程15

2.1.5　大气化学过程16

2.2　气候态、气候变化及时间尺度17

2.2.1　气候态17

2.2.2　气候变化及时间尺度17

2.3　气候系统的反馈过程20

2.3.1　基本概念和表示20

2.3.2　举例23

2.4　气候系统的外源强迫24

2.5　气候的敏感性24

2.6　气候可预报性的讨论27

2.6.1　确定性论和概率论27

2.6.2　外在随机因素和内在随机因素27

2.6.3　导致长期预报不准确的因素28

2.6.4　气候的可预报性29

2.7　气候模式的参数化31

2.8　气候模式的分类及其特点33

2.8.1　能量平衡模式（EBM）33

2.8.2　一维辐射—对流模式（1-DRC）34

2.8.3　大气环流模式（GCM）35

2.8.4　二维纬向平均动力模式36

第三章　基本方程和定律38

3.1　大气的基本方程组38

3.1.1　运动方程38

3.1.2　质量连续方程40

3.1.3　热力学能量方程40

3.1.4　湿大气状态方程和水汽方程41

3.1.5　欧拉方程组42

3.1.6　初始条件和边界条件42

3.2　混合坐标系的原始方程44

3.2.1　时间外推44

3.2.2　s坐标系的原始方程44

3.3　海洋运动的基本方程组47

3.4　涡度方程51

3.5　物理辐射定律53

3.5.1　Planck定律和Stefan-Boltzmann定律53

3.5.2　Wien位移定律和Kirchhoff定律53

3.5.3　Beer-Bouger-Lambert吸收定律54

3.5.4　Schwarzchild方程54

3.6　地球表面辐射平衡和热量平衡方程55

第四章　地球表面和大气的交换过程59

4.1　地表的能量收支59

4.1.1　理想地表的能通量59

4.1.2　地表界面层的能量收支60

4.2　行星边界层的稳定性62

4.2.1　行星边界层的特性62

4.2.2　稳定性效应62

4.3　动量交换63

4.3.1　梯度通量近似63

4.3.2　混合长近似和风廓线64

4.4　感热和水汽交换68

4.4.1　感热交换68

4.4.2　水汽交换和蒸发69

4.5　行星边界层的模拟72

4.5.1　行星边界层方程组的闭合72

4.5.2　地表层的相似假设74

4.5.3　边界层的参数化处理76

4.5.4　表面Rossby数相似性及阻尼定律78

第五章　能量82

5.1　能量的基本方程82

5.2　能量的平均气候方程85

5.2.1　时间平均和空间平均85

5.2.2　气候方程86

5.2.3　体积积分88

5.2.4　全球平均气候方程89

5.3　能量平衡的观测90

5.3.1　非绝热加热90

5.3.2　大气层的能量92

5.3.3　大气能量的传输93

5.4　海洋能量的传输104

5.4.1　海洋里的能量104

5.4.2　海洋能量的传播105

5.5　气候系统能量平衡的合成108

第六章　海—气热机与海洋过程113

6.1　有效能113

6.1.1　大气的有效能113

6.1.2　海洋能量的有效值115

6.2　动能和有效位能的平衡方程116

6.2.1　平衡方程的推导116

6.2.2　平均动能和涡动动能的平衡方程118

6.2.3　平均有效位能和涡动有效位能的平衡方程119

6.3　观测到的大气能量循环120

6.4　海洋在气候变化中的重要性及其物理过程124

6.5　海—气耦合125

6.5.1　耦合机制125

6.5.2　海—气相互作用的数值模拟129

6.6　热带海洋与年际气候变化130

6.6.1　ENSO现象及其物理模型130

6.6.2　ENSO现象形成的理论132

6.6.3　热带季风雨与海洋异常的关系133

6.6.4　热带海洋对中纬度大气环流影响的事实和理论134

第七章　大气化学及其气候效应136

7.1　大气的组成和结构136

7.1.1　大气成分浓度的表示136

7.1.2　大气的组成136

7.1.3　大气的结构137

7.2　二氧化碳及其气候效应139

7.2.1　CO2的自然循环139

7.2.2 CO2的天然源和汇140

7.2.3 CO2的人为源141

7.2.4 大气CO2的浓度变化及其气候效应141

7.2.5 研究CO2气候效应的数值模拟143

7.3　一氧化碳和甲烷的浓度变化及其气候效应44

7.3.1　一氧化碳的产生和转化144

7.3.2　CO的气候效应145

7.3.3　CH4的源和产生过程146

7.3.4　CH4的气候效应147

7.4　大气臭氧148

7.4.1　对流层臭氧148

7.4.2　平流层臭氧150

7.4.3　模拟试验153

7.4.4　南极臭氧洞153

7.5　含卤素化合物155

7.5.1　卤代烃155

7.5.2　其他含氯化合物156

7.5.3　氟化物156

7.6　大气气溶胶156

7.6.1　基本特性157

7.6.2　气溶胶粒子的源与汇159

7.6.3　气溶胶粒子的化学组成160

7.6.4　气溶胶的气候效应162

7.7　质量平衡方程和化学反应模式164

7.7.1　化学反应速度方程164

7.7.2　质量平衡方程164

7.7.3　化学—热力学方程165

7.7.4　化学反应模式166

第二编　模式及其应用171

第八章　能量平衡模式171

8.1　零维能量平衡模式171

8.1.1　Fraedrich模式171

8.1.2　平衡态及突变约束条件172

8.1.3　Budyko模式173

8.1.4　Budyko模式的敏感性试验173

8.1.5　Budyko模式对周期扰动的？应173

8.2　简单海—气耦合模式174

8.2.1　模式的建立174

8.2.2　非线性稳定分析176

8.2.3　非线性扰动方程的紊动性态177

8.3　一维能量平衡模式181

8.3.1　North非线性模式181

8.3.2　无冰冠气候的研究182

8.3.3　有冰冠气候的研究182

8.3.4　变系数扩散模式的定态解184

8.3.5　稳定性分析184

8.4　熵平衡方程186

8.4.1　熵产生和超熵产生186

8.4.2　North模式的熵产生187

8.4.3　超熵产生作为气候突变的判据189

8.5　一维海—气耦合模式190

8.5.1　模式的建立191

8.5.2　超熵产生和气候突变判据192

3.5.3　结论194

8.6　Paltridge一维模式194

8.6.1　纬带物理模型194

8.6.2　参数值的取值196

8.6.3　最小熵交换原理及其应用197

8.7　二维能量平衡模式200

8.7.1　North模式200

8.7.2　二维季变能量平衡模式200

8.8　海温—气温—大气湿度耦合模式203

8.8.1　水汽方程204

8.8.2　海—气能量守恒方程205

第九章　随机气候模式208

9.1　Fokker-Planck方程208

9.1.1　Langevin方程208

9.1.2　生灭过程的Fokker-Planck方程209

9.1.3　连续迁移的Fokker-Planck方程209

9.1.4　线性Fokker-Planck方程的解210

9.2　Hasselmann随机气候模式211

9.2.1　模式的提出212

9.2.2　随机模式的输入响应213

9.2.3　Fokker-Planck方程的引入214

9.3　零维随机气候模式216

9.3.1　Nicolis模式216

9.3.2　非线性零维随机气候模式218

9.4　一维随机气候模式221

9.4.1　一维随机气候模式的建立221

9.4.2　关于T0概率密度分布及其讨论222

9.4.3　最可几态温度与时间和纬度的关系226

9.5　二维随机气候模式227

9.6　海—气耦合随机模式231

第十章　辐射—对流模式237

10.1　辐射平衡模式237

10.1.1　Emden辐射平衡模式237

10.1.2　Kibel辐射湍流能量平衡模式238

10.2　对流模式239

10.2.1　纯对流的平衡约束289

10.2.2　Lorenz系统241

10.3　Manabe辐射—对流模式243

10.3.1　对流调整热平衡243

10.3.2　云天辐射温度的变化245

10.3.3　太阳辐射的吸收247

10.4　二维纯辐射—对流模式248

10.5　具有动力影响的二维辐射—对流模式256

10.6　辐射—对流—化学模式258

第十一章　纬向平均气候模式（ZACM）261

11.1　ZACM在气候模式中的地位261

11.2　ZACM设计的基本原理262

11.2.1　空间离散和时间差分方案262

11.2.2　模式动力学方程组263

11.2.3　纬向对称环流264

11.2.4　涡旋项的参数化处理266

11.2.5　非绝热加热和边界强迫271

11.3　纬向平均气候场模拟的示例272

11.3.1　LSDM简介272

11.3.2　LSDM性能274

11.4　纬向平均气候模式的应用279

11.4.1　模式敏感性研究279

11.4.2　表面特性变化的气候效应279

11.4.3　大气气溶胶的气候效应280

第十二章　大气环流模式281

12.1　大气环流模式发展简史281

12.2　大气环流模式动力学框架及其离散化282

12.2.1 控制方程组282

12.2.2　垂直离散283

12.2.3　水平离散285

12.2.4　有效的时间积分方案287

12.3　气候模拟现状287

12.3.1　纬向平均温度288

12.3.2　平均纬向风288

12.3.3　平均经向风290

12.3.4　纬向平均垂直速度290

12.3.5　近地层气温的地理分布291

12.3.6　海平面气压的地理分布291

12.3.7　300hPa纬向风的地理分布292

12.3.8　降水的地理分布293

12.3.9　模式之间的比较295

12.4　气候敏感性试验295

12.4.1　古气候模拟295

12.4.2　赤道海温异常引起的气候响应300

12.4.3　极冰异常引起的气候响应303

12.4.4　CO2增加引起的气候效应308

12.4.5　核战争可能引起的气候效应310

12.5　短期气候预测315

12.5.1　月预告试验315

12.5.2　季度预测317

参考文献319