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1 绪论1

1.1 气候变化1

目录前言图表索引1

12.1.1 大气中的CO2

12.1.2 大气中的CH4

1.1.1 气候变化及其时间尺度1.1.2 气候变化的阶段性1.1.3 气候突变特征1.2 古气候及其变化6

1.2.1 古气候的重建（现）1.2.2 古气候变化的原因1.3 气候与人类社会11

1.3.1 粮食生产与气候1.3.2 水资源与气候1.3.3 能源与气候1.4 当代气候研究18

1.4.1 当代气候学研究的基本特点1.4.2 三个时间尺度的气候变化问题1.4.3 观测要求参考文献22

2 气候系统24

2.1 大气25

2.1.1 大气环流2.1.2 大气成分2.1.3 大气与外界的相互作用2.2 大气运动基本方程组30

2.2.1 基本方程组及其滤波2.2.2 角动量和能量平衡方程2.2.3 时间平均和纬向平均的气候方程2.2.4 全球平均气候方程2.3 海洋36

2.3.1 海洋的基本特性及影响2.3.2 海气耦合相互作用2.3.3 “海洋气候”2.4 陆地和冰雪圈41

2.4.1 冰雪的作用2.4.2 植被的作用2.5 水分及其循环45

2.5.1 蒸发2.5.2 径流2.5.3 人类活动对水循环的影响2.6 太阳活动50

2.7 火山爆发54

2.8 生态系统59

参考文献63

3 大气辐射过程66

3.1 太阳短波辐射66

3.1.1 太阳常数3.1.2 太阳短波辐射的变化3.2 大气对太阳短波辐射的吸收71

3.2.1 大气的吸收和发射概念3.2.2 臭氧的吸收3.2.3 水汽的吸收3.2.4 太阳短波辐射加热率3.3 地表辐射特性79

3.3.1 地表反照率3.3.2 云的反照率3.3.3 地表的比辐射率和净辐射量3.4 晴空大气红外辐射传输86

3.4.1 大气红外辐射特性3.4.2 谱带吸收模式3.4.3 辐射传输方程3.4.4 红外辐射冷却率3.5 辐射气候92

3.5.1 地-气系统的反照率3.5.2 地-气系统的射出长波辐射（OLR）3.5.3 地-气系统的辐射收支3.6 云-辐射相互作用97

3.6.1 观测分析3.6.2 理论研究结果参考文献103

4 大气季节内振荡的动力学104

4.1 大气中的30—60天低频振荡104

4.1.1 热带大气的30—60天振荡4.1.2 中高纬度大气的30—60天振荡4.1.3 30—60天大气振荡的全球特征4.2 热带大气低频（30—60天）振荡动力学115

4.2.1 南亚季风槽脊30—60天振荡的动力学4.2.2 CISK-Kelvin波理论4.2.3 CISK-Rossby波理论4.2.4 蒸发-风反馈机制4.3 大气基本态的不稳定激发133

4.3.1 三维基本气流的不稳定4.3.2 地形强迫Rossby波的不稳定4.3.3 基本气候态的影响4.4 大气的低频响应144

4.5 大气非线性过程151

参考文献158

5 大气环流持续异常（一）——阻塞形势的动力学机理161

5.1 多平衡态理论161

5.2 共振理论166

5.2.1 外源强迫下的线性共振5.2.2 非线性共振5.3 孤立波理论173

5.4 天气尺度涡旋的激发177

5.5 偶极子理论183

参考文献188

6 大气环流持续异常（二）——遥相关的动力学机理190

6.1 大气环流的遥相关190

6.1.1 地面气压场的遥相关6.1.2 对流层大气环流的遥相关6.1.3 遥相关指数6.1.4 夏半年大气环流的遥相关6.1.5 南半球大气环流的遥相关6.2 大气对外源强迫的遥响应201

6.2.1 ENSO与PNA型遥相关6.2.2 地形和定常热源的强迫响应6.2.3 气候基本态的重要性6.3 能量频散和大圆理论206

6.3.1 长波能量频散概念6.3.2 大圆理论6.4 时间平均基本气流的不稳定212

6.5 行星波的能量通量——EP通量218

6.5.1 正压大气情况6.5.2 斜压大气情况6.5.3 三维球面大气情况参考文献224

7 海洋-大气相互作用227

7.1 大尺度海气相互作用的基本特征227

7.1.1 海洋对大气的热力作用7.1.2 风应力强迫7.1.3 海洋混合层7.2 ENSO234

7.2.1 厄尔尼诺7.2.2 南方涛动7.2.3 ENSO循环的动力学机制7.3 ENSO对大气环流和气候的影响241

7.3.1 ENSO与大气环流异常7.3.2 ENSO与全球大范围气候异常7.3.3 ENSO对中国夏季气候异常的影响7.4 东亚冬季风异常与ENSO253

7.4.1 ENSO对东亚冬季风的影响7.4.2 东亚冬季风异常与El Nino的发生7.4.3 东亚大槽的能量频散7.5 ElNino与热带大气季节内振荡263

7.5.1 ElNino对热带大气季节内振荡的影响7.5.2 热带大气季节内振荡异常对ElNino事件的可能激发7.6 海气耦合波动力学269

7.6.1 耦合Kelvin波7.6.2 耦合Rossby波7.6.3 平流波和涌升波参考文献279

8 陆气相互作用283

8.1 生物-地球物理反馈283

8.2 土壤温度和湿度的反馈290

8.2.1 土壤温度的影响8.2.2 土壤湿度的影响8.3 植被296

8.3.1 植被反照率8.3.2 植被蒸腾8.3.3 砍伐热带森林对气候的影响8.4 陆气相互作用模式302

8.4.1 生物圈-大气传输方案（BATS）8.4.2 简单生物圈模式（SiB）参考文献309

9 气候数值模拟（一）——大气环流模式（GCM）311

9.1 模式基本结构311

9.1.1 模式方程组9.1.2 垂直分层9.1.3 水平离散化——格点模式9.1.4 谱模式9.2 主要物理过程及其参数化321

9.2.1 辐射强迫及反馈9.2.2 次网格尺度过程及其参数化9.3 气候状态的一些数值模拟结果328

9.3.1 海平面气压场9.3.2 风场9.3.3 温度场9.3.4 降水量9 3.5 季节转换9.4 海气耦合模式（CGCM）339

9.4.1 大洋环流模式简介9.4.2 海气耦合问题9.5 月—季气候的数值预报试验351

9.5.1 月预报试验9.5.2 IAP-CGCM的跨季度气候距平数值预测试验参考文献356

10.1 能量平衡模式（EBM）361

10 气候数值模拟（二）——简化模式361

10.1.1 零维能量平衡模式10.1.2 一维能量平衡模式10.1.3 气候系统的参数化10.2 盒型模式365

10.2.1 海洋-大气盒型模式10.2.2 耦合的大气-陆地-海洋盒型模式10.3 辐射-对流模式（RCM）370

10.3.1 辐射-对流模式的概念和基本结构10.3.2 辐射过程10.3.3 对流调整10.3.4 模式敏感性问题10.4 辐射-对流模式的发展376

10.4.1 云量和云高的预报10.4.2 水汽输送10.5 二维统计动力模式（SDM）379

10.5.1 二维统计动力模式的基本方程10.5.2 二维统计动力模式的基本物理过程10.5.3 二维统计动力模式的应用10.6 滤波模式388

10.6.1 基本方程10.6.2 预报试验参考文献394

11 气候的可预报性问题396

11.1 大气运动的可预报性396

11.1.1 可预报性与运动的周期性11.1.2 可预报性与空间尺度11.1.3 可预报性的若干提法11.2 气候的可预报性402

11.2.1 第一类气候可预报性11.2.2 第二类气候可预报性11.3 非线性动力系统与可预报性407

11.3.1 非线性动力系统的基本性质11.3.2 气候变化的非线性特征11.3.3 ENSO的可预报性探索参考文献418

12.1 温室气体和气溶胶420

12 人类活动与气候变化420

12.1.3 大气中的卤烃12.1.4 大气中的N2O12.1.5 气溶胶12.2 大气中CO2浓度增加的气候效应429

12.2.1 辐射强迫12.2.2 地-气系统的温度变化12.2.3 CO2温室效应的影响12.3 其它温室气体的气候效应437

12.4 “核冬天”440

12.5 大气中的臭氧及臭氧洞448

12.5.1 大气臭氧及其分布12.5.2 臭氧量的变化12.5.3 臭氧洞参考文献456

附录：本书部分英文缩写460