氣候系統是一個包括大氣圈、水圈、陸地表面、冰雪圈和生物圈在內的，能夠決定氣候形成、氣候分布和氣候變化的統一的物理系統。
基本介紹
- 中文名：氣候系統
- 外文名：Climate System
- 組成：5部分
- 最大組成：大氣圈
- 能源：太陽輻射
- 學科：地理科學
簡介,系統構成,大氣圈,水圈、陸面、冰雪圈和生物圈,基本性質,複雜的、高度非線性的、開放的巨系統,熱力學和動力學屬性,穩定性,反饋過程,可預報性,系統演變,氣候系統變化的多空間尺度性,氣候系統的變化的多時間尺度性,其他相關信息,
簡介
氣候系統由大氣、海洋、陸地表面、冰雪覆蓋層和生物圈等五個部分組成。太陽輻射是這個系統的主要能源。在太陽輻射的作用下，氣候系統內部產生一系列的複雜過程，各個組成部分之間，通過物質交換和能量交換，緊密地聯結成一個開放系統。
系統構成
大氣圈
大氣圈是氣候系統中最活躍、變化最大的組成部分。
1）大氣圈的組成：
大氣是由多種氣體混合組成的，此外，還懸浮由一些固體雜質和液體微粒；
大氣的氣體組成成分：主要成分——氮、氧、氬，99.96%；微量氣體成分——二氧化碳、臭氧、甲烷等；
乾潔空氣：90km以下可以看成是分子量為28.97的“單一成分”的氣體；
大氣中臭氧的形成、分布與作用；
大氣中的二氧化碳；
大氣中的水汽；
大氣氣溶膠粒子。
2）大氣的結構：
大氣的上界：物理上界——1200km；著眼於大氣密度，約2000－3000km。
大氣的垂直分層：觀測證明，大氣在垂直方向上的物理性質是有顯著差異的。根據溫度、成分等物理性質，同時考慮到大氣的垂直運動等情況，可將大氣分為五層：
（1）對流層：
範圍：～對流層頂（對流層頂高度的緯度、季節變化）
主要特徵：氣溫隨高度增加而降低；垂直對流運動顯著；氣象要素水平分布不均勻。
對流層的分層：行星邊界層（或摩擦層）、自由大氣、對流層頂。
（2）平流層：
範圍：對流層頂～55km左右。
主要特徵：隨高度的增高，氣溫最初保持不變或微有上升，約30km以上，氣溫隨高度增加而顯著升高；氣流比較平穩，垂直混合運動顯著減弱；水汽含量極少。
（3）中間層：
範圍：平流層頂～85km左右。
主要特徵：氣溫隨高度增加迅速下降；垂直運動強烈；水汽含量更少；電離層D層。
（4）熱層：
此層沒有明顯的頂部。有人觀測在250～500km；有人認為可達800km。
主要特徵：氣溫隨高度增加迅速升高；空氣處於高度電離狀態；在高緯度晴夜，可出現極光。
（5）散逸層：
是大氣的最高層，又稱外層。
主要特徵：該層的主要特點是大氣粒子經常散逸至星際空間，是大氣圈與星際空間的過渡地帶。
水圈、陸面、冰雪圈和生物圈
1）水圈：
水圈包括海洋、湖泊、江河、地下水和地表上的一切液態水，其中海洋在氣候形成和變化中最重要。
海溫的垂直變化：表層暖層、斜溫層、冷水層。
海洋在氣候系統中具有最大的熱慣性，是一個巨大的能量貯存庫。
2）陸面：
岩石圈、陸地表面；岩石圈變化時間尺度長；陸面的動力作用和熱力作用。
3）冰雪圈：
冰雪圈包括大陸冰原、高山冰川、海冰和地面雪蓋等。
冰雪圈的變化尺度：陸地雪蓋——季節變化；海冰——季節到幾十年際的；大陸冰原和冰川——幾百甚至到幾百萬年。
冰雪圈對地表熱量平衡的影響：很大的反射率；阻止地表和大氣間的熱量交換。
4）生物圈：
對氣候變化很敏感，反過來影響氣候。
對大氣和海洋的二氧化碳平衡、氣溶膠粒子的產生以及其他與氣體成分和鹽類有關的化學平衡等的作用。
基本性質
複雜的、高度非線性的、開放的巨系統
1）氣候系統是一個開放系統：
氣候系統與其外空間的物質交換是微乎其微的。從這個意義上，氣候系統可以被看作是一個封閉系統。
氣候系統與外空間有能量交換。從這個意義上，氣候系統是一個開放系統。
2）氣候系統是一個複雜的系統：
無論從描述氣候系統的物理量的空間分布和時間變化上講，還是從氣候系統中發生的過程類型上講，氣候系統都是非常複雜的。
3）氣候系統是一個高度非線性的系統：
氣候系統中的重要過程：物理過程、化學過程和生物過程。
氣候系統中發生的重要過程是氣候系統各組成部分之間相互作用和相互影響的具體表現，是氣候系統表現出高度非線性的根本原因。
熱力學和動力學屬性
氣候系統各部分之間熱力學和動力學屬性的顯著差異。
穩定性
氣候系統的穩定性（廣義）是氣候系統演變的重要性質。
氣候系統穩定性的兩個制約因素：能量收支方面的外部因素、氣候系統內部的性質。
氣候系統的穩定性是相對的。
反饋過程
反饋機制對系統起內部控制作用，它來自於兩個或更多子系統之間一種特殊的耦合或調整。在反饋過程中一部分輸出又返回來充作輸入，其結果是系統的淨回響有了變化。反饋機制既可增強最終的輸出結果(正反饋)，也可以減弱輸出結果（負反饋）。
反饋過程舉例：正反饋過程——冰雪反照率反饋、水汽反饋、二氧化碳反饋；負反饋過程——雲反饋。
氣候系統的敏感性和穩定性與反饋機制。
可預報性
Lorenz把氣候預報分為兩類，第一類是與時間有關的，即習慣上的氣候預報問題；第二類是與時間無關的，對應于敏感性問題。
氣候系統的可預報性與外部強迫及內部過程的特性有關。
系統演變
氣候系統變化的多空間尺度性
氣候系統的熱力學狀態和動力學狀態具有空間分布上的不均勻性。這種空間不均勻性的尺度在量級上有一個非常寬的範圍。
氣候系統的變化的多時間尺度性
氣候系統的變化具有多時間尺度性。觀測事實和古氣候證據表明地球上的氣候在過去發生了很大的變化，其變化有一個非常寬的時間譜，從月際到幾億年都有。
其他相關信息
大氣是氣候系統中最容易變化的部分，例如，當外界熱量輸入(主要是太陽輻射)發生變化後，通過各種熱量輸送和交換過程能在一個月的時間內，調整對流層溫度的分布。
海洋占地球表面面積的71%左右，它能吸收到達地表的大部分太陽輻射能，海水又具有很大的熱容量，所以它是氣候系統中一個巨大的能量貯存庫。洋流在熱量輸送和全球熱量平衡中起著巨大的作用，海洋表層在數月到數年內與大氣或海冰相互發生作用，調節其溫度。海洋的深層熱量調節時間則需要幾百年。
陸地表面具有不同的海拔高度、地形、岩石、沉積物和土壤，以及河、湖、地下水等。河、湖、地下水是水分循環中的重要組成部分，它們也是氣候系統中容易變化的部分。陸塊位置、高度和地形發生變化的時間尺度，在氣候系統的所有組成部分中是最長的。
冰雪覆蓋層包括大陸冰原、高山冰川、海冰和地面雪被等。雪被和海冰有很明顯的季節變化，冰川和冰原的變化要緩慢得多。冰川和冰原的體積變化與海平面的變化有密切的聯繫。冰雪具有很大的反射率，在氣候系統中，它是一個致冷因素。
生物圈指的是陸地上和海洋中的植物以及生存在大氣、海洋和陸地的動物。生物對於大氣和海洋的二氧化碳平衡、氣溶膠的產生，以及其他氣體成分和鹽類有關的化學平衡都有很重要的作用。植物可以隨著溫度、輻射和降水的變化而發生自然變化，其變化的時間尺度為一個季節到數千年不等；而且植物反過來又會改變地面反射率和粗糙度，影響水分的蒸發、蒸騰，以及地下水循環。由於動物需要得到適當的食物和棲息地，所以動物群體的變化，也反應了氣候的改變。
氣候系統的屬性可以概括為以下四個方面：熱力屬性，包括空氣、水、冰和陸地的溫度；動力屬性，包括風、洋流及與之相聯繫的垂直運動和冰體移動；水分屬性，包括空氣濕度、雲量及雲中含水量、降水量、土壤濕度、河湖水位、冰雪等；靜力屬性，包括大氣和海水的密度和壓強、大氣的組成成分、大洋鹽度及氣候系統的幾何邊界和物理常數等。這些屬性在一定的外因條件下通過氣候系統內部的物理過程(也有化學過程和生物過程)而互相關聯著，並在不同時間尺度內變化著。
有的科學家把氣候狀態定義為：氣候系統的全部成分在任一特定時段內的平均統計特徵。這個定義的可取之處在於：
(1)它指出氣候的物質基礎是氣候系統，而不僅僅是大氣，它和天氣系統是有區別的；
(2)氣候是一個歷史的概念，它和特定的時間階段相聯繫，而不存在絕對的氣候概念；
(3)某一時段的氣候狀態是指這一時段氣候系統各屬性的平均統計特徵，不像天氣是指某一瞬時或某一短時間內大氣中氣象要素和天氣現象的綜合。
必須指出，氣候是複雜的自然地理現象之一。氣候系統本身就說明了這個問題，氣候的地帶性和非地帶性的地區差異，更足以表征它的自然地理特性。
