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网上购彩 冰冻圈气候学异日发展趋势

中国网/中国发展门户网讯 20 世纪 80 年代以来,随着气候体系理论的挑出与发展,科学界打破了传统冰冻圈科学和其他相关学科之间的周围,展现出冰冻圈与大气圈等圈层之间能量、质量(如水量)和动量交换的相互作用过程机理。冰冻圈是气候的产物,对温度和降水特意敏感,气候条件决定着冰冻圈及其各要素的生存寿命。气候条件与地形因素的分歧,使得冰冻圈各要素的发育、分布及其转折千差万别,空间分布分歧,生存时间各异。冰冻圈又是对全球气候转折影响最快速、最隐微的圈层,对气候转折具有高度敏感性。反之,把占有地球外观面积甚广的陆地冰冻圈和海洋冰冻圈笼统地用均一下垫面来外达,这无视了冰冻圈构成要素的转折特征及其内在差别,会极大地限定气候体系亲善候转折钻研的发展。

现在,人们已经意识到,对地球各个体系过程的钻研不该限定在单一的自力学科内进走,如冰冻圈科学、大气科学、水文学和生态学等,必须考虑学科之间、各构成要素之间相互作用的物理学、化学、生物学乃至经济社会影响的交融互补,才能构成一个完善的科学钻研体系。冰冻圈科学亲善候学的交叉融相符,催生了一门新兴的冰冻圈科学的分支学科——冰冻圈气候学。

冰冻圈气候学的定义与发展

冰冻圈气候学是钻研冰冻圈与大气圈的相互作用、影响及其反馈,并为社会经济可赓续发展服务的科学,是一门以冰冻圈科学亲善候学为主,又涉及众个其他学科的交叉科学。冰冻圈和大气圈的互馈作用和物理机制是冰冻圈气候学的重点。

在 20 世纪 80 年代之前,气候学和冰冻圈科学是各自自力发展的,但人们很早就仔细到二者之间普及而深切的相关。一方面,早在 1939 年,苏联地理学家卡列斯尼克就指出,“冰川最先是必定气候状况下的产物”。随着对这栽相答复杂性的深入钻研和理解,人们逐渐发现冰冻圈的各个要素更答被视为“当然的气候指使计”(nature climate-meter),即冰冻圈各构成要素对气候的转折,如温度、降水和其他气候变量特意敏感。另一方面网上购彩,在早期的气候分类中网上购彩,德国气候学家和植物学家柯本(Wladimir Koppen)给出了 6 个基本气候类型及其区域类型网上购彩,其中就包括高地气候区(highland)、极地气候区(polar)和矮温气候区(microthermal)等与冰冻圈相关的气候类型。

冰冻圈气候学发源于 20 世纪 80 年代气候体系概念的竖立。当代气候学引入了气候体系的概念,认为气候是决定冰冻圈形成和发育的主要因子之一,气候的转折影响冰冻圈的演化。冰冻圈可首到调节气候的作用,而冰冻圈转折又对地球大气圈的能量收支、辐射均衡和大气环流的关键过程与反馈产生庞大影响。气候转折不光单由大气圈内部的各栽过程所控制,而是气候体系,即大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈和岩石圈外层这五大圈层,添上人类社会经济运动(人类圈)共同作用的效果。当代的气候转折是指气候体系转折,五大圈层中的任何一个圈层的转折,都被视为是气候转折。

冰冻圈气候学的理论基础所以动力学和炎力学为主的经典物理学。现在,冰冻圈气候学已由单点不悦目测实验、过程描述、统计分析向机理分析、气候体系数值模拟倾向快捷发展,深入钻研大气圈和冰冻圈相互作用的物理过程与反馈机制,定量评估冰冻圈在全球和区域气候转折中的作用,进而科学预估异日气候与冰冻圈转折。

冰冻圈气候学的钻研内容

气候环境在冰冻圈形成和发育中的作用

冰冻圈各构成要素都是在正当的温度、降水和地形条件下形成和发育的。从冰冻圈气候学的角度望,地球冰冻圈在空间上是具有必定厚度的赓续圈层,呈不规则椭球体状(空心椭球体)。由于高度和纬度效答,冰冻圈下边界在赤道附近海拔高度最高处,如乞力马扎罗冰川的海拔高度达 5 963 m。从赤道别离向南、向北,冰冻圈下边界的高度随纬度提高而逐渐降矮,在高纬度地区降落到海平面甚至以下,如北冰洋海底发育的众年冻土。

在时间上,冰冻圈各构成要素的生存时间长短纷歧,冰冻圈的面积和周围都有清晰的昼夜、季节、年际和年代际转折。①陆地冰冻圈。南极冰盖和格陵兰冰盖的时间尺度达数十万年到百万年之久。山地冰川的冰体从积累区起伏到冰川末了溶解流失,因冰川周围、性质、所处地形亲善候条件分歧,其时间尺度从几十年到数千年不等。积雪随着春往夏来融化流失,在一些山区形成春汛。河冰、湖冰随着季节转换(冬季转夏日)而消亡殆尽。②海洋冰冻圈。海冰进退随季节转折,初冬形成、初夏崩解溶解。清淡情况下,其生存不超过 12 个月,但北冰洋的众年冰能够一连好几年。冰架的存活时间长短纷歧,从几十年到数千年不等。冰山的寿命从数月到数百年不等,与大气环流、海温、洋流等亲昵相关,且与冰山自己的周围、地点和产生的时间都有相关。③大气冰冻圈。凝结状水体的存活时间按天甚至幼时计算,与仔细气候环境条件的相关更为周详。

冰冻圈在天气气候及大气环流形成与变异中的作用

冰冻圈在天气气候及大气环流形成与变异中发挥偏主要作用。在空间上,冰冻圈在全球、区域和局地尺度上会影响到天气气候;在时间上,冰冻圈在季节、年、众年及长时间尺度上影响着气候的转折。

冰冻圈对亚洲季风形成与变态有主要的影响,稀奇是青藏高原积雪和北极海冰。经由过程积雪的水文效答和反照率效答,冬-春季节青藏高原和欧亚大陆积雪变态能够影响到后期夏日中国降水的年际转折。在年代际尺度上,以前 50 年青藏高原冬-春季积雪表现出增补趋势,从而引首高原上空对流层温度降矮及亚洲-宁靖洋涛动负位相特征,使得西宁靖洋副炎带高压位置偏南,所以中国东部雨带主要凝滞在南方,导致东部地区展现南涝北旱。

北极是冬季冷空气的源地,北极海冰由于其阻隔了海-气之间的炎量交换,以及经由过程反照率反馈机制对北极和欧亚大陆高纬度地区的冷空气运动有主要调制作用,进而影响东亚地区的寒潮和冬季风。

冰冻圈-大气圈相互作用的过程与机理

冰冻圈-大气圈相互作用主要经由过程冰冻圈-反照率反馈机制、能量均衡和水的相变过程来表现。

冰冻圈-反照率反馈机制是高纬度地区最主要的正反馈过程(图 1)。在这个反馈过程中,近地外气温的提高将导致高反照率的雪或海冰的面积缩短,袒展现较矮反照率的地面或未凝结的海洋。所以,更众的太阳辐射能够被地面和海洋所汲取,从而导致雪或海冰的进一步融化。冰冻圈-反照率反馈机制也能够反向发生作用,即放大区域的冷却。

图 1 冰冻圈 - 反照率反馈机制暗示图

在能量均衡方面,极区是大气炎机中的两个汇区,全年都有炎量通量经由过程海洋和大气向极区输送。在冬季,向极地的大气炎量输送为最大,此时高纬度地区的净辐射折本很大,并且在极地和炎带之间的温差最大。在夏日,赤道到极点的温差大幅减幼,所以向极地的炎量通量较幼。南半球的平均洋流和大气环流与北半球相比较,其纬向分布特征更清晰。在南半球,从赤道到极点的温差比北半球对答的温差要大 40%,所以形成更强的中纬度西风带。

冰冻圈水相转折也对大气圈产生隐微影响。冰川融化炎和水的汽化炎别离是同体积液态水提高 1℃ 所需炎量的 80 倍和 539 倍,所以冰冻圈在地外炎量均衡中有举足轻重的作用。冰雪外观常展现反温表象,冰雪外观水汽压的铅直梯度亦往往比矮空空气层还矮。所以,空气反而要向冰雪外观输送炎量和水分(水汽在冰雪外观凝华)。在春季无风的天气下,冰雪融化地区的气温往往比附近无冰雪遮盖区矮数十摄氏度。

气候体系和冰冻圈模式的发展

气候体系模式是基于对动力学、物理学、化学和生物学过程的科学意识竖立首来的定量描述气候体系各构成片面状态的数学物理模型,行使数值形式进走求解,并经由过程高性能计算实现对气候体系非线性复杂走为和过程的模拟与展望。气候体系模式的计算机程序及其高性能计算,是一个复杂的体系工程。

气候体系模式是意识以前的气候转折及其成因、气候体系各圈层内部及相互作用的过程与机理,以及预估异日气候转折的最主要的钻研手法和分析工具。在现在的气候体系模式中,冰冻圈模式已成为主要构成片面,对钻研冰冻圈过程及冰冻圈与大气圈相互作用发挥了主要作用。

冰冻圈模式是对冰冻圈各分量模式的统称。各冰冻圈分量均有对答的模式发展,如冰川(冰盖)模型、冻土模型、积雪模型、海冰模式等。考虑到纯冰物质和含杂质的非纯冰物质的物理属性,在外界物理条件发生转折时,可用数学物理方程描述冰冻圈的宏不悦目转折,并对分歧情景下异日冰冻圈转折进走预估。在现在的气候体系模式中,海冰模式已经行为一个自力的要素模式实现了与大气模式、海洋模式、陆面模式的双向耦相符。积雪模型、冻土模型和河湖冰模型清淡行为陆面模式中的主要构成片面。冰川动力学模型和冰盖动力学模型仍在发展之中,尚未实现与气候体系模式的在线耦相符。冰冻圈的生物地球化学循环过程模型也正在被开发和追求中。

气候转折与冰冻圈转折的预估

气候转折预估是指气候体系对温室气体亲善溶胶异日排放或浓度情景的模拟相答。冰冻圈各要素转折的预估有 2 栽形式:①用耦相符冰冻圈模式的全球气候体系模式直接对冰冻圈要素转折进走预估;②先用全球气候体系模式预估气候转折,再行使气候转折情景驱动冰冻圈模式进走冰冻圈要素转折的预估,即“两步法”。

直接预估形式主要依托“耦相符模式比较计划”(CMIP)开展众模式的集成预估。CMIP是一整套耦相符气候体系模式的比较计划,旨在经由过程比较模式的模拟能力来评价模式的性能,同时也为预估异日能够转折挑供科学按照。现在,第六阶段的“耦相符模式比较计划”(CMIP6)正在进走之中,并将为说相符国当局间气候转折特意委员会(IPCC)第六次评估通知(AR6)挑供异日气候转折和冰冻圈转折的预估情景。

异日温室气体排放情景和全球社会经济情景的构建,主要考虑人口和社会经济发展,稀奇是能源生产和行使的转折、技术挺进、土地行使与遮盖、环境和当然资源的转折、政策和机构管理以及生活方式的转折等。正在进走中的IPCC AR6主要行使典型浓度路径(RCP)和共享社会经济情景(SSPs)2 栽情景的组相符。

冰冻圈气候学对经济社会的服务功能

人类社会在对冰冻圈服务功能进走科学管理时离不开冰冻圈气候学挑供的科学基础和技术声援。冰冻圈在其作用区域和影响区能够为人类社会挑供各栽产品或惠好。人类在极区、高山及其毗邻区域的生存与发展高度倚赖于冰冻圈挑供的气候调节、径流调节及水源涵养与生态调节。冰冻圈行为稀奇下垫面,以其高反照率和水分循环功能,使地球成为对人类而言气候宜居、生态体系组织安详的星球。

冰冻圈在中矮纬度山区是河流的主要补给源,对河川径流具有当然调节作用,被称之为“固体水库”。冰冻圈水源涵养功能隐微,尤其是由于冻土的不透水性及温度梯度下的水分迁移,清淡在众年冻土上限附近存在大量的地下冰。冻土在保持寒区生态体系安详性方面作用也庞大。若无冻土的水源涵养作用和水炎效答,青藏高原高原面将只能发育荒漠生态体系,而非实际存在的大面积的高寒草甸和高寒湿地生态体系。在泛北极地区,由于众年冻土的庞大水炎效答,在这边发育有典型的众边形苔原生态体系和泰添林生态体系。

冰冻圈气候学还能为气象灾难的预报、展望、预警挑供科学赞成。与矮温相关的气象灾难,是冰冻圈气候学钻研的重点周围之一。例如,雨雪冰冻灾难是在矮温雨雪天气下发生的一栽冻灾,常伴以矮温、高湿、风速幼等特征。由雨凇和融雪冰挂构成的复相符积冰在各栽载体外观形成,极大地添重了各栽载体的负荷,主要影响甚至损坏交通、通信、输电线路等生命线工程。冬季降雪丰沛的吾国新疆北部山区,冰冻圈变暖导致近 30 年山区春汛日期挑前 1 个月,融雪性洪水患害频发。每年全球因雪崩物化亡的人数达几十人甚至上百人。春季河流凌汛对生命和财产造成胁迫。

冰冻圈气候学的发展趋势

随着不悦目测手法的挺进、不悦目测原料的日好添众和计算条件的快捷改善,对地不悦目测和遥感技术、大数据与人造智能及数值模式得到快捷发展,预期冰冻圈气候学的异日趋势将更添表现出高度交叉、高分辨率、邃密化,稀奇是发展耦相符冰冻圈过程的全球与区域气候体系模式是冰冻圈气候学与全球气候转折钻研的大势所趋。

现在,全球和区域气候体系模式在处理冰冻圈物理过程方面还较为粗糙,尤其是在气候体系模式中如何考虑冰冻圈分歧分量和要素作用的时空尺度,能够是在今后相等长的一段时期内最为主要的发展倾向之一。发展具有冰冻圈陆面过程模型的区域气候模拟体系和水文模型,是深入理解冰冻圈水-炎过程以及环境效答的关键。

突破处理冰冻圈物理过程参数化这栽限定的关键是强化对冰冻圈转折过程与机理的定量钻研程度。为改进冰冻圈过程与全球和区域气候模式的耦相符模拟能力,必须把大量不悦目测效果的分析钻研和参数化改进结相符首来的同时,重点要将冰冻圈各要素能量、水量和物质转折同步考虑,解决冰冻圈非线性物理过程的分歧时空尺度对耦相符气候体系模式的制约,云云才能取得内心性挺进。

总之,冰冻圈气候学一方面必要赓续推动对冰冻圈和大气圈相互作用过程与机理意识的赓续强化,另一方面要强化陆地冰冻圈和海洋冰冻圈过程模式及其耦相符试验的钻研,促进冰冻圈过程参数化方案向邃密化、定量化、复杂性倾向迈进。

(作者:罗勇,清华大学地球体系科学系副主任、教授;秦大河,中国科学院院士,发展中国家科学院院士,中国科学院西北生态环境资源钻研院冰冻圈科学国家重点实验室;翟盘茂,中国气象科学钻研院;马丽娟,中国气象局国家气候中央;周波涛,南京新闻工程大学大气科学学院;徐新武,中国气象局。《中国科学院院刊》供稿 )

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