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第1章 绪论1

1.1 与气候有关的一些概念1

1.2 气候学的发展2

1.2.1 气候学的萌芽阶段2

1.2.2 气候学的形成阶段3

1.2.3 传统气候学阶段3

1.2.4 现代气候学阶段4

1.3 气候学的重大变革5

1.4 气候学的主要分类6

1.5 物理气候学的研究内容7

参考文献7

第2章 气候系统的物理描述8

2.1 系统的概念8

2.2 气候系统及其组成9

2.3 气候系统的属性和物理过程10

2.3.1 气候系统的属性10

2.3.2 气候系统的热量平衡11

2.3.3 气候系统的内部反馈11

2.3.4 气候系统的外部强迫12

2.3.5 气候系统对外部强迫的敏感性12

2.4 海气系统的耦合12

2.5 水分循环14

2.6 生物—地球化学循环16

2.6.1 氧循环17

2.6.2 碳循环18

2.6.3 其他循环19

参考文献20

第3章 气候系统的基本方程21

3.1 大气运动方程组21

3.2 海洋运动方程组22

3.3 陆面过程的基本方程24

3.3.1 动量通量公式24

3.3.2 地气交界面的能量平衡方程24

3.3.3 陆面的热量平衡方程25

3.3.4 陆面水分平衡方程25

3.4 海冰系统方程组26

3.4.1 无雪覆盖海冰系统的热力学方程组26

3.4.2 有雪覆盖海冰系统的热力学方程组27

3.4.3 海冰系统的动力方程28

3.5 气候系统的宏观描述29

参考文献30

第4章 气候系统中的辐射传输31

4.1 大气中辐射传输的基本特性31

4.1.1 太阳光谱和大气的吸收谱31

4.1.2 Lambert和Kirchhoff定律32

4.1.3 辐射传输方程33

4.2 辐射强迫34

4.2.1 辐射强迫的新概念34

4.2.2 ERF两种计算方法及其优缺点37

4.3 温室气体排放指标37

4.3.1 指标的简介37

4.3.2 全球增温潜能的概念37

4.3.3 全球温变潜能的概念38

4.4 辐射-对流模式39

4.4.1 模式的基本原理39

4.4.2 短波辐射加热率41

4.4.3 长波辐射冷却率42

4.5 辐射与化学过程的耦合相互作用43

参考文献46

第5章 气候系统的能量平衡47

5.1 零维模式47

5.1.1 基本方程和平衡态47

5.1.2 射出长波辐射R↑的经验公式48

5.1.3 敏感性分析48

5.1.4 随时间变化的解48

5.1.5 对周期外源强迫的响应49

5.2 一维模式50

5.2.1 入射的太阳短波辐射50

5.2.2 水平输送的极端情况50

5.2.3 热量水平输送的参数化51

5.2.4 常系数一维模式的解52

5.2.5 与Budyko模式的比较52

5.2.6 冰线纬度与太阳辐射强度的关系53

5.3 Sellers的一维模式53

5.4 一维季变模式57

5.5 二维模式58

5.5.1 常系数二维能量平衡模式的解58

5.5.2 将下垫面状况的地理分布引入模式58

5.5.3 二维季变模式59

5.6 水平二维上翻-扩散耦合模式62

5.6.1 模式方程组62

5.6.2 模式的解析解63

5.6.3 对CO2增加的局地瞬态响应65

5.7 耦合能量平衡模式存在的问题67

参考文献67

第6章 气候系统的反馈机制69

6.1 反馈的概念69

6.2 反馈效应的定量描述70

6.3 反馈响应的特征时间72

6.4 气候中一些主要的反馈机制74

6.4.1 气候中一些主要的正反馈的例子74

6.4.2 负反馈的例子75

6.5 生物-地球物理反馈76

6.6 云的反馈调节作用79

6.6.1 简化的海气耦合距平模式80

6.6.2 云调节的海气系统的长期振荡83

6.6.3 云量-地表温度反馈85

参考文献89

第7章 气候系统的敏感性91

7.1 气候敏感性的概念91

7.1.1 气候敏感性的概念91

7.1.2 气候敏感性参数91

7.2 气候的敏感性估算91

7.2.1 无反馈时的气候敏感性92

7.2.2 反馈对敏感性的影响92

7.3 影响气候敏感性的因子93

7.3.1 影响dI/dT的因子93

7.3.2 影响da/dT的因子95

7.4 气候对CO2和痕量气体的敏感性97

7.4.1 CO2浓度加倍对气候的影响97

7.4.2 其他痕量气体引起的气候变化101

7.5 气候对气溶胶的敏感性试验101

7.5.1 气溶胶对气候的影响101

7.5.2 核战争可能引起的气候变化102

7.6 气候对轨道参数和太阳常数变化的敏感性103

7.6.1 地球轨道参数变化的影响103

7.6.2 太阳常数变化的影响103

7.7 气候对内部因子变化的敏感性104

参考文献104

第8章 气候系统的稳定性106

8.1 零维系统的稳定性分析106

8.1.1 非线性零维模式106

8.1.2 线性稳定性分析107

8.1.3 非线性有限振幅的稳定性分析108

8.2 非线性一维模式109

8.2.1 复合反照率109

8.2.2 极端输送的情况109

8.2.3 常系数扩散模式的平衡解111

8.2.4 变系数扩散模式的平衡解112

8.3 一维系统的稳定性分析112

8.3.1 线性稳定性分析112

8.3.2 有限振幅的稳定性分析114

8.4 小冰盖不稳定116

8.5 气候突变117

8.6 非线性二维季变模式120

8.7 二维能量平衡模式对荒漠化模拟的研究122

参考文献124

第9章 气候系统的内部振荡126

9.1 30～60天低频振荡126

9.2 大气涛动130

9.2.1 北大西洋涛动（NAO）131

9.2.2 北太平洋涛动与南方涛动（NPO与SO）132

9.2.3 南极涛动132

9.3 El Ninno与南方涛动133

9.4 准两年振荡（QBO）137

9.5 海冰气耦合振荡139

9.5.1 确定系统的周期振荡140

9.5.2 反馈系统对随机扰动的响应141

参考文献144

第10章 气候系统的强迫振荡146

10.1 强迫振荡的物理机制146

10.2 气候的日变化和年变化150

10.3 太阳活动和轨道变化引起的强迫151

10.3.1 太阳活动强迫151

10.3.2 轨道变化强迫153

10.4 米兰柯维奇（Milankovitch）周期156

10.5 银河年与大冰期157

10.5.1 万有引力系数（G）变化说159

10.5.2 银道面物质分布不均说160

10.5.3 银河系悬臂影响说160

10.6 火山活动160

参考文献162

第11章 气候变化的形成机制164

11.1 影响气候及其变化的物理过程164

11.1.1 气候形成和维持的物理过程164

11.1.2 造成气候变化的物理过程和因子164

11.2 气候演变的时空尺度165

11.3 气候变化的形成机制166

11.4 增温停滞与协同振荡168

11.5 海陆热力差异对增温停滞的影响171

11.6 热带海温异常对北美降温的影响177

参考文献179

第12章 气候模拟和预测181

12.1 纬向平均动力学模式182

12.1.1 纬向平均模式的设计182

12.1.2 涡旋输送的参数化183

12.1.3 气候敏感性试验184

12.2 相似-动力预报模式186

12.2.1 相似-动力模式的基本原理187

12.2.2 相似-动力模式的建立188

12.2.3 模式的数值求解189

12.2.4 季节预报试验结果190

12.2.5 相似-动力方法在复杂模式中的应用193

12.3 大气环流模式194

12.4 地球系统模式197

12.5 利用历史资料订正气候预估199

参考文献203

编后记206