《大气物理现象及其在气候变迁中的作用》课件

《大气物理现象及其在气候变迁中的作用》欢迎参加《大气物理现象及其在气候变迁中的作用》课程本课程将深入探讨大气物理现象的科学原理、观测技术与模拟方法，分析它们在气候系统中的关键作用，以及如何影响和被全球气候变化所改变我们将从基础的大气物理知识出发，逐步理解复杂的气候系统相互作用，最终探讨应对气候变化的科学与技术途径希望通过本课程，能够帮助大家建立系统性的大气物理与气候变化知识框架课程概述探讨主要大气物理现象研究大气层结构、成分及能量传输分析其与气候变化的相互作用揭示反馈机制与临界点研究当前科学进展与未来趋势探索观测技术与模拟方法理解减缓气候变化的潜在路径评估干预策略与适应方案本课程将系统性地探讨大气物理学与气候变化科学，从基础理论到应用实践，全面分析大气物理现象如何影响气候系统，以及气候变化如何反过来改变这些物理过程通过理解这些复杂的相互作用，我们能够更好地预测未来气候变化趋势，并探索有效的应对策略第一部分大气物理基础在探讨复杂的大气物理现象之前，我们需要首先建立对大气物理基础的理解本部分将介绍大气层的基本结构、化学成分、辐射平衡原理以及温室效应的物理机制这些基础知识为我们后续理解大气环流、天气系统以及气候变化提供了必要的科学框架通过掌握这些基本概念，我们能够更好地理解大气如何作为一个复杂系统运行，以及人类活动如何改变其基本特性大气层结构对流层（0-12km）温度随高度降低，约

6.5°C/km平流层（12-50km）臭氧层吸收紫外线，温度上升中间层（50-85km）温度再次下降至-90°C热层（85-600km）温度急剧上升至1500°C大气层的垂直结构由温度随高度的变化特征定义对流层是我们生活的区域，包含约75%的大气质量和几乎所有水汽，是天气现象发生的主要场所平流层中的臭氧层对于保护地球生命免受有害紫外线辐射至关重要中间层是最冷的大气层，在此可观察到夜光云现象热层则受到太阳高能辐射影响，温度极高但分子稀少，是极光发生的区域这种分层结构对于大气物理过程和气候系统的稳定性具有决定性作用大气成分温室气体主要气体CO₂417ppm、CH₄

1.9ppm、氮气78%、氧气21%、氩气

0.93%N₂O

0.3ppm水汽气溶胶浓度变化范围0-4%，主要集中在对流层底自然源（沙尘、海盐、火山灰）与人为源部（硫酸盐、黑碳）大气的化学成分对气候系统起着至关重要的作用虽然氮气和氧气占据了大气的绝大部分，但它们对地球的辐射平衡影响相对较小相比之下，占比极小的温室气体却对地球气候有着决定性影响水汽是最丰富的温室气体，但其浓度在时空上变化很大人类活动导致CO₂等温室气体浓度持续上升，自工业革命以来CO₂已增加约50%气溶胶通过直接散射太阳辐射和影响云的形成，对气候系统产生复杂的影响大气辐射平衡太阳入射辐射短波辐射，太阳常数1361W/m²大气与云反射约22%太阳辐射被大气和云层反射地表吸收与反射地表反射约8%，吸收约50%太阳辐射长波辐射平衡地表与大气的长波辐射交换达到平衡地球的气候系统基于太阳辐射能量的输入与地球向太空辐射能量的输出之间的平衡太阳辐射主要集中在可见光和近红外波段，而地球辐射主要是长波红外辐射地球的平均反照率（即反射太阳辐射的比例）约为30%，这一数值对气候稳定性至关重要大气中的温室气体对太阳短波辐射几乎透明，但能有效吸收地表发出的长波辐射，导致地表温度升高人类活动导致的温室气体增加使得更多长波辐射被捕获，改变了地球的辐射平衡，导致全球变暖任何影响辐射平衡的因素都会对全球气候产生深远影响温室效应基本原理温室气体吸收再辐射地表长波辐射释放大气中的CO₂、水汽、甲烷等温室气体吸收部分地太阳短波辐射入射地表吸收太阳辐射后升温，并以长波红外辐射形式释表发出的长波辐射，然后向各个方向再辐射，包括向太阳短波辐射（主要是可见光）透过大气层到达地球放能量这种长波辐射的波长主要集中在8-14微米下辐射回地表，导致地表进一步升温表面，大部分被地表吸收，部分被反射回太空这一范围内，与大气中某些气体的吸收带重叠过程提供了地球系统的主要能量输入温室效应是维持地球宜居温度的关键机制如果没有自然温室效应，地球平均表面温度将约为-18°C，而非现在的约15°C自然温室效应使地球温度升高了大约33°C，使地球上液态水的存在和生命的繁荣成为可能然而，人类活动正在增强这种温室效应自工业革命以来，我们向大气中排放了大量CO₂和其他温室气体，导致大气中捕获的热量增加，从而引起全球气候变暖这种人为增强的温室效应是当前气候变化的主要驱动力第二部分重要大气物理现象大气环流系统全球大气环流是气候系统的基本驱动力，由太阳辐射不均匀分布引起从赤道到极地的温度梯度驱动了复杂的环流模式大气振荡模态大气存在多种自然振荡模态，如厄尔尼诺-南方涛动、北大西洋涛动等，这些振荡在不同时间尺度上影响全球天气和气候极端天气系统热带气旋、雷暴、大气河流等强大的天气系统通过复杂的物理过程形成，并对区域和全球气候产生重要影响了解大气物理现象对于解释天气变化和气候变迁至关重要本部分将详细探讨各种重要的大气物理现象，从基本的大气环流到复杂的气候振荡模态，以及各种极端天气系统这些现象通过复杂的物理过程和反馈机制相互联系，共同构成了地球独特的气候系统随着气候变化的进行，这些物理现象正在发生变化，理解这些变化对于预测未来气候趋势至关重要全球大气环流费雷尔环流位于30°-60°纬度之间，中纬度西风带，锋面系统活跃区域哈德莱环流位于0°-30°纬度之间，赤道上升气流，30°附近下沉气流，形成信风带和副热带高压带极地环流位于60°-90°纬度之间，极地东风带，极地冷空气与中纬度暖空气交汇全球大气环流是地球气候系统的基础框架，将热量从赤道向极地输送，减缓两者间的温度差异这种环流由太阳辐射的不均匀分布驱动，同时受到地球自转产生的科氏力影响，形成三个纬向环流带哈德莱环流最为强大，通过赤道强烈上升气流和副热带下沉气流形成闭合循环费雷尔环流作为衔接低纬度和高纬度的过渡带，是中纬度天气系统的主要活动区域极地环流则主要受控于极地的冷辐射冷却这三个环流单元共同决定了全球主要气候带的分布，包括热带雨林带、沙漠带、温带和极地气候带随着全球变暖，这些环流模式正在发生变化，尤其是哈德莱环流的扩张对全球降水格局产生重要影响季风系统亚洲季风非洲季风•世界最大季风系统•西非季风影响撒哈拉南缘•影响超过20亿人口•控制撒赫勒地区降水•夏季西南风，冬季东北风•与大西洋海温紧密相关•印度洋-喜马拉雅山-青藏高原系统驱动•近年旱涝波动加剧北美季风•影响美国西南部与墨西哥•夏季湿季提供70%年降水•与太平洋海温异常相关•多年代际变化明显季风系统是陆地与海洋热力性质差异驱动的大尺度季节性环流系统，以风向季节性反转和明显的干湿季节交替为特征亚洲季风是全球最强大的季风系统，由印度洋-喜马拉雅山-青藏高原系统共同驱动，夏季西南季风为南亚和东亚带来丰沛降水，冬季东北季风则带来干燥寒冷天气全球季风系统直接影响着全球40%以上的人口，是农业生产和水资源管理的关键因素随着全球气候变化，季风系统的强度、时间和空间分布正在发生变化研究表明，随着全球变暖，季风降水的年际变率增加，极端降水事件频率上升，这给依赖季风降水的地区带来了巨大的适应挑战厄尔尼诺南方涛动-ENSO厄尔尼诺状态拉尼娜状态东太平洋异常增暖，贸易风减弱，沃克环流减弱暖水向东移东太平洋异常变冷，贸易风增强，沃克环流增强温暖海水向西动，导致印度尼西亚和澳大利亚降水减少，南美洲西部沿岸降水推移，导致印度尼西亚和澳大利亚降水增加，南美洲西部沿岸干增加旱东太平洋上升气流增强，热带对流活动东移，全球大气环流模式西太平洋上升气流增强，热带对流活动西移，全球大气环流模式发生变化，影响远至北美、亚洲和非洲的气候再次调整，形成与厄尔尼诺相反的全球气候影响厄尔尼诺-南方涛动ENSO是热带太平洋海气相互作用的年际振荡现象，是全球气候年际变率的主要来源ENSO通过大气遥相关影响全球各地的天气和气候，包括降水异常、温度变化、热带气旋活动等厄尔尼诺事件通常持续9-12个月，每2-7年发生一次近年来，研究发现ENSO的特性正在发生变化，包括中太平洋型厄尔尼诺事件增加、极端强度事件增加等这些变化可能与全球变暖有关，但具体机制仍在研究中由于ENSO对全球气候的广泛影响，准确预测ENSO事件对于农业规划、水资源管理和灾害防御具有重要意义北大西洋涛动NAO正相位特征负相位特征时间特征亚速尔高压与冰岛低压强度增强，压力梯亚速尔高压与冰岛低压强度减弱，压力梯在日至年际多个时间尺度上变化，冬季信度增大，西风带增强北移欧洲经历温暖度减小，西风带减弱南移欧洲经历寒冷号最强20世纪90年代以来NAO正相位湿润冬季，北美东部气温偏高，地中海地干燥冬季，北美东部寒潮频繁，地中海地占主导，与北半球增暖趋势一致区降水减少区降水增加北大西洋涛动NAO是北大西洋区域最显著的大气环流模态，表现为亚速尔高压与冰岛低压强度的反相变化NAO主要影响欧洲和北美东部的冬季气候，通过改变西风带的强度和位置，调控大西洋暴风雨路径，进而影响温度和降水分布NAO指数的长期变化表明，20世纪90年代以来NAO呈现更多正相位状态，与北半球整体增暖趋势相一致研究表明，NAO与北极海冰变化、平流层状况以及大西洋经向翻转环流都存在复杂联系随着全球变暖和北极海冰减少，NAO的特性可能发生改变，这将对欧洲和北美的气候产生深远影响北极涛动AO正相位状态负相位状态极地气压偏低，中纬度气压偏高，环极地区气压差异增大极地涡极地气压偏高，中纬度气压偏低，环极地区气压差异减小极地涡旋增强且收缩，寒冷空气被限制在高纬度地区北半球中纬度地区旋减弱且扩张，寒冷空气易南下侵入中纬度北半球中纬度地区冬冬季温暖，极端寒潮减少季寒冷，极端寒潮增加•西风带增强并北移•西风带减弱并南移•暴风雨路径偏北•暴风雨路径偏南•北美和欧亚北部温度偏高•北美和欧亚北部寒潮频发北极涛动AO是北半球中高纬度环状气压异常分布模态，表现为极地与中纬度气压的反相变化AO与NAO具有密切联系，可视为NAO在整个北半球的扩展，但AO更强调环极地的气压异常分布特征AO的变化直接影响极地涡旋的强度和稳定性，进而影响北半球中高纬度冬季天气模式近几十年来，随着北极增暖和海冰减少，AO的特性正在发生变化一些研究表明，北极海冰减少可能导致AO更趋向于负相位，增加中纬度极端寒冷事件的风险然而，AO的变化机制复杂，还受到平流层状况、太阳活动等多种因素影响，目前科学界对其未来变化趋势尚存在较大争议太平洋年代际振荡PDO1暖相位1925-1946东北太平洋海温偏暖，中西太平洋海温偏冷北美西部偏暖干燥，阿拉斯加湾鲑鱼产量高，加州降水减少2冷相位1947-1976东北太平洋海温偏冷，中西太平洋海温偏暖北美西部偏冷多雨，阿拉斯加湾鲑鱼产量低，加州降水增加3暖相位1977-1998明显的气候转型，北太平洋生态系统变化，太平洋西北部降水减少，厄尔尼诺事件频繁且强度增加4变化期1999-至今冷暖相位交替出现，振荡周期缩短，可能与全球变暖相关，影响全球增暖停滞期太平洋年代际振荡PDO是北太平洋海温的长期变化模式，周期通常为20-30年与ENSO类似，PDO也表现为太平洋东部和中西部海温的反相变化，但时间尺度更长，空间范围集中在北太平洋PDO通过改变大气环流模式，影响北美和东亚的气候，特别是降水格局、河流径流和生态系统PDO与ENSO相互作用，可以增强或抵消ENSO的影响当PDO与ENSO处于同相位时（如都处于暖相位），其气候影响往往会被放大研究表明，PDO可能受到多种因素影响，包括热带太平洋变化、北太平洋内部动力过程以及人类活动全球变暖可能改变PDO的特性，如周期长度和相位转换速率，但由于观测记录有限，这一影响尚未完全明确大西洋多年代际振荡AMO对流与雷暴不稳定大气层结地表加热导致底层空气温度高于上层，形成大气不稳定状态太阳辐射加热、锋面抬升或地形抬升等可触发对流垂直温度梯度越大，对流活动越强对流发展与云形成上升气流携带水汽，随高度冷却至露点温度后凝结成云释放的凝结潜热进一步加热空气，促使气流继续上升在强对流条件下，可形成巨大的积雨云雷暴形成与闪电云内部水滴、冰晶和霰粒碰撞产生电荷分离，形成电场当电场强度超过空气绝缘能力，发生放电形成闪电典型雷暴释放能量相当于10吨TNT爆炸物对流是大气中的基本传热方式，而雷暴则是最强烈的对流现象之一统计显示，全球每秒约有44次闪电发生，每天约有4万次雷暴活动雷暴不仅影响局地天气，还通过上对流层水汽输送、氮氧化物产生和平流层-对流层交换等过程影响气候系统随着全球变暖，大气持水量增加和不稳定性增强都有利于雷暴活动增加研究表明，每升高1°C，强对流天气的频率可能增加10-15%这意味着未来闪电、冰雹和强降水等灾害性天气可能增加，同时上对流层水汽输送增强可能对全球辐射平衡产生重要反馈作用热带气旋26°C5形成临界海温萨菲尔-辛普森等级热带海洋表面温度需超过此值基于持续风速划分飓风强度75-8%全球气旋盆地强度增幅集中于西北太平洋、北大西洋等区域每升温1°C，最大风速增加比例热带气旋是热带和亚热带海洋上最强大的天气系统，以低压中心、强风和暴雨为特征形成热带气旋需要多种条件温暖海水26°C、大气不稳定性、高湿度、低风切变以及足够的科氏力（通常在赤道以外5°以上区域）热带气旋通过飓风热机机制获取能量，依靠海水蒸发和水汽凝结释放的潜热维持发展随着气候变暖，热带气旋的特性正在改变研究表明，虽然气旋总数可能不会显著增加，但强烈气旋（4-5级）的比例可能上升每升温1°C，热带气旋最大风速可能增加5-8%，降水强度增加7-14%同时，气旋活动区域正在向极地扩展，这使得一些以前很少受到气旋影响的区域面临新的威胁未来，理解热带气旋与气候变化的关系对于沿海地区的防灾减灾至关重要中纬度气旋与反气旋气旋发展初期锋面波发展，冷暖气流开始交汇成熟阶段低压中心加深，冷暖锋清晰，降水系统发展衰减阶段温度对比减弱，锋面系统瓦解中纬度气旋是温带地区天气变化的主要系统，主要由锋面系统和气压梯度差异驱动挪威气象学家比约克内斯提出的气旋发展理论至今仍是理解这些系统的基础中纬度气旋通常沿西风带向东移动，带来大范围的云系和降水反气旋则是高压系统，通常带来晴朗干燥的天气这些系统共同构成了中纬度地区多变的天气特征气候变化正在影响中纬度气旋的特性北极增温速度快于中纬度，减弱了南北温度梯度，这可能导致气旋强度略有减弱然而，大气持水量增加意味着即使气旋强度不变，其携带的水汽和产生的降水也会增加同时，研究表明气旋路径可能向极地偏移，改变降水分布气候模式预测，未来极端强气旋可能减少，但伴随强降水的气旋可能增加，这给防洪和水资源管理带来新挑战大气波动罗斯贝波重力波行星尺度波动，由地球自转产生的科氏力变大气密度垂直分层产生的波动，垂直传播能化引起西风带中大尺度蜿蜒波动，控制高量的重要方式由地形、对流、锋面等激低压系统分布，影响中纬度天气系统移动路发，在平流层和中间层传播和破碎，推动大径北极增温导致罗斯贝波波幅增大，造成气环流波动破碎释放动量，对高层大气环天气系统停滞流至关重要开尔文波赤道大气中的波动，由热带对流活动激发沿赤道向东传播，影响热带天气系统组织和发展与厄尔尼诺-南方涛动、马登-朱利安振荡等热带气候现象密切相关，影响全球气候大气波动是大气动力学中的基本现象，对能量和动量的传输至关重要罗斯贝波是中纬度大气最显著的波动，由行星涡度随纬度变化产生这些波动形成高空西风带的蜿蜒模式，引导锋面系统和风暴的移动路径重力波则是由大气垂直稳定层结产生的较小尺度波动，对高层大气环流具有重要影响气候变化正在改变大气波动的特性北极增温减弱了南北温度梯度，可能导致罗斯贝波波动减缓和波幅增大，这与近年来观察到的天气系统更加停滞的现象一致停滞的天气系统往往导致极端天气事件，如持续热浪和强降水同时，全球变暖可能改变重力波的产生和传播特性，进而影响高层大气环流和化学成分理解这些变化对预测未来气候至关重要平流层突然增温极地涡旋结构特征极地上空大尺度低压环流系统，由极夜产生的温度梯度驱动垂直从对流层延伸至平流层，平流层部分更为明显边界由强大的极夜急流定义，风速可达每小时250公里季节变化冬季最强，随极夜开始形成；春季随阳光返回而减弱消散；夏季完全消失，形成高压系统南极涡旋通常比北极涡旋更强更稳定，因南极洲地形和海陆分布差异气候影响涡旋强度和稳定性直接影响北半球冬季天气模式强稳定涡旋将寒冷空气限制在极地；弱不稳定涡旋允许寒流南下，导致中纬度地区极端寒冷事件极地涡旋是极地地区上空持续存在的大尺度环状低压系统，由极地与中纬度之间的温度梯度驱动北半球极地涡旋以极夜期间形成最为典型，垂直从对流层延伸至平流层高度平流层部分的涡旋对平流层臭氧化学过程至关重要，而对流层部分则直接影响地表天气随着全球变暖，北极增温速度快于全球平均水平（北极放大效应），减弱了驱动极地涡旋的温度梯度研究表明，近几十年来北极涡旋出现更多不稳定状态，包括扭曲、分裂和减弱事件增多这些变化可能导致中纬度寒潮事件增加，看似与全球变暖相矛盾，实际上是北极变暖改变大气环流的结果然而，这一关系复杂且存在争议，需要更多研究来确定未来极地涡旋的变化趋势大气阻塞形成机制常见区域罗斯贝波大振幅导致高压脊加强并停滞，东北大西洋-欧洲区域和东北太平洋-北美切断正常西风气流阻塞高压系统通常呈西部是北半球两大阻塞高发区欧洲区域Ω形或偶极子结构，环流闭合，抵抗背景冬季最常见，对欧洲冬季寒潮影响显著气流影响形成后可自我维持数天至数太平洋区域全年均可发生周极端事件长期阻塞导致极端天气事件，如2010年俄罗斯热浪、2003年欧洲热浪、2021年北美热穹顶等阻塞区域经历持续异常高温，周边区域可能出现持续强降水大气阻塞是中高纬度地区大气环流中的一种准静止状态，特征是高压系统长时间停留在特定区域，阻断了正常的西风带气流阻塞使得天气系统移动变得缓慢，导致持续的异常天气条件典型阻塞事件持续5-14天，但极端情况下可持续数周阻塞高压区内通常天气晴朗干燥，而其边缘和下游区域可能出现持续降水气候变化可能影响大气阻塞的频率、强度和持续时间北极放大效应减弱了中高纬度温度梯度，可能导致罗斯贝波减速和波幅增大，进而增加阻塞的发生研究表明，近几十年欧亚区域夏季阻塞事件有所增加，而北美区域变化不明显在变暖的气候中，阻塞导致的极端高温可能更加严重，因为背景温度已经升高准确模拟和预测阻塞事件仍是气候科学的挑战之一大气河流400-600宽度公里相对窄小的走廊状结构2000长度公里可横跨整个海洋盆地~90%水汽输送比例占中纬度经向水汽输送总量7-15%强度增加率每升温1°C的水汽增加比例大气河流是对流层中窄带状水汽输送通道，通常形成于中纬度气旋的暖锋前方这些走廊状结构虽然在任何时刻仅覆盖全球约10%的经度范围，却负责约90%的中纬度经向水汽输送典型的大气河流每秒输送水汽约相当于25条密西西比河，是全球水循环和能量平衡的关键组成部分大气河流对沿海地区的水文循环具有双重影响一方面带来必要的降水，为水资源提供保障；另一方面强度过大时可导致洪涝灾害美国西海岸、西欧、东亚等多个沿海地区的年降水量很大程度上依赖于大气河流事件随着全球变暖，大气持水量按照克劳修斯-克拉佩龙关系每升温1°C增加约7%，这意味着大气河流将变得更加强大研究表明，未来极端大气河流事件的频率和强度可能大幅增加，给沿海地区的防洪和水资源管理带来新的挑战喷流形成机制温度梯度与科氏力共同作用产生热成风平衡，温度梯度越大，风速越强地球自转导致西风带形成，最终在上对流层-下平流层形成狭窄风带主要类型副热带喷流位于25-35°纬度，与哈德莱环流顶部下沉气流相关；极地锋面喷流位于40-60°纬度，与极地与中纬度空气交界处温度梯度相关；极夜喷流形成于冬季平流层极地区域气候影响控制中纬度天气系统移动路径和速度，影响风暴路径、降水分布和温度模式喷流蜿蜒（波动）增加与极端天气密切相关持续高温、强降水和干旱事件喷流是高空（对流层顶和下平流层）的狭窄强风带，最大风速可达400公里/小时它们形成于温度梯度大的区域，如极地冷空气与中纬度暖空气交界处喷流就像大气中的河流，引导低层天气系统的移动，控制风暴路径，因此对中纬度天气模式有决定性影响喷流的强度、位置和波动特性决定了特定区域的天气特征气候变化对喷流的影响是研究热点北极增温快于中纬度，减弱了驱动喷流的温度梯度，理论上会减弱喷流强度同时，热带上对流层增暖快于极地，增强了上层温度梯度这种复杂的温度变化导致喷流呈现多样化响应北半球夏季喷流可能减弱并北移，而冬季变化更为复杂研究表明，喷流波动振幅可能增加，导致天气系统更加停滞，增加极端天气事件的风险这种变化已在近年频发的极端热浪和持续降水事件中有所体现第三部分大气物理现象与气候变化的相互作用辐射强迫机制极端天气变化气候系统临界点温室气体增加导致大气对长波辐射的吸收增强，气候变化导致极端天气事件频率和强度增加，如气候系统存在潜在的不可逆转换点，如冰盖融改变了地球的能量平衡，引起全球变暖气溶胶热浪、干旱、强降水和热带气旋这些变化直接化、洋流改变等一旦超过这些临界点，气候系通过直接散射阳光和影响云特性对气候产生复杂威胁人类健康、农业生产和基础设施安全统可能发生突然且难以预测的变化影响大气物理现象与气候变化之间存在复杂的相互作用关系一方面，气候变化通过改变温度分布、水汽含量和大气环流模式影响大气物理现象；另一方面，大气物理现象的变化又可能通过各种反馈机制加速或减缓气候变化理解这些相互作用对于准确预测未来气候变化至关重要本部分将探讨大气辐射强迫、水循环、冰冻圈、海平面、极端天气、气候临界点以及各种大气环流模式如何在气候变化背景下发生转变通过分析这些变化及其潜在影响，我们可以更全面地理解气候系统的复杂性和未来可能的演变路径大气辐射强迫碳循环与大气相互作用人为排放陆地生态系统化石燃料燃烧和土地利用变化每年排放约10GtC吸收约29%人为CO₂排放，森林和土壤是主要碳汇大气累积海洋吸收约41%人为排放CO₂残留在大气中，浓度持续上升吸收约30%人为CO₂排放，导致海洋酸化碳循环是气候系统的核心组成部分，大气CO₂浓度变化直接影响全球辐射平衡工业革命前大气CO₂浓度约为280ppm，到2023年已升至417ppm，增长近50%这一增长主要由人类活动驱动，每年化石燃料燃烧排放约

9.5GtC，土地利用变化排放约

1.5GtC这些排放的CO₂中，约41%残留在大气中，30%被海洋吸收，29%被陆地生态系统吸收碳循环对气候变化既有正反馈也有负反馈主要的正反馈包括温度升高增加土壤呼吸释放CO₂；永久冻土融化释放大量碳；海洋变暖减弱碳吸收能力主要的负反馈包括CO₂浓度升高促进植物光合作用（CO₂肥沃化效应）；气候变暖延长北方地区生长季然而，研究表明，随着全球变暖，碳循环正反馈可能逐渐超过负反馈，碳汇效率可能下降模拟结果显示，到本世纪末，自然碳汇的减弱可能导致大气CO₂浓度额外增加100-250ppm水循环加速大气持水量降水分布极端降水根据克劳修斯-克拉佩龙方全球降水格局遵循湿地更极端降水强度增加约7%/°C，程，大气持水量随温度升高而湿，干地更干原则热带和超过平均值这主要是因为暴增加，约为7%/°C观测显高纬度地区降水增加，副热带雨强度与环境中可用水汽成比示，自1980年代以来，全球干旱区扩大陆地降水强度增例已观测到全球大部分地区海洋上空水汽增加约3-5%，加但频率减少，导致洪水和干极端降水事件频率和强度增与温度升高大致一致旱风险同时上升加全球变暖正在加速水循环过程，改变降水模式和强度随着气温升高，大气持水量按照克劳修斯-克拉佩龙关系增加约7%/°C，这导致蒸发和降水总量增加然而，由于能量限制，全球平均降水增加速率较慢，约为2-3%/°C这种差异意味着降水必须变得更加不均匀——要么强度增加但频率减少，要么空间分布更加不均观测和模式结果表明，全球降水正朝着湿地更湿，干地更干的方向发展热带和高纬度地区降水增加，而副热带干旱地区范围扩大在变暖的气候中，极端降水事件变得更加剧烈，每升温1°C，小时降水极值可能增加超过10%这对城市防洪系统设计提出了新挑战同时，降水间隔延长增加了干旱风险水循环加速还影响江河径流模式、土壤湿度和地下水补给，对全球水资源管理产生深远影响冰冻圈变化冰冻圈组成部分观测变化影响北极海冰夏季减少13%/十年北极增温放大，航道开放南极海冰长期趋势不显著区域性变化明显格陵兰冰盖年失质量275Gt海平面上升，淡水输入南极冰盖西南极显著减少海平面上升潜力大山地冰川全球普遍退缩水资源变化，灾害风险永久冻土温度上升，活动层加深释放温室气体，基础设施损害积雪覆盖范围减少，季节缩短反照率反馈，水文变化冰冻圈是地球气候系统中对温度变化最敏感的组成部分之一观测表明，全球变暖正在导致冰冻圈各组成部分迅速变化北极海冰尤其敏感，卫星记录显示北极夏季海冰范围自1979年以来以每十年13%的速率减少，2012年达到观测记录最低值与此同时，北极海冰厚度也显著减少，多年冰比例从1980年代的约60%下降到现在不足30%格陵兰和南极冰盖质量损失加速，年均质量损失分别约为275和150千兆吨全球山地冰川普遍退缩，对依赖冰川融水的地区水资源产生重大影响永久冻土区域温度上升，活动层深度增加，引发温室气体释放、地表塌陷等一系列环境变化这些变化通过多种机制影响气候，包括改变地表反照率、释放储存的温室气体、改变大气和海洋环流冰冻圈的快速变化不仅是全球变暖的明显指标，也可能通过正反馈机制进一步加速气候变化海平面上升极端天气事件变化热浪极端降水干旱全球热浪频率、强度和持续时间显著增加归因极端降水事件强度增加约7%/°C，接近大气持水全球变暖导致蒸发加强，增加农业和生态干旱风研究表明，2003年欧洲热浪、2010年俄罗斯热量增加率观测表明，全球约70%的陆地区域极险地中海型气候区、南部非洲、澳大利亚南部浪、2019-2020年澳大利亚热浪等事件的发生概端日降水事件频率增加短时强降水小时尺度等地区干旱频率和强度增加明显复合型干旱-热率和强度都因气候变化而大幅提高每升温1°C，增幅更大，增加城市内涝风险浪事件对生态系统和粮食安全威胁尤为严重致命热浪频率可能增加2-5倍气候变化正在改变极端天气事件的频率、强度和持续时间温度相关的极端事件变化最为明显——热极端事件增加，冷极端事件减少全球范围内，气温纪录被打破的频率明显高于冷纪录不仅日极端温度增加，热浪持续时间也在延长，增加了健康风险热胁迫指数结合温度和湿度的极端值增加更快，因为温度上升同时伴随着湿度增加降水极值的变化表现更为复杂，但总体趋势是强降水事件增加，尤其是短时强降水这导致洪水风险上升，特别是在城市地区和小流域干旱方面，虽然全球总降水增加，但蒸发也增强，区域性干旱风险上升近年来，多种极端天气同时发生的复合事件增加，如热浪与干旱、暴雨与风暴潮叠加，这给社会带来更大挑战极端天气变化归因研究表明，许多近期破纪录的极端事件在无人类影响的气候中几乎不可能发生，这强调了减缓气候变化的紧迫性气候系统临界点格陵兰冰盖不可逆融化亚马逊雨林转变为草原临界温度

1.5-2°C全球增温超过临界点后，临界点森林覆盖率降至总面积的40-60%即使温度回落，冰盖仍将继续流失完全融化由气候变化引起的干旱、森林砍伐和火灾相互会导致海平面上升约7米，时间尺度为数百至数作用，可能导致热带雨林系统崩溃一旦转变千年观测表明，格陵兰冰盖质量损失已加为草原状态，区域降水将大幅减少，释放大量速，冰面融水增加冰盖不稳定性碳，进一步加剧全球变暖大西洋经向翻转环流减弱临界点尚存在较大不确定性北大西洋淡水输入增加格陵兰融水、北极淡水可能削弱或中断这一重要洋流观测显示AMOC自1950年代以来已减弱约15%AMOC剧变将导致欧洲气温下降、全球降水带转移、海平面区域性快速上升气候系统临界点是指气候或生态系统元素在外部强迫达到特定阈值后，可能发生突然且不可逆转的转变这些转变通常具有正反馈特性，一旦启动很难停止，即使外部条件恢复也难以回到原状态研究表明，即使在巴黎协定目标全球增温控制在2°C以内下，仍有多个气候系统元素可能接近或超过临界点除上述三个主要临界点外，其他潜在临界点还包括西南极冰盖不稳定性、永久冻土快速融化、热带珊瑚礁大规模死亡等最新研究表明，这些临界点之间可能存在级联效应，一个临界点的跨越可能触发其他临界点目前的全球气候模式难以准确模拟这些临界行为，导致对临界点的理解和预测存在较大不确定性然而，最近的观测数据表明某些临界点可能比早期估计更接近触发阈值，强调了减缓气候变化行动的紧迫性大气环流模式变化哈德莱环流扩张观测和模式一致显示哈德莱环流向极地扩张副热带高压带北移主要副热带高压系统强度增加并向极移动风暴路径北移中纬度气旋路径整体北移，影响区域降水分布中纬度天气系统减速罗斯贝波相速度减小，天气系统停留时间延长全球变暖正在改变大气环流的基本特征，其中哈德莱环流扩张是最明确的变化之一观测和模式研究一致表明，热带上升气流区和副热带下沉气流区正以约1-2°纬度/十年的速率向极地扩张这一扩张导致副热带干旱带北移，影响地中海型气候区的降水格局与此同时，主要副热带高压系统如北大西洋高压、北太平洋高压强度增加并向极移动在中高纬度地区，北极增温减弱了南北温度梯度，影响了西风带和风暴路径观测表明，北半球风暴路径整体北移，减弱了中纬度某些地区的降水，增加了高纬度降水同时，罗斯贝波的相速度减小，导致天气系统移动速度减慢，增加了极端事件持续时间这解释了近年来观察到的阻塞高压增加和持续性极端天气事件增加这些环流变化与北极海冰减少、平流层臭氧变化等因素相互作用，形成了复杂的气候反馈系统理解和预测这些环流变化对改进区域气候预测至关重要季风系统变化亚洲季风非洲季风1强度与变率增加，高强度降水事件频率上升萨赫勒地区降水恢复，但年际变率增大印度洋季风北美季风3西南季风强度增加，热带气旋活动加强开始时间提前，强度增加但持续时间缩短全球季风系统正在响应气候变化，但变化模式复杂且区域差异显著亚洲季风区降水总量自20世纪中期以来总体增加，但空间分布发生变化——东亚季风区降水向北移动，印度季风降水强度增加但空间不均匀性加大观测和模式研究表明，极端季风降水事件频率显著上升，而中等强度降水相对减少，这增加了洪水和干旱风险非洲季风系统也在发生变化，西非萨赫勒地区自1980年代极端干旱后降水有所恢复，但年际变率增大北美季风区的变化特点是季风开始时间提前，强度增加但持续时间缩短澳大利亚季风降水的年际变率增加，与印度洋偶极子和ENSO变化相关IPCC第六次评估报告预测，随着全球变暖继续，全球季风总降水量和极端季风降水可能进一步增加，但季风环流可能减弱，导致区域性降水再分配这种湿季更湿，干季可能更干的趋势，加上极端事件增加，给季风区水资源管理和防灾减灾带来巨大挑战厄尔尼诺特征变化厄尔尼诺类型变化极端厄尔尼诺增加传统东太平洋型厄尔尼诺表现为东太平洋异常增暖，影响南美西海岸和观测记录表明，超强厄尔尼诺事件（如1982-83年、1997-98年、全球天气模式而中太平洋型厄尔尼诺也称莫多基型或暖池型则表现2015-16年）在近几十年更为频繁这些事件海温异常超过3°C，导致为中太平洋最大增暖，对全球气候影响模式不同全球范围极端天气，包括南美洪水、印度尼西亚干旱和森林火灾、全球气温跃升等研究表明，自1990年代以来，中太平洋型厄尔尼诺发生频率增加，这可能与全球变暖背景下热带太平洋平均态变化有关中太平洋型厄尔尼气候模式模拟表明，在高排放情景下，极端厄尔尼诺事件频率可能由历诺对西太平洋台风活动、东亚冬季气温和北美降水有不同影响史上约50年一次增加到约15年一次这种变化与赤道太平洋上层海洋温度梯度减弱和气候背景变暖有关，使得强El Niño更容易触发深层对流厄尔尼诺-南方涛动ENSO作为地球气候系统中最强的年际信号，其特征正在气候变化背景下发生转变除类型和强度变化外，ENSO与其他气候模态的相互作用也在增强例如，印度洋偶极子与ENSO的同步性增加，北大西洋振荡与ENSO的遥相关也在加强这种相互作用增强可能放大ENSO的全球影响关于未来ENSO变化，科学界仍存在较大不确定性一些模式预测ENSO振幅将增加，而其他模式则预测减小或保持不变这种不确定性部分源于模式对关键物理过程的模拟差异，如云反馈、上升流变化等然而，大多数模式一致预测ENSO相关降水异常将增强，这主要由大气中水汽含量增加驱动了解ENSO特征变化对全球季节预报和灾害风险评估至关重要，特别是对依赖ENSO信号进行季节性规划的农业和水资源管理部门北极放大效应2-413%倍数海冰减少北极增温速率是全球平均的倍数北极夏季海冰每十年减少比例-40%

0.6-

3.0积雪变化放大系数北半球春季积雪覆盖面积变化率气候模式预测的北极放大倍数范围北极放大效应是指北极地区增温速率显著高于全球平均水平的现象观测数据表明，近几十年来北极增温速率是全球平均的2-4倍，这一趋势在冬季更为显著北极放大效应的主要原因包括多重正反馈机制雪冰-反照率反馈（雪冰融化导致地表反照率下降，吸收更多太阳辐射）；海冰-反照率反馈（开阔水面比海冰吸收更多阳光）；海冰隔热效应减弱（海冰减少导致海洋向大气释放更多热量）；大气垂直结构变化（较强的低层逆温限制热量垂直扩散）北极放大效应对全球气候系统产生深远影响首先，它减弱了极地与中纬度的温度梯度，影响大气环流模式，如极地涡旋和喷流的强度与位置其次，北极放大加速了永久冻土退化，释放大量碳，形成正反馈此外，格陵兰冰盖融化加速导致海平面上升和北大西洋淡水输入增加，可能影响大西洋经向翻转环流模式预测表明，即使在巴黎协定目标下，北极放大效应仍将持续，对全球气候系统产生长期影响理解和准确模拟这一效应对气候变化预测至关重要第四部分观测与模拟技术先进观测系统从地面观测站到先进卫星系统，现代大气观测网络提供了前所未有的全球气候监测能力这些系统为理解大气物理过程提供了宝贵数据高性能气候模拟气候模式在过去几十年取得了长足进步，从简单的大气环流模式发展到包含大气、海洋、陆地、冰冻圈和生物地球化学循环的综合地球系统模式精确天气监测先进的雷达系统、探空网络和自动气象站网络提供了高时空分辨率的天气数据，支持精确预报和气候研究准确理解和预测大气物理现象及其气候影响，需要先进的观测系统和强大的模拟工具本部分将探讨现代大气观测技术、遥感手段、气候模式发展以及数值天气预报的进展随着技术的迅猛发展，我们对大气和气候系统的监测能力和模拟水平都取得了革命性进步这些进步不仅提高了天气预报的准确性，也增强了我们对长期气候变化的预测能力然而，大气物理过程的复杂性和多尺度特性仍然对观测和模拟提出巨大挑战，需要不断发展新技术和方法现代大气观测系统气象卫星系统雷达网络全球约20颗气象业务卫星，包括极轨卫星和地球静全球约1000部气象雷达，包括多普勒雷达和双偏止卫星极轨卫星如美国NOAA系列、欧洲振雷达多普勒雷达测量降水强度和径向风速；双MetOp系列提供全球覆盖；地球静止卫星如风云偏振雷达区分降水类型新一代相控阵雷达如美国四号、GOES-R、Meteosat提供连续区域观测NEXRAD更新提供更快扫描和更高精度雷达网卫星搭载多种仪器，测量大气温度剖面、湿度、云络为短临预报和极端天气监测提供关键数据特性、风场等参数地面与探空系统全球气象组织协调的全球地面站网络约5000个站点，提供气温、湿度、气压、风向风速等基本气象要素每日约1000次探空观测提供大气垂直结构数据自动气象站网络快速扩展，增加了观测密度海洋浮标和船舶观测补充海洋区域数据现代大气观测系统是一个综合的多平台、多传感器网络，提供从地表到平流层的全面监测这一系统的核心是世界气象组织协调的全球观测系统GOS，包括地面观测网、高空观测网、海洋观测系统和卫星观测系统近年来，自动观测设备和物联网技术的发展显著增加了观测密度，尤其是在城市和关键区域然而，全球观测系统分布仍不均衡，非洲、南美洲内陆和极地区域存在明显观测空白为弥补这一不足，国际合作项目如全球气候观测系统GCOS致力于建立更均衡的全球覆盖此外，公民科学和智能手机传感器等新兴技术正在补充传统观测网络数据同化技术的进步使得这些不同来源、不同精度的观测数据能够被有效整合到数值模式中随着5G网络和边缘计算的发展，实时观测数据的获取和处理能力将进一步提升，为气象预报和气候监测提供更强大的数据支持遥感技术进展微波辐射计穿透云层测量水汽、云水含量和降水新一代微波辐射计如GPM微波成像仪提供更高空间分辨率约5-10km和更高精度，在多个频道工作可区分雨、雪和云水微波探测在全天候条件下工作，弥补红外遥感的局限性激光雷达发射激光脉冲测量大气成分和结构空基激光雷达如CALIPSO提供全球云和气溶胶垂直分布，ICESat-2测量冰盖和森林高度地基激光雷达网络监测边界层高度、气溶胶和云高光谱成像仪特性拉曼激光雷达可测量水汽垂直分布，高光谱激光雷达可区分气溶胶类型每个像素记录数百个波段信息，分辨大气成分的光谱指纹OCO-2/3卫星测量CO₂柱浓度达1ppm精度；TROPOMI提供NO₂、O₃、CH₄等多种气体分布，水平分布率达7km×

3.5km地基高光谱网络如TCCON提供卫星验证数据遥感技术在过去几十年取得了革命性进步，从单

一、低分辨率观测发展到多平台、多波段、高时空分辨率的综合观测系统现代大气遥感涵盖从紫外到微波的整个电磁波谱，能够测量大气温度、湿度、风场、云特性以及数十种微量气体浓度主动遥感如雷达、激光雷达和被动遥感如辐射计、成像光谱仪相互补充，提供更全面的大气信息近年来，小型化卫星与立方体卫星的发展使得星座观测成为可能，大幅提高了观测时间分辨率例如，CYGNSS卫星星座利用GNSS反射信号监测海面风场，RainCube演示了小型降水雷达的可行性地球静止卫星仪器扫描速度大幅提升，如美国GOES-R系列提供5分钟一次的全圆盘扫描，为监测快速发展的对流系统提供了宝贵数据数据科学和机器学习技术的应用正在提高遥感产品的质量和覆盖范围，例如利用深度学习从微波数据中反演降水，或结合多源数据生成高分辨率全球大气成分分布图气候模式发展大气环流模式最早发展的气候模式，仅包含大气动力学和简单物理过程海气耦合模式加入海洋动力学，能模拟ENSO等海气相互作用现象地球系统模式整合碳循环、生物地球化学过程、动态植被和冰盖云分辨模式水平分辨率提高至1-5km，显式解析对流过程气候模式是研究气候变化的核心工具，在过去几十年取得了显著进步从最早的大气环流模式发展到现代地球系统模式，模拟的物理过程更加完整，分辨率大幅提高，耦合的系统组件更加丰富当前CMIP6计划中的先进地球系统模式已经包含大气、海洋、陆地、冰冻圈、生物地球化学循环等多个子系统，能够模拟气候系统的复杂反馈机制近年来，气候模式发展的主要趋势包括分辨率提高，全球模式水平分辨率从早期的300-500km提高到现在的25-100km，部分模式已达到10km以下；物理参数化方案改进，特别是云和辐射过程、陆面过程和边界层过程；碳循环和生物地球化学过程整合，使模式能够模拟气候-碳循环反馈；区域气候模式和变分辨率全球模式发展，提供高分辨率区域气候信息；集合预报和概率预测技术应用，更好地量化预测的不确定性尽管取得了这些进步，云过程、气溶胶-云相互作用、极端事件和区域气候变化的模拟仍存在较大不确定性，这些领域将是未来气候模式发展的重点数值天气预报进展大气化学与物理耦合气溶胶-云相互作用大气化学反应平流层-对流层交换现代气候模式加强了气溶胶与云微物理过程的耦地球系统模式整合了大气化学模块，模拟数十至现代气候模式提高了对平流层过程的模拟，包括合，模拟气溶胶直接效应散射和吸收辐射和间数百种化学物质的排放、传输、转化和清除过平流层-对流层交换、平流层臭氧化学和动力学接效应作为云凝结核改变云特性新一代模式程这些模式能够计算对流层臭氧、二次有机气这些改进对于理解臭氧层恢复、温室气体传输和能追踪不同来源和粒径的气溶胶，考虑其与云滴溶胶形成和重要氧化剂如OH自由基的分布，捕捉极地涡旋变化至关重要，同时改善了季节至年代形成、降水过程和辐射传输的相互作用大气化学与气候的复杂反馈际预测能力大气化学与物理过程的耦合是当代气候模式发展的重要方向早期气候模式主要关注大气动力和基本物理过程，而现代地球系统模式则整合了复杂的大气化学反应网络和气溶胶物理特性，能够模拟大气成分的演变及其对气候的反馈这种耦合对于理解短寿命气候强迫物如臭氧、气溶胶、甲烷等的气候影响至关重要气候-化学耦合模拟面临的主要挑战包括计算成本高，完整的大气化学机制包含数百种物质和反应；多尺度特性，从局地污染到全球传输涵盖多个时空尺度；过程理解不足，如二次有机气溶胶形成、云微物理过程等近期发展的重点包括在线耦合的气溶胶-化学-气候模式，考虑气候变化与空气质量的协同效应；整合人类活动如排放与自然系统如生物圈的相互作用；发展径流方案等计算优化技术，平衡模拟精度与计算效率这些进展将有助于理解气候变化与大气成分变化的复杂相互作用，为减缓和适应气候变化提供科学基础第五部分应对气候变化的策略减缓技术太阳辐射管理监测与预警碳捕获与封存、负排放技术等工程手段可以直接减少通过改变地球反照率或减少到达地表的太阳辐射来冷建立全球气候监测和极端天气预警系统对保护生命财大气中的温室气体浓度，为应对气候变化提供技术路却地球，包括平流层气溶胶注入、海洋云增亮等方产和指导适应措施至关重要，需要先进的观测技术和径，但也面临成本和规模化挑战法，但存在潜在风险和不确定性国际合作在理解大气物理现象及其气候变化影响的基础上，本部分将探讨应对气候变化的科学与技术策略从大气成分的人为调控到城市和区域适应措施，我们将分析各种干预手段的潜力、局限性和风险气候变化已成为人类面临的最紧迫挑战之一，需要全方位的应对策略减缓措施旨在减少温室气体排放或从大气中移除已排放的温室气体；适应措施则帮助社会应对不可避免的气候变化影响随着气候变化加速，越来越多的研究关注创新性干预技术，但这些技术往往伴随着伦理、治理和意外后果等复杂问题减缓气候变化的大气干预负排放技术太阳辐射管理直接从大气中移除已排放的温室气体的技术方案生物能源碳捕获与封通过改变地球辐射平衡来降低全球温度的技术方案平流层气溶胶注入存BECCS结合生物质能源生产与CO₂捕获，理论上可实现负排放；SAI模拟火山喷发冷却效应；海洋云增亮MCB增加低层云反照率；直接空气碳捕获DAC使用化学吸附剂直接从环境空气中提取CO₂；表面反照率修改如屋顶增白；空间遮阳在地球与太阳之间部署反射物增强岩石风化加速自然碳吸收过程；海洋碱化增强海洋碳汇能力IPCC评估表明，限制全球升温在

1.5°C以内几乎必然需要大规模部署负模拟研究表明，这些方法可能在短期内有效降温，但无法解决海洋酸化排放技术然而，这些技术面临能源需求高、成本高、规模化难度大等等CO₂引起的其他问题，且可能带来水循环变化、臭氧破坏等副作用挑战更重要的是，一旦停止实施可能导致终止效应，温度快速回升大气干预技术作为应对气候变化的补充手段正受到越来越多关注然而，无论是负排放技术还是太阳辐射管理，都面临技术可行性、成本效益、环境影响和社会接受度等多重挑战大多数专家认为，这些技术不应被视为减少温室气体排放的替代方案，而是在碳中和路径中的潜在补充手段关于这些技术的治理问题尤为复杂太阳辐射管理的单边实施可能引发国际争端；大规模负排放技术部署可能与粮食安全、生物多样性和水资源竞争因此，国际社会正在探讨建立适当的技术评估、风险管理和全球治理框架同时，小规模科学实验对理解这些技术的效果和风险至关重要在气候危机日益严峻的背景下，平衡创新与谨慎、科学与伦理，是大气干预研究领域面临的核心挑战大气成分人为调控直接空气碳捕获（DAC）直接从环境空气中提取CO₂的工程系统生物能源碳捕获与封存（BECCS）结合生物质能源生产与CO₂捕获的系统海洋增肥向海洋添加营养物质促进藻类生长吸收CO₂平流层气溶胶注入4向平流层注入反射性气溶胶减少太阳辐射大气成分人为调控技术旨在直接改变大气中温室气体浓度或太阳辐射吸收特性直接空气碳捕获DAC技术通过化学吸附过程从环境空气中提取CO₂，当前成本约为每吨CO₂600-800美元，远高于传统减排手段然而，技术进步和规模化可能将成本降至100-200美元/吨瑞士Climeworks和加拿大Carbon Engineering等公司已建立商业化DAC设施，但全球捕获能力仍不足万吨级，距离气候相关尺度每年数十亿吨有巨大差距生物能源碳捕获与封存BECCS结合生物质能源生产与CO₂捕获，理论上可实现负排放然而，大规模实施可能与粮食生产和生物多样性保护竞争土地资源海洋增肥通过向寡营养区域添加铁等营养物质刺激浮游植物生长，增加碳汇小规模实验表明效果不确定且持久性有限平流层气溶胶注入通过模拟火山喷发效应减少到达地表的太阳辐射，模式研究表明有迅速降温效果，但可能改变全球降水格局并损害臭氧层这些技术都涉及复杂的伦理和治理问题，需要全面的风险评估和国际协调框架城市气候调控绿色基础设施高反照率表面城市风道规划城市绿化包括屋顶花园、垂直采用高反照率屋顶（凉爽屋通过城市设计优化空气流通，绿墙、街道树木和公园等，能顶）和路面可显著减少太阳辐促进热量散发和污染物扩散有效降低局地温度研究表射吸收浅色屋顶可将表面温巧妙布局建筑高度、方向和密明，大型城市公园内部温度可度降低20-40°C，减少建筑能度，利用自然地形如河流和山比周围城区低3-5°C，创造公耗10-15%高反照率路面能降谷创造风道良好的通风廊道园冷岛效应绿色基础设施还低地表温度，改善行人热舒适可降低热岛效应强度15-25%，能吸收空气污染物，减轻雨水度，减少空调需求导致的能源同时显著改善空气质量径流，提高城市生物多样性消耗和温室气体排放城市热岛效应是城市气候的典型特征，城市区域温度通常比周围农村地区高2-6°C随着全球城市化加速和气候变暖，城市热岛问题日益严重，导致能源消耗增加、空气质量下降和热相关健康风险上升城市气候调控策略旨在缓解这些问题，提高城市气候适应能力除上述主要策略外，水敏感城市设计也是重要手段，包括雨水花园、透水铺装和人工湿地等这些措施通过蒸发冷却效应降温，同时改善城市水循环智能建筑技术如动态遮阳系统和需求响应空调能根据天气条件自动调整，进一步减少能耗最佳实践表明，综合应用多种策略效果最佳例如，新加坡花园城市战略综合了立体绿化、风道规划和水系统管理，使得这个热带城市即使在全球变暖背景下也保持宜居性城市气候调控不仅减轻热岛效应，还能提高能源效率，创造更健康、宜居的城市环境区域气候适应策略极端天气早期预警系统基于生态系统的适应措施整合先进观测网络、数值预报和人工智能技术的多利用自然生态系统功能增强气候适应能力红树林灾种预警系统世界气象组织倡导的全球预警覆盖和沿海湿地可减缓风暴潮和海平面上升影响；城市计划旨在到2027年确保所有国家都有早期预警系森林缓解热浪；山地森林预防洪水和滑坡这些措统高效预警系统可将极端天气造成的伤亡减少30-施通常比工程措施成本低，且提供碳封存、生物多40%，每投入1美元可产生约4-10美元的经济效样性保护等多重协同效益成功案例包括越南红树益关键是确保警报及时、可理解，并与应急响应林恢复项目，每年投入120万美元，节省730万美元体系紧密结合海岸防护设施维护费用水资源管理优化面对降水模式变化和极端事件增加，适应性水资源管理至关重要措施包括提高储水基础设施效率；发展非常规水源如雨水收集和废水再利用；改进灌溉技术如滴灌和精准灌溉；建设海绵城市增强城市水弹性中国海绵城市项目通过透水地面和雨水花园等，可吸收70%降雨，有效减少城市洪涝区域气候适应策略是应对气候变化不可避免影响的关键举措不同区域面临的气候风险各异，需要根据当地条件制定针对性策略沿海地区面临海平面上升和风暴潮威胁，需要海岸带综合管理；干旱区域需要改进水资源管理和抗旱农业技术；高山地区则应对冰川退缩和自然灾害风险增加农业系统调整是气候适应的重要组成部分措施包括开发耐旱、耐热、抗病虫害的作物品种；调整种植日历适应季节变化；多样化种植减少单一作物风险；推广保护性耕作增强土壤水分保持能力；发展精准农业减少资源投入许多地区正在建立气候信息服务体系，为农民提供季节性气候预测和农业决策支持适应策略的成功实施需要科学技术支持、制度和政策保障、社区参与以及资金支持气候适应不应孤立考虑，而应纳入可持续发展和灾害风险管理框架，寻求减缓与适应协同效应的综合解决方案大气监测与预警系统温室气体监测网络极端天气预警全球200多个地面监测站和多颗专用卫星组成的综合观整合气象雷达、卫星和高分辨模式的实时预警平台2测体系4跨境污染监控气候风险评估监测大气污染物长距离传输的多国合作网络结合气候预测、脆弱性分析和暴露度的综合评估系统大气监测与预警系统是应对气候变化和极端天气的重要工具全球温室气体监测网络是评估气候变化进程和减排效果的基础世界气象组织全球大气监视网GAW协调全球200多个地面站对CO₂、CH₄、N₂O等温室气体进行精确测量太空监测实现了全球覆盖，如OCO-2/3卫星测量CO₂分布，GOSAT系列监测多种温室气体这些数据对验证国家排放清单、评估自然源汇变化和指导减排政策至关重要极端天气智能预警技术结合了多源观测数据、高分辨率数值模式和人工智能方法，显著提高了预警时效和准确率现代系统已从单一气象要素预警发展为多灾种影响预警，考虑特定极端事件对关键基础设施、公共健康和经济活动的潜在影响跨境大气污染监控网络如欧洲EMEP计划、东亚酸沉降监测网络EANET对促进区域空气质量管理和政策协调发挥重要作用随着物联网、5G网络和边缘计算技术发展，大气监测正向更高分辨率、更实时、更智能化方向发展完善的监测预警体系不仅为科学研究提供数据支持，也是保障公众健康安全和引导政策决策的关键基础设施未来研究方向大气物理与气候科学未来研究面临诸多前沿挑战气候系统非线性过程研究是关键方向，包括临界点识别、反馈放大机制和突变预警指标由于气候系统的复杂性和非线性特征，传统的线性统计方法不足以捕捉这些动力学特性新兴的技术如动力系统理论、复杂网络分析和机器学习方法为研究这些非线性过程提供了新工具云反馈机制的精确量化仍是气候预测的最大不确定性来源需要发展更高分辨率的观测和模拟技术，特别是对低层云和对流云系统的微物理过程多尺度大气动力学模拟是另一重要方向，旨在统一理解从湍流到全球环流的跨尺度过程这需要发展适应性网格技术和跨尺度参数化方案气候临界点早期预警系统的开发对防范潜在不可逆转变至关重要，结合古气候记录、现代观测和先进模型，识别系统接近临界状态的早期信号此外，气候-社会系统耦合模型、气候工程风险评估、碳中和路径优化等交叉研究领域也日益重要这些前沿研究将为理解复杂气候系统和制定有效应对策略提供科学基础总结与展望大气物理过程是气候系统关键组成人为活动已显著改变大气物理特性从大气环流到云形成，从辐射传输到降水产生，温室气体增加改变了大气辐射特性；气溶胶排放大气物理过程构成了气候系统的基础理解这些影响云的形成和降水过程；土地利用变化改变了过程及其相互作用对于解释过去气候变化和预测地表能量平衡这些变化导致全球增温、水循环未来趋势至关重要大气物理与化学、海洋、冰加速、极端天气增加等一系列气候效应过去冻圈、生物圈的复杂耦合决定了气候系统的整体150年人类活动对大气的改变超过了过去数千年行为自然变化的幅度科学理解与技术进步提供应对途径先进观测系统提供全球大气监测能力；高性能计算和模式发展提高了气候预测水平；新兴负排放技术和适应策略为减缓气候风险开辟了可能科学进步不仅深化了对大气物理过程的认识，也为政策制定提供了科学依据，为技术创新指明了方向大气物理现象及其在气候变迁中的作用是一个不断发展的研究领域本课程系统梳理了从基础大气物理知识到复杂气候系统相互作用的关键概念，从观测技术进步到模拟方法创新的发展历程，从减缓策略评估到适应方案设计的实践应用气候变化已成为人类面临的最紧迫挑战之一，需要自然科学和社会科学的跨学科合作展望未来，我们需要进一步加强对大气物理过程的基础研究，特别是云反馈、大气-海洋相互作用、极端事件等关键不确定性领域；加速观测和模拟技术创新，建立更精确、更全面的气候监测和预测系统；促进科学、技术和政策的有效衔接，将科学发现转化为具体应对气候变化的行动气候变化的复杂性和全球性要求国际社会加强合作，共同面对这一人类共同挑战通过科学引领、技术支撑和全球协作，我们有能力建设一个可持续、韧性和公平的气候未来。