第2章 气候变迁经济学的理论基础

2.1 物理学基础

短期气候变化一般是指时间尺度为两周以上至一季度的大气环境的变化，如北半球中高纬度地区的指数循环、阻塞高压的长期维持，在热带地区环流的30～50天周期的低频振荡，在南亚与东亚的季风活跃与中断，以及由季风所引起的我国江淮流域的梅雨等现象都是时间尺度为两周以上的环流变化。

近年来，由于世界许多地方发生了大范围的干旱、洪涝、严寒与酷暑，给世界人民带来严重的灾害，因此，人们越来越重视气候变化。而要预测短期气候的变化，首先必须弄清短期气候变化的物理机制，所以在世界气候研究计划中把研究短期气候变化的物理基础作为第一目标。

2.1.1 短期气候变化的全球性

从20世纪70年代起，大气科学的一个重要进展是认识到气候系统。大气本身存在着各种空间尺度的运动，还受到太阳的直接辐射，又以长波辐射的形式射向天空，而且大气处于地球海洋、陆地之上，在陆地上还有冰雪、植被、山脉，在大气中还有许多种微量气体，在海洋及陆地之下还有岩石圈，它们之间的相互作用构成了各种不同时间尺度的气候变化。

从大气运动的动能制造和消耗两方面看，由大气的位能所转换的动能大约在一周左右的时间内就消耗尽了，所以时间尺度七天以上的大气环流的演变所需的动能靠本身的位能转换是不够的，它还需要由外界提供能量来补偿动能的消耗。因此，引起短期气候变化的原因不仅仅是大气内部的动力与热力过程(总称为大气的内动力过程)，而更重要的是外部强迫过程，即受下垫面作用的过程，下垫面将补偿一部分能量。并且由于这样长的时间内，大气任何一部分变化都不能看成是独立的，它的演变不仅由它自身的状况所决定，还取决于大气所有其余部分的状况，因此，短期气候变化不可避免是全球性的，它应看成是全球大气环流的一种振荡过程。

2.1.2 大气的内动力过程

短期气候变化最本质的物理成因是它的非绝热性，即外部对大气的加热或动力强迫作用。但是，外因必须通过内因起作用，人们很早就认识到短期气候变化主要是由于大气活动中心的变化，产生具体的天气现象的高低压活动是与大气活动中心相联系的。从20世纪50年代起人们就认识到这些活动中心的演变和异常与大气中波数为1～3的准定常行星波的变化和异常有着密切关系。因此，短期气候变化与大气中的行星波动力学有着密切关系。

1．行星波动力学

1) 准定常行星波的形成

从20世纪50年代起人们就研究了准定常行星波的形成原因，并相继提出了地形强迫在准定常行星波形成中的作用、热源在准定常行星波形成中的作用，及地形与热源在行星波形成中的共同作用。但是这些研究局限于两层模式。后来发现行星波在经向与垂直方向会传播，因此，行星波的传播与基本气流的垂直及水平结构有密切关系，这样到了80年代开始利用在垂直方向具有充分分辨率的模式来研究准定常行星波的产生。许多模式的计算结果表明了地形与热源在准定常行星波的形成中都是很重要的，但相比之下，热源作用更为重要。

2) 行星波的演变

近年来，人们利用波包的概念来研究行星尺度扰动的演变规律。最近有的学者已提出在纬向非均匀时间平均气流上也存在着正压不稳定，这种不稳定同样也可以引起短期气候的变化，并且利用波包的概念来研究这种不稳定。

3) 准定常行星波的传播

在研究准定常行星波形成的同时，许多学者利用波的折射指数与能量的方法研究了行星波在垂直切变基流中的传播。近几年，人们不仅研究了准定常行星波在球面上的传播，还利用波的折射指数及E-P通量矢量来研究准定常行星波在三维空间中的传播。指出了冬季准定常行星波在三维空间中传播存在着两支波导，而在夏季或冬季低纬度强迫源强迫所产生的准定常行星波可以准水平地通过对流层传播到中、高纬度对流层的上层，这就可以很好地解释短期气候变化的相关问题。

4) 行星波与基本气流的相互作用

行星波的传播会引起纬向平均气流的改变，近年来提出一个新的物理量——Eliassen-Palm通量，这个量可以较好地表征行星波与基本气流相互作用的量，不少学者已利用这个物理量来研究与短期气候变化有关的平流层爆发性增温、阻塞高压及指数循环的形成原因。

2．非线性动力学

张洛伦(Loren Chang)指出，由于大气是一个强迫、耗散的非线性系统，因此在这个系统的解存在着分岔，混浊及怪吸引子的现象。他认为地球大气是一个准自动(Almost-Intransitive)系统，即便是外部条件一点儿也没改变的情况下，气候也可能产生变化，也就是说气候变化不仅受外部条件改变的影响，大气内部系统的影响也非常重要。近年来不少学者利用低阶模式与WKBJ方法研究了在有强迫及耗散条件下大气的非线性运动，指出大气环流存在着多平衡态，即在一定外源条件下，大气运动存在着高指数环流与低指数环流的两种运动状态，并且状态的改变是突变性的，用此理论在某种程度上也解释了阻塞高压的产生机制。

3．外源强迫作用

1) 地形的强迫作用

地形对大气的动力强迫及力矩作用对于短期气候环流系统的形成起了很重要的作用。

2) 大气下垫面的热状况

短期气候变化的非绝性是近几年许多气象学家研究的结果。大气的下垫面不断向大气提供感热与潜热，它是短期气候变化能量的“储存器”与“调节器”，因此大气的下垫面热状况的变化将会引起短期气候的很大变化。

引起短期气候变化最重要的下垫面是海洋，海洋混合层的海温发生异常增暖，如厄尔尼诺现象，则海洋向大气输送的感热及潜热大大增强，这将引起热源的异常，从而由于热源的强迫使大气环流产生一系列的变化。近年来的研究表明了不仅赤道东太平洋海温异常会引起东亚短期气候的异常，热带西太平洋、印度洋、大西洋的海温异常造成的热源异常对东亚短期气候的异常也有着重要影响，因此海—气相互作用是引起短期气候变化的一个相当重要的原因。

青藏高原是北半球夏季的最大热源，它的热状况是由多因素决定的，如冬春季的雪盖异常就会造成东亚大气环流的异常，还有陆地表面的热状况也影响着短期气候的变化。

到目前为止，国内外在探索短期气候变化上做了大量工作，但都局限于单一因子，由于大气是一个不可分割的整体，控制短期气候变化也是多因子，任何一个区域的短期气候的变化都是来自全球各种物理因子作用所造成的。所以，我们需进一步研究多因子作用下短期气候的变化以及因子之间的相互作用，只有这样，才能逐步弄清全球短期气候变化的物理机制。