第一工作组科学基础

D.1 气候过程与反馈

　　气候系统中的过程决定了气候系统的自然变率，以及对诸如大气温室气体浓度增加的扰动的响应。许多基本气候过程的重要性得到充分的认识，其过程也很好地得到模拟。反馈过程对初始扰动起着放大（正反馈）或减小（负反馈）的作用，因此，它对正确模拟气候演化有着重要的影响。

水蒸汽

　　用于解释由气候模式预测的对应于CO₂增加引起的大的增暖的主要反馈是大气中水蒸汽的增加。大气中温度的升高，引起了其含水能力的增加，尽管如此，由于绝大部分大气是非饱和的，这并不直接意味着水蒸汽自己一定会增加。在边界层内（大约是大气最低的1到2公里），水蒸汽随温度的增加而增加。而在边界以上的自由对流层，那里水汽的温室效应是最重要的，情况较难确定。由现有模式得到的水汽反馈，大约把相对于固定含量水蒸汽的增暖放大了一倍。在SAR以来，尽管云中水汽的逸失还存在较大的不确定，模式中水汽的分布和实际观测还存在差别，模式中水汽的处理已得到了较大的改善。模式已经能够模拟到位于热带和副热带有观测记录的潮湿和干燥地区，以及它们如何在各年、各季节间进行演化。如果更进一步的话，这并没有提供一个反馈的检验，尽管明显的差值倾向于一个正的晴空水汽反馈，其量级可以和模拟中的相比。

云

　　自1990年IPCC第一次评估报告以来，在未来气候预测中的最大不确定性来自云及其辐射相互作用。云可以吸收和反射太阳辐射（从而降低地表气温），同时又吸收和放射长波辐射（从而增暖地面）。这些作用的整体效果取决于云的高度、云的厚度及其辐射特性。云的辐射特性和变化取决于大气中水汽、水粒、冰粒、大气气溶胶的分布和云的厚度。尽管还有相当大的不确定性，云参数化的物理基础因在云水收支方程中引入云微物理特性的整体表示，而在模式中有很大的改进。云表现为气候模拟中一个显著的潜在误差。模式系统性地低估云对太阳辐射的吸收，这种可能仍然是一个存在争执的问题。云净反馈的符号还是一个不确定的问题，不同的模式给出了相当大的差异。更进一步的不确定性来自于降水过程，及在准确模拟日循环及降水量和频率方面的困难。

平流层

　　由于平流层结构的变化和对其辐射与动力过程的重要作用的认识，平流层在气候系统中的重要性越来越多得到重视。大气中包括平流层的温度变化的垂直廓线，是检测和成因研究中一个重要指标。大部分观测到的平流层低层的温度降低被归因于臭氧的减少，南极的臭氧洞是其中的一部分，而非CO₂浓度的增加。对流层中产生的波动可以传播到平流层，并在那里被吸收。结果，平流层的变化会改变这些波的吸收地点和方式，这种作用又可以下传到对流层。太阳光照的变化，主要是在紫外波段（UV），会引起由光化学反应造成的臭氧变化，从而改变平流层加热速率并进一步改变对流层的环流。分辨率的局限和对一些平流层过程相对较差的描述，增加了模式结果中的不确定性。

海洋

　　在海洋过程的模拟方面有了一些大的进展，特别是热量传输方面。这些进展，与分辨率的增加相联系，在减少模式对通量调整的要求，形成自然大尺度环流型的真实模拟和改进厄尔尼诺模拟方面非常重要（见框4）。海洋洋流携带热量从热带到高纬度地区。海洋与大气交换热量、水（通过蒸发和降水）和CO₂。由于其巨大的质量和热容量，海洋减缓了气候变化，并影响海-气系统变率的时间尺度特征。在与气候变化相联系的海洋过程的了解方面有了较大进展。分辨率的增加，以及对重要的次网格尺度过程（如中尺度涡旋）表征（参数化）的改进，增加了模拟的真实性。在小尺度过程，如溢流（通过狭窄通道的洋流，如通过格陵兰和冰岛的），西部边界流（即沿岸的大尺度狭窄流），对流和混合等的表征方面仍存在很大的不确定性。尽管对气候的影响还不清楚，气候模拟中的边界流较实际的弱而宽。

框4: 厄尔尼诺/南方涛动

　　在年际时间尺度上最强的自然变率是厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）。“厄尔尼诺”一词，最早是指每年在圣诞节期间发生的，沿秘鲁海岸向南的弱的暖洋流，仅与其后不寻常的大的增暖相连。但是，这种沿岸的增暖，一般与国际日界线附近的更广阔海洋的异常增暖相联系，而就是这个太平洋海盆范围现象建立了其与异常全球气候型的连接。与“厄尔尼诺”相连的大气部分就是"南方涛动"。科学家们经常将这种大气和海洋共同作用的现象合起来，称为ENSO（厄尔尼诺-南方涛动）。

　　ENSO是一个自然现象，在珊瑚芯和安第斯山脉的冰芯证据表明，它已经存在了上千年。赤道太平洋地区的海洋和大气条件很少达到平衡状态，但厄尔尼诺与它的反位相拉尼娜，由一个赤道太平洋海盆范围变冷组成，两者之间在某种程度上波动是不规则的，倾向于3到6年周期。每次事件最强的位相一般可以延续大约一年。

　　太平洋海表温度明显不同的分布型，决定了ENSO事件不同的阶段。关键的特征是，位于赤道西太平洋的“暖池”，那里有全世界最暖的海水；东太平洋冷很多的海水；和沿赤道在10月份最强、3月份最弱的冷舌。大气在赤道从东方来的信风，将西部的暖水堆积起来，产生沿赤道从东向西0.60米高的向上的斜坡。风驱动表面洋流，这决定了表面海水向哪里流动和转向。这样，较冷的富含营养的海水沿赤道和美洲西部沿岸自下层上翻，有利于浮游植物、浮游动物、以及鱼的发育生产。由于对流和雷暴易于在暖水上方发生，海表面温度的分布型决定了热带地区降水的分布，反过来，这通过潜热释放又决定了大气加热型。加热驱动热带大尺度季风型环流，从而决定风的整体情况。热带这种大气和海洋间很强的耦合作用引起了厄尔尼诺现象。

　　厄尔尼诺期间，从热带西太平洋来的暖水当信风减弱时向东迁移，使热带风暴的分布型迁移，进一步减弱了信风，从而加强了海水温度的变化。当暖水沿赤道向东涌动时，海面在西部下降，而在东部升高，最高达0.25米。但是，大气环流的变化并不局限于热带地区，而是伸展到全球，影响急流分布和中纬度的风暴路径。大致相反的形式发生在相反的拉尼娜相位现象中。

　　与ENSO相联系的变化产生了每年全世界天气和气候很大的变化。这些经常对人类和社会有深远的影响，因为和它们经常相联系的有干旱、洪水、热浪和其他一些严重破坏农业、渔业、环境、健康、能源需求、空气质量以及火灾危险等的变化。ENSO在模拟大气中CO₂变化中也起着显著的作用。热带太平洋正常的富营养和CO₂海水上翻，在厄尔尼诺期间被抑制。

冰冻圈

　　对海冰过程的表征在不断改进，现在一些气候模式引入了冰动力过程的物理处理。全球模式中，对陆地冰过程的表征仍需发展。冰冻圈包括地球上那些季节性或长年性被雪冰覆盖的地区。海冰是很重要的，因为它较海面反射更多的入射太阳辐射（即有较高的反照率）；并且在冬季绝缘海洋，减少其热量损失。这样，海冰的减少给高纬度气候变暖提供一个正的反馈。更进一步，由于海冰较海水包含较少的盐，因此海水结冰时，海洋表层的含盐量（盐度）和密度会增加。这促进了与低层海水的交换，而影响海洋环流。冰山的形成和冰架的融解将淡水由陆地返还海洋，因此这些过程速度的变化可以通过表面盐度的变化影响海洋环流。雪盖较陆地有较高的反照率；因此，尽管作用比海冰小，雪盖的减少也会导致类似的正反照率反馈。雪方案和冰覆盖及其厚度的次网格尺度变率的复杂性不断增加，这可以显著地影响反照率和大气-海洋交换，它们已经被引入部分气候模式。

陆地表面

　　包括最新陆地表面表征的模式研究表明，CO₂增加对植物生理的直接效应，可以导致热带大陆地区土壤水分蒸发蒸腾损失总量的相对减少，这与区域增暖和变干相联系的，由通常的温室效应预测的。当人为气候变化（如，气温增加，降水变化，净辐射加热变化，和CO₂的直接效应）可以影响陆面状况（如，土壤湿度，反照率，粗糙度和植被）时，陆面变化有重要的反馈作用。能量、动量、水、热量和碳在陆面和大气间的交换，在模式中可以被定义为局地植被类型和密度，以及土壤厚度和物理特性的函数，它们都基于由于使用卫星观测而不断得到改进陆面数据库。最近在植物光合作用和水利用方面的认识进展在新一代的陆面参数化中，被利用来耦合陆地能量、水和碳循环，它们已为场地观测验证并引入到部分GCM中，得到了陆地-大气通量模拟中可证实的改进。尽管如此，在土壤湿度过程、径流预报、土地利用改变和雪以及次网格尺度不均匀性处理等方面还有一些重要的问题需要解决。

　　陆地表面覆盖的改变可以在几方面影响全球气候。潮湿的热带地区（如南美、非洲和东南亚）大规模的森林砍伐已被证实为最重要的在进行中的陆面过程，因为它减少了蒸发，增加了表面温度，这些作用已经定性在模式中得到体现。但是，大规模森林砍伐，特别是在亚马逊河地区对水文循环的定量作用还存在着很大的不确定性。

碳循环

　　基于过程的陆地和海洋碳循环模式的最新进展和它们相对于观测的检验，给它们在未来情景研究中的应用提供了可靠依据。在自然界中，CO₂快速地循环于大气、海洋和陆地。但是，人类活动引起的CO₂扰动需要非常长的时间才能够消除。这是由于海洋和陆地碳储存地增加率受到限制的过程引起的。人为CO₂由于海水的高溶解度（因碳化学的自然性质）而被海洋吸收，但吸收的速度由于有限的垂直混合速度而受到限制。人为CO₂被陆地生态系统的吸收有几种可能机制，如土地管理，CO₂施肥作用（由于大气CO₂浓度增加引起的植物生长的加强），以及人为氮输入的增加。这种吸收由于只有相对较少份额的植物碳可以进入长期储存（木材和腐植质）受到限制。排放的CO₂被海洋和土地吸收的比例随CO₂浓度的增加会减少。基于过程的海洋和陆地碳循环模式（包括物理，化学和生物过程的表述）被开发出来并与相关自然碳循环观测进行比较评估。不建立模式来模仿碳循环中人类活动的扰动，并能够产生与观测到的全球趋势总体类似的海洋和陆地碳吸收的时间序列。模式间还存在很大的不同，特别是在如何处理物理海洋环流和陆地生态系统对气候的局地响应方面。尽管如此，现在的模式一致指出，当气候变化的效应得到考虑时，海洋和陆地对CO₂的吸收会减小。