第8章 认识大气/海洋变率耦合动力学100年进步

大气和上层海洋状态的实地观测网和再分析产品,显示了明确的从季节到年代际耦合气候变率的大尺度特征。我们通过观测分析、用各种复杂程度的非耦合和耦合大气和海洋模式进行试验及从理论发展视角,总结了这些现象及其物理含义。我们从讨论赤道热带太平洋和大西洋季节循环开始,它无疑受到了大气和海洋之间耦合的影响。之后,我们讨论仅仅因为大气和海洋之间耦合而存在的热带现象:太平洋和大西洋经向模态,太平洋上的厄尔尼诺-南方涛动(ENSO),以及大西洋类似ENSO的现象。对于ENSO,我们进一步讨论ENSO冷暖阶段之间的不规则和不对称的来源,以及ENSO对强迫的响应。北半球中纬度所有尺度变率的基础,首先是不依赖于海洋、陆地或海冰分布状态的任何变化而存在的非耦合大气变率。这些特征包括北大西洋涛动(NAO)、北太平洋涛动(NPO)和太平样北美/阿留申低压(PNA)分布;它们大多在冬季最活跃,时间谱近似于白噪声。NPO、PNA和NAO的随机变率通过湍流交换和Ekman传输在从天到年际时间尺度上驱动海洋,在年代际和更长时间尺度上通过风应力驱动。PNA是导致太平洋年代际涛动的部分原因;NAO是北大西洋类似副极地海洋涡旋现象的成因。模式方面,NAO的随机强迫还使得大西洋经向翻转环流(AMOC)的强度变率增加,它是被称为大西洋多年代涛动(AMO)的北大西洋气候多年代际距平的部分原因;充分确定AMO物理机制的观测尚不存在。我们评述过去50年里我们在认识这些现象中取得的每一个进步,以及惠及的短期(季节到年际)气候预测。最后,简要讨论将要实现的进展暂时性措施和期盼中的进展。

第10章 气相大气化学研究的百年进展

近100年来,人们对大气化学成分、平流层和对流层化学、城市空气污染、酸雨以及气相化学中大气颗粒形成的认识取得了显著进展。这一进展在很大程度上与人们对臭氧以及氮氧化物、NO和NO2在平流层和对流层的形成和作用的理解有关。查普曼1931年的开创性工作催生了平流层化学,随后Crutzen、Rowland和Molina发现了催化臭氧循环、氟氯烃对臭氧的破坏以及极地臭氧洞,因此被授予1995年的诺贝尔化学奖。20世纪50年代和60年代,在洛杉矶刺痛眼睛的烟雾的刺激下,奠定了对流层化学现代认识的基础。羟基自由基(OH)的重要性及其与氮的氧化物(NO和NO2)的关系逐渐显现。导致酸雨的化学过程得到了阐明。大气中含有大量的气相有机化合物,它们是动植物排放、自然和人为燃烧过程、海洋排放和释放到大气中的有机物氧化的结果。当气相有机化合物经历氧化产生冷凝成颗粒相的低挥发性产物时,产生大量大气有机颗粒物。一百年前,化学反应速率的定量理论还不存在。今天,全面的计算机编程可用于详细计算化学反应速率和大气反应机制。了解大气化学在气候变化中未来的作用,进而了解气候变化对大气化学的影响,对于制定有效的保护地球的政策至关重要。

第24章 应用气象100年进步Ⅲ:新兴应用

应用气象学是一个重要且快速发展的领域,AMS百年文集系列分三章,分别对最早期、最成熟的应用领域以及当前进展迅猛的新兴应用领域的发展进行了全面介绍。这三章共同描述了应用气象学是如何利用气象学信息一方面既满足社会的需求,另一方面又反向加深和促进人类对自然界基本物理过程的认识。本章是应用气象学的第三章,也是最后一章,探讨了气象学在农业与粮食安全、空间天气、野火管理中的应用,以及人工智能技术在应用气象学中的发展。

第11章 云物理、气溶胶和气溶胶化学100年进步

本章回顾了云核发现的历史及其对云微物理学和气候系统的影响。包括John Aitken、Sir John Mason、Hilding Kohle、Christian Junge、Sean Twomey和Kenneth Whitby在内的先驱为该领域奠定了基础。通过他们和其他很多学者的贡献,近一百年来,在理解大气气溶胶的来源、演变和组成、颗粒物与大气水蒸气的相互作用以及云微物理过程方面取得了快速的进展。测量能力和理论理解方面的重大突破阐明了云凝结核和冰核颗粒的特征,以及它们在塑造云微物理性质和形成降水中所起的作用。尽管取得了这些进步,但对云的形成和演化的影响尚未全部得到解决。在未来的气候预测中,气溶胶-云的相互作用对气候系统产生的辐射强迫仍然是一个无法接受的巨大不确定因素。对气溶胶-云相互作用的过程尺度的理解仍不足以支持技术减缓策略,例如人工影响天气或加速地球系统范围内温度和天气形势变化的地球工程。

第12章 地球系统模式开发100年

今天的全球地球系统模式起源于对流层天气系统的简单区域模式。过去的一个世纪,模式的物理现实性稳步提升,而模式的范围已扩大到包括全球对流层和平流层、海洋、含植被陆面和陆地冰盖。本章大致按时间顺序概述了成就今天模式的许多概念和技术的深远进步。为简洁起见,我们省略了对化学和生物地球化学,以及陆地冰盖作用的讨论。

第26章 社会科学、天气和气候变化

目前很少有人否认,极端天气和气候变化是我们这个时代面临的最紧迫的问题之一。人们也普遍认为,实质上人类既是问题的一部分,也是解决方案的一部分。在过去的一百年里,美国气象学会(AMS)一直支持天气和气候科学,但直到最近才将社会科学纳入其中。本章中,我们回顾了社会科学在气候影响方面的一些趋势--目前正在借此了解人类与天气、灾害和气候变化的相互作用,包括知识应用的科学,脆弱性和适应性的科学,气候变化、健康和安全方面的科学。我们认为社会科学在AMS期刊中稳步增长并对该领域产生了影响(特别是在关注影响的期刊《天气、气候和社会》创刊后),但在AMS内仍有很大的发展空间来体现文献中众多的天气和气候的社会研究领域。一个重大挑战是,提高AMS产生的知识的可利用性和应用实践,为减缓和应对气候变化的决策提供信息。

第3章 海洋观测系统100年进步

评述了观测海洋的超过100年的历史。海洋观测的特别种类(如船载水文、系泊和漂流浮标)与这些测量可能带来的一些发现和动力认识一起进行了概述。到1970年代,孤立的和"探险队"观测方法演化成为覆盖大面积海洋、处理多尺度现象、使用各种仪器设备并配备模拟和分析研究团队的外场试验。洋中动力学试验(MODE)面对中尺度"涡旋"及其与更大尺度洋流的相互作用,采用了新的海洋模拟和试验设计技术,还开发了一系列观测方法。MODE之后,新仪器站网建立,用于研究控制不同区域海洋行为的过程。热带海洋全球大气项目得到热带太平洋多年时间序列,并最终预报了像ENSO这样的耦合海洋大气现象。世界海洋环流试验(WOCE)在较少漂浮和系泊设备直接速度观测区域,利用温度、盐分和其他示踪观测在全球海洋量化海洋传输。东部和西部边界层洋流吸引了复杂的观测,不同沿海区域有其独特的科学和社会意义上重要的现象,成为区域观测系统的的选择地。当前出现的很多类型仪器组成网络观测阵列的趋势在持续,为认识和预报大尺度海洋现象提供了可行之路。

第23章 应用气象100年进步Ⅱ:与人口增长相关的应用

应用气象Ⅱ介绍了气象学在满足不断增长的人口需求方面的应用,讨论了与满足当前和未来人口需求有关的四个不同但相互关联的主题。第一个是关于城市化本身以及人口增长对环境施加的压力,以及随之而来的城市景观(如建筑和人行道)增长,它们如何改变气流和创造局地气候。应用气象II描述了这些变化对环境以及对未来的影响。第二个主题是能源,不断增长的人口对能源的需求越来越大,传统能源对环境造成了负担,以大气和水圈作为燃料的可再生能源不断增加。为了利用这些不稳定的可再生资源,高效、经济地维持电力系统,提供可靠的电力并尽量减少对环境的影响,需要气象信息的支持。第三个主题是大气污染,不断增长的人口导致了环境污染。因此,了解和模拟大气污染物的输送和扩散是控制污染和减轻影响的重要步骤。应用气象II描述了污染模型的发展历程,以及它们在现代环境监管中的使用及验证方法。最后一个主题是地面交通,讨论了交通运输部门对气象信息的需求及获取方式,阐述了天气信息如何帮助提高地面交通的安全性和效率。