§1.4 全球气候系统
大气环流的变化直接与气候变化相联系，大气环流又直接受到海洋异常的影响。在一定的时间尺度下，一个地区的大气环流系统与另一地区的大气环流系统，甚至不同地区的海洋环流系统发生了相互作用。对应的气候变化就是多个大气和海洋环流系统交互作用的结果。
看来，一个地区的气候变化，如赤道东太平洋的海温异常不是简单的一个局地环流系统影响的结果，而是多个环流系统，甚至不同介质中环流系统相互作用的结果。我们可以把与某一气候变化有联系的多个环流系统组合起来，构成一个集成的系统，并希望从这个系统的分析中认识这一气候变化的原因和提出气候变化的预报方法。显然，这个系统是一个更为复杂的系统。
随着人们对气候变化形成原因认识的深入，长期的气候变化不单单是几个大气和海洋环流系统异常变化的结果。像季风环流，它的异常变化与海陆温差有关，而海洋部分的温度变化与洋流、太阳辐射、云反馈过程有关。陆面温度变化与植被、土壤水分，甚至冰雪特征变化有关。洋流、植被、土壤水分、冰雪等不但在变化，还存在于不同的系统介质之中。
现在的全球气候系统实际上是把气候变化考虑成不同介质中物质运动、能量交换和动力学相互作用的结果。这样的全球气候系统包含五个组分（components），每一个组分大致是环绕地球的一个圈层。它们依次是大气圈（atmosphere）、水圈（hydrosphere）、冰冻圈（cryosphere）、生物圈（biosphere）和陆地表面（land surface）。全球气候系统的研究包含对组分的认识，对每一个组分中变化过程的认识，对这些组分之间相互作用和反馈过程的认识等方面。
（1）大气圈是这个系统中最不稳定的和最迅速变化的组分。大气圈内部存在大大小小的环流系统，是构成气候变化的基本单元。现在地球上的干空气主要由氮气（N2,78.1%体积混合比，下同），氧气（O2,20.9%）和氩气（Ar,0.93%）组成。太阳入射对这些气体有作用，而地球放射的长波辐射对其没有作用。然而，有些微量气体，像二氧化碳（carbon dioxide,CO2），甲烷（methane, CH4），一氧化二氮（nitrous oxide, N2O）和臭氧（ozone,O3），它们能够吸收和放射长波辐射，所以成为温室气体。它们虽然占大气的体积混合比还不到0.1%，但在地球的能量收支中扮演了主要的角色。大气中包含的水汽（H2O），也是自然的温室气体。水汽的体积混合比是随高度变化的，其总量不超过1%。这些温室气体吸收从地球辐射出的长波辐射并向外（空）和向下（地球）放射长波辐射，结果导致地球表面温度升高。水汽、CO2和O3也吸收短波辐射。
除了上述气体外，大气中还包含固体的和液体的质粒（气溶胶，aerosols）和云，它们与入射和放射辐射的作用是复杂多变的。其中一个多变的是大气中水的相变，如水汽、云粒和冰晶。水汽是最强的温室气体，其相态的转变可以吸收或释放很多的能量。因此，水汽在气候变化中扮演了重要的角色。
大气的组成是随地球的演化而变化的，在较长的时间尺度上对气候变化尤为重要。地质史上有、无生命时期大气组分是不同的。无生命时，N2和O2比现在少，CO2较现在多，微量气体是随着生命的出现而增加的。大气中的水汽含量和水分循环的速率是随着地球不同时期温度而变化的。
（2）水圈是由所有地面和地下水组成，包含河、湖和地下淡水，海水。通过径流，淡水由江河流向海洋并影响海洋成分和海流。海洋覆盖地球表面约70%。海洋储存和输送大量的能量并分解和储存大量CO2。风可以驱动洋流。盐分的密度梯度及热力梯度也可以形成海洋环流，称为温盐环流（thermohaline circulation）。由于海洋巨大的热惯性，它对气候变化有巨大的调节作用，也是气候变化的重要能量来源。
（3）冰冻圈包含格陵兰岛和南极冰盖、大陆冰川和高原雪盖、海冰及永冻土。全球陆地约有10.6%被冰覆盖。海冰的面积比陆冰大，海冰约占海洋面积的6.7%。冰冻圈对气候变化的驱动作用包括对太阳辐射的高反射率，低热传导，大的热惯性，特别是它的变化（淡水注入和热交换）可以驱动深海环流，通过形态改变大气环流。两极地区的冰盖储存着大量的水，其体积变化（冰盖增长和融化）是海平面变化的潜在源，两极地区也可以通过永冻土影响温室气体的平衡。冰冻圈的反照率为0.7～0.9，而平均陆地为0.3。卫星观测到的北半球月平均雪盖和海冰面积分布是在12月份范围最大，8月份最小。
（4）地球的生物圈包括海洋生物和陆地生物。生物圈对大气成分有影响。它的重要性在于生物能够直接地转化和释放温室气体。通过光合作用，海洋和陆地植物，特别是森林能够把CO2转化并储存足够量的碳。于是，生物圈在碳循环过程和其他气体（如CH4和N2O）的循环过程中扮演了重要的角色。其他的有机挥发成分对大气化学有作用，同时也影响气溶胶的形成和气候变化。由于气候影响碳的储存和微量气体的交换，这会发生气候变化与微量气体浓度之间的反馈过程。气候对生物圈的作用会记录在化石、树轮、花粉中，使之成为过去气候变化的生物指标或气候代用指标。
人类作为生物圈的组成部分，其活动对大气成分有重大的影响。南极附近臭氧分压存在季节性的变化，北半球的冬季南极会出现所谓的臭氧洞现象。南极附近上空臭氧压会发生季节变化，最大变化的高度在20000m，时间为10月份。南极臭氧洞也是有年际变化的，1980—1991年南极臭氧洞的逐年分布面积有扩大的趋势。
（5）全球气候系统的第五个组分是陆面。陆面上的植被和土壤能够影响所到达的太阳能量转换，这些能量会最终给大气。加热大气的部分会以长波辐射的形式使地面增暖，一些热量用于蒸发水并进入大气中。由于土壤水汽的蒸发需要能量，湿的土壤对表面温度也有很大的影响。陆地表面的粗糙度会改变地表的风，影响大气边界层的动力特征和地气物质交换。陆面上各种土地中，草地和沙漠占了50%，农田和人类用地占10%～13%，森林占23%～33%，冻土和湿地占8%～12%。全球植被繁茂的区域主要在热带及季风区和北半球的中高纬度地带。它们与热带大气中的锋带和中纬度极锋带的位置一致。
全球气候系统构成的5个成员（组分），以地心为中心是成层的。最外的大气层从地面到大气上界的几个毫巴气压层。在大气层中，太阳辐射可以使大气成分发生光化学反应。水圈在地球的表层。生物圈包含在水圈和大气圈中。冰冻圈在地球表面的高纬度和高海拔的地方。陆面实际上是地壳的表层。全球气候系统的范围就从地壳上层到大气的上界位置。其上是全球气候系统的上边界，可以辐射的形式与系统外发生作用。其下是深部地壳作为边界，地震和火山活动也是全球气候系统外强迫的源。
地壳以下仍然是分层的。图1.4.1给出了固体地球的分层。各个界面依次为，莫霍界面在地下的平均深度约33km；古登堡界面在地下的深度约2900km；地壳平均厚度17km；大陆部分地壳的平均厚度33km；海洋部分地壳的平均厚度6km；地幔的范围5～70km 以下到2900km；上、下地幔的分界在980km；地核的范围是地下2900km至地心。
图1.4.1 固体地球的分层
固体地球内部各圈层也有相对运动，有相对运动就有角动量的交换和质量与热量的交换。每个圈层内部也存在热力的和动力的运动。当然，它们的热力和动力运动不可以与大气和海洋的运动相比。这些运动对全球气候变化的作用需要考证，但复杂的作用是存在的。陆面实际上是岩石圈（lithosphere）或固体地球的部分。陆面粗糙度可由地形和植被来确定。风通过植被粗糙度同时作用于大气和固体地球，导致大气和固体地球之间的角动量交换。这个交换的机制就是摩擦力矩。大气压在山脉不同部位，特别是南北走向山脉的东西两侧形成的气压差会通过山脉力矩改变大气和固体地球之间的角动量交换。这就是为什么在季节和年际时间尺度上，人们同时观测到了赤道东太平洋海温异常、日长和大气角动量等的变化。在几天以内的天气预报中，人们把地球自传的速度作为常数处理。在年际时间尺度上，地球角动量的变化是否需要引进到全球气候系统中，这需要进一步研究。