时间变异的尺度及其机制
在大气中，在海洋中。其中包括日晒的日变化和月亮和太阳的引力所引起的日和半日振荡。
4.全球变化，周期从几周到几个月不等。环流指数(温带地区大气旋转相对于地球表面的平均角速度)两周的变化以及热带大气的印度和太平洋扇区30天或60天的振荡可以作为例子。
5.具有年度周期的季节变化及其谐波(包括季风现象)。
6.年际变化，以几年为周期。其中包括准两年的全球气象要素变化，特别是在赤道平流层(根据Obukhov的说法，它们是参数共振的结果，即年度振荡的共振放大，大气参数随时间缓慢变化，振荡相位很少发生180度的变化)，准两年现象ENSO(厄尔尼诺-南方涛动)，墨西哥湾流北部分支的3.5年自振荡等等。
7.百年内的变化，周期为几十年;本世纪上半叶气温上升就是一个典型的例子。
8.百年间的变化，以几个世纪或几十年为周期。它们表现在冰期结束后(公元前90-60世纪)气温的上升，即所谓的“冰川”的出现。气候适宜期在公元前40-20世纪，温度随后下降(公元前10世纪到公元3世纪)，在15世纪和16世纪温度进一步上升，最后，在所谓的“小冰河期”(17世纪到19世纪)温度下降。
9.长周期振荡，周期为数万年(冰期和间冰期更新世时代)，与地球轨道参数和地球倾角的变化有关地球的轴．在这种源于天文的振荡中，周期为10万年的振荡是最大的。然后，随着振幅的减小，出现了以22000年和41000年为周期的振荡。上述三个周期中的第一个与地球的周期接近轨道偏心率变化;第二个时期与进动周期；第三个周期与地轴倾斜的周期相吻合。
10.地质变化，由造山运动和构造运动以及大陆漂移造成的数千万年和数亿年的地质变化。
所有这些时间变异性的表现气候系统表示为图1.1所示的地表空气温度的理想化谱。这取决于它们的激发机制，温度的变化，以及其他气候特点，可分为
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- 图1.1根据Mitchell(1976)地表空气温度的理想化谱。
分为强制的和自由的。由外力(如日照变化)产生的振动称为强迫振动;独立于外部机械或热强迫而发生的振荡，由气候系统内部对小扰动的不稳定性决定(例如，海洋-大气系统中的自振荡)，称为自由振荡。
根据Lorenz(1970)，这种分类的基础可以简化为以下内容。在任何真实的流体动力系统中，如果系统不像固体一样运动，就会有粘性耗散，如果系统不是等温的，就会有热耗散(温度非均匀性退化的平均速率)。因此，在自由振荡中，唯一能平衡耗散效应的机制是频谱上的能量转移;在强迫振荡中，耗散效应可以通过级联能量传递和产生力所做的功来补偿。在第二种情况下，首先激发与产生力具有相同长度尺度的模态。然后，由于不稳定性，该模式将其能量转移到更高的波模式。一旦这些模式的能量接近临界水平，更高的波模式就会被激发。同时，高波模态对低波模态有反向作用，导致低波模态的放大、稳定甚至破坏。
由此可见，外部强迫只是可能的变率机制之一;另一种是由气候系统内部不同参数之间存在反馈所决定的内部随机机制。反馈可以放大相互作用参数的变化，也可以减弱它们。在第一种情况下，它们被称为正反馈，在第二种情况下，它们被称为负反馈。关于反馈，我们有很多熟悉的例子。让我们来讨论其中的一些。
水蒸气温室效应与大气温度之间的正反馈。空气中水蒸气的数量(绝对湿度)是空气温度的非线性函数，而这反过来又决定了大气对长波辐射的透明度。因此，在相对湿度恒定的情况下，温度上升(关于温度恒定的假设)相对湿度为在一个大范围的温度变化范围内)导致大气中长波辐射的吸收增加(温室效应)，从而导致低层大气温度的进一步上升。换句话说，水蒸气的温室效应对气候系统有不稳定的影响。
的反照率之间的正反馈雪和冰覆盖物和大气温度。众所周知，冰雪比水或土壤具有更高的反射能力(反照率)。因此，面积的增加冰雪覆盖，或在它们的一生中，都必须伴随着行星反照率的增加，而这又伴随着被气候系统吸收的太阳辐射的减少，以及随后冰雪覆盖面积的增加。
二氧化碳温室效应与地表气温的正反馈关系。燃烧引起的大气中二氧化碳的增加化石燃料由于二氧化碳的温室效应导致温度上升。反过来，地表空气温度的上升伴随着向下的长波辐射通量的增加，而温度的下降感潜热通量(水-空气的温度对比下降)有助于海洋表面变暖。这增强了海洋上层的垂直稳定性，减少了二氧化碳的吸收，最终有利于大气中二氧化碳的增加。
赤道到极点的温差与温度之间的负反馈经向热传输．赤道与极点温差的增大导致经向热输送的增强，从而导致高纬度海洋和大气温度的升高，从而导致赤道与极点温差的减小。
土壤湿度与地表反照率之间的负反馈关系。土壤湿度上升导致地表反照率下降，进而导致对短波太阳辐射的吸收增加，下垫面温度上升，蒸发增加，从而导致土壤湿度下降。
气温与云量之间的负反馈。云的辐射特性由其反照率、上下边界的高度和温度、云的数量和光学厚度来定义。这些因素同时产生的变化短波和长波辐射，由此产生的云量效应可以导致下垫面和地表温度的上升和下降大气层也就是说，它可以表现为正反馈和负反馈。正反馈是由温室效应的增加和向下长波的增加所产生的辐射通量、下垫面温度上升、蒸发加剧、大气中水蒸气含量增加和云量增加;行星反照率的增加和被气候系统吸收的短波太阳辐射的逆转产生了负反馈。低层云量的增加和高层云量的减少有助于负反馈的出现。
本文讨论了气候系统变化的两种机制:内在随机性和外在强迫。第三种机制包括气候系统内部模式与周期性外力之间不同形式的共振。古气候指标的振荡，大约10万年的周期与地球的振荡周期一致轨道偏心率作为一个很好的例子。在古气候指标的光谱中，对这一特征有几种已知的解释，包括与古气候有关的强迫振荡的共振放大内部的变化气候系统的一部分。
在Lorenz(1970,1979)之后，我们假设内部随机机制对所有时间尺度的气候系统可变性做出了重要贡献，该机制由单个随机过程组成，每个随机过程都有自己的时间尺度，并对可变性提出了自己的贡献(白噪声)，其特征是所有时间尺度都超过给定的时间尺度。这就定义了“背景”可变性(图1.1中的阴影区域)的存在，以及其强度随着振荡时间尺度的增加而增加。在一小时或更短时间尺度上控制“背景”变化的最重要因素是小尺度湍流和对流，在一天尺度上控制“背景”变化的最重要因素是惯性波。在一个月量级的时间尺度上，背景变率是由大气的热松弛决定的。在一到十年的时间尺度上，它受海洋上层混合层的热松弛支配，在ÍO’-IO3年的时间尺度上，它受深海过程的支配。最后，在103年到10年的时间尺度范围内，大陆冰原、深海层和大气之间的相互作用显现出来。
外力作用是窄带变率产生的原因。因此，在存在外部强迫和缺乏“背景”变率的情况下，气候变率谱类似于以各种外部因素为特征的变化的叠加。这种变化具有高度的有序性，因此具有高度的可预测性。相比之下，“背景”可变性的特点是低程度的有序和可预测性。
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