在月、季时间尺度上，30～60天的所谓大气低频振荡是全球大气运动的一种普遍特征。无论是热带还是中高纬地区，30～60天的大气振荡在风场、高度场、温度场和降水场上都有明显的表现，但30～60天振荡在强度、空间结构、时间演变等方面具有季节差异和纬度带间的差异。全球大气的30～60天低频振荡存在明显的遥相关结构，如太平洋-北美（PNA）、欧亚-太平洋（EAP）、澳大利亚-南非（ASA）以及太平洋-南美洲（PSA）的低频遥相关型及其低频波列等。关于大气低频振荡方面的研究，对短期气候预测（如月平均环流预报、跨季度预报等）具有重要的理论和实践意义。
专栏2大气中的主要过程
CO2过程：大气中CO2含量的分布几乎是均匀的。20世纪初，大气中CO2含量约为300×10－6，50年代末为315×10－6。由于世界工业化的加速，近30年CO2含量急剧增加，目前大约为350×10－6，增加速率与自1950年以来化石燃料消耗的增加率（平均每年4.5%）是一致的。海洋和陆地植物从大气中吸收CO2的能力，可能会随着大气中CO2浓度水平的提高而减小，海洋溶解CO2的能力也会因海洋中含碳化合物浓度的增加而降低，结果使滞留于空气中的CO2增加更快。目前大气中的CO2的减少相当缓慢，要回到工业化以前的水平至少要1千年或几千年，这是因为陆地植物吸收CO2能力降低，海洋中海水和沉积物对海面CO2状况的变化只能作出缓慢的反应（丁一汇，2003）。
O3是除CO2之外的微量气候体中对气候影响研究得最多的气体。大气中的O3大多数集中在平流层，平流层构成了大气质量的15%。平流层内的大气主要通过O3吸收紫外辐射而被加热。这种通过吸收的不均匀性加热，决定了平流层厚度、静力稳定度，以及在一定程度上也决定了其动力学性质。平流层中的O3不仅作为气候因子是重要的，而且对地球上的生命也是十分重要的，因为它使地球上的生命免受紫外线的伤害。O3浓度的短期变化受天气过程的影响，其长期变化尚不能得到很好的解释。现在都承认人类活动对O3有很大的影响，其主要依据是使用Cl-F-CH4烷以及高层飞行的航空器，把NO注入到平流层中与O3产生化学反应。NO还能由土壤中通过微生物由硝酸盐和亚硝酸盐产生出来的N2O生成。如果土壤中N2O的生成能力增加1倍，那么大气中总O3量就会减少将近20%。估计在平流层中，N2O的滞留时间约为50年。如果以1992年年产量增加率8.5%的速率继续使用Cl-F-CH4，则可导致全部O3的减少率接近10%。
气溶胶过程：气溶胶质点半径从10－6cm到大于5×10－3cm。一般说来，每个气溶胶质点由不同物质的混合物所组成。只有在单个源起支配作用的情况下（例如海洋上浪花飞溅的质点），质点的成分才比较一致。与其他的大气成分相比，气溶胶在大气中的平均滞留时间是短的：在对流层中大约几天到两周，在平流层中可达几年（方之芳，2006）。
一般将对流层气溶胶分成四大类：
海盐气溶胶：这种气溶胶由海洋上破碎浪花产生。由于海水盐粒的体积和溶解度比较大，因此它们容易被冲洗和洗涤，只有很少的部分能穿过海平面上3km以外的“云过滤器”。已有研究说明，这种气溶胶不可能对辐射产生影响，因而不会成为气候变化的原因。
大陆气溶胶：这种气溶胶是指不包括矿物尘埃的部分，主要在大陆上由转化成气态的硫、氮和一些化合物的悬浮微粒形成。这种气溶胶既有自然来源，又有人为来源。各种燃烧都能直接产生这类气溶胶，如森林火灾、植被破坏以及工业区的污染和其他人类活动。在自然条件下，这种气溶胶变化往往也不是造成气候变化的原因，而是气候变化的结果。现在我们关心的是人类活动诱发的这种气溶胶变化，在多大程度上对长期气候产生影响。
矿物尘埃气溶胶：矿物尘埃也来自大陆，尤其是干旱地区。这种气溶胶微粒的大小很大一部分是处在对辐射有重要影响的范围内，且能输送到很远的距离。它的源区，尤其是干燥区边缘，对植被覆盖、土壤蚀损等的变化都很敏感，比其他气溶胶有更显着的气候效应。过去一系列时间尺度的气候变化，都有这种气溶胶的参与。
本底气溶胶：这种气溶胶存在于海洋上大约3km以上、陆地上5km以上的中高对流层中，分布比较均匀，故通常称为对流层的本底气溶胶。它主要由大陆气溶胶和矿物尘埃气溶胶穿过对流层低层的雨水冲洗“过滤器”进入中高对流层的那部分所组成。现在关于这类气溶胶的知识以及它在世界范围的云和雨的形成方面所起的作用，了解得还很不完全。
平流层中的气溶胶是由SO2的氧化作用形成的。根据资料分析，平流层存在正常的气溶胶层，即使在没有火山活动的长时期内，这层仍然是存在的，但较弱；在火山爆发后的3～5年内有一个增强的气溶胶层。由于大的火山爆发，平流层中气溶胶含量可增加50倍！平流层的中的SO2，一是来自对流层的SO2正常向上扩散；二是由于火山喷发的H2S被氧化成SO2后到达平流层。
气溶胶对辐射的影响在对流层与平流层是不一样的。对流层气溶胶对辐射的影响可分为直接影响和间接影响。直接影响是指在气溶胶大气中对辐射的影响，间接影响是由于气溶胶吸收水汽成云后引起吸收和反射率变化而对辐射收支造成影响。由于对流层含有丰富的水汽以及气溶胶质点具有吸湿性，因此，对辐射收支的影响是气溶胶对气候最重要的影响。研究表明，气溶胶会产生较弱的地表增温。
对长波辐射的影响主要是反射率特别高，这是气溶胶中的硫酸盐和石英产生的效应。即使在洁净的空气条件下，这种气溶胶的长波比辐射率与对流层气体的总比辐射率相比，也是不能忽略的。
平流层气溶胶质点能够增加对太阳短波辐射的吸收作用，因而使进入对流层的太阳辐射减少。估计1963年阿贡火山爆发后2～3年内进入对流层的直接太阳辐射，平均减少了0.32%。
1.2.2水圈与水循环
水是地球上分布最为广泛和最主要的物质。它参与生命的形成和活动，是地表物质和能量转化的重要介质，是生态与环境系统中最为活跃和影响最深刻的因素。水圈由所有的液态地表水和地下水组成，既包括淡水（如江河、湖以及岩层中的水），也包括海洋的咸水。这些水都通过复杂的水圈相互联系在一起。海洋和陆面的水通过蒸发或蒸散，以水汽的形式进入大气中。尤其是海洋中，大量的水汽被大气环流输送到陆地上空，在那里形成云、雨，降水的一部分又以地表径流（主要是在河流中）的形式流入海洋，影响着海洋的盐分和环流；另一部分渗入地下变成地下径流和地下水，前者又可回流到海洋，后者则储存于地下补充那里不断被开采的地下水量。水圈循环周而复始，为地球的各种系统提供必需的水源。
（一）水圈的形成和演化
关于地球水的来源目前有两种不同的观点：一种是认为来自地球内部的，即自生假说；另一种则认为是来自地球以外的宇宙空间，即外生假说。自生假说认为，地球水的来源要从地球的形成说起。地球形成大约在46亿年前，它是由宇宙尘、太阳周围的离子化微粒云团，以及在某种发生的所谓“宇宙大爆炸”后留下来的碎块，在引力作用下形成的。在星云物质凝聚成初始行星时期，即地球的初期，当时还没有大气，也没有O3层，当然也没有现在的大陆，没有海洋，更没有生命。经过极其漫长的时间，初始地球形成的星云物质逐步凝聚形成原始岩石。水的形成与地球物质整体演化的作用有关。一般认为，海水是地球内部物质排气作用的产物，即水汽和其他气体是通过岩浆活动和火山作用不断从地球内部排出的。在现代火山活动排出的气体中，水汽往往占75%以上。据此推断，地球原始物质中水的含量应当较高。地球早期火山作用排出的水汽凝结为液态水，积累成原始海洋，还有些火山气体溶解于水，也转移到原始海洋中，而另一些不溶或微溶于水的气体则组成了原始大气圈。
在漫长的地球演化过程中，海水因地球排气作用不断累积增长。最初的原始海洋体积可能有限，深海大洋的形成也要晚些——根据对海洋生物种群多样性的分析，至少在寒武纪以前才出现了深海大洋。
海水的化学成分，一是来源于大气圈中或火山排出的可溶性气体，如CO2、NH3、Cl2、H2S、SO2等，这样形成的是酸性水；二是来自陆上和海底遭受侵蚀破坏的岩石，溶蚀破坏的岩石为海洋提供了Na＋、Mg2＋、K＋、Ca2＋、Li＋ 等阳离子。目前海水中阴离子的含量，如Cl－、F－、SO42－、HCO3－等远远超过从岩石中吸取出的数量，由此可证明海水中盐类的阴离子主要是火山脱气作用的产物，而阳离子则由被侵蚀破坏的岩石产生，是通过河流进入海洋的。另外，受蚀的岩石也为海洋提供了部分可溶性盐类。
自前寒武纪晚期以来，尽管地球上海水量继续增加，特别是各种元素和化合物从陆地或通过火山活动源源不断地输入海洋，然而，硫酸盐、氯化物的含量相对增加，钙、镁、铁等离子大量沉淀，钠离子则明显富集，于是海水的成分逐渐演变成与现代海水成分相近。根据对动物化石的分析研究，在显生宙期间，海水的盐度变化不大。这说明，由于海洋生物的调节作用，世界大洋的成分自古生代以来已处于某种平衡状态中。
总之，大洋海水的体积和盐分的显着变化，发生在前寒武纪的漫长地球历史时期。自古生代（距今约6×108年）以来，大洋水的体积和盐度已大体与现代相近。
外生假说则认为，在地球形成很短的时期以后，水即由少部分大彗星带到地球之上，这种陨石一般含水0.5%～5%，也有高达10%以上。目前，这些理论正在接受新的挑战，有证据表明：类似小彗星的稳定载水天体流束，正在撞击地球上部的大气层。该证据最早见于1981年美国宇航局“动力探测1号”宇宙飞船所拍摄的紫外成像图上。小彗星假说之所以在科学界引起震动，原因之一在于似乎突然之间，它就可能解决有关地球及生命基本成分的起源。这是一个长期存在的争论问题。鉴于这些问题的重要性，需要做进一步的宇宙太空的监测探索，获得科学的证据。
（二）全球水循环
水循环是贮水库水体之间水分的往返交换、周而复始的互补。水循环的实施途径是水的三种物态的更替与流动。水循环的基本动力是太阳辐射能与地球引力，以及在水循环过程中的能量转移。全球水循环是地球各圈层之间的水分交换，是最基本的物质流、能量流及生物地球化学循环，它对天气和气候及地貌发育起着重要的作用。
通过降水和蒸发，海洋和陆地表面水分不断地进行交换。10天内进行这种交换的水分总量，大约等于大气对流层中水分的总贮量。全球淡水总贮量如通过江河净排放，大约10年之内可完成；而通过蒸发发散作用，则只需5年。
全球海洋总贮水量约为1.4×109km3，约占全球总水量的97%。全球海洋表面积约为3.61×108km2，约占地球表面积的70.8%。海洋水主要通过蒸发散失，每年蒸发散失总水量约为434000km3，其中约398000km3的水量又通过降水直接返回海洋，实际散失约为36000km3。它们被风携入陆地上空，又通过江河径流返回海洋。海洋水体全部更替一次大约需要3.73年。
每年约有505000km3的水量通过蒸发进入大气，其中来自陆地的蒸发和蒸腾水量约为71000km3，占进入大气总水量的14%左右。与此同时，每年又有同等水量通过降水返回陆地和海洋。大气的贮水总量仅有15500km3，其中海洋上空占71%左右。这部分贮水大约只需8～9天就可以全部更新一次。
地球上的淡水大量地以冰的形式贮存在南极与格陵兰地区。南极冰盖总体积约为2.345×107km3，折合水量约为2.150×107km3。格陵兰冰盖总体积约为2.6×106km3，折合水量约为2.38×106km3。全球冰川冰的总体积约为2.5×107km3，如果全部溶化，大约相当于海洋水层增厚65m。冰川贮水的特点是贮存时间长，参与全球水循环的速度十分缓慢。估计大陆冰盖冰的平均停留时间为103～105年。大约距今18000年来，全球大陆冰川的总消融量约为5.072×107km3，相当于海洋水层增厚132m。高山冰川冰更新一次约需数十年到数百年，有的达1600年以上。
陆地上地表水总量约为360000km3，生物水量约为2000km3。陆地上的大部分大气降水与冰雪融水消耗于蒸发、生物吸收和渗透到地下，另有约36000km3通过径流返回海洋。陆地上水体的自然更新一次的时间长短不一，河流约需10～20天，土壤水约需280天，淡水湖约需1～100年，盐湖和内海约需10～1000年。