中国地球气候系统模式的发展及其模拟和预估

地球气候系统模式是开展多学科、多圈层集成研究的重要平台,其发展是国际地学领域特别是全球变化领域竞争的前沿。中国的地球气候系统模式研发工作始于20世纪80年代,最近10年得到快速发展。研发格局上已经形成中国科学院、有关部委和高校三足鼎立的局面。文中在简要回顾中国地球气候系统模式早期发展历史的基础上,总结了中国参加第6次耦合模式比较计划的9个地球气候系统模式的技术特点,初步评估了中国4个模式对全球和东亚气候模拟的基本性能,分析了其在4种共享社会经济路径情景下对全球降水与温度的预估变化及其与平衡态气候敏感度的联系。最后,结合国际态势,从发展的角度提出未来中国气候模式研发工作需要加强的8个方向。      

中国地球气候系统模式研究进展：CMIP计划实施近20年回顾

在系统总结过去20年从CMIP1到CMIP4世界各国模式的综合情况基础上,回顾了中国气候模式参与CMIP科学试验的概况。在此基础上,慨述了CMIP5的试验设计,总结了参加CMIP5的5个中国气候模式的特点。随后,从高分辨率模式研发、地球系统模式研发、地球气候系统模式最为关键的分量——大气环流模式和海洋环流模式研发的角度,提出了中国地球气候系统模式发展面临的挑战,指出了中国模式发展面临的机遇。针对如何从国家层次协调以实现地球气候模式的可持续发展问题,给出了美国国家科学院最近发布的《推动气候模拟的国家战略》所提出的九条措施作为参考。     

地球气候系统的年代与更长时间尺度的变率

随着对人类活动影响、地球二氧化碳及痕量气体循环,及其可能带来的未来气候变化后果的日益重视,人们将进一步去了解１０、１００年甚至更长时间尺度的气候系统的状态。由于气候系统的许多低频现象及一些长期变化,是由大气与海洋耦合、生物地球化学循环、冰雪圈和内部动力作用引起的,使长期变率更具挑战性。以年代乃至更长时间为尺度的气候变率,应从跨学科的角度及运用某些为特定问题研制或收集的,富有挑战性的模式或数据集进行研究。地球气候系统的年代及更长时间的变化涉及面很广,本文着重介绍１９９１～１９９４年所进行的研究,并…     

IAP第四代大气环流模式的耦合气候系统模式模拟性能评估

本文首先扼要介绍了基于中国科学院大气物理研究所(简称IAP)第四代大气环流模式的新气候系统模式-CAS-ESM-C(中国科学院地球系统模式气候系统模式分量)的发展和结构,之后主要对该模式在模拟大气、海洋、陆面和海冰的气候平均态、季节循环以及主要的年际变率等方面的能力做一个初步的评估.结果表明:模式没有明显的气候漂移,各...     

CMIP6二氧化碳移除模式比较计划（CDRMIP）概况与评述

地球工程是指通过人工方法在大规模尺度上干预气候系统,使地球气候降温的一种手段。CO₂移除是地球工程的主要途径之一。文中概述了CO₂移除地球工程的科学背景、各种CO₂移除方法的利弊、大尺度应用CO₂移除方法可能产生的气候效应和风险,以及CO₂移除方案在未来气候情景研究中的现状。在第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）框架下开展的CO₂移除模式比较计划（CDRMIP),为深入研究CO₂移除地球工程减缓气候变化的效能和气候系统对其的响应提供了统一试验方案和平台。CDRMIP的开展,对地球工程和气候变化研究具有重要的促进作用。     

IAP-DecPreS年代际气候预测系统及其预报技巧

针对未来1~10 a气候状态的近期气候预测(年代际预测)是当前国际气候领域的研究热点。本文综述了中国科学院大气物理研究所发展的基于耦合气候系统模式的年代际气候预测系统IAP-DecPreS相关的研究进展。IAP-DecPreS系统的核心部分是耦合模式海洋分量初始化方案,“集合最优插值-分析增量更新”(EnOI-IAU)方案,该方案将集合最优插值(EnOI)和增量分析更新(IAU)结合起来,能够同化原始的海洋次表层温度廓线观测资料,对耦合模式进行初始化。系统的年代际回报试验表明,IAP-DecPreS对太平洋年代际振荡和大西洋多年代际变率的预测技巧与耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)技巧较高的模式相当。IAP-DecPreS系统被广泛应用于气候预测相关研究,包括火山气溶胶对年代际预测技巧的影响,全场同化和异常场同化两种不同的初始化方法对ENSO、印度洋偶极子模态和印度洋洋盆模态等的预测技巧的影响。最后,结合国际发展态势,对未来IAP-DecPreS的发展进行了讨论。     

气候观测系统及其相关的关键问题

地球系统中的大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈构成了气候系统, 气候系统中不同圈层之间的相互作用决定了气候的自然变化。由于人类活动的日益加剧, 对气候系统已经产生了显著影响。气候的自然变化和人类活动导致的气候变化对社会经济的发展以及人民生活的影响日益加大, 并涉及到国家安全、环境外交和可持续发展等一系列重大问题。要认识气候变化及其强迫因素、预测未来气候变化, 最基础的工作是建立针对气候目的涉及到气候系统五大圈层的综合气候观测系统, 以获取所需的高质量资料和相关产品, 提供气候系统变化的详细信息。该文回顾了气候观测系统设计在中国的发展以及中国气象科学研究院在组织设计中国气候观测系统中的作用, 并指出了在建立我国气候观测系统中存在的一些需要改进的方面。在对气候观测系统进行分析的基础上, 指出了与建立气候观测系统相关的10个方面的关键问题, 这些问题包括:气候观测系统的科学需求、气候观测系统的代表性、全面性、规范性、对气候预测和预估及模式发展的支撑性、多学科应用性、社会经济性、资料开放共享性以及气候系统资料的同化再分析和历史资料的抢救。     

北京气候中心气候系统模式研发进展——在气候变化研究中的应用

较全面地介绍了北京气候中心气候系统模式(BCC_CSM)研发所取得的一些进展及其在气候变化研究中的应用,重点介绍了全球近280 km较低分辨率的全球海-陆-气-冰-生物多圈层耦合的气候系统模式BCC_CSM1.1和110 km中等大气分辨率的BCC_CSM1.1(m),以及大气、陆面、海洋、海冰各分量模式的发展。BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)气候系统模式均包含了全球碳循环和动态植被过程。当给定全球人类活动导致的碳源排放后,就可以模拟和预估人类活动对气候变化的影响。BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)已应用于IPCC AR5模式比较,为中外开展气候变化机理分析和未来气候变化预估提供了大量的试验数据。还介绍了BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)参与国际耦合模式比较计划(CMIP5)的大量试验分析评估结果,BCC_CSM能够较好地模拟20世纪气温和降水等气候平均态和季节变化特征,以及近1000年的历史气候变化,所预估的未来100年气候变化与国际上其他模式的CMIP5试验预估结果相当。初步的分析表明,分辨率相对高的BCC_CSM1.1(m)在区域气候平均态的模拟上优于分辨率较低的BCC_CSM1.1。     

从“气候”到“全球气候系统”概念的发展

气候学中从“气候”的概念发展为“全球气候系统”标志着科学的发展.从现代气候学的观点看,气候是全球气候系统的特征,而不是局地的温、湿、压.科学技术进步是全球气候系统概念建立的基础,这主要指:高速电子计算机的制造,全球观测系统的建立,及气候模式的发展.气候科学的发展同社会发展的关系越来越密切.     

BCC_CSM气候系统模式移植优化及其气候模拟验证

为了提高BCC_CSM气候系统模式运行效率,保障业务科研工作的顺利开展,进行BCC_CSM气候系统模式在IBM高性能计算系统的移植工作;通过性能优化使BCC_CSM模式运行效率显著提高,通过气候要素形势场分布和相对误差量化指标对BCC_CSM气候系统模式模拟性能进行验证。结果表明：移植优化后,BCC_CSM气候系统模式计算效率提高为原来的1.4倍;基于CMIP5 piControl试验,完成531-540年10 a的气候模拟,年平均地表气温形势场分布合理,相对误差小于0.5%,BCC_CSM气候系统模式计算和模拟性能均能满足应用需求。     

A View of Earth System Model Development

This paper gives a definition of earth system model and shows three development phases of it, including physical climate system model, earth climate system model, and earth system model, based on an inves- tigation of climate system models in the world. It provides an expatiation on the strategic significance of future development of earth system model, an introduction of some representative scientific research plans on development of earth system model home and abroad, and a review of its status and trends based on the models of the fourth assessment report （AR4） ofthe Intergovernmental Panel on Climate Change （IPCC）. Some suggestions on future development of earth system model in China are given, which are expected to be helpful to advance the development.     

对地球系统模式与综合评估模型双向耦合问题的探讨

概述了地球系统模式和综合评估模型在研究人类活动与气候变化问题上的优势和劣势,明确了将二者进行双向耦合的必要性,客观分析了综合评估模型耦合过程中存在的主要问题,同时系统总结了国际和国内解决耦合难点的主要方法和最新进展,最后分析和讨论了双向耦合模式的不确定性来源和解决方法,为我国进行地球系统模式与综合评估模型双向耦合提供新思路和方法。     

FIO-ESM v2.0模式及其参与CMIP6的方案

目前,世界气候研究计划（WCRP）组织的国际耦合模式比较计划（CMIP）已经进入到第六阶段（CMIP6),CMIP6试验的开展也已成为国内外地球系统模式工作组的首要工作之一。自然资源部第一海洋研究所地球系统模式FIO-ESM是以耦合自主开发的海浪模式为特色的地球系统模式。在参与CMIP5的FIO-ESM v1.0的基础上,通过升级分量模式、改进海气通量相关物理过程和提高分辨率等,FIO-ESM v2.0现已完成研发,正在开展CMIP6科学计划的相关试验。文中围绕FIO-ESM v2.0的特色和计划参与CMIP6的情况,介绍了FIO-ESM v2.0的模式框架、包含的特色物理过程以及拟参加的CMIP6科学计划情况,以方便气候研究领域的科学家了解和使用。     

NUIST-ESM模式及其参与CMIP6的方案

近几年来,南京信息工程大学（NUIST）地球系统模拟中心致力于地球系统模式研发。最新发展的第三版本南京信息工程大学地球系统模式（NUIST-ESM v3）在原有的基础上改进了边界层方案与对流参数化方案,调整了模式中云物理过程,改进了耦合物理过程和海冰反照率等过程。此版本作为参加第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）的模式之一,注册了气候诊断、评估和描述试验（DECK）和历史气候模拟试验（Historical）以及ScenarioMIP、DAMIP、GMMIP、DCPP、PMIP、VolMIP和GeoMIP等7个比较子计划试验。目前DECK和Historical试验都已经完成,正将数据提交到ESGF数据发布平台。CMIP6模式比较子计划也将陆续完成并将发布数据,以供国内外学者下载使用。     

Major modes of short-term climate variability in the newly developed NUIST Earth System Model (NESM)

A coupled earth system model(ESM) has been developed at the Nanjing University of Information Science and Technology(NUIST) by using version 5.3 of the European Centre Hamburg Model(ECHAM), version 3.4 of the Nucleus for European Modelling of the Ocean(NEMO), and version 4.1 of the Los Alamos sea ice model(CICE). The model is referred to as NUIST ESM1(NESM1). Comprehensive and quantitative metrics are used to assess the model's major modes of climate variability most relevant to subseasonal-to-interannual climate prediction. The model's assessment is placed in a multi-model framework. The model yields a realistic annual mean and annual cycle of equatorial SST, and a reasonably realistic precipitation climatology, but has difficulty in capturing the spring–fall asymmetry and monsoon precipitation domains. The ENSO mode is reproduced well with respect to its spatial structure, power spectrum, phase locking to the annual cycle, and spatial structures of the central Pacific(CP)-ENSO and eastern Pacific(EP)-ENSO; however, the equatorial SST variability,biennial component of ENSO, and the amplitude of CP-ENSO are overestimated. The model captures realistic intraseasonal variability patterns, the vertical-zonal structures of the first two leading predictable modes of Madden–Julian Oscillation(MJO), and its eastward propagation; but the simulated MJO speed is significantly slower than observed. Compared with the T42 version, the high resolution version(T159) demonstrates improved simulation with respect to the climatology, interannual variance, monsoon–ENSO lead–lag correlation, spatial structures of the leading mode of the Asian–Australian monsoon rainfall variability, and the eastward propagation of the MJO.     

Long-term ice sheet–climate interactions under anthropogenic greenhouse forcing simulated with a complex Earth System Model

Several multi-century and multi-millennia simulations have been performed with a complex Earth System Model (ESM) for different anthropogenic climate change scenarios in order to study the long-term evolution of sea level and the impact of ice sheet changes on the climate system. The core of the ESM is a coupled coarse-resolution Atmosphere–Ocean General Circulation Model (AOGCM). Ocean biogeochemistry, land vegetation and ice sheets are included as components of the ESM. The Greenland Ice Sheet (GrIS) decays in all simulations, while the Antarctic ice sheet contributes negatively to sea level rise, due to enhanced storage of water caused by larger snowfall rates. Freshwater flux increases from Greenland are one order of magnitude smaller than total freshwater flux increases into the North Atlantic basin (the sum of the contribution from changes in precipitation, evaporation, run-off and Greenland meltwater) and do not play an important role in changes in the strength of the North Atlantic Meridional Overturning Circulation (NAMOC). The regional climate change associated with weakening/collapse of the NAMOC drastically reduces the decay rate of the GrIS. The dynamical changes due to GrIS topography modification driven by mass balance changes act first as a negative feedback for the decay of the ice sheet, but accelerate the decay at a later stage. The increase of surface temperature due to reduced topographic heights causes a strong acceleration of the decay of the ice sheet in the long term. Other feedbacks between ice sheet and atmosphere are not important for the mass balance of the GrIS until it is reduced to 3/4 of the original size. From then, the reduction in the albedo of Greenland strongly accelerates the decay of the ice sheet.     

Developed and developing world contributions to climate system change based on carbon dioxide,methane and nitrous oxide emissions

One of the key issues in international climate negotiations is the formulation of targets for emissions reduction for all countries based on the principle of "common but differentiated responsibilities". This formulation depends primarily on the quantitative attribution of the responsibilities of developed and developing countries for historical climate change. Using the Commuity Earth System Model(CESM), we estimate the responsibilities of developed countries and developing countries for climatic change from 1850 to 2005 using their carbon dioxide, methane and nitrous oxide emissions. The results indicate that developed countries contribute approximately 53%–61%, and developing countries approximately 39%–47%, to the increase in global air temperature, upper oceanic warming, sea-ice reduction in the NH, and permafrost degradation. In addition, the spatial heterogeneity of these changes from 1850 to 2005 is primarily attributed to the emissions of greenhouse gases(GHGs)in developed countries. Although uncertainties remain in the climate model and the external forcings used, GHG emissions in developed countries are the major contributor to the observed climate system changes in the 20 th century.     

我国短期气候动力预测模式系统的研究及试验

气候和气候异常对我国的国民经济发展具有重大影响,为提高短期气候预测的准确率,研究动力气候模式短期气候预测新技术至关重要.通过近5年的努力,建立了一套出月动力延伸预报模式,海气耦合的全球气候模式(AGCM+OGCM+海冰+高分辨率印度洋-太平洋海盆模式),区域气候模式季和年际尺度的业务动力模式组成的系统.初步把我国的短期气候预测水平由经验统计方法提高到定量和客观分析的水平上.在此基础上,已建成了一个具有物理基础的统计方法与气候动力模式相结合的综合气候预报系统.     

全球模式NCAR CESM和CAS ESM对亚洲东部夏季气候的模拟性能评估:气候平均态和降水日变化分析

主要评估了美国国家大气研究中心的NCAR CESM（Community Earth System Model,NCAR）和中国科学院的CAS ESM（Earth System Model,Chinese Academy of Sciences）两个地球系统模式对亚洲东部夏季气候态的模拟性能。使用NCAR CESM和CAS ESM各两种不同的水平分辨率,一共进行了4组长达19年（1998~2016年）的数值积分试验,并通过对2 m气温、降水强度和降水日变化等的分析,比较了这两个模式在亚洲东部的模拟性能。结果表明,CAS ESM和NCAR CESM均能模拟出夏季2 m气温和降水强度的大尺度分布特征,但整体上模拟得到的地表面气温偏暖、降水强度偏弱。对于降水日变化而言,观测的日降水峰值在陆地上主要发生在下午到傍晚时段,在海洋上则出现在午夜到凌晨时段。两组低分辨率试验模拟的陆地降水峰值出现过早,且无法模拟出四川盆地的夜间降水峰值和部分海洋地区凌晨或上午的降水峰值。提高分辨率对模式的模拟性能有显著的提升作用。高分辨率下,NCAR CESM和CAS ESM对陆地和海洋的降水日变化模拟性能都明显提高。对降水日变化的定量化分析表明,高分辨率CAS ESM模式对整个亚洲东部降水日变化的模拟最优。目前模式对海陆风的模拟还不太理想,未来要进一步提高模式模拟性能,需要重点完善与气温、降水过程相关的物理参数化方案。     

Trade-offs associated with different modeling approaches for assessment of fish and shellfish responses to climate change

Considerable progress has been made in integrating carbon, nutrient, phytoplankton and zooplankton dynamics into global-scale physical climate models. Scientists are exploring ways to extend the resolution of the biosphere within these Earth system models (ESMs) to include impacts on global distribution and abundance of commercially exploited fish and shellfish. This paper compares different methods for modeling fish and shellfish responses to climate change on global and regional scales. Several different modeling approaches are considered including: direct applications of ESM’s, use of ESM output for estimation of shifts in bioclimatic windows, using ESM outputs to force single- and multi-species stock projection models, and using ESM and physical climate model outputs to force regional bio-physical models of varying complexity and mechanistic resolution. We evaluate the utility of each of these modeling approaches in addressing nine key questions relevant to climate change impacts on living marine resources. No single modeling approach was capable of fully addressing each question. A blend of highly mechanistic and less computationally intensive methods is recommended to gain mechanistic insights and to identify model uncertainties.