全球高分辨率气候系统模式研究进展

气候模式是定量研究气候演变规律、预测或预估未来气候变化的重要工具。提高气候模式空间分辨率并改进相应的物理参数化过程,是改善模式性能的重要途径之一,对于认识气候变化规律、提高气候预测能力具有重要作用。在阐述发展全球高分辨率气候系统模式重要性的基础上,对当今国内外高分辨率气候系统模式的研究进展进行总结,介绍全球高分辨率气候系统模式研发和评估的现状及其存在的问题,并着重讨论了制约当前高分辨率气候系统模式发展的关键科学问题和技术瓶颈,其中包括高分辨率海洋和大气模式动力框架的研制和大规模高性能并行计算、次网格物理参数化过程的改进,以及中尺度海气相互作用等。同时,还介绍了国际耦合模式比较计划第六阶段中的高分辨率模式比较子计划的科学目标及其试验设计方案。最后对未来我国全球高分辨率气候系统模式的发展和评估进行了展望。     

北大西洋涛动变率研究进展

介绍了近年来北大西洋涛动研究的最新进展。 NAO指数序列的建立取得了很多成果 ,包括一些观测气象记录的序列以及利用树木年轮、冰芯等代用资料建立的近 30 0多年的序列 ,这些长的序列显示 NAO不仅有突出的年际变率 ,也有显著的年代际变率。总结了 NAO对地面温度、降水、北大西洋飓风和北半球臭氧等影响的一些研究成果。NAO的低频变率可能与气候系统内部的相互作用以及外部强迫有关。许多模拟研究发现 NAO与温盐环流有密切的联系 ,但是这种关系还有待观测资料的证实。全球气候变暖也可能是影响 NAO变率的一个不可忽视的因素。     

千百年尺度气候快速变化及其数值模拟研究进展

千百年尺度全球气候快速变化是古气候研究中的一个重要内容。研究发现，末次冰期和全新世都存在着千年、百年尺度的快速气候变化，其变化幅度可以达到典型的地质变化或天文因子所造成的冰期/间冰期的气候振荡幅度，同时这些古气候事件具有全球性。对冰期和全新世气候变化的数值模拟揭示了气候系统对地球轨道参数变化的响应以及海洋、植被、冰盖、温室气体等反馈因子的重要性,其中大洋温盐环流对北大西洋淡水注入的敏感性与末次冰期和全新世气候快速变化密切相联。利用中等复杂程度的气候模式（EMIC）CLIMBER 2模拟了末次冰期典型时段（60~20 ka BP）D/O和Heinrich事件以及东亚气候的响应过程。模拟研究揭示了全新世青藏高原冰雪环境对亚洲—非洲季风气候的显著影响。今后的古气候模拟研究将在改进模式分辨率、结合古气候代用资料确定更加符合历史时期边界条件以进一步改善气候模式的基础上,更加注重气候突变机制的研究以及加强全球变化背景下的区域气候的长期变化研究。     

南大洋物理过程在全球气候系统中的作用

南大洋是全球面积最大的一个大洋。传统观点倾向于认为由于南大洋与北半球相距遥远而与北半球气候系统关系不大,其全球性气候效应也较弱,这主要是由于以往对南大洋的了解不足。随着观测分析、数值模拟与理论研究的加强,以及对南大洋的认识不断加深,南大洋的气候效应日益凸显。从南极底层水、南极绕极流、南大洋海冰、南大洋与热带之间的遥相关、以及南大洋对气候变化的响应等多个角度梳理了南大洋物理过程特别是动力过程在全球气候系统中的作用,较为完整地总结了对南大洋气候效应的已有认识,并结合南大洋研究现状对未来有价值的科学问题和潜在的研究热点进行了探讨,以期强调南大洋在全球气候系统中的重要地位,推动南大洋研究不断走向深入。     

大气科学研究的一个前沿领域——气候系统动力学与气候预测

从气候环境的变化及其对工农业和人类生活的影响论述了气候系统动力学和气候预测研究在地球科学中的地位和作用，指出气候动力学与气候变化预测是当今大气科学的一个重要前沿研究领域；并从气候系统及其各子系统的相互作用论述了气候系统动力与气候预测的研究对象和主要研究内容；此外，还从当今气候和环境科学发展的趋势和特点指出气候动力学研究应采取的研究路径与方法。     

川西高原黄土记录的末次冰期气候变化

川西高原位于高原气候区和季风气候区的过渡位置,该地区的气候特征对于认识青藏高原对周边气候的影响具有重要意义。通过对漳腊黄土剖面的¹⁴C年代测试、地层对比,结合粒度-年龄模型建立了剖面的年代序列。测试了粒度、色度、磁化率和碳酸盐等指标,建立了剖面的气候演化序列。结果表明,剖面记录了104 ka以来的气候变化过程。漳腊黄土粒度在MIS（深海氧同位素阶段）3和MIS4阶段的中值粒径接近,分别为17.6 μm和17.7 μm,反映了期间有一次高原隆升。漳腊黄土粒度曲线记录了多个粒度变粗和变细事件,粒度在H（海因里希）2时明显粗于H1,表明受到了高纬气候系统的影响。另外还存在2个明显的粒度变细事件,分别发生在处于MIS3的28~31 ka和42~45 ka,是低纬气候系统影响的结果。漳腊黄土研究结果表明川西高原气候系统影响因素的复杂性。     

近20年来气候模式的发展与模式比较计划

20世纪80年代以来，全球气候观测系统的不断完善、国际大型外场观测试验的成功实施以及高性能计算机的飞速发展，为气候模式的迅猛发展提供了基础和条件。近20年来气候模式的复杂程度和模拟能力得到了显著的提高，目前已成为研究全球和区域气候的形成及变异、气候系统各圈层之间的相互作用以及全球变化等的有力工具。对气候模式（包括大气环流模式、陆面过程模式、海洋环流模式以及区域气候模式）的主要发展进行综合评述，并简要介绍了目前世界上一些主要的模式比较研究计划。     

会议简讯

混沌理论及其在天气分析和预报中的应用研讨会于1991年10月18日～23日在江西省庐山举行,研讨会邀请四位同志作了专题报告: (])混沌与气象;(2)几种以混沌理论为基础的预报方法;(3)用动力—统计方法研究非线性大气系统;(4)长期预报的相空间模式。 报告系统地介绍了包括混沌在内的非线性动力系统理论及其在研究大气运动方面的应用;用气象时间序列重构相空间,估算Yapunov指数、维数、天气气候预报时间尺度的方法和结果;分维数及其在气候层次分析中     

基于副热带高压异常活动个例的动力模型重构与变异特性剖析

针对1998年夏季造成我国严重洪涝灾害的副热带高压异常活动,基于动力系统重构思想和遗传算法,从1998年观测资料时间序列中反演重构了副热带高压活动的非线性动力模型,并结合天气实况进行了副热带高压活动变异的动力特性分析。结果表明,针对副热带高压异常个例实际观测资料反演重构的副热带高压活动的非线性动力模型,可客观描述副热带高压活动(特别是异常活动)特征并予以合理的机理解释。进一步的分析讨论表明,随着强迫参数的逐渐增加,副热带高压动力系统将会发生平衡态的分岔、突变,平衡态的上述变化与实际天气过程中的副热带高压北跳、南落以及副热带高压双脊线现象有很好的对应关联,并可对其进行合理的机理解释,进而为副热带高压等难以准确构建解析模型的复杂天气系统的机理分析和动力特性讨论提供参考。     

气候模式的概念、方法和现状

一、什么是气候模式 估计大气中二氧化碳含量增加引起的气候变化的主要方法是“物理方法”。所谓“物理方法”,就是根据基本的物理定律(如牛顿运动定律,能量守恒定律和质量守恒定律等)来确定“气候系统”的各种成份(大气、海洋、冰雪、植被及陆地表面等,见图1)的性状。这些物理定律通常是用数学方程式表达的,由此构成了气候的数学模式,也就是我们所说的气候模式。气候模式不仅可用于模拟当代气候,而且可用于模拟某些“外部”条件(如地球大气所接受的太阳能量,大气中二氧化碳含量等)的改变所引起的     

Review of Development and Application of High Resolution Global Climate System Model

Climate models have been used as an important tool to quantitatively study climate variability and to predict or project climate change in the future. One of the most important pathways for development and improvement of climate system model is to increase the spatial resolution and improve the corresponding physical parameterization schemes, which is very important for understanding climate change and improving climate prediction skill. Based on a brief introduction of the importance of developing high-resolution global climate system model, a review of recent progresses in the development and application of high-resolution models was summarized. The paper also introduced the current situation and problems for the development and evaluation of high-resolution models and focused on the key scientific and technical bottlenecks which restrict the development of high-resolution models, including the development of dynamic framework of the high-resolution ocean and atmospheric models and massive high performance parallel computing, the improvement of the sub-grid physical parameterization scheme, and mesoscale air-sea interaction. Meanwhile, the scientific objects and experiments design of the international high resolution climate model intercomparison project (HiResMIP) of the coupled model intercomparison project phase 6 (CMIP6) was introduced. Finally, we prospect the future developments and evaluations of high-resolution climate models in China was proposed.     

混沌理论及在水科学中的应用与存在的问题

在简要介绍表征系统混沌特征常用方法的基础上,认为混沌理论在水科学中的应用主要集中在水文时间序列性质的判定和非线性预测模型研究上,并就这两方面的国内外研究进展进行了综述。通过对其应用中存在的主要问题:延迟时间的确定、数据量大小、噪声等进行分析和讨论,认为水科学问题中混沌的假设是合理的。但对于任何有限长度和受噪声干扰的时间序列来说,严格判定其相空间是确定性系统还是随机系统几乎是不可能的,纯粹的混沌和纯粹的随机都只是数学上的一种理想状态。因此,对于所研究的水科学问题是否存在混沌现象,仅采用单一的方法所取得的结论,不能作为判定依据,而仅表明可能存在混沌特征。所以有必要采用多种研究方法,综合刻划某一水科学问题中的混沌迹象,判定该序列是以混沌成分为主还是以随机性成分为主。提出分形上的混沌动力系统以及混沌与神经网络相结合的方法,可为水科学问题的研究能提供一些新的思路。     

基于时间序列分解和多变量混沌模型的滑坡阶跃式位移预测

三峡库区某些库岸滑坡在强降雨、库水位涨落等诱发因素影响下,其位移时间序列表现出阶跃式变化特征且可能存在混沌特性.但目前常用于滑坡位移预测的混沌模型,均建立在单变量混沌理论的基础之上.且已有的考虑了诱发因素的常规多变量模型,大都采用经验性的方法来选取输入变量;常规多变量模型对滑坡位移序列的非线性特征,及其与诱发因素间的动态响应关系缺乏数学理论上的深入分析.因此,提出一种基于指数平滑法、多变量混沌模型和极限学习机（extreme learing machine,ELM）的滑坡位移组合预测模型.指数平滑多变量混沌ELM模型首先对滑坡累积位移序列的混沌特性进行识别;然后用指数平滑法对累积位移进行预测,得到趋势项位移,并用累积位移减去趋势项位移得到剩余的波动项位移;之后对波动项位移及降雨量、库水位变化量这3个因子进行多变量相空间重构,并用ELM模型对多变量重构后的波动项位移进行预测;最后将预测得到的趋势项和波动项位移值相加,得到最终的累积位移预测值.以三峡库区白水河滑坡ZG93监测点的累积位移作为实例进行分析,并将模型与指数平滑多变量混沌粒子群-支持向量机（PSO-SVM）模型、指数平滑单变量混沌ELM模型作对比.结果表明滑坡位移序列存在混沌特性,模型能有效预测滑坡位移,其预测效果优于对比模型.且本文模型从混沌理论的角度将波动项位移与降雨量、库水位变化量的动态响应关系进行综合分析,更能反映滑坡位移系统演化的物理本质.      

Relationship between social stability and climate change in the Tang Dynasty

This paper quantitatively divides the Tang Dynasty into five prosperous and chaotic social periods,and discusses the relationship between the social division and climate change. The criteria for determining prosperity and chaos is refered to a set of systematic war data. In order to verify the reasonableness of the division,we applied 1-way-ANOVA to test the differences of each variable index between prosperity and chaos periods. The results of social division are as follows: from AD 618 to AD 626,and from AD 743 to AD 784,as well as from AD 860 to AD 907 were the chaotic periods;while from AD 627 to A0 742,and from AD 785 to AD 859 were the prosperous periods. The results of 1-way-ANOVA show that,climate change,general wars,rebellions,offensive border wars,defensive border wars,agricultural harvests,and population growth rates are all significantly different between prosperity and chaos,except the general external wars. War data were used to quantitatively represent the social changes in the Tang Dynasty. In chaotic periods,the main types of wars are rebellions and defensive border wars,while the main type of wars in prosperous periods are offensive border wars. To explore the relationship between climate change and social division means to make clear the relationship between climate change and wars. The results of correlation analysis show the decrease of agricultural harvest due to lower temperature and less precipitation leads to the shortage of resources supply,so that the likelihood of rebellions increase;while during the warm periods with abundant rainfall,increasing agricultural harvest stimulates rapid population growth. Due to the limitations of technology and land resources,offensive border wars for expansion are more likely to occur.     

唐代治乱分期与气候变化的关系*

将唐代定量划分为治世与乱世5个时期,探讨了唐代治乱分期与气候变化的关系。治世、乱世的划分标准参考一套系统的战争数据集,并用单因素方差分析的方法验证各项数据指标在治世与乱世间的差异性,从而说明唐代治世、乱世分期的合理性。治世、乱世分期结果如下: 公元618—626年为乱世,公元627—742年为治世,公元743—784年为乱世,公元785—859年为治世,公元860—907年为乱世。方差分析的结果显示,除了总边境战争外,气候变化、总战争、反叛战争、进攻型边境战争、防御型边境战争、农业丰歉等级和人口增长率在治世与乱世之间均表现出显著差异。用战争定量体现唐代社会治世、乱世变化,探讨气候变化与社会治、乱的关系即是探讨气候变化与战争的关系,乱世的主要战争类型是反叛战争和防御型边境战争,治世的主要战争类型是进攻型边境战争。相关分析结果表明,唐代温度降低、降水减少的时期,农业收成减少导致资源供给不足,更容易发生反叛战争;温度暖期、降水充沛的时期,农业产量提高,刺激了快速增长的人口,在技术改善能力有限、土地资源一定的情况下,更易发生以对外扩张为目的的边境战争,因此气候变化是影响唐代社会治乱变化的重要原因之一。     

第四纪研究的非线性科学方法

第四纪研究中最常用的非线性科学方法可能是分形理论、时间序列分析及混沌动力学。振荡在新构造运动和古气候变化中都是普遍存在的,它是介于有规振荡和混沌之间的中间阶段和过渡。分形理论可以描述地貌的状态和演化特征,混沌吸引子的分维又是混沌的一个重要参量。在时间序列分析中计算混沌吸引子的关联维、李雅普诺夫指数、赫斯特指数、柯尔莫果洛夫熵等可以更深入地揭示时间序列的性质,加深对演化过程的认识。     

黑龙江省降水混沌识别及空间分布研究

为更好地研究降水时间序列的非线性特征,基于不同时间尺度0-1测试方法识别黑龙江省30个气象站1958~2011年降水时间序列的混沌特性。分别以三个不同时间尺度月系列、季系列、半年系列的渐进增长率中位值最小的北林站、漠河站、牡丹江站为代表说明黑龙江省各气象站均存在混沌特性,月系列和半年系列混沌特性较强,季系列混沌特性较弱。为研究全省范围内降水混沌特性空间分布规律,对各气象站K值进行克里金插值。空间分布结果表明,混沌特性在月降水系列呈现较为明显东西向的分带性,在季系列和半年序列并未呈现出明显的分带性;得出结论:不同时间尺度降水系列均产生混沌现象,混沌识别结果与气候类型、地形特征、人类活动特征相互支撑,为降水系统非线性特征提供一定参考。     

岩石蠕变变形的混沌特性研究

对岩石蠕变变形分别进行了流变模型法和试验法的混沌特性研究,分析了其混沌行为的演化过程、进入混沌的通道以及混沌发生的条件,讨论了两种方法的现场工程应用问题以及相关参数的理论和实践意义。研究表明,岩石蠕变变形的发展过程是一种从有序－混沌（无序）－有序的过程。最后,根据岩石蠕变变形的孕育过程具有混沌特征的这一特性,提出控制岩石蠕变系统的应力水平是避免其混沌发生的主要途径。     

大型矿床和成矿区(带)在混沌边缘

笔者将复杂性科学和矿床地质学相结合提出了一种新的金属成矿理论———“金属成矿动力系统的复杂性与自组织临界性”,并应用这一理论研究扬子古陆周缘四大成矿区（带）的矿床成因与成矿规律,发现“大型矿床和成矿区（带）在混沌边缘”。文章在概述“金属成矿动力系统的复杂性与自组织临界性”的理论纲要与噪声、混沌和混沌边缘基本概念的基础上,提出地质成矿系统在混沌边缘的四条判定准则：Ⅰ．自组织临界性的标志———广义地质学（地质学、地球物理学、地球化学）场（温度、流速、浓度、压力等场）的场量之时空幂律分布———及其基本属性：（１）长程时空关联与连通性及时空分形结构;（２）崩塌动力学;（３）“元胞自动机”的动力学机制;（４）自组织临界性涌现于“混沌边缘”,并具有最大的复杂性、演化性和创新性。Ⅱ．地质成矿过程向时间混沌及地质成矿系统向时空混沌的演化。Ⅲ．岩浆和热液“孤子”、“孤波”与“相干结构”以及其它弱混沌“拟序结构”。Ⅳ．超临界地质流体参与地质成矿作用。笔者进一步提出金属成矿动力系统的复杂性与自组织临界性的三大基础理论：（１）地质成矿过程的非线性动力学———应用非线性动力学理论研究矿床和矿集区形成的动力学机制;（２）“地质成矿作用?     

煤岩突出中孔深扩展与孔洞形成的阵发混沌模型

煤与瓦斯突出是煤岩-瓦斯系统远离平衡状态下的高度非线性行为,是井下开挖引发的最复杂的动力灾害。对混沌理论作了简要回顾,在该理论背景下研究煤与瓦斯突出演化过程的特性,得到煤岩系统在突出前处于嵌套层次较低的混沌态,而短暂时间内雪崩式突出一系列可简化为球壳形式的煤体形成孔洞是处于阵发混沌态有节奏的快速迭代阶段和突出停止后处于状态稳定的平衡态的认识。鉴于描述复杂性问题各类非线性映射所表现出的普适性质,在数学上可用Logistic函数 及其复合函数 为核函数的阵发混沌态迭代运算,来对突出的发生、发展和终止行为进行描述,并给出核函数中相对孔深 和突出参数 的初步形式。该研究可深化和丰富对突出物理本质的认识。