小知识

气候系统 :包括大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈五个成员 ,各成员之间有密切而复杂的相互作用。大气是气候系统的主体部分 ,大气环流是严寒、酷暑、干旱、洪涝等气候极端事件发生的直接原因。 2 0世纪 6 0年代提出的气候系统这个新概念表明了大气科学研究从机械论向系统论的转变。小知识     

1992年度国家自然科学基金摘要

一、大气科学国家自然科学基金对大气科学的资助方向是:1.积极组织关于气候系统内涉及大气、海洋、陆面和生态之间相互作用的研究,鼓励有关跨学科跨部门的科研活动,以更深入地揭露气候异常、环境变迁的各种因子。2.鼓励参与国际性的大气科学试验计划如世界气候研究计划(WCRP)、热带海洋和全球大气计划(TOGA)、全球对流层化学计划(GTCP)以及国际地圈-生物圈计划(IGBP)等。3.要与有关大气科学的     

零维气候模式中物理参数对气候状态的影响

建立一个包含年平均下垫面温度、边界层气温的非线性的零维气候模式, 用于研究物理参数 (地球放射率、大气有效放射率、地表反照率、大气透射率等) 对气候系统状态的影响。结果表明, 气候系统的平衡态及其稳定性与反照率的反馈作用和有效放射率有关; 在现代气候条件下, 适当的非线性负反馈与二氧化碳、水汽、云共同作用时, 有利于系统状态趋于稳定。此外, 通过与该模式相应的现代气候平衡态的偏差方程, 考察了在参数α₂w, I₀的作用下, 系统状态的分布情况。     

气候模式中云的次网格结构对全球辐射影响的研究

利用一种用于大尺度天气、气候模式的随机云产生器(SCG)和独立气柱近似(ICA)辐射算法,研究了次网格云的水平结构以及垂直重叠结构对全球辐射场的影响.比较了水平非均匀云(IHCLD)和水平均匀云(HCLD)的辐射场差异以及云的最大.随机重叠(MRO)和一般重叠(GenO)的辐射场差异.结果显示,与HCLD相比,IHCLD一方面可增加地面净短波辐射通量,纬向平均最大值(约1W/m~2)和次大值(约0.6 W/m~2)分别位于高纬度低云密集地区和对流旺盛的热带地区;另一方面可增加大气顶的净长波辐射通量,纬向平均最大值(0.3 W/m~2)出现在热带地区.不同的重叠结构对短波和长波辐射收支也有很大的影响.MRO和GenO的短波辐射通量差异在热带辐合带最大.达到30-40W/m~2,在高纬度低云带的纬向平均也可达到5W/m~2左右;长波辐射通量差异具有相似的地区分布,但量值相对较小.不同重叠结构可以造成大气上下层的辐射加热率差异,影响大气热力层结.云的水平和垂直结构对有云区域辐射收支的影响将改变大气热力、动力状况以及水汽条件,从而影响模拟的气候系统的演变.文中采用单向云-辐射计算,排除了与气候系统其他过程复杂的相互作用,从而使其结果具有一定的普适性,可为不同大尺度模式进行次网格云辐射参数化提供参考.     

《全球气候》一书简介

《全球气候》一书已于1984年由英国剑桥大学出版,约翰·T·霍顿等人撰写。这是一本内容新颖、概括全面、层次清晰的研究全球气候的重要参考书。现扼要介绍如下。大家知道,气候指的是由大气、陆地表面和海洋所构成的气候系统的全部物理过程及其复杂的统计特征。全球范围的气候处在不断变化之中,而且影响着世界经济的发展。本世纪七十年代世界粮食储存量的下降,促使许多国家重视气候的研究。在七十年代末已告结束的全球大气研究计划(GARP)中提出了世界气候研究计划(WCRP)。世界气候研究计划的宗旨是发展气候系统的动力学模式和统计学模式。1979年在日内瓦召开的“世界气候变     

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...     

地球系统模式中的碳循环及其检验

<正>世界气候研究计划(WCRP)提供的耦合模式对比计划第五阶段(CMIP5)的地球系统模式(ESM)较之以前增加了较为复杂的碳循环,即在原有的全球大气耦合海洋环流模式(AOGCMs)中,把大气与陆地和海洋碳循环过程加入,这样较真实地再现碳循环和物理气候系统之间的相互作用~([1])。为了表征它们之间的相互作用以及考虑碳循环响应于未来的气候变化和CO_2的变化,经常考虑碳—浓度参数化和碳—气候反馈参数化,这是两个强的和相反的反馈。碳—浓度参数化是度量陆地和海洋碳库对大     

月球引潮力振动与大气潮汐的周期变化

在天气学中,当复杂而开放的气候系统处于远离平衡的临界状态时,任何微小的外力扰动都有可能带来一场雪崩式的"蝴蝶效应";而天气系统的演变尽管错综复杂,其实质却主要是冷暖气团的强弱与进退,再就是月球引潮力的周期变化还能引发周期大气潮。据此推想,在月球的周期运行过程中,是交点月南、升、北、降水平引力拐点所产生的引潮力振动(方向、大小的改变),通过大气内部的动力过程,对不稳定气团可产生激发作用,从而引导冷暖空气南北进退和天气系统演变,便出现了周期大气潮和转折天气周循环。     

国际气候变化科学评估中所反映的气候变化科学的重要进展

政府间气候变化委员会(IPCC)历次评估报告的进展表明:1)人类对于气候系统变化的科学认知在不断加深,全球变暖是毋庸置疑的;工业化时代以来,人类活动可能已经引起了1 ℃的增暖。2)气候系统观测不断完善,观测资料和再分析资料的空间覆盖范围以及时间尺度均明显提高;气候系统模式分辨率不断提高,以及更为复杂的生物地球化学过程的加入,使得模式发展经历了从气候系统模式到地球系统模式的进步。3)与以往的评估报告相比,在第六次评估报告(AR6)的规划中,以解决问题为导向,加强了对于水循环变化、区域气候变化信息以及极端天气气候事件检测归因的评估内容。     

主编语

正北极涛动(AO)是指北半球中纬度地区与北极地区气压形势出现此消彼长的"跷跷板"式变化,是北半球中高纬地区大气环流年际变率的第一主导模态。而厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)则是热带太平洋地区年际变化的最强信号,同时也是整个气候系统年际变化尺度上的最强信号。这两个气候系统对全球大范围的天气和气候都能产生显著的影响。本期主打文章(P6)总结了近年来关于AO影响ENSO的最新研究进展,旨     

LASG第四届气候系统模式研讨会

中国科学院大气物理研究所LASG第四届气候系统模式研讨会于 2 0 0 5年 1月 14日下午在北京召开 ,来自中国气象局、高校、海外研究机构、本所的专家和研究生近 10 0人参加了此次研讨论。研讨会包括学术报告会和自由讨论两部分。俞永强博士和周天军博士主持学术报告会 ,LASG模式组 6位研究人员先后介绍了LASG第四代耦合气候系统模式及其各分量模式的研究进展情况。 2 0 0 4年是LASG气候系统模式发展非常关键的一年 ,多年的努力特别是模式组各成员的通力合作在这一年结出了丰硕的果实 :LASG第四代气候系统模式FGOALS、新一代大气环…     

大气季节内振荡及其重要作用

大气季节内振荡(ISO)是上世纪80年代以来大气科学的重要前沿研究课题.作者系统地回顾和总结了十多年来在大气季节内振荡(ISO)及其对其他气候系统的重要作用方面的主要研究工作和成果,尤其是新近的研究成果.主要包括热带大气ISO的基本特征和主要活动规律;中高纬度大气ISO的基本特征和活动规律,以及与热带大气ISO的主要差别;全球大气低频(30～60天)遥相关特征;大气季节内振荡的动力学机制;大气季节内振荡对南海(亚洲)夏季风爆发,以及对南海(东亚)夏季风异常的重要作用;热带大气季节内振荡与El Nino(L     

黑碳气溶胶的气候效应和拓展的研究领域

 黑碳气溶胶不仅是全球变暖的重要影响因子，也可能对气候系统的多个参数产生影响，如大气环流、云和降水等。随着研究的深入，与黑碳有关的研究领域已经拓展到黑碳气溶胶与碳循环和大气环流的相互作用、黑碳表面与活性气态物种间的相互作用等方面。在评述国内外有关研究新进展的基础上，展望了黑碳气溶胶未来的研究领域。     

随机气候模式的建立和检验

(一)气候变化的基本特征能否用简单模式来模拟? 关于气候和气候变化有人提出过许多理论并进行了广泛探讨。普遍认为:气候系统是一个由各分系统结合成的复杂结构,大体上把它划分为大气圈、水圈、冰晶圈和生物圈,对每一分系统都有一门详细的学科来描述,并且各分系统都通过不同的时空尺度按复杂方式相互作用,这种作用最终决定整个系统的动力学特性。如果决定气候系统中各分系统的动力学特性的分模式存在,而且可以达到必要的计算能     

IPCC AR6报告解读：人类活动对气候系统的影响

2021年8月9日,IPCC发布了第六次评估报告(AR6)第一工作组报告,报告第三章“人类活动对气候系统的影响”定量评估了人类活动对气候系统的影响程度以及气候模式对观测到的平均气候、气候变化和气候变率的模拟性能。报告基于气候系统的多个圈层变量的综合评估明确指出,毋庸置疑的是,自工业化以来人为影响已经使大气、海洋和陆地升温;支撑本次评估的国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）气候模式模拟的大多数大尺度气候指标的近期平均气候,相比前一次评估报告（AR5）中的CMIP5模式结果有所改进。报告在更广泛的领域和区域提供了更多证据表明气候系统中的人类活动影响,但受制于观测、模式与过程认知的不足,在大气、海洋、冰冻圈、生物圈及气候变率模态的多个指标变化中人为影响的贡献方面仍然存在不确定性甚至缺少研究。     

气候系统的非平稳行为和预测理论

到目前为止,有关非平稳复杂系统及其在气候预测中的应用研究(它有着比混沌系统更为复杂的行为)是一个较少被人理解并有重大科学意义的前瞻性研究课题。在大气运动中,气候正是一个典型的非平稳系统,但是现有的气候预测理论,包括统计预测理论和非线性预测理论,几乎都无一例外地建立在平稳性假定的基础之上,这有悖于气候过程的基本性质,因此它有可能是导致气候预测水平低下的重要的理论原因。另外,近10年来,气候过程具有层次结构已经成为许多科学家的共识,但是如何发展和完善这一理论,使之成为一个完整的体系,人们似乎还没找到合适的途径。事实上,气候系统的多层次结构(它与通常的多尺度结构是两个完全不同的概念)正是产生非平稳行为的原因,而气候系统的非平稳特性正是层次结构的集中表现。在这样的思想指导下,文中系统地讨论了非平稳气候的一些基本问题和相应的预测理论,并为之搭起了一个初步的理论框架。     

从物理模型到智能分析——降低天气预报不确定性的新探索

本文回顾了气象预报技术发展的进程,人们不断通过创造性的智慧发挥,从传统的经验判断到依靠现代数学物理方法,实现通过模式方程组求解大气演变过程,取得了成功。但面对复杂的天气气候系统,许多非线性不确定问题仍难以解决。随着人工智能(AI)技术的发展,有希望助上一臂之力。文中介绍了一些初步设想和进展,在观测识别、数据处理、短时临近预报、模式参数化、预报结果集成分析等环节都有初步成果,进一步的研发、拓展值得期待。     

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。     

基于J-Earth领域编程框架的高效并行大气环流模式(H-GAMIL)构建

高性能并行计算,一直是气候系统模式研究中的重要科学前沿。然而,随着计算机技术的发展,计算机体系结构越来越复杂,以及气候系统模式本身的复杂性使得开发高性能气候系统模式成为一个难题。采用了一种全新的并行程序设计方法:基于针对气象科学中的计算特点发展出的领域编程框架J-Earth,构建了高性能并行大气环流模式H-GAMIL。在对原模式GAMIL分析和解构以后,结合J-Earth的特点,采用面相对象的编程方式,对H-GAMIL进行重构。重构后的H-GAMIL具有现代软件标准化模块化的特点,并具有自动二维剖分、MPI(Message Passing Interface)和Open MP(Open Multi-Processing)混合并行实现、并行输出等新功能。解决了原模式一维剖分受到处理器限制,串行IO等问题。在此基础上,本文对H-GAMIL进行了并行效率测试,结果显示,模式水平分辨率为1°(纬度)×1°(经度)时,可使用上千处理器核,并行效率达40%以上且负载平衡达70%。测试结果表明了H-GAMIL具有较好的并行效率和可扩展性;同时对H-GAMIL模拟性能进行对比分析,其结果表明H-GAMIL保持了原模式的守恒性,并且具有与原模式相当的模拟性能,能够满足气候研究的计算需求,达到实用程度。     

气候系统预测:基础创新和集成应用

随着全球变暖,极端天气气候事件增强,天气气候灾害造成的损失也愈发严重。当前气候预测的准确性远远不能满足社会需要,气候系统预测理论和方法面临着众多挑战性问题。为提档气候预测科学水平和准确率,由南京信息工程大学和中山大学承担的“气候系统预测研究中心”获得国家自然科学基金基础科学中心项目支持(2021年1月—2025年12月)。在该项目执行的前三年,项目团队开展了大量深入系统的研究,并取得了若干重要进展:1)揭示了气候系统的若干关键变化、驱动力和机制;2)剖析了海-陆-冰-气相互作用对我国重大极端气候事件的影响;3)在气候系统数值模式研发和预测系统集成方面取得重要进展;4)发展了延伸期-S2S-年代际的气候系统预测理论和方法。本文对这些进展作了扼要介绍,并针对气候与环境变化归因、古今气候环境研究融合、跨时空气候系统变异和极端气候、人工智能与气候科学、年代际预测和风险应对体系等关键科学问题做了展望。