离散气候系统中的周期与混沌

从零维气候模式导出了一个非线性映象公式，对由该公式表征的气候系统的平衡态和稳定域进行了研究。通过迭代计算揭露海洋热贮存C对气候系统的调控作用。计算结果表明，存在一个控制气候系统行为的很窄的C值敏感区；当C值大于敏感区上界时，气候系统趋向平衡态，即现代气候；当C值小于敏感区下界时，系统失稳。在敏感区内则呈现出周期与混沌行为，且随着C的增加，勾画出通过周期倍分岔通向混沌的道路。     

我国现代气候业务现状及未来发展趋势

从气候监测诊断、气候预测、气候系统模式、气候评价与灾害风险管理、气候变化业务和气候业务平台等角度,系统概述了我国现代气候业务现状。提出了以气候监测和动力学诊断为基础,以提升气候服务、气候风险管理和应对气候变化能力为目标,以发展客观化气候预测技术和定量化气候评估方法为核心的现代气候业务概念。分析了国际气候业务发展趋势及我国气候业务的差距,明确了加强气候系统基本变量监测、提高气候系统模式分辨率和改进物理过程、发展第2代短期气候预测系统、研发气象灾害风险评估方法并建立中国气候服务系统 (CFCS) 等发展任务。     

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。     

短期天气预报与短期气候预测发展道路的对比思索

本文简短地比较了100a来短期天气预报和短期气候预测的发展道路。指出短期天气预报在经历了天气图阶段、长波阶段和数值预报阶段三大步之后已经发展到了相当成熟的地步。而短期气候预测100a来在“气候是天气的综合”错误思想的指导下,虽然也经历了与短期天气预报相应的几个阶段：大型天气学阶段、超长波阶段和短期气候预测的数值模式阶段,但每个阶段都以失败(或即将失败)而告终。使得短期气候预测水平始终在原地踏步。30a前提出了“气候系统”的概念,这是气候学的一次真正的进步。但“气候系统”至今仍是一个抽象概念,不像“天气系统”指的是气旋(低压)、反气旋(高压)、锋面等具体的物质系统。一旦“气候系统”被人们公认为一些具体的物质系统之后。短期气候预测即可成为“气候系统变化的预测”,此时短期气候预测通向成功的第一步——气候预测的“挪威学派”就诞生了。与天气图相应的,描述气候系统变化的一种四维图象也会应运而生。作者认为此图象很可能是“地气图”,而具体的气候系统很可能就是地热涡、地冷涡和形变锋等。     

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。     

贵州气候业务现状与发展趋势分析

气候轨道业务包括月、季、年和年际尺度的气候系统监测与诊断、短期气候预测、气候系统影响评价、气候应用与服务、气候资源开发利用等。通过对贵州省气候轨道业务现状的分析,介绍了目前贵州气候轨道工作存在和需要解决的若干问题,展望了今后的发展目标。     

气候系统的非线性特征及其预测理论

本文针对气候问题的特殊性,对气候的定义、气候系统的非线性特征、演变机制、可预报性问题以及气候状态的预报方法等做了较全面的研究,这些内容初步形成了气候系统的准动力—准随机理论,是气候动力学的新发展。     

气候系统翻转点的早期预警方法研究

针对气候系统的非线性特征导致预测/预警气候突变困难的问题,本文从气候系统的长程相关性出发,利用零维气候模型和两个折叠模型,研究了在一个动力系统缓慢趋近其临界翻转点的过程中,系统的长程相关是否有某种一般性变化规律。结果显示,3个不同分岔模型在趋近其自身临界翻转点的过程中,表征系统长程相关性的Hurst指数均呈持续增大趋势(显著性水平α=0.05),表明监测和检测气候系统长程相关性的变化可为气候系统翻转点的预警提供有利信息。     

信息理论和气候预报

本文介绍了信息理论在气候可预报性方面的应用,特别用到了熵和转移信息的概念。通过一个简单的随机模式,说明它们在气候系统的可预报性和气候系统预报方面的应用。同时也讨论了其他方面的应用性。     

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.     

气候监测诊断的若干研究

气候监测诊断的若干研究王宝灵赵红岩（甘肃省气候资料中心兰州７３００２０）引言气候监测诊断是继基准气候站网建设、气候资料信息处理、气候影响评价之后，当今气候业务中一个十分活跃的领域。它通过对气候系统的动态监测和分析，揭示气候变化的基本事实，对气候变化和...     

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...     

气侯层次和分数维

本文应用非线性理论分析了多层次的气候系统,指出分数维是气候系统结构的特征,是气候系统中尺度变换后的不变量。分数维可用于平滑气候资料,滤掉尺度较小的振动,形成较高的气候层次。平滑前后的气候层次结构已不相同。低层次气候变化的规律很不确定,在高层次上看就比较确定了。高、低层次之间存在非线性的相互作用。以上是气候研究中的一些基本问题,本文用我国的气候资料对此作了初步的探讨。     

气候系统及模式中反馈机制研究 Ⅰ.研究和方法

气候系统中存在着各种各样的气候反馈机制,而气候模式对这些反馈机制描述的差异,正是造成不同模式对同一直接辐射强迫（如二氧化碳加倍）的响应不同的主要原因。因此,只有正确描述气候系统中的各种反馈作用,气候模式才可能用来对未来的气候变化进行预测。为此,本文首先介绍了气候系统及模式反馈机制分析研究时所常用的一些概念,如气候敏感性参数、云辐射强迫等,随后概述了气候模式反馈机制比较分析时常用的各种方法,并指出了这些方法各自的优缺点。而详细的有关气候系统及模式中反馈作用及其机制的分析则在文章的第II部分给出。     

气候系统及模式中反馈机制研究 I.概念和方法

气候系统中存在着各种各样的气候反馈机制,而气候模式对这些反馈机制描述的差异,正是造成不同模式对同一直接辐射强迫（如二氧化碳加倍）的响应不同的主要原因。因此,只有正确描述气候系统中的各种反馈作用,气候模式才可能用来对未来的气候变化进行预测。为此,本文首先介绍了气候系统及模式反馈机制分析研究时所常用的一些概念,如气候敏感性参数、云辐射强迫等,随后概述了气候模式反馈机制比较分析时常用的各种方法,并指出了这些方法各自的优缺点。而详细的有关气候系统及模式中反馈作用及其机制的分析则在文章的第ＩＩ部分给出。     

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。     

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。     

基于Fokker-Planck方程的零维气候模式的随机分析

本文中我们把气候系统看成一个具有随机扰动的统计系综,并对零维能量平衡模式导出了相应的Fokker-Planck方程且进行了求解。所得两个稳态解与现在气候和冰期气候相对应。由气候模型的敏感性研究表明,气候系统对确定型太阳常数变化的响应,用Fokker-Planck方程所得结果与Budyko和Sellers的基本相同,但对随机型太阳常数变化的响应得到了新的结果,即太阳常数的随机涨落将导致冰期和间冰期温度下降,气候变冷,而当太阳辐射的平均量保持不变,但其涨落大于31％时,现在气候状态亦将消失。     

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。     

我们未来的气候:人类的干预有多大?

对有关气候变化的观测事实和可能原因的研究做了简要回顾和总结，对21世纪人类活动和自然因子对气候系统的可能影响做了扼要讨论。近20余年全球气候变化科学有明显的进步，但要对21世纪气候趋势做出可靠预测，还需要在过去气候演化历史和成因、全球碳循环、气候系统模式与模拟、土地利用和土地覆盖变化的影响以及气候系统的稳定性等方面开展深入研究，以便进一步减少科学上的不确定性。