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。     

下垫面状况变化对气候的影响

本文简述了下垫面状况变化对气候的影响研究的新进展和某些观测事实,重点叙述了下垫面状况人为改变影响气候的数值试验结果。这些结果对于大范围的灌溉、植树造林、毁林等所产生的气候效应给出解释。     

BCC_CSM1.0模式对20世纪降水及其变率的模拟

应用国家气候中心气候系统模式 (BCC_CSM1.0),在给定温室气体、太阳常数、硫酸盐气溶胶、火山灰等外强迫数据的条件下,对19世纪末到20世纪气候进行模拟。对降水模拟结果的检验表明:BCC_CSM1.0模式能够模拟出全球降水的基本气候状态、季节变化、季节内振荡、年际变化等特征。模拟结果显示:与CMAP及CRU观测分析资料相比基本一致,全球陆地降水在过去一个多世纪中存在上升趋势。同时,模式也存在不足和需要改进之处:模拟降水的时空分布与观测不一致;我国东部地区的雨带季节转变较观测偏快;主要雨带位置较观测偏西、偏北;夏季青藏高原东北侧有虚假的降水中心;热带季节内振荡较实际偏弱;降水年际变率较观测略大,主要发生在降水较明显的热带。BCC_CSM1.0模式模拟的全球陆地降水以及欧亚、亚洲、中国大陆 (中国东部、江南、华北等地区) 平均降水与近105年由观测所得的CRU资料基本一致,但多数地区比观测略偏低。模拟的全球陆地、中国东部、江南、华北等地区的降水趋势也与CRU资料一致;模拟的全球陆地降水在过去105年中有明显的上升趋势,与CRU资料相比,上升趋势更强,但在欧亚、亚洲、中国范围内模拟的降水趋势与观测有一定的差异。     

近50年中国风速变化多气候模式模拟检验

近年来,随着气候模式研究的快速发展,全球气候模式在模拟20世纪气候和气候变化特征,尤其是在模拟温度、降水等要素特征和变化及其人类活动对这些要素的影响等方面取得了丰硕的成果.然而,全球气候模式对近地层风速的模拟情况如何,目前仍缺少分析和检验.本文利用中国区域近地层风速观测资料,检验评估了参与IPCC AR4"20世纪气候耦合模式模拟"(20C3M)的19个伞球气候模式和国家气候中心新一代伞球气候模式(BCC_CSM1.0.1)模拟的1956-1999年中国近地层(10m)风速及其变化的模拟能力.研究发现,20个伞球气候模式基本上都能模拟出中国多年年(或季)平均风速分布状况,但模式模拟的平均风速一般小于观测值,尤以观测风速较大的北部和西北部地区模拟值偏小显著.气候模式模拟秋冬季风速分布的能力强于模拟夏春季的能力.模式基本上能模拟出冬、春季平均风速大于夏、秋季平均风速,但是模拟不出春、冬、夏、秋季平均风速依次减小的季节变化特征.模式及模式集成难以模拟出观测到的近50年中国年(或季)平均风速明显减小的变化趋势,少数模式能模拟出年(或季)平均风速略呈减小的变化趋势,但与观测值比相差约一个量级.模式对北部和西南部地区平均风速的变化模拟效果较好,而模式难以模拟东南-南部地区风速变化特征.     

青藏高原影响研究的新动向与新概念

近10年来,关于青藏高原对大气环流、天气和气候影响的研究,在数值模拟实验,模型模拟实验,数值预报实验等方面取得进展,并将进行大规模综合观测实验。一、青藏高原对气候形成影响的数值模拟实验六十年代以来,不少人开展了大地形对气候形成     

中国CMIP5模式对未来北极海冰的模拟偏差

本文对中国参加CMIP5的6个气候模式对未来北极海冰的模拟情况进行了评估。通过与1979-2005年海冰的观测值以及2050年代的多模式集合平均值对比发现,中国的气候模式对海冰范围的模拟结果与CMIP5模式的平均水平存在一定差距,具体表现为：BNU-ESM和FGOALS-s2对当前海冰范围估计很好,但对温度敏感性略偏高;FIO-ESM对当前海冰范围估计很好,但由于海冰对温度的敏感性偏低,导致其模拟的未来海冰在各种RCP情景中都融化缓慢;FGOALS-g2（BCC-CSM1-1和BCC-CSM1-1-m）对当前海冰范围的模拟存在显著偏多（显著偏少）的问题,这导致其对未来海冰融化的估计也持续偏多（偏少）。中国模式对北极海冰的模拟偏差导致它们对极区地表大气温度和湿度的模拟出现偏差,并且这些极区气象要素的偏差会进一步通过动力过程传导到对秋、冬季西风带、极涡的模拟中去。研究表明：从对海冰本身的模拟以及海冰偏差带来的气候影响这两个角度看,BNU-ESM在中国模式中水平较高,但总体上中国6个气候模式在海冰分量的模拟上仍与世界平均水平存在差距,这需要中国各模式中心的持续改进。     

随机天气模型参数化方案的研究及其模拟能力评估

文中介绍了随机天气模型 WGEN的基本结构及其模拟原理 ,并针对其中随机过程的统计结构特征和 GCMs输出要素的不同时空尺度特点 ,利用动态数据的参数化分析方法等统计学技术 ,确定了该模型参数的估计方法。同时基于蒙特卡罗数值计算原理 ,给出了 WGEN的随机试验方法 ,并通过模拟基准气候 ,从时间分布和空间场两方面对模型在中国东北地区的模拟效果及其能力进行了评估。结果表明 ,模型对于最高气温、最低气温、降水和辐射等要素均具有较好的模拟效果 ,模拟序列与观测序列的取值分布有较一致的概率特性。由此可以结合 GCMs大尺度网格上输出的月和年要素值 ,通过调控随机过程的参数 ,生成具有不同气候变率的 2× CO2 逐日气候变化情景 ,实现气候预测模式与气候影响模式的嵌套 ,进一步研究气候变率变化的可能影响。     

光伏电站对局地气候的影响研究进展

清洁能源的快速发展有效降低了人类对传统化石能源的依赖,并为缓解全球气候变暖做出显著贡献。随着各地光伏装机规模的不断扩大,光伏电站这一人工设施对气候环境的影响日益引起人们的关注。针对这一问题,国内外学者自2000年陆续开展了相关研究。综合国内外现有研究成果,对研究方法、影响机理及光伏电站对气候的影响等方面进行总结。大量研究表明：光伏电站布设会在荒漠地区产生“光伏热岛效应”,从而引起局部区域气温上升,在城市地区布设能够在降低能源消耗的同时减少“城市热岛效应” 。此外,光伏组件还会对反照率、地表辐射平衡等产生影响,进而对局地甚至全球气候产生作用,其影响范围和程度尚无准确结论,还需要进一步深入探索。     

极端气候对平均气候变化的非线性响应及其敏感性试验

平均气候与极端气候两者发生的概率具有密切联系.从理论和观测事实两方面证明一地平均气候与其极端气候的对应概率存在着明显的非线性关系.假定气候变量有对称概率分布和非对称概率分布两种状况,从理论上证明,平均气候变化前后所对应的极端气候概率具有非线性变化;通过对若干个代表站及气候场资料的平均值与所对应极值概率计算结果,证明理论符合观测事实.进一步借助于数值试验考察了概率分布模式的各个参数之变化对极端气候概率的影响.根据观测事实的举例,也表明了不同概率分布条件下,基本上都有如此变化规律.     

GOALS/LASG模式对气候平均态的模拟

中国科学院大气物理研究所LASG最近发展了全球海洋 大气 陆面耦合气候模式系统 (GOALS)的新版本 ,实现了全球大气环流谱模式 (R42L9)与海洋环流模式 (T63L3 0 )在 40°S～ 40°N之间的开洋面上海 气通量交换的完全耦合。该模式系统已积分了 40a ,基本上不存在明显的气候漂移。文中通过对所模拟的后 3 0a平均的热带、副热带地区海温、海表风应力、洋面净通量和降水等的气候平均态与多种实测资料的对比分析 ,结果表明 ,GOALS模式基本上模拟再现了当今气候的一些主要特征 ,对热带气候平均态已具有一定的模拟能力 ,但也注意到 ,与观测相比 ,区域性差异是明显存在的 ,比如沿赤道西太平洋“暖池”区和靠近南美沿岸的东太平洋海域以及印度洋海表温度明显偏高约 2℃ ,所模拟的赤道东太平洋海温冷舌西伸明显 ,造成赤道中太平洋海温明显偏冷等偏差。这些模拟误差 ,与模式中海表风应力和洋面所得到或释放的净热通量有密切的关系。SST的模拟误差反过来也影响到对降水的模拟     

Simulated Influence of Mountainous Wind Farms Operations on Local Climate

Renewable energy sources, especially wind power, were believed to be able to slow down global warming; however, evidence in recent years shows that wind farms may also induce climate change. With the rapid development of wind power industry, the number of wind farms installed in mountains has gradually increased. Therefore, it is necessary to study the impact of wind farms in mountainous areas on local climate. The Suizhou and Dawu wind farms in northern Hubei Province were chosen for the present study on the impact of wind farm operations on the local climate in mountainous areas. The mesoscale meteorological numerical model Weather Research and Forecasting Model (WRF) and the Fitch model, together with turbulence correction factor, were used to simulate wind farm operations and study their effects on local climate. The results showed the characteristics of wind speed attenuation in mountainous wind farms: the amplitude and range of wind speed attenuation were stronger in the nighttime than in the daytime, and stronger in summer than in winter. The surface temperature increased and became more significant in summer. However, a cooling variation was observed above the surface warming center. The height of this center was higher in the daytime than it was in the nighttime. The latent heat flux in the wind farms decreased at night, accompanied by an increase in sensible heat flux. However, these changes were not significant. Some differences were observed between the impact of wind farms on the climate in the plains and the mountains. Such differences are more likely to be related to complex terrain conditions, climate conditions, and the density of wind turbines. The present study may provide support for the development and construction of wind farms in mountainous areas.     

大规模风电场建成后对风能资源影响的研究

考虑了千万千瓦级风电基地建成后风电机群对近地面层风速的影响,采用Frandsen研究了大规模风电场内部风速损失时所使用的方法,在内边界层已经充分发展成新边界层的区域内,对轮毂高度65m处风速Uh进行了计算。结果表明,风电场建成后研究区内,风速Uh与未建场时的65m风速U0相比变小,存在风速损失,该风速损失随着U0的增大而减小,与风电机的推力系数CT性质有关;大规模风电场建成后,Uh在3～20m.s-1范围内的平均风功率密度与未建场时U0在此范围内的平均风功率密度相比损失约为58.45%,这与建场地区建场前65m处风速值大小以及各风速值出现的概率有关。     

陆/海风电场群对局地湍流和风切变影响差异初步分析

风电场存在着明显的局地气候效应，但陆/海两种不同类型风电场是否存在局地风环境效应的明显差异？以河北尚义陆地风电场和江苏如东海上风电场为例，利用风电场周边气象站及测风塔典型年份观测资料，开展了陆/海风电场对湍流强度（TI）和风切变指数（WSE）的影响差异初步分析研究。研究结果表明：陆/海风电场对TI和WSE会产生显著影响；其中，陆/海风电场对TI均为增强效应，建设后年均TI分别增加31%和37%，最大增幅分别发生在春季（47%）和冬季（49%）；影响差异主要为陆地风电场TI增幅在高层明显大于低层，夜间大于白天，而海上风电场不同高度TI增幅及日变化则较为平稳；陆/海风电场对WSE影响差异显著，陆地风电场建设后WSE白天增加、夜晚降低，日变化明显减小，年均降低8%，最大降幅发生在秋季（12%）；海上风电场建设后WSE白天、夜晚均明显增加，年均增加24%，最大增幅发生在春季（37%）。     

风电场风机叶片覆冰气象条件及覆冰模型研究进展

随着我国风电行业的快速发展，覆冰已经成为严重威胁风电场安全稳定运行的因素之一，针对这一问题，国内外学者陆续开展了相关研究。综合现有研究成果，从覆冰概况、研究方法分类、影响覆冰的因素、风机叶片覆冰期特点等方面做了总结。大量的研究成果显示：影响风机叶片覆冰的气象因素主要为环境温度、相对湿度、风速、液态水含量（Liquid Water Content,LWC）和体积中径（Median Volume Diameter,MVD）等。此外，冰风洞试验和数值仿真模拟方面已有很多成果，而覆冰模型法的研究还较少，后续研究的重点是开展对高分辨率数值预报产品的订正研究，构建适用于本地的风机叶片覆冰模型，为风电场提前预警覆冰期以采取融冰措施、合理安排生产等提供科学参考。     

我国西北大规模太阳能与风能发电场建设产生的可能气候效应

作为取之不尽的清洁能源,太阳能和风能将是未来潜力最大的可再生能源,是解决全球变暖、能源短缺、环境恶化等问题的有效途径。然而太阳能和风能的能量密度偏小,大规模建设太阳能和风能发电场将改变大面积的地表属性,有可能通过陆气相互作用过程,改变局地和区域气候,甚至有可能通过遥相关过程,产生更大的气候影响。本文利用RegCM4.5区域数值模式,模拟了在我国西北干旱和半干旱区域建设太阳能和风力发电场的气候效应,分析表明:（1）在西北地区大规模建立太阳能和风能发电场将导致局地地面净短波辐射增加,地表感热通量升高,近地面气温升高,增加新疆西部地区、河西走廊地区和我国黄淮等地的降水量,而华北部分地区降水减少。（2）地表反照率对气候的影响大于地表粗糙度对气候的影响,因此太阳能利用导致的气候效应大于风能利用的影响。（3）反照率改变导致低层形成气旋性环流,我国中部地区出现南风异常,西北地区产生异常东风;在高层形成反气旋环流,可以影响我国大部分地区。（4）当只在西北地区20%的面积上建立太阳能和风能发电场时,局地近地面气温不会产生明显的改变,河西走廊地区的降水稍有增加,环流的改变较弱,基本不会有显著的气候影响。     

An Observational Study on the Local Climate Effect of the Shangyi Wind Farm in Hebei Province

Zhangjiakou is an important wind power base in Hebei Province, China. The impact of its wind farms on the local climate is controversial. Based on long-term meteorological data from 1981 to 2018, we investigated the effects of the Shangyi Wind Farm (SWF) in Zhangjiakou on air temperature, wind speed, relative humidity, and precipitation using the anomaly or ratio method between the impacted weather station and the non-impacted background weather station. The influence of the SWF on land surface temperature (LST) and evapotranspiration (ET) using MODIS satellite data from 2003 to 2018 was also explored. The results showed that the SWF had an atmospheric warming effect at night especially in summer and autumn (up to 0.95°C). The daytime air temperature changes were marginal, and their signs were varying depending on the season. The annual mean wind speed decreased by 6％, mainly noted in spring and winter (up to 14％). The precipitation and relative humidity were not affected by the SWF. There was no increase in LST in the SWF perhaps due to the increased vegetation coverage unrelated to the wind farms, which canceled out the wind farm-induced land surface warming and also resulted in an increase in ET. The results showed that the impact of wind farms on the local climate was significant, while their impact on the regional climate was slight.     

城市化发展对达拉特旗局地气候影响

通过对达拉特旗国家一般气象站1959—2008年的有关气象观测资料,分析了达拉特旗近50a来气温、风、降水气象要素的变化趋势和特点,探讨了城市化发展对达拉特旗局地气候变化产生的影响。分析表明:(1)近50a来,达拉特旗年平均温度呈明显上升趋势,趋势强度在不断加强,年极端最低气温也呈上升趋势。(2)不断增多、增密的建筑物对气流阻滞作用,使当地年平均风速呈减小趋势。同时,随着达拉特旗城市化的快速发展和进程的加快,已经对局地气候产生了重要影响,城市化进程对平均气温、风速的影响比对其降水量的影响更为显著、直接。     

Using the Twentieth Century Reanalysis to assess climate variability for the European wind industry

We characterise the long-term variability of European near-surface wind speeds using 142 years of data from the Twentieth Century Reanalysis (20CR), and consider the potential of such long-baseline climate data sets for wind energy applications. The low resolution of the 20CR would severely restrict its use on its own for wind farm site-screening. We therefore perform a simple statistical calibration to link it to the higher-resolution ERA-Interim data set (ERAI), such that the adjusted 20CR data has the same wind speed distribution at each location as ERAI during their common period. Using this corrected 20CR data set, wind speeds and variability are characterised in terms of the long-term mean, standard deviation and corresponding trends. Many regions of interest show extremely weak trends on century timescales, but contain large multidecadal variability. Since reanalyses such as ERAI are often used to provide the background climatology for wind farm site assessments, but contain only a few decades of data, our results can be used as a way of incorporating decadal-scale wind climate variability into such studies, allowing investment risks for wind farms to be reduced.     

风电场对气候变化影响研究进展

综述了国际评估风电场对局地和全球气候变化的短期和较长期的可能影响,并且将其影响与人类排放的影响作简单的对比.大量的观测和数值模拟研究表明,风电场的运行明显减小下游风速,同时随局地近地层稳定度的不同也造成下游温度明显上升或下降.一些数值模拟研究表明,如果全球建立大量大型风电场,例如假定全球使用风能占总能源10％以上,即全...