末次冰盛期气候反馈特征研究

末次冰盛期（Last Glacial Maximum,简称LGM）被认为是较适合用来估算气候系统响应对辐射强迫变化的古气候区间之一。理解LGM时期气候反馈过程有助于进一步限定气候敏感度的范围。本研究利用辐射核方法和参加第三次古气候模式比较计划（Paleoclimate Modelling Intercomparison Project Phase Ⅲ,简称PMIP3）的8个耦合模式资料,对比研究了LGM时期与abrupt4xCO₂（4CO₂）情景下的气候反馈特征。结果表明：全球平均而言,不同情景下温度反馈、水汽反馈和反照率反馈的强度存在显著差异,然而这一关系并不存在于云反馈过程中,这可能与情景间/模式间云反馈的不确定性相联系;在不同情景下,不同反馈过程强度也存在明显空间差异。温度反馈过程的差异主要来源于LGM时期大陆冰盖强迫引起的温度变化的高度空间不均一性和海陆分布改变引起的热带对流活动的变化;水汽反馈变化可能与海陆分布变化引起的沃克环流变化以及全球降温相联系;大陆冰盖和海冰存在是导致LGM时期地表反照率反馈增加的主要原因;而云反馈的差异可能与低云云量和模式间不确定性有关。LGM时期单独强迫数值试验将有助于进一步厘清不同气候状态下气候反馈过程差异的原因。

     

气候模式中积雪覆盖率参数化方案的对比研究

利用基于NCEP再分析的近地面气候资料驱动陆面过程模型NCAR CLM3,检验了6种积雪覆盖率参数化方案(CLM3、Douville1995、Roesch2001、Wu2004、Yang1997、Niu2007)模拟的积雪覆盖率的季节变化,并与NOAA AVHRR得到的观测结果进行了对比分析.结果表明,在NCARCLM3的物理过程框架之下,CLM3、Douville1995、Roesch2001三种方案低估了广大地区的积雪覆盖率,模拟的雪线位置偏北,尤其是在秋季积雪初期;Wu2004方案低估了秋季欧亚大陆的积雪覆盖率;Yang1997方案模拟的积雪覆盖率有些偏高,尤其是在积雪覆盖区的南部边缘;考虑积雪密度变化的Niu2007方案一定程度上克服了Yang1997方案的正偏差.春季末期,6种方案模拟的雪线位置都偏北.在地形比较平缓的地区,Niu2007方案的整体效果最好.观测和模拟的积雪覆盖率的出现频数大部分集中在低(小于0.2)和高(大于0.8)覆盖率等级,中等覆盖率所占比例很少.     

始新世大洋环流模拟的模式依赖性

随着模式的复杂化和多元化发展, 国际上不仅组织了现代气候模拟的模式比较计划, 也开展了古气候模拟的比较计划。在模式比较计划中, 如何有效处理模式间的差异和剔除模式依赖性已成为重要问题。本项研究基于国际深时多模式比较计划(DeepMIP)中的始新世大洋环流模拟结果, 选取pCO₂倍增试验、模式参数化、古地理边界条件这3个案例, 深入分析模式依赖性如何影响古气候模拟结果和模式之间差异性, 归纳和总结古气候模拟研究中模式依赖性产生的可能原因。结果显示, 部分模式的关键变量对驱动因子响应过于敏感、模式参数化方案过于简单、模式中对古地理边界条件表达的欠准确性均可导致模式依赖性的产生以及模式之间显著差异。这表明在分析数值模式结果时, 需要参考多模式结果, 并特别关注模拟结果变化的各个环节, 从而减少模式依赖性的干扰, 增加模拟结果的准确性, 以便于更加准确认识气候环境演变过程。

     

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     

冻土-气候关系模型评述

冻土-气候关系模型是目前冻土学领域的研究热点,评述了冻土对气候系统的响应模型以及陆面过程模型中的各种冻土参数化方案.建立在传热学基础上的物理模型具有动态性、普适性的优点,适合于冻土工程计算,当把它们推广到面上时,需要对其进行简化.经验模型大都只使用有限的变量,与地理信息系统结合紧密,因此模型具有空间性,较为适合于冻土制图.陆面过程模型中的冻土参数化目前有3类方法:1)限定或修正水热参数;2)比较单位土层中耗热或放热量与可耗热或可放热量而计算产冰率;3)使用土壤基质势定义土壤冻结后的未冻水含量.现有的陆面过程模型中的冻土参数化方案需要进一步的改进.     

气候系统模式FGOALS_gl模拟的小冰期气候

利用1650～1750年逐年变化的太阳辐照度等外强迫资料,驱动中国科学院大气物理研究所LASG发展的快速气候系统模式FGOALS_gl,模拟了小冰期(LIA)气候。把模拟的LIA表面温度变化与重建资料进行对比,结果表明FGOALS_gl对LIA气候具有较强的模拟能力,说明太阳辐照度的自然变化是导致小冰期气候的重要成因。模拟结果显示,LIA时期纬向平均温度变化表现为整个对流层降温,低纬度地区的降温中心位于对流层中层,北半球降温幅度大于南半球,高纬地区的降温幅度大于低纬地区。分析发现,中高纬地区的局地温度变化主要与环流异常相对应的冷暖平流有关; 低纬地区的降温主要与赤道东风加强有关,东风增强通过增大蒸发和引起次表层冷海水上翻而令表层温度降低。LIA时期的降水变化主要位于中低纬地区,表现为日界线东(西)侧降水的负(正)异常。与降水异常相对应,Walker环流加强,东太平洋对流活动减弱,它与低纬地区对流层中层冷异常相联系。与大气层顶净短波辐射异常的季节变化相对应,南、北半球夏季平均表面温度异常较之冬季低0.28℃左右。     

气候系统模式FGOALS_gI模拟的小冰期气候

利用1650～1750年逐年变化的太阳辐照度等外强迫资料,驱动中国科学院大气物理研究所LASG发展的快速气候系统模式FGOALS_gl,模拟了小冰期(LIA)气候.把模拟的LIA表面温度变化与重建资料进行对比,结果表明FGOALS_gl对LIA气候具有较强的模拟能力,说明太阳辐照度的自然变化是导致小冰期气候的重要成因.模拟结果显示,LIA时期纬向平均温度变化表现为整个对流层降温,低纬度地Ⅸ的降温中心位于对流层中层,北半球降温幅度大于南半球,高纬地区的降温幅度大于低纬地区.分析发现,中高纬地区的局地温度变化主要与环流异常相对应的冷暖平流有关;低纬地区的降温主要与赤道东风加强有关,东风增强通过增大蒸发和引起次表层冷海水上翻而令表层温度降低.LIA时期的降水变化丰要位于中低纬地区,表现为日界线东(西)侧降水的负(正)异常.与降水异常相对应.Walker环流加强,东太平洋对流活动减弱,它与低纬地区对流层中层冷异常相联系.与大气层顶净短波辐射异常的季节变化相对应,南、北半球夏季平均表面温度异常较之冬季低0.28℃左右.     

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。     

气候模式应用中的不确定性分析

为了分析和评价气候变化对水文水资源的影响,根据中国东部地区1956～2000年实测年降水量系列数据,采用多年均值、系列趋势变化指标和反映系列可持续特性的Hurst系数等3项指标,对CGCMA3、MPI-ECHAM5和平均GCM等3种气候模式模拟的同期年降水系列数据进行了检验。检验结果表明,3种气候模式模拟结果与实测值之间,以及不同模式模拟结果之间,不仅定量方面差异很大,而且在定性方面甚至出现相悖的结果,不确定性十分显著。同样,根据3种气候模式预测的未来2001～2050年年降水量和季平均气温推得的未来年径流量系列数据,其多年均值、系列趋势变化指标和干旱年年径流量多项指标也存在明显的不确定性。据此对气候模式及其应用提出了相应的建议。     

海冰反照率参数化方案的研究回顾

在全球变暖的背景下,北极海冰在发生快速变化,海冰覆盖范围明显减小,厚度显著变薄,积雪/海冰—反照率正反馈机制在此背景下变得愈发重要。气候系统和单一海冰模式采用了从简单到复杂的海冰反照率参数化方案。首先对模式中的海冰反照率参数化进行了回顾,并结合对现有卫星反照率产品问题的分析,概述了前人对参数化的评估研究工作。在此基础上进一步讨论了气候模式中海冰反照率参数化方案存在的问题,一方面目前的反照率参数化对海冰融池和冰间水道等物理过程的考虑还不够完善,另一方面反照率参数化方案的发展受到观测数据可用性的制约。最后对参数化的发展方向进行了初步探讨。     

大气气溶胶辐射强迫及气候效应的研究现状

由于工业活动的影响,对流层气溶胶含量明显增加。他们通过直接吸收和反射太阳辐射以及改变其它辐射强迫因子（云、臭氧）的大小间接影响地气系统的能量收支。近年来研究表明：人类活动产生的气溶胶具有与CO₂温室气体大小相当、符号相反的辐射强迫效应。他们在全球或区域范围内削弱温室气体的变暖趋势,对气候变化造成很大的影响。文章就人为气溶胶辐射强迫及气候效应近年来的研究状况做了介绍。     

近四年来我国气候数值模拟与预报研究的进展

近年来，我国在气候问题中的数值模拟式研究方面有了相当大的发展。这主要表现在气候模式水平的迅速提高，以及利用气候模式进行了大量的气候数值模拟和预报试验研究工作。对我国１９９１￣１９９４年在这方面的主要研究进展进行了系统的总结。     

第四纪气候变化机制研究的进展与问题

自从20世纪50年代海洋沉积氧同位素记录被揭示以来,经典的陆地4次冰期理论被新的认识所取代,人们发现第四纪以来冰期—间冰期旋回远远不止4次,并且从深海沉积和陆地黄土获取的古气候变化记录与地球轨道参数变化可以对比,为揭示第四纪古气候变化机制构建了明确的框架。近年来有关末次冰期不稳定气候事件的揭示也为深入认识古气候变化特征提供了新的证据。然而冰期—间冰期旋回机制、南北半球在冰期—间冰期循环过程中的耦合机制以及气候不稳定事件发生机制仍然是困扰古气候研究者的重大问题。     

气候变化的影响与长期气候目标的建立研究进展

IPCC报告指出,气候变化已经并将继续显著地影响人类赖以生存和发展的资源、生态和环境,并对经济、水资源、海岸带以及生态系统造成重大影响。随着全球气候的进一步增暖,各种不利影响的严重程度可能会加剧。在研究气候变化带来影响的基础上,分析了气候变化的驱动因素,提出减缓气候变化影响应该建立一个长期的气候目标,并建议采取相应对策。     

蒙古全新世气候变化研究进展

简要地回顾了蒙古全新世气候变化研究。蒙古全新世气候变化研究侧重于对树轮、风成沉积和湖泊沉积物的研究。蒙古的树轮研究恢复了杭爱山（Hangai）地区过去1 783年以来的温度变化及蒙古中东部地区过去340多年以来的降水和径流量变化。蒙古全新世风成沉积主要分布在蒙古北部的走廊地带,全新世古土壤的层数可以和中国北方地区的古土壤层数对比。蒙古的湖泊研究显示蒙古全新世气候演化存在2种模式,即冷干—暖湿型和冷湿—暖干型,这2种模式以杭爱山为分界线。这说明蒙古全新世气候变化的复杂性,其水汽来源和水热组合存在差异。迄今为止,蒙古全新世气候变化的研究仍较薄弱,有待进一步加强研究。     

气候变化对中国北方荒漠草原植被的影响

气候变化对陆地生态系统的影响及其反馈是全球变化研究的焦点之一。利用气候变量实现对遥感植被指数所表示的植被绿度信息的模拟，可以尝试作为表达生物圈过去和未来状态的一种途径。利用1961-2000年的气温、降水和1983-1999年的NOAA/AVHRR资料，分析了中国北方地带性植被类型荒漠草原植被分布区的短尺度气候的年际和季节变化，及其对植被的影响。结果表明，过去40年中该区域年际气候变化表现为增温和降水波动。年NDVI的最大值（NDVI_max）可以较好地反映气候的变化，过去17年中NDVI_max出现的时间略有提前。综合分析NDVI、植被盖度、NPP、区域蒸散量、土壤含水量及其气候的年际变化，表明增温加剧了土壤干旱化，降水和土壤含水量仍是制约本区植被生长的根本原因。     

青藏高原上新世以来植被与气候研究进展

由于青藏高原的特殊大气环流形势，夏半年受印度洋热带海洋季风──西南季风控制，向高原内部、尤其西北部，水份逐渐减弱；冬半年高原面受干冷西风环流影响，致使气候寒冷干燥。从而使高原植被由东南向西北发生递交。上新世早、中期在冈底斯山和念青唐古拉山以南地区发育常绿硬叶林，而北部则生长山地常绿针叶林，到更新世早期藏南以亚热带针阀混交林为主，北部出现灌丛和草原植被。自更新世晚期以来，青藏高原除东南部及喜马拉雅山以南的一部分地区保留部分亚热带针阔混交林外，大部分地区为高山草甸、灌丛草原或荒漠草原。      

火山活动与气候变化研究进展

综述了火山活动对气候影响的研究进展。不同岩浆成分及喷发类型的火山活动对气候的影响不同：中酸性普林尼（Pl inian）式火山喷发主要造成气候变冷和臭氧层破坏，它导致气候变化的时间较短，但空间范围较大；大火成岩省造成气候变化的时空范围及程度均较大，它能够导致地表温度、海平面大幅度变化，最终引起生物灭绝；中小规模玄武质裂隙式喷发主要造成火山盆地内气候较大幅度变化，但对气候影响的持续时间较短，主要气候效应是导致附近地区温度快速下降和形成酸雨。简要阐述了第四纪火山活动的特点。     

榴辉岩的折返模式及在分析区域构造演化中的意义

榴辉岩作为板块边缘俯冲带中的高压变质岩石，现常以不同的产状零星出露。关于其呈面状暴露的机制，目前流行有三种模式。即造山楔模式、双轨模式和变质核杂岩模式。通过研究榴辉岩区的岩石组合和岩石的Ｐ－Ｔ－ｔ轨迹，可以了解区域构造及其演化背景。本文综述了研究进展，并以胶南一苏北一大别山榴辉岩带为例说明。     

探讨气候变化的新热点:大气气溶胶的气候效应

气溶胶的气候效应是近年来研究的热点问题。针对这一问题已开展过许多观测研究和模式研究。但是由于气溶胶问题的复杂性以及对气溶胶的观测历史短,至今尚缺少全球范围的气溶胶系统观测资料,所以目前气溶胶的辐射强迫仍是个很不确定的量。这直接影响对全球气候变化的预测。目前国内外正在加强这方面的研究工作,并且有了一些初步的结果。概述了近期国内外对气溶胶的气候效应的研究状况及结果,介绍了今后国际上将要在这一领域开展的研究工作。