影响气候系统模式温室气体敏感度的反馈过程——基于FGOALS模式的研究

气候系统模式对特定温室气体的敏感度对未来气候变化的预估结果至关重要.为理解影响气候模式对温室气体敏感度的关键反馈过程,本文利用瞬间4倍CO2强迫试验,研究了LASG/IAP两个版本的气候系统模式FGOALS-s2和FGOALS-g2的气候响应.将全球平均地表气温(SAT)的变化作为衡量气候模式响应的主要标准.根据SAT的响应随时间的变化趋势,将150年的试验结果分为两个时段:前20年为快响应阶段,后130年为慢响应阶段.采用国际通用的Gregory方法分别估计4倍CO2引起的辐射强迫和平衡态气候敏感度.结果表明,FGOALS-s2中水汽的响应偏强使估算的CO2辐射强迫比FGOALS-g2强7.1%.平衡态气候敏感度定义为2倍CO2强迫下达到新的平衡态时全球平均SAT的变化,其在FGOALS-s2和FGOALS-g2中分别约为4.5和3.7 K,前者较之后者偏强21.6%.FGOALS-s2敏感度大是由于快响应阶段的水汽和反照率正反馈过程偏强,表现为水汽含量的增加和海冰的减少均太快.在慢响应阶段,尽管FGOALS-s2的水汽及反照率正反馈仍然较强,但FGOALS-s2的总负反馈强于FGOALS-g2,这是因为FGOALS-s2中云短波负反馈更强,补偿了其较弱的晴空负反馈.FGOALS-s2中云短波负反馈偏强主要是由于总云量以及云水路径正响应过强.云短波反馈的不确定性是总反馈不确定性的主要来源.     

气候变化科学进展及未来趋势

研究气候变化的重要性 气候问题的发展过程,从上世纪70年代起,首先从科学出发讲到人类温室气体排放如何增强了温室气体效应的问题,进一步提到温室气体如何引起气候变化。气候变化就会影响气候系统的变化,比如降水、暴雨、2008年的冻害。气候系统的变化又会导致生态环境的变化,如草地,森林,山地,湖泊等。这些都与我们人类息息相关。这些变化会不会影响经济的发展呢,     

东亚地区云的垂直重叠特性及其对云辐射强迫的影响

本文通过对云观测卫星-CloudSat的2007～2009年3年的观测资料的分析,研究了东亚地区的云的垂直结构.首次计算了在气候模式的云辐射过程中表征云的垂直结构特征的一个重要参数：抗相关厚度L＊cf.本文结果表明：6个研究域的抗相关厚度基本处于0～3km的范围之中,根据研究子域的云量不同来划分,抗相关厚度极值出现在云量为0.6～0.8的子域附近,平均约为2.5km.6个研究域的L＊cf纬向差异明显,处于较高纬度的北方地区和西北地区的L＊cf整体大于较低纬的青藏高原地区和南方地区,而东部海域和东亚地区介于两者之间.不同季节之间的差异表明东亚地区研究域和位于东亚地区西部的西北地区,青藏高原地区和南方地区三个研究域的L＊cf具有夏季最大,春、秋次之,冬季最小的特点;位于东亚地区较东部的东部海域和北方地区研究域的L＊cf则呈现出冬季最大,春秋次之,夏季最小的特点.其次,利用全球气候模式研究了不同的L＊cf值对模拟的云辐射强迫的影响,研究结果表明,不同L＊cf取值对模拟的云辐射强迫有很大影响,特别是对全球几个主要的季风区和中东太平洋地区的影响非常大,最高达40～50Wm2左右.因此,在气候模式中精确描述云的垂直重叠结构对提高云辐射强迫模拟精度及其反馈有重要的意义.     

温室效应对未来长江中下游地区温度和降水变化的影响

使用全球海气耦合模式和区域气候模式,对人类活动影响导致的温室气体和气溶胶增加引起的长江中下游地区的气候变化进行了分析研究.全球模式部分使用的是IPCC数据分发中心提供的5个模式模拟结果,包括IS92a中未来温室气体增加(GG)以及温室气体和硫化物气溶胶共同增加(GS)和A2、B2共4种排放情景.分析表明在温室气体增加的情况下,这里未来的地面气温变化与全球和全国一样,都呈增加趋势.以GG和GS为例,GG情景下,这一地区的变暖幅度在21世纪末期达到4.2℃, GS情景下达到3.1℃.但总体来说这里的变暖幅度较全球和中国其它大部分地区小.各个季节中,冬春季的增温幅度大于夏秋季.对降水的分析表明,GG情景下长江中下游地区是中国降水增加较少的地区之一,而在GS情景下,降水将出现微弱的减少.区域气候模式的模拟,在气温变化方面得到的结果和全球模式类似.但降水与全球模式的结果有所差别,主要表现在降水增加的季节分布不同上,模拟结果中降水增加最多的是冬季和夏季(增加值分别为44%和23%),而春秋季的降水将减少.     

区域气候模式RegCM3对华北地区未来气候变化的数值模拟

采用高水平分辨率区域气候模式进行区域未来气候变化预估,对理解全球增暖对区域气候的潜在影响和科学评估区域气候变化有很好的参考价值.这里对国家气候中心使用25 km高水平分辨率区域气候模式RegCM3单向嵌套全球模式MIROC3.2_hires在观测温室气体(1951—2000)和IPCC A1B温室气体排放情景下(2001—2100)进行的共计150年长时间模拟结果,进行华北地区未来气温、降水和极端气候事件变化的分析.模式检验结果表明:模式对当代(1981—2000)气温以及和气温有关的极端气候事件(霜冻日数、生长季长度)的空间分布和数值模拟较好;对降水及和降水有关的极端气候事件(强降水日期、降水强度、五日最大降水量)能够模拟出它们各自的主要空间分布特征,但在模拟数值上存在偏大、偏强的误差.和全球模式驱动场相比,区域模式模拟的气温、降水和极端气候事件有明显的改进.2010—2100年华北地区随时间区域平均气温升高幅度逐渐增大,随之霜冻日数逐渐减少,生长季长度逐渐增多;同时随温室效应的不断加剧,未来降水呈增加的趋势,强降水日期和五日最大降水量逐渐增多、降水强度逐渐增大.从空间分布看,21世纪末期(2081—2100)气温、降水以及有关的极端气候事件变化比21世纪中期(2041—2060)更加明显.     

区域气候模式RegCM3对华北地区未来气候变化的数值模拟

采用高水平分辨率区域气候模式进行区域未来气候变化预估,对理解全球增暖对区域气候的潜在影响和科学评估区域气候变化有很好的参考价值.这里对国家气候中心使用25 km高水平分辨率区域气候模式RegCM3单向嵌套全球模式MIROC3.2_hires在观测温室气体(1951—2000)和IPCC A1B温室气体排放情景下(2001—2100)进行的共计150年长时间模拟结果,进行华北地区未来气温、降水和极端气候事件变化的分析.模式检验结果表明:模式对当代(1981—2000)气温以及和气温有关的极端气候事件(霜冻日数、生长季长度)的空间分布和数值模拟较好;对降水及和降水有关的极端气候事件(强降水日期、降水强度、五日最大降水量)能够模拟出它们各自的主要空间分布特征,但在模拟数值上存在偏大、偏强的误差.和全球模式驱动场相比,区域模式模拟的气温、降水和极端气候事件有明显的改进.2010—2100年华北地区随时间区域平均气温升高幅度逐渐增大,随之霜冻日数逐渐减少,生长季长度逐渐增多;同时随温室效应的不断加剧,未来降水呈增加的趋势,强降水日期和五日最大降水量逐渐增多、降水强度逐渐增大.从空间分布看,21世纪末期(2081—2100)气温、降水以及有关的极端气候事件变化比21世纪中期(2041—2060)更加明显.     

大气温度反馈的机理及其对全球增暖的贡献

大气和地表之间热辐射交换引起的地气温度耦合(即大气温度反馈)是影响地表能量收支平衡的重要因子.文章旨在阐述大气温度反馈机理,讨论影响其强度和空间分布的主要因子;并以全球变暖为例,论述大气温度反馈如何与外强迫和气候反馈过程耦合最终对全球增暖产生贡献.基于ERA-Interim再分析资料,利用地表反馈响应分析方法,计算大气温度反馈核,以此来阐述大气温度反馈的物理机制及其强度的空间分布与气候态温度、水汽和云水含量空间分布的关系,以及全球增暖加速期间大气温度反馈对全球平均表面温度增加的贡献.分析表明大气温度反馈过程主要通过与气候系统外强迫和内部过程的耦合作用,将各独立过程引起的地表能量收支异常信号放大.研究结果表明大气温度反馈显著放大了CO_2浓度升高、冰雪融化、水汽含量增加和海洋热量吸收减缓引起的地表增暖,削弱了云量增加引起的地表降温效应.同时,也放大了地表潜热通量增加造成的地表冷却效应.从全球平均结果来看,全球快速变暖前后,尽管外强迫和气候系统内部过程引起的全球平均总地面直接能量通量扰动为负,但大气温度反馈造成的全球平均总地面能量通量扰动却为正,且后者幅度远大于前者,这导致全球平均总地面净能量通量扰动正异常.由此可见,大气温度反馈对全球变暖起到了至关重要的作用.     

长江上游近千年来的洪水变化——比较气候-水文模型模拟数据与重建数据

了解水文过程对温室气体水平上升的响应,对气候变化影响研究至关重要.然而,由于缺乏长期的观测数据来了解气候系统的长期行为,这方面的研究往往受到一定限制.结合重建数据和模型模拟(全球气候模式和水文模型)数据将有助于更好地理解气候和水文过程在过去几十年到几个世纪的时间尺度上的变化.在本研究中,利用模型链方法研究长江上游过去千年至21世纪末的洪水变化.首先,利用四个全球气候模式(BCC-CSM1.1、MIROC-ESM、MRI-CGCM3、CCSM4)的降水和温度数据驱动水文模型,模拟长江上游在过去千年(850～1849年)、历史时期(1850～2005年)和未来时期(2006～2099年)的日径流过程.在此基础上,评估了模拟降水、温度和极值流量是否与文献记载的干湿期、温度变化和古洪水记录具有相似的统计特性.最后,通过模型模拟结果探究了极值流量从过去千年到未来的变化.结果表明:(1) MIROC-ESM模式不同于其他三种气候模式,从温暖期(中世纪暖期; MCA)到寒冷期(小冰期; LIA),温度增加,而其他模式的温度变化与历史记录相似;(2) BCC-CSM1.1模式的模拟降水与记录的干湿期之...     

全球变暖背景下东亚气候变化的最新情景预测

在最新的SRES A2和B2温室气体排放情景下,利用国际上7个气候模式针对未来全球变暖的数值模拟结果,本文着重分析了东亚区域气候21世纪的变化趋势. 研究揭示：中国大陆年均表面气温升高过程与全球同步,但增幅在东北、西部和华中地区较大,且表现出明显的年际变化;全球年均表面气温增幅纬向上大体呈带状分布,两极地区最为明显,并在北极地区达到最大;此外,21世纪后半段北半球高纬度地区的年平均强升温幅度主要来自于冬季增温. 在21世纪前50年,温室气体含量的增加除在一定程度上会增加青藏高原大部分夏季降水量外,不会对中国大陆其余地区的年、季节平均降水量产生较大影响;但持续的温室气体含量增加将最终导致大陆降水量几乎是全域性的增加.     

全球变暖、碳排放及不确定性

近年来人们对全球变化尤其是对气候变暖及其机制的争论达到了前所未有的程度.本文对气候变化研究的最新进展和国内外动态进行了梳理,得出如下观点和结论：（1）全球变暖是客观事实,但由于多种原因,全球升温多少存在不确定性;（2）人类活动和自然因素共同影响着气候变化,但其相对贡献量难以量化;（3）政府间气候变化专门委员会（IPCC）认为CO2等温室气体浓度的增加是全球变暖的主要因素,但学术界对此有异议,因为作用于温度变化的自然和人为机制并不十分明确,大气中CO2的来源也存在不确定性.因此,在得出准确结论之前,需要加大力度研究和明确这些不确定性.     

外强迫因子变化在2003年夏季旱涝预测中的作用

利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟实验室研发的全球海洋－大气－陆面过程气候系统耦合模式（IAP/LASG GOALS 4.0）,对比分析了考虑和不考虑气候的外强迫因子（太阳活动、温室气体及硫酸盐气溶胶）变化对2003年夏季中国区域的短期气候预测的影响.结果发现,由于外强迫因子变化的影响,模式模拟的中国区域2003年夏季降水距平的分布比不考虑这种变化时更接近实况,它有效地改善了无外强迫变化时模式模拟预测的中国区域降水不真实偏大的缺点,使一些地区的模拟降水量值减小,范围扩大,位置北抬.更重要的是,由于考虑了外强迫的变化,GOALS耦合模式很好地模拟出了2003年夏季淮河流域较大的降水正距平区,同时相应的500 hPa环流场的模拟也有较大的改进.     

气候变化对长江流域汉江和赣江径流的影响

近几年来,国家气候中心己经建立了中国主要四大流域气候对水资源影响评估的模式框架.本文拟进一步证明其中之一的两参数分布式月水量平衡水文模式对长江之上汉江和赣江两子流域径流的模拟能力,结果表明该水文模式对目前气候条件下径流模拟效果较好,运行稳定,可用于实时业务运行.在此基础上,利用ECHAM4和HadCM2两GCM(General Circulation Model)未来气候情景模拟结果及目前实测气候情况,对汉江和赣江两子流域的径流对未来气候变化的敏感性进行评估.经检验,两GCM对未来气候,特别是降水情景模拟存在一定差异,因此,造成径流对气候变化的响应不同,这充分反映了全球模式模拟结果不确定性在气候变化影响研究中的重要性.     

气候变化对中亚五国粮食安全的影响

随着全球气候变暖趋势的逐渐加剧,气候变化对粮食安全造成的影响引发社会各界广泛关注.中亚国家深处亚洲内陆,生态环境脆弱,农业技术较低,面临着严峻的气候变化威胁.基于1990～2019年中亚五国的面板数据,构建了C-D-C模型,研究气候变化对该区粮食安全的影响,并预测未来发展趋势.研究发现,过去30年中亚五国粮食安全水平整体呈上升趋势,其中哈萨克斯坦粮食安全指数较高,而塔吉克斯坦粮食安全水平较低.年均温和年降水对五国的粮食安全影响存在倒U型关系,其中对哈萨克斯坦粮食安全的积极影响最大;极端高温和极端低温对中亚五国粮食安全具有显著的负向影响,其中对土库曼斯坦粮食安全的消极影响最大;霜冻日数对粮食安全的影响不显著.未来气候预测结果显示, 2030～2090年中亚气温和降水量有继续升高趋势,整体将对五国粮食安全具有持续抑制作用.建议各国提高气候风险认识,加强气候科学研究,提前制定多方适应策略;同时,加强国际合作,有效减少温室气体排放,强化保障粮食安全的能力.     

近期东亚季节性温差减弱幅度已超出14世纪以来自然变率范围

季节性温差(夏温与冬温之差)变化是地球气候系统的重要组成部分.遗憾的是,在东亚地区较短的气象观测记录限制了对季节性温差变化的认识.本研究诊断了东亚地区树轮气候信号,严格筛选了10条对冬季(上年12月至当年2月)和12条对夏季(当年6～8月)温度变化响应敏感的年表.基于筛选的树轮资料,重建了公元1376～1995年东亚地区冬季和夏季温度变化序列,并与气候模拟结果进行了对比分析.结果显示:过去600年,与冬季相比,夏季温度对赤道火山喷发造成的降温效应以及对工业革命以来温室气体强迫引起的增温效应响应更为显著;温室气体强迫使得东亚季节性温差自19世纪70年代起持续减弱,且20世纪90年代以来,季节性温差减弱趋势已超出过去600年的自然变率范围;气候模式可以基本模拟出重建所揭示的冬季和夏季的温度年代际变率及趋势,但很大程度上低估了季节性温差变化幅度,这主要是由于现有的气候模式低估了区域尺度温度变化对外强迫和气候系统内部变率模态响应的季节差异.本研究强调了利用气候重建资料对气候模式模拟季节性温度变化性能验证的重要性,明晰了如果未来温室气体强迫持续增强,东亚地区季节性温差将进一步减弱的认识.     

东北松嫩平原区湖泊对气候变化响应的初步研究

以气候变暖为主要特点的气候变化已成为当前研究的焦点,气候变化和不同类型的生态系统之间的相互作用更是受到广泛关注.东北地区作为我国气候变化的一个敏感区,观测记录和多种模式预估显示该区气候变暖显著并将进一步增强,降水变化趋势则不明显或略有增加.东北松嫩平原湖泊群是我国湖泊密度最大的湖区之一,但近几十年来,该区湖泊生态环境不断恶化,其中气候因素最为受人关注.本文从以下几个角度综述了松嫩平原湖泊群对气候变化的响应:(1)湖泊面积和湖泊水位;(2)湖泊水质;(3)湖泊生态多样性.在此基础上,探讨了该区未来气候变化对湖泊的可能影响以及湖泊的演变趋势,也阐述了在这种自然背景下的人类活动对湖泊环境演变的影响.     

气候变化对沅江流域径流影响研究

温室气体排放量增加造成气候变化,对全球资源环境产生重要影响.本文在水量平衡基础上,建立考虑气象要素和地形变化的月水文模型,利用实测径流资料对模型在时空尺度上进行验证.利用全球气候模型(GCMs)预测的未来气候变化情形,对处于湿润区的沅江流域径流过程进行预测.分析结果表明,该区域径流过程对降雨和气温变化十分敏感.根据英国Hadcm2模型对本世纪中叶气候变化预测结果,沅江流域未来年降雨量减少0.43%气温升高1.55℃,丰水期降雨增加,而枯水期将有较大幅度减少.年径流量相应减少6.8%,丰水期径流量增大11%,枯水期径流减少47%,不利于防洪和水资源开发利用.     

气候变化对湖库水环境的潜在影响研究进展

本文着重归纳气候变化对湖库热力特性、冰期、溶解氧、营养盐、浮游植物和水生植物等方面的影响规律,探讨气候变化对湖库水环境潜在影响的区域差异,讨论现有研究方法的优缺点和发展前景.研究表明,气候变暖对湖库物理过程的影响最为显著;热带草原气候和温带海洋性气候对于气候变暖和降雨变化的响应较其他气候类型突出;气候变化对湖库水环境的影响效果具有两面性.通过分析各气候类型中气候变暖对磷水平的潜在影响差异表明,亚热带季风气候的湖库更可能受气候变暖的影响趋于富营养状态.在今后研究中,建议深入开展各气候类型中区域性气候变化对湖库水环境影响的实例研究.     

大气模式估算的东亚区域人为硫酸盐和黑碳气溶胶辐射强迫及其时间变化特征

本文利用大气环流模式及大气化学模式所得气溶胶资料,估算了相对1850s时期硫酸盐和黑碳气溶胶引起的全球及东亚区域人为辐射强迫,重点分析其在东亚区域的季节和长期变化特征.结果表明,就当前全球年平均全天空而言,人为硫酸盐气溶胶对大气顶的直接和云反照率强迫分别为-0.37和-0.98 W·m-2,黑碳气溶胶对大气顶和整层大气的辐射强迫值为0.16和0.47 W·m-2;中国东部区域是目前上述气溶胶辐射强迫最强的区域,硫酸盐的直接和间接辐射强迫分别超过-2.0和-4.0 W·m-2,黑碳对大气顶和整层大气的直接辐射强迫分别可达2.0和5.0 W·m-2;估算的东亚区域上述气溶胶辐射强迫仍在不断增强,峰值预计出现在2010s时段,而且中国东部较强的辐射强迫还可能维持至2030 s左右;在未来中、高排放情景下,东亚区域以上两种气溶胶预计对全球气溶胶辐射强迫有更大的贡献.分析还表明,夏季东亚区域较强的水汽会增强吸湿性硫酸盐气溶胶的光学厚度和晴空直接辐射强迫;云的作用一方面会强化东亚区域全天空条件下大气顶黑碳的辐射强迫,另一方面会影响硫酸盐气溶胶间接云反照率强迫的季节变化;上述气候特征的差异使得东亚区域的气溶胶辐射强迫表现出与欧美区域有所不同的特征.本文所用的气溶胶资料与模式气象场的偏差会给气溶胶辐射强迫计算带来一些不确定性,进一步改进气候模式中气溶胶过程、水汽和云等气象场的模拟将有助于获得更为合理的区域气溶胶辐射强迫估算结果.     

CMIP6气候模式对21世纪初全球增暖减缓现象模拟能力评估与归因分析

自工业革命以来,大气中温室气体浓度持续升高,但1998～2013年期间却出现了全球增暖减缓现象,挑战了现有的对全球温度变化机理的认识.第五次国际耦合模式比较计划(Coupled Model Inter-comparison Project Phase5, CMIP5)中众多当时最先进的气候模式都没能合理地模拟出该现象,引发了公众对气候模拟和预测的质疑.文章基于六种常用的全球表面温度观测资料集,评估了最近发布的28个CMIP6气候模式对21世纪初全球增暖减缓现象的模拟能力.结果显示,相对前一代的CMIP5模式,新一代的CMIP6模式尽管在年代尺度增暖速率模拟能力上有所提高,但大多数CMIP6模式依然未能重现出全球增暖减缓现象.在28个CMIP6模式中,只有4个成功模拟出了增暖减缓,其他模式普遍高估了1998～2013年期间的增暖速率,呈现出明显的增暖加速,而不是观测到的增暖减缓.进一步分析表明,气候模式能否成功模拟出增暖减缓现象的关键在于其能否准确区分并模拟出两种不同来源的温度变化信号,即人类排放温室气体导致的长期增暖信号和气候系统内部短期的自然变率信号,特别是年际、年代际和多年代际这三种尺度的自然变率. 4个复现出增暖减缓现象的模式都较为合理地模拟出了长期增暖趋势和三种关键尺度自然变率.上述评估结果为改进气候模式对短期气候变化的模拟和预测能力提供了一个新的视角.     

过去2000年重大火山喷发对全球和中国气候的影响

重大火山喷发(MVEs)越来越受到科学界的关注.已有很多工作研究了过去2000年MVEs对气候的影响,但古气候重建资料和气候模拟资料显示的全球和中国气候对MVEs的响应存在较大差异.本文汇总了观测、重建、模拟和同化数据,系统地总结了MVEs的史实、对气候的影响和机制以及未来的研究方向.主要结论是:过去2000年MVEs密集时期发生在公元530～700、1200～1460和1600～1840年.对温度影响上, MVEs会引起年际-年代际尺度全球和中国的显著降温,但模拟的年际尺度降温幅度明显大于重建结果.对降水影响上,热带MVEs会导致全球季风降水显著减少;在中国区域,长江流域的降水有所增加,但在华北、东北以及青藏高原南部区域,不同数据所反映的结果存在较大差异.频繁的强火山爆发、火山叠加太阳活动极小期、气候系统内部变率叠加火山的作用都可能引起北半球季风区和中国东部的年代际干旱事件.在机制上, MVEs既通过直接辐射效应影响气候,也通过调制气候系统内部变率来间接影响气候,如火山喷发会影响厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和大西洋多年代际振荡(AMO)的变化.然而, MVEs调制ENSO和AMO等...