五个全球大气海洋环流模式模拟二氧化碳增加对气候变化的影响

本文总结五个应用较广的全球大气与海洋环流模式(GFDL,GISS,NCAR,OSU与UKMO),模拟由于人类活动造成大气中二氧化碳浓度增加对气候变化的影响模拟表明,由于大气中二氧化碳浓度增加,将导致全球地面气温增暖大约4℃,其中高纬与极区冬季增暖更明显。高纬与极区海冰和积雪融化增加。全球降水率与土壤湿度在部分地区明显增加,部分地区明显减少,引人注意的是中纬度地区土壤湿度可能变干燥。 本文还给出发达国家与发展中国家在能源战略的各种考虑下各自相应对大气中二氧化碳浓度的影响,以及展望未来由于人类活动的结果,将对全球大气与海洋温度的变暖和土壤湿度变化的影响。     

用气候模式模拟大气中二氧化碳浓度增加对气候变化的影响

一、引言人类活动对气候变化的影响以及气候变化对人类的影响问题在近二十年来被许多气候学家所注意。人类活动对气候影响中最受注意的是 CO_2增长的效应。许多观测及分析研究已经证实,大气中     

区域气候模式对地形影响东亚大气环流季节变化的数值模拟研究

利用ICTP新推出的高分辨率第三代区域气候模式RegCM3,进行了有、无地形高度两个数值试验.通过分析两个试验模拟的环流场和降水场等的差异特征来研究东亚地区地形影响大气环流的季节变化特征.结果表明,东亚地形对大气环流的影响存在较明显的季节变化.冬季/夏季高层流场差异场的特点是以高原为中心成反气旋/气旋性环流形势,这种结构特征对西风急流的季节性北进南退起主导作用.位势高度差异场呈北高南低的分布形势,大致以30 °N为分界线,冬季/夏季呈"北弱南强","陆地低海洋高"/"北强南弱"、"陆地高海洋低"的分布特征,这种配置对西风急流越过高原后强度的增强减弱关系密切.此外,地形对大气的辐射加热作用的季节性变化以及海陆热力差异的季节性振荡也说明地形不仅能通过动力和热力作用来直接影响高低层的环流系统,也可能通过调节海陆热力差异来间接影响季风环流.     

涡分辨率全球海洋环流模式LICOM模拟的吕宋海峡流场的季节变化

分析了一个1/10°的涡分辨率全球环流模式LICOM(LASG/IAP Climate system Ocean Model)对吕宋海峡附近海洋环流的模拟能力。结果表明,模拟的吕宋海峡附近上层环流及输运具有明显的季节变化特征,除6月是东向净流出外,其余月份均为西向流入,冬季流量最大。年平均流量在-3.76 Sv(1 Sv=106 m3/s),其中上层(600 m以上)流量起主要贡献,为-3.60 Sv,与目前已有的研究结果基本一致。南海通过6个海峡完成与外界的水交换,其中吕宋海峡和巴拉巴克海峡是大洋水进入南海的主要通道,其余海峡均以流出为主,流出量最大的是台湾海峡(1.99 Sv),其次是卡里玛塔海峡(1.03 Sv)。进一步分析表明,由季风引起的埃克曼输送量约占吕宋海峡流量的11%,而由季风引起的吕宋海峡压力梯度形成的西向的地转流对吕宋海峡的输运起支配作用。作为黑潮源头的太平洋北赤道流流量对吕宋海峡输运的季节变化也有一定影响。     

黑潮季节变化对次级海洋环流的影响

黑潮是全球大洋中和大气之间进行热量交换最多的海域之一,它所携带的热量对局地的海-气相互作用具有重要影响。20世纪50—60年代,中国学者就发现冬季黑潮流域的海表温度与中国长江流域汛期降水存在着密切联系。文中利用一个两层半海洋模式主要从动力学角度探讨黑潮流域热源的季节变化对次级海洋环流的影响。结果表明,在黑潮流域冬暖夏冷的外源强迫下,温跃层的海温异常峰值比热源的峰值滞后一个季节,春季的海温异常达到最大。混合层年平均海温异常为正,从冬季到夏季均偏高,春季最大,仅秋季为负异常,这与观测资料一致。混合层与温跃层的春季海温异常的量值大体相当,在其他季节混合层的海温异常均高于温跃层。从冬季到夏季,温跃层和混合层的次级环流呈现从气旋型环流到反气旋型环流的转变,这样的异常环流在夏季有利于向中国东部附近海域输送热量。     

西藏高原对于大气环流影响的季节变化

海陆分布对於大气环流的影响有两方面,一方面是由於热力的,冬季大陆上的气温低於海洋,夏季反之,与这种温度的分布有关系的气象上的现象,我们可以观察到很多,例如西伯利亚的冬季高压就是因为当地的低温所致,再如东亚夏季的东南季风也是因为大陆上的高温结果。Bleeker对於冷热在大气变化中的作用,特别强调。著者对於海陆温度的分布和大气环流亦会稍加讨论,本文不拟对此再多伸述。     

北京气候中心大气环流模式对季节内振荡的模拟

初始条件记忆和下垫面条件是延伸期可预报性的主要来源,它们在不同时段、不同区域的相对作用存在明显不同。利用中国国家气候中心最新一代大气环流模式BCC_AGCM,设计了由4组不同大气初值与海温边值构成的组合试验,研究了（大气）初值与（海温）边值对全球不同区域延伸期预报的相对作用。结果显示,模式预测技巧在3周以内强烈依赖于初值。在相同的边值条件强迫下,不同初值在月内尺度上的预测技巧差异非常明显,且在更长的时间尺度上,初值仍然能够提供一定的预测信息。从全球来看,边值强迫对预测技巧的影响从一周左右开始。在低层的850 hPa高度场上,边值的作用在热带地区于第4-5候与初值相当,其他区域的边值影响达到与初值相当的时间滞后于热带地区;在北半球500 hPa高度场上,边值的作用在热带地区第5候前后达到与初值作用相当,其他区域这个时间则推迟至第6候前后,比对低层的影响时间滞后1-2候;对于东亚地区而言,边值的贡献在第2候就已显现,对预测技巧产生了明显的改进。在延伸期尺度上,边值强迫主要作用的区域为低纬度区域,且对500 hPa高度场的影响更为稳定,在该区域第5候以后有较为明显的改进。初值与边值对延伸期预报都具有相当重要的作用,认识初、边值条件的相对作用能够为延伸期预报的改进奠定基础。     

全球海洋环流模式中氚分布的模拟

氚（3H）作为一种重要的被动示踪物,经常被用于研究海洋中的物理过程及评估海洋环流模式的模拟性能。使用一个全球海洋环流模式（LICOM）来研究氚在海洋中的分布、存储和输送。模拟的全球氚通量表明,1975年之前氚主要由海气交换输入海洋,特别是在1963年,氚的气体交换输入约为降水输入的2.5倍,1975年之后两种方式的氚输入通量都大幅减少。比对GEOSECS（Geochemical Ocean Sections Study,1972～1978年）和WOCE （World Ocean Circulation Experiment,1989～1995年）大洋观测计划期间的观测资料发现,我们的模式很好地模拟出了氚的海表分布、水柱总量、经向分布以及次表层的高值信号,主要缺点在于模拟的氚向深层的穿透不足,特别是在全球的两个副热带地区,表现尤为明显,氚输入函数的不确定性和模式物理场描述的不足可能是造成误差的主要原因。模式给出的海洋中氚储存总量的结果与基于观测得到的结果比较吻合,如北太平洋海区：1973～1974年模拟结果约为20.4 kg,相同期间观测估计值为21.1±4.7 kg,1989～1995年模拟结果为20.7 kg,相同期间观测估计值为23.4±2.0 kg。氚在等密度面上高低纬的侧向通风明显,模式成功模拟出氚从中高纬的海表进入,沿等密度面向低纬的次表层输送,又经大洋环流和扩散分别向南半球和高纬输送的过程。     

大气环流的季节变化和季风

利用多年平均气候资料计算了全球各地和各等压面上的大气环流季节变率（即冬季和夏季环流之差或者1月和7月环流之差再除以年平均）,发现在对流层低层环流有5个很突出的季节变率极大值的区域,分别位于热带和南北两半球的副热带和中-高纬度带（温-寒带）,它们分别对应于经典所谓的热带季风区,太平洋、印度洋和大西洋的副热带高 压季节性移动区域,以及温-寒带气旋的风暴轴线区域。这5个区域也可分别称为热带季风区、副热带季风区和温-寒带季风区。季节变率带有鲜明的斜压性:在对流层低层热带季风和副热带季风虽相互连接然而仍然明显可分,但越往上,副热带季风一支就越往低纬移动,结果在200 hPa处与热带季风混合为一,形成为斜交赤道的带,和所谓的行星季风区相对应;再往上,在平流层上层,则南北两半球各在中纬度带有一完好的非常鲜明的季节变率极大值带,它们与黑夜急流的维持和崩溃有关。此外,文中还探索了各季节来临的时空分布以及年际变化等问题。     

欧亚地形对不同季节大气环流影响的数值模拟研究

利用气候模式F-GOALS的大气谱分量SAMIL,设计了有、无欧亚地形的对比试验。通过分析其高度差异、流场差异、降水差异和温度差异得到欧亚地形对不同季节大气环流影响的特征。结果表明,欧亚地形对大气环流和气候的影响随季节变化而变化,基本可分为冬季型(11月~次年4月),夏季型(6~9月)及转化型(5月,10月),在中高纬高低层呈相当正压结构。冬季型高度差异以35°N和100°E为界,在北面呈西高东低,南面呈西低东高。夏季型在西太平洋地区为北高南低,在大陆上空为上正下负。850 hPa流场差异场的冬季型在西太平洋北/南部为气旋式/反气旋式环流,在大陆上以“青藏高原(TP)偶极流型”为主要特征;夏季的副热带以环绕青藏高原的气旋性环流和西太平洋的反气旋环流为主要特征。地形强迫的冬半年“TP偶极型”加强了冬季西伯利亚冷空气活动,形成了江南的春雨和华南的早汛期降水。地形强迫的夏季流型形成了孟加拉湾-青藏高原中东部的强降水差异,使东亚降水向北伸展,并引起亚洲降水分布的调整。     

SEASONAL CHANGES OF SOIL MOISTURE INDUCED BY INCREASED CO2 AS SIMULATED BY THE ATMOSPHERIC GENERAL CIRCULATION AND MIXED LAYER OCEAN MODEL

The atmospheric general circulation model coupled to the mixed layer ocean model has been used to simulate thechanges of the global soil moisture.Comparing the simulated results with observations,it is shown that the model is ca-pable of doing sensitive experiments about the carbon dioxide change.The 2×CO_2/1×CO_2 comparison shows that there are the obvious changes of the soil moisture in the global forfour seasons.There are the wet soil moisture in the lower latitudes of both hemispheres and dry soil moisture in the mid-dle latitudes of both hemispheres for four seasons.The dry soil moisture in summer and wet in other seasons are foundin the northern higher latitudes.The analyses of the physical feedbacks responsible for the CO_2-induced changes of soil moisture show that the bud-gets of the surface water and heat are the important factors.     

INFLUENCE OF SOIL MOISTURE AND VEGETATION ON CLIMATE CHANGES INDUCED BY THERMAL FORCING*

A land-process scheme has been incorporated in a vertical one-dimensional time-dependent atmospheric model and numerical experiments have been performed with the coupled model to examine influences of soil wetness and vegetation on climate changes associated to thermal forcing.It is showed that response of land-surface temperature to the thermal forcing becomes small with increase of soil water content and vegetation cover.Furthermore,the response is more obvious in arid climate region than in humid one.The result also shows that there exist two patterns of corresponding relation between variations in air temperature and humidity on the land surface in response to hydrologic and thermal focing.     

INFLUENCE OF SOIL MOISTURE AND VEGETATION ON CLIMATE CHANGES INDUCED BY THERMAL FORCING

A land-process scheme has been incorporated in a vertical one-dimensional time-dependent atmospheric modeland numerical experiments have been performed with the coupled model to examine influences of soil wetness and vege-tation on climate changes associated to thermal forcing.It is showed that response of land-surface temperature to thethermal forcing becomes small with increase of soil water content and vegetation cover.Furthermore,the response ismore obvious in arid climate region than in humid one.The result also shows that there exist two patterns of corre-sponding relation between variations in air temperature and humidity on the land surface in response to hydrologic andthermal focing.     

CO2浓度倍增对中国主要作物影响的试验研究

根据自行设计的ＯＴＣ－１型开顶式气室及连续３年试验资料，在评述该套设备性能的基础上，分析了ＣＯ２浓度倍增对４种作物生长发育和产量的影响。结果表明：ＣＯ２浓度倍增，作物发育进程加快，株高增加，经济产量和生物产量增长明显，且Ｃ３作物的增长幅度大于Ｃ４作物；冬小麦、棉花品质呈良性变化，玉米品质可能有所下降，大豆品质变化不明显。上述初步结果尚待进一步研究     

海洋对人为CO2吸收的三维模式研究

文中用包含海洋化学过程和一个简单生物过程的三维碳循环模式模拟了海洋对大气CO₂的吸收,并分析了碳吸收的纬度分布。模拟工业革命以来海洋对大气CO₂的吸收表明:海洋碳吸收再加上大气CO₂的增加只占由化石燃料燃烧、森林砍伐和土地利用的变化而释放到大气中的CO₂的2/3。1980～1989年期间海洋年平均吸收2.05GtC。海洋人为CO₂的吸收有明显的纬度特征。模式计算的海洋CO₂的吸收在总量与纬度分布上与观测结果比较相符。     

SIMULATING THE RESPONSE OF NON-UNIFORMITY OF PRECIPITATION EXTREMES OVER CHINA TO CO2 INCREASING BY MIROC_HIRES MODEL

The response of non-uniformity of precipitation extremes over China to doubled CO2has been analyzed using the daily precipitation simulated by a coupled general circulation model,MIROC_Hires.The major conclusions are as follows:under the CO2increasing scenario(SRES A1B),the climatological precipitation extremes are concentrated over the southern China,while they are uniformly distributed over the northern China.For interannual variability,the concentration of precipitation extremes is small over the southern China,but it is opposite over the northern China.The warming effects on the horizontal and vertical scales are different over the northern and southern part of China.Furthermore,the atmospheric stability is also different between the two parts of China.The heterogeneous warming is one of the possible reasons for the changes in non-uniformity of precipitation extremes over China.     

A SIMULATION OF CO2 UPTAKE IN A THREE DIMENSIONAL OCEAN CARBON CYCLE MODEL*

A three-dimensional ocean carbon cycle model which is a general circulation model coupled with simple biogeochemical processes is used to simulate CO₂ uptake by the ocean.The OGCM used is a modified version of the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory modular ocean model(MOM2).The ocean chemistry and a simple ocean biota model are included.Principal variablesare total CO₂,alkalinity and phosphate.The vertical profile of POC flux observed by sediment traps is adopted,the rain ratio,a ratio of production rate of calcite against that of POC,and the bio-production efficiency should be 0.06 and 2 per year,separately.The uptake of anthropogenic CO₂ by the ocean is studied.Calculated oceanic uptake of anthropogenic CO₂ during the 1980s is 2.05×10¹⁵g(Pg)per year.The regional distributions of global oceanic CO₂ are discussed.     

全球农作物对大气CO2及其倍增的吸收量估算

根据农作物产量资料（ＦＡＯ１９９２年），计算出中国和全球各种作物对ＣＯ２的吸收总量分别为５．５×１０８ｔ／ａＣ和２８．９×１０８ｔ／ａＣ。同时以不同ＣＯ２浓度下小麦、玉米、大豆等全生育期光合速率实验数据直接计算的Ｃ吸收量为对照，与相应的中国产量资料计算结果比较，两者相差２．６％。从而进一步依据作物对ＣＯ２倍增反应诊断实验结果，推算出大气ＣＯ２浓度比目前倍增（７００ｐｐｍ）条件下，中国和全球农作物吸收ＣＯ２总量将增长２１％－２６％，分别为６．６×１０８ｔ／ａ—６．９×１０８ｔ／ａ和３４．１×１０８ｔ／ａ—３６．２×１０８ｔ／ａＣ。研究还表明，单位面积作物年吸Ｃ量全球（３．２ｔ／（ｈｍ２·８））比中国（４．２ｔ／（ｈｍ２·ａ））低２５．４％，而且Ｃ４作物普遍高于同类Ｃ３作物。     

CO2和O3浓度倍增对作物影响的研究进展

文中利用自行设计的OTC - 1型开顶式气室进行了 9a的田间试验 ,取得了一批质量可靠的试验数据 ,分析了CO2 浓度倍增对大豆、冬小麦、棉花、玉米、春小麦和谷子的生物量、产量及品质的影响 ,结果表明CO2 浓度倍增对上述 6种作物的生物量及产量的影响均是正效应 ,对冬小麦、棉花和谷子品质的影响可能是有利的 ,对玉米品质的影响可能是不利的 ,对大豆的影响不大 ;分析了O3 浓度倍增对冬小麦、水稻、油菜和菠菜生物量、产量及品质的影响 ,结果表明O3 浓度倍增对上述 4种作物生物量的影响均是负效应 ,对冬小麦和水稻的产量影响是负效应 ,但是冬小麦和水稻籽粒中粗蛋白和 17种氨基酸含量都有所增加 ;分析了CO2 和O3 浓度复合倍增对大豆生物量、产量及品质的影响 ,结果是生物量和产量呈增加趋势 ,说明了CO2 的正效应大于O3 的负效应。采用作物模型数值模拟方法 ,分析了CO2 和O3 浓度倍增对冬小麦生物量及产量的影响。