地球系统动力学模式及模拟研究

将地球上大气、海洋、地理环境和生态各圈看成一个有机的整体进行研究,并统一协调全球气候、生态与环境变化的有关研究(如WCRP、IGBP、IHDP、DIVERSITAS及IPCC、Global Change等),现称为地球系统动力学。它是新兴的学科,其核心之一就是要建立地球系统动力学理论模式并作模拟研究。本文主要概述了我国地球系统动力学模式研制和发展的有关现状及近年来特别是中国科学院"三期创新"资源和海洋科技创新基地重要方向项目群"地球系统动力学模式研究"启动前后所取得的阶段性成果及主要进展,指出了我国地球系统动力学模式发展应重点研究和解决的科学问题及其主要特色,其中有不少结果是新颖的和具有我国特点的。

中国地球气候系统模式的发展及其模拟和预估

地球气候系统模式是开展多学科、多圈层集成研究的重要平台,其发展是国际地学领域特别是全球变化领域竞争的前沿。中国的地球气候系统模式研发工作始于20世纪80年代,最近10年得到快速发展。研发格局上已经形成中国科学院、有关部委和高校三足鼎立的局面。文中在简要回顾中国地球气候系统模式早期发展历史的基础上,总结了中国参加第6次耦合模式比较计划的9个地球气候系统模式的技术特点,初步评估了中国4个模式对全球和东亚气候模拟的基本性能,分析了其在4种共享社会经济路径情景下对全球降水与温度的预估变化及其与平衡态气候敏感度的联系。最后,结合国际态势,从发展的角度提出未来中国气候模式研发工作需要加强的8个方向。

基于中等复杂地球系统模式的全新世气候突变事件模拟试验

全新世暖湿气候背景下的代表性气候突变是发生在约8.2kaB.P.和4.2kaB.P.的气候突然变冷变干的事件。对于气候突变事件的出现,海洋环流被普遍认为是其中的关键环节。科学家们利用不同类型的气候模式进行过个例和机理模拟试验,但还未能对气候突变机理做出合理的解释。本研究使用一个中等复杂程度的地球系统模式EMIC(Earth-system Models Intermediate Complexity)MPM-2,模拟研究了全新世气候背景下北大西洋区域,淡水强迫机制作用对温盐环流以及全球气候的可能影响、气候系统响应和恢复时间特征以及南北半球的差异。模拟结果表明海洋对北大西洋淡水通量异常的强度响应敏感,海洋环流对热量和盐份的输送与淡水通量异常强度之间的平衡决定了温盐环流能否对淡水强迫产生不可逆转变,当淡水通量异常达到某一阈值后可能引起海洋和气候平衡态的改变。同时还发现,在气候变化过程中,两次淡水通量异常对海洋和大气系统的强迫作用是不同的,首次淡水通量异常对气候平衡态的影响要远大于其后的淡水通量异常。模拟结果还表明,北大西洋海洋的异常状况可以通过海洋、大气等各圈层相互作用传递到不同圈层和空间区域,在南北半球出现不同的响应特征。上述模拟结果对于认识全新世气候变化特征、不同突变事件之间的关系及其对现代气候的可能影响具有启发意义。

基于地球系统模式的局地化粒子滤波器与集合卡尔曼滤波器同化实验

粒子滤波器(PF)是一种非常具有应用前景的非线性资料同化方法。但由于其算法本身存在的粒子退化问题,目前尚未被广泛地应用于大型地球物理模式。目前主流的集合同化系统仍然倾向于使用集合卡尔曼滤波器(EnKF)及其衍生方法。一种新近被提出的局地化粒子滤波器(LPF)在经典的粒子滤波器算法中引入局地化技术,可以使用较小的计算成本有效地避免退化问题,具有非常大的业务应用潜力。本文在全耦合的通用地球系统模式中开展了LPF和EnKF的同化实验,同化资料为模拟的卫星海表温度资料。着重考察了不同局地化参数对两种方法的不同影响,对比了局地化粒子滤波器与集合卡尔曼滤波器的同化效果差异。比较的结果表明,LPF的同化效果对于局地化参数的选择非常敏感,在使用最优局地化参数的条件下,LPF能达到与EnKF相当甚至优于后者的同化效果,并具有较大的改进空间。

近年来中等复杂程度地球系统模式的研究进展

近十几年来,地球系统模式领域活跃着一类新兴的模式——中等复杂程度的地球系统模式(EM ICs),EM ICs以其对计算能力的较低要求和对地球系统的较为完备的描述,使其应用几乎覆盖了简单模式和大气环流模式(CGCMs)的所有研究领域,特别在长期气候变化的模拟方面展现了得天独厚的优势,从而使得在长期气候变化的背景下研究近代气候变化更具现实意义。EM ICs已经成为模拟地球系统的有力工具,为目前的CGCMs模拟提供了必要的补充,在简单模式与CGCMs之间架起了一座桥梁。首先回顾了中等复杂程度地球系统模式(EM ICs)的发展现状,结合近年来国内外发表的文献探讨了EM ICs的基本组成、应用领域,并对EM ICs未来的发展趋势进行了预测。

基于CMIP6模式优化集合平均预估21世纪全球陆地生态系统总初级生产力变化

利用国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)中18个地球系统模式总初级生产力(GPP)模拟数据,基于传统的多模式集合平均(MME)和可靠集合平均方法(REA),在4个未来情景(SSP1-2.6,SSP2-4.5,SSP3-7.0和SSP5-8.5)下预估了21世纪全球陆地生态系统GPP的变化量,并分析了GPP变化的驱动因子。研究结果表明:在4个未来情景下,基于REA方法预估的全球陆地生态系统年GPP在未来时期(2068—2100年)比历史时期(1982—2014年)分别增长了(14.85±3.32)、(28.43±4.97)、(37.66±7.61)和(45.89±9.21)PgC,其增量大小和不确定性都明显低于MME方法。在4个情景下,大气CO2浓度增长对GPP变化的贡献最大,基于REA方法计算的贡献占比分别为140%、137%、115%和75%;除SSP5-8.5(24%)外,其他情景下升温均导致全球陆地生态系统GPP降低(-42%、-37%、-16%),部分抵消了CO2施肥效应的正面贡献。温度的影响存在纬度差异:升温在低纬度地区对GPP有负向贡献,在中高纬度地区为正向贡献。降水和辐射变化对GPP变化的贡献相对较小。

评估43个CMIP5模式模拟全球能量平衡能力

地球气候系统的能量平衡决定了地球气候及其变化的状况,因此全球能量平衡的研究一直受到重视,而地球气候系统模式对全球能量平衡的模拟效果也是研究的重要问题之一IPCC第五次评估报告（AR5）指出,目前第五次模式对比计划（CMIP5）发展的地球系统模式在模拟气候系统5个圈层方面有许多改进，但是直接涉及到评估地球系统模式模拟全球能量平衡的研究较少。

第二届人地系统模型与模拟国际研讨会

近百年来以全球变暖为首要特征的气候变化已成为国际社会和科学界广泛认同的事实。气候变暖与全球水循环、陆地生态系统、冰雪圈相互作用,对全球及区域尺度的生态环境产生了深远影响,成为制约人类社会可持续发展的重要因素。近几十年来,气候变化受到学界广泛关注.

BNU-ESM模式及其开展的CMIP5试验介绍

地球系统模式是采用数值模拟方法研究地球各个圈层之间联系及其演变规律，理解过去气候演变过程并预测未来潜在全球气候变化的重要工具。相对于气候系统模式，地球系统模式包含更多的生物地球化学过程，未来还将考虑日地空间环境和固体地球等概念。第五次耦合模式比较计划（CMIP5）是世界气候研究计划（theWorldClimateResearchProgramme，WCRP）耦合模式工作组（WorkingGrouponCoulpedModel，WGCM）于2008年9月启动的，旨在评估各耦合模式或地球系统模式在当前了解较少的碳循环和云反馈过程中的差异机制，

应用MPM-2模式新元古代气候初步研究

新元古代(650MaB.P.)是地球演化历史上最重大的转折时期之一,这一时期地球气候的模拟研究,对于了解气候变迁、现代气候的形成、自然地理环境的演变有重要意义;在地质学上,对于地层划分和对比,地壳演化研究以及矿产资源成因和探测都有重要意义。本文在借鉴国内外已有研究的基础上,应用MPM-2——一个中等复杂程度的地球系统模式(EMIC),通过太阳常数和大气二氧化碳浓度的敏感性试验,对新元古代地球气候进行了模拟研究,结果表明在650Ma前,地球全球平均温度一直低于零度,即地球一直是"雪球",直到650Ma前,全球半均温度大于零,"雪球"消融,雪球时代才结束。

百年尺度不同区域地表气温对CO_(2)浓度非均匀动态分布敏感度的研究

地球系统模式结果表明大气CO_(2)浓度的快速增加是气候变化重要的原因之一。卫星资料分析结果表明,大气CO_(2)浓度并非均一的,而是有明显的区域差异,以人类活动为主的碳排放会影响这一区域差异。这种空间差异如何影响区域地表气温对CO_(2)的敏感度,需要进一步深入系统的研究,利用地球系统模式BNU-ESM(Earth System Model of Beijing Normal University)进行数值模拟,并与观测数据进行比较,结果表明:在试验模拟结果2°C阈值内,非均匀CO_(2)浓度试验的CO_(2)浓度增加阈值范围小于均匀CO_(2)浓度试验结果,偏少约为4.3 ppm(106)。在区域尺度上,中国地表气温对CO_(2)敏感度普遍低于美国、欧洲以及北半球平均水平,这表明CO_(2)浓度空间差异对地表气温的敏感度的影响存在明显区域差异,很可能是CO_(2)浓度辐射效应与气候系统反馈过程的共同作用结果,这需要进一步研究。非均匀CO_(2)浓度对地表气温敏感度影响将会对碳中和目标下未来碳汇潜力精准估算提供科学支持。

一种典型的高性能计算：地球系统模拟

文章针对一种典型的高性能计算问题:地球系统模拟问题,简要回顾了地球系统模式发展的国际动态和国内现状,指出了中国在这方面存在的问题,分析了地球系统模式的国家需求,提出了中国地球系统模式发展的未来构想,介绍了地球系统模式中与高性能计算密切相关的关键科学问题和技术问题.通过介绍,作者希望有更多其他领域的科技工作者了解地球系统模式,并参与地球系统模式的发展;同时也希望文章能为中国地球系统模式的发展提供一些有益的帮助和参考.

地球系统模式新型高分辨率网格系统研制与应用

气候模式是全球变化研究的基本工具之一,网格系统是模式空间离散化的平台,其直接决定着模式的空间解析度,并与模式框架的数值算法紧密互动、影响其精度和计算效率。随着对分辨率和模拟精度需求的不断提升,传统的大气和海洋模式网格分别面临着提高稳定性、计算精度以及计算时效性等诸多挑战。基于国内外现状和前沿,针对下一代地球系统模式和气候系统模式的发展需求,设定了研制具有自主知识产权的新型网格系统的研究目标。针对大气模式高分辨率准均匀网格、嵌套网格和相关数值算法的设计,以解决传统经纬度网格的计算效率和稳定性问题为主要目标,通过高精度算法降低准均匀网格及加密网格的印记误差。针对海洋环流模式设计新型正交网格,利用共形映射构造理论这一数学领域的最新进展,缓解传统网格中计算负载不均衡、海洋陆缘区域分辨率受限等问题。进一步针对关键海气耦合区域开展大气海洋网格协同设计,并开展高分辨率下的高效并行化、支持动态负载均衡和网格加密等功能。开展新型网格在我国自主研发模式和国际典型主流模式中的模式集成和评估。通过算法开源和支撑性数据集的开放使用,以及典型分辨率下的样例网格,为高分辨率模式的构建提供有效支撑。

地球系统模式CESM1．0对太阳辐射和温室气体的敏感性差异研究

利用通用地球系统模式CESM1．0的全强迫试验和单因子敏感性试验结果，初步探讨了CESM模拟的地表气温、降水率对太阳辐射和温室气体的敏感性差异，以便更好地认识自然和人为因子对全球气候变化的贡献。结果表明：地球系统模式CESM1．0对温室气体变化的敏感性比对太阳辐射的敏感性高，温室气体含量变化引起相当于1W／m2的辐射强迫增加会导致全球平均温度上升0．51℃，而太阳辐射变化1W／m。时全球平均温度仅上升0．27％；在太阳辐射单因子敏感性试验中，地表气温每升高1qc降水量增加2．91％，要高于温室气体单因子敏感性试验的增量2．22％。另外，自然和人为因子所导致的地表气温空间变化特征也不相同，在太阳活动影响下，气温首先在北欧区域明显升高，赤道西太平洋暖池区域随着总太阳辐射量的增加而明显变暖，但在白令海峡和格陵兰岛区域则出现明显降温；而在温室气体影响下，地表气温则在北半球高纬区域显著增加，赤道东太平洋区域随着温室气体浓度的增加呈现出类似El Nifio的分布型态。

ECMWF未来10年“2+4+1”战略:将天气气候预报引向极致

2016年7月,欧洲中期天气预报中心（ECMWF）推出了其未来10年（2016—2025年）战略。这份36页的文件,让更多的人对未来10年天气气候预报能力的提升充满期待。这份新的10年战略,其最重要的,ECMWF在报道中用＂苛刻＂来形容的目标,可以用＂2＋4＋1＂来概括：即到2025年,1）高影响天气的有效集合预报提前2周;2）大尺度形势和机制转化预报提前4周;3）全球尺度异常预测提前1年。

Impacts of internal climate variability on meteorological drought changes in China

干旱受气候内部变率和外部强迫共同影响。本文利用地球系统模式CESM对历史时期和RCP8.5下的40个集合模拟的降水资料,并结合实际观测,研究了上述两因子对气象学干旱–标准化降水指数变化的贡献。通过对干旱频率、强度、持续时间、及最长持续时间的变化分析发现:在历史时期,气候内部变率对干旱变化起主要影响,而在未来(RCP8.5)情景下,外部强迫变得更为重要。本文建议,在利用模式模拟结果研究干旱变化时应考虑气候内部变率的影响。

UNESCO/IOC-ODC中心第四期培训在青岛圆满完成

2014年11月3日—14日,联合国教科文组织政府间海洋学委员会海洋动力学和气候培训与研究区域中心（简称UNESCO/IOC-ODC中心）第四期培训班在山东青岛成功举办。此次培训的主题为气候模式,来自美国和中国的7位专家学者应邀授课,来自越南、印度尼西亚、马来西亚、巴基斯坦、韩国、斯里兰卡、泰国、瓦努阿图和中国等13个国家的35名学员参加了此次培训班。

文摘

(英文文献)WRF中尺度数据同化系统在2007-2009年春季强天气事件中的应用——Application of a WRF mesoscale data assimilation system to springtime severe weather events2007-09.Monthly Weather Review,2012,Vol.140,No.5.

国内

付昊桓荣获"中国青年五四奖章"4月28日,"全球变化及应对"重点专项项目"地球系统模式公共软件平台研发"课题负责人付昊桓教授获颁第24届"中国青年五四奖章"。付昊桓教授长期从事高性能计算应用研究,以多维度并行及系统性优化的新方法,高效支持了大气模拟、地震模拟等关键科学应用在国产超算系统上千万核规模的并行运算。