未来气候变化科学研究的主要方向和挑战

2014年9月,IPCC联合世界气候研究计划(WCRP),在瑞士伯尔尼大学召开了一次特别的研讨会,总结过去儿年气候变化科学研究中所取得的经验教训。此次会议针对IPCC最新评估报告中的关键不确定性,梳理并总结了未来气候变化研究的主要科学方向和面临的主要挑战,讨论了如何与WCKP计划结合并解决这些问题,以期在未来更好地应对这些挑战。在此次会议上,与会专家提出,未来气候变化科学研究的重大挑战应包括如下8个主题。云、环流与气候敏感度;理解和预测极端天气气候事件;冰冻圈变化;区域气候信息;区域海平面上升及其对沿海地区的影响;水资源可利用量;生物地球化学、气溶胶和大气化学;理解年代际变化:归因与预测。这些主题涵盖了WCRP计划的六大挑战和其他被认为具有挑战性的主题。本文将在此次会议报告的基础上,对相关内容进行介绍,以供当前的气候变化工作参考。

历史文献在我国最近2000年气候变化研究中的应用

我国数千年的文明发展过程中留下了浩如烟海的历史典籍,其中记录下了丰富的气候变化信息,这是重建历史时期气候、环境变化的宝贵资料。本文系统回顾了我国历史气候学的发展过程,梳理了历史文献在重建最近2000年降雨、温度、台风和沙尘暴活动等中取得的成果。文章最后对历史气候学未来的发展进行了讨论。

热带印度洋海温海盆一致模的变化规律及其对东亚夏季气候影响的回顾

近十几年,热带印度洋对全球气候的作用越来越受到关注。本文从热带印度洋气候态特征、海温海盆一致模的变化规律以及对东亚夏季气候的影响方面回顾了这些研究工作,并且对这些研究以及存在的不足做了系统的总结。

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5.0W·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2030s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.

沉积物中X射线衍射物相定量分析中的两种方法对比研究

沉积物中X射线衍射(XRD)物相定量方法的选择和如何提高定量分析的精度一直是地学XRD定量研究的难点问题。本文针对沉积物中常见矿物组合特征,设计了一系列条件实验,比较了MacDiff的面积积分法(PAI法)和Highscore的强度参比法(RIR法)定量分析方法的优缺点。结果表明两种方法计算结果基本一致,但也各有优缺点。其中RIR法对衍射峰矮而宽的矿物定量更准确,PAI法则更适用于衍射峰尖锐的矿物以及含四种以上矿物、衍射峰重叠的样品,MacDiff的PAI方法分析过程不需要其他参数,误差较少,重现性好,而且全谱拟合还能部分消除择优取向的影响,可为沉积物XRD矿物相定量分析提供可靠数据。

雅鲁藏布江流域夏季降水的年际变化及其原因

本文通过多套观测与再分析降水资料的比较,分析了雅鲁藏布江流域夏季降水的特征,从水汽含量与水汽输送的角度检验了雅鲁藏布江水汽通道的特点,研究了流域夏季降水的年际变化及其原因。分析表明:(1)该流域夏季降水大值位于雅鲁藏布江出海口至大峡谷一带,观测中流域平均降水可达5.8 mm d-1。不同资料表现的降水空间分布一致,但再分析降水普遍强于观测,平均为观测的2倍左右。(2)该流域夏季的水汽主要来自印度洋和孟加拉湾的偏南暖湿水汽输送,自孟加拉湾出海口沿布拉马普特拉河上溯至大峡谷,即雅鲁藏布江水汽通道。水汽收支诊断表明,夏季流域南部(即水汽通道所在处)是水汽辐合中心,流域平均的辐合约9.5 mm d-1,主要来自风场辐合与地形坡度的贡献。(3)不同再分析资料表现的流域降水和水汽分布特征总体一致,但量值差异较大。NCEP(美国国家环境预报中心)气候预报系统再分析资料CFSR、日本气象厅再分析资料JRA-25较欧洲中期天气预报中心再分析ERA-Interim资料更适于研究该流域(青藏高原东南部)的水汽特征,因为后者给出的流域降水和水汽偏强。(4)近30年该流域夏季降水无显著趋势,以年际变率为主。年际异常的水汽辐合(约为气候态的35.4%)源自异常西南风导致的局地水汽辐合(纬向、经向辐合分别贡献了16.5%、83.5%),地形作用很小。流域夏季降水的年际变化是由印度夏季风活动导致的异常水汽输送造成的,其关键系统是印度季风区北部的异常气旋(反气旋)式水汽输送。

城市地表特征对京津冀地区夏季降水的影响研究

本文利用京津冀地区24个气象站的日降水资料和耦合有单层城市冠层模式（SLUCM）的中尺度数值模式 WRF 的模拟结果，研究了城市地表特征对京津冀地区夏季降水的影响。结果表明，在京津冀城市面积迅速增长的近三十年（1981～2010），该地区大部分站点的降水量都呈现减少的趋势，减少最明显的站点主要集中在京津唐城市区域，其中≥50 mm的降水量减少趋势占总降水量减少趋势的50%以上。城市扩张可能是造成京津冀降水时空格局改变的因素之一。通过对比分析控制试验与敏感性试验的模拟结果，发现城市化引起的地表特征的改变使北京、天津、唐山主要城市地区的降水量和降水频次都有明显减少，而城市群下风向的降水量和降水强度则明显增加和增强，其中50 mm以上等级的降水量变化最为显著，贡献率在60%以上。城市地表特征使北京、天津和唐山地区50 mm以上等级降水量的百分比下降了6%～20%，下风向地区增加了8%。城市地表特征也影响了主要城市和城市群下风向地区降水量的日变化结构，使北京和唐山几乎所有时段的降水量都有所减少，而城市群下风向降水量的增加主要发生在白天。研究发现城市地表特征对深对流的抑制（加强）可能是造成京津冀地区降水减少（增多）的重要原因，而由于城市地表蒸发量的改变引起的潜热通量和对流有效位能的改变则可能是引起深对流变化的重要因素。

基于能量学的热带气旋气候学研究进展和展望

以西北太平洋为重点回顾了从能量学角度对热带气旋(TCs)活动和变化的气候学研究进展.从低层正压能量转化、斜压能量转化、非绝热加热等角度综述了能量过程对TCs发生频数、生成源地的影响.从现有的TCs强度的能量指标以及气旋的变性方面回顾了能量学在TCs强度变化中的应用.在回顾已有研究进展和分析存在薄弱环节的基础上,阐述了扰动位能(PPE)在TCs能量学研究的重要性,并以季节内尺度的印-太对流涛动(IPCO)为例探讨了其在TCs活动与变化研究的可行性.最后以此为契机对未来基于PPE的TCs活动与变化的相关能量学研究方向进行了展望.

时间滑动相关方法在SST可预报性及可信计算时间研究中的应用

将时间滑动相关方法 STC（sliding temporal correlation）用于研究混沌系统和海洋环流模式的可信计算时间RCT（reliable computation time）,Lorenz混沌系统的数值试验表明用STC求得的可预报时间和可信计算时间,与使用传统误差限方法所得结果一致,证明了其有效性。对海洋环流模式LICOM和NEMO的研究发现：1.当海洋模式以非耦合的方式运行时,试验的结果表明其海表温度SST的可信计算时间较长,平均达到6个月以上,这主要是由于海洋模式的运行过程中,采用恢复性边界条件使模拟结果不会太过偏离观测值。对于强迫场从1月开始的试验,LICOM模式的SST可信计算时间在赤道东太平洋和西北太平洋地区存在RCT低值区,其数值不超过2个月。而NEMO模式在赤道太平洋地区全是RCT高值区,NEMO模式的RCT低值区域出现在赤道外的太平洋和大西洋中纬度地区,强迫场从7月开始的试验,RCT纬向平均分布与1月有相反的形式。2.海洋模式以耦合方式运行时,由于去掉了恢复边界条件作用,海洋模式预报的SST可信计算时间明显减小,年平均RCT为1个月左右。按季节平均得到的RCT变化不大,在30～40天之间,RCT的大值区春季位于南半球,而秋季位于北半球,可达2个月以上。耦合模式中所模拟的500 h Pa高度场的RCT与单独运行的大气模式所得结果相差不大,仍在2周以内。3.无论是按季节平均还是按海区平均所得到的RCT分布,都在30～60天左右,只有极少数区域在特定季节可以达到80天以上,这说明在海气耦合模式中,由于计算不确定造成的可预报上限一般不超过2～3个月,这比使用资料分析得到可预报期限短很多,因此根据木桶原理,RCT可能是制约海气耦合模式SST预报能力的一个重要因素。

气候变化影响下的流域水循环:以长江和黄河典型流域为例

在对IPCC提供的多种大气环流模式(GCMs)适用性评估的基础上,采用SDSM和ASD统计降尺度模型生成未来气候变化情景,驱动分布式水文模型VIC和SWAT,分别对长江和黄河典型流域进行分布式水文模拟,定量探讨气候变化对流域水循环的影响。结果表明,适应性评估可以有效降低GCMs选择的不确定性,统计降尺度方法能够明显改善全球气候模式降水和气温输出结果。与基准期(1961—1990年)相比,未来时期(2046—2065年和2081—2100年)长江下游太湖流域径流量呈现微弱减少趋势,但汛期东南部径流量增加显著,而黄河上游流域径流量则呈下降趋势。研究结果可为开展我国各大流域适应气候变化研究提供一定的参考依据。

树轮稳定氧同位素重建东大山过去205年来水汽压变化

对采自河西走廊东大山的青海云杉(Picea crassifolia)树轮样本提取纤维素并测定其稳定氧同位素比率(δ^(18)O),建立过去205年来树轮δ^(18)O年表序列。与观测数据相关分析发现树轮δ^(18)O年表与周边7—8月平均水汽压具有显著的负相关关系(r=−0.643,n=59,p<0.001),因此重建了河西走廊东大山周边过去205年的7—8月平均水汽压变化序列,重建方程方差解释量达41.4%,分段检验表明水汽压重建结果稳定可靠。在重建的205年中,水汽压力偏大阶段有6个,偏低阶段有7个。该重建序列与周边地区的水文气候重建的干湿阶段变化及西北地区极端干旱历史事件具有一定的同步性,并可代表大区域范围水汽压变化,进一步证明了本文重建序列的准确性。空间相关分析结果暗示研究区7—8月水汽主要受亚洲季风影响,同时伴有少量西风水汽传输。

中国最高、最低温度及日较差在海拔高度上变化的初步分析

本文利用中国740个气象台站1963～2012年均一化逐日最高温度和最低温度资料，分析了中国地区最高、最低气温和日较差变化趋势的区域特征及其与海拔高度的关系。结果表明：近50年气温的变化趋势无论是年或季节变化，最低温度的增温幅度都高于最高温度，且其增温显著区域都对应我国高海拔地区。除了春季，其他季节最高、最低温度及日较差的升温幅度随着海拔高度的升高而增大，其中最高温度的变化趋势与海拔高度的相关性最好。同一海拔高度上，最高、最低温度在不同年代的增幅具有不一致性：20世纪80年代，二者变化幅度最小；20世纪90年代，二者增幅最大，尤以低海拔地区最为明显。2000 m以上高海拔地区：最高温度和最低温度的变化趋势在20世纪90年代以前变化较小，而在近十年增幅十分明显；日较差季节变化大：夏季减小，冬季增加。20世纪90年代以前，最高、最低温度随海拔高度变化不大，而近20年随海拔高度升高，最高、最低温度的变化趋势几乎都是先减小后增加。高海拔地区比低海拔地区对全球变化反应更明显。

树轮记录的吕梁山北部过去175年来帕尔默干旱指数变化

利用采自吕梁山北部地区的油松样本,建立了过去175年来的树轮宽度年表。相关分析表明:标准年表(STD)与当年5-6月的帕尔默干旱指数(Palmer drought severity index,PDSI)相关性最好,相关系数为0.687(n=50,p<0.001)。因此,采用树轮宽度标准年表(STD)序列重建了1829-2003年5-6月的PDSI序列,重建方程的方差解释量达到47.16%。重建序列发现9个偏湿时段,分别为1833-1836年、1845-1851年、1857-1863年、1869-1874年、1882-1887年、1896-1899年、1932-1939年、1949-1965年、1975-1985年;10个偏干时段,分别为1829-1832年、1837-1844年、1852-1856年、1864-1868年、1875-1881年、1888-1895年、1900-1931年、1940-1948年、1966-1974年、1986-2003年。同时发现20世纪20年代的严重干旱事件以及20世纪末气候干旱化加重的趋势。空间相关结果显示:重建的PDSI代表了周边大范围的干旱变化,同时,与基于历史文献的干湿指数(DWI)显著相关(p<0.002),说明无论是空间还是时间尺度上,重建结果都可以代表吕梁山周边大范围的干旱变化。此外,重建序列与不同定义的东亚夏季风指数都显著相关(p<0.02),说明东亚夏季风对研究区的干湿变化具有调制作用。多窗谱分析表明重建序列存在2-7年、12年、13.6年、19.2年、21.6年、26.1年的周期变化,这些周期变化可能与ENSO、太阳活动有关。

强迫Lorenz系统的可预报性研究

根据非线性局部Lyapunov指数方法,分别以常数强迫Lorenz系统和准周期强迫Lorenz系统为例,研究了在外强迫存在的条件下混沌系统可预报性的改变.结果表明:外强迫会影响混沌系统的可预报性,两种不同类型的强迫Lorenz系统的可预报期限都随着外强迫的增强而增加,但是大小相等方向相反的外强迫对系统可预报性的影响不同,其中正值强迫比负值强迫作用下的可预报期限更长,并且这种差异随着强度的增加而增大;不同形式的外强迫对可预报性的影响也不同,常数强迫的影响主要体现在误差增长的线性阶段,准周期强迫的影响除了线性阶段还必须考虑到非线性阶段;当强度相等的常数强迫和准周期强迫驱动Lorenz系统时,常数强迫作用下的系统可预报性更高.本文基于混沌理论模型的研究,对于实际大气的可预报性研究具有一定的启示意义.

中国天然林资源保护工程温室气体排放及净固碳能力

基于天然林资源保护工程(简称天保工程)一期(2000—2010年)营造林过程工程边界内碳排放和边界外碳泄漏的计算,分析了天保工程及各区域碳排放和碳泄漏年际变化及影响因素,对比了天保工程及各区域碳排放和碳泄漏的组成特征,研究了天保工程及各区域净固碳量的变化特征。结果表明:天保工程一期西北、中西部地区、南部地区、东北地区和天保工程的碳排放分别为0.89、1.47、0.09、2.45 Tg C;碳泄漏分别为3.17、3.11、6.50、12.78 Tg C。工程措施和碳排放强度的区域性差异导致各区域碳排放组成特征不同。造林及配套森林基础设施建设是西北、中西部地区和南部地区最大的工程措施碳排放;新造林及森林管护是东北地区最大的工程措施碳排放。相应地,各种物资消耗中,建材是西北、中西部地区和南部地区最大的物资碳排放;燃油是东北地区最大的物资碳排放。天保工程在工程边界内外引起的额外温室气体排放量达到15.23 Tg C,抵消了工程固碳效益的9.82%;在西北、中西部地区、南部地区和东北地区的抵消作用分别为10.08%、8.16%和11.24%。天保工程一期净固碳量为139.77 Tg C,年均净固碳量为12.71 Tg C/a。因此,碳排放和碳泄漏对天保工程固碳的抵消较小,工程一期在我国温室气体减排和减缓全球气候变暖上做出了巨大贡献。避免工程基础设施的盲目建设和对工程进行合理规划是减少温室气体排放的可能途径。

城市热岛效应和气溶胶浓度的动力、热力学分析

在能量平衡方程中引入气溶胶的吸收和散射作用,并与三维行星边界层运动方程组相耦合,根据温度分布显式求解运动场,探讨三维行星边界层内温度、运动、气溶胶浓度分布特征.结果表明,城市人为热释放直接决定了城市热岛效应的强度,城市面积越大,城市热岛效应的强度也越强,城市面积固定时,城市越分散,城市热岛效应的强度越弱,这为城市建设多采取卫星城的方式提供了一定的理论支撑.气溶胶的散射作用要大于吸收作用,其对城市热岛效应的强度主要起削弱作用,当气溶胶浓度较大时,吸收作用更显著一些,此时城市热岛效应的强度会有一定的增强,但是幅度不大.当城市热岛效应的强度增强时,其所驱动的环流也会增强,造成城区中心气溶胶浓度略有下降.

影响夏季西北太平洋副热带高压年际变率的关键海区及影响机制

西北太平洋副热带高压(西太副高)是影响东亚夏季气候的主要环流系统,其年际变率受热带多个海区的海-气相互作用过程的调控。为明确影响夏季西太副高的关键海区及其影响机制,在总结最近十余年来相关研究进展的基础上,归纳出影响夏季西太副高年际变率的5个关键海区,包括赤道中东太平洋、热带印度洋、副热带西北太平洋、海洋大陆附近海区以及热带大西洋。阐述了这5个关键海区的海温异常影响西太副高年际变率的机制,并探讨了5个关键海区海温异常的形成机制。围绕夏季西太副高的年际变率,回顾了当前气候模式的模拟和预测研究的现状。最后,提出了本领域亟待解决的关键科学问题,展望未来可能的研究热点。

基于GFS的飞来峡流域水文集合预报

传统水文预报都是确定性的预报,没有充分利用气象预报信息,并且未给出预报的不确定性信息。分析了美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)提供的全球预报(Global Forecast System,GFS)降水数据;然后通过集合预报前处理,将预报降水输入到分布式水文模型;最终给出水文集合预报。通过对比分析,表明采用了降水预报数据的水文集合预报要比传统水文预报准确率高。采用全球天气预报信息进行水文集合预报是发展水文预报的有效途径。

西藏亚东地区铁杉树轮样本稳定氧同位素的气候响应

为调查树轮稳定氧同位素在西藏南部的气候应用潜力,选择了西藏亚东县三个铁杉(Tsuga chinesis Pritz.)样本进行分析。其中两个样本表现出长期的稳定氧同位素下降趋势,而另一个表现出增高趋势,且三者相关性很低。当对三条稳定氧同位素序列进行一阶差处理之后,它们的相关关系有了非常显著的提高,表现出很好的一致性(p<0.0001)。无论是原始还是一阶差树轮稳定氧同位素序列,它们都与夏季相对湿度和降水反相关,而与温度正相关,然而方差解释量未能达到古气候重建的最低要求。周期分析发现亚东树轮稳定氧同位素序列仅存在4.657年的显著周期,可能与ENSO活动有关,进一步研究显示1978年之前上年冬天到当年夏天的赤道中东太平洋海表温度对亚东树轮稳定氧同位素有显著影响(p<0.01),而在1978年之后则无任何影响,20世纪70年代末期的全球气候突变改变了ENSO对该地树轮稳定氧同位素的影响。

GRAPES_MESO中时间步长和空间分辨率对于预报效果的影响

基于GRAPES区域中尺度数值预报系统(GRAPES_MESO),针对700 h Pa、500 h Pa和200 h Pa的位势高度场H,温度场T,风场纬向分量U,经向分量V和地面降水场,在给定的模式物理过程下,分别考察了时间步长和空间分辨率对于模式预报效果的影响。研究结果表明,空间分辨率(0.3°×0.3°)相同时,各变量在不同层次的预报几乎都存在最优时间步长使得预报技巧最高,初步说明最优时间步长理论在复杂的偏微分方程组中的适用性。随后,将空间分辨率为0.3°×0.3°时最优时间步长(240 s)的预报结果与当前业务中(空间分辨率为0.15°×0.15°、时间步长为90 s)的预报结果进行比较,发现前者的变量H、T、U、V和地面降水场的预报技巧均高于后者,表明并不是空间分辨率越高预报效果越好。