全球变暖背景下东亚能量和水分循环变异及其对我国极端气候的影响

近年来,在全球气候变暖的影响下,干旱、洪涝、高温酷暑等极端气候事件频发,造成巨大损失。那么,如何减轻极端事件所造成的损失,成为当前国家经济建设和社会发展的当务之急。本项目紧扣这一国家重大需求,从对气候系统变化具有重要影响的能量和水分循环这两个主要过程入手,开展野外观测试验、多源资料整合分析、数值模拟等研究,系统揭示了东亚地区典型下垫面能量和水分循环变异的若干新特征及其对我国极端气候事件的影响过程和机理;在此基础上,研制了适用于我国几种极端气候事件的短期预测方法和系统,开展实时预测,服务于国家防灾减灾;最后开展我国未来气候变化预估,为国家中长期发展规划的制定提供科技支撑。经过五年的研究,项目取得了丰硕的研究成果,共发表学术论文495篇,其中SCI收录268篇。     

中国气候变化与气象灾害的联系

近二十年来，气候变化，特别是全球变暖问题引起了各国政府和公众的高度重视。最新的观测研究结果表明，全球平均温度自19世纪以来升高了大约0．6℃。气候是在较长时间内的天气特征的综合，但这种综合绝非简单地指平均值，某地出现的天气条件的概率和极端值也都属于气候。气候的定义从其本质上看与某种天气事件的概率分布有关。当某地天气的状态严重偏离其平均态时，就可以认为是不易发生的事件。在统计意义上，不容易发生的事件就可以称为极端事件。干旱、暴雨洪涝、高温热浪和低温冷害等事件都可以看成极端气候事件。某一地区的极端气候事件（如热浪）在另一地区可能是正常的。平均气候的微小变化可能会对极端事件的时间和空间分布以及强度的概率分布产生巨大影响。事实上，当某地的气候长期处于一种稳定的状态时，人类和生态系统等与之相适应。但气候发生变化时，一些极端的天气和气候事件频繁发生，会产生重大的自然灾害。     

我国重大气候灾害的形成机理和预测理论研究综述

鉴于我国气候灾害的严重性,本项目把20世纪80年代以来所发生的我国旱涝重大气候灾害作为项目研究的切入点,从气候系统各圈层的变化及其相互作用,特别是从气候系统中海-陆-气各子系统的变化及其相互作用对我国重大气候灾害发生的机理入手进行了深入分析研究,提出了与我国旱涝重大气候灾害形成机理有关的新理论;并且,在对我国旱涝重大气候灾害发生有重要影响的ENSO循环和青藏高原热力作用的机理和数值模式研究方面取得新的突破,从而使我国对ENSO事件预测水平有了较大提高;项目在上述理论研究的基础上提出了我国跨季度和年度气候异常的数值预测系统,研制出新一代气候数值模式,并利用此系统成功地预测了我国1998-2002年夏季发生的严重旱涝气候灾害.此外,项目还成功地进行了我国西北干旱区陆-气相互作用观测试验,获取了许多有关我国典型干旱区陆-气相互作用宝贵的科学观测数据,并得出许多原创性的科学结果,为开发大西北提供了可靠的气候环境资料.这些成果的取得,不仅为今后开展我国重大气候灾害的发生规律、成因与预测研究奠定了坚实的理论和数值模型基础,而且对于国家旱涝气候灾害预测水平的提高,减轻气候灾害造成的经济损失具有重要的经济和社会效益.项目还培养了一批从事气候分析、模拟和预测研究的优秀青年学科带头人,形成了一支从事气候灾害分析和预测的研究队伍,完善和建立了两个有关季风和ENSO循环、气候灾害预测的研究中心和一个典型干旱区陆-气相互作用的观测试验基地.     

高影响海-气环境事件预报模式的高分辨率海洋资料同化系统研发

由于国家安全与社会经济可持续发展的迫切需求,MJO、ENSO、IOD和PDO等高影响海-气环境事件的预测一直是一个重要的研究领域。多尺度、多过程的复杂性使这些海气环境事件的预测至今仍然是气候科学最具挑战性的问题之一。由于海洋成分的长期记忆能力,耦合模式海洋成分的预报初始化对它们的预报有非常重要的作用。然而,国内现有的气候预测系统缺乏耦合模式框架下先进的海洋资料同化系统,同化的海洋资料种类也亟待增加。而针对MJO等季节内尺度和PDO等年代际尺度气候变率,现有气候预测系统的研究水平和业务能力更处于薄弱或空白状态,滞后于国际发展水平。针对全球变化的背景,需着重开展耦合模式的海洋资料同化研究,发展全球耦合模式的海洋资料同化系统,从而提高气候预测能力,增强我国气候防灾减灾的手段,提升我国全球变化研究的竞争力和国际地位。基于我国自主研发的海气耦合模式,项目将开展全球和区域多源海洋观测资料同化技术研究,突破耦合资料同化中海洋和大气之间的动力、热力平衡的关键技术问题,发展耦合模式框架下的参数估计和约束系统,研制具有业务化前景的高分辨率海洋模式的耦合同化系统,并开展MJO、IOD、ENSO和PDO等高影响海-气环境事件的综合评估和预测示范应用。     

基于GRAPES的综合临近预报系统（雨燕GRAPES-SWIFT）

在我国,台风、暴雨、雷雨大风、雷电、龙卷风、冰雹等灾害天气及其产生的次生自然灾害连年不断,近年来全球气候变暖的加剧,导致突发气象灾害发生更加频繁。本项目研究瞄准国家防灾减灾需求和气象灾害应急响应的需要,依托中尺度数值预报模式及其快速循环更新同化系统产品,融合新一代天气雷达、卫星、闪电定位仪、GPS／MET、风廓线雷达和自动气象站等探测资料信息,     

关于我国重大气候灾害的形成机理和预测理论研究进展

鉴于我国旱涝等重大气候灾害发生频繁且造成严重经济损失,开展我国重大气候灾害的形成机理和预测理论研究不仅具有重大科学意义,而且是适应国家社会和经济发展的需求,具有重大应用价值."我国重大气候灾害的形成机理和预测理论研究"项目经过前两年的研究,很好地完成了预期的科学目标,并在几个方面取得重大进展.本项目对气候系统各圈层的变化及其相互作用,特别是对东亚气候系统各子系统的变化及其相互作用作深入分析研究,提出"东亚气候系统"、"东亚季风-暖池-ENSO循环相互作用"以及"高原大气热力适应"等与我国重大气候灾害形成机理有关的新理论,并在ENSO循环机理和数值模式研究取得突破,从而使我国对ENSO事件预测水平有较大提高;项目在上述理论研究的基础上提出我国跨季度气候异常的数值预测模型,成功地预测了我国1 998-2000年夏季发生的严重旱涝气候灾害;项目成功进行了"我国西北干旱区陆-气相互作用观测试验",获取了许多有关我国典型干旱区陆-气相互作用宝贵的科学观测数据,为开发大西北提供了可靠的气候环境资料.这些成果的取得,为今后3年的研究和最终完成项目5年的科学目标奠定了坚实的理论和数值模型基础.     

全球增暖1.5℃下东亚气候系统的响应及其情景预估

巴黎协议提出将全球平均气温升幅控制在较工业化前2℃之内,并力争限制在1.5℃。因此,准确理解刻画增暖1.5℃下东亚气候系统响应机理及其精细结构,提高中国气候和极端事件预估的可靠性,设计优化增温1.5℃目标下我国碳减排方案,已成为全球变化及应对研究的核心内容和紧迫全新挑战之一。面对紧迫需求,项目拟围绕"全球增暖1.5℃下东亚气候系统的区域响应机制和精细结构、未来预估及其对我国碳减排放方案的影响"这一核心主题开展多学科交叉集成研究,并提出了4大重点研究内容,它们是:全球增暖1.5℃下年代际变化机理、预测及碳排放路径试验,东亚季风系统对全球增暖的响应及其机理,基于动力降尺度的东亚气候响应的精细结构及高敏感区,增暖1.5℃下中国气候和极端事件的集成预估及碳排放路径优化。     

全新世亚洲季风变异与干旱演变及其驱动机制

近年,热带太平洋地区高分辨率气候记录研究对学界普遍接受的气候突变"高纬驱动说"提出质疑,全新世气候突变事件成为全球变化研究的前沿热点。亚洲季风-干旱环境是地球气候系统的关键组成部分,在全球物质和能量循环中起着重要作用。然而,亚洲季风区和干旱区全新世气候突变事件研究仍十分薄弱,百年-年代际气候变率研究尚未展开。本项目选择湖泊沉积和石笋为研究材料,以亚洲季风区和干旱区高分辨率气候记录的关键空白区为重点研究区,开展全新世气候变化的高分辨率、多指标综合集成研究以及多模式、多尺度数值模拟研究,以期查明亚洲季风区和干旱区全新世气候突变事件的结构特征与空间表现、百年-年代际气候变率的时空特征以及现代增温的自然背景,阐明全新世不同时间尺度亚洲季风变异和干旱演变的动力学过程与驱动机制。本项目有望在全新世气候研究领域取得引领性学术成果,在理论认识层面,为理解全新世气候变化机制提出原创性观点;在国家需求层面,为评估和应对全球变化提供科学支撑。     

全球变暖的解释模式:温室效应理论与气候的自然波动假说

以科学理论评价的视角分析气候争议问题，厘清气候的自然波动学说和温室效应理论是什么，它们分别如何解释1880年以后出现的全球变暖现象，以及气候的自然波动学说存在什么缺陷导致与之竞争的理论胜出。在说明温室效应气候理论发展过程的同时，通过说明自然波动假说因为解释1880年以后全球变暖遇到不能解释的反常现象而成为一种解释能力较弱的理论，反过来说明与之竞争的温室效应气候理论相对来说更具有合理性，提示那种气候系统可以通过自我调节完全消除人类活动所带来的影响的想法是危险的，人类必须关注二氧化碳浓度增加带来的微小反馈累积起来对气候系统的巨大影响。     

冰冻圈变化与全球变暖：我国面临的影响与挑战

本文从冰川的水文水资源效应、冻土的生态、气候和工程效应、积雪的水文及气候效应等方面论述了冰冻圈在我国社会经济发展中的影响与重要作用。在此基础上,着重根据近40年来我国冰冻圈变化的实际情况。论述了冰冻圈变化对水资源、生态、工程、灾害和气候所产生的一些影响。最后根据国内外冰冻圈研究发展趋势,总结了我国冰冻圈研究所面临的机遇、挑战与发展建议。     

十大消融中的冰川

随着全球气候变暖加速,世界上的冰川正在稳固消退,对于其中一些冰川来说。这种消退最终让它们走上一条不归路。最易受气候变暖影响的山脉和高地冰川位于热带地区,它们的消融将对当地环境产生破坏性影响,数千年来依靠冰川提供的水生存的当地居民以及动植物也无法幸免于难。     

气候变暖或使爬行动物变大

数千万年之前的马曾经和蛇一样小,而蛇却和马一样大。而今随着全球气候变暖的加剧,这样的情景还有可能再现。这是一项新研究的成果．该研究认为温暖的气候将造就体型更小的哺乳动物。但却会让爬行动物变得更大。美国佛罗里达自然历史博物馆的古生物学家乔纳森·布洛奇表示：“你可以看到＋这些生物的体型随着气候的变迁发生相应改变。”     

高分辨率气候系统模式的研制与评估

高分辨率气候系统模式是全球变化研究的重要研究工具,对于提升我国应对气候变化问题的整体实力有重要的应用价值。全球变化研究国家重大科学研究计划"高分辨率气候系统模式的研制与评估"项目通过5年的努力,成功研制和发展了我国高分辨率气候模式系统和其评估系统,建立了通量集合耦合平台,取得的主要成果有:(1)成功研发了全球高分辨率气候系统模式BCC_CSM2,其大气水平分辨为50km,海洋水平分辨为30km,它改进了模式中一些重要物理过程的参数化方案,使模式性能得到明显提高,对当今气候基本态的模拟与国际上现有模式性能相当,对东亚气候的模拟有部分优势,增强了对热带气旋、台风等中小尺度过程的模拟能力;(2)成功解决了与模式高分辨率有关的部分科学问题,如东亚地形问题和经纬度网格极地问题、与高分辨率相适应的模式动力框架问题、中国东部独特的冷季层云与青藏高原地形相关问题等;(3)自主研制了全球0.5°×0.5°网格的格点模式动力框架,具有良好稳定性和物理守恒性,建立了全球高分辨率格点大气环流模式,实现了"云-气溶胶-辐射数值集合系统"(CAR)与全球格点大气环流模式IAP4的耦合,揭示了云的次网格尺度结构是造成辐射计算差异最主要原因的物理机制;(4)建立了多大气模式交互集合耦合平台,集成了包括本项目支持研发的格点和谱模式在内的15个国内外知名的分量模式,成为研究海-气相互作用、噪音对气候影响的一种创新分析工具;(5)建立了包括东亚地区云与辐射、东亚-西北太平洋季风、热带偏差机理、云辐射反馈过程与ENSO模拟改进等的耦合气候系统模式评估体系,为评估、改进项目研制的高分辨率模式提供了重要参考和方向。所研发高分辨率气候系统模式的阶段性中低分辨率模式参与了第五阶段耦合模式国际比较计划(CMIP5),建立了业务气候预测系统,为国内外开展气候及气候变化科学研究提供了大量宝贵的模拟数据,为IPCC AR5的编写提供了科学参考依据,提升了我国在气候变化领域的影响力和气候预测能力。     

不翼而飞的古英国人遗骸

<正>在上一次全球变暖中,人类的适应能力无疑经受了极大的考验。这次变暖发生在中石器时代(约15000年前～5000年前),当时居住在欧洲的人类在可怕的环境剧变中,究竟遭遇了什么?这是考古学上最恒久的奥秘之一。为了破解这个奥秘,考古学家希望能找到当时人类的遗存来了解当时的人们吃什么,他们的饮食如何随着气候变暖而改变,有哪些疾病困扰着他们,绝望是否引发了暴力,他们具有怎样的文化习俗和宗教信仰等等。     

亚洲风尘循环的过程、机制和环境效应研究进展

亚洲风尘是全球风尘循环中的重要组成部分,其对东亚乃至北半球的气候、生态系统和人居环境产生深远的影响。鉴于亚洲风尘循环在气候环境变化研究中的重要性,国家重点研发计划"全球变化及应对"重点专项于2016年7月正式设立"亚洲风尘循环的过程、机制和环境效应"项目开展相关研究。自启动以来,项目针对亚洲风尘的源汇模式、时空特征及其与全球变化的相互作用等关键科学问题,开展了大量的野外调查与实验分析以及数值模拟工作,在现代和地质时期亚洲(中亚-东亚-北太平洋)风尘排放、迁移和沉降的时空变化特征及其影响机制、亚洲风尘源区风沙活动的生态环境效应以及大气环流对亚洲气溶胶分布及亚洲干旱和季风区降水变化的影响等方面,取得了一系列阶段性进展,本文就此进行了概括和总结,在简要描述亚洲风尘研究背景的基础上对已经取得的主要阶段性成果进行了重点介绍。     

给地球降温的怪招

最近一段时间,我国各地相继迎来高温天气,中央气象台一度发出高温蓝色预警。联合国气候研究人员称,自19世纪70年代全球气候变暖以来,越来越多的城市创下历史高温纪录。同时,洪涝、干旱、暴雨、暴雪和高温等极端天气也接踵而至。气候变化早已经成为人们关注的热点话题,全球变暖成为世界各国共同面临的一个难题,它不仅给人们生活带来了很大变化,同时也威胁着地球的未来。因此,科学家们一直致力于研究各种各样的解决方案和应对措施,其中一些可谓怪招迭起。为地球抹"防晒霜"降温地动山摇,汹涌的熔岩,遮天蔽日的烟尘,刺鼻的硫磺味……这如同末日来临一般的场景是人们想象中火山爆发时的样子。没人愿意遭遇一场火山爆发。但是,火山爆发让烟尘遍布天空也有一个好处,     

年代际气候事件的归因及预估研究进展

年代际气候变化对人类生存环境具有重要的影响,会引发一系列重大灾害事件,造成严重的生命财产损失,危及人类粮食和水资源安全。因此,研究年代际气候变化的规律,预知年代际重大气候事件,是人类社会可持续发展的迫切需求。基于此,国家重点研发计划全球变化及应对重点专项项目"气候多尺度变化与年代际重大事件的归因及预估"于2016年7月正式立项。该项目旨在:(1)厘清全球气候多尺度变化的时空格局及年代际气候变化的规律;(2)揭示人类活动和多尺度气候变率对气候整体变化的作用及不同尺度气候变化的主控因子;(3)认识人类活动对年代际气候变化的调制作用,诊断年代际重大气候事件的早期信号。本文将对该项目2016～2018年取得的主要进展进行总结。     

气候变化对西北干旱区水循环影响机理与水资源安全研究

西北干旱区是对全球变化响应最敏感的地区之一,"气候变化对西北干旱区水循环影响机理与水资源安全研究"项目,以全球变化背景下的西北干旱区气候-水文过程、水循环机理、水资源形成与转化以及未来变化趋势为主线,重建了过去300年西北干旱区气候变化序列,分析了气候变化对水循环关键过程和水系统的影响,构建了适合山盆地貌格局的水文、水资源模型,分析了未来水资源变化趋势,得出了一系列有意义的结论:在过去300年间,西北干旱区以冷干、暖湿气候类型交替出现,存在40年的变化周期;在近50年,温度、降水出现了"突变型"升高,自1997年以来,升温滞缓,处于高位震荡;蒸发潜力由显著下降逆转为显著上升趋势,水循环过程加剧;极端气候水文事件频度增强、频率加大,水文波动性增强、水资源不确定性增大;天山山区冰川加速退缩,冰雪水储量呈减少态势,部分河流出现冰川消融拐点;水系统安全性降低,供需水矛盾会进一步加剧;伴随气温的高位震荡和地下水的超采,西北干旱区的生态隐忧和潜在风险加大。     

"青藏高原形成演化及其环境资源效应"研究进展

青藏高原是我国地学、生物学、资源与环境科学有特色的优势研究领域和难得的天然实验室.青藏高原研究对解决岩石圈地球动力学和全球环境变化有重要意义,对高原区域可持续发展也有广阔的应用前景.本项目选择青藏高原的典型地区为重点,特别注意从高原与毗邻地区的联系,以至从全球尺度探讨高原的各种过程,目标集中在大陆碰撞过程和高原隆升过程,以过程为主线贯通碰撞机制、环境变化和资源分布规律的研究;时间上着重新生代以来,在不同精细时间尺度上定量地描述碰撞和隆升的动态过程及环境变化.主要研究内容包括以下4个方面大陆岩石圈碰撞过程及其成矿效应;高原隆升过程与东亚气候环境变化;青藏高原现代表生过程及相互作用机理;青藏高原区域系统相互作用的综合研究.项目的实施紧密围绕预期目标,深入分析,加强学科交叉和综合研究,取得了如下主要研究进展和创新成果印度大陆与欧亚大陆初始碰撞时限;青藏高原南北缘山盆岩石圈尺度的构造关系;新生代高原北部重大的构造变形隆升事件序列;高分辨率气候动态过程及变化趋势;高原隆升对亚洲季风发展变化的影响;高原不同生态系统类型温室气体吸收与排放.同时,本文也论述了项目的实施在青藏高原研究的科学前沿及区域发展的国家需求等方面产生的影响和作用,并展望了青藏高原研究重要的前沿领域.     

东亚地区云对地球辐射收支和降水变化的影响研究

云覆盖地球表面约60%的区域。云通过反射太阳辐射造成地气系统变冷和通过吸收地表与云下大气的长波辐射使地气系统变暖,这两种效应显著地影响着地气系统的辐射收支平衡。同时,云通过影响大气水分输送和降水调节大气水循环,是大气中重要的水汽调节器。然而,历次政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估报告和很多研究都指出,云是迄今为止影响气候变化和气候预测诸多因子中非常重要却又不确定性最大的因子。低云增加4%即可抵消二氧化碳浓度加倍引起的2~3℃增温,反之会扩大相应的增温效应。东亚地区处于亚洲季风区,又是温室气体和大气污染物高排放区,使得该地区的云-辐射-降水具有鲜明的区域特征。目前对东亚地区气候模拟的偏差和不确定性均与云辐射过程及其反馈有关。因此,极有必要研究东亚地区云对于辐射收支和温度的影响、揭示其与降水的关系及机制,为准确预估全球增暖情景提供科学基础。进而为国家制定保护环境和减缓全球变化的各项政策、进行国际气候变化外交谈判提供科学支撑。