工业革命前自然强迫的气候效应的模拟研究

应用MPM-2古气候模式模拟工业革命前800 a间(1000~1800 AD)气候系统对自然强迫的响应, 特别是地表温度的长期变化. 自然强迫主要包括火山爆发和太阳辐射的变化, 二者被认为是工业革命前主要的气候强迫. 研究表明太阳辐射变化决定了气候系统长期变化的基本趋势, 而火山爆发强迫起到了强化或弱化这种趋势的作用, 二者基本上确定了工业革命前气候系统的长期变化, 这一结论无论是与其他模式结果还是重建数据都是高度一致的. 自然强迫很好地解释了小冰期和中世纪暖期的产生. 并且, 研究表明在各个空间尺度上地表温度对自然强迫的响应基本上是一致的. 然而, 模式结果与重建的太阳辐射强迫和火山序列高度相关, 即模拟结果很大程度上依赖于所选择的强迫序列. 因此, 为了更准确地揭示历史气候的长期变化, 必须更加准确地重建过去10000 a, 至少2000 a以来的太阳辐射变化, 以及火山爆发强迫序列. 对太阳辐射突变的敏感性实验表明: 太阳辐射增强除了造成全球各纬度带地表温度的非线性升高以外, 还强化了全球水循环, 对生物圈也产生了较大影响. 太阳辐射突变对气候系统的强迫作用需要进一步研究.     

太阳活动对地球气候的影响

太阳辐射是地球系统的能量来源,是气候形成和演变的根本驱动力。在千年以上的长时间尺度上,达到地球的太阳辐射变化与地球气候有密切的关系。但在百年和百年以下的时间尺度上,人们尚不清楚太阳活动对气候是否有明显的影响。太阳活动可能通过多种路径影响地球气候,过程极为复杂。气候系统对太阳外强迫的响应又具有非线性特征,造成了太阳活动变化对气候的影响存在很大的不确定性。文章梳理和归纳总结了太阳活动影响地球气候的最近研究工作,在年际和年代际尺度上讨论了太阳活动变化对地球气候影响的关键因子和可能途径,以及气候系统对太阳活动变化响应的敏感地区和关键环节。     

气候系统的层次结构和非平稳行为:复杂系统预测问题探讨

到目前为止, 有关非平稳复杂系统及其在气候预测中的应用研究(它有着比混沌系统更为复杂的行为), 是一个较少被人理解, 并有重大科学意义的前瞻性研究课题. 在大气运动中, 气候正是一个典型的非平稳系统. 但是现有的气候预测理论, 包括统计预测理论和非线性预测理论, 几乎都无一例外地建立在平稳性假定的基础之上. 这有悖于气候过程的基本性态, 因此它有可能是导致气候预测水平低下的重要的理论上的原因. 另外, 近10年来, 气候过程具有层次结构已经成为许多科学家的共识, 但是如何发展和完善这一理论, 使之成为一个完整的体系, 人们似乎还没找到合适的途径. 至少, 科学家们目前还没提出适当的概念和方法, 去为它搭起一个框架. 事实上, 气候系统的多层次结构(它与通常的多尺度结构是两个完全不同的概念)正是产生非平稳行为的原因, 而气候系统的非平稳特性正是层次结构的集中表现. 文中将根据我们的一些初步研究结果, 就这种具有层次结构的复杂系统的预测问题给出一些讨论.     

非定常外源强迫下大尺度大气方程组解的性质

在设计长期天气和气候数值预报模式之前,必须了解大气系统演变的长期行为.这是数值试验所无法回答和解决的问题,需进行一些基础理论的研究.丑纪范首先讨论了定常外源强迫下,n维空间中非线性大气系统向外源适应的问题.之后,又把结果推广到无穷维Hilbert空间.对于实际大气系统,外源强迫是非定常的,在这种情形其结果是否成立,这就是本文所主要讨论的问题.     

多百年际气候变率:观测、理论与模拟研究

长时间序列的代用资料表明,地球气候系统存在着数百年时间尺度的气候变率.这种变率产生的原因及机制一直是困扰气候学家和考古学家的重大科学问题.从全新世中期直至工业革命之前,地球所受的外强迫变化较小,研究这一时期气候系统的长期自然振荡非常重要.本文从观测、理论和模拟研究3个方面对多百年际气候变率的研究现状进行了详细梳理.我们期望能够通过创新性的理论和模式试验方法,勾画多百年际气候变率的空间模态,解密其时间尺度来源,揭示其内在运行机理,取得原创性成果,回答海洋动力学和气候动力学的一些基础科学问题.     

一个包含外强迫因子的非平稳时间序列的预测方法

气候系统所具有的非平稳性质已经得到越来越多的气象学家的认同. 事实上, 产生非平稳行为的根本原因在于作用在系统上的外部强迫是随时间而变化的. 鉴于此, 本文提出了一个新的非线性和非平稳时间序列的预测方法. 与以往的某些方法最大的不同在于:在建模过程中, 外强迫因子直接参与了预测方程的构建. 还利用时变控制参数条件下,Logistic 映射和Lorenz 方程产生的非平稳时间序列, 对上述方法进行了预测试验. 初步的试验结果表明, 外强迫因子在预测中扮演着与状态变量同等重要的角色, 它们的参与可以有效地改善预测精度.     

澳大利亚墨累-达令河流域水文气候变化的影响与适应对策

应澳大利亚联邦科学与工业研究组织(Commonwealth scientific and Industrial Research Organisation, CSIRO)邀请,2018年4月清华大学组织科技考察团赴澳大利亚墨累-达令河流域开展为期一周的科学考察。考察团从墨累河出海口逆流而上,通过学习交流、现场考察和访问农场等方式,与澳大利亚同行们进行了深入交流,对澳大利亚墨累-达令河流域的气候变化与水的影响与适应对策研究,尤其是陆面水文-气候、极端水文研究、水资源管理体系的最新动态,及其气候变化应对与减缓、极端水文事件风险管理等进一步了解。此次考察对认识多时空尺度的气候-陆面-水文相互作用机理及其对自然强迫和人类活动(含人为强迫和下垫面人类活动)的响应机制,揭示全球气候系统能量-水循环动态演变规律和极端水文事件变化成因,构建全球增暖背景下应对极端水文事件的风险管理体系,提出中国适应性对策具有重要的借鉴意义。     

人类土地利用的历史变化对气候的影响

通过MPM-2——一个中等复杂程度的地球系统模式(EMIC), 对近1000 a来土地利用对气候的影响进行了模拟, 主要评估人类土地利用造成的陆面覆盖变化的生物地球物理作用. 以耕地面积的变化来近似森林砍伐的动态过程, 近300 a来大面积的森林砍伐使全球变冷了0.09~0.16℃, 而北半球年均温降低了0.14~0.22℃, 尤其在春季更为显著. 为了将人类土地利用和其他强迫进行比较, 还模拟了气候系统对温室气体浓度变化的响应. 目前, 植树造林正逐渐成为陆地碳“捕获”以及调节区域气候状况的重要手段, 表明在进行气候变化研究时, 人类土地利用造成的陆面覆盖变化的生物地球物理机制是不可被忽略的.     

改善月动力延伸预报水平的一种新途径

从数值模式普遍存在的一个重要预报误差源—— 纬向平均环流入手, 提出了一种改进月动力延伸预报的新途径. 首先, 应用重构相空间理论和非线性时空序列预测方法, 在大量历史资料的基础上构建纬圈平均环流(纬向平均高度场)月尺度逐候非线性动力学区域预报模型; 然后将非线性动力预报和数值模式动力预报结合起来, 即将非线性预报结果转化为模式需要的预报量, 再在模式积分过程中实施过程订正. 试验结果表明, 这种方法不仅有效减少了模式的系统性预报误差, 而且通过波流非线性相互作用, 使部分波分量的预报得到了较明显的改善.     

气候学:过去、现在与未来

自20世纪70年代提出气候系统概念以来,气候学研究发生了巨大的变化。本文把此后的气候学研究视为现代气候学,而之前的称为过去的气候学。作者认为,未来的气候学是从天文气候学到宇宙气候学;由于气候变化及其预测的不确定性,人类必须学会适应气候变化,求得可持续发展。     

气候预测研究方兴未艾

<正>当代气候研究有两个最为重要的目标,一是理解气候是如何发生异常变化并提前进行科学有效的未来一个月或数月以及一年或数年的预测,以达到预防和减轻灾害损失;二是理解气候系统如何在人类活动和自然因素影响下发生长期改变(如,全球变暖问题)并进行科学有效的预估和展望,以便使得人类可以更好地适应气候变化和科学恰当地进行气候干预,这是气候变化的长期预测.国际上气候变化研究的主要科学计划都围绕着这个方面展开,前者     

中更新世气候转型:特征、机制和展望

中更新世转型(mid-Pleistocene transition,MPT)的特征、机理及其影响一直是古气候研究的热点问题之一.通过综合分析全球代表性的地质记录,揭示出海洋和陆地气候变化在中更新世(距今~1.2至~0.7 Ma)多表现为从准4万年到准10万年的主导周期转型,但低纬地区水文气候的周期变化不显著.数值模拟研究表明,地球轨道参数变动引起的太阳辐射变化可能是冰期-间冰期气候旋回的根本驱动,而下垫面和大气CO2浓度变化的反馈机制则触发了中更新世气候周期转型并放大冰期-间冰期的波动.因此,MPT是地球气候系统内外部多个因素共同作用的结果.未来研究一方面应加强中低纬地区水文循环变化研究,关注中更新世气候转型影响的区域差异;另一方面通过整合气候重建和模拟结果,辨析区域气候变化响应差异的主要诱因.     

新生代青藏高原生长对东亚水循环及生态系统的影响

新生代青藏高原生长和全球温度变化驱动东亚气候和生态系统发生了剧烈变化.本文综述了前人的相关研究成果,基于前期的数值模拟工作,进一步探讨了青藏高原地形地貌演变对东亚水循环及生态系统的影响.目前,关于青藏高原新生代以来地形地貌的演化还存在争议,但近年来不同学科的证据一致认为,青藏高原生长过程具有区域差异性.最新的古气候数值模拟表明,青藏高原北部抬升显著改变了亚洲气候系统,促使东亚降水显著增加,尤其是中国南方冬季降水增加更为明显,地表径流也相应增加,对东亚水系格局产生了重要影响;土壤含水量也随之增加,冬季深层土壤含水量增加尤为显著,导致中国东部植被从干旱、半干旱转变为湿润、半湿润植被类型,造就了现今东亚植被和生物多样性格局.目前,关于青藏高原生长对东亚降水的影响,科学界已有深入认识,但是还有若干关键问题亟待解决,包括:对青藏高原地形地貌演化的进一步限定、对气候转型期高精度的古气候数值模拟,以及进一步解析新生代东亚水循环和生态系统的耦合关系.理解这些关键问题对预测未来全球气候急剧变化背景下的生态系统响应及其演变趋势具有重要的参考意义.     

可行点算法类及其全局收敛性

在非线性规划中利用某些统一处理方法来研究算法的结构和收敛性是非常有效而且简单的.Huang利用参数变换成功地处理了拟Newton算法;zangwill引进点到集映射研究了最优化算法的收敛性;越民义、韩继业和姚恩瑜将许多可行方向算法统一为一种含参数的算法模型,并且以此建立了一类具有全局收敛性的算法.本文提出了可行点算法的一般模型     

气候变化研究与环境和发展问题紧密相扣

正20世纪80年代开始,世界气候研究大规模兴起,持续带动了大气科学、海洋科学、地理科学等一系列学科的迅猛进步,更是催生了气候系统科学和地球系统科学研究的发展以及全球变化研究计划的诞生;另一方面,伴随着人类社会的日益工业化和现代化以及相应的化石能源消耗的持续上升、气候系统科学的不断发展,全球气候变化问题逐渐成为科学界和社会公众的关注焦     

IAP/LASG气候系统模式FGOALS_gl预测的海表面温度年代际尺度的演变

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国家重点实验室(LASG)发展的耦合气候系统模式FGOALS_gl,进行了年代际气候回报和预测试验.首先,采用"Incremental Analysis Updates"(IAU)方案同化海洋客观分析资料的三维温度和盐度场,完成对耦合模式海洋分量的初始化.然后,用国际耦合模式比较计划的"20世纪气候模拟试验"20C3M给定的太阳常数、温室气体和硫酸盐气溶胶强迫耦合模式,进行年代际回报试验;在回报试验的基础上,再继续进行对A1B排放情景下的21世纪初20年的预测试验.把回报试验的结果与单纯的20C3M试验的结果进行比较,发现回报试验对热带中东太平洋和中纬度东北太平洋等区域海表面温度(SST)的年代际变率的模拟技巧远高于20C3M试验的结果.这表明,海洋初始化过程能够有效地提高耦合模式对年代际变率较大区域的预测技巧.预测试验表明,目前热带中东太平洋SST已经达到年代际振荡负位相的谷值,之后10～15年将逐渐增暖.同时,预测试验预测的2000～2010年全球平均表面温度的增暖速度显著落后于A1B情景试验的结果,之后则超过A1B试验.     

封面说明

20世纪全球地表温度增暖是全球变化的重要标志.封面显示了生长在海南岛外海的南海热带海洋珊瑚.珊瑚信息是一种很好的气候记录的代用指标,已经被广泛地应用在人类活动对地球气候系统变化影响的研究中.过去的珊瑚古     

小冰期气候变化的影响因素及其对未来气候变化的启示

本文扼要综述了影响小冰期气候变化的因素,小冰期的气候变化是气候系统系统诸因子综合作用的结果,小冰期气候变化的幅度与周期可为未来百年尺度的气候预测提供参考。未来百年尺度的气候变化具有不确定性和复杂性,深入研究了小冰期气候变化中的跃变、不同区域间气候变化的一致性和差异性,并分析其形成的机理,可以为未来气候的变化预测提供科学的依据。     

深度不确定性下沿海洪水气候变化适应决策方法述评

深度不确定性下适应气候变化的稳健决策是当前决策者和科学家共同面临的难题.以往基于气候模式预估结果进行风险评估和决策规划的局限性日益凸显,模型参数、预测结果等多方面不确定性组成的深度不确定性给决策带来的风险远超一般不确定性.近年来,研究者将稳健决策理论、适应路径方法、工程选择分析等运用于气候变化适应决策研究,它们能够系统化筛选处理深度不确定性,从而更好地把握不确定性对气候变化决策的影响.本文以沿海城市洪水适应气候变化为例,综述稳健决策、适应路径、工程选择分析3种方法的特点和相互联系.稳健决策方法结合了传统控制理论与现代管理决策理论,专注于未来场景生成、适应措施的成本-效益比较、巨量场景-适应措施的比较静态筛选.适应路径方法更关注时间维度上的场景-适应措施选择,但对未来场景缺乏充分考量.工程选择分析方法基于适应路径方法框架,专注于具体工程设计,但缺乏应用经验.如何将3种决策方法综合应用,以期服务于面向多个决策目标、构建多个未来场景、组合多种应对措施的决策过程,促进科学家、政策制定者和其他利益相关者在决策中的持续有效对话的“知识共创”过程是开展深度不确定性下气候变化适应决策的新趋势.     

微裂纹的非线性超声检测研究进展

非线性超声对微裂纹具有较高的检测灵敏度.本文从理论模型、数值模拟和实验检测3个方面综述了非线性超声检测微裂纹的研究进展.基于微裂纹面的"呼吸"效应和"滑移"机制,介绍了非线性超声检测微裂纹的理论模型.从微裂纹的非线性响应和几何参数对非线性超声的影响规律及微裂纹定位方面,介绍了非线性超声检测微裂纹的数值模拟与实验研究进展...