高分辨率大气环流模式和海洋环流模式的研制

本研究是国家重点基础研究发展计划（973）项目“高分辨率气候系统模式的研制与评估”（2010CB951900）课题之一。该课题的研究任务和目标是,设计高分辨率大气环流模式动力框架,建立高分辨率全球大气环流模式,水平分辨率达到50km左右。改进并完善大气环流模式中云-气溶胶-辐射数值集合参数化系统（CAR）。定量评估现有气候系统模式上的云-辐射相互作用的不确定性,将CAR耦合到新开发的高分辨率大气环流模式中。研制高分辨率海洋环流模式,水平分辨率达到30～50km。课题组完成了全部计划研究任务,取得了一系列研究成果,发表和接收学术论文42篇,其中SCI论文20篇,专著1部。     

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。     

高分辨率全球气候模式大气物理过程参数化研发和应用

本项研究将充分利用各种观测数据、再分析数据以及针对不同尺度的模式,包括大涡模式、云分辨模式、单柱模式以及全耦合气候系统模式,借助对这些数据和模拟结果的深入和细致分析,加深对宏观云物理、云微物理、对流以及它们与边界层过程和气溶胶之间相互作用的认识,设计和发展适用于高分辨率大气环流模式的先进物理过程参数化方案,利用一系列的诊断工具来评估和进一步改进参数化方案,以降低模式中长期存在的重要模式偏差,推动我国大气环流模式的发展。     

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。     

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。     

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。     

极区动量、热量、水汽、CO2和辐射通量自动监测系统

近些年的研究表明，南极大气与冰雪下垫面之间的动力和热力相互作用，不仅影响着大气层结构和局地天气气候，而且对全球大气环流和气候演变也有重要作用。对南极冰-海-气相互作用的观测与研究可以大大加深对全球气候变化的了解。为建立合理、可靠的全球冰-海-气耦合模式提供实验数据支持，     

北半球千年尺度气候高分辨率数据集研制及可靠性研究

过去千年半球尺度高质量气候环境数据是揭示全球增暖机理、预测预估未来情景及影响的重要基础;利用代用指标,研制北半球千年尺度气候高分辨率数据集,评估其可靠性一直是全球变化研究关注的核心内容之一。本文简述了开展北半球千年尺度气候高分辨率数据集研制及可靠性研究的必要性、紧迫性和发展动向;分析了其研究现状和存在问题;阐述了下一步的研究目标、思路和需解决的关键科学与技术问题,以及主要研究内容,包括:代用指标物理意义诊断与数据挖掘技术研发、气候与海平面、冰雪、土地利用与动植物分布变化数据集研制等4个方面;并对预期产出及意义进行了简要展望。     

高分辨率海洋模式关键物理过程参数化方案的研发

全球气候模式对气候变率的预测存在很大的不确定性,这不仅影响气候研究的本身,也给我国政府相关决策带来困难。海洋是整个地球气候系统的一部分,海洋模式的准确性直接影响全球气候模式的可靠性。参数化是数值模式的动力核心之一,因此开发新的海洋模式参数化方案是改进气候模式的必经之路。针对高分辨率海洋模式,我们需要开展中小尺度海气相互作用、中尺度涡旋诱导的沿等密度面和跨等密度面混合、次中尺度、内波以及海流与海底地形相互作用等关键物理过程的研究,阐明海洋能量级串多重耗散路径和机制,以此建立从海面到海底全深度的适用于高分辨率海洋模式的关键物理过程参数化方案,以改进全球和区域海洋的模拟能力。     

过去2000年全球典型暖期的形成机制及其影响研究

本文简要介绍了"过去2000年全球典型暖期的形成机制及其影响研究"项目取得的主要进展:(1)新建了40余条高分辨率气候序列,显著提高了过去2000年中国气候变化序列的覆盖度和时间分辨率;(2)揭示了暖期气候的空间协同特征及历史典型暖期与20世纪暖期气候格局的差异;(3)诊断了自然驱动的历史暖期与温室气体驱动的20世纪暖期形成机制的差异;(4)量化分析了过去2000年气候变化对中国社会经济的影响与响应过程,辨识了冷、暖期对中国社会经济影响的主要差异。上述研究成果增进了对年代至百年尺度气候变化特征与机制的认识,对我国适应未来气候变化具有参考价值。     

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。     

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。     

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。     

基于大气、海洋、潮汐和地表水数值耦合模式的地球角动量研究

本文在总结地球总系统角劝量变化的研究现状和所存在问题的基础上，首次给出了一个耦合了大气运动、海洋运动、海洋潮汐和地表水循环的无需通量修正的自由气候耦合模式，该模式的海洋分量考虑了大气压反变效应、固体地球潮汐作用和海洋水体自引力效应，细致地刻画了地球总系统内部的角动量交换过程。数值研究的初步结果表明，上述气候耦合模式的研制非常成功，可以作为进行地球旋转参数研究的新手段。     

基于多源卫星遥感的高分辨率全球碳同化系统研究进展

大气中CO_2浓度上升是全球气候变暖的重要原因,陆地生态系统碳汇显著减缓了大气中CO_2浓度上升和全球变暖的速度,但具有明显的时空变异性。全球碳同化系统是精确监测全球不同地区陆地生态系统碳汇的有效技术手段。本文将介绍全球碳同化系统的发展动态,国家重点研发计划项目"基于多源卫星遥感的高分辨率全球碳同化系统研究"的目标和主要研究内容,以及已经取得的主要进展,并展望了未来应用前景。     

平流层大气基本过程及其在东亚气候与天气变化中的作用

平流层位于对流层之上,约占大气总质量的15%,拥有地球生命紫外保护伞的大气臭氧层;该大气层自上受到太阳辐射的作用,自下受到对流层大气波动上传的作用,还受到自然过程和人类活动所产生物质向上输送的作用,产生了本质上不同于对流层的动力学、物理学和化学过程。这些过程在以下三个方面对我国国家重大需求有重要作用：①科学预测气候变化,为可持续发展规划与环境外交提供科学依据。平流层大气成分分布与状态,对于驱动对流层气候变化的关键因子--对流层顶辐射强迫的强度与变化具有重大的控制作用。人类活动产生的温室气体与化学反应活性气体,通过平流层化学-辐射过程对于对流层气候的辐射控制以及通过动力与物质输送的影响,是预测全球和区域气候变化的国际公认的缺失环节之一;②为建立和改善区域性天气气候的中长期预报途径与方法提供科学基础。天气气候的中长期预报对于防灾减灾工作具有极大的重要性,目前大气科学界尚缺乏有效的预报理论与方法。已有研究表明,平流层过程对于许多天气气候过程存在着超前一周以上的“先兆”信号,在作用机制上亦有一定的理论依据。加强我国研究平流层过程在中长期天气预报中的作用,提出预测理论与方法十分迫切;③为我国临近空间高技术国防活动的平流层环境保障建立基础。目前,20～100公里大气层已成为国防和人类活动新的制高点。平流层大气动力、化学成分和辐射环境及其变化的预测预报方法的建立即将成为重大的应用需求。     

FY-3A气象卫星紫外臭氧垂直探测仪

国际上利用紫外散射辐射从空间探测研究大气臭氧层已有近30年的历史。我国从本世纪初开始研制紫外臭氧垂直探测仪,它是“风云三号”A星的重要探测仪器之一,其主要任务是测量太阳和大气后向散射紫外光谱,反演臭氧总量的垂直分布,为环境监测、气候预报和全球气候变化研究提供重要参数。     

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。     

大尺度土地利用变化对全球气候的影响

全球变化研究国家重大科学研究计划"大尺度土地利用变化对全球气候的影响"项目集中了国内外土地利用、气候、生态等领域的高水平研究机构,从"全球视角"出发,通过国际对比揭示与评估局地、区域和全球尺度土地利用/土地覆盖变化(Land-Use and Land-Cover Change,LUCC)过程对气候变化与生态系统的影响,不仅可以为全球变化与地球系统模式研究提供理论基础,而且对于科学调控人类土地利用行为,缓减与适应全球气候变化具有重要意义。本文简要介绍了该项目近5年取得的重要研究成果。     

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。