1、第三篇第三篇 人类活动与全球变化人类活动与全球变化1第一篇 全球变化研究的基本问题第一章第一章 全球变化产生的科学背景及其研究的内容全球变化产生的科学背景及其研究的内容和意义和意义第二章第二章 全球变化科学的最新进展全球变化科学的最新进展第三章第三章 全球变化的主要特征与驱动力全球变化的主要特征与驱动力第四章第四章 全球变化的主要过程全球变化的主要过程2第二篇 以自然为主的全球变化第五章第五章 全球自然环境的形成与演化全球自然环境的形成与演化第六章第六章 全球冰雪圈和海面变化全球冰雪圈和海面变化第七章第七章 ENSO与温盐环流与温盐环流第八章第八章 青藏高原隆升及其环境效应青藏高原隆升及其环境
2、效应第九章第九章 臭氧层的破坏及其环境效应臭氧层的破坏及其环境效应3第三篇 人类活动与全球变化 第十章第十章 气候变化的观测事实气候变化的观测事实 第十一章第十一章 城市气候城市气候4第十章第十章 气候变化的观测事实气候变化的观测事实 10.1 10.1 全球气候变化的观测事实全球气候变化的观测事实 10.210.2 极端天气气候事件的变化极端天气气候事件的变化51961-19901961-1990年均值年均值1010年滑动平均年滑动平均过去过去140140年地球表面温度变化年地球表面温度变化 来自：来自：IPCC(2001)IPCC(2001)红柱年平均，据器测数据；黑线10年滑动平均；黑色
3、区间线95%的置信区间；o 20世纪内地球表面平均温度上升了世纪内地球表面平均温度上升了0.6 0.2oC o 在北半球，在北半球，20世纪世纪90年代很可能是有器测记录（年代很可能是有器测记录（1861）以来最热的）以来最热的年代，年代，1998年是有器测记录以来最热的一年；年是有器测记录以来最热的一年；o 20世纪内两次增温期最为明显：世纪内两次增温期最为明显：19101945，19762000。结结论论6 (b) global average sea level from tide gauge (blue) and satellite (red) data (c) Northern He
4、misphere snow cover for March-April Smoothed curves represent decadal averaged value； Circles show yearly values The shaded areas are the uncertainty intervalsfrom IPCC (2007)7n根据全球地表温度的器测资料根据全球地表温度的器测资料 （自（自1850年以来），最近年以来），最近12年（年（19952006 年）年） 中，有中，有11 年位列最暖的年位列最暖的12个年份之中。个年份之中。n最近最近100 年（年（1906 2
5、005 年）的温度线性趋势为年）的温度线性趋势为0.74C （0.560.92C），这一趋势大于），这一趋势大于第三次评估报告给出第三次评估报告给出的的0.6C（0.40.8C ）的相应趋势（）的相应趋势（19012000 年）。年）。n全球温度普遍升高，在北半球高纬度地区温度升幅较大。全球温度普遍升高，在北半球高纬度地区温度升幅较大。陆地区域的变暖速率比海洋快。陆地区域的变暖速率比海洋快。IPCC, 20078IPCC, WG1AR5，20149nGlobal Historical Climatology Network Version 3 (GHCNv3) incorporates man
6、y improvements (Lawrimore et al., 2011) but was found to be virtually indistinguishable at the global mean from version 2 (used in AR4). nGoddard Institute of Space Studies (GISS) continues to provide an estimate based upon primarily GHCN, accounting for urban impacts through nightlights adjustments
7、 (Hansen et al., 2010). nCRUTEM4 (Jones et al., 2012) incorporates additional station series and also newly homogenized versions of many individual station records.nA new data product from a group based predominantly at Berkeley (Rohde et al., 2013a) uses a method that is substantially distinct from
8、 earlier efforts. nDespite the range of approaches, the long-term variations and trends broadly agree among these various LSAT (Land Surface Air Temperature) estimates, particularly after 1900. Global LSAT has increased (Figure 2.14).10IPCC, WG1AR5，201411IPCC, WG1AR5，201412IPCC, WG1AR5，201413 就增温的速度
9、和持续时间而言，就增温的速度和持续时间而言，2020世纪很可能是过去世纪很可能是过去10001000年中最强烈的世纪；年中最强烈的世纪； 90 90年代可能是过去年代可能是过去10001000年中最热的年代。年中最热的年代。来自：来自：IPCC(2001)IPCC(2001)红线：年平均，据器测数据红线：年平均，据器测数据兰线：年平均，据树轮、珊兰线：年平均，据树轮、珊 瑚、冰芯、历史文献瑚、冰芯、历史文献黑线：黑线：5050年滑动平均年滑动平均灰线：灰线：95%95%的置信区间的置信区间横轴：横轴：1961-19901961-1990年的均值年的均值14全球温度变化全球温度变化- -区域差异
10、区域差异15nMap of the observed surface temperature change from 1901 to 2012 derived from temperature trends determined by linear regression nTrends have been calculated where data availability permits a robust estimate (i.e., only for grid boxes with greater than 70% complete records and more than 20% d
11、ata availability in the first and last 10% of the time period). Other areas are white. nGrid boxes where the trend is significant at the 10% level are indicated by a + sign.IPCC, WG1AR5，201416nTrends in surface temperature for 19012012. nWhite areas indicate incomplete or missing data. Trends have b
12、een calculated only for those grid boxes with greater than 70% complete records and more than 20% data availability in first and last decile of the period.nBlack plus signs (+) indicate grid boxes where trends are significant (i.e., a trend of zero lies outside the 90% confidence interval). IPCC, WG
13、1AR5，201417nTrends in surface temperature from NCDC MLOST for three nonconsectutive shorter periods (19111940; 19511980; 19812012). nWhite areas indicate incomplete or missing data. nTrends and significance have been calculated.18How Do We Know the World Has Warmed?nEvidence for a warming world come
14、s from multiple independent climate indicators, from high up in the atmosphere to the depths of the oceans. They include changes in surface, atmospheric and oceanic temperatures; glaciers; snow cover; sea ice; sea level and atmospheric water vapour. nScientists from all over the world have independe
15、ntly verified this evidence many times. That the world has warmed since the 19th century is unequivocal.nDiscussion about climate warming often centres on potential residual biases in temperature records from landbased weather stations. These records are very important, but they only represent one i
16、ndicator of changes in the climate system. nBroader evidence for a warming world comes from a wide range of independent physically consistent measurements of many other, strongly interlinked, elements of the climate system (FAQ 2.1, Figure 1，next page).nA rise in global average surface temperatures
17、is the best-known indicator of climate change. Although each year and even decade is not always warmer than the last, global surface temperatures have warmed substantially since 1900.192021 下图（下图（IPCC,2007）为观测到的大陆与全球尺度地表温）为观测到的大陆与全球尺度地表温度变化与使用自然强迫和人为强迫的气候模式模拟结果的比度变化与使用自然强迫和人为强迫的气候模式模拟结果的比较。相对较。相对190
18、1至至1950年相应平均值，图中给出了年相应平均值，图中给出了1906至至2005年观测到的十年平均值年观测到的十年平均值(黑线黑线)，对应于该十年的中心绘制。，对应于该十年的中心绘制。虚线部分表示空间覆盖率低于虚线部分表示空间覆盖率低于50%。蓝色阴影表示仅使用太。蓝色阴影表示仅使用太阳活动和火山自然强迫的阳活动和火山自然强迫的5个气候模式个气候模式19个模拟试验结果的个模拟试验结果的5%至至95%可信度范围。红色阴影表示同时使用自然强迫和可信度范围。红色阴影表示同时使用自然强迫和人为强迫的人为强迫的14个气候模式个气候模式58个模拟试验结果的个模拟试验结果的5%至至95%可可信度范围。信度
19、范围。2223一、极端天气气候事件的定义二、气候变化对极端天气的影响三、山东省气候变化对极端气温事件的影响24n在全球变暖的大背景下，极端天气气候事件的变化引起了在全球变暖的大背景下，极端天气气候事件的变化引起了国内外学者的广泛关注。国内外学者的广泛关注。n区域性洪涝、干旱、高温、台风、雨雪冰冻等极端气候事区域性洪涝、干旱、高温、台风、雨雪冰冻等极端气候事件日益加剧，尤其是件日益加剧，尤其是20世纪世纪80年代以来，全球范围内频繁年代以来，全球范围内频繁发生的极端气候事件给生态环境、经济发展和人民生活造发生的极端气候事件给生态环境、经济发展和人民生活造成了严重的影响和损失。成了严重的影响和损失
20、。25极端天气气候事件的定义n极端天气气候事件的定义与天气气候状态的概率分布有关，当天气气候状态严重偏离其平均态时，在统计意义上便可认为是不易发生的小概率事件，称为极端天气气候事件。n分类：极端天气事件、极端气候事件n为了有效推动世界各国开展极端天气气候事件变化检测研究，WMO（ World Meteorological Organization）气候委员会等组织联合成立了气候变化监测和指标专家组（ ETCCDI，Expert Team on Climate Change Detection and Indices），定义了27 个典型的极端气候指数，其中包括16 个极端气温指数和11 个极端
21、降水指数 。26272829平均状态变化平均状态变化平均状态与平均状态与离差离差幅度同时变化幅度同时变化离差幅度变化离差幅度变化2930全球变暖导致极端天气气候事件增多全球变暖导致极端天气气候事件增多3020世纪天气和气候极端事件的变化世纪天气和气候极端事件的变化 31 Trenberth等（等（1998）指出，地面温度的升高会使地表蒸）指出，地面温度的升高会使地表蒸发加剧，使得大气保持水分的能力增强，大气水分含量增加。发加剧，使得大气保持水分的能力增强，大气水分含量增加。地面蒸发能力增强，将使干旱更易发生，同时为了与蒸发相地面蒸发能力增强，将使干旱更易发生，同时为了与蒸发相平衡，降水也将增长
22、，易发生洪涝灾害。研究表明，气候的平衡，降水也将增长，易发生洪涝灾害。研究表明，气候的变化还会通过影响大气中的水分含量，继而影响大气的特性，变化还会通过影响大气中的水分含量，继而影响大气的特性，对中小尺度的极端天气气候事件产生影响。对中小尺度的极端天气气候事件产生影响。引自中国气候与环境演变：2012 （第一卷 科学基础）第七章 7.8 全球气候变化与极端天气气候事件的联系32 对于全球来说，自20世纪70年代以来，极端天气气候事件明显变化，在更大范围的地区，尤其是在热带和副热带，与温度升高和降水减少有关的变干增加，促成了干旱的强度更强、持续时间更长，而大多数陆地上的强降水事件发生频率也有所增
23、加；冷昼、冷夜和霜冻发生频率在减少，而热昼、热夜和热浪的发生频率增加等。（表）引自中国气候与环境演变：2012 （第一卷 科学基础）第七章 7.8 全球气候变化与极端天气气候事件的联系3334n但对龙卷风、冰雹等小尺度极端天气现象，由于时间和空间尺度太小，加上受局地性因素的强烈影响，现有的观测资料很难全面反映出它们在全球范围受到气候变化影响的真实情况。引自中国气候与环境演变：2012 （第一卷 科学基础）第七章 7.8 全球气候变化与极端天气气候事件的联系35三、山东省气候变化对极端气温事件的影响1 研究范围及地面气象站分布2 所选极端气温指数的定义3 极端气温事件的时空变化 时间变化 空间变
24、化4 极端气温事件与气候变化的关系最高、最低气温和气温日较差的变化极端气温指数与平均气温之间的关系气候突变前后极端气温指数的变化5 主要结论361 研究范围及地面气象站分布372 所选极端气温指数的定义383 极端气温事件的时空变化19712013年山东省极端气温指数的变化时间变化39空间变化1971-2013年山东省极端气温指数变化趋势的空间分布（单位：/10a）404 极端气温事件与气候变化的关系19712013年山东省最高(a)、最低(b)气温以及气温日较差(c)的距平变化趋势最高、最低气温和气温日较差的变化4119712013年山东省极端气温指数与平均气温之间的相关系数极端气温指数与平
25、均气温之间的相关系数42气候突变前后极端气温指数的变化气候突变前后山东省极端气温指数的变化（单位：d）435 主要结论n气温增暖过程中，最低气温对气温增暖的贡献最大，而最低气温对极端气温指数的影响表现为低温、暖夜和冷夜日数的变化趋势比高温、暖昼和冷昼日数的变化趋势更显著。n高温日数对平均气温的变化不敏感，而其他指数对平均气温的变化较敏感，其中与最低气温相关的指数（低温、暖夜、暖昼）对平均气温的变化最为敏感。n极端气温指数的变化与区域性增暖有密切关系，气候变暖突变前后，高温日数变化不明显，暖昼和暖夜日数明显增加，低温、冷昼、和冷夜日数明显减少。44第十一章 城市气候一、城市气候的概念与形成一、城
26、市气候的概念与形成二二、城市气候的影响范围城市气候的影响范围三三、城市气候的特点城市气候的特点四四、城市气候灾害的防御与局地气候的改善城市气候灾害的防御与局地气候的改善45城市气候是在城市气候是在区域气候背景区域气候背景上，经过上，经过城市化城市化后，在后，在人类人类活动影响活动影响下而形成的一种特殊下而形成的一种特殊局地气候局地气候（周淑贞等）。（周淑贞等）。城市气候是在城市气候是在区域气候背景区域气候背景上，在城市受上，在城市受其下垫面其下垫面和和人人类活动影响类活动影响下而形成的一种特殊下而形成的一种特殊局地气候局地气候。46474849502 2、城市气候的形成、城市气候的形成 城市气
27、候城市气候-城市内部形成的不同于城市周围地区的特殊小气候。城市内部形成的不同于城市周围地区的特殊小气候。 下垫面性质下垫面性质的变化；的变化； 大气成分大气成分的改变；的改变； 人为热人为热的排放；的排放； 人为水汽的排放。人为水汽的排放。 城市除了受当地纬度、海陆位置、太阳辐射、大气环流和地形地貌城市除了受当地纬度、海陆位置、太阳辐射、大气环流和地形地貌等等区域气候区域气候因素的作用外，受强烈的人类活动的影响，在区域气候的背因素的作用外，受强烈的人类活动的影响，在区域气候的背景下，形成有别于附近郊区的景下，形成有别于附近郊区的局地气候局地气候。5152大气成分改变及其影响大气成分改变及其影响
28、主要是：主要是：CO2，NOx，CO，颗粒物，二次污染物颗粒物，二次污染物影响影响n 影响城市空气透明度，减弱能见度影响城市空气透明度，减弱能见度n 改变太阳入射辐射，散射辐射和地面的长波辐射改变太阳入射辐射，散射辐射和地面的长波辐射 特别是特别是CO2，CH4，O3等温室气体，吸收地面长波辐射，大气等温室气体，吸收地面长波辐射，大气逆温辐射，地面不易冷却，城市气温比郊区高逆温辐射，地面不易冷却，城市气温比郊区高n 为云、雾，降水提供了凝结核为云、雾，降水提供了凝结核5354 555657n城市热岛城市热岛及表示方法及表示方法城市热岛效应城市热岛效应（heat island effet）：城市
29、气温高于四周郊区气温的现象。）：城市气温高于四周郊区气温的现象。由农村至城市边缘的近郊，气温陡然升高，形成由农村至城市边缘的近郊，气温陡然升高，形成“陡岸陡岸”；到了城市，温度梯度比较平缓，形成到了城市，温度梯度比较平缓，形成“高原高原”；到城市中心人口和建筑密度增加，温度更高，形成到城市中心人口和建筑密度增加，温度更高，形成“山峰山峰”。58n城市热岛强度城市热岛强度 城市气温与郊区同期（瞬时、日均、月均、年均等）气温差值的大小。n温度对比温度对比： 同一时段城市与郊区气温的对比; 城市发展过程中测站本身气温的前后对比59城市热岛的时空分布特点城市热岛的时空分布特点n空间分布空间分布（1 1
30、）水平方向）水平方向 城市高温中心出现在人口密集、建筑密度大、工商业最集中地区；城市高温中心出现在人口密集、建筑密度大、工商业最集中地区； 城市高温区内等温线稀疏，气温水平梯度小；城市高温区内等温线稀疏，气温水平梯度小； 城市边缘气温水平梯度大，等温线密集。城市边缘气温水平梯度大，等温线密集。（2 2）垂直方向）垂直方向：热岛强度随高度的变化因城市不同而有所差别，地面附近热岛强度热岛强度随高度的变化因城市不同而有所差别，地面附近热岛强度最大，向上逐渐减弱，甚至出现负值最大，向上逐渐减弱，甚至出现负值n时间变化时间变化（1 1）日变化）日变化主要是一种夜间现象。主要是一种夜间现象。2121时为一
31、天中最强，日出后减弱，午后时为一天中最强，日出后减弱，午后1313时最弱时最弱（2 2）季节变化）季节变化因区域气候条件和城市人为因素而异。因区域气候条件和城市人为因素而异。我国：季风气候区，秋冬季大、春夏季弱。我国：季风气候区，秋冬季大、春夏季弱。 60n城市空气湿度城市空气湿度城市干岛城市干岛：城区的绝对湿度和相对湿度都比郊区小。白天、盛夏：城区的绝对湿度和相对湿度都比郊区小。白天、盛夏城市湿岛城市湿岛：夜间（静风或小风）城区水汽含量比郊区大的：夜间（静风或小风）城区水汽含量比郊区大的“城市城市湿岛湿岛”现象。现象。 郊区由于凝露量大，空气中水汽含量少郊区由于凝露量大，空气中水汽含量少n城
32、市的云和雾城市的云和雾雾：水汽在凝结核上形成小水滴，悬浮在空气中，水平能见度小雾：水汽在凝结核上形成小水滴，悬浮在空气中，水平能见度小于于1km时。时。 “湿雾湿雾”，“浊雾浊雾”。 对生态环境影响：对生态环境影响： 影响能见度；影响能见度；加剧污染浓度。加剧污染浓度。云：城市化使云量增多。云：城市化使云量增多。61城市雨岛效应：城市及其下风方向降水增多的现象。城市雨岛效应：城市及其下风方向降水增多的现象。城市化影响降水的机制：城市化影响降水的机制：城市热岛效应城市热岛效应：城市上空气层的层结不稳定，有利于热力对流，城市上空气层的层结不稳定，有利于热力对流，在水汽充足时，易形成对流云和对流性降
33、水；在水汽充足时，易形成对流云和对流性降水；摩擦阻挡（城市阻障）效应摩擦阻挡（城市阻障）效应：城市参差不齐的建筑物对气流城市参差不齐的建筑物对气流有机械阻障，触发湍流，使移动的降水系统移动减慢，导致城市有机械阻障，触发湍流，使移动的降水系统移动减慢，导致城市降水强度增强，降水时间延长。降水强度增强，降水时间延长。城市凝结核效应城市凝结核效应：城市空气中凝结核多，可促使生成水气凝结城市空气中凝结核多，可促使生成水气凝结和雨滴，从而增加降水和雨滴，从而增加降水 62城市降水变化的生态环境效应城市降水变化的生态环境效应城市降水量增加的直接后果： 雨洪径流增大 地面侵蚀，受纳水体污染加剧，河道淤积 冰
34、雹，雷暴等对人民生命财产危害，下雨能见度低，使交通事故率增加优点：使枯季径流增大，缓解枯季供水紧张状况636465666768n城市绿化与局地气候的改善城市绿化与局地气候的改善城市绿化能调节气温、增加湿度、调节碳氧平城市绿化能调节气温、增加湿度、调节碳氧平衡、提供新鲜空气、减少城市大气污染、降低衡、提供新鲜空气、减少城市大气污染、降低噪声、防御风沙、美化环境等噪声、防御风沙、美化环境等构建绿地系统构架、因地制宜、重视道路绿化、构建绿地系统构架、因地制宜、重视道路绿化、充分发挥已有绿地的作用等。充分发挥已有绿地的作用等。6970 白亮污染白亮污染，阳光照射强烈时，城市里建筑物的玻璃幕墙、釉面砖墙
35、、磨光，阳光照射强烈时，城市里建筑物的玻璃幕墙、釉面砖墙、磨光大理石和各种涂料等装饰反射光线，明晃白亮、眩眼夺目。专家研究发现，长大理石和各种涂料等装饰反射光线，明晃白亮、眩眼夺目。专家研究发现，长时间在白亮污染环境下工作和生活的人，视网膜和虹膜都会受到程度不同的损时间在白亮污染环境下工作和生活的人，视网膜和虹膜都会受到程度不同的损害，视力会急剧下降，白内障的发病率高达害，视力会急剧下降，白内障的发病率高达45%45%。还会使人头昏心烦，甚至出。还会使人头昏心烦，甚至出现食欲下降、情绪低落、身体乏力等类似神经衰弱的症状。现食欲下降、情绪低落、身体乏力等类似神经衰弱的症状。 71人工白昼污染人工
36、白昼污染，夜幕降临后，商场、酒店上的广告灯、霓虹灯闪烁夺目，夜幕降临后，商场、酒店上的广告灯、霓虹灯闪烁夺目，令人眼花缭乱。有些强光束甚至直冲云霄，使得夜晚如同白天一样，即所令人眼花缭乱。有些强光束甚至直冲云霄，使得夜晚如同白天一样，即所谓人工白昼。在这样的谓人工白昼。在这样的“不夜城不夜城”里，夜晚难以入睡，扰乱人体正常的生里，夜晚难以入睡，扰乱人体正常的生物钟，导致白天工作效率低下。人工白昼还会伤害鸟类和昆虫，强光可能物钟，导致白天工作效率低下。人工白昼还会伤害鸟类和昆虫，强光可能破坏昆虫在夜间的正常繁殖过程。破坏昆虫在夜间的正常繁殖过程。72彩光污染彩光污染，舞厅、夜总会安装的旋转灯、荧
37、光灯以及闪烁的彩色光源构，舞厅、夜总会安装的旋转灯、荧光灯以及闪烁的彩色光源构成了彩光污染。据测定，黑光灯所产生的紫外线强度大大亮于太阳光中成了彩光污染。据测定，黑光灯所产生的紫外线强度大大亮于太阳光中的紫外线，且对人体有害影响持续时间长。人如果长期接受这种照射，的紫外线，且对人体有害影响持续时间长。人如果长期接受这种照射，可诱发流鼻血、脱牙、白内障，甚至导致白血病和其他癌变。可诱发流鼻血、脱牙、白内障，甚至导致白血病和其他癌变。73第四篇第四篇 全球变化的研究方法全球变化的研究方法区域气候模式简介区域气候模式简介74主要内容主要内容一、区域气候模式的研究背景一、区域气候模式的研究背景二二、区
38、域气候模式简介区域气候模式简介三三、RegCM3在中国区域气候研究中的应用在中国区域气候研究中的应用四、四、展望展望75一、区域气候模式的研究背景一、区域气候模式的研究背景7677n1860-20001860-2000年全球地表温度上升年全球地表温度上升0.40.40.8 (0.8 (平均平均0.6)0.6)；n近百年间近百年间1717个最暖年份出现在个最暖年份出现在19831983年以后。年以后。n2020世纪以来，世纪以来，19981998年最暖，年最暖，20022002年和年和20032003年分别为第二和第三暖年。年分别为第二和第三暖年。温度距平（温度距平（）年年公元公元1856200
39、3年全球地表温度变化年全球地表温度变化（相对于（相对于19611990年年30年气候平均）年气候平均）78国际社会对气候变化高度重视国际社会对气候变化高度重视 19881988年，在年，在WMOWMO和联合国环境规和联合国环境规划署（划署（UNEPUNEP）的推动下，成立了政府）的推动下，成立了政府间气候变化专门委员会（间气候变化专门委员会（IPCCIPCC）。该）。该委员会组织了来自世界各地不同科学委员会组织了来自世界各地不同科学领域的数千名专家，对相关的科学成领域的数千名专家，对相关的科学成果及技术、经济信息进行综合的分析果及技术、经济信息进行综合的分析与评估，分别于与评估，分别于1990
40、1990、19951995、20012001、20072007和和20152015年完成了五次气候变化科年完成了五次气候变化科学评估报告学评估报告。 79引起引起气候变化气候变化的的因素因素自然波动：自然波动：太阳辐射的变化、太阳辐射的变化、火山爆发等；火山爆发等； 人类活动：人类活动： 温室气体和硫化物气溶胶的排放、温室气体和硫化物气溶胶的排放、 土地利用的变化等土地利用的变化等19911991年年6 6月月1212日从克拉克空军日从克拉克空军基地东边拍摄的皮纳图博火山基地东边拍摄的皮纳图博火山喷发的尘埃柱。喷发的尘埃柱。图片来源：图片来源：USGSUSGS80二、区域气候模式简介二、区域气
41、候模式简介1、气候模式的有关概念和发展、气候模式的有关概念和发展 （1）气候模式及有关的概念）气候模式及有关的概念 （2）气候模式的发展）气候模式的发展2、区域气候模式简介区域气候模式简介 （1）区域气候模式的发展）区域气候模式的发展 （2）RegCM简介简介81（1 1）气候模式有关概念）气候模式有关概念 气象学不同于物理学和化学等学科，一般情况下，无法气象学不同于物理学和化学等学科，一般情况下，无法进行定量的可控制的实验。大气过程的复杂性，影响因子的进行定量的可控制的实验。大气过程的复杂性，影响因子的众多以及无重复性也是阻碍气象科学发展的重要因素。计算众多以及无重复性也是阻碍气象科学发展的
42、重要因素。计算机的出现和计算方法的进步使气象学有可能进行类似于物理、机的出现和计算方法的进步使气象学有可能进行类似于物理、化学实验的一类实验化学实验的一类实验数值试验数值试验。用以模拟大气中发生的。用以模拟大气中发生的各种过程，所以又叫各种过程，所以又叫数值模拟数值模拟。在数值模拟中，核心问题就。在数值模拟中，核心问题就是建立数学模型是建立数学模型即即模式模式。82 气候数值模拟的雏型是气候数值模拟的雏型是2020世纪世纪5050年代年代开始应用开始应用的。从的。从6060年代以后，各种形式的数值模式纷纷出现，年代以后，各种形式的数值模式纷纷出现，如直接积分流体力学和热力学方程组的如直接积分流
43、体力学和热力学方程组的大气环流模大气环流模式式，根据能量平衡原理模拟大气热状况的，根据能量平衡原理模拟大气热状况的能量平衡能量平衡模式模式，还有把大气运动当作随机过程处理的，还有把大气运动当作随机过程处理的随机模随机模式式和和随机、动力相结合随机、动力相结合的模式等。的模式等。 83n气候系统的行为及其子系统间的相互作用，可以利用气候模式进行模拟研究。n气候模式的核心，是利用数学方程来描述反映气候系统动力过程的基本物理规律。n这些数学方程是非线性的，需要利用数值技术来求解。n气候模拟需要大量的计算机资源。什么是气候模拟84 气候数值模拟可以概括为在实验室里一定的控制条件下模拟自然界的气候状况，
44、以及根据控制气候及其变化的基本物理定律，建立起相应的数学模式，在一定的初始条件和边界条件下 进行数值计算，求得气候及其变化的图像。85气候模型动力框架物理过程（参数化）86什么是什么是参数化参数化(Parameterization(Parameterization） 在数值模式中，不考虑过程的细节，而是用其它在数值模式中，不考虑过程的细节，而是用其它一些确定的变量所表示的简化函数表示这个过程，这个一些确定的变量所表示的简化函数表示这个过程，这个方法称为方法称为“参数化参数化”。 气候模式中物理过程的描述都是用参数化的方法。气候模式中物理过程的描述都是用参数化的方法。 任何一个或所有这些近似和参
45、数化都可能气候模式任何一个或所有这些近似和参数化都可能气候模式的质量产生重要影响。的质量产生重要影响。87WMO, 世界气候研究计划20052015战略框架，李建平 等译，气象出版社，200688899091(courtesy of IPCC TAR)92 模式由简单到复杂，由模拟气候的模式由简单到复杂，由模拟气候的平衡态平衡态发展到发展到对气候对气候演变过程演变过程的模拟。从的模拟。从70年代以来，气候数值年代以来，气候数值模拟的研究取得了初步的试验结果。例如由模式计模拟的研究取得了初步的试验结果。例如由模式计算出的大气和海洋主要气候要素的分布及其季节变算出的大气和海洋主要气候要素的分布及其
46、季节变化，与实况相比，在许多方面是一致的。在化，与实况相比，在许多方面是一致的。在人类活人类活动对气候的影响动对气候的影响的估计和极冰的反馈作用等方面，的估计和极冰的反馈作用等方面，也得出了有意义的结果。此外，还发展了气候对各也得出了有意义的结果。此外，还发展了气候对各种物理因子变化的种物理因子变化的敏感性试验敏感性试验和和次网格物理过程的次网格物理过程的参数化研究参数化研究。 93n通过建立起气候数值模式，并将其对照当前和过去的气候进行验证，它就可以被用于预测未来气候。n更合理、更客观的气候数值模式，可用于研究各种因子在不同时间尺度气候变化中所起的作用，预测人类活动对气候的可能影响，为大范围
47、气候改造和控制提供依据；也可研究在一定条件下气候变化的可能趋势，为气候预报提供依据。 94二、区域气候模式简介二、区域气候模式简介n区域气候与社会经济及人类发展有着紧密的联系，长期以来受到世界各国气候学家的极大关注。 n目前全球环流模式全球环流模式对区域气候具用一定的模拟能力，但由于其主要反映大的时间与空间尺度，水平分辨率水平分辨率较低，在对区域气候的模拟中尚存在较大的不确定性，难以较为细致地模拟出中、小尺度强迫起主要作用的区域气候的具体特点，因而需要研究区域气候模式区域气候模式。 n20世纪90年代以来随着计算机的发展，国际上在区域气候的模拟研究方面有了较大的发展。 95（1）区域气候模拟研
48、究进展）区域气候模拟研究进展n在原有全球环流模式的基础上，增加全球环流模式的水平分辨率增加全球环流模式的水平分辨率，以期能在区域气候模拟可靠性上有所提高。但这是一种不经济的做法，且有研究表明，对全球模式采用更高的水平分辨率，并不能显著地提高其模拟能力。 n较理想的做法是在全球环流模式上采用变网格方案变网格方案，即对所关心的区域增加水平分辨率，而对远离研究区域取低水平分辨率，以期对区域气候模拟有较好的能力。除了节约计算时间外，此方法最大的优点是可以描述区域尺度和全球尺度气候系统之间的相互作用，但此类模式的物理过程参数化方案需考虑将不同尺度的物理过程用统一的参数化方案表达，因而难度较大。 n因此，
49、近十几年来比较流行的做法是在全球环流模式中嵌套区域气候全球环流模式中嵌套区域气候模式模式，从而提高在区域部分模拟的可靠性。 969798 （2）RegCM简介简介 n80年代末期Robert E. Dickinson等以及Giorgi等在PSU/NCAR的MM4模式和NCAR的全球谱模式（CCM1）的基础上，发展了区域气候模式（RegCM1，1989年年）。n区域气候模式具有较高的时空分辨率时空分辨率，能对多种不同尺度不同尺度之间的相互作用进行更好的模拟，模式对地形地形的描述比较细致，包含较全面的物理过程较全面的物理过程，因而能够更好地刻画出具有特殊地形和陆面特征的区域气候特征。n至今已发展到
50、第四代RegCM4。RegCM系列被广泛应用在区域气候变化的研究中。 99模式简介模式简介（原理）（原理）100Schematic representation showing the horizontal Arakawa B-grid staggering of the dot and cross grid points.101horizontal Arakawa B-grid staggeringnThe center point of grid squares will be referred to as cross points, and the center points are d
