（气象学专业论文）a1b情景下中国东部区域气候变化的数值模拟.pdf

2 010m a s t e r sd i s s e r t a t i o n e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y ( 10 2 6 9 ) s t u d e n tn u m b e r ：510 7 0 8 010 5 7 吣y 帆1 呲7 眦4 眦m 1 帆9 10 变化的数值模拟， 是在华东师范大学攻读题矽博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意。 作者签名：逝日期：弘，了年f 月；罗日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 a 1 b 情景下中国东部区域气候变化的数值模拟系本人在华东师范大学攻读学位 期间在导师指导下完成的硕土博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范 大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门 和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学 位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采 用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文事， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名本人签名 夕们年f 月2 7 日 “涉密”学位论文府是已经华东师范人学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华尔师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 昌劲塞硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 张超教授华东师范大学主席 李朝颐教授华东师范大学 王远飞副教授华东师范大学 益建芳副教授华东师范大学秘书 华东师范大学2 0 10 届硕士学位论文 摘要 摘要 气候变化及其对经济和社会发展的影响已成为当前世界各国政府和科学家们所 关注的重大问题。除气候的自然变化外，由于人类活动引起的全球气候和生态环境 变化也日益引起人们的重视，而数值模拟为人们了解人类活动对气候的影响程度并 预估气候变化趋势提供了重要的手段。考虑到全球气候的变化与区域变化存在不一 致性，因而需要对区域气候的变化趋势进行单独研究。我国东部地区人口密度大， 是世界典型的季风区。本文在对r e g c m 3 区域气候模式模拟能力进行检验的基础上， 重点探讨了i p c c 提出的a i b 情景下我国东部地区未来气候的变化趋势，为国家有 关部门制订相应的气候变化适应性政策提供参考。具体的工作如下： ( 1 ) 区域气候具有其独特性，在进行数值模拟之前首先需对各种物理过程参数 化方案进行敏感性试验，以选取适用于区域气候模拟的方案。笔者通过对我国东部 夏季洪涝灾害严重的1 9 9 8 年进行模拟，统计分析了各方案对研究范围内气温、降水 和5 0 0 h p a 位势高度场的模拟效果。结果表明，线性松弛方案和m i t - e m a n u e l 积云 对流参数化方案较其余方案适用于我国东部气候的模拟。 ( 2 ) 在选取了合理的物理过程参数化方案后，对区域气候模式r e g c m 3 在我 国东部的模拟能力进行检验。本文采用e h 5 0 m 为区域气候模式提供初边界条件， 该模式是世界气候研究计划( w c r p ) 推动制订的全球海气耦合模式对比计划 ( c m i p 3 ) 中最为成功的模式之一。通过对当代( 1 9 8 1 2 0 0 0 年) 气候的长时间积分试 验表明，r e g c m 3 能较好地再现我国东部气候的摹本特征，这为下一步开展2 1 世纪 中期区域气候的模拟提供了可靠依据。 ( 3 ) 在i p c ca 1 b 情景下对我国东部地区2 l 世纪中期气候进行了模拟，主要 探讨了气温、降水和对流层高( 2 0 0 h p a ) 、中( 5 0 0 h p a ) 、低层( 8 5 0 h p a ) 的环流形势，并 将模拟结果与当代( 1 9 8 1 - 2 0 0 0 年) 进行比对以了解未来我国东部各气候要素可能 发牛的时空变化。未来我国东部四个分区年平均温度的增幅在1 0 2 2 8 5 。c 之间，其 中华东地区的增幅最小，而华南最大，并且各分区冬季气温的年际变化将较当代明 显，出现冬季异常寒冷或温暖的可能性增大。降水方面，未来我国东部地区的多年 平均降水量将较当代有所增大，降水增幅小的分区平均气温增幅大，而降水增幅大 华东师范大学2 0 10 届硕士学位论文 摘要 的分区气温增幅小。环流形势方面，5 0 0 h p a 位势高度场较当代略有北抬，未来东亚 大槽的影响范围有所北移，而西太平洋副高控制范围有向北扩展的趋势；8 5 0 h p a 位 势高度场较当代的变化不甚明显；2 0 0 h p a 位势高度，未来夏季的急流带较当代更宽， 跨越的纬度更广，并且在日本海上空有明显的急流中心。冬季，急流影响范围将较 当代有东移倾向，急流强度较当代有更大的波动。 关键词：中国东部地区；温室气体；气候变化；区域气候模式；数值模拟 a b s t r a c t t h i ss t u d ya n a l y s e st h ei m p a c t so fg r e e n h o u s ee f f e c to nr e g i o n a lc l i m a t ei ne a s t e r nc h i n a a ss i m u l a t e db yr e g c m 3 ( i c t p ) f o rt h ep e r i o do fm i d 一21 吼c e n t u r yu n d e ri p c ca1b s c e n a r i o f o rp o l i c y m a k e r s ，t h i sc a nb eab a s i sf o rp r e p a r i n gr e g i o n a lm e d i u ma n d l o n g - t e r md e v e l o p m e n tp r o g r a m i nt h e19 t hc e n t u r y , s c i e n t i s t sr e a l i z e dt h a tg a s e si nt h e a t m o s p h e r ec a u s ea ”g r e e n h o u s ee f f e c t ”w h i c ha f f e c t st h ep l a n e t st e m p e r a t u r e h u m a n a c t i v i t i e sc o n t r i b u t et og l o b a lw a r m i n gb ye n h a n c i n ge a r t h sn a t u r a lg r e e n h o u s ee f f e c t i n t h i ss t u d y , t h er e g c m 3i sn e s t e di no n e w a ym o d ew i t h i nt h ea o g c m ( e h 5 0 m ) t w o s e t so fm u l t i d e c a d a ls i m u l a t i o n sa t3 0 一k mg r i ds p a c i n gf o rp r e s e n td a y ( 19 81 2 0 0 0 ) a n d f u t u r ec l i m a t e ( 2 0 41 2 0 6 0 ，i p c ca1be m i s s i o ns c e n a r i o ) a r ec o n d u c t e d t h ef i r s ts e tc a n b eu s e dt oe x a m i n et h es i m u l a t i o nc a p a b i l i t yo fr e g c m 3 ，a n dt h es e c o n do n ew o u l db e t h ei m p o r t a n tp o i n tw h i c hw o u l dp r o v i d eu st h ec h a r a c t e r i s t i co fc l i m a t ec h a n g ei n e a s t e r nc h i n a t h em a i np o i n t so ft h i ss t u d yc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) c l i m a t ei sd i f f e r e n tf r o mo n er e g i o nt oa n o t h e r a tp r e s e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni s c o n s i d e r e dt ob eo n eo ft h eb e s tm e t h o d st ok n o wt h ec l i m a t ec h a n g ew h i c hc o u l db e a f f e c t e db yb o t hh u m a na c t i v i t i e sa n dn a t u r a le l e m e n t s b e f o r ew es t a r ts i m u l a t i o n ， s e n s i t i v i t ye x p e r i m e n t sf o rp a r a m e t e r i z e ds c h e m eo fp h y s i c a lp r o c e s s a n dl a t e r a l b o u n d a r yc o n d i t i o n sw o u l db en e e d e d f o rt h i sp a r t ，r e g c m 3i su s e dt o s i m u l a t et h e e a s t e mc h i n ac l i m a t ef o r1 9 9 8 r e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o wt h a tl i n e a rr e l a x a t i o nl a t e r a l b o u n d a r yt r e a t m e n ta n dm i t - e m a n u e lc o n v e c t i v ep r e c i p i t a t i o ns c h e m ea r em o r es u i t a b l e t h a nt h eo t h e rs c h e m e sf o rt h es i m u l a t i o ni ne a s t e r nc h i n a 2 ) t oe x a m i n et h ec l i m a t es i m u l a t i o nc a p a b i l i t yo fr e g c m 3 ，w ea n a l y z e dt h er e g c m 3 s s i m u l a t i o no fp r e s e n td a yc l i m a t ei nf o u rs u b r e g i o n so fe a s t e r nc h i n a t h ec o u p l e d a t m o s p h e r e - o c e a ng e n e r a lc i r c u l a t i o nm o d e l - - e h 5 0 m ，w h i c hi s o n eo ft h em o s t s u c c e s s f u lc m i p 3m o d e l s ( o u to f2 2 ) i ns i m u l a t i n gt h ec l i m a t eo ft h e2 0 t hc e n t u r y m o d e l s ，p r o v i d e st h ei n i t i a lf i e l da n dl a t e r a lb o u n d a r yc o n d i t i o nf o rr e g c m 3 s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h i sr e g i o n a lm o d e lc a nw e l lr e p r o d u c et h ea t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o na n d i i i 第一章引言1 1 1 选题背景及研究意义1 1 2 国内外研究进展4 1 3 本研究的目标、内容及特色11 第二章全球模式及区域模式简介1 3 2 1 全球模式简介1 3 2 2 区域模式简介1 4 2 3 小结1 8 第三章r e g c m 3 对中国东部区域气候模拟的性能检验1 9 3 1r e g c m 3 对中国东部区域气候模拟的敏感性试验2 0 3 2r e g c m 3 对中国东部区域气候的性能检验2 5 3 - 3 小结3 7 第四章a 1 b 情景下r e g c m 3 对中国东部未来气候变化的模拟4 5 4 1 中国东部未来地面气温变化的模拟4 6 4 2 中国东部未来降水变化的模拟4 9 4 3 中国东部未来5 0 0 h p a 位势高度场和风场变化的模拟5 1 4 4 中国东部未来8 5 0 h p a 位势高度场变化的模拟5 7 4 5 中国东部未来2 0 0 h p a 风场变化的模拟5 9 4 6 小结6 2 第五章结论与展望6 5 5 1 结论6 5 5 2 展望6 7 参考文献6 9 附录7 5 致 射7 6 v 华东师范大学2 0 10 届硕士学位论文第一章引言 第一章引言 1 1 选题背景及研究意义 根据政府间气候变化专门委员会( i n t e r g o v e m m e n t a lp a n e l o nc l i m a t ec h a n g e ) ，气 候变化是指无论基于自然变化抑或是人类活动所导致的任何气候变动。而联合国 气候变化框架公约( u n f r a m e w o r kc o n v e n t i o no nc l i m a t ec h a n g e ) 第一款中，将“气 候变化 定义为：经过相当一段时间的观察，在自然气候变化之外由于人类活动直 接或间接地改变全球大气组成所导致的气候改变。u n f c c c 因此将因人类活动而改 变大气组成的“气候变化”与归因于自然原因的“气候变率”区分开来。近年来， 由于人类活动和自然变化的共同影响，全球平均气温和海温升高，大范围积雪和冰 融化，平均海平面上升【i 】，全球气候正经历一场以变暖为丰要特征的显著变化，已 引起了国际社会和科学界的高度关注。 研究表明，自1 7 5 0 年以来，由于人类活动，全球大气二氧化碳( c 0 2 ) 、甲烷( c h 4 ) 和氧化亚氮泔2 0 ) 等具有较长生命期的温室气体浓度己明显增加，目前已经远远超出 了根据冰芯记录测定的工业化前几千年中的浓度值。2 0 0 5 年大气中c 0 2 和c h 4 的 浓度已远远超过了过去6 5 万年的自然范围。全球c 0 2 浓度的增加主要是由于化石 燃料的使用，同时土地利用变化为此做出了另一种显著但较小的贡献。而c h 4 浓度 的增加很可能是由于农业和化石燃料的使用造成的。n 2 0 浓度的增加则主要归因于 农业生产【1 1 。针对温室气体的气候效应研究已经在过玄的二、三十年中取得了一定 的进展，许多学者运用不同的大气环流模式和海一气耦合模式对c 0 2 加倍进行敏感性 数值试验，对c 0 2 浓度加倍的气候效应进行了数值模拟【2 1 。结果虽差别较大，但可 以给出一个大致的范围。概括起来是：1 、c 0 2 浓度倍增将使全球地表温度上升1 5 4 5 ，对流层温度上升，平流层温度下降；2 、赤道和极地的温差随c 0 2 的增加而减 小，冰盖纬度随c 0 2 增加而提高；3 、对于降水，无论冬夏热带地区均有增加，其 他地区则有增有减；4 、由于气温升高时海冰变暖和膨胀，海平面将比现在上升2 0 1 4 0 厘米。如果考虑极地冰雪融化，可能升高更多【3 】。i p c c 第四次评估报告( 2 0 0 7 ) 中 指出，自2 0 世纪中叶以来，大部分已观测到的全球平均温度的丁f 高很可能是由于观 华东师范大学2 0 10 届硕士学位论文第一章引言 测到的人为温室气体浓度增加所导致的【4 】。考虑到气候系统的复杂性，温室气体对 全球气候系统的影响将不仅局限于平均温度的范畴。自i p c c 第三次评估报告( 2 0 0 1 ) 以来的研究表明，可辨别的人类活动已扩展到了气候的其它方面，其中包括温度极 值和风场。例如，人为热强迫作用可能已经增加了热浪的风险，并可能造成风场的 改变，影响到南北半球温带风暴路径和温度的分布形态。同时，人类对气候的影响 又对水循环产生了影响，导致全球朝着干旱面积扩大和强降水事件频率上升的趋势 发展【4 1 。 近几十年来，由于人类活动引起的全世界范围内的气候异常给许多国家的粮食 生产、水资源和能源带来了严重的影响。例如，1 9 7 2 年美国由于严寒带来的能源危 机造成经济损失达2 0 0 亿美元；1 9 8 8 年，美国中西部严重干旱造成粮食减产3 7 ， 而孟加拉国却遭受空前未有的水灾；非洲持续多年的干旱，使许多国家遭受上世纪 最严重的粮食危机【5 】；1 9 9 8 年，我国长江、松花江、珠江等流域洪水泛滥，波及范 围广，持续时间长，对沿岸人民生命财产造成巨大影响，并最终导致直接经济损失 达2 5 5 l 亿元人民币 6 】。因此，能否预报气候的这些异常变化己成为一个迫切需要解 决的重大科学问题。这也正是当代气候学研究的丰要任务预测气候变化【5 】。 为了定量研究气候和气候变化，就必须建立气候模式。只有建立比较完善的、 有坚实物理基础的气候模式，才能准确理解气候变化的机制和进行气候预测【3 】。7 0 年代以来，气候模式的研究发展很快，已先后建立了各种不同层次的模式。到目前 为止，科学家已经设计出多种类型的气候模式，这些气候模式大致可分成两类：热 力学模式和流体力学模式。热力学模式只预报温度，不考虑或只以非常简化的方式 考虑运动场对温度场的影响，能量平衡模式( e b m ) 和辐射对流模式( r c m ) 都属于此 类。流体力学模式可以同时计算出温度场和运动场，考虑了它们的相互作用，允许 能量的三种主要形式内能、位能和动能之间互相转化。最基本的流体力学 模式是大气环流模式( a g c m ) ，也常简写为g c m ，比较完善的气候模式还应包括海 洋环流模式( o g c m ) 、陆面过程模式( l p m ) 等【7 】。运用气候数值模式不仅可以根据模 拟结果来研究气候变化与气候异常的时空特征，而且可以弥补观测序列不够长和资 料覆盖面不完全的缺陷，还可以分析许多难以观测的量如垂直运动等的特征。总之， 在气候变化的预测方面，气候数值模拟与其他气候研究方法相比具有自身的特色， 并具有其它方法不可替代的作用。 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文 第一章引言 为了对未来气候做出评估，首先需要就未来温室气体排放的不同情景进行假设。 而未来温室气体的排放量取决于许多因素，例如人e l 增长，社会和经济发展及科技 提升程度等。i p c c 第三工作组于2 0 0 0 年的特别报告【8 】假设了未来6 种温室气体排 放情景，排放趋势主要取决于人口增长、经济增长、技术进步等等各种因素，依据 排放强度从高至低分别为a 1 f 1 、a 2 、a i b 、b 2 、a i t 和b 1 ，如图1 1 所示。a i 情景假定了这样一个世界：经济增长非常快，全球人口数量峰值出现在本世纪中叶， 新的和更高效的技术被迅速引进。a 1 情景分为三组，分别描述了技术变化中可供选 择的方向：化石燃料密集型( a l f d 、非化石燃料能源( a i t ) 、以及各种能源之间的平 衡( a 1 b ) 。b 1 j 隋景描述了一个趋同的世界：全球人口数量与a l j 情景相同，但经济 结构向服务和信息方向更迅速地调整。b 2 情景描述了一个人口和经济增长速度处于 中等水平的世界：强调经济、社会和环境可持续发展的局地解决方案。a 2 情景描述 了一个很不均衡的世界：人口快速增长、经济发展缓慢、技术进步缓慢【8 】。从具体 的温室气体排放当量上看，a 1 b 情景的排放量居中，具有一定的代表意义。 图1 1 在无额外气候政策出台的情况下，2 0 0 0 年至210 0 年期间的温室气体排放情景 排放包括c 0 2 、c h 4 、n 2 0 和含氟气体。引自文献【l 】 f i gl - 1s c e n a r i o sf o rg h g e m i s s i o n sf r o m2 0 0 0t o2 1 0 0i nt h ea b s e n c eo f a d d i t i o n a lc l i m a t ep o l i c i e s t h ee m i s s i o n si n c l u d ec 0 2 、c i - 1 4 、n 2 0a n df - g a s e s 在一系列假设的排放情景下，各国学者对全球及区域气候在2 1 世纪的变化状况 一廿誓娟ov0l鞭疆番jf苯扩御嚼j鼯制 华东师范大学2 0 10 届硕士学位论文第一章引言 进行了预估。就全球而言，温室气体以当前的或高于当前的速率排放将会在下世纪 期间造成温度进一步升高，并会诱发全球气候系统中的许多变化，这些变化很可能 大于2 0 世纪期间所观测到的变化。就区域而言，预计陆地上和大多数北半球高纬度 地区的变暖幅度最大，而南半球海洋( 靠近南极洲) 和北大西洋北部变暖幅度最小。 南极和北极的海冰将会退缩，北极夏末海冰将在2 1 世纪后半叶几乎完全消失。热浪 以及强降水事件频率很可能更加频繁，高纬地区的降水量很可能增加，而大多数副 热带地区的降水量可能减少【l 】。 当前，尽管数值模式模拟气候已取得了很大的成功，但由于气候系统的复杂性 使模拟结果仍然存在很多不确定性。这种不确定性是由于在气候模式中，人们对一 些重要过程的认识及描述方法有欠缺，其中云和辐射的相互作用问题就是一例【7 】o 这使得作为气候情景预测丰要工具的气候模式还需要不断改进，但尽管如此，数值 模式模拟方法仍然是我们目前对未来气候变化区域特征进行预测、预估的最有效手 段之一。 我国东部为典型的季风区，这里气候的主要特点是变率大，包括季节、年际和 年代际，甚至世纪尺度的变化【9 】。该区集中了我国大多数的人1 3 ，社会经济发展程 度高，人为活动大范围地重塑了自然环境，对区域气候产生显著影响，同时亦容易 受到气候变化的影响。运用区域气候模式单向嵌套全球海气耦合模式对上述区域末 来气候进行数十年尺度的数值模拟将能够预测我国东部地区未来的气候特征，估计 人类活动( 特别是工业) 的累积效应在多大程度上影响未来的气候状态和环境生态， 从而为国家制订相应的适应性对策提供科学依据，促进区域社会经济的可持续发展。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 国内外气候模式的研究进展 气候模式在气候研究中越来越多地被气候研究人员广泛应用，它不仅可用来模 拟当代气候和重现古气候，而且可用来模拟某些外部条件( 如太阳辐射) 和内部参 数( 如大气中c 0 2 浓度) 的变化所引起的气候变化。因此，气候模式已成为研究气 候的重要工具【1 0 】。 气候模式研究有三个划时代的、关键性的时间： 4 华东师范大学2 0 10 届硕士学位论文第一章引言 第一，气候模式观念的提出。在计算机首次应用于短期天气预报以后就开始考 虑和发展气候模拟，c h a m e y 等人( 1 9 5 0 年) 的正压预报试验成功以后，描述中纬 度主要天气系统发展和衰减过程的斜压模式( 1 9 5 3 年) 也很快得到了发展，人们随 即认识到这种模式不仅可以用来做天气预报，而且可以用来研究大气的长期过程。 1 9 5 6 年，p h i l l i p s 完成了第一个大气环流数值试验【l o ，l l 】。 第二，气候系统概念的提出( 7 0 年代) 。这是当代气候学不同于经典气候学的 一个重要特点。经典气候学着重描述各个气候因子的特征，即只考虑大气本身的一 些参数。当代气候学主要研究气候变化，而决定气候变化的因子不单是大气内部的 种种过程，还决定于发生在大气上边界和下边界处的各种物理和化学过程，以及气 候系统内部各圈层之间的相互作用。气候模式朝着大气、海洋、陆地等相瓦耦合方 面发展，尽管现在这个耦合模式离完全完善还差得很远 5 , 1 0 l 。 第三，全球变化问题的提出。过去，丰要是以物理问题为主，现在包括生物、： 化学以及人类活动的问题。从现在的发展情况来看，气候不仅仅是大气本身的问题， 它与环境和人类活动也是紧密联系的，不可分割的。环境与气候是不可分割的。气 候的发展越来越与其它方面分割不开，它没有边界，外延越来越大，几乎不可以定 义什么与气候有关，什么与气候无关【l 0 1 。 如上节所述，气候模式大体上可分成两类：热力学模式和流体力学模式。两类 模式在发展过程中相辅相成，缺一不日- - 3 , 5 j 。热力学模式属于简化的模式，其最大的 作用在于至少可以用来指导复杂模式，有目的的进行试验。流体力学模式尽可能包 含了所有重要的物理过程，因此能以显式的形式模拟气候变化【3 j 。运用流体力学模 式可以揭示与探索气候变化的原因，研究影响气候变化的因予以及各种因子间的相 互作用，加强对天气和气候系统演变规律的认识，从理论上进一步分析气候变化过 程与机制。大气环流模式、海洋环流模式及其耦合模式都属于流体力学模式的范畴， 其中大气环流模式( g c m ) 是气候模式中的核心成员。 1 9 8 1 年，s h u k l a 和m i y a k o d a 等学者完成了第一个关于月尺度的气候可预报性 的试验性研究 1 2 , 1 3 ，模式成功地运行了2 0 年，再现了大气的年际变化性 1 4 j 5 。此后， g c m 的模拟试验在全球得到广泛开展，从月尺度动力延伸预报到与海洋环流模式 进行耦合做季节和年际的气候变化模拟，都取得了一系列令人瞩目的研究成果。1 9 8 9 年，世界气候研究计划( w c r p ) 的数值实验工作组为了检验和比较各种g c m 的气候 华东师范大学2 0 10 届硕士学位论文 第一章引言 模拟能力，提出建立大气模式比较计划a m i p ( a t m o s p h e r i cm o d e li n t e r - c o m p a r i s o n p r o j e c t ) ，其中分为两个阶段a m i pi 和a m i pi i 。从开始只有少数几个模式参加， 到后来发展到3 5 个模式，几乎包括了世界上主要的气候模拟组以及业务天气预报中 心的模式【l 引。从已经结束的a m i pi 的情况看，几乎所有模式都能够模拟出大尺 度大气环流的平均季节结构，如热带低压、两半球副热带高压和副极地低压带及其 季节变化等，但对年际变率的模拟不理想。而且没有任何一个模式能够在各方面都 有较好的表现，对物理变量的模拟结果也类似。这说明大气环流模式的发展还需要 进一步深入研究物理过程的参数化方案。从参加a m i pi 和a m i p i i 的模式比较来 看，一个非常显著的特点是各模式组都不同程度地提高了模式的水平和垂直分辨率， 这也是大气环流模式今后发展的另一个方向【1 8 】。与此同时，g c m 在过去的数十年 间也被广泛地应用于模拟全球气候变化对人类经济活动、农业生产、土地覆被变化 等诸多方面造成的影响。由于全球区域差异的客观存在，不同的区域气候取决于不 同局地因素( 如地形) ，因此需要考虑不同的物理过程参数化方案，并且g c m 在区 域尺度及更小的尺度上存在较大的误差，难以细致描述空间尺度小于1 0 0 3 0 0 k m 的 区域气候特征，为了克服g c m 在这上面的不足，研究区域气候的变化规律和机制， 需要开展区域气候的模拟研究。 1 2 2 区域气候模拟研究 上世纪9 0 年代以来，全球区域气候的模拟研究得到广泛开展。目前丰要有三种 途径：一是发展全球高分辨率模式，即在原有全球环流模式基础上，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。这种方法的丰要缺 点在于：高分辨率的g c m 对计算机的要求也高，同时对于不同的区域采用相同的 物理过程参数化方案往往会影响部分区域的模拟效果。二是全球变网格模式，即在 全球环流模式上采用变网格方案技术，对所关心的区域采用较高的水平分辨率，而 对于远离的区域则取较低的分辨率，以期对区域气候有较好的模拟能力。这种方案 的优点是比同分辨率的全球模式经济，并且可以描述区域内外环流间的相瓦作用， 其缺点在于内边界处的大气波动受到歪曲，影响模拟效果。而且当前全球模式多为 谱模式，局地加密网格的方法适用于格点模式，同时如果模式采用的网格分辨率变 化范围较大，在设计模式的物理过程时，必须使得同一物理过程适合于不同分辨率 的模拟，这是比较困难和复杂的。三是采用高分辨率的区域气候模式与全球环流模 6 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文 第一。章引言 式进行嵌套。一些区域气候模式将全球大气环流模式的范围缩小到要研究的区域， 再与相应的全球模式相嵌套。而更多的区域气候模式的动力学框架则取自中尺度天 气模式，并引入气候物弹过程参数化方案，使之适应气候研究。如果区域模式的结 果不反馈给大模式，称之为“单向嵌套”，否则为“双向嵌套”，目前“单向嵌套” 的区域气候模式应用最广，尽管从不同尺度大气运动的相瓦作用原理来看，“双向嵌 套”更为合理 1 9 - 2 1 。现在看来，利用第二种方法进行的区域气候模拟研究占多数。 上世纪8 0 年代末期，d i c k i n s o n 2 2 1 ，g i o r g i 2 引，等首次成功开展了区域气候模式 的数值模拟试验，此后国内外学者建立了众多的区域气候模式，对区域尺度气候变 化进行了分析和探讨，为评估和预测气候变化对区域环境和社会经济发展的影响提 供了参考依据。目前，国外研究机构建立的区域气候模式主要包括如下几个：基于 美国国家大气研究中心( n c a r ) 和美国宾州大学( p s u ) 联合创建的中尺度模式m m 4 和n c a r 的全球谱模式( c m m l ) 的基础上发展起来的区域气候模式r e g c m l t 弩；4 - 2 6 及其改进版本r e g c m 2 2 7 ，2 引、r e g c m 3 ；美国科罗拉多大学发展的三维非静力区域 大气模式；美国能源部太平洋西北国家实验室的p n n l r c m ；美国环境预报中心的 区域波谱模式r s m n c e p ；德国马克斯普朗克气象研究所的r e m o ；英国哈德莱 ( h a d l e y ) 中心的区域气候模型h a d r m 系列；澳大利哑联邦科技工业组织( c s i r o ) 的 c c a m 。国内研究机构的区域气候模式主要包括：中国气象局国家气候中心的高分 辨率区域气候模式r e g c mn c c ；中国科学院大气物理研究所的区域环境集成模拟 系统r i e m s ；南京大学钱永甫等研制的p 0 混合铿标区域气候模式等。 经过近2 0 年的探索和积累，各国学者运用区域气候模式的模拟试验取得了大量 的研究成果，总体而言可分为如下几个方面：一是模式模拟能力的检验【2 ”j ，主要 包括对气温、降水、环流等基本的气候要素场的模拟试验。通过对包括月、季和多 年尺度的连续积分试验，探讨模式对各要素空间分布状况及随时间变化的模拟能力。 二是物理过程参数化方案及侧边界方案的试验 3 5 - 4 1 】，前者主要考虑到不同的积云对 流、辐射传输等参数化方案适用于不同的局地气候，因而需要进行相应的敏感性实 验；后者主要考虑模式在侧边界上的嵌套方法和嵌套边界缓冲区应取多少格点为宜。 三是人类活动对区域气候的影响研究 4 2 - 4 6 】，丰要分析大气中温室气体浓度和土地覆 被状况变化对区域气候产生的影响，此类研究辛要为探讨人类活动对区域气候影响 的机制。四是耦合作物、水文模式、气溶胶模式等进行研究 4 7 - 5 1 】，耦合独立的理化 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文 第一章引言 模式实际上是通过对模型进行局部的优化，从而达到提升模型模拟性能的目的。 为比较各区域气候模式在平均气候状况和极端气候事件等方面的模拟效能及其 局限性，国内外学者和研究机构开展了广泛而有建设性的合作研究。赵宗慈、罗勇、 l e u n gr 、g h a ns 等比较了p n n l 、r e g c m 2 和s u n y a 三个模式对1 9 9 1 年东亚夏 季( 5 - 8 月) 季风洪涝气候的模拟。结果表明，三个区域气候模式均成功地模拟了 1 9 9 1 年夏季发生在我国江淮流域及日本南部的洪涝和几次特大暴雨过程以及相应 的大气环流形式的分布【5 2 1 。t a i l ( 1 e 【5 3 1 等运用r e g c m 2 、r s m n c e p 等8 个模式开展 了区域模式比较计划( p i r c s ) ，初步研究主要对1 9 8 8 年发牛在美国中部的干旱气候 进行了模拟，结果表明大尺度系统通过侧边界强迫作用对区域气候要素的时空分布 产生影响，各模式对5 0 0 h p a 位势高度场的模拟较为一致。总体而言，天气尺度的降 水系统能够较为准确地模拟出来，但对流性降水事件的模拟则在时空分布上表现出 随机性的特点，与实测数据的差别较大，各模式之间的差别也很大【l8 】。由 s t a r t ( s y s t e mf o ra n a l y s i s ，r e s e a r c h ，a n dt r a i n i n g ) 全球变化东亚区域研究中心发起 的亚洲区域气候模式比较计划( r m i pf o r a s i a ) 始于2 0 0 0 年，该计划联合了中国、日 本、美国、韩国和澳大利亚等国的气候模拟研究机构，其目的在于通过系统分析各 模式的优缺点及误差范围，探讨各模式的共性与个性问题，为决策者提供参考的同 时，也为进一步改进适用于亚洲的区域模式提供科学基础，并给出2 1 世纪亚洲区域 变化的情景。比较的初步结果表明：l 、所有参与比较的模式均能重现平均温度、最 高温度和最低温度的空间分布及年变化的主要特征；但在大部分地区几乎所有模式 模拟的温度均较观测值偏低，在低纬度地区各模式模拟误差要比高纬度地区小，以 模拟区域北部的干旱和半干旱区的偏差最大。2 、大约一半以上模式能较好地模拟降 水的空间分布特征，其中冬季模拟效果要好于夏季；几乎所有模式都能重现降水季 节变化的主要特征，但大多数模式模拟高纬度的降水明显偏多，特别是中国北方和 西北方干旱半干旱区【5 4 1 。 上述的许多研究均表明区域气候模式已在当代气候模拟、极端气候事件模拟分 析、和物理过程模拟研究等方面被广泛采用，并相对于g c m 具备更高的分辨率， 可以通过适当地选取物理过程参数化方案，较好地刻画出区域降水、气温、环流等 气候要素的时空变化特征，而且可以较好地再现人类活动的区域气候响应。但我们 还应认识到区域气候模式更重要的用途还在于探索气候可预报性的问题，为短期气 华东师范大学2 0 10 届硕士学位论文 第一章引言 候预测，特别是月、季尺度的气候预测提供参考，因此区域气候模式还需要在实践 中不断完善物理过程研究和参数化方案的改进，充分利用日益完善的观测体系，从 而更广泛地应用到科学研究和业务预报中。 1 2 3 中国及东亚地区未来气候变化的数值模拟 当前，运用区域气候模式模拟诊断以往气候状况时，主要由再分析数据( 如 n c e p 、e c m w f 等机构发布的数据) 提供初边界条件，使其能进行长时间的积分， 但对未来区域气候变化进行预测时，必须与全球大气环流模式( g c m ) 或全球海气耦 合模式( a t m o s p h e r ea n do c e a ng e n e r a lc i r c u l a t i o nm o d e l ，简写为a o g c m ) 进行侧 边界嵌套，由g c m 或a o g c m 提供初边界条件。区域气候模式可以捕获g c m 或 a o g c m 难以分辨的区域内中小尺度的地形、地表特征和其它因子对区域气候变化 的强迫，使区域气候的模拟和预测效果比单独应用g c m 时有所提耐”】。 目前研究人类活动对气候的影响主要采用气候模式进行数值模拟试验，在确定 可能的温室气体排放 5 6 - 5 8 或土地利用变化情景 5 9 - 6 2 ) 舌，通过当前气候背景与考虑人 类活动气候影响的数值试验比较，来研究由于人类活动造成的气候变化。考虑到本 研究丰要探讨由于大气中温室气体浓度变化引起的气候效应，在此丰要对这方面的 研究进展进行介绍。随着计算机的快速发展，各国学者对于温窒气体的讨论不再局 限于一般的机制研究，而是将其浓度变化视为影响大气中的物理化学过程进而作用 于大气运动的因素置于复杂的动力学模型中进行探讨。例如m a n a b e 6 3 等假设了三 组数值试验，对不同c 0 2 浓度变化情景下区域气候的响应进行了有益的探索。日本 科学家使用2 0 k m 分辨率的全球大气环流模式畔j 进行的当代和未来各1 0 年时间尺度 的试验 6 5 , 6 6 ，并在此基础上嵌套5 k m 分辨率区域模式进行了东亚地区多年夏季气候 变化模拟1 6 7 , 6 8 。自从i p c c 第三工作小组于2 0 0 0 年发布排放情景特别报告以来，各 情景的设置就成了未来区域气候情景模拟的重要依据，国内外学者在此基础上对我 国及东亚地区未来气候变化开展了广泛的研究，主要集中在气候平均态和极端气候 事件两方面，这也正是人们最为关心的。 在气候平均态的预估方面，科学家主要探讨我国及东亚地区月、季、年或数十 年尺度的平均温度、降水及大气环流的时空分异规律，并与观测场进行比对，以了 解气候变化的特征。石英1 6 9 1 使用r e g c m 3 区域气候模式，单向嵌套n a s a n c a r 全球环流模式f v g c m 的输出结果，对东亚和中国地区进行了在实际温室气体浓度 9 华东师范大学2 0 1 0 届硕士学位论文 第一章引言 下，当代1 9 6 1 1 9 9 0 年和在i p c c a 2 温室气体排放情景下2 1 世纪末期2 0 7 1 2 1 0 0 年 各3 0 年时间长度，水平分辨率为2 0 k m 的气候变化模拟试验。进行的长时间积分使 得模拟结果具有真正的气候学意义；而高分辨率的特点，在提供各地气候要素详细 分布、更好分布型模拟基础上，使得模拟得到的中国未来气候变化信息更加细化和 更加可靠。姜大膀 7 0 , 7 1 等对i p c c 假定的情景a 2 和b 2 下中国和东亚区域气候2 1 世纪的变化趋势进行了研究探讨，其中采用了七个气候模式，而多模式的集合预测 被认为更加可信【7 2 】。汤剑平【7 3 】等在a 2 情景下，研究了未来( 2 0 3 5 2 0 4 4 年) 中国 温度、降水和环流等的变化趋势。结果表明，未来中国平均地面气温将有明显的升 高，特别是中国的东北、西北和西南地区增幅超过了1 。伴随温度的升高，降水 也有明显的变化，年平均降水在东北地区、江淮流域及以南大部分地区都有明显的 增强，而华北部分地区及西南、西北大部分地区降水将呈减少趋势。不同季节不同 地区的降水变化也不同，降水的年内变化也有所增强。 由于极端气候事件的变化将对经济、社会和自然生态系统造成更大的影响，这 一领域已日益引起人们的关注。目前这方面的研究还比较有限