簡單地球模型的研究進展

王勇劉蘇峽邵亞平彭公炳,4

（1 中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環及地表過程重點實驗室，北京 100101；2 南京信息工程大學遙感學院，南京 210044；3 德國科隆大學地球物理與氣象研究所，科隆 50923；4 國際歐亞科學院中國科學中心，北京 100107）

簡單地球模型的研究進展

王勇1,2劉蘇峽1邵亞平3彭公炳1,4

（1 中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環及地表過程重點實驗室，北京 100101；2 南京信息工程大學遙感學院，南京 210044；3 德國科隆大學地球物理與氣象研究所，科隆 50923；4 國際歐亞科學院中國科學中心，北京 100107）

以簡單概念性氣候模式（SCMs）和中等復雜程度的地球系統模式（EMICs）為對象，介紹了簡單地球模型的研究進展。在簡單地球模型中，簡單概念性氣候模式已經成為了解氣候理論和氣候變化規律的有效工具；中等復雜程度的地球系統模式涵蓋了地球系統的大多數組成部分，對各部分之間的反饋和過程描述比較詳細，同時計算要求比較低，使其應用幾乎覆蓋了簡單概念性氣候模式以及耦合氣候系統模式的所有研究領域。EMICs必定會有更大的發展，從而在地球氣候模擬中起到更加重要的作用。

簡單地球模型，簡單概念性氣候模式，地球系統模式（EMICs）

1 引言

當今的地球,氣候變化無常,這已為世人矚目。人們一直不懈地從不同角度去探求其原因,尋找合適的應對措施。在所有的歸因研究方法中,氣候模式和地球系統模式等(這里統稱為地球模型)是氣候變化歸因研究的重要工具。

地球模型的共性是在地球系統中的動力、物理、化學和生物過程基礎上建立起來的數學方程組(包括動力學方程組和參數化方案)來確定其各個部分(大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈、生物圈)的性狀,由此構成地球系統的數學物理模型,然后用數值的方法進行求解,編制成一種大型綜合性計算程序,并通過計算機付諸實現對地球系統復雜行為和過程的模擬與預測的科學工具[1-2]。

20世紀60年代末,隨著計算機技術的發展,復雜耦合氣候系統模式出現了,這類模式包括了發展成熟的大氣模式、海洋模式、陸面模式、海冰模式等模塊,用以研究包括海洋狀況、冰雪過程、土壤溫濕等在內的氣候系統變化規律,是目前研究大氣、海洋及陸地之間復雜相互作用的主要工具[1,3]。這類模式基本出發點在于完善地描述氣候系統的各種過程,模型極其復雜,計算時間和花費比較大。同時,根據研究的實際需要,陸續產生了大量不同種類的模式,主要有概念模型、能量平衡模式(EBMs)、輻射對流模式(RCMs)、統計動力模式(SDMs)和地球系統模式(EMICs)等。目前,依據復雜程度的不同,廣

泛得到應用的地球模式可分為3類[4-5]：(1)簡單概念性氣候模式(SCMs)；(2)耦合氣候系統模式(CGCMs)；(3)復雜程度介于前2類之間的中等復雜程度的地球系統模式(EMICs)。

相對于CGCMs來說,概念模型、能量平衡模式、輻射對流模式和統計動力模式屬于SCMs,這些模式對氣候系統高度整合,強調氣候系統的主要氣候特征和物理過程,空間分辨率較低,對計算機要求不高,能進行長尺度的模擬,故在地球模擬研究中得到廣泛應用,在研究氣候變化成因上發揮了重要的作用。在20世紀90年代末期,中等復雜程度的EMICs發展起來的,涵蓋了CGCMs中的大多數過程,不過采用相對CGCMs更加簡化的方法來表述,這里把這兩類模式統稱為簡單地球模型。本文以簡單概念性氣候模式、中等復雜程度的地球系統模式為對象,介紹它們的應用以及存在的不足。

2 簡單概念性氣候模式簡介

簡單概念性氣候模式中的能量平衡模式最先由前蘇聯的Budyko提出,美國的Sellers在1969年發表了相類似的一維能量平衡模式,計算出的氣候要素隨緯度的分布與實測值吻合得很好。20世紀70年代是動力氣候研究的春天,各種類型的模式相繼出現,如輻射對流模式、統計動力模式、概念模型等。下文將對部分簡單概念性氣候模式進行詳細介紹。

2.1 能量平衡模式

2.1.1 零維能量平衡模式

公式(1)未考慮大氣中的輻射過程,如果考慮大氣成分(CO2和水汽等)不僅吸收輻射能,而且發射長波輻射,使大氣氣溫增加,地球表面的氣溫Ts應該比有效輻射溫度高。即：

如果進入大氣的輻射和射出大氣的輻射量不平衡,那么地球氣溫將發生變化,變化率?Ts/?t可以表示為：

式中,c為地球的比熱容,τa為大氣紅外傳輸率,ε為比例參數。

2.1.2 一維能量平衡模式

一維模式不再將地球視為一點,引入地球氣候系統的主要差異,即緯度變化特征,某一緯度帶(φ)能量平衡公式為：

式中,F(Tφ)是附加項,為射出大氣的輻射量,Sφ和Tφ都隨緯度變化。顯然,一維能量平衡模式是零維能量平衡模式的擴展。

將模式中附件項和射出大氣的輻射量經過近似和簡化,得到如下公式：

再利用逐次迭代法,計算出各個緯度帶的氣溫。

除了以上兩種模式外,還可以引入二維(水平或者經向/垂直)的能量平衡模式,另外,還有盒式能量平衡模式(Box-EBM),Box-EBM將大氣作為一層,陸面和海洋混合層為一層,海洋中間層和深海為另外兩層,和其他EBM模式相比,Box-EBM強調深海內部的熱量過程以及不同深度層上的能量交換。

2.2 輻射對流模式

輻射對流模式[7](RCM)把大氣簡化為一個鉛直的大氣柱,詳細考慮大氣柱內的輻射過程,通過對流調整來獲取大氣的垂直溫度分布,是一種考慮時間變化的一維模式,此模式建立在以下兩個原理上：(1)在任何高度上的太陽輻射和長波輻射通量與對流熱通量保持平衡；(2)因輻射差異引起的溫度垂直分布的不穩定由對流調整而達到平衡。

2.2.1 無對流調整的輻射平衡模式

假定大氣氣溫的垂直分布是由輻射收支決定的,則溫度變化方程為：

式中,右邊第一項、第二項分別代表長波輻射和短波輻射引起的溫度變化。

2.2.2 有對流調整的輻射平衡模式

基本假定：(a)在大氣層頂,凈入射短波輻射等于射出長波輻射；(b)大氣的凈輻射冷卻作用等于大氣長波輻射與短波輻射之差；(c)溫度垂直遞減率小于規定值時,氣層維持局地輻射平衡；(d)當氣溫直減率大于規定值ε時,對氣溫分布進行調整,以達到規定值。

利用雙極晶體管在中子輻照下的硅位移損傷特性，成功研制了晶體管直流增益在線測試系統。該系統以LabVIEW為開發平臺，通過多任務并行處理的模塊化程序設計，實現了快速響應、高效率同步采集、實時數據處理、存儲及顯示；采用回讀技術建立了電壓補償方法，解決了遠程監測中因電壓損耗帶來的測量誤差，系統的測試精度高達0.2%。

模式方程為：

式中,右邊第二項為對流調整項,當不考慮對流調整時該項為零。在對流層質量守恒條件下有：

在地表面應滿足熱量平衡方程,即：

同時可定義各層的短波輻射加熱率和長波輻射冷卻率分別為：

2.3 統計動力模式

將大氣沿著緯度圈進行平均,用緯度和高度組成的網格點來表示大氣,就構成了緯向平均動力模式(ZADM),該模式包括基本的動力和物理過程,是介于一維大氣模式和三維大氣模式之間,連接一維和三維模式的橋梁,因此這類模式在氣候模擬的研究中起著重要的作用。緯向平均模式的主要困難是渦旋輸送的參數化。由于渦旋輸送的處理是建立在統計近似的基礎上,所以這類模式也常稱為統計動力模式[6]。

把渦旋動量通量寫成：

式中,KT和Km分別為熱量和動量傳輸系數,可以視為常數或為溫度梯度的函數,緯向平均量用表示。渦旋輸送的重要性實際上在于通過渦旋熱通量和渦旋動量通量將大氣積蓄的斜壓和正壓不能穩定能量釋放出來,這必然對大氣環流和氣候變化發生重要的作用。

2.4 各模式之間的關系

通過圖1來表示簡化氣候模式間及其與CGCMs之間的關系,圖中三角錐的3條邊代表模式的3個基本要素,即輻射、地面過程和動力學。垂直方向表示模式的復雜程度,越接近椎體頂端表示復雜程度越大。當到達頂端時,模式已有了足夠的分辨率,所有因素都被正確而合理地考慮到模式里去了,達到一個逼真的氣候模式。在椎體的底部是最簡單的氣候模式,它僅僅考慮一個主要的過程。同時,椎體底部被認為是空心的,因為在椎體的各邊之間基本上沒有相互作用。沿著金字塔越往上,各主要過程之間的相互作用越大。

3 簡單概念性氣候模式的應用現狀

圖1 氣侯模式的三角錐[8]（EBM：能量平衡模式；RCM：對流輻射模式；SDM：統計動力模式；CGCMs：耦合氣候系統模式）

簡單概念性氣候模式在氣候模擬研究中應用廣泛,在研究氣候變化成因上發揮了重要的作用。從第一、二次IPCC報告十幾個氣候模式參加評估,到第三次報告34個模式被引用,再到第四次和第五次評估報告更多模式被采用,IPCC歷次報告所引用模式的數量在不斷增加,其中,簡單氣候模式(SCM)一直未缺席(IPCC第四次和第五次報告采用EBMs簡單氣候模式的結果)。利用簡單氣候模式能夠估測由于熱膨脹導致的全球平均溫度的變化和海平面的上升,此類模式以一套全球或者半球框的形式代表海洋—大氣系統,進而利用能量平衡方程預測全球地表溫度,能夠與地球生物化學圈簡化模式耦合,而可以快速估測氣候對各種氣候情景的響應[9-10]。Gilliland[11]用零維能量平衡模式,考慮在太陽輻射變化、溫室氣體以及火山氣溶膠強迫情況下,得出太陽活動變化、CO2變化可以解釋北半球氣候變化中低頻變化的93%左右。Schlesinger等[12]也用類似的模式模擬得到溫室氣體、太陽活動和平流氣溶膠三者可以解釋1886—1985年全球氣溫變化的60%。畢鳴等[13]用海氣耦合的能量平衡模式研究了130年來全球氣溫的變化,考慮溫室氣體、太陽活動、火山活動及ENSO的情況下,模擬結

果與觀測序列的相關系數達0.884,可解釋77.8%的溫度變化。Crowley[14]利用EBM開展的研究指出,太陽輻射和火山活動可以解釋工業化以前北半球氣溫低頻變化的41%～64%,20世紀變暖主要來自溫室氣體的增加,自然變率的貢獻只占25%。Zhao等[15]用一維能量平衡模式研究下墊面改變對降水和溫度造成的影響,取得一定的成功。王紹武等[16]利用簡化的能量平衡模式,綜合考慮太陽、火山、溫室氣體的輻射效應,發現EBM能夠較好模擬近千年的全球平均氣溫序列,能夠成功再現中世紀暖期、小冰期和20世紀變暖等特征。Bertrand等[17]利用二維緯向平均模式所開展的研究,同樣表明太陽和火山活動可以解釋小冰期和中世紀暖期,而20世紀后期的加速變暖,則只有溫室氣體可以解釋；1850年以后氣溫的合理模擬,還需要考慮人為硫酸鹽氣溶膠強迫和森林采伐的影響。劉玉芝等[18]利用一維輻射對流氣候模式,詳細研究了云量、云光學厚度以及云高等要素的變化對大氣頂和地面太陽短波輻射和紅外長波輻射通量以及云的輻射強迫的影響。丁仲禮等[19]就晚更新世東亞古季風變化方面建立起一個概念模型,模型考慮了太陽輻射變化、中高緯、青藏高原、邊緣海以及熱帶海洋等因素,得出東亞古季風主要由全球冰量通過極地冰蓋擴張、邊緣海變化以及青藏高原冰川作用3個過程來影響的,太陽輻射變化的直接控制作用相對較小,較合理地解釋了黃土所記錄的古季風變化特征。

從上述模擬來看,簡單概念性氣候模式涵蓋了主要氣候特征和主要物理過程,如熱力動力過程、輻射對流過程或關鍵反饋過程等,同時模式對計算機要求很低,能夠進行長時間的模擬試驗。不過,簡單概念性氣候模式通常采用緯向平均,最多二維,只能反映大區域的一個平均過程,空間分辨率不高。隨著當前氣候變化動力機制逐漸明確、考慮更多的物理過程的情況下,這種模式存在一定的局限性,體現在難以給出氣候變化的高分辨率空間特征,同時還不包含氣候系統內部變率過程。如果僅考慮“簡單”背景下的研究,其研究結果具有一定的借鑒意義。

4 中等復雜程度的地球系統模式簡介

中等復雜程度的地球系統模式(EMICs)于20世紀90年代末期建立,它一般具有二維(兩個水平維向或垂直和一個水平維向)空間分辨率,能夠描述包括人類和自然相互作用的自然地球系統,EMICs涵蓋了CGCMs中的大多數過程,不過采用相對CGCMs更加簡化的方法去表述,與CGCMs模擬的分辨率也有差別。EMICs的復雜程度介于簡單概念性氣候模式和CGCMs模式之間,整合化程度沒有簡單概念性氣候模式高,但比CGCMs要高,所包含的過程和描述較CGCMs更加簡化,過程比簡單概念性氣候模式要多,細節描述也較之更加豐富,兼顧了簡單概念性氣候模式和CGCMs的部分優點(圖2)。不難看出,相對于CGCMs模式,EMICs也是一種簡化氣候模式。

EMICs中的大氣模塊主要采用的是能量水汽平衡模式、準地轉模式、統計動力學模式和大氣環流模式。大氣模塊的分辨率通常比較低,大多采用緯向平均和能量水氣平衡模式。由表1可見,EMICs在大氣模塊構成和簡化程度方面存在明顯的差異,根據這種差異,模式可以分為兩類：一類是基于CGCMs進行大氣或者海洋過程的簡化,使其總體的復雜程度較高,對氣候過程及反饋描述比較完善,對氣候過程描述比較細膩,如德國漢堡大學Planet Simulator模式[21-22]；而另一類基于低分辨率且大量參數化的模式,這類EMICs在更長時間尺度(千年范圍乃至冰期間冰期循環)氣候變化的研究中有著重要作用,如CLIMBER-2的大氣模塊是二維統計動力學模式。從模式的復雜程度上看,前者更像是簡化了的CGCMs,而后者則更接近于簡單概念性氣候模式。綜述所述,從整體上簡化了EMICs的復雜程度,降低了對計算能力的要求,有助于在古氣候資料的強迫下模擬出不同于今天的長尺度古氣候狀態,充分顯示出了EMICs模式的優點；但EMICs的分辨率比較粗糙,對地球系統細節的描述也相當簡化,因而模擬無法達到CGCMs的高度。

5 中等復雜程度的地球系統模式的應用現狀

當前EMICs在氣候研究中得到廣泛的應用,雖然其對氣候系統的描繪不如CGCMs細致,但是EMICs具有與簡單概念性模式相當的計算效率,所以EMICs主要注重長期氣候模擬,以足夠的細節來刻畫地球系統的長期演化。

圖2 EMICs 的圖解定義[20]

表1 主要EMICs及相關介紹[5]

目前,國際古氣候模擬比較計劃(PMIP)已經歷了PMIP1(1991—2001年)和PMIP2(2002—2007年)兩個階段,并正在開展第三階段PMIP3(2008年至今)的研究。PMIP3階段致力于利用地球系統模式對末次盛冰期和中全新世(距今最近的、最有代表性的寒冷和溫暖的氣候狀態)的氣候進行模擬。在古氣候模擬的研究方面,產生了不少研究成果。Gallcee等[23]和Berger等[24]的研究表明,氣候模式LLN-2D在變化的太陽輻射強迫下,當指定的常量CO2濃度低于220×10-6后,能夠重現觀測到的冰期—間冰期循環；而固定軌道參數,讓CO2依據Vostok重建記錄變化,則LLN-2D無法再現冰期—間冰期循環[25]。EMICs對冰期的開始和結束也進行了各種試驗,Yoshimori等[26]利用Uvic模式進行了末次冰期結束對軌道參數和CO2強迫的敏感性試驗,Meissner等[27]使用UVic研究了植被對末次冰期開始的作用,Kageyama等[28]使用CLIMBER-2探討了末次冰期的開始特別是各種不同冰川的反饋作用。Wang等[29]使用MPM-2對冰期氣候突變和D-O震蕩的機制進行了深入探討,發現北大西洋經向翻轉流(AMOC)狀態的快速轉換導致冰期氣候突變,這一突變被海冰面積的擴張進一步強化。

另外,對歷史、當今、未來氣候模擬的應用研究,在IPCC AR4中,EMIC已較前幾次評估報告被更多人使用并得到深入的評估,在海平面上升歸因分析上,利用一個低分辨率CGCM 和數個以氣候敏感性最佳估計值3℃為基礎的EMICs進行推估,得出海平面上升的促成因素是海洋熱膨脹,并對未來進行了預估[9]。在2013年出版的IPCC AR5中,EMICs在古氣候模擬、未來氣候預估等方面發揮了重要的作用[10]。Loutre等[30]使用LLN-2D對下次冰期的開始也進行了探討,研究了未來的氣候及其對不同CO2情景的敏感性,發現目前的氣候很可能經歷較長的間冰期(大約5萬年),而在未來的6萬年和10萬年將可能出現較小和較大的冰期。Bertrand等[31]和Bauer等[32]分別使用MoBiDiC和CLIMBER-2對過去1000年的各種氣候強迫年進行了評估,與高分辨率的重建數據進行比較,發現火山和太陽輻射作為自然強迫,是工業革命時期以前的主要氣候強迫,能夠很好地解釋中世紀暖期和小冰期。但自然強迫不足以產生近代以來的全球變暖,人類活動排放的溫室氣體是造成全球變暖的主要強迫,而且研究結果表明所有的氣候強迫對模擬過去千年氣候變化都是重要的。Petoukhov等[33]對目前氣候和CO2加倍模擬的EMICs進行比較,充分顯示EMICs對目前氣候的模擬非常接近觀測結果,而且EMICs模擬誤差均在CGCMs誤差的范圍之內。Wang等[34]和Marsh等[35]分別使用MPM-2和GENIE對溫鹽環流進行研究,發現溫鹽環流這個洋流系統最少有兩種穩定的氣候狀態,其中一種是目前所出現的,即環流非常強勁和向極地方向傳輸大量熱能,從而帶來溫暖氣候的狀態；另一種則是環流非常微弱,甚至接近于停止的狀態,從而帶來寒冷的氣候狀態。數值模擬試驗還顯示,這兩種狀態之間是可能出現相互轉化的。另外,利用EMICs對陸地、海洋、全球碳循環等多個方面的問題也進行了探討。

結合當前EMICs的應用和發展,可見EMICs應用范圍很廣,模擬能力很強,未來如在下面幾個方面取得突破,必定會有更大的發展,從而在地球系統模擬中起到更加重要的作用：(1)加入人類活動、考慮固體地球過程和太陽活動的影響,使EMICs成為真正意義上的地球模式；(2)注重氣候突變機理的研究,區分自然和人為因素在突變中的相對貢獻；(3)改進模式算法,提高硬件設備的運算能力,使其耗費更少的計算時間,能夠進行更長時間尺度上的模擬研究。

6 結論

本文介紹了以簡單概念性氣候模式(SCMs)和中等復雜程度的地球系統模式(EMICs)為代表的簡單地球模型,它們在氣候模擬方面都有不凡表現。簡單概念性氣候模式將對氣候變化的研究拓展到了古氣

候領域,已經成為了解氣候理論和氣候變化規律的有效工具。EMICs涵蓋了地球系統的大多數組成部分,對各部分之間的反饋和過程描述比較詳細,同時計算要求比較低,使其應用幾乎覆蓋了SCMs以及耦合氣候系統模式(CGCMs)的所有研究領域。EMICs必定會有更大的發展,從而在地球氣候模擬中起到更加重要的作用。

EMICs也有其自身的缺點,分辨率比較低,對地球系統細節的描述也相當的簡化,尚不能達到CGCMs的高度。但是,EMICs能夠刻畫出氣候變化的大體特征,更能進行CGCMs在目前計算條件下無法比擬的長期氣候變化模擬。2005年,德國漢堡大學完成了Planet Simulator模式,此模式屬于典型的EMICs模式,由全球大氣環流模式、海洋—海冰模塊和陸地土壤—生物圈模塊組成,以并行計算機為硬件支撐,支持地球和類地球行星的氣候動力學數值試驗,同時還具備結構簡單、可視化界面和開放源代碼便于改造等特點,依托此模式使改進模式、模擬長尺度的古氣候和開展敏感性試驗成為了可能。

EMICs從出現到發展到今天不過短短的十幾年,尚處于發展的初始階段,隨著計算機硬件水平的提高、模式的不斷改進和對氣候系統認識的不斷加深,在未來的幾十年或者更長的時期內,對氣候時間尺度(千年甚至更長)的氣候變化的研究,EMICs很可能依然是比較理想的選擇。今后一段時間,如何利用EMICs就一些重要驅動因子(如天文和地球因子)進行敏感性試驗,如何采用混沌理論研究其非線性問題[36],如何改進對重點區域和重點過程的模擬,將是氣候數值模擬領域面臨的重要課題。

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Progress in Simple Earth Models

Wang Yong1,2, Liu Suxia1, Shao Yaping3, Peng Gongbing1,4
(1 Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101; 2 School of Remote Sensing, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanijing 210044; 3 Institute for Geophysics and Meteorology, University of Cologne, Cologne 50923; 4 China Science Center, International Eurasian Academy of Sciences, Beijing 100107)

In this paper, by taking Simple conceptual Climate Models (SCMs) and Earth system Models of Intermediate Complexity (EMICs) as research objects, simple climate models and their application in climate modeling are introduced. Simple conceptual climate models have become effective tools to understand the theory of climate and climate-change law. Earth system Models of Intermediate Complexity (EMICs) cover most of the components in the Earth system, and describe the process and feedback among the various components in more details. Because EMICs have low computational requirements, modeling applications of EMICs cover almost all fi elds of simple conceptual climate models and CGCMs simulations. EMICs will surely achieve a greater development and play a more important role in the Earth's climate simulation.

sample earth model, simple conceptual climate models, EMICs

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.03.004

2013年12月17日；

2014年4月14日

王勇（1979—），Email：wyong0210@igsnrr.ac.cn

資助信息：國家重點基礎研究發展計劃項目（2012CB957802）