探究年代際尺度氣候變化的奧秘

本刊記者 胡 敬

全球氣候與環(huán)境正經(jīng)歷快速、巨大的變化，并在全球范圍和中國區(qū)域均表現(xiàn)出明顯的年代際尺度（10～30年）特征。隨著其影響的日漸顯現(xiàn)，氣候變化所涉及的政治、經(jīng)濟(jì)、社會和科技發(fā)展問題，已經(jīng)受到國際社會的高度重視。

從20世紀(jì)70年代末開始，我國長江流域降水增多，華北地區(qū)降水減少，形成了我國東部“南澇北旱”的局面，導(dǎo)致長江流域洪澇增多而華北地區(qū)持續(xù)干旱，造成了大量的生命和財產(chǎn)損失，而這樣的氣候變化就屬于一種年代際尺度的氣候變化。除此之外，年代際氣候變化還會對農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、水利水電、航運、旅游業(yè)等領(lǐng)域的計劃制定和決策產(chǎn)生一定的影響。在國家層面上，它直接影響一個國家人民的生命財產(chǎn)安全以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)和重大基礎(chǔ)設(shè)施等中長期規(guī)劃的制訂。因此，科學(xué)家對年代際尺度氣候變化的深入探究具有重要意義。

中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員、清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系教授王斌多年來從事氣候模式發(fā)展、變分資料同化和年代際預(yù)測等方面的研究工作，在這一領(lǐng)域研究中積累了豐富的經(jīng)驗。到底年代際尺度氣候變化與何相關(guān)？在年代際尺度變化下，我們應(yīng)該如何應(yīng)對？王斌及其科研團(tuán)隊迫切想要通過科學(xué)研究，揭開其中的奧秘。

聚焦大氣成分與年代際尺度的關(guān)系

近百年以來，在全球變暖的大背景下，我國東部氣候在年代際尺度上經(jīng)歷了3次主要轉(zhuǎn)型：分別發(fā)生在20世紀(jì)20年代和70年代中后期的兩次從相對冷期向暖期的轉(zhuǎn)變，和發(fā)生在20世紀(jì)50年代早期的一次從暖期向冷期的轉(zhuǎn)變。

已有研究表明，大氣成分對上述年代際轉(zhuǎn)型有著重要影響。自工業(yè)革命以來，人類活動向大氣排放的各種氣體和氣溶膠深刻地改變了大氣中化學(xué)成分的構(gòu)成和含量。氣候變化、冰蓋破壞、臭氧層空洞、光化學(xué)污染、灰霾污染等一系列氣候與環(huán)境問題的出現(xiàn)和演變，都與人類活動向大氣釋放的各類污染物和溫室氣體有關(guān)。

如何準(zhǔn)確估算這些物質(zhì)的排放量和時空分布，表征和預(yù)測排放的時空變化，探究人類活動對排放的影響機(jī)理，尋求效益最大化的減排方案？如何考慮化學(xué)—氣候復(fù)雜的相互作用，科學(xué)地預(yù)測大氣成分和氣候的年代際變化？如何綜合考慮區(qū)域空氣質(zhì)量的未來變化及其與氣候的相互作用，并找出合理有效的治理、應(yīng)對之道？這些都是國際氣候和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域當(dāng)前關(guān)注的熱點問題，也是全人類現(xiàn)今面臨的最大挑戰(zhàn)。

為了攻克這些問題，原“973”項目“年代際尺度上全球和中國大氣成分與氣候的變化及其相互作用”于2014年正式啟動，項目主要分為“主要大氣成分歷史排放清單及未來情景”“大氣成分與氣候年代際變化預(yù)測及相互關(guān)系研究”“中國化學(xué)—氣候相互作用的高分辨率研究”3個研究課題，項目首席科學(xué)家王斌與來自清華大學(xué)、北京大學(xué)、發(fā)改委能源所和中國氣象科學(xué)研究院的共15位科學(xué)家展開了一系列科研攻關(guān)，立志在年代際尺度上全球和中國大氣成分與氣候的變化及其相互作用中，取得更大的突破。

開展年代際尺度的氣候預(yù)測

在“年代際尺度上全球和中國大氣成分與氣候的變化及其相互作用”研究中，王斌及其科研團(tuán)隊主要負(fù)責(zé)“大氣成分與氣候年代際變化預(yù)測及相互關(guān)系研究”這一課題的研究工作。

年代際尺度的氣候預(yù)測一直是困擾科研界的一大難題，需要利用包含海洋、海冰、大氣和陸面等地球系統(tǒng)各個圈層的耦合地球系統(tǒng)模式作為工具，而每個圈層內(nèi)的氣候變化以及各圈層之間的相互作用使得地球系統(tǒng)具有高度的復(fù)雜性，預(yù)測難度很大。氣候變化主要分為兩類：一類是由外強(qiáng)迫（人為和自然因素排放的溫室氣體和氣溶膠等）引起的，這類氣候變化能夠較好地被模式模擬出來；另一類是由內(nèi)部變率（地球系統(tǒng)本身的周期性振蕩）引起的，比如我們熟知的厄爾尼諾就是一種年際尺度的內(nèi)部變率，而太平洋年代際振蕩（PDO）則是一種年代際尺度的內(nèi)部變率，這類氣候變率不容易被模式模擬出，需要通過耦合資料同化的方法把模式變率的位相與觀測變率調(diào)整成一致，為年代際預(yù)測提供與觀測更加接近的初值。

目前國際上的耦合資料同化方法仍然處于探索階段，大部分氣候模式采用簡單向觀測進(jìn)行恢復(fù)的初始化方法，少數(shù)模式采用變分或集合的方法，至今還沒有模式采用將四維變分和集合進(jìn)行混合的方法。在這一課題中，王斌課題組基于自主發(fā)展的一種四維集合—變分混合的同化方法DRP-4DVar和氣候系統(tǒng)模式FGOALS-g2，在國際上最早建立了基于四維集合—變分混合同化方法的耦合同化系統(tǒng)，該系統(tǒng)在國際上首次具備直接同化月平均觀測資料的能力，在年代際預(yù)測試驗中有效緩解了國際上久未解決的初始沖擊問題，并能顯著提高全球平均近地面氣溫以及PDO的預(yù)測技巧。

初始沖擊問題是指在年代際預(yù)測的前幾年出現(xiàn)的從初始時刻的觀測狀態(tài)向模式氣候態(tài)迅速調(diào)整的過程，主要由于模式氣候態(tài)與觀測氣候態(tài)之間存在一定的偏差以及同化方法性能限制引起的初值與模式之間不協(xié)調(diào)所導(dǎo)致。初始沖擊會帶來觀測信息的衰減并破壞其有效傳遞，在一定程度上降低年代際變率的預(yù)測技巧。而王斌團(tuán)隊的研究能得到更準(zhǔn)確且與模式協(xié)調(diào)的初值，相比于FGOALS-g2模式原有的和國際上幾個代表性的耦合同化系統(tǒng)而言，在預(yù)測過程中全球平均近地面氣溫距平的初始沖擊是最小的，其年代際變率的預(yù)測技巧在國際上也是最好的之一。目前國際上對PDO的預(yù)測普遍很差，大多數(shù)模式預(yù)測的PDO位相與觀測的是相反的，多模式集合平均的結(jié)果與觀測也僅僅為負(fù)的相關(guān)系數(shù)，而王斌團(tuán)隊采用的進(jìn)一步改進(jìn)的基于DRP-4DVar的耦合同化系統(tǒng)，在仍然保持初始沖擊緩解的情形下，能成功預(yù)測出PDO的位相轉(zhuǎn)變。并預(yù)計在未來10年內(nèi)，PDO仍將保持在正位相。

探索大氣成分與氣候年代際變化及相互關(guān)系

氣溶膠和臭氧等短壽命大氣成分具有顯著的年代際氣候效應(yīng)，被IPCC AR4（2007）報告認(rèn)為是僅次于長壽命溫室氣體的導(dǎo)致氣候變化的重要因子。模擬與觀測研究表明，一些區(qū)域尺度的年代際氣候變化，如東亞季風(fēng)、南亞季風(fēng)、北大西洋混合層溫度等的年代際變化，都與氣溶膠密切相關(guān)。

針對氣候系統(tǒng)模式FGOALS-g2的大氣分量模式GAMIL2，王斌團(tuán)隊引入了新的氣溶膠輻射計算方案、云滴核化過程參數(shù)化方案和黑碳擾動方案，改善模式對氣溶膠間接效應(yīng)的模擬能力；針對大氣化學(xué)模式GIGC和GAMIL的數(shù)據(jù)在水平分辨率、垂直坐標(biāo)、時間步長等方面存在差異和不同的物理量表示，研究數(shù)據(jù)流在各模塊之間的守恒變換與映射，從而在氣候系統(tǒng)模式FGOALS-g2的耦合框架下實現(xiàn)了大氣化學(xué)模式GIGC與其大氣分量模式GAMIL2的在線耦合，建立了大氣化學(xué)—氣候系統(tǒng)耦合模式FGOALS-GIGC。

在此基礎(chǔ)之上，他們利用FGOALS-GIGC開展了一系列敏感性試驗，包括有無氣溶膠的試驗，有無氣溶膠年代際變化的試驗，考察年代際尺度上氣溶膠變化對氣候變化的影響，并針對年代際信號很強(qiáng)的PDO，考察分別來自外強(qiáng)迫，尤其是大氣成分變化和自然變率對它的貢獻(xiàn)，為深入探索大氣成分與氣候年代際變化及相互關(guān)系而不懈努力。

項目開展4年多來，王斌及其團(tuán)隊成員沒有一刻松懈。“通過研究全球和中國大氣成分和氣候的年代際變化特征及其相互關(guān)系，預(yù)測它們未來10～30年的可能變化，并以此為依據(jù)，設(shè)計既減緩氣候變暖又改善空氣質(zhì)量的雙贏減排策略，為國家的中長期規(guī)劃和氣候外交提供科學(xué)依據(jù)”是項目團(tuán)隊研究人員的共同心愿。今后，他們?nèi)詴@年代際預(yù)測這一主題開展研究，為了提高預(yù)測技巧、服務(wù)于國家需求這一共同目標(biāo)而全力以赴！

團(tuán)隊主要成員簡介：

王斌

王斌，中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員、清華大學(xué)教授，原“973”項目首席科學(xué)家。長期致力于大氣模式研發(fā)、資料同化方法研究及其在天氣、氣候數(shù)值模擬與預(yù)報、預(yù)測中的應(yīng)用。發(fā)展的保持有效能量和質(zhì)量守恒的格點大氣模式GAMIL及其耦合氣候系統(tǒng)模式版本多次參與國際模式比較計劃，為政府間氣候變化專門委員會第四、五次評估報告做出了貢獻(xiàn)。提出的三維變分映射資料同化和降維投影四維變分同化等新方法已在軍隊和省級天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中得到成功應(yīng)用，并發(fā)揮了重要作用。

和玉君，女，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系博士生，原“973”項目第二課題“大氣成分與氣候年代際變化預(yù)測及相互關(guān)系研究”的主要參與者，研究方向為耦合資料同化和年代際氣候預(yù)測。目前，已經(jīng)以第一作者的身份在該專業(yè)領(lǐng)域國際頂尖刊物Geophysical Research Letters上發(fā)表了1篇論文，提出了有效緩解初始沖擊難題的年代際預(yù)測的初始化方法。曾獲得斯倫貝謝計算地球科學(xué)獎學(xué)金。