自然资源科普
预测气候变化有了新模式
来源:中国自然资源报 作者:王晶 齐敏 时间:2020-07-09

近日,自然资源部第一海洋研究所(以下简称海洋一所)在海洋科学知名国际学术期刊《地球物理学报》发表题为《自然资源部第一海洋研究所第二代地球系统模式:模式介绍与评估》的文章,标志着海洋一所第二代地球系统模式正式完成研发并可直接应用于管理支撑、气候预测及科学研究等工作。

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第二代地球系统模式示意图

全球变化领域研究的科学前沿

海洋一所物理海洋室研究员宋振亚是该项工作主要负责人。他介绍,地球系统模式(以下简称气候模式),是定量描述地球气候系统现象及其变化的数值模型。严格意义上的气候模式,只包含海洋、陆地、大气、冰的物理部分,地球系统模式则是在气候模式基础上增加复杂的生物地球化学循环过程。地球系统模式通过建立数学物理方程组反映地球气候系统中大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈等5大圈层的动力、物理、化学和生态以及其相互作用等复杂过程,进而采用数值积分方式对偏微分方程组进行求解。地球系统模式的建设及发展有助于增强对地球各圈层、关键带、各过程、各要素之间相互作用及响应机理的科学理解和认知,为充分发挥陆海统筹的战略引领作用提供强有力科技支撑,分析及预测水平衡、助推山水林田湖草生命共同体协调发展,提高对地球系统以及气候变化的理解和预测水平,推动实现自然资源科技创新战略。

宋振亚说:“经过半个多世纪的发展,该模式已经成为理解和预测气候变化、评估人类对气候变化影响的核心工具,其发展及应用也成为地球科学特别是全球变化领域研究的科学前沿和最重要方向。”

由于气候系统的极端复杂性,气候模式的研发一直是一项极具科学挑战性的工作,涉及海洋、大气、海冰、陆面等多学科诸多物理过程的科学认知水平、计算机支撑能力、高效并行算法等方面,其发展水平及模拟能力的高低已成为衡量一个国家地球科学乃至综合科学技术水平的重要标志。

海洋在气候变化中起控制性作用,人类排放的温室气体造成全球变暖,其中增暖的热量90%以上进入了海洋。可以说,如果没有海洋的调节,地球早已进入“水深火热”之中。全球气候变化不仅是重大国际科学前沿问题,也是全人类共同应对的具体体现,在联合国框架下形成了《联合国气候变化框架公约》,是当今世界上最为重要的具有法律效力的气候治理协定。

“数值模式不仅可以对未来气候进行预测,也可以对所采取的适应气候变化行动的效果进行量化评估,因此气候模式的发展有助于在气候谈判、共同应对全球气候变化发出中国自己的声音。”宋振亚介绍。

“小”发现解决大问题

“虽然气候模式过去半个世纪以来取得了重要进展,但仍然存在巨大的共性偏差。大众熟知的厄尔尼诺就是赤道东太平洋海域出现温度0.5℃以上的暖异常,近百年最强的厄尔尼诺仅仅是略超过2℃的暖异常。但是,气候模式的偏差本身就超过这个量值,这样大的偏差难以给出未来气候的准确预测,也难以为气候变化的应对提供精准的科技支撑。因此提高气候模式的模拟与预测精度成为全球科学界的重大科学挑战。”宋振亚告诉记者。

由于气候系统关注的是时间跨越从月到百年、空间从数千公里到全球的大尺度变化,因此历来不包括小尺度的现象。海洋一所研究员乔方利率课题组发现了波长仅为百米、波高为几米、时间仅为几秒的波浪在气候系统中起核心作用,建立了浪致混合理论,揭示了波浪通过调制海洋混合与海气通量影响甚至控制着气候系统,通过考虑波浪可以将气候模式的系统性偏差减少一半以上。

海洋一所地球系统模式(FIO-ESM)是以耦合海浪模式为特色的模式。2013年,海洋一所乔方利研究员带领海洋与气候数值模拟团队建立了国际上首个包含海浪分量的气候模式,也就是第一代气候模式。小尺度海浪在大尺度气候系统中能够起重要作用,受到广泛的关注和重视。该团队基于第一代气候模式参加了第五次国际耦合模式比较计划。这也是所有第五次国际耦合模式比较计划中唯一耦合了海浪的气候模式。

模式对比评估结果表明,第一代气候模式对东太平洋海洋表层温度、北极海冰的季节循环和变化趋势、厄尔尼诺和南方涛动、大气亚澳季风区水汽输送、西北太平洋副热带高压等均表现出了较好的模拟能力。特别是引入了浪致混合过程,能够将更多的能量从海洋表层传递到次表层,有效缓解了副热带地区混合层模拟偏浅等共性问题,并有效地增加了全球上层海洋热含量,进而使得全球平均海洋表层温度和海冰的模拟更为合理。即使在粗分辨率情形下,模拟的150余年历史海洋表层温度和海冰等核心指标精度仍位居世界前列。

基于第一代气候模式建立的短期气候预测系统,自2014年起参与了国际北极夏季海冰预测计划,每年6月份提供北极夏季预测结果并公开供全球使用。

2016年,基于地球系统模式建立的短期气候预测系统首次将我国海洋与海冰预报保障能力从数天拓展到数月,并在国家海洋环境预报中心业务化应用,在厄尔尼诺和南方涛动预测以及“雪龙”船北极科考保障中发挥了重要作用,这为我国海洋防灾减灾、应对气候变化提供了重要科技支撑。

新模式向全球公开发布

在对第一代气候模式的模拟能力开展系统评估后,宋振亚带领团队经过艰苦科技攻关,引入海浪破碎飞沫致热通量变化、海浪斯托克斯漂致海气通量变化、海表温度日变化等物理过程,发展了第二代气候模式,模拟能力又得到显著提高,实现了气候模式的可持续发展。

基于第二代包含海浪的气候模式,研究团队进行了超过万年的数值积分,参加了第六次国际耦合模式比较计划。现已完成第六次国际耦合模式比较计划的相关数值试验,相关数据通过地球系统网格联盟数据节点向全球公开发布。

“第二代气候模式中包含的海浪模式,可以直接得到工业革命前、历史模拟以及未来气候变化情景条件下的全球海浪参数,这是首套来自于完整气候模式的长时间海浪数据,极大地弥补了当前海浪研究及海浪应用中数据的不足,有望在气候变化科学研究、防灾减灾、应对气候变化等方面发挥重要的作用。”宋振亚说。

目前月平均和3小时数据也已经全球共享,文章发表在国际顶级学术期刊《科学数据》上。美国大气研究中心在其最新发展并参与第六次国际耦合模式比较计划的气候模式中,已经将海浪模式作为其分量模式之一。我国清华大学等单位联合研发的公共集成地球系统模式中也引入了海浪模式分量。