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应对气候变化 年代际预测不可或缺
发表时间 2018-02-27 16:19 来源 本站原创

  “气候变化在全球和区域范围内均表现出明显的年代际尺度特征(10-30年),不仅对生态环境和人类生活产生严重的影响,还会对农业、渔业、水利水电、航运、旅游业等领域的计划制定和决策产生一定的影响,譬如我国2004-2020年的国家能源中长期发展规划、2012-2030年的国家重大科技基础设施建设中长期规划、2010-2020年的国家防灾减灾人才发展中长期规划等。”国家重点基础研究发展计划(973)项目“年代际尺度上全球和中国大气成分与气候的变化及其相互作用”首席科学家,中国科学院大气物理研究所研究员,清华大学教授王斌对记者说。



973 项目首席科学家王斌教授

  气候变化、冰盖破坏、臭氧层空洞、光化学污染、灰霾污染等一系列气候与环境问题的出现和演变,都与人类活动向大气释放的各类污染物和温室气体有关。如何准确估算这些物质的排放量和时空分布,表征和预测排放的时空变化,探究人类活动对排放的影响机理,寻求效益最大化的减排方案?如何考虑化学-气候复杂的相互作用,科学地预测大气成分和气候的年代际变化?如何综合考虑区域空气质量的未来变化及其与气候的相互作用,并找出合理有效的治理、因应之道?这些都是国际气候和环境科学领域当前关注的热点问题,也是973项目重点研究的挑战性科学问题。

  从20世纪70年代末开始,长江流域降水增多,华北地区降水减少,形成了我国东部“南涝北旱”的局面,导致长江流域洪涝增多而华北地区持续干旱,造成了大量的人员伤亡和财产损失。这样的气候变化属于一种年代际尺度(10~30年)的气候变化。要合理预测年代际气候变化,必须发展性能良好的气候系统模式和先进的资料同化方法。王斌及其研究团队长期致力于气候模式研发、资料同化方法研究及其在天气、气候数值模拟与预报、预测中的应用。发展的保持有效能量和质量守恒的格点大气模式GAMIL 及其耦合气候系统模式版本FGOALS-g多次参与国际模式比较计划,为政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四、五次评估报告(AR4、AR5)做出了贡献。提出的集合-变分混合同化方法-降维投影四维变分(DRP-4DVar)同化新方法已在军队和省级天气预报业务中得到成功应用,并发挥了重要作用。这些成果为973项目开展年代际气候预测研究打下了重要的基础。

  据了解,年代际尺度的气候预测始终是一大难题,需要利用包含海洋、海冰、大气和陆面等气候系统各个圈层的气候系统模式这个工具,而每个圈层内的气候变化以及各圈层之间的相互作用使得气候系统具有高度的复杂性和不确定性,预测难度很大。气候变化主要分为两类:一类是由外强迫(人为和自然因素排放的温室气体和气溶胶等)引起的长期趋势,这类气候变化的模拟或预估在数学上属于边值问题,即不需要考虑模式初始状态(简称“初值”)的准确性;另一类是地球系统自身固有的内部变率(地球系统本身的周期性振荡),譬如我们熟知的厄尔尼诺属于年际尺度的内部变率,而太平洋年代际振荡(PDO)则主要表现为年代际尺度特征,这类气候变率若缺少准确的初值是难以被模式模拟或预测的,需要通过耦合资料同化的方法把模式变率与观测变率调整成一致,为模式提供与观测更加接近的初值。

  对此,王斌对记者介绍:“目前国际上的耦合资料同化方法仍然处于探索阶段,大部分气候模式采用简单向观测进行恢复的初始化方法,少数模式采用变分或集合的方法,至今还没有模式采用将四维变分和集合混合的方法。”在973项目中,王斌及其研究团队自主发展的同化方法DRP-4DVar和气候系统模式FGOALS-g2是开展年代际预测的基本科学工具。以此为基础,该973项目在国际上最早建立了基于四维集合-变分混合同化方法的耦合同化系统,该系统在国际上首次具备直接同化月平均观测资料的能力,在年代际预测试验中有效缓解了国际上久未解决的初始冲击问题,并能显著提高全球平均近地面气温以及PDO的预测技巧。

  初始冲击问题是指在年代际预测的前几年出现的从初始时刻的观测状态向模式气候态迅速调整的过程,主要由于模式气候态与观测气候态之间存在一定的偏差以及同化方法性能限制引起的初值与模式之间不协调导致。初始冲击会带来观测信息的衰减并破坏其有效传递,在一定程度上降低对年代际变率的预测技巧。“我们的研究能得到更准确且与模式协调的初值。相比于FGOALS-g2模式原有的和其他参加IPCC AR5的耦合同化系统而言,我们新预报的全球平均近地面气温距平的初始冲击是最小的。”王斌向记者展示了图1,“其年代际变率的预测技巧在国际上也是最好的。目前国际上对PDO的预测普遍很差,大多数模式预测的PDO位相与观测甚至都是相反的,多模式集合平均的结果与观测也仅仅为负的相关系数,而我们采用进一步改进的基于DRP-4DVar的耦合同化系统,在仍然保持初始冲击缓解的情形下,能成功预测出PDO的位相转变,相关系数在国际上是目前最好的之一”王斌说完后为记者指示了图2。

  图1 全球平均近地面气温距平随时间的变化(单位:°C),黑线为观测,彩线为后报试验。图a和b分别表示FGOALS-g2模式采用DRP-4DVar和原有的耦合系统的结果,图c-h表示国际上几个代表性模式的结果

  

图2 全年(ANN)和冬季(NDJFM)平均PDO指数与观测的相关系数。从左到右分别为国际上16个模式的结果、这16个模式集合平均的结果和FGOALS-g2模式采用进一步改进的基于DRP-4DVar的耦合同化系统的结果,红色三角和蓝色星号分别表示年平均和冬季平均的PDO指数的相关系数

  据了解,王斌主要从事气候系统模式发展、四维变分资料同化和年代际预测等方面的研究,曾于2011年获何梁何利科学与技术进步奖,1998年获国家杰出青年基金,2003年撰写的研究案例《Atmospheric Research》获国际大奖:“Computerworld Honors Program, Science category, 21st Century Achievement Award”,2005年被人事部授予“全国优秀博士后”称号,2010-2013年主持863重点项目,现为973项目首席科学家。曾担任大气科学和地球流体力学数值模式国家重点实验室主任10年,在经历的两次国家评估中均获得优秀。他在大气环流模式发展和基于耦合模式的年代际预测方面做了大量的工作,是国内少有的自主发展大气环流模式框架和完成年代际预测的研究人员之一,为973项目年代际预测研究积累了经验,打下了基础。

  王斌曾担任世界气候研究计划(WCRP)耦合模拟工作(WGCM)的成员8年(2009-2016),每年都要参加WGCM的工作例会,报告中国地球系统模式和年代际预测等方面的研究进展,参与了IPCC AR5耦合模式比较计划第5期的试验设计与决策,了解国际气候系统模式和年代际预测的最新进展与发展动态,并与来自发达国家的其他WGCM成员有充分的交流,与美国、加拿大、德国、法国和日本等相关研究机构和大学在年代际预测研究和地球系统模式发展等方面有实质性的合作研究。

  对于研究成果,王斌一直很低调,他更愿意做一个默默无闻的科学家,采访始终王斌主要对记者说的更多的还是自己主持的973项目。“不管怎样,一定要做好自己的本份,勤于钻研才能更好地发挥自己,使自己发现更多科研中有意思的有意义的事情”王斌对记者说。