探究年代際尺度氣候變化的奧秘

本刊記者 胡 敬

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

從20世紀70年代末開始，我國長江流域降水增多，華北地區降水減少，形成了我國東部“南澇北旱”的局面，導致長江流域洪澇增多而華北地區持續干旱，造成了大量的生命和財產損失，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業、漁業、水利水電、航運、旅游業等領域的計劃制定和決策產生一定的影響。在國家層面上，它直接影響一個國家人民的生命財產安全以及經濟建設和重大基礎設施等中長期規劃的制訂。因此，科學家對年代際尺度氣候變化的深入探究具有重要意義。

中國科學院大氣物理研究所研究員、清華大學地球系統科學系教授王斌多年來從事氣候模式發展、變分資料同化和年代際預測等方面的研究工作，在這一領域研究中積累了豐富的經驗。到底年代際尺度氣候變化與何相關？在年代際尺度變化下，我們應該如何應對？王斌及其科研團隊迫切想要通過科學研究，揭開其中的奧秘。

聚焦大氣成分與年代際尺度的關系

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歷了3次主要轉型：分別發生在20世紀20年代和70年代中后期的兩次從相對冷期向暖期的轉變，和發生在20世紀50年代早期的一次從暖期向冷期的轉變。

已有研究表明，大氣成分對上述年代際轉型有著重要影響。自工業革命以來，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成分的構成和含量。氣候變化、冰蓋破壞、臭氧層空洞、光化學污染、灰霾污染等一系列氣候與環境問題的出現和演變，都與人類活動向大氣釋放的各類污染物和溫室氣體有關。

如何準確估算這些物質的排放量和時空分布，表征和預測排放的時空變化，探究人類活動對排放的影響機理，尋求效益最大化的減排方案？如何考慮化學—氣候復雜的相互作用，科學地預測大氣成分和氣候的年代際變化？如何綜合考慮區域空氣質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、應對之道？這些都是國際氣候和環境科學領域當前關注的熱點問題，也是全人類現今面臨的最大挑戰。

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測及相互關系研究”“中國化學—氣候相互作用的高分辨率研究”3個研究課題，項目首席科學家王斌與來自清華大學、北京大學、發改委能源所和中國氣象科學研究院的共15位科學家展開了一系列科研攻關，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，王斌及其科研團隊主要負責“大氣成分與氣候年代際變化預測及相互關系研究”這一課題的研究工作。

年代際尺度的氣候預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各個圈層的耦合地球系統模式作為工具，而每個圈層內的氣候變化以及各圈層之間的相互作用使得地球系統具有高度的復雜性，預測難度很大。氣候變化主要分為兩類：一類是由外強迫（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；另一類是由內部變率（地球系統本身的周期性振蕩）引起的，比如我們熟知的厄爾尼諾就是一種年際尺度的內部變率，而太平洋年代際振蕩（PDO）則是一種年代際尺度的內部變率，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整成一致，為年代際預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行恢復的初始化方法，少數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行混合的方法。在這一課題中，王斌課題組基于自主發展的一種四維集合—變分混合的同化方法DRP-4DVar和氣候系統模式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，該系統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的預測技巧。

初始沖擊問題是指在年代際預測的前幾年出現的從初始時刻的觀測狀態向模式氣候態迅速調整的過程，主要由于模式氣候態與觀測氣候態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調所導致。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測技巧。而王斌團隊的研究能得到更準確且與模式協調的初值，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而言，在預測過程中全球平均近地面氣溫距平的初始沖擊是最小的，其年代際變率的預測技巧在國際上也是最好的之一。目前國際上對PDO的預測普遍很差，大多數模式預測的PDO位相與觀測的是相反的，多模式集合平均的結果與觀測也僅僅為負的相關系數，而王斌團隊采用的進一步改進的基于DRP-4DVar的耦合同化系統，在仍然保持初始沖擊緩解的情形下，能成功預測出PDO的位相轉變。并預計在未來10年內，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，被IPCC AR4（2007）報告認為是僅次于長壽命溫室氣體的導致氣候變化的重要因子。模擬與觀測研究表明，一些區域尺度的年代際氣候變化，如東亞季風、南亞季風、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。

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

在此基礎之上，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的PDO，考察分別來自外強迫，尤其是大氣成分變化和自然變率對它的貢獻，為深入探索大氣成分與氣候年代際變化及相互關系而不懈努力。

項目開展4年多來，王斌及其團隊成員沒有一刻松懈?！巴ㄟ^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系，預測它們未來10～30年的可能變化，并以此為依據，設計既減緩氣候變暖又改善空氣質量的雙贏減排策略，為國家的中長期規劃和氣候外交提供科學依據”是項目團隊研究人員的共同心愿。今后，他們仍會圍繞年代際預測這一主題開展研究，為了提高預測技巧、服務于國家需求這一共同目標而全力以赴！

團隊主要成員簡介：

王斌

王斌，中國科學院大氣物理研究所研究員、清華大學教授，原“973”項目首席科學家。長期致力于大氣模式研發、資料同化方法研究及其在天氣、氣候數值模擬與預報、預測中的應用。發展的保持有效能量和質量守恒的格點大氣模式GAMIL及其耦合氣候系統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。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報業務中得到成功應用，并發揮了重要作用。

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