氣候變化 ppt課件 Lecture12new

第四章氣候變化模擬與預(yù)估第12講氣候預(yù)測方法和氣候模擬問題回顧氣候變化?氣候變率?氣候異常?氣候突變的定義？冰期-間冰期旋回有什么樣的特征？米蘭科維奇周期：歲差、地軸傾斜率和地球軌道偏心率？近40萬年來氣候變化的主要特征？近2萬年來主要?dú)夂蚴录拷倌耆驓夂蜃兓卣?？近百年中國氣候變化特征？兩萬年以來的主要?dú)夂蚴录?023/4/1561、我國氣候變暖幅度比全球大2、極端天氣氣候事件頻繁發(fā)生3、西南、華北、東北區(qū)域性干旱加劇4、降水雨型發(fā)生變化：小雨日數(shù)減少，暴雨日數(shù)增加5、登陸我國臺(tái)風(fēng)的個(gè)數(shù)和12級(jí)以上臺(tái)風(fēng)增加6、高溫日數(shù)顯著增加中國氣候變化的特點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容氣候預(yù)測方法和氣候模擬氣候模式發(fā)展史氣候模式結(jié)構(gòu)氣候預(yù)測方法和氣候模擬氣象預(yù)報(bào)（3類，預(yù)報(bào)時(shí)效）（1）天氣預(yù)報(bào)（1天-兩周）（初值）（2）短期氣候預(yù)測（月-季-年）（初值、外強(qiáng)迫）（3）氣候變化預(yù)估（十年以上）（初值、外強(qiáng)迫）天氣和氣候模式研究的區(qū)別：研究對(duì)象：單一大氣耦合系統(tǒng)關(guān)注目標(biāo)：瞬時(shí)結(jié)果平均狀態(tài)及其變化關(guān)鍵變量：降水溫度（能量）關(guān)注內(nèi)容：演變過程能量收支精度穩(wěn)定性和守恒性關(guān)鍵過程：凝結(jié)過程輻射和云決定因素：初值強(qiáng)迫和反饋氣候預(yù)測的難點(diǎn)預(yù)報(bào)時(shí)間相對(duì)于天氣預(yù)報(bào)要長（不確定因素多、復(fù)雜，預(yù)測難度大，準(zhǔn)確性低）氣候預(yù)測的理論和方法還不成熟（初值、外強(qiáng)迫[輻射、海洋、陸面、火山爆發(fā)、人類活動(dòng)等]影響）氣候預(yù)測需要大量的觀測資料（涉及到地球系統(tǒng)各圈層、溫室氣體、氣溶膠，太陽活動(dòng)、火山爆發(fā)等資料）氣候預(yù)測包含了太多的不確定性因素，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率低。氣候預(yù)測的目的是為了告訴人們未來氣候可能得變化趨勢與變化范圍。氣候預(yù)測方法經(jīng)驗(yàn)性或物理性預(yù)測方法（相關(guān)回歸分析、相似聚類分析、空降場分析（EOF,SVD,CCA))

原理：對(duì)長時(shí)的歷史氣象觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出預(yù)報(bào)因子和預(yù)報(bào)對(duì)象的時(shí)空關(guān)系。優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算簡單；缺點(diǎn)：數(shù)學(xué)上的關(guān)系，物理聯(lián)系考慮較少。數(shù)理統(tǒng)計(jì)預(yù)測方法在物氣候預(yù)測方法上，選取與預(yù)報(bào)量有物理聯(lián)系的預(yù)報(bào)因子，增加預(yù)報(bào)的物理含義和可信度。氣候模式預(yù)測方法（今后主要的預(yù)測方法）

利用大氣動(dòng)力學(xué)方程組（考慮各種外強(qiáng)迫因子對(duì)大氣的影響以及它們之間的相互作用）、某種數(shù)值方法和電子計(jì)算機(jī)預(yù)測大氣的任何未來狀態(tài)。氣候模式預(yù)測方法具有更高信度具有一套描述地球系統(tǒng)特征的物理定律（質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒）和數(shù)學(xué)方程組具有模擬和再現(xiàn)現(xiàn)代氣候的能力具有重現(xiàn)過去氣候和變化的能力大氣數(shù)值模擬的發(fā)展史幾個(gè)世紀(jì)以來人們的夢想理解和預(yù)測氣候，甚至改變氣候現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明上述目標(biāo)更加可能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)值模式定量的研究，預(yù)報(bào)大氣一強(qiáng)有力工具重要的歷史階段1、18世紀(jì)末到19世紀(jì)初，經(jīng)典牛頓力學(xué)和熱力學(xué)奠定了支配大氣運(yùn)動(dòng)和變化的物理規(guī)律和科學(xué)基礎(chǔ)，而這種物理規(guī)律對(duì)于確定大氣未來狀況十分重要（Thomson,1978）

1）PierreSimondeLaplace(1812)指出：“在任何一個(gè)時(shí)刻，如果已知所有質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量、位置和速度，那么其過去和未來的狀況可精確確定?！?/p>

2）那時(shí)，經(jīng)典力學(xué)已相當(dāng)成熟（IsaacNewton數(shù)學(xué)原理，1687）但熱力學(xué)規(guī)律并未揭示，其對(duì)大氣，海洋等流體預(yù)報(bào)是相當(dāng)重要的

3）19世紀(jì)40年代，由RobertMayer,JamesJouleandHermannVonHelmholtz等獨(dú)立發(fā)展的“能量守恒”概念導(dǎo)致了RudolfClausius(1850)提出熱力學(xué)第一定律（即能量守恒）以及熱力學(xué)第二定律

4）到19世紀(jì)末，經(jīng)典物理的基本定律均已知。通過數(shù)值計(jì)算精確預(yù)報(bào)越來越接近于實(shí)現(xiàn)

氣候數(shù)值模擬的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀2、WilhelmBjerknes1904:“大氣的未來狀態(tài)，原則上可以用積分大氣動(dòng)力學(xué)方程組的辦法得到?！痹恚捍髿鈩?dòng)力學(xué)方程組是控制大氣運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律（牛頓第二定律、質(zhì)量守恒定律、水汽質(zhì)量守恒定律、熱力學(xué)第一定律、理想氣體狀態(tài)變化定律）在數(shù)學(xué)上的描述（數(shù)學(xué)模型）。給定初始狀態(tài)，大氣的任何未來狀態(tài)都可以計(jì)算出。利用大氣動(dòng)力學(xué)方程組、某種數(shù)值方法和電子計(jì)算機(jī)預(yù)測大氣的任何未來狀態(tài)的方法，就是“數(shù)值預(yù)報(bào)”。如果給定的初始狀態(tài)是理想的，就是“數(shù)值模擬”或稱為“數(shù)值試驗(yàn)”。目前，“數(shù)值模擬”或“數(shù)值試驗(yàn)”的概念已有拓寬。當(dāng)時(shí)困難：1）方程組非線性，無法解出解析解。2）沒有好的觀測資料，無法確定大氣的“真實(shí)”初值。L.F.Richardson(1922)WeatherPredictionbyNumericalProcess,CambridgeUniversityPress數(shù)值預(yù)報(bào)的第一個(gè)嘗試者LewisFryRichardson(1882-1953)1)L.F.Richardson.第一次世界大戰(zhàn)期間，是紅十字會(huì)志愿者，救護(hù)車司機(jī)、英國科學(xué)家在戰(zhàn)爭間隔期，他用一臺(tái)MechanicalCalculator，試圖求解大氣運(yùn)動(dòng)基本方程組，來發(fā)展天氣預(yù)報(bào)的能力（這一嘗試是在計(jì)算機(jī)、許多重要的數(shù)值計(jì)算方法、大氣資料初始化方法出現(xiàn)之前）

2)在那個(gè)時(shí)候，人們都知道

i）大氣運(yùn)動(dòng)方程組高度復(fù)雜，很難獲得簡單解

ii)求解這一組方程的唯一方法就是采用數(shù)值近似

3)本質(zhì)上說，一套連續(xù)方程，通過求解其對(duì)應(yīng)的離散方程的數(shù)值解是可以近似處理的

4)Richardson（1922），在他的書中《WeatherPredictionbyNumericalProcess》描述了他預(yù)報(bào)的方法。使用available觀測數(shù)據(jù)。他試圖制作一個(gè)歐洲一個(gè)很小區(qū)域的預(yù)報(bào)，但結(jié)果不成功。原因?yàn)椋篿）方程組很復(fù)雜，包含很多大氣物理過程（原始方程組）

ii）不知道大氣中各種因子的相對(duì)重要性（如適應(yīng)和演變）其碰到很多問題仍然是今天數(shù)值模擬工作者繼續(xù)碰到的。問題：計(jì)算量太大（即使做一天的預(yù)報(bào)）。如：他要用幾個(gè)月的時(shí)間才能手工計(jì)算完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)性計(jì)算，還僅僅是6小時(shí)的預(yù)報(bào)在歐洲中部的一個(gè)小區(qū)域。結(jié)果不真實(shí)，預(yù)報(bào)的氣候傾向比觀測值大兩個(gè)量級(jí)。（氣壓變化為145hPa/6h）

失敗的原因（從技術(shù)層面看）對(duì)于原始方程，差分的穩(wěn)定性理論沒有。使用一積分時(shí)步長超過了CFL條件（數(shù)值計(jì)算穩(wěn)定性）（Courant,FriedrichsandLewey,1928,揭示了CFL條件）計(jì)算速度無法解決。觀測資料缺乏，自由大氣觀測不準(zhǔn)確，大氣初始狀態(tài)無法確定。盡管其努力一般被認(rèn)為是失敗的，但其對(duì)大氣預(yù)報(bào)問題富有想象力的途徑，決定并影響了以后的25年（近1/4世紀(jì)長）Courant、Friedrichs和Lewy，1928提出差分方法的穩(wěn)定性理論：即對(duì)于線性平流方程在用中央差分法時(shí)，時(shí)間步長和空間步長必須滿足：這就是CFL準(zhǔn)則。數(shù)值預(yù)報(bào)仍無法實(shí)現(xiàn)：方程未簡化！Rossby1939：長波理論：控制大氣大尺度運(yùn)動(dòng)的方程是正壓無輻散渦度方程（絕對(duì)渦度守恒）：長波理論解決了數(shù)值預(yù)報(bào)的理論問題，為數(shù)值預(yù)報(bào)的實(shí)現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)。（1）效應(yīng)是rossby波得以傳播的主要機(jī)制（2）是大尺度頻散慢波，相對(duì)于基本氣流西傳Thefirstelectroniccomputer:ENIAC1945/46-StudiesofdigitalcomputersforthepurposeofweatherpredictionwereinitiatedbyJohnVonNeumann.MeteorologyProject,InstituteforAdvancedStudy,PrincetonJule

Charney,NormanPhillips,GlennLewis,N.Gilbarg,GeorgePlatzman.J.Smagorinsky1950–VonNeumann,Charney,andFjortoftledscientistsinproducingaretrospective24hrforecast,usingtheENIACThefirstnumericalpredictionsinrealtimewerepreparedbyC.GRossbys’teamattheInternationalMeteorologicalInstituteinSweden.（1953）

第一個(gè)數(shù)值預(yù)報(bào)試驗(yàn)是無輻散正壓渦度方程模式（過濾模式）由Charney等于1950年初完成，標(biāo)志著數(shù)值天氣預(yù)報(bào)成功Ref:CharneyJ.G.,R.FjortftandJ.VonNeumann,1950:Numericalintegrationofthebarotropic

vorticityequation.Tellus,2,237-254。Phillips(1956)：第一個(gè)大氣環(huán)流模式（二層，準(zhǔn)地轉(zhuǎn)，半球區(qū)域）考慮了非絕熱加熱和摩擦（考慮源、匯、σ坐標(biāo)系）。模式模擬出斜壓穩(wěn)定流的統(tǒng)計(jì)特征（約兩周）非常類似于觀測。這表明，這種準(zhǔn)地轉(zhuǎn)模式的應(yīng)用不僅限于短期天氣預(yù)報(bào)，更重要的是指出了一條道路，即數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)可以用于研究氣候！因此，我們說數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候模擬起源相同氣候模式的結(jié)構(gòu)和主要特點(diǎn)氣候模式中須考慮的物理過程及其相互作用地球能量平衡或收支的變化,即輻射強(qiáng)迫。能量和水分循環(huán)過程云-云-輻射過程海洋環(huán)流影響海氣相互作用陸面過程和陸氣交換冰氣交換過程

氣候系統(tǒng)中的復(fù)雜相互作用氣候模式的演變氣候模式的譜系地球系統(tǒng)氣候模式（最復(fù)雜）考慮氣候系統(tǒng)各圈層及其相互作用最完整的氣候模式中等復(fù)雜程度模式（EMICs）簡單氣候模式可以根據(jù)研究需要，選擇一種最佳能回答某一或某些特定問題的模式。簡單氣候模式包含不同模塊，以高度參數(shù)化計(jì)算：（1）給定未來排放情景下溫室氣體的濃度（2）由溫室氣體引起的輻射強(qiáng)迫（3）全球平均地表溫度對(duì)計(jì)算的輻射強(qiáng)迫的響應(yīng)（4）由海水熱膨脹和冰川和冰蓋響應(yīng)造成的全球海平面上升只代表最關(guān)鍵過程，運(yùn)算費(fèi)時(shí)少，可做多種診斷分析，主要用于研究全球性問題。比氣候系統(tǒng)模式更加有效，常用于研究未來氣候變化對(duì)不同的溫室氣體排放的響應(yīng)（概率分布表達(dá)）。可研究在參數(shù)變化范圍很大條件下氣候?qū)δ骋惶囟ㄟ^程的敏感性。中等復(fù)雜模式（EMICs）主要特征：（1）可以描述復(fù)雜模式中包含的大部分過程（以更簡化的形式），可以模擬氣候系統(tǒng)一些圈層間的相互作用，可具有生物地球化學(xué)循環(huán)（2）空間分辨率低，可做長時(shí)間積分

能用于研究大陸尺度的氣候變化與地球系統(tǒng)各部分耦合的長期大尺度影響，也用于研究古氣候和未來氣候變化。EMICs是填補(bǔ)復(fù)雜氣候模式與簡化氣候模式之間空白的一種有效工具。不能研究區(qū)域氣候變化和評(píng)估。

氣候模式的分類0維能量平衡模式0-Dmodel1維輻射對(duì)流模式1-Dradiative-convectivemodel(RCM)1維能量平衡模式1-Denergybalancemodel(EBM)2維模式Two-dimensionalmodels大氣環(huán)流模式Atmosphericgeneralcirculationmodels(AGCMs)海氣耦合模式CoupledOcean-AtmosphereModel(CGCM)氣候系統(tǒng)模式ClimateSystemModel(CSM)0-D1-D2-D3-DBriefDescriptiononthehierarchyofgeneralcirculationmodels.Theconceptualformulationofmodel:Atmosphericprimitiveequations

averaging

overeitherverticaland/orhorizontaldirections.ModelequationsToanyatmosphericvariable,wecandefineDensityweightedaverage(Integrationinverticaldirection):ZonalmeanTimemean:Averagingoveratimeinterval;AreameanAveragingoverlongitude;Averagingoverbothlongtitudeandlatitude;MostofLow-orderAtmosphericnumericalmodelsarebasedonEnergyequation.－－Thermodynamicequation：⑥Heatingduetocondensationalprocesses⑤Netradiativeheating②HorizontalHeattransport③VerticalHeattransport④Conversionofkinetictopotentialenergy.①LocalvariationofEnergy①②③④⑤⑥zero-dimensionalgeneralcirculationmodelSisthenetsolarradiationabsorbedbytheEarth-atmospheresystem,F

isthelong-waveradiationemittedtospace.Averagingthisequationoverhorizontalandverticaldimensionsyields

為了維持地球能量平衡，被地氣系統(tǒng)吸收的太陽輻射必定要由一定量的向外輻射能量平衡。如果不平衡，地球溫度將會(huì)變化，直到平衡滿足。地球發(fā)射輻射能量主要集中在長波或紅外區(qū)，最主要能量集中在4-100微米波段如果地氣系統(tǒng)吸收的太陽輻射能量（70%）和紅外波段逃逸的輻射能量相等，那么根據(jù)Stefan-Boltzman定律，可以得到一個(gè)有效輻射溫度T≈－18℃（255K），相當(dāng)于從外空間觀測到的地球有效輻射強(qiáng)度而地球表面的實(shí)際平均溫度為～+15℃33℃差是由于大氣的存在（溫室效應(yīng)）

簡單能量平衡模式（0維能量平衡模式）Simpleenergybalancemodel(EBM)ReflectedSolarEmittedInfraredSolarInAbalanceexistbetweentheabsorbedsolarandemittedlong-waveradiationForalongtimemeanandforastableclimate：由Stephen-Boltzman定律

σ為δ-B常數(shù)

Tp為地氣系統(tǒng)有效黑體輻射溫度（K）令，代表地球表面平均的入射太陽輻射

S0=1367±7Wm-2

S0

除以4，表示接受陽光表面為地球總面積的1/4

S0為太陽常數(shù)則αp為行星反射率（PlanetaryAlbedo）

為了維持地球能量平衡，被地氣系統(tǒng)吸收的太陽輻射必定要由一定量的向外輻射能量平衡。如果不平衡，地球溫度將會(huì)變化，直到平衡滿足。地球發(fā)射輻射能量主要集中在長波或紅外區(qū)，最主要能量集中在4-100微米波段如果地氣系統(tǒng)吸收的太陽輻射能量（70%）和紅外波段逃逸的輻射能量相等，那么根據(jù)Stefan-Boltzman定律，可以得到一個(gè)有效輻射溫度（）T≈－18℃（255K），相當(dāng)于從外空間觀測到的地球有效輻射強(qiáng)度而地球表面的實(shí)際平均溫度為～+15℃33℃差是由于大氣的存在（溫室效應(yīng)）

一維輻射對(duì)流模式1-Dradiative-convectivemodel(RCM)Ifaveragingisperformedonlyoverhorizontaldirection：Agloballyaveragedverticalprofileoftemperatureone-dimensionalradiative-convectivemodel(RCM)一維能量平衡模式1-Denergybalancemodel(EBM)Averagingtheequationintheverticalandlongitudinaldirection:TasafunctionoflatitudePole-wardheattransportone-dimensionalenergybalancemodel(EBM)二維氣候模式Two-dimensionalmodelsByaveragingthermodynamicequationinlongitudeonlyThistypeofmodelrequiresarelationshipforthepole-wardandverticalheattransportsintermsofthezonalmeantemperature.Thisisatwo-dimensionalenergybalancemodel,whichrequiresa