氣候變化 ppt課件 Lecture13new

第四章氣候變化模擬與預(yù)估第13講氣候模式2023/4/151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。2023/4/152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)）?？裳芯吭趨?shù)變化范圍很大條件下氣候?qū)δ骋惶囟ㄟ^程的敏感性。2023/4/153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。2023/4/154

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-D2023/4/155BriefDescriptiononthehierarchyofgeneralcirculationmodels.Theconceptualformulationofmodel:Atmosphericprimitiveequations

averaging

overeitherverticaland/orhorizontaldirections.Modelequations2023/4/156Toanyatmosphericvariable,wecandefineDensityweightedaverage(Integrationinverticaldirection):ZonalmeanTimemean:Averagingoveratimeinterval;AreameanAveragingoverlongitude;Averagingoverbothlongtitudeandlatitude;2023/4/157MostofLow-orderAtmosphericnumericalmodelsarebasedonEnergyequation.－－Thermodynamicequation：⑥Heatingduetocondensationalprocesses⑤Netradiativeheating②HorizontalHeattransport③VerticalHeattransport④Conversionofkinetictopotentialenergy.①LocalvariationofEnergy①②③④⑤⑥2023/4/158zero-dimensionalgeneralcirculationmodelSisthenetsolarradiationabsorbedbytheEarth-atmospheresystem,F

isthelong-waveradiationemittedtospace.Averagingthisequationoverhorizontalandverticaldimensionsyields2023/4/159

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)）

2023/4/1510簡單能量平衡模式（0維能量平衡模式）Simpleenergybalancemodel(EBM)ReflectedSolarEmittedInfraredSolarInAbalanceexistbetweentheabsorbedsolarandemittedlong-waveradiationForalongtimemeanandforastableclimate：2023/4/1511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（Planetary

Albedo）2023/4/1512

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)）

2023/4/1513一維輻射對(duì)流模式1-Dradiative-convectivemodel(RCM)Ifaveragingisperformedonlyoverhorizontaldirection：Agloballyaveragedverticalprofileoftemperatureone-dimensionalradiative-convectivemodel(RCM)2023/4/1514一維能量平衡模式1-Denergybalancemodel(EBM)Averagingtheequationintheverticalandlongitudinaldirection:TasafunctionoflatitudePole-wardheattransportone-dimensionalenergybalancemodel(EBM)2023/4/1515二維氣候模式Two-dimensionalmodelsByaveragingthermodynamicequationinlongitudeonlyThistypeofmodelrequiresarelationshipforthepole-wardandverticalheattransportsintermsofthezonalmeantemperature.Thisisatwo-dimensionalenergybalancemodel,whichrequiresarelationbetweenthehorizontalheat

transportterm.Averagingitoverpressure,butnotoverthehorizontaldomain：2023/4/1516三維大氣環(huán)流模式3-DAtmosphericgeneralcirculationmodels(AGCMs)大氣運(yùn)動(dòng)方程組：2023/4/1517

OGCMSeaIceModelAGCMSSTandSeaIceWindStress、P-E、NetHeatFlux海氣耦合模式CoupledOcean-AtmosphereModel(CGCM)2023/4/1518現(xiàn)代氣候數(shù)值模擬的主要任務(wù)：

通過數(shù)學(xué)物理方法來描述氣候系統(tǒng)內(nèi)部的各種復(fù)雜的相互作用過程和反饋機(jī)制，并采用數(shù)值計(jì)算方法通過計(jì)算機(jī)來進(jìn)行模擬。認(rèn)識(shí)氣候變化的形成和演變的基本規(guī)律，理解氣候系統(tǒng)內(nèi)部的各種復(fù)雜的相互作用過程和反饋機(jī)制，從而能夠?qū)夂蜃兓龀鲱A(yù)測（預(yù)估）。氣候模式設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到一下四個(gè)方面：（1）模擬出氣象要素（溫度、降水、風(fēng)和風(fēng)暴強(qiáng)度等）的平均值、還要模擬它們的變幅與極端值和其他自然變率等（2）包含氣候系統(tǒng)中許多重要的物理過程以及它們之間的相互作用（3）能夠?qū)⒏魅幽Ｊ交蛭锢磉^程有機(jī)集合在一起（4）能夠?qū)ξ磥韼资踔辽习倌甑臍夂蜃兓鞒鲱A(yù)測2023/4/1519AGCMOGCMLSMSea-iceModelBiochemicalModel……氣候系統(tǒng)模式ClimatesystemModelAtmosphereCryo-sphereLandBiosphereOceanAGCMOGCMSeaIceLandIceSnowCoverSeaIce

ModelSea-Bio.Land-Bio.LSMCPLFivesub-components:2023/4/1520氣候數(shù)值模擬基本方法和技術(shù)數(shù)值模擬的基礎(chǔ)模式的基本方程組方程的變換、變形；地圖投影及變換；模式的初始化（資料同化）模式的后處理動(dòng)力框架物理過程氣候數(shù)值模式物理過程參數(shù)化計(jì)算方案（方程求解方案）模式的評(píng)估與應(yīng)用2023/4/1521AGCMOGCMLSMSea-iceModelBiochemicalModel……氣候系統(tǒng)模式ClimatesystemModelAtmosphereCryo-sphereLandBiosphereOceanAGCMOGCMSeaIceLandIceSnowCoverSeaIce

ModelSea-Bio.Land-Bio.LSMCPLFivesub-components:2023/4/1522氣候系統(tǒng)模式的基本方程組是根據(jù)物理學(xué)基本定律而建立的。

O

動(dòng)量守恒

運(yùn)動(dòng)方程（動(dòng)力過程）三個(gè)守恒定理

O

質(zhì)量守恒連續(xù)方程+水汽方程

O能量守恒熱力學(xué)方程（熱力過程）此外，反映氣候系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的狀態(tài)方程。2023/4/1523氣候系統(tǒng)的基本方程組是氣候數(shù)值模擬的基礎(chǔ)：1大氣運(yùn)動(dòng)的基本方程組2海洋運(yùn)動(dòng)的基本方程組3海冰系統(tǒng)的基本方程組4陸面過程的基本方程組2023/4/15241大氣運(yùn)動(dòng)的基本方程組大氣運(yùn)動(dòng)的方程組主要描述大氣的熱力、動(dòng)力過程。運(yùn)動(dòng)方程大氣運(yùn)動(dòng)方程組主要包括：連續(xù)方程熱力學(xué)方程狀態(tài)方程水汽方程2023/4/1525物體受力與其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的基本關(guān)系。牛頓第二定理：氣壓梯度力偏向力重力摩擦力運(yùn)動(dòng)方程:

運(yùn)動(dòng)方程2023/4/1526

連續(xù)方程（散度）（質(zhì)量散度）大氣運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程表明了大氣運(yùn)動(dòng)和大氣質(zhì)量分布的關(guān)系（質(zhì)量守恒）。2023/4/1527

狀態(tài)方程大氣的動(dòng)力學(xué)過程與熱力學(xué)過程是相互聯(lián)系、相互制約的，狀態(tài)方程表征大氣熱力狀態(tài)參數(shù)氣壓、溫度和密度之間的基本關(guān)系。干空氣：濕空氣：通用形式：2023/4/1528當(dāng)考慮濕空氣時(shí)，需引入水汽方程，且有關(guān)項(xiàng)需略作修改。干空氣有了水汽之后，氣壓、密度、氣體常數(shù)、定壓比熱等均要發(fā)生變化i)首先，討論濕空氣狀態(tài)方程（干空氣）（水汽）2023/4/1529

為濕空氣密度，R為濕空氣氣體常數(shù)上面兩式相加得到濕空氣氣壓：但此時(shí)，R不再是常數(shù)，由于水汽隨時(shí)隨地地變化，故R也變化。R與水汽含量有關(guān)。2023/4/1530由2023/4/1531

稱為虛溫故濕空氣狀態(tài)方程中，由于水汽的存在，而對(duì)氣體常數(shù)修正，現(xiàn)轉(zhuǎn)為對(duì)絕對(duì)溫度的修正。故此時(shí)，濕空氣狀態(tài)方程仍用干空氣氣體常數(shù)絕對(duì)虛溫“”為訂正后的溫度?？衫斫鉃椋焊煽諝饩哂袧窨諝獾臍鈮?，使此干空氣的密度等于濕空氣密度時(shí)，所對(duì)應(yīng)的絕對(duì)溫度。若令則2023/4/1532

熱力學(xué)方程忽略分子粘性利用狀態(tài)方程熱力學(xué)方程是熱力學(xué)第一定理（能量守恒）在大氣運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用，反映了大氣系統(tǒng)狀態(tài)的改變與熱量交換之間的關(guān)系。2023/4/1533

水汽方程水汽質(zhì)量守恒：水汽源匯項(xiàng)：湍流水汽通量（水汽擴(kuò)散）、水汽內(nèi)部變化（蒸發(fā)、凝結(jié)）。2023/4/1534矢量形式的大氣運(yùn)動(dòng)方程組2023/4/1535球坐標(biāo)下的大氣運(yùn)動(dòng)方程組：2023/4/1536薄層近似及簡化的大氣運(yùn)動(dòng)方程組大氣運(yùn)動(dòng)的薄層性質(zhì)決定：大氣運(yùn)動(dòng)的靜力平衡

P坐標(biāo)2023/4/15372023/4/1538GlobalClimateModels:Structure(Bradley,1999)2023/4/1539ResolutionIncreasesoverTimeIncreasedcomputingpowerhasallowedincreasedresolutionComputingdemandincreasesinverselywithcubeofhorizontalresolution.2023/4/1540DevelopmentofGlobalClimateModels(GCMs)…andincreasingcomplexity.2023/4/15412海洋運(yùn)動(dòng)的基本方程組海洋運(yùn)動(dòng)的方程組主要描述海洋的運(yùn)動(dòng)（海水的流動(dòng)）、海水的溫度、鹽度等狀態(tài)的變化過程。運(yùn)動(dòng)方程熱力學(xué)方程鹽度方程連續(xù)方程狀態(tài)方程2023/4/1542球坐標(biāo)下的海洋運(yùn)動(dòng)方程組：靜力平衡2023/4/1543連續(xù)方程熱力學(xué)方程鹽度方程不可壓2023/4/15443海冰系統(tǒng)的基本方程組海冰與海洋、大氣不同，海冰的性質(zhì)是不連續(xù)的；海冰同時(shí)受到大氣和海洋的影響。海冰系統(tǒng)的基本方程主要考慮：①與冰蓋熱力學(xué)有關(guān)的計(jì)算：計(jì)算確定海冰厚度及溫度結(jié)構(gòu)，以能量守恒原理為基礎(chǔ)；②與海冰動(dòng)力學(xué)有關(guān)的計(jì)算：計(jì)算確定海冰的運(yùn)動(dòng)，以動(dòng)量守恒原理為基礎(chǔ)。海冰系統(tǒng)的基本方程組，其中包括海冰系統(tǒng)的熱力學(xué)方程組和動(dòng)力學(xué)方程組，而海冰系統(tǒng)的熱力學(xué)方程組考慮了有、無積雪覆蓋兩種情況。2023/4/15451無雪蓋海冰系統(tǒng)的熱力學(xué)方程組無雪覆蓋海冰系統(tǒng)的基本方程包括：冰氣交界面的能量平衡方程冰的熱傳導(dǎo)方程冰海交界面的能量平衡方程。冰氣交界面的能量平衡方程2023/4/1546冰的熱傳導(dǎo)方程冰海交界面的能量平衡方程。上述3個(gè)方程構(gòu)成了無雪覆蓋海冰系統(tǒng)的熱力學(xué)方程組，可得海冰厚度和溫度的變化。2023/4/15472有雪蓋海冰系統(tǒng)的熱力學(xué)方程組有雪覆蓋海冰系統(tǒng)的基本方程包括：雪氣交界面的能量平衡方程積雪的熱傳導(dǎo)方程冰雪界面的能量平衡方程冰的熱傳導(dǎo)方程冰海交界面的能量平衡方程。雪氣交界面的能量平衡方程2023/4/1548積雪的熱傳導(dǎo)方程冰雪界面的能量平衡方程冰的熱傳導(dǎo)方程冰海交界面的能量平衡方程2023/4/15493海冰系統(tǒng)的動(dòng)力方程海冰系統(tǒng)的動(dòng)力方程主要考慮作用于海冰的5個(gè)作用力：2023/4/15504陸面過程的基本方程組陸面過程的基本方程主要：利用能量和質(zhì)量平衡方程，對(duì)土壤溫度、濕度、積雪量等陸面狀態(tài)參量，以及地氣之間的能量通量（輻射通量、感熱通量、潛熱通量）、質(zhì)量通量（水汽通量、生物氣體通量等）和動(dòng)量通量進(jìn)行描述；在描述陸面狀態(tài)變化的同時(shí)，為大氣模式提供陸地部分的下邊界條件。2023/4/1551陸面過程的基本方程主要包括：地氣界面的能量平衡方程土壤的熱量平衡通常用熱傳導(dǎo)方程積雪的熱傳輸方程土壤水的質(zhì)量平衡植被冠層的水量平衡積雪的雪量收支平衡2023/4/1552

陸面能量平衡過程地氣界面的能量平衡方程土壤的熱量平衡通常用熱傳導(dǎo)方程積雪的熱傳輸方程2023/4/1553熱量平衡2023/4/1554

陸面質(zhì)量平衡過程土壤水的質(zhì)量平衡植被冠層的水量平衡積雪的雪量收支平衡2023/4/1555

陸氣界面通量的計(jì)算動(dòng)量通量水汽通量潛熱通量感熱通量2023/4/1556氣候模式的敏感性2023/4/1557

“氣候敏感性”是指當(dāng)輻射強(qiáng)迫發(fā)生一個(gè)單位的變化時(shí)表面氣溫的平衡變化（℃/Wm-2）

。這可以定義一個(gè)氣候敏感性參數(shù)來表示這種線性關(guān)系：

ΔTs/ΔF=λ

該方程也表示地表-對(duì)流層系統(tǒng)在外加輻射擾動(dòng)強(qiáng)迫下，由一種平衡態(tài)向另一平衡態(tài)的過渡。

氣候敏感性的概念最早在一維輻射-對(duì)流模式研究時(shí)提出。在這種模式中，對(duì)于各種輻射強(qiáng)迫近于是一個(gè)常參數(shù)，一般約0.5K/(Wm-2)，因而強(qiáng)迫和響應(yīng)之間存在著一種可能的普適關(guān)系。正由于這種特征，使輻射強(qiáng)迫被看作一種有用的工具去近似估算不同外加輻射擾動(dòng)下引起的相對(duì)氣候影響。對(duì)于較復(fù)雜的氣候模式，各模式λ的值可能不同，但對(duì)每一模式本身，不論輻射擾動(dòng)差別多大，一般明顯地保持常數(shù)。。2023/4/1558平衡氣候敏感性：當(dāng)氣候系統(tǒng)模式達(dá)到平衡態(tài)時(shí)，大氣CO2濃度加倍后保持不變情況下地球達(dá)到一個(gè)新穩(wěn)定態(tài)時(shí)長期近地面溫度的增加值。瞬變氣候響應(yīng)：對(duì)大氣CO2濃度每年增加1%的特殊情形，當(dāng)CO2濃度達(dá)到2倍時(shí)的全球平均溫度變化。2023/4/1559多模式預(yù)測的減排后未來300年氣溫變化（相對(duì)于1980-1999年）。對(duì)A2，A1B,B1排放情景2100年以后的曲線是把溫室氣體濃度穩(wěn)定在2100年時(shí)的理想預(yù)測增溫。常成分承諾曲線是溫室氣體穩(wěn)定在2000年預(yù)測到2100年時(shí)的增溫。陰影為正負(fù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（Meehl，2009）2023/4/1560

一般是用2倍CO2作為基準(zhǔn)來比較氣候敏感性。在IPCC第二次評(píng)估報(bào)告中（1995年），CO2加倍情況下的氣候敏感性是在1.5-4.5℃范圍內(nèi)。許多試驗(yàn)表明，對(duì)于未來100年可能發(fā)生的氣候強(qiáng)迫量級(jí)而言，氣候敏感性可近似看作常數(shù)，即全球平均地表溫度響應(yīng)粗略地正比于全球平均強(qiáng)迫。此外，對(duì)于不同的強(qiáng)迫，氣候敏感性基本上不依賴于造成該全球平均強(qiáng)迫因子是如何組合的。也就是說，在全球平均溫度響應(yīng)只依賴于全球平均強(qiáng)迫的情況下，如果溫室氣體，太陽輻射和氣溶膠有與2倍CO2相同的凈強(qiáng)迫，則它們的任何組合將產(chǎn)生同樣的全球平均穩(wěn)態(tài)溫度響應(yīng)。2023/4/1561

氣候敏感性既依賴于施加于氣候系統(tǒng)的強(qiáng)迫作用類型及其地理和垂直分布，又取決于反饋過程的強(qiáng)度。由于反饋過程與平均氣候態(tài)有關(guān)，因而也取決于平均氣候態(tài)。氣候敏感性涉及的關(guān)鍵物理過程有水汽，大氣遞減率，地面反照率（主要由冰、雪范圍變化引起）和云反饋。近幾十年氣候模式有了明顯的改進(jìn)，尤其是對(duì)云、邊界層和對(duì)流等參數(shù)化過程。在此基礎(chǔ)上對(duì)平衡氣候敏感性也進(jìn)行了許多試驗(yàn)。有些模式顯示，由于云參數(shù)化或云—輻射特性表征的改進(jìn)，使氣候敏感性有改變。但大多數(shù)模式中氣候敏感性的變化并不能歸因于模式中某一具體物理因子處理上的改變。這是因?yàn)槟Ｊ街形锢硪蜃訁?shù)化的變化是非線性相互作用的，A與B因子之和并不等于A+B的變化。另外，個(gè)別變化的全球效應(yīng)大致相互抵消。因而這使得，氣候模式及其關(guān)鍵物理過程的參數(shù)化及其可能表征有明顯改進(jìn)，但氣候敏感性并不表現(xiàn)出很大的變化。下面給出的不同年代氣候敏感性值及其變化范圍清楚地印證了這一點(diǎn)。2023/4/1562

在1970年代末（1979年），當(dāng)時(shí)根據(jù)2個(gè)模式的模擬，得到了CO2加倍條件平衡敏感性的范圍是1.5-4.5℃，自此以后的三十多年中，雖然模式大大改進(jìn)并且與觀測進(jìn)行了更全面的比較，但模式計(jì)算的氣候敏感性范圍并沒有明顯減少，第一、二、三次IPCC評(píng)估報(bào)告中平衡氣候敏感性都維持1.5-4.5℃這個(gè)范圍。最近IPCC第四次評(píng)估報(bào)告中給出的平衡氣候敏感性是2.1-4.4℃，平均值為3.2℃，與第三次評(píng)估報(bào)告（2001年）的敏感性相近，如果以平均值±1標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，則第二、三、四IPCC評(píng)估報(bào)告的值分別為：3.8±0.78℃（17個(gè)模式得到），3.5±0.92℃（15個(gè)模式得到）與3.26±0.69℃（18個(gè)模式得到）。對(duì)于瞬變氣候響應(yīng)（TCR），第二次（1995年）與第三次（2001年）評(píng)估報(bào)告中得到的TCR分別是1.1-3.1℃（平均值是1.8℃）與1.3-2.6℃（中值為1.6℃），到2007年發(fā)表的IP