以下文章来源于气象学报英文版JMR ,作者JMR-CMS
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发展中国的地球气候系统模式:成就与展望
周天军 陈梓明 邹立维 陈晓龙 俞永强 王斌 等
Zhou, T. J., Z. M. Chen, L. W. Zou, et al., 2020: Development of Climate and Earth System Models in China: Past achievements and new CMIP6 reults. J. Meteor. Res.,34(1), 1–19, doi: 10.1007/s13351-020-9164-0.
中国的气候系统模式研发工作始于20世纪80年代,在最近10年得到了快速发展。近期,来自国内8家主要模式研发机构的23位学者,合作在《气象学报》中英文版联名撰文,回顾我国气候模式发展的历史,总结参加第6次耦合模式国际比较计划(CMIP6)的9个中国模式的特点,并结合国际态势,从发展的角度,提出未来中国气候模式研发工作需要加强的8个方向。
现代气候学研究的一个重要进展,是提出气候系统的概念,强调把大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈等5个圈层,作为一个整体,从多圈层相互作用的角度,来研究过去和现代气候的变化规律和机理,预测和预估其未来变化。数值模拟、理论研究、观测研究,是支撑现代气候学研究的三大手段。
中国的气候模式发展始自20世纪80年代,几乎与发达国家同步。经过30多年的努力,中国在大气环流模式、海洋环流模式、陆面过程模式及其相互耦合等方面取得了令人瞩目的成绩(王斌等,2008)。
以参加历次IPCC科学评估报告和CMIP计划的中国模式为例(表1),可以清楚看到中国CSM研发的格局变化。从IPCC第1次评估报告到第4次评估报告近20年间,来自中国科学院的CSM支撑着我国参与气候模拟和预估领域的国际竞争。从CMIP1到CMIP3,参与的国际模式数量从10个逐渐增加到18个和23个,中国科学院的模式是唯一来自发展中国家的模式。
表1 参加第1到第4次IPCC科学评估报告的中国模式
Table 1 The models from China used for IPCC AR1–4
这种研发格局在CMIP5得到根本性改变。IPCC第5次评估报告于2013年发布,引用了CMIP5的模式结果。参与CMIP5的全球模式有35个,其中有6个来自我国(表2)。参与CMIP的中国模式数量从1到5的转变,反映的是模式研发队伍的壮大,我国CSM模式研发的格局,自此形成中国科学院、部委和高校共同参与的格局,这一格局在CMIP6中得到进一步加强(周天军等,2019)。
表2 参加IPCC第5次科学评估报告和CMIP5的中国模式
Table 2 The models from China that participated in CMIP5 and used for IPCC AR5
表3 中国参与CMIP6的地球气候系统模式技术指标概览
Table 3 Metrics of current earth and climate system models from China that participated in CMIP6
图1 参与CMIP6的4个中国模式预估的SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5情景下全球平均表面气温(a,单位:ºC)和全球陆地降水(b,单位:%)变化序列(相对1995–2014年平均;各序列都经过20年滑动平均,2014年之前的是历史气候模拟试验;实线表示4个模式集合平均的结果,阴影表示第5–95百分位的范围)
图2 中国参与CMIP6的4个模式预估的SSP1-2.6(a、c)和SSP5-8.5(b、d)情景下2081–2100年北半球冬季(a、b)和夏季(c、d)集合平均表面气温(单位:ºC)变化(相对1995–2014年气候态;打点区域表示至少3个模式的变化都同号)
最近5年,我国的ECSM研发工作取得了突破性的进展。这在参与CMIP的模式的数量、模式的性能、以及从事模式研发队伍的体量等方面都有体现。
在看到成绩的同时,也应看到我国的ECSM发展尚存在“多而不强”的问题,有低水平重复、碎片化发展的倾向,成果的原创性和国际影响力都有待提高,需要加强顶层设计以及科研经费管理的统筹协调。
中国学者曾呼吁和提出各种意见建议(王会军等,2004;王斌等,2008;周天军等,2014)。统筹协调是一个国际性难题,“任何涉及机构优化或经费管理优化的举措都难免带来明显紧张的气氛,因为这将触及从事气候模式研发的各个机构及其管理部门的利益”(推动气候模拟国家战略委员会,2014)。
1. 发展无缝隙天气–气候模式
国际上,支撑无缝隙预测的天气气候一体化模式是未来5–10年的发展热点。科学上,这涉及到适合多尺度的大气模式动力框架的研发,多尺度适应的模式参数化问题、耦合同化问题等。研发组织上,这涉及科研型模式和业务应用型模式的有效衔接问题。我国应尽早布局。
2. 合作研发ESM与CSM
ESM的基础是物理气候系统模式(即CSM),但由于ESM关注的生物地球化学循环过程计算量极大,单就分辨率来说,在国际上ESM一般落后于CSM大约10年。如何把CSM研发的最新成果及时应用于ESM,是目前国际关注的议题之一。
3. 加强高分辨率区域气候的模拟
参加CMIP6的大气模式最高分辨率已经达到25 km,与传统的区域气候模式的分辨率接近。国际上已开始把千米分辨率的对流相容模式(CPM)用于气候预估研究。如何在区域模拟中协调高分辨率全球模式和区域模式的发展,是未来需要关注的问题。
4. 基础设施-资料标准-协议问题
海量数据的存储和共享成为一个突出问题,构建支撑数值模拟工作的工程技术协议国际标准愈发重要。世界气候研究计划(WCRP)耦合模拟工作组(WGCM)专门成立基础设施工作组(Infrastructure Panel),负责制定模式数据共享政策和技术标准(周天军等,2019),但这些措施尚远不能解决目前所面临的挑战。
5. 观测资料与模式发展互相促进
应用卫星遥感等新观测资料进行模式检验,提升ECSM在设计、发展和优化观测系统中的作用。观测资料是检验模式性能的事实标准,同时,数值模拟和预测也会对观测系统建设提出新的需求,模拟研究还能够为观测系统的构建和优化提供指导。
6. 构建模式诊断评估和观测标准
随着天气气候一体化模式的发展,亟需构建新的检验模式性能的观测事实标准;同时,参照国际上的成功做法,还需要建立与模式研发工作相匹配的观测网。
7. 加强集合技术和不确定性研究
对应不同的模式模拟不确定性来源,发展最优集合技术,向用户提供可靠的模拟和预估产品。
8. 促进模式与用户的良好衔接
气候模拟和预测预估在支撑基础科学研究的同时,需要更好地服务于社会,同时推动模式自身的发展。
作者简介
中国科学院大气物理研究所(IAP/CAS)研究员、博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者。现任IAP副所长(主持工作)。主要从事气候动力学、气候模拟、海气相互作用和季风研究。发表学术论文300余篇,SCI引用1.2万余次,H指数60,入选科睿唯安(Clarivate Analytics)“全球高被引科学家”。现任WCRP耦合模拟工作组(WGCM)委员、WCRP平流层-对流层过程及其在气候中的作用(SPARC)计划科学指导委员会委员、IPCC AR6主要作者、CMIP6“全球季风模拟比较计划”(GMMIP)共同主席。现任《Advances in Atmospheric Sciences》主编、《Science Bulletin》副主编、英国皇家气象学会IJOC副主编、《气象学报》、《大气科学》、《Journal of Meteorological Research》常务编委、英国牛津气候科学百科全书顾问委员会委员。
材料来源:
气象学报英文版JMR