1、第三篇 人類活動與全球變化1第一篇 全球變化研究的基本問題第一章 全球變化產(chǎn)生的科學(xué)背景及其研究的內(nèi)容和意義第二章 全球變化科學(xué)的最新進(jìn)展第三章 全球變化的主要特征與驅(qū)動力第四章 全球變化的主要過程2第二篇 以自然為主的全球變化第五章 全球自然環(huán)境的形成與演化第六章 全球冰雪圈和海面變化第七章 ENSO與溫鹽環(huán)流第八章 青藏高原隆升及其環(huán)境效應(yīng)第九章 臭氧層的破壞及其環(huán)境效應(yīng)3第三篇 人類活動與全球變化 第十章 氣候變化的觀測事實(shí) 第十一章 城市氣候第四篇4第十章 氣候變化的觀測事實(shí) 10.1 全球氣候變化的觀測事實(shí) 10.2 極端天氣氣候事件的變化第11章51961-1990年均值10年滑動

2、平均過去140年地球表面溫度變化 來自：IPCC(2001)紅柱年平均，據(jù)器測數(shù)據(jù)；黑線10年滑動平均；黑色區(qū)間線95%的置信區(qū)間； 20世紀(jì)內(nèi)地球表面平均溫度上升了0.6 0.2oC 在北半球，20世紀(jì)90年代很可能是有器測記錄（1861）以來最熱的年代，1998年是有器測記錄以來最熱的一年； 20世紀(jì)內(nèi)兩次增溫期最為明顯：19101945，19762000。結(jié)論6 (b) global average sea level from tide gauge (blue) and satellite (red) data (c) Northern Hemisphere snow cover fo

3、r March-April Smoothed curves represent decadal averaged value； Circles show yearly values The shaded areas are the uncertainty intervalsfrom IPCC (2007)7根據(jù)全球地表溫度的器測資料 （自1850年以來），最近12年（19952006 年） 中，有11 年位列最暖的12個年份之中。最近100 年（1906 2005 年）的溫度線性趨勢為0.74C （0.560.92C），這一趨勢大于第三次評估報告給出的0.6C（0.40.8C ）的相應(yīng)趨勢（1

4、9012000 年）。全球溫度普遍升高，在北半球高緯度地區(qū)溫度升幅較大。陸地區(qū)域的變暖速率比海洋快。IPCC, 20078IPCC, WG1AR5，20149Global Historical Climatology Network Version 3 (GHCNv3) incorporates many improvements (Lawrimore et al., 2011) but was found to be virtually indistinguishable at the global mean from version 2 (used in AR4). Goddard Ins

5、titute of Space Studies (GISS) continues to provide an estimate based upon primarily GHCN, accounting for urban impacts through nightlights adjustments (Hansen et al., 2010). CRUTEM4 (Jones et al., 2012) incorporates additional station series and also newly homogenized versions of many individual st

6、ation records.A new data product from a group based predominantly at Berkeley (Rohde et al., 2013a) uses a method that is substantially distinct from earlier efforts. Despite the range of approaches, the long-term variations and trends broadly agree among these various LSAT (Land Surface Air Tempera

7、ture) estimates, particularly after 1900. Global LSAT has increased (Figure 2.14).10IPCC, WG1AR5，201411IPCC, WG1AR5，201412IPCC, WG1AR5，201413 就增溫的速度和持續(xù)時間而言，20世紀(jì)很可能是過去1000年中最強(qiáng)烈的世紀(jì)； 90年代可能是過去1000年中最熱的年代。過去1000年北半球的溫度變化 來自：IPCC(2001)紅線：年平均，據(jù)器測數(shù)據(jù)蘭線：年平均，據(jù)樹輪、珊 瑚、冰芯、歷史文獻(xiàn)黑線：50年滑動平均灰線：95%的置信區(qū)間橫軸：1961-1990年的均

8、值14全球溫度變化-區(qū)域差異來源：IPCC第三次評估報告15Map of the observed surface temperature change from 1901 to 2012 derived from temperature trends determined by linear regression Trends have been calculated where data availability permits a robust estimate (i.e., only for grid boxes with greater than 70% complete recor

9、ds and more than 20% data availability in the first and last 10% of the time period). Other areas are white. Grid boxes where the trend is significant at the 10% level are indicated by a + sign.IPCC, WG1AR5，201416Trends in surface temperature for 19012012. White areas indicate incomplete or missing

10、data. Trends have been calculated only for those grid boxes with greater than 70% complete records and more than 20% data availability in first and last decile of the period.Black plus signs (+) indicate grid boxes where trends are significant (i.e., a trend of zero lies outside the 90% confidence i

11、nterval). IPCC, WG1AR5，201417Trends in surface temperature from NCDC MLOST for three nonconsectutive shorter periods (19111940; 19511980; 19812012). White areas indicate incomplete or missing data. Trends and significance have been calculated.18How Do We Know the World Has Warmed?Evidence for a warm

12、ing world comes from multiple independent climate indicators, from high up in the atmosphere to the depths of the oceans. They include changes in surface, atmospheric and oceanic temperatures; glaciers; snow cover; sea ice; sea level and atmospheric water vapour. Scientists from all over the world h

13、ave independently verified this evidence many times. That the world has warmed since the 19th century is unequivocal.Discussion about climate warming often centres on potential residual biases in temperature records from landbased weather stations. These records are very important, but they only rep

14、resent one indicator of changes in the climate system. Broader evidence for a warming world comes from a wide range of independent physically consistent measurements of many other, strongly interlinked, elements of the climate system (FAQ 2.1, Figure 1，next page).A rise in global average surface tem

15、peratures is the best-known indicator of climate change. Although each year and even decade is not always warmer than the last, global surface temperatures have warmed substantially since 1900.1920IPCC,201421 下圖（IPCC,2007）為觀測到的大陸與全球尺度地表溫度變化與使用自然強(qiáng)迫和人為強(qiáng)迫的氣候模式模擬結(jié)果的比較。相對1901至1950年相應(yīng)平均值，圖中給出了1906至2005年觀測

16、到的十年平均值(黑線)，對應(yīng)于該十年的中心繪制。虛線部分表示空間覆蓋率低于50%。藍(lán)色陰影表示僅使用太陽活動和火山自然強(qiáng)迫的5個氣候模式19個模擬試驗(yàn)結(jié)果的5%至95%可信度范圍。紅色陰影表示同時使用自然強(qiáng)迫和人為強(qiáng)迫的14個氣候模式58個模擬試驗(yàn)結(jié)果的5%至95%可信度范圍。222310.2 極端天氣氣候事件的變化一、極端天氣氣候事件的定義二、氣候變化對極端天氣的影響三、山東省氣候變化對極端氣溫事件的影響24在全球變暖的大背景下，極端天氣氣候事件的變化引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。區(qū)域性洪澇、干旱、高溫、臺風(fēng)、雨雪冰凍等極端氣候事件日益加劇，尤其是20世紀(jì)80年代以來，全球范圍內(nèi)頻繁發(fā)生的極端

17、氣候事件給生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活造成了嚴(yán)重的影響和損失。25極端天氣氣候事件的定義極端天氣氣候事件的定義與天氣氣候狀態(tài)的概率分布有關(guān)，當(dāng)天氣氣候狀態(tài)嚴(yán)重偏離其平均態(tài)時，在統(tǒng)計(jì)意義上便可認(rèn)為是不易發(fā)生的小概率事件，稱為極端天氣氣候事件。分類：極端天氣事件、極端氣候事件為了有效推動世界各國開展極端天氣氣候事件變化檢測研究，WMO（ World Meteorological Organization）氣候委員會等組織聯(lián)合成立了氣候變化監(jiān)測和指標(biāo)專家組（ ETCCDI，Expert Team on Climate Change Detection and Indices），定義了27 個典型的極

18、端氣候指數(shù)，其中包括16 個極端氣溫指數(shù)和11 個極端降水指數(shù) 。26272829平均狀態(tài)變化平均狀態(tài)與離差幅度同時變化離差幅度變化2930全球變暖導(dǎo)致極端天氣氣候事件增多3020世紀(jì)天氣和氣候極端事件的變化 31 Trenberth等（1998）指出，地面溫度的升高會使地表蒸發(fā)加劇，使得大氣保持水分的能力增強(qiáng)，大氣水分含量增加。地面蒸發(fā)能力增強(qiáng)，將使干旱更易發(fā)生，同時為了與蒸發(fā)相平衡，降水也將增長，易發(fā)生洪澇災(zāi)害。研究表明，氣候的變化還會通過影響大氣中的水分含量，繼而影響大氣的特性，對中小尺度的極端天氣氣候事件產(chǎn)生影響。引自中國氣候與環(huán)境演變：2012 （第一卷 科學(xué)基礎(chǔ)）第七章 7.8 全

19、球氣候變化與極端天氣氣候事件的聯(lián)系32 對于全球來說，自20世紀(jì)70年代以來，極端天氣氣候事件明顯變化，在更大范圍的地區(qū)，尤其是在熱帶和副熱帶，與溫度升高和降水減少有關(guān)的變干增加，促成了干旱的強(qiáng)度更強(qiáng)、持續(xù)時間更長，而大多數(shù)陸地上的強(qiáng)降水事件發(fā)生頻率也有所增加；冷晝、冷夜和霜凍發(fā)生頻率在減少，而熱晝、熱夜和熱浪的發(fā)生頻率增加等。（表）引自中國氣候與環(huán)境演變：2012 （第一卷 科學(xué)基礎(chǔ)）第七章 7.8 全球氣候變化與極端天氣氣候事件的聯(lián)系3334但對龍卷風(fēng)、冰雹等小尺度極端天氣現(xiàn)象，由于時間和空間尺度太小，加上受局地性因素的強(qiáng)烈影響，現(xiàn)有的觀測資料很難全面反映出它們在全球范圍受到氣候變化影響的

20、真實(shí)情況。引自中國氣候與環(huán)境演變：2012 （第一卷 科學(xué)基礎(chǔ)）第七章 7.8 全球氣候變化與極端天氣氣候事件的聯(lián)系35三、山東省氣候變化對極端氣溫事件的影響1 研究范圍及地面氣象站分布2 所選極端氣溫指數(shù)的定義3 極端氣溫事件的時空變化 時間變化 空間變化4 極端氣溫事件與氣候變化的關(guān)系最高、最低氣溫和氣溫日較差的變化極端氣溫指數(shù)與平均氣溫之間的關(guān)系氣候突變前后極端氣溫指數(shù)的變化5 主要結(jié)論361 研究范圍及地面氣象站分布372 所選極端氣溫指數(shù)的定義383 極端氣溫事件的時空變化19712013年山東省極端氣溫指數(shù)的變化時間變化39空間變化1971-2013年山東省極端氣溫指數(shù)變化趨勢的空

21、間分布（單位：/10a）404 極端氣溫事件與氣候變化的關(guān)系19712013年山東省最高(a)、最低(b)氣溫以及氣溫日較差(c)的距平變化趨勢最高、最低氣溫和氣溫日較差的變化4119712013年山東省極端氣溫指數(shù)與平均氣溫之間的相關(guān)系數(shù)極端氣溫指數(shù)與平均氣溫之間的相關(guān)系數(shù)42氣候突變前后極端氣溫指數(shù)的變化氣候突變前后山東省極端氣溫指數(shù)的變化（單位：d）435 主要結(jié)論氣溫增暖過程中，最低氣溫對氣溫增暖的貢獻(xiàn)最大，而最低氣溫對極端氣溫指數(shù)的影響表現(xiàn)為低溫、暖夜和冷夜日數(shù)的變化趨勢比高溫、暖晝和冷晝?nèi)諗?shù)的變化趨勢更顯著。高溫日數(shù)對平均氣溫的變化不敏感，而其他指數(shù)對平均氣溫的變化較敏感，其中與最

22、低氣溫相關(guān)的指數(shù)（低溫、暖夜、暖晝）對平均氣溫的變化最為敏感。極端氣溫指數(shù)的變化與區(qū)域性增暖有密切關(guān)系，氣候變暖突變前后，高溫日數(shù)變化不明顯，暖晝和暖夜日數(shù)明顯增加，低溫、冷晝、和冷夜日數(shù)明顯減少。44第十一章 城市氣候一、城市氣候的概念與形成二、城市氣候的影響范圍三、城市氣候的特點(diǎn)四、城市氣候?yàn)?zāi)害的防御與局地氣候的改善451、城市氣候的概念城市氣候是在區(qū)域氣候背景上，經(jīng)過城市化后，在人類活動影響下而形成的一種特殊局地氣候（周淑貞等）。城市氣候是在區(qū)域氣候背景上，在城市受其下墊面和人類活動影響下而形成的一種特殊局地氣候。46小氣候的概念小氣候形成的物理基礎(chǔ)小氣候的基本特征47由下墊面條件影響而

23、形成與大范圍氣候不同的貼地層和土壤上層的氣候，稱為小氣候。根據(jù)下墊面類別的不同，可分為農(nóng)田小氣候，森林小氣候，湖泊小氣候等等。與大范圍氣候相比較，小氣候有五大特點(diǎn)： （1） 范圍小 鉛直方向大概在100米以內(nèi)，主要在2米以下，水平方向可以從幾毫米到幾十公里。因此，常規(guī)氣象站網(wǎng)的觀測不能反映小氣候差異。對小氣候研究必須專門設(shè)置測點(diǎn)密度大，觀測次數(shù)多，儀器精度高的小氣候考察。 48（2）差別大 無論鉛直方向或水平方向氣象要素的差異都很大，例如：在靠近地面的貼地層內(nèi)，溫度在鉛直方向遞減率往往比上層大23個量級。 （3）變化快 在小氣候范圍內(nèi)，溫度、濕度或風(fēng)速隨時間的變化都比大氣候快，具有脈動性。例如

24、：M. N. 戈?duì)柶澛?厘米高度上，25分鐘內(nèi)測得溫度最大變幅為7.1。 日變化劇烈，越接近下墊面，溫度、濕度、風(fēng)速的日變化越大，例如：夏日地表溫度日變化可達(dá)40，而2米高處只有10。49 （4）較穩(wěn)定 小氣候規(guī)律較穩(wěn)定。只要形成小氣候的下墊面物理性質(zhì)不變，它的小氣候差異也就不變。因此，可從短期考察了解某種小氣候特點(diǎn)。 由于小氣候影響的范圍正是人類生產(chǎn)和生活的空間，研究小氣候具有很大實(shí)用意義。我們還可以利用小氣候知識為人類服務(wù)，例如：城市中合理植樹種花，綠化庭院，改善城市下墊面狀況，可以使城市居民住宅區(qū)或工廠區(qū)的小氣候條件得到改善，減少空氣污染。502、城市氣候的形成 城市氣候城市內(nèi)部形成

25、的不同于城市周圍地區(qū)的特殊小氣候。 下墊面性質(zhì)的變化； 大氣成分的改變； 人為熱的排放； 人為水汽的排放。 城市除了受當(dāng)?shù)鼐暥取⒑ｊ懳恢谩⑻栞椛洹⒋髿猸h(huán)流和地形地貌等區(qū)域氣候因素的作用外，受強(qiáng)烈的人類活動的影響，在區(qū)域氣候的背景下，形成有別于附近郊區(qū)的局地氣候。51城市下墊面性質(zhì)變化及其影響下墊面性質(zhì)的變化 影響下墊面的熱力學(xué)特性影響溫度 比熱、熱容量、導(dǎo)熱率、吸熱、反射、蓄熱能力 對太陽輻射的反射率比郊區(qū)小； 導(dǎo)熱率、熱容量比郊區(qū)大，蓄熱能力強(qiáng)。下墊面的水份循環(huán)特性影響濕度 蒸發(fā)、蒸騰、凝結(jié)、透水、貯水 貯藏水分能力差，蒸發(fā)（蒸騰）比郊區(qū)小。 下墊面的動力學(xué)特性影響氣流 下墊面粗糙度大，風(fēng)

26、速小，不利于熱量擴(kuò)散。52大氣成分改變及其影響主要是：CO2，NOx，CO，顆粒物，二次污染物影響 影響城市空氣透明度，減弱能見度 改變太陽入射輻射，散射輻射和地面的長波輻射 特別是CO2，CH4，O3等溫室氣體，吸收地面長波輻射，大氣逆溫輻射，地面不易冷卻，城市氣溫比郊區(qū)高 為云、霧，降水提供了凝結(jié)核53城市人為熱釋放及其影響人為熱：由于人類生產(chǎn)、生活活動以及生物新陳代謝所產(chǎn)生的熱量影響改變了城市區(qū)域的能量平衡，形成城市熱島產(chǎn)生局地氣候變化54二、城市氣候的影響范圍城市覆蓋層（城市冠層，UrbanCanopy ） 城市邊界層（Urban Boundary Layer ） 城市尾羽層（市尾煙氣

27、層） 鄉(xiāng)村邊界層 城市大氣塵蓋55城市化對氣候影響的范圍城市化對全球大尺度氣候的影響是不重要的。城市化對氣候的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了局地氣候的范圍，甚至可影響到全球氣候，因?yàn)椋涸S多人為污染物、人為熱和二氧化碳的釋放對各種尺度的氣候都有明顯的影響，而它們來源于城市的比重很大。城市尾羽層覆蓋了相當(dāng)大的面積。大尺度和中尺度天氣系統(tǒng)如氣旋、鋒面等經(jīng)過大城市時，受當(dāng)?shù)叵聣|面的影響，其移動路徑、強(qiáng)度、速度和性質(zhì)都會發(fā)生變化。許多城市集中分布在一個區(qū)域，形成一個大城市群。城市化所占地球面積的比例雖然很小，但居住在城市中的人口比重卻很大，而且增長速度很快。56三、城市氣候的特點(diǎn) 城市化對溫度的影響城市熱島 城市化對空

28、氣濕度的影響城市濕島、干島 城市化對降水的影響城市雨島 城市化對風(fēng)的影響風(fēng)速小，熱島環(huán)流57城市熱島及表示方法城市熱島效應(yīng)（heat island effet）：城市氣溫高于四周郊區(qū)氣溫的現(xiàn)象。由農(nóng)村至城市邊緣的近郊，氣溫陡然升高，形成“陡岸”；到了城市，溫度梯度比較平緩，形成“高原”；到城市中心人口和建筑密度增加，溫度更高，形成“山峰”。58城市熱島的表示方法城市熱島強(qiáng)度 城市氣溫與郊區(qū)同期（瞬時、日均、月均、年均等）氣溫差值的大小。溫度對比： 同一時段城市與郊區(qū)氣溫的對比; 城市發(fā)展過程中測站本身氣溫的前后對比59城市熱島的時空分布特點(diǎn)空間分布（1）水平方向城市高溫中心出現(xiàn)在人口密集、建筑

29、密度大、工商業(yè)最集中地區(qū)；城市高溫區(qū)內(nèi)等溫線稀疏，氣溫水平梯度小；城市邊緣氣溫水平梯度大，等溫線密集。（2）垂直方向：熱島強(qiáng)度隨高度的變化因城市不同而有所差別，地面附近熱島強(qiáng)度最大，向上逐漸減弱，甚至出現(xiàn)負(fù)值時間變化（1）日變化主要是一種夜間現(xiàn)象。21時為一天中最強(qiáng)，日出后減弱，午后13時最弱（2）季節(jié)變化因區(qū)域氣候條件和城市人為因素而異。我國：季風(fēng)氣候區(qū)，秋冬季大、春夏季弱。 60城市大氣水分效應(yīng)城市空氣濕度城市干島：城區(qū)的絕對濕度和相對濕度都比郊區(qū)小。白天、盛夏城市濕島：夜間（靜風(fēng)或小風(fēng)）城區(qū)水汽含量比郊區(qū)大的“城市濕島”現(xiàn)象。 郊區(qū)由于凝露量大，空氣中水汽含量少城市的云和霧霧：水汽在凝結(jié)

30、核上形成小水滴，懸浮在空氣中，水平能見度小于1km時。 “濕霧”，“濁霧”。 對生態(tài)環(huán)境影響： 影響能見度；加劇污染濃度。云：城市化使云量增多。61城市雨島城市雨島效應(yīng)：城市及其下風(fēng)方向降水增多的現(xiàn)象。城市化影響降水的機(jī)制：城市熱島效應(yīng)：城市上空氣層的層結(jié)不穩(wěn)定，有利于熱力對流，在水汽充足時，易形成對流云和對流性降水；摩擦阻擋（城市阻障）效應(yīng)：城市參差不齊的建筑物對氣流有機(jī)械阻障，觸發(fā)湍流，使移動的降水系統(tǒng)移動減慢，導(dǎo)致城市降水強(qiáng)度增強(qiáng)，降水時間延長。城市凝結(jié)核效應(yīng)：城市空氣中凝結(jié)核多，可促使生成水氣凝結(jié)和雨滴，從而增加降水 62城市降水變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)城市降水量增加的直接后果：雨洪徑流增大

31、地面侵蝕，受納水體污染加劇，河道淤積冰雹，雷暴等對人民生命財產(chǎn)危害，下雨能見度低，使交通事故率增加優(yōu)點(diǎn)：使枯季徑流增大，緩解枯季供水緊張狀況63城市對風(fēng)的影響城市摩擦作用使風(fēng)速減小城市熱島環(huán)流城市建筑物由于受熱不均而產(chǎn)生局部熱力環(huán)流峽谷效應(yīng)和城市急流64四、城市氣候?yàn)?zāi)害的防御與局地氣候的改善城市暴雨災(zāi)害城市高溫災(zāi)害及其防御城市“噪光”危害與防治65城市暴雨致災(zāi)原因東部季風(fēng)氣候，使降水集中于夏季“熱島效應(yīng)”、“雨島效應(yīng)”加劇暴雨下墊面的不透水性，形成徑流；排水設(shè)施不足，積水浸街。66城市高溫災(zāi)害及其防御我國高溫災(zāi)害性天氣的標(biāo)準(zhǔn)城市高溫災(zāi)害的防御減少人為熱和溫室氣體的排放量增大城市下墊面的反射率增

32、加城市水域面積和噴水、灑水設(shè)施擴(kuò)大城市綠地覆蓋率合理布局城市建筑6768城市綠化與局地氣候的改善城市綠化能調(diào)節(jié)氣溫、增加濕度、調(diào)節(jié)碳氧平衡、提供新鮮空氣、減少城市大氣污染、降低噪聲、防御風(fēng)沙、美化環(huán)境等構(gòu)建綠地系統(tǒng)構(gòu)架、因地制宜、重視道路綠化、充分發(fā)揮已有綠地的作用等。69城市“噪光”危害與防治城市“噪光”污染：所謂噪光是指對人體心理和生理健康產(chǎn)生一定影響及危害的光線。噪光帶來的污染就叫光污染。國際上一般將光污染分為三類：白亮污染、人工白晝和彩光污染。70 白亮污染，陽光照射強(qiáng)烈時，城市里建筑物的玻璃幕墻、釉面磚墻、磨光大理石和各種涂料等裝飾反射光線，明晃白亮、眩眼奪目。專家研究發(fā)現(xiàn)，長時間在

33、白亮污染環(huán)境下工作和生活的人，視網(wǎng)膜和虹膜都會受到程度不同的損害，視力會急劇下降，白內(nèi)障的發(fā)病率高達(dá)45%。還會使人頭昏心煩，甚至出現(xiàn)食欲下降、情緒低落、身體乏力等類似神經(jīng)衰弱的癥狀。 71人工白晝污染，夜幕降臨后，商場、酒店上的廣告燈、霓虹燈閃爍奪目，令人眼花繚亂。有些強(qiáng)光束甚至直沖云霄，使得夜晚如同白天一樣，即所謂人工白晝。在這樣的“不夜城”里，夜晚難以入睡，擾亂人體正常的生物鐘，導(dǎo)致白天工作效率低下。人工白晝還會傷害鳥類和昆蟲，強(qiáng)光可能破壞昆蟲在夜間的正常繁殖過程。 72彩光污染，舞廳、夜總會安裝的旋轉(zhuǎn)燈、熒光燈以及閃爍的彩色光源構(gòu)成了彩光污染。據(jù)測定，黑光燈所產(chǎn)生的紫外線強(qiáng)度大大亮于太

34、陽光中的紫外線，且對人體有害影響持續(xù)時間長。人如果長期接受這種照射，可誘發(fā)流鼻血、脫牙、白內(nèi)障，甚至導(dǎo)致白血病和其他癌變。 73第四篇 全球變化的研究方法區(qū)域氣候模式簡介74主要內(nèi)容一、區(qū)域氣候模式的研究背景二、區(qū)域氣候模式簡介三、RegCM3在中國區(qū)域氣候研究中的應(yīng)用四、展望75一、區(qū)域氣候模式的研究背景76771860-2000年全球地表溫度上升0.40.8 (平均0.6)；近百年間17個最暖年份出現(xiàn)在1983年以后。20世紀(jì)以來，1998年最暖，2002年和2003年分別為第二和第三暖年。溫度距平（）年公元18562003年全球地表溫度變化（相對于19611990年30年氣候平均）( u

35、pdated from Jones et al., 2003 )78國際社會對氣候變化高度重視 1988年，在WMO和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）的推動下，成立了政府間氣候變化專門委員會（IPCC）。該委員會組織了來自世界各地不同科學(xué)領(lǐng)域的數(shù)千名專家，對相關(guān)的科學(xué)成果及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)信息進(jìn)行綜合的分析與評估，分別于1990、1995、2001、2007和2015年完成了五次氣候變化科學(xué)評估報告。 79引起氣候變化的因素自然波動：太陽輻射的變化、火山爆發(fā)等； 人類活動： 溫室氣體和硫化物氣溶膠的排放、 土地利用的變化等1991年6月12日從克拉克空軍基地東邊拍攝的皮納圖博火山噴發(fā)的塵埃柱。圖片來源：

36、USGS80二、區(qū)域氣候模式簡介1、氣候模式的有關(guān)概念和發(fā)展 （1）氣候模式及有關(guān)的概念 （2）氣候模式的發(fā)展2、區(qū)域氣候模式簡介 （1）區(qū)域氣候模式的發(fā)展 （2）RegCM簡介81（1）氣候模式有關(guān)概念 氣象學(xué)不同于物理學(xué)和化學(xué)等學(xué)科，一般情況下，無法進(jìn)行定量的可控制的實(shí)驗(yàn)。大氣過程的復(fù)雜性，影響因子的眾多以及無重復(fù)性也是阻礙氣象科學(xué)發(fā)展的重要因素。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和計(jì)算方法的進(jìn)步使氣象學(xué)有可能進(jìn)行類似于物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)的一類實(shí)驗(yàn)數(shù)值試驗(yàn)。用以模擬大氣中發(fā)生的各種過程，所以又叫數(shù)值模擬。在數(shù)值模擬中，核心問題就是建立數(shù)學(xué)模型即模式。82 氣候數(shù)值模擬的雛型是20世紀(jì)50年代開始應(yīng)用的。從60年代以

37、后，各種形式的數(shù)值模式紛紛出現(xiàn)，如直接積分流體力學(xué)和熱力學(xué)方程組的大氣環(huán)流模式，根據(jù)能量平衡原理模擬大氣熱狀況的能量平衡模式，還有把大氣運(yùn)動當(dāng)作隨機(jī)過程處理的隨機(jī)模式和隨機(jī)、動力相結(jié)合的模式等。 83氣候系統(tǒng)的行為及其子系統(tǒng)間的相互作用，可以利用氣候模式進(jìn)行模擬研究。氣候模式的核心，是利用數(shù)學(xué)方程來描述反映氣候系統(tǒng)動力過程的基本物理規(guī)律。這些數(shù)學(xué)方程是非線性的，需要利用數(shù)值技術(shù)來求解。氣候模擬需要大量的計(jì)算機(jī)資源。什么是氣候模擬84 氣候數(shù)值模擬可以概括為在實(shí)驗(yàn)室里一定的控制條件下模擬自然界的氣候狀況，以及根據(jù)控制氣候及其變化的基本物理定律，建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)模式，在一定的初始條件和邊界條件下

38、進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，求得氣候及其變化的圖像。85氣候模型動力框架物理過程（參數(shù)化）86什么是參數(shù)化(Parameterization） 在數(shù)值模式中，不考慮過程的細(xì)節(jié)，而是用其它一些確定的變量所表示的簡化函數(shù)表示這個過程，這個方法稱為“參數(shù)化”。 氣候模式中物理過程的描述都是用參數(shù)化的方法。 任何一個或所有這些近似和參數(shù)化都可能氣候模式的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。87WMO, 世界氣候研究計(jì)劃20052015戰(zhàn)略框架，李建平 等譯，氣象出版社，200688899091(courtesy of IPCC TAR)92 模式由簡單到復(fù)雜，由模擬氣候的平衡態(tài)發(fā)展到對氣候演變過程的模擬。從70年代以來，氣候數(shù)值模擬

39、的研究取得了初步的試驗(yàn)結(jié)果。例如由模式計(jì)算出的大氣和海洋主要?dú)夂蛞氐姆植技捌浼竟?jié)變化，與實(shí)況相比，在許多方面是一致的。在人類活動對氣候的影響的估計(jì)和極冰的反饋?zhàn)饔玫确矫妫驳贸隽擞幸饬x的結(jié)果。此外，還發(fā)展了氣候?qū)Ω鞣N物理因子變化的敏感性試驗(yàn)和次網(wǎng)格物理過程的參數(shù)化研究。 93通過建立起氣候數(shù)值模式，并將其對照當(dāng)前和過去的氣候進(jìn)行驗(yàn)證，它就可以被用于預(yù)測未來氣候。更合理、更客觀的氣候數(shù)值模式，可用于研究各種因子在不同時間尺度氣候變化中所起的作用，預(yù)測人類活動對氣候的可能影響，為大范圍氣候改造和控制提供依據(jù)；也可研究在一定條件下氣候變化的可能趨勢，為氣候預(yù)報提供依據(jù)。 94二、區(qū)域氣候模式簡介區(qū)

40、域氣候與社會經(jīng)濟(jì)及人類發(fā)展有著緊密的聯(lián)系，長期以來受到世界各國氣候?qū)W家的極大關(guān)注。 目前全球環(huán)流模式對區(qū)域氣候具用一定的模擬能力，但由于其主要反映大的時間與空間尺度，水平分辨率較低，在對區(qū)域氣候的模擬中尚存在較大的不確定性，難以較為細(xì)致地模擬出中、小尺度強(qiáng)迫起主要作用的區(qū)域氣候的具體特點(diǎn)，因而需要研究區(qū)域氣候模式。 20世紀(jì)90年代以來隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，國際上在區(qū)域氣候的模擬研究方面有了較大的發(fā)展。 95（1）區(qū)域氣候模擬研究進(jìn)展在原有全球環(huán)流模式的基礎(chǔ)上，增加全球環(huán)流模式的水平分辨率，以期能在區(qū)域氣候模擬可靠性上有所提高。但這是一種不經(jīng)濟(jì)的做法，且有研究表明，對全球模式采用更高的水平分辨率，

41、并不能顯著地提高其模擬能力。 較理想的做法是在全球環(huán)流模式上采用變網(wǎng)格方案，即對所關(guān)心的區(qū)域增加水平分辨率，而對遠(yuǎn)離研究區(qū)域取低水平分辨率，以期對區(qū)域氣候模擬有較好的能力。除了節(jié)約計(jì)算時間外，此方法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以描述區(qū)域尺度和全球尺度氣候系統(tǒng)之間的相互作用，但此類模式的物理過程參數(shù)化方案需考慮將不同尺度的物理過程用統(tǒng)一的參數(shù)化方案表達(dá)，因而難度較大。 因此，近十幾年來比較流行的做法是在全球環(huán)流模式中嵌套區(qū)域氣候模式，從而提高在區(qū)域部分模擬的可靠性。 969798 （2）RegCM簡介 80年代末期Robert E. Dickinson等以及Giorgi等在PSU/NCAR的MM4模式和NCA

42、R的全球譜模式（CCM1）的基礎(chǔ)上，發(fā)展了區(qū)域氣候模式（RegCM1，1989年）。區(qū)域氣候模式具有較高的時空分辨率，能對多種不同尺度之間的相互作用進(jìn)行更好的模擬，模式對地形的描述比較細(xì)致，包含較全面的物理過程，因而能夠更好地刻畫出具有特殊地形和陸面特征的區(qū)域氣候特征。至今已發(fā)展到第四代RegCM4。RegCM系列被廣泛應(yīng)用在區(qū)域氣候變化的研究中。 99模式簡介（原理）100Schematic representation showing the horizontal Arakawa B-grid staggering of the dot and cross grid points.101h

43、orizontal Arakawa B-grid staggeringThe center point of grid squares will be referred to as cross points, and the center points are dot points.The scalars (T, q, p, etc) are defined at the center of the grid box, while the eastward (u) and northward (v) velocity components are collocated at the corne

44、rs.Data is input to the model, the preprocessors do the necessary interpolation to assure consistency with the grid.102Schematic representation of the vertical structure of the model.103 Models Vertical CoordinateThe modeling system usually gets and analyzes its data on pressure surfaces, but these

45、have to be interpolated to the models vertical coordinate before input to the model. The vertical coordinate is terrain-following (Figure) meaning that the lower grid levels follow the terrain while the upper surface is flatter.104 All the above variables are defined in the middle of each model vert

46、ical layer, referred to as half-levels and represented by the dashed lines in Figure 1. Vertical velocity is carried at the full levels (solid lines).105Dynamics (動力框架)水平動量方程 horizontal momentum equations 連續(xù)方程和方程 continuity and sigma equations熱動力方程和方程 thermodynamic equation and equation for omega靜力方

47、程 hydrostatic equation 106Horizontal Momentum Equations107Continuity and Sigma Equations108Hydrostatic Equation109Physics (物理過程)Radiation schemeLand surface model (Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme)Planetary boundary schemeConvective precipitation schemeLarge-scale precipitation schemeOcean flux

48、parameterizationPressure gradient schemeLake modelAerosols and dust (chemistry model)110模式簡介（流程結(jié)構(gòu)）預(yù)處理過程模擬過程后處理過程TERRAIN模塊ICBC模塊MAIN模塊POSTPRO模塊經(jīng)緯網(wǎng)格點(diǎn)上地形和土地利用經(jīng)緯網(wǎng)格點(diǎn)上初始?xì)庀髨瞿M區(qū)域內(nèi)，模式網(wǎng)格點(diǎn)上的地形和土地利用、初始?xì)庀髨龈鲗由希鲿r次的模擬輸出結(jié)果各等壓面上，指定平均類型及文件格式的模擬輸出結(jié)果111將土地利用和海拔高度資料內(nèi)插到模式格點(diǎn)上將海平面溫度和再分析資料內(nèi)插到模式格點(diǎn)上模擬系統(tǒng)的核心部分，計(jì)算的時間步長、物理過程的參數(shù)化方

49、案可根據(jù)使用者的需要進(jìn)行選擇。轉(zhuǎn)換輸出文件為需要的平均類型和數(shù)據(jù)格式預(yù)處理模 擬后處理MAIN模塊POSTPRO模塊TERRAIN模塊ICBC模塊經(jīng)緯網(wǎng)格點(diǎn)上的土地利用、海拔高度、海面溫度和再分析資料模擬過程的初始和邊界條件大氣、地表和輻射模式輸出文件NetCDF或GrADS格式的平均變量112三、RegCM3在中國區(qū)域氣候研究中的應(yīng)用三江源地區(qū)土地覆被變化的區(qū)域氣候響應(yīng)3.1 研究區(qū)域3.2 研究的主要內(nèi)容3.3 主要結(jié)論1133.1 研究區(qū)域 三江源自然保護(hù)區(qū)地處青藏高原腹地，位于青海省南部，是長江、黃河、瀾滄江三大河流的發(fā)源地。其地理位置為北緯31393612，東經(jīng)894510223，總

50、面積31.8萬km2。三江源自然保護(hù)區(qū)具有：是我國面積最大的自然保護(hù)區(qū)；是我國海拔最高的天然濕地，平均海拔4000米左右；是世界高海拔地區(qū)生物多樣性最集中的地區(qū)，分布珍稀野生動物70余種；是生態(tài)系統(tǒng)最敏感、脆弱的地區(qū)等顯著特點(diǎn)。114 115116Change and variability in land use by humans and the resulting alterations in surface features are major but poorly recognized drivers of long-term global climate patterns.1173

51、.2 研究的主要內(nèi)容 3.2.1 三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及氣候變化 3.2.2 模式模擬性能評價 3.2.3 三江源地區(qū)土地覆被變化對區(qū)域氣候影響的數(shù)值模擬118選取三江源地區(qū)做為研究區(qū)域采用數(shù)值模擬的方法加強(qiáng)對研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境各要素間相互關(guān)系定量的研究反饋三江源地區(qū)的氣象、水文資料三江源地區(qū)的土地利用、植被指數(shù)資料三江源地區(qū)的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及動態(tài)變化特征三江源地區(qū)土地覆被變化對區(qū)域氣候影響的數(shù)值模擬土地覆被變化對區(qū)域氣候的影響的理論分析三江源地區(qū)土地覆被變化的區(qū)域氣候響應(yīng)統(tǒng)計(jì)分析設(shè)計(jì)數(shù)值模擬試驗(yàn)方案RegCM3對中國區(qū)域氣候模擬能力檢驗(yàn)：初始場敏感性試驗(yàn)側(cè)邊界方案敏感性 試驗(yàn)積云對流參數(shù)化方

52、案敏感性試驗(yàn)水平分辨率敏感性 試驗(yàn)1193.2.1 三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及氣候變化1）三江源地區(qū)面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題2）三江源地區(qū)近幾十年來的氣候變化 1201700m4700m3000m4200m5200m5700m121三江源地區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖122三江源地區(qū)土地資源豐富，特別是牧草地資源，占全區(qū)總面積的70以上。但近些年來，由于人為和自然雙重原因，導(dǎo)致源區(qū)草地退化、鼠害猖獗、土地荒漠化、濕地萎縮、水土流失加劇等生態(tài)環(huán)境問題突出。 123數(shù)據(jù)來自潘竟虎等，2005長江、黃河源區(qū)19862000年土地利用類型變化124氣象觀測站位置示意圖125 19602005年三江源地區(qū)平均線性增溫率

53、為0.299/10a。 19712004年全國年平均線性升溫率為0.226/10a；全球?yàn)?.148/10a；同期，三江源為0.283/10a 。 三江源地區(qū)敏感性 126近46年來，三江源地區(qū)的年平均氣溫在1986年發(fā)生突變，這與馮松等發(fā)表在科學(xué)通報上的文章，分析結(jié)論是一致。超前性1986年19602005年三江源地區(qū)年平均氣溫累積距平變化曲線 127通過對“三江源地區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及動態(tài)變化研究”表明：三江源地區(qū)的氣候變化具有敏感性和超前性；該地區(qū)草地資源豐富，但目前源區(qū)面臨著草場退化嚴(yán)重等生態(tài)環(huán)境問題。1283.2 研究的主要內(nèi)容（二）3.2.2 區(qū)域氣候模式及其模擬性能評價（1） 個例試

54、驗(yàn)（模擬性能檢驗(yàn)）（2） 敏感性試驗(yàn)129個例試驗(yàn)（模擬性能檢驗(yàn)） 1994、1997、1998年夏季氣候的模擬 近地面溫度場 位勢高度場 夏季降水130 敏感性試驗(yàn)初始場敏感性試驗(yàn)水平分辨率的敏感性試驗(yàn)側(cè)邊界方案的敏感性試驗(yàn)積云對流方案的敏感性試驗(yàn) 131敏感性試驗(yàn)的結(jié)果表明：從冬季開始的積分，對初始場的依賴性較小；模式水平分辨率的提高不一定會帶來模擬效果的顯著改善；選用指數(shù)松弛側(cè)邊界方案和Grell積云對流方案模擬效果較好。敏感性試驗(yàn)的結(jié)論，為下一步應(yīng)用RegCM3研究三江源地區(qū)土地覆被變化對中國區(qū)域氣候影響的數(shù)值模擬方案的設(shè)計(jì)提供十分有價值的參考。1323.2 研究的主要內(nèi)容（三）3.2

55、.3 三江源地區(qū)土地覆被變化對區(qū)域氣候影響的數(shù)值模擬（1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)（2）控制試驗(yàn)結(jié)果分析（3）對比試驗(yàn)結(jié)果分析133試驗(yàn)設(shè)計(jì)（研究區(qū)域） 模擬區(qū)域中心位于35N ，105E，模式水平分辨率為60km，格點(diǎn)數(shù)為92（東西）82（南北），相當(dāng)于4920km5520km的范圍。 134模擬試驗(yàn)區(qū)域的地形135試驗(yàn)設(shè)計(jì)（方案選擇）采用Holtslag等1990 年發(fā)展的非局地行星邊界層參數(shù)化方案。側(cè)邊界條件采用指數(shù)松弛條件，每6小時輸入一次。積云對流方案采用Grell方案。模式的時間積分方案采用顯式分離時間積分技術(shù)。136試驗(yàn)設(shè)計(jì)（積分時間） 模擬運(yùn)行的積分時間為1991年2月17日1999年2月28日。考慮到模式的自身調(diào)整及消除初始場對試驗(yàn)結(jié)果的影響，我們只統(tǒng)計(jì)分析1991年3月1日1999年2月28日共8年的數(shù)值模擬結(jié)果。 137試驗(yàn)設(shè)計(jì)（對比試驗(yàn)）