气候模拟

模拟自然界的气候状况

气候模拟是指在实验室一定的控制条件下模拟自然界的气候状况，以及根据控制气候及其变化的基本物理定律，建立起相应的数学模式，在一定的初始条件和边界条件下进行数值计算，求得气候及其变化的图像（见大气运动模型实验、大气运动数值试验）。

定义

气候模拟是模拟气候形成的过程和结果的方法。分实验模拟和数值模拟两种．前者用实脸室手段模拟各种不同气候因子的作用下的气候状况．后者运用一系列的静力学，动力学和热力学方程建立气候数学模式，在高速电子计算机上用数值方法求解。目前己经能用这些方法模拟出与实况非常一致的大气环流和温度、湿度等要素的空间分布及时间变化。

内容

气候模拟的发展说明，它是研究气候变化规律的有力的实验手段。更合理、更客观的气候模式，可用于研究各种因子在不同时间尺度的气候变化中的作用，预测人类活动对气候的可能影响，为大范围气候改造和控制提出一定依据；也可研究在一定条件下气候变化的可能趋向，为气候预报提供依据。

目前发展趋势最为可观的是区域气候模拟，区域气候模拟研究在过去十几年里取得了显著的进步。经过广泛的发展和不断的检验，区域气候模式现在已经成为气候研究和业务预报的重要工具。目前已经发表了很多令人鼓舞的结果，其中包括过去极端气候事件的模拟，当前气候发展演变和未来气候变化的预测，特别是对月和季节尺度气候的模拟与预测。通过对高分辨率和动力连续的区域气候模式结果的分析，人们对于周—季节时间尺度的各种物理过程，包括陆面和水文过程、边界层、云和降水、云-辐射相互作用的认识也在不断的深入。

然而，区域气候是多尺度扰动(如中尺度、天气尺度、行星尺度扰动)和多圈层系统(如大气圈、生物圈、水圈、冰雪圈、陆面)相互作用的结果，同时物理过程本身具有不确定性，人们对一些复杂的物理过程，特别是土壤湿度作用以及云-气候反馈过程也缺乏深刻的理解，因此该领域的研究还面临着很多挑战。

由于区域气候模式较好地表示了地形和地表状况，同时包含较详细的陆地过程方案，因而能捕获许多大气环流模式难以分辨的区域尺度温度、降水分布和土壤水分变化特征。此外，区域气候模拟对于了解温室气体强迫可能导致的全球增暖在区域尺度上的特征及生态、环境效应也具有重要的意义。

气候模拟的模式体系分类

由于气候系统数学物理描述上的难度和复杂性，又由于模式实现在计算方法和计算机条件上的限制及研究气候问题的侧重点不同，人们在建立气候模式式时要根据实际需要和具体要求进行模式方程的简化和近似，得出各种气候模式，这种简化和近似在物理上是要突出特定时空尺度上气候系统最主要的过程和特征，忽略次要的过程和特征．从数学上讲，可以在保证物理意义明确的前提和计算条件允许的条件下尽可能简化运算。此外．对于不能用模式变量直接求解描述的过程和变量，则要进行参数化处理。

在此基础上，根据研究的需要可以建立一系列气候模式。经过近半个世纪的探索和发展，全球各类气候模式已经形成一个庞大的体系和不同的家族。例如，

按照模式的空间范围有全球气候模式和区城气候模式。全球模式按照复杂程度又可分为简单模式、中等复杂程度模式和复杂模式。

按空间维数有0维或1维模式、2维和2.5维模式及3维模式等。

按照模式所依据的方程和强调的物理过程，可分为能量平衡模式、辐射对流模式、纬向平均动力模式、随机统计动力模式、环流模式等。

按照模式所描述的系统可分为大气环流模式、海洋环流模式、海冰模式、陆冰模式、植被模式．生物模式、化学模式和水文模式等。

由于气候现象非常复杂，实验室模拟有很大的局限性。随着计算机和数值计算方法的发展，数值模拟已经成为定量研究气候及其变化的主要方法。

气候模拟的不确定性

地球系统模式是一个极其复杂的开放巨系统，涉及地球系统不同时间，空间尺度的相互作用，须要大气科学、海洋学、地球物理、化学、生态学及数学和汁算科学等多学科的交叉融合。模式物理．化学、生物过程的不完善，如云、气溶胶、辐射、植被，地球生物化学等，都会导致地球系统模式的不确定性。

目前模式中最不能确定的过程有：

（1）云物理过程；

（2）气溶胶--云--辐射的耦合过程；

（3）生态系统对对气候变化的响应与反馈过程。

总的来说，全球增暖模拟的不确定性、辐射强迫情景的不确定性和模式参数化的不确定性是气候模拟的不确定性的最大影响因素。

研究意义

在气候研究中，气候模拟具有两方面的意义：

1、用气候模式来重复、再现实际气候，从而解释气候形成和变化的物理机制；

2、考察气候模式的可靠性和预测能力，进而用于可能的气候预报和敏感性试验。气候模拟方法因所使用的模式和要研究的对象不同而有所不同，但其基本过程是相近的。

图7一5是一个用大气环流模式进行气候模拟的流程框图，包括前处理、模式运行、后处理、绘图、结果分析和成因机理探讨等部分。

应用

气候模拟的雏型是20世纪50年代开始应用的。从60年代以后，各种形式的数值模式纷纷出现，如直接积分流体力学和热力学方程组的大气环流模式，根据能量平衡原理模拟大气热状况的能量平衡模式，还有把大气运动当作随机过程处理的随机模式和随机、动力相结合的模式等。模式由简单到复杂，由模拟气候的平衡态发展到对气候演变过程的模拟。从70年代以来，气候模拟的研究取得了初步的试验结果。例如由模式计算出的大气和海洋主要气候要素的分布及其季节变化，与实况相比，在许多方面是基本一致的。在人类活动对气候的影响的估计和极冰的反馈作用等方面(见反射率、极地气象学)，也得出了有意义的结果。此外，还发展了气候对各类模式和各种因子变化反应的敏感性试验和次网格物理过程（比通常的大尺度过程小的对流过程等）的参数化研究(见数值天气预报)。但是，这些模式对复杂的气候过程的物理考虑及其对各种因子的参数化方案均不成熟，因此在很大程度上影响着结果的可信度。这些模式在计算方法上也还有一定的困难。例如，气候模拟的计算需要足够长的积分时间，这就要求在这样的时间内保持计算上的稳定性，以便能够保留所需要的长期信息。

实际应用中应首先根据研究问题的特点和需要确定所要使用的气候模式并熟悉如何使用该模式，然后设计相应的模拟方案，并报据模拟方案准备初始资料场、边界条件和强迫条件等资料。一般模拟方案的设计至少应包括两个模拟试验一个是参照试脸或叫控制试脸，是作为基本气候态的标准试验。另一个（或多个）是强迫模拟试验，是根据研究问题改变初始场、边界条件或强迫条件而设计的，它通过强迫模拟试验结果和控制模拟试验结果的对比，可以检验和分析不同因素的变化对气候模拟结果的影响或模式气候对强迫条件改变响应的敏感性，从而发现影响气候变化的主要驱动因子。不同的气候模拟问题所使用的气候模式、强迫条件（边界条件）和初始场是不一样的，而且模拟方案的设计也有很大差异。另外一个关键问题是对模拟结果的检验需要用实际气候场与模拟场进行各种比较，包括直接对比和统计分析对比。以确认模拟结果的可接受程度和可信性。因此，模式和资料的比较工作是气候模拟中不可缺少的部分，可靠的观测资料和重建的代用资料对气候模拟的检验至关重要。

气候模拟是利用气候模式研究气候系统及气候变化的定量方法。通过计算机数值求解描述气候系统中各种物理过程的偏微分方程组来解释气候变化的事实．揭示气候变化的规律与成因机制。气候模式是用于摸拟和研究气候系统变化及各圈层之间相互作用和其内部过权的数值实验室，是现代气候研究必不可少的重要手段气候摸式建立在描述地球气候系统状态、运动和变化的一系列方程组之上，是研究气候变化的成因机制及预测未来气候变化的有力工具。如果气候模式是一个数值实验室的话，气候模拟就是在这个实脸室进行的实验。因此，气候模拟方法使得气候学成为一门“可实验”的科学，气候模拟的基本步骤包括模式的选择、调试、模拟方案的设计，初始场和边界强迫条件的确定，模式运行，模拟结果的输出处理、绘图和相关辅助性计算等．最后要对模拟结果做综合分析．并与实际观测资料进行比较得出所需要的结论。

气候系统是一个高度非线性系统．对气候系统进行完全定量的物理和数学描述是非常复杂的。气候模式的偏微分方程组主要包括气候系统的各组成部分的动力学和热力学方程以及状态方程和连续方程等，例如对于典型的含有海洋、大气和海冰耦合的气候模式，必须包括大气、海洋和海冰的动力学方程和热力学方程以及大气状态方程、连续方程、海洋连续方程和盐度方程等。

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