地球系统概念模式

1、地球系统概念模式2012162202 吴友银地球系统模式是理解过去气候与环境演变机理、预估未来潜在全球变化情景的重要工具。 近百年来，全球气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化，对生态和坏境产生了严重影 响，如海平面上升、冰川融化退缩、冻土面积减少、湖泊收缩、河流径流量下降、流程缩短 或断流、泥石流和滑坡发生频次增加、沙漠化不断加剧。为了防止生态环境的进一步恶化， 减少天气、气候灾害的损失，必须深入研究全球变化的机制和原因，并预测未来的变化趋势， 以便制订应对措施，而这必须从了解各圈层之间繁复的相互作用出发。因此，耦合各圈层的 地球系统模式就成了全球变化研究的最重要的，不可替代的研究工具之一

2、。什么是地球系统模式?到目前为止，国际上并没有给出权威和明确的定义。这一名字是在 进入21世纪后随着地球科学各分支学科的相互渗透与逐渐融合、进而明确提出地球系统的 概念后产生的。由于地球系统把大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈作为一个相互作用 的整体来考虑问题，因此原有的研究方法和研究手段已经不能完全适应地球系统科学研究的 需要。为了研究各圈层之间的相互作用这一地球系统演变的重要特征和地球系统科学的关键 科学问题，发展能够反映地球各圈层之间相互作用的数值模式是地球系统科学研究的迫切需 求。而这样的数值模式就是我们所理解的地球系统模式它是基于地球系统中的动力、物理、 化学和生物过程建立起来的数

3、学方程组（包括动力学方程组和参数化方案）来确定其各个部 分（大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈）的性状，由此构成地球系统的数学物理模型。地球系统模式的发展可粗略地划分为3个阶段，即基础阶段、过渡阶段与成型阶段。基础 阶段即目前以地球流体（大气、海洋）为主体的物理气候系统模式阶段，其中的固体地球部分只 考虑了地球表层的陆面物理过程。过渡阶段即未来在物理气候系统模式的基础上考虑大气化 学过程、生物地球化学过仪包括陆地生物化学过程和海洋生物化学过程）和人文过程的地球 气候系统模式阶段，模式将具备对碳、氮等循环过程的定量描述能力，但物理气候系统模式的 应用、评估、改进和完善仍然是这个阶段的重点之一。

4、成型阶段即在地球气候系统模式的基 础上进一步考虑其与固体地球（如地球板块移动及其引发的地形变化、地震、火山爆发等）和 空间天气相互作用的相对完整的数值模式阶段，即所谓的地球系统模式阶段。地球系统模式的发展可粗略地划分为3个阶段，即基础阶段、过渡阶段与成型阶段。基础 阶段即目前以地球流体（大气、海洋）为主体的物理气候系统模式阶段，其中的固体地球部分只 考虑了地球表层的陆面物理过程。过渡阶段即未来在物理气候系统模式的基础上考虑大气化 学过程、生物地球化学过程（包括陆地生物化学过程和海洋生物化学过程）和人文过程的地球 气候系统模式阶段，模式将具备对碳、氮等循环过程的定量描述能力，但物理气候系统模式的

5、 应用、评估、改进和完善仍然是这个阶段的重点之一。成型阶段即在地球气候系统模式的基 础上进一步考虑其与固体地球（如地球板块移动及其引发的地形变化、地震、火山爆发等）和 空间天气相互作用的相对完整的数值模式阶段，即所谓的地球系统模式阶段。美国国家大气研究中心（NCAR）在美国国家科学基金会和能源部的支持下于2000年提出 的共同体气候系统模式发展计划（CCSM，2001），组建了一个由固定科学家和支撑人员组成 的、美国各主要大学和研究单位的科学家都参加的研究共同体，于2004年建成共同体气候系 统模式（CCSM），并用于政府间气候变化委员会（IPCC）第四次评估报告（AR4）的气候变化预 测实验

6、。在CCSM研究团队中,有一个地球生物化学工作组一直在进行生物地球化学方面特 别是碳循环方面的研究,他们的使命并不在于当时的CCSM模式,而是瞄准长远的目标。值得 一提的是，美国在国家宇航局、国防部和国家科学基金会的共同资助下，于2001年同时启动了 地球系统模拟框架(ESMF, 2001)计划，有19个实力雄厚的研究机构投入到了这个计划的研究 与实施中。欧盟于2000年提出了发展欧洲地球系统模拟网络计划，由下属地球系统模拟集成(英文缩 写PRISM)和气候资料存储与分发两个计划组成。地球系统模拟集成计划(PRISM)0也简称 为棱镜计划，它是2000年应欧洲CLIVAR委员会(Eurocl-

7、ivar)的提议而建立的合作研究计划， 并于2001年12月启动。来自欧洲各国的22个研究机构投入了该计划的研究和实施。计划 的目标是发展一套灵活、高效、便捷和对用户友好的地球系统模拟和气候预测系统,包括大 气模式、大气化学模式、陆面模式、海冰模式、海洋生物地球化学模式、区域气候模式，它 们通过耦合器相联接，构成一个完整的模式系统。这就是一个模块化地球气候系统模式的典 型框架除美欧之外，日本在科学技术厅、日本原子能研究所、日本国家空间发展署、日本海洋科 学技术中心、物理化学研究所等单位支持下更早提出了两大气候研究计划。一是从1997年 开始的/全球变化前沿研究系统(FRSGC)0计划,目标是预

8、测异常气候、全球变暖和生态破坏 等灾害。与上述计划同步还启动了地球模拟器(Earth Simulator)计划，该计划一方面于2001 年研制成功当时世界上最快的、以地球模拟器命名的超级计算机,2002年正式投入使用;另一 方面重点支持发展超高分辨率的气候系统模式，在该超级计算机上再现真实的地球并预测未 来的变化。中国的模式发展现状中国科学家已经在地球系统模式领域做了大量工作,特别是通过近30 年的努力，在大气环流模式、海洋环流模式、陆面过程模式的发展及其耦合等领域取得了令 人瞩目的成绩。中国早期的气候模式研发工作几乎与发达国家同步。早在20世纪80年代， 中国气象学家就认识到了数值模拟在气候

9、变化研究中的重要性，并开始了气候数值模式的发 展(钱永甫，1985, Zeng, et1989)。通过20多年的努力，从最基本的气候模式-大气环流模式 (Zeng, et al, 1989)、海洋环流模式(Zhang, et al, 1989),经历海-气耦合模式后(Zhang, et al, 1992; Guo, et al, 1996),发展到后来的耦合气候系统模式(吴国雄等，1997;周天军等,2005c; Zhang, et al, 2000; Yu, et al, 2002; Yu, et al,2008; Zhou, et al, 2008这是中国地球系统模式的雏形。在发展和应用气

10、候系统模式的同时，中国学者也充分认识到气候系统模式的发展是一个 巨大的工程，需要各相关学科研究人员的联合、参与和支持。在国家自然科学基金委、中国 科学院和中国气象局等部门的推动下，中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学 数值模拟国家重点实验室(LASG)联合国家气候中心、中国气象科学研究院、南京大学大气 科学系等单位，经过半年多的反复研讨，于2002年1月首次提出了/全球气候系统模式联合研 究计划0( 2001)2005,详见http:Mweb.lasg. ac. cn/)的征求意见稿，并在此基础上,LASG协助国 家自然科学基金委于同一年起草了/中国应加速发展自己的气候系统模式0的建

11、议书,并通过 基金委2002年第8期简报上报到了国务院，得到国家领导人的重视。后来，在国家自然科学基 金委、中国科学院和中国科学技术部项目的联合支持下LASG于2004年5月建成了国内基 于耦合器技术的模块化物理气候系统模式FGOALS ( FlexibleGlobal Ocean-Atmosphere-Land Surface System Mod-el)(周天军等,2005d; Yu, et al, 2008)的1. 0版本。与此同时，国家气候中 心在中国气象局的支持下于同年也建成了另一个物理气候系统模式BCC-CM1(BeijingClimate Center-Climate Model, Version 1)(丁一汇等,2002)。这两个模式均参加 IPCC AR