稿件来源：大气科学学院 | 作者：大气科学学院 | 编辑：许佳、郝俊 | 发布日期：2019-12-23 | 阅读次数：

        全球变化正在深刻影响着人类生存和发展。我校大气科学学院董文杰教授团队在国家重点研发计划“地球系统模式与综合评估模型的双向耦合及应用”资助下，构建了中山大学集成地球系统模式（SYCIM，Sun Yat-Sen University Integrated Earth System Model），通过地球系统模式数值模拟和社会经济模型，结合国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)的不同试验，使用多种统计和诊断方法，对全球和中国的气候变化进行了系列研究，主要成果如下：

        一、地球系统模式的发展和改进

图1. 中山大学集成地球系统模式框架示意图。

        构建了中山大学集成地球系统模式（SYCIM，Sun Yat-Sen University Integrated Earth System Model），集成了海洋（包括海冰、海浪）、大气、陆面模式、陆地碳循环等关键模块（图1），构建了完整的地球系统模式。

图2. 通用大气模式版本5且水平分辨率为1°（红线），通用大气模式版本6且水平分辨率为1°（蓝线），

通用大气模式版本5且水平分辨率为0.25°（紫线），通用大气模式版本6且水平分辨率为0.25°（绿线）和观测

（黑线和灰色阴影区域）在青藏高原（a）和中国西南区域（b）的降雨概率分布图。

彩色线越接近灰色区域，说明模拟结果越准确。

        在大气模式方面，提高地球系统模式空间水平分辨率和改进模式物理参数化方案是气候模式发展主要的方向。通过对比分析同一版本大气模式下不同水平分辨率和相同分辨率下不同版本大气模式模拟结果，课题组发现模式物理方案升级后，改善了模式对亚洲降雨和极端降雨气候态的模拟，更好地模拟降雨日循环，更准确地模拟出降雨概率分布。提高水平分辨率减少了模式在中国北方降雨模拟偏差(Lin et al., 2019)。值得指出的是，提高模式水平分辨率对模拟能力的影响依赖于模式。

图3. 2015年1月全球（上）及西太平洋（下）海表温度，左为美国大气研究中心-通过耦合地球系统模式模拟结

果，由图可知近海岸100公里内无法解析。右图为全球FVCOM模拟结果，实现对近岸区域海洋动力过程的模拟。

        在海洋模型方面，基于原始方程、自由表面、非结构化网格有限体积海洋模式Finite Volume Coastal Ocean circulation Model，FVCOM (Chen et al., 2004)，构建了中山大学全球海洋预报模式Global-FVCOM，该模型包括海冰和全球海浪，模式水平分辨率在北极地区近岸约2公里，在陆架区域逐渐增长到10公里及大洋中心至25公里，包括359191个三角形计算网格点(node)及689133个有限体积计算单元（element），垂直采用45层混合坐标，是目前国内分辨率最高的全球海洋预报模式。

        基于课题组开发的中山大学高分辨率海洋模式，还建立了自主的覆盖深海高精度精细化全球海洋动力环境预报系统，对南海及印度尼西亚海域进行精确的、高分辨率数值模拟，有效弥补观测的不足，有效解决了区域海洋动力环境模型的分辨率过低，无法模拟小尺度过程的问题，极大地提高了海洋预报的准确性，揭示了该区域海洋特定水文特征的动力和热力机制，直接服务于区域社会经济可持续发展和国家安全。

        二、利用气候模式研究不同人为活动对气候的影响

图4. 包含直接效应的气候模 式（a），包含直接效应+第一间接效应的气候模式（b），

包含直接效应+第一间接效应+第二间接效应的气候模式（c）和观测数据（d）在中国和印度的1979-2005年极端降雨趋势空间分布图。

        温室气体排放和气溶胶排放是人为活动引起的主要排放，两者对气候的影响并不相同。通过数值试验、分析和诊断国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)不同辐射强迫模拟试验，课题组发现人为气溶胶的降水效率高于温室气体(Lin et al., 2016)，此项工作被《自然》选为亮点报道。特别是，人为气溶胶通过与云的直接和间接效应，很可能导致了过去几十年中国“南涝北旱”的现象(Lin et al., 2018a)。进一步的物理机制分析表明，两种人为排放对降雨影响的差异主要是大气对人为辐射强迫的快反应导致的(Lin et al., 2018b)。

        三、不同国家碳排放和国际贸易碳转移对气候的影响

        除了人为排放的CO2之外，最重要的人为温室气体还包括CH4和N2O等。CH4的重要性仅次于CO2，其排放量占全球人为温室气体排放总量的14%，百年全球增温潜能 (GWP) 是CO2的21倍。其次，全球温室气体排放量的8%来源于人为化石燃料燃烧和化肥施用过程中产生的N2O，其GWP约是CO2的310倍。评估多种温室气体共同作用下的气候变化，对于完善气候变化的历史责任归因研究，为气候谈判提供详实的理论依据具有一定的参考价值。

图5. 模拟的发达国家，发展中国家和全球排放造成的大气中(a) CO2，(b) CH4和(c) N2O的演变，

以及由此造成的全球温度的变化。

        董文杰教授团队研究表明，综合气候系统各圈层典型的变化，对1850年以来的全球温度升高、辐射变化，海洋暖化、北半球海冰减少，积雪消融和冻土退化，发达国家由于CO2，CH4和N2O三种温室气体排放的历史责任是53%−61%，发展中国家的历史责任是39%-47% (Wei et al., 2016a) (图5)。相比仅考虑CO2的影响，两个国家集团的历史责任差别有所减小。这是由于历史时期发展中国家的CH4排放量要高于发达国家造成的。但总的来看，包含了几种最为主要的温室气体后，发达国家仍然是观测到的20世纪全球变化的主要贡献者；并且历史时期气候系统各圈层典型变化的空间异质性也主要是对发达国家温室气体排放的响应。

        国际贸易带来的碳泄漏问题引起了对于“消费者买单”还是“污染者买单”的原则的争议，并由此产生了对国际减排协议公平性问题的认知分歧，在后京都政策的讨论中，现行的基于生产的碳排放计量系统是否应该被基于消费的碳排放计量系统取代成为一项焦点问题。

图6. (a)1990-2005年全球转移碳排放分布，(b)京都议定书下的转移碳排放分布，(c)全球转移SO2排放,大气中硫

光学厚度及PM10的演变，(d)基于生产排放和消费排放分别模拟的1990-2012年中国、美国、欧盟的

大气CO2浓度演变。

        董文杰教授团队首次定量地将国际贸易转移碳排放问题与气候变化和国际减排政策效率问题联系起来，基于三个地球系统模式和一个简单模式的模拟研究指出，发达国家将其高污染、高能耗、高排放的生产行业转移到发展中国家，从而使得其3-9%的气候变化历史责任转嫁到了发展中国家(Wei et al., 2016b) (图6)。如果基于消费排放清单设定《京都议定书》第一承诺期的减排目标，或者说在《京都议定书》中严格控制碳泄漏，那么《京都议定书》的减缓效力将提高5.3%。此外，转移碳排放还造成SO2等污染物的转移，其量值从1990年的2.26Tg SO2上升到2005年的3.28 Tg SO2，与发展中国家日益严重的空气污染紧密相关。此外，由于发达国家的碳强度普遍高于发展中国家，因而转移排放可能潜在增加了全球的碳排放总量。

        1.Chen, C, G. Cowles and R. C. Beardsley. 2004. An unstructured grid, finite-volume coastal ocean model: FVCOM User Manual. SMAST/UMASSD. Technical Report-04-0601, pp183.

        2.Wei Ting, Dong Wenjie, Yan Qing, Chou Jieming, Yang Zhiyong, and Tian Di (2016a). Developed and developing world contributions to climate system change based on carbon dioxide, methane and nitrous oxide emissions. Advances in Atmospheric Sciences, 33(5), 632–643.

        3.Wei Ting, Dong Wenjie , Moore John, et al. (2016b). Quantitative estimation of the climatic effects of carbon transferred by international trade, Scientific Reports, 6, DOI:10.1038/srep28046.

        4.Lin, L., Wang, Z., Xu, Y., & Fu, Q. (2016). Sensitivity of precipitation extremes to radiative forcing of greenhouse gases and aerosols. Geophysical Research Letters, 43(18), 9860-9868.

        5.Lin, L., Xu, Y., Wang, Z., Diao, C., Dong, W., & Xie, S. P. (2018a). Changes in extreme rainfall over India and China attributed to regional aerosol‐cloud interaction during the late 20th century rapid industrialization. Geophysical Research Letters, 45(15), 7857-7865.

        6.Lin, L., Wang, Z., Xu, Y., Fu, Q., & Dong, W. (2018b). Larger sensitivity of precipitation extremes to aerosol than greenhouse gas forcing in CMIP5 models. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 123(15), 8062-8073.

        7.Lin, L., Wang, Z., Xu, Y., Zhang, X., Zhang, H., & Dong, W. (2018c). Additional intensification of seasonal heat and flooding extreme over China in a 2 C warmer world compared to 1.5 C. Earth's Future, 6(7), 968-978.

        8.Lin, L., Gettelman, A., Xu, Y., Wu, C., Wang, Z., Rosenbloom, N., ... & Dong, W.* (2019). CAM6 simulation of mean and extreme precipitation over Asia: sensitivity to upgraded physical parameterizations and higher horizontal resolution. Geoscientific Model Development, 12(8), 3773-3793.