地球系统动力学模式及模拟研究.pdf

万方数据 万方数据4 期N o 4曾庆存等：地球系统动力学模式及模拟研究Z E N GQ i n g c u ne ta LR e s e a r c ho nt h eE a n hS y s t 锄D y l l a m i cM o d e la n ds a m eR e l a t e d 6 5 5图1 地球系统各分量及其相互作用示意图(引自文献 1 图3)F i g 1(b m p o n c n t so ft h ee a n hs y s t c mm o d e la n dt h ei n t e r a c t i o n sa m o I l gt h e n l，i n c l u d i n gt h eh u n m nc o m p o n e n t(f r o mr e f e r e n c e 1 )展新的物理参数化，给出更准确和有更牢固的动力学描述基础并能更好地体现动力学与物理参数化之间联系的新的数值技术也是地球系统模式发展的重要方向。总体说来，现阶段物理气候系统动力学模式(包括大气环流模式、海洋环流模式、陆表层过程物理和水文模式以及三者的耦合)已渐趋成熟，现有的气候系统模式已能模拟出当今和古代的世界气候大格局，甚至可以用来做季度至年度的短期气候预测，以及做全球气候变暖趋势情景预测的模拟。尽管如此，模拟或预测的结果尚有颇需消除的不确定性或误差，比如大气中的云、辐射及与之相关的过程十分复杂，大气边界层过程、海洋混合等过程以及复杂的地表特征的描述尚待进一步精细完善地用理论方法表达等 3 。至于植被生态动力学系统(D(；V M)目前尚处于初始阶段，只有这部分搞好了，才能认识环境生态系统与气候系统的相互作用以及前者对后者的反馈的机理。现有的关于全球植被分布的现场观测和遥感资料，大体上可用于对全球植被生态系统动力学模式(D G V M)进行粗的验证。但总体说来，现有的观测资料以及D(二V M 还过于粗糙，其各类植被的生理、物理等参数有很大的不确定性，生消规律、相互竞争规律、斑块和大范围之间的相互作用等也远未弄清楚，需要大为改进 3 。一个完整的地球系统耦合模式还应包括发生于各圈层尤其是生态圈中的各种尺度的生物、化学、物理过程。因此发展可充分描述陆面、海洋碳循环 万方数据 万方数据4 期N o 4曾庆存等：地球系统动力学模式及模拟研究Z E N GQ i n g c L u le ta LR e s e a r c ho nt h eE a r t hS y s t 锄D y n 锄j c 埘e la n ds a 腓R e l a t 耐6 5 7这其中，(1)计入H z O、C 0。、0 3 及其外的所有其他非灰色气体(包括近红外波段水汽连续吸收谱)对短波辐射的作用，并发展一个新的参数化方法 1 2 1 3 3；(2)计人卷云粒子形状的效应，将卷云的消光系数参数化为波长的函数 1 4 ；(3)云的不均匀性的影响 1 5 。数值模拟结果表明，I A PA G c 胁3能很好地模拟出当今气候的季节变化及东亚降雨区的分布，图2 给出的是模拟和实测的7 月份太平洋副高，I A PA G C M 一3 模拟的副高位置和强度更接近实测，比原来的A G C M 有很大改进。由于这个模式不算太复杂，我们原来是用它来做跨季度预报试验(与热带太平洋区域海洋环流模式耦合)，得到较好的结果。由于这模式加入细致的云与辐射的相互作用，可以计人长时期辐射因子影响的积累，对全球气候与环境变化做模拟是合适图2 模拟和观测的7 月份太平洋副高的位置和强度(单位：g p m)。虚线：I A P9 L A G c M 模拟结果；实线：N c E P 再分析资料和I A PA G C M-3 模拟结果F i g 2T h es i m u l a t e da n do b s e r v e dw e s t e mP a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g h(g p m)i nJ u lf r o mI A P9 LA G C M，I A PA G C M 一3a n dt h eN C E Pr e a n a l y s i s的。当然，这模式还将再继续改进。例如在模式中计入云的微物理特征以及我们关于云一辐射相互作用更新的研究结果等。I A PA G C M-4 的动力框架是将我们以往的A G C M 动力框架进一步加以改进，使之做到完全的内部协调性以及大气和陆地及海洋表面的边界条件的协调性 1 6 1 引，并改进了一些算法，以便既准确又省时。这个模式现为2 6 层，水平分辨率为1 4。1 4。，与N C A R 相当，并且先套用N C A R 的A G C M(C A M)的全部物理过程 18|，但二者的差别在于I A PA G C M-4 的动力框架是网格点的，而N C A R 的是谱模式。我们将二者的模拟结果相比较，发现动力框架的不同也可以引起模拟结果的不小差异，特别是海平面上的场和高纬准定常大气中心的位置和强度上，似乎I A PA G C M-4 的更接近实际。图3 为I A P-4 模拟的7 月份海平面气压场 18|，模式较好模拟出主要的高压和低压中心，位置也接近观测，但个别高压中心如北太平洋副高的强度略偏强。我们先将N C A R 的物理过程全套嵌入I A PA G C M-4 的另一个原因是：在设计我们自己的模式时，必须有一个可以相互比较的“标准”，而N C A R 的c A M 是国际上最早的“全球动力学模式”(即今称为“地球系统动力学模式”)的大气部分，国际公认为水平较高，尤其是其辐射平衡的计算是经过卫星测值校准过的。我们新模式的总体结果应该不低于它的水平。我们将进一步提高水平分辨率(现在我们已取为1。1 0，并有计算结果)，改进算法和配上我们自己设计的物理过程，如改进水汽传输的算法，加进云水、云冰、降水、降雪的预报方程等】6|。此外，还有一些国际上未计及的，或方法完全不同的，见NNNQ咯咯咯帅价姗妒鲫咿 万方数据 万方数据 万方数据6 6 0大气科学C h i n e s eJ 0 u n l a lo fA t r l l o s p h e r i cs c i e n c e s3 2 卷V 0 1 3 2例上的不合理；而w a n g 和z e n 一4 4 基于低矮植被积雪的垂直覆盖度新的参数化，较好地改变积雪的融化速率，而相应地面通量模拟的量级也更趋于合理。还应指出，陆表层过程模式还应包括起沙机理，如气溶胶和大气化学模式提供下边界条件，如阵性起沙机理 4 5 和更多依赖于大气和气候的、虽是局地但很有影响的过程，如雨水冷却地面等。3 2陆表层物理过程和大气环流模式的耦合作为地球系统模式的一个重要分量，陆面过程模式的发展最终需要与大气环流模式进行耦合，并在耦合系统中考察该分量模式对改善耦合地球系统模式系统模拟能力的影响。如前所述，I A P 地球系统模式将有多个不同的大气模式、陆面模式子系统，为了便于实现不同分量模式之间的耦合，也许通过引入“耦合器”的概念，更便于使它们能够相互适应和匹配，我们已能通过“耦合器”的方法，实现C o L M 陆面过程模式与I A PA G C M I I 大气环流模式的耦合(I A P 9 L。C o I。M)46 I。地球系统不同分量界面(如陆气、海气界面)能量收支的平衡在很大程度上可以影响到整个耦合模式系统的性能，图6 则给出耦合了C o L M 前后的I A P 陆面耦合模式的地表能量平衡情况。从图可以发现，对于原先的I A P 陆气耦合模式，在陆地表面存在着约1 9w m 2 的能量盈余，但是对于耦合了C o L M 的I A P 陆气耦合模式而言，则地气界面间的能量基本上达到了平衡(偏差约为o 5W m 2)，说明I A P 9 L C o L M 可以更好地保持地表的能量平衡。图6I A P 9 L _ C O L M 和n P 9 L-S E 模拟的全球陆面年平均的能量收支状况F i g6T h es i m u l a t e da n n u a l a v e r a g e dg l o b a lm 髓nr e s i d u a le n e r g ya tl a n ds u r f a c ef o rI A P 9 I 乙C O L Ma 1 1 dI A P 9 L L S E B E F R比较耦合了C o L M 前后的I A P 陆气耦合模式对当今气候态的模拟结果表明，I A P 9 L C o L M 可以较好地模拟出冬季和夏季降水、近地面气温、海平面气压和地表感热通量、潜热通量等的基本气候态，对东亚地区雨带进退的模拟也比较成功，而且还极大地改善了非洲和南美降水的模拟，成功地再现夏季非洲沿赤道降雨带 46【。考虑到现阶段在气候系统模式中大都没有考虑动态植被及其与气候之间的相互作用，更谈不上与植被动力学模式(如D G V M)的耦合，在I A P 9 L C o I。M 的基础上，通过“耦合器”我们又耦合了动态植被模式 47|，初步建立了一个大气一陆面一动态植被耦合模式I A P 9 L _ C O L M V E G A S【46|。结果表明，耦合了动态植被模式后，可以较好地模拟出观测的叶面积指数的空间分布及其季节变化特征。但需要指出的是，由于这里的V E G A S 模式相对简单，只是考虑了四种不同P F T s 功能分类，因此迫切需要发展更为复杂的、包括尽可能多P F T s 功能分类、而且生消自洽的动力学模式，即D G V M，才可能解决气候与环境变化两方面的问题，这部分的详细内容可参见第6 节。3 3 大尺度陆面水文模型虽然现阶段各种不同复杂程度的陆表面过程模式可以较好地模拟出大气一陆表面之间的能量和水分平衡过程，但对于地表以及地下水文过程的模拟，仍然有很大的问题，存在着很大的不确定性，因此发展可充分考虑地表、地下水运动过程的大尺度水文模型，并通过陆面物理和水文过程模式最终实现与气候系统模式的耦合，也是地球系统模式发展的重要方面 4 8“引。在我们发展的地球系统模式中，我们拟分别采用基于H M S 以及C 的大尺度水文模型。在V I C 模式的基础上，L i a n g 等 5 0 和X i e等 5 1 3 引入可同时考虑蓄满产流和超渗产流机制的水文过程，并考虑土壤特性的次网格非均匀性对产流影响，对v I C 模式进行了进一步改进和完善；在此基础上建立基于全国5 0k m 5 0k m 网格的大尺度陆面水文模型框架 5 2 。X i e 等 53|、袁飞等 5 4 和Y u a n 等瞬，s 6 1 在上述模型框架下，模拟了气候变化对流域水文特性的影响。X i e 等 5 7】随后发展了模型参数移植方法，提高陆面水文过程模型参数在资料缺乏区域的有效性，从而改进陆面水文过程模拟，q-m毫謦訾 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据6 6 8大气科学C 知n e S eJ o u r m lo fA t m o s p h e r i cs c i e n c e s3 2 卷V 0 1 3 25 4 关于下边界条件和排放量问题大气中气态物质和气溶胶的模拟均需考虑排放、化学反应、传输、沉降这几个方面。除了通过化学反应形成的大气化学物质，以及像C O z 等可以视为在大气中充分混合的成分而外，化学物质大都是由地面或近地面层内以通量的形式排放进入大气模式的下界面，它们的时间和空间分布都是很不均匀的。建立包括所有这些化学物质的排放量的分布的模块，是一项相当重要而又艰巨的工作。化学物质的排放分为人为排放和自然源排放两大类。国际国内均有根据社会经济发展等估算的过去、现在和将来的各种重要大气成分的人为排放清单(应该指出，这清单的准确度是很有问题的，我们姑且认为“有总比无好”吧)，气候模式中通常采用具有空间分布的月平均排放量。大气化学和气溶胶模拟需要人为排放清单的化学物质如表l 所示。作为举例，表l 中也列出了这些化学物质在2 0 0 0和2 1 0 0(依据I P C CA 2 情景)年全球排放总量。自然源的排放依赖于气象条件。最重要的自然源排放包括海洋排放的二甲硫醚(d i m e t h y l s u l f i d e，或简写为D M s)和海盐气溶胶、陆表上的沙尘气溶胶以及植被排放的碳氢化合物(第5 2 小节提到的二次有机碳气溶胶即来源于此类)。不像水汽通量等一些物质通量的计算已包含在陆表层物理和水文过程模式(L S M)子系统中那样，自然源化学物质的通量是I。S M 所没有的，所以全球模式需加入计算所有这些自然源化学物质排放量的模块。自然源排放的模拟有很大的不确定性。如沙尘气溶胶的起沙依赖于临界摩擦速度、土壤湿度、植被分布以及比全球模式格点尺度小很多的阵风和对流等 4 5 1 4 2 1 43|。全球或大尺度的大气化学和气溶胶模式中，最好可以用嵌套的方法把现有的区域尺度和中尺度模式(用于天气预报或大气污染预报)计算的化学物质通量用于全球模式的下边界条件。此外，关于植被碳氢化合物的排放，因涉及到很多类碳氢化合物、植被种类、叶面积指数、气候条件等多种因素，测量和计算均较为复杂，具体参数化方案可参见文献 1 4 4，1 4 5 。我们希望国际F I，I M 汀(虽然很稀疏)能够扩大其观测项目，把有关大气化学的通量包括进去，有助于改进化学物质通量参数化，为全球模式提供更准确的化学下边界条件。表l大气化学和气溶胶模拟需要人为排放清单的化学物质，以及这些化学物质2 0 0 0 和2 1 0 0 年(依据I P O CA 2 情景)的全球排放总量(引自文献 1 2 4 )T a b l e1G l o b a l 籼吼l 粕t h r o p 哪i c 蛐l i 鹤i o 璐f o ry 螂2 0 锄d2 1 0 0(I P(cS R E sA 2)f o rt h es i I l l u I a t i o 璐o fg 附p l I a 辨c h 伽n i s t r y 砒l d 舵r o 鲫l s(f r o I nr e f 打蛐 1 2 4 )6 全球植被动力学模式(D G V M)及有关的一些生态动力学问题6 1D G V M 在地球系统动力学模式和全球变化研究中的地位在地球系统各组成部分中，生物圈最为复杂、最具多样性，且与人类活动息息相关。生态系统 万方数据 万方数据6 7 0大气科学C h i n e s eJ o u m a lo fA t m o s p h e r i cs c i 明c e s3 2 卷V 0 1 3 2学家和地理一生态学家将它区分出来，作为独立的P F T。灌木主要生长于干旱、半干旱地带或高纬度贫瘠地带等生态系统脆弱的地带，最易受气候变化的影响。不能明确模拟出灌木林带就难于预测全球变化中的这个最敏感的地带，而对敏感地带的预测是全球变化研究中最有价值的核心。有鉴于此，尤其是要解决我国有特点而且是很实际的问题，我们对在D G V M 研究中如何正确表达灌木林问题给予特别的关注。我们参加过世界上较好的D G V M 之一即C L M D G V M 的设计，深知其对灌木林的主要生理一物理特性均没有正确的考虑，例如高耐热性(在寒带是高耐寒性)、高耐旱性、单位叶面对光合作用的高效和对贫瘠养分的高利用率，以及与之相适应的型态特征等。为此，我们分析考虑了这些因素并利用我们的观测资料，研制一个灌木林子模式 1 49 c，加人到C L M D G V M 中去，成功地模拟出全球干旱和半干旱地区的灌木林(见图1 3)。当然，无论是灌木林子模式还是整个D G V M都需大大改进完善。我们对植被生长和枯萎过程及竞争法则等已有自己的理论方法，下一步将同时充分利用我国的野外观测资料，研制我国的D G V M，并参加到国际的w C R P 和I G B P 中去。6 4 植被对气候变化和人类活动的相互作用以及突变和多样性气候学、地理学和地质学(主要是古地层学)的研究结果表明，从地质年代至今，全球范围的气候以及生态和环境都有很大的变化，而且气候变化图1 3C L M-D G 中引入灌木子模式模拟(a)和由M()D I S 数据得到(b)的全球温带灌木分布图F i g 1 3(a)G l o b a ld i s t r i b u t i o no ft h ep e r c e n tc o v e r a g e so ft e m p e r a t es h r u bf r o mC L M D G V M“t hs h r u bs u b m o d e l；(b)o b s e r v e dd i s t 舶u t i o no ft e m p e r a t es h m bf m mM O D I Sd a t a s e t 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据4 期N o 4曾庆存等：地球系统动力学模式及模拟研究Z E N GQ i l l g c u l le ta LR e s e a r c ho nt h eE a 汕S y s t e mD y n a m i cM o d e la n d eR d a t e d 6 7 5图1 7 不同放牧强度草原下垫面涡动相天测量系统(上图：过度放牧；下图：1 9 7 9 年围封样地)F i g 1 7E C(e d d yc o v a r i a n c e)m e a s u r e m e n ts y s t e mD ng r a s s l a n ds u r f a c ew i t hd i f f e r e n tg r a z i n gi n t e n s i t y：o v e r g r a z i n g(t o p)a n du n g r a z e dg r a s s l a n d ss i n c e1 9 7 9(b o t t o m)我国早已建成“中国生态系统研究网络站(C E R N)”，并在此基础上建成了我国陆地生态系统碳循环网络(C H I N A F I。U X)，纳入到国际的F L U X N E T 中去 1 58|，还有中国和德国合作的重大项目“不同放牧强度对内蒙古草原生态系统物质流的影响(M A G I M，2 0 0 4 2 0 1 0 年)”自2 0 0 4 年5月起在锡林浩特草原不同放牧强度的样地建立了通量观测塔(图1 7)，研究气候变化和不同放牧强度对草原生态系统地气间物质和能量交换过程的影响(w w w m a g i m n e t)。这些实验取得的资料，可以为全球和区域模式中陆面过程参数化的改进及参数的确定提供可靠的验证数据。我们希望C H I N 万方数据6 7 6大气科学C h i n e s eJ o u r n a lo fA t n l o s p h e r i cs c i 参l i 强篓喜萋i 耋彭蓄曼一l 霎秽翼一嚣冀雾翼墓i 藜錾蓁霎羹鞯囊薹篓鐾雾蠢霞薹薹鎏豪囊誊羹鋈翥羹襄羞；。薹耄蠢雾瑟雾囊塑驰￥髀雾。磊盗黍麓篓妻羹旺譬副气羹萎琵銎F 羹塌羹饕密切墓雾蓄慧黼冀；雾爿鬲蓄磊譬翥零塑些：蠢|季莉葡孽型尉溺州羹j 霎嚣一斐霎霪蠢镒譬=置浜涝霎薹型薹戮年际和年代际变化提出我国长江流域严重洪涝发生的气候学概念模型和华北地区持续干旱发生的气候背景，这可以为我国旱涝气候灾害的预测提供某些科学依据。尽管关于东亚季风系统的时空变异及其对我国气候灾害影响的研究取得很大进展，但是我们应该看到：关于东亚季风系统时空变异的特征、过程及其机理仍有许多重要问题不清楚，特别是对季风内动力学、旱涝气候灾害发生机理还是一知半解；并且，对东亚夏季风雨带分布的数值模拟及旱涝气候灾害的数值预测的研究进展至今还很缓慢。因此，我们有必要从观测资料、动力理论和数值模拟等方面进一步分析和研究影响东亚季风系统的海一陆一气耦合的外强迫和季风环流系统的内动力过程，特别是它内部不同时间尺度和不同空间尺度变化的相互作用过程和机理，进一步揭示东亚季风系统时空变异及其对我国早涝气候灾害的影响机理，从而提高对东亚季风系统变异和我国旱涝气候灾害的水平。1 黄荣辉，张庆云，阮水根，等我国气象灾害的预测预警与科学防灾减灾对策北京：气象出版社，2 0 0 4 1 4 8 p pH u a n gR o l l gh 试，z l a n gQ i n g y u n，R u a nS h u i g e n，“a LP 邝一d 幻f f 册口耐W a m i 刀go，M t r D Z D g i c 口zD i m 5 招r s 切C h i 撇勰dS c i 跏i fD e f j f D，l，D r 旃已P 卵姗f i D 行口ZM i f i g 口i 彻D，孤已功勉盯绷(i nC K n e s e)B e 日岖：c h i n aM e t e o r o l 蟛lP r e s s，2 0 04 1 4 8 p p z 黄荣辉，周连童我国重大气候灾害特征、形成机理和预测研究自然灾害学报，2 0 0 z 1 1：l 9H u a n gR on g h u i，Z h o uL i a n t o n g R 鹤e a r c ho nt h ec h r a c t e r-i s t i c s，f o册t i o nm e c h a n i s ma r l dp r e d i c t i o no fs e v e r ec l i r r l a t i cd i 缸s t e r si nC h i n a-，0 l r 撒zo，N a f“m zD i 船5 f 绑(i nC K n e s e)，2 0 02，l l：1 9 3 黄荣辉，陈际龙，周连童，等关于中国重大气候灾害与东亚气候系统之间关系的研究大气科学，2 0 0 3，2 7：7 7 0 7 8 7H u a n gR o ng h u i，C h e nJ i l o T l g，Z h o uL i a n t o n g，e ta LS t u d i 鹤o nt h er e la t i o n s h i Db e t w e e nt h es e v e r ec l i 埝t i cd i s a 8 t e r si n跚n a 锄dt h eE a s tA s i ac l i I l l a t es y s t e 吐G l i 觥_，A 蝴s i(i nC i n e s e)，2 0 0 3，2 7：7 7 0 7 8 7 4 竺可祯东南季风与中国之雨量地理学报，1 9 3 4，l：l 2 7Z h uK h eI Ls o u t h 矗tn 均n s o o na n dr a i n f a l l i na l i r 氓A 咖 5 6 7 8 9 1 0 11 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9(洳g m 户 f，z i 趣(i nC h i n e s e)，1 9 3 4，l：1 2 7涂长望，黄仕松夏季风进退气象杂志，1 9 4 4，1 8：1 2 0TuC h a n 窨w a l l g，H u a n gS h i s o n g T h ea d v a n c ea I l dr e t r e a to fth es u 胁e rr n o n 8 0 0 T 1 M f r D 妇加Z 缸g 口耐，坩(i nC h i ne s e)，1 9 4 4，1 8：1 2 0T ao 鼬y 锄，c h e nL o n g x u l l n eE a s tA s i a ns 咖e rm 一联)o nP r o c e e d i n g so fI n t e m a t i o n a lC o n f e r e n c eo nI 蜘n s o o ni nth eF a rE a s t，T o k y o，5 8N o v 1 9 8 5 1 1 11a oS h i y a n，c h e nL 0 n g 列nAr e v i e wo fr e c e n tr e s e a r c ho nth el h s tA s i a ns u m m e rm o n s 0 D ni nC h i n a 锄s D D n d f e 旷D幻g y C h a n gC Pa n dK r i s h 咖u n iTN，E d s o x f o r dU n i ve r s i t yP r e s s，1 9 8 7陈隆勋，朱乾根，罗会邦，等东亚季风北京：气象出版社，1 9 9 1 3 6 2 p pCh e nL 0 n g x u n，Z h uQ i a n g e n，L u oH u i b a I l g，e ta 1 础A 一5 缸，l 幻 s”(i nC h i n e s e)B e 幻i n g：C h i I l aM e t e o r o l o g i c a lPr s，1 9 9 1 3 6 2 p pD in gY i h u i M 葫0，lo t 盯C h i 椒K l u w 盯A c a d 锄yP u b l i s h er，1 9 9 4 4 2 0 p p黄荣辉，李崇银，王绍武我国旱涝重大气候灾害及其形成机理研究北京：气象出版社，z 0 0 3 4 8 3 p pHu a n gR o n g h u i，L iC h o n g y i n，W a l l gS h a o w u s，抽口，lSe 妣C i m 4 如D i 船s 纪r so 厂D r o“g 九sn n dF 0 0 d s 口咒dF I o r _懈f i 铆M c k 挖i 跚D 厂n P 船D f 5 口5 f P r s(i nC h i n e)B e 巧i I l g：万方数据4 期N o 4曾庆存等：地球系统动力学模式及模拟研究Z E N GQ i l l g c u ne ta LR e s e a r c ho nt h eE a r t hS y S t 锄D y n a m i cM o d e la n ds o m eR e l a t e d 6 7 7s m 3 m 3缈3 m 3 m。3图1 82 0 0 3 2 0 0 5 年农田(a)和草地(b)的土壤体积含水量日均值和地表反照率日均值的关系F i g 1 8T h ec h a l l g eo ft h ed a i l ya v e r a g es u r f a c ea l b e d o 而t ht h ed a i l ya v e r a g es u r f a c es o i lm o i s t u r ef o r(a)t h ec r o p l a n da n d(b)t h ed e g r a d e dg r a s s l a n dd u r i l l g2 0 0 3 2 0 0 5实施之后，人们才有可能对关于全球地球一生物化学子系统的可靠资料、参数化方法和模式开展较全面的研究。最后，毫无疑问，从目前起，我们即应开始着手研制我国有自己知识产权的区域地球一生物化学模式，同时考虑如何改进全球大尺度的关于地球一生物化学过程模式，参加到国际合作计划中去。我们现已作了这方面的安排。7 5 关于生物地球化学观测资料的整理和应用及有关问题即使将陆表层过程和生物地球化学过程的观测资料直接按上小节所述方法进行校准订正，以便在局地或全球大尺度过程研究中使用，仍然存在着一个非常大的问题，就是如何观测不均匀的地表状态(如坡地等)。一方面由于地面不是水平面，由此观 万方数据6 雾理E 燧塑二嘉塑嚣型薹蠢蓁箬豫鐾蓬受蠡蠢薹当冀霎萤冀篓雾鞘鋈薹妻豪羹鬟囊耄缆萤囊骗孥篓譬j i 薹萋喜iq 香貊霎罐耋壶宝霍i 薹蜘鋈堪悼蟾番建羹；糕萋霎墓!矗三鼙ll 蓑雪募争 璧璧套嚣；錾茎茎蠹；i 耄l 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霎囊妻；羹囊茎；荔爹羹，萋季薹霪荔鍪冀霎塞蓁差璧篓窭薹：鏊耋囊蓦j|j i i j!；i i 一|；季霎霎囊孽季；i i 主；囊；辜嘉耋i 鍪毳善暮；量i 囊害f l 至；王妻垂善萝垂蓄；萋i 亨耋言量曼薹i 羹i i：；i 霎 二二j _ J；薹雪孽妻避i 垂蕈耄；亭亭 i l l 嚣蚕f 萼；蠢至妻墓主一；摹；l!萋主摹翼耋w；薹量穗霪芝囊孽；b 妻量：量暑耋；=茎；量茎j 莲j；一j j i 耋茎；至；萎匡匡 蓦五邑；i 鼍餐；矍宇；!薹警i i 霎 霉i 蓁要量l 二；萋!i 耋妻l 孽ij 耄耄童基再篓璧霎蘑j；l 垂手i i i 篱蠢嚣!i i 委蠹i i!蠹j堇。萋誊誉i，；翼垂妻蠢f 万方数据4 期N o 4曾庆存等：地球系统动力学模式及模拟研究Z E N GQ i n g c 吼e ta LR e s e a r c ho nt h eE a n hs y s t 锄D y n 锄j cM o d e la 1 1 dS 0 m eR e l a t e d 6 7 9图2 0 利用区域气候模式R e g c M 3 对1 9 9 6 年夏季降水的模拟：(a)实测；(b)优化参数后；(c)优化参数前F i g 2 0s i m u l a t i o no nt h es u 衄e rr a i n f a l li n1 9 9 6 谢t ht h er e g i n a lc l i m a t em o d e l(R e g C M 3)：(a)0 b s e r v a t i o n；(b)、r i t ht h eo p t i 眦lp a r a m e t e r s；(c)w i t ht h eo r i g i n a lp a r a m e t e r s图2 1 西北干旱区春季感热异常影响华北地区夏季降水的概念图(引自文献 1 8 4 )F i g 2 1S k e t c hr 越po ft h ei n n u e n c eo fs p r h 培s e n s i b l eh e a t i n ga n o n l a l yo ns u 胁e rr a i n f a Ui nN o r t hC t l i 舱(f m mr e f e r e n c e 1 8 4 )万方数据6 8 0大气科学C h i n e s eJ o u H l a lo fA t m o s p h e r i cs c i e n c e s3 2 卷V o l-3 23 0 0 0m m 以上，大片土地是裸露地或稀疏植被，它们既对气候变化敏感，也对气候有明显的反馈作用，在我国西北部尤其如此。因此开展地球系统动力学模式研究的同时，特别注意了干旱和半干旱地带陆面过程的观测研究，并进行该区域对气候变化的反馈研究。前者见第7 节，本节讲后者。8 1干旱和半干旱地带观测对改进陆面过程和对气候反馈的作用敦煌观测资料分析结果表明，该地区在春、夏季成为欧亚大陆地表向大气输送感热最强的区域之一 1 75 1 7 6 。这些感热通过影响大气环流和东亚季风，从而严重影响我国夏季的气候变动 1 7 7 1 79|。通过对在敦煌开展的“我国西北干旱区陆一气相互作用观测试验”连续观测7 年多和两次加强期观测所获得的大量典型干旱区原始性观测数据分析研究，尤其是对获得的戈壁区和沙漠区陆面的辐射和热量平衡资料、感热和潜热输送通量资料等的分析研究 1 6 4 1 6 5 16 8 1 80|，我们发现，它们对于揭示我国干旱区能量和水分循环过程具有重要作用。我们既可以将这些观测资料直接应用到陆面过程模式中去，从而对干旱、半干旱地区的陆面过程基本参数进行优化，也可以应用多判据(M C)方法得到优化参数，例如可以使B A T S 模式在这些地区的模拟能力得到较大的提高和改进；又如，在典型干旱区的敦煌戈壁地区，模拟的感热和地表温度都更加接近于观测值，而在半干旱区的吉林通榆退化草地，亦可以明显改善感热的模拟 1 69。进一步将优化后的陆面过程参数应用到区域气候模式中，还可以明显改善对我国夏季降水的模拟(图2 0)。8 2 东亚一中亚干旱、半干旱带与季风的相互关联已有的研究表明，干旱、半干旱区陆一气相互作用对季风和气候变化能起重要作用，另一方面亚澳季风区的上升气流在北非和中东一带的下沉，造成了北非与中东一带的干旱区和沙漠的扩大 1 8 1 1 82|。因此，干旱、半干旱区与季风湿润区气候变异的相互作用是当今季风与气候研究的前沿课题。我们希望地球系统动力学模式也能模拟出这种相互作用。我国夏季降水在1 9 7 6 年前后发生一次明显的跃变，从1 9 7 7 年以后，华北地区和黄河流域夏季降水明显减少，并导致持续性干旱的发生，而西北地区和长江流域夏季降水明显增加。同时，西北干旱区春季感热输送从1 9 7 7 年之后明显增强，相关分析发现，当西北地区春季感热输送异常偏高时，华北地区夏季降水偏少，而长江流域夏降水偏多。特别是从1 9 7 7 年之后西北干旱、半干旱区春季感热输送偏强，这导致西北地区夏季上空出现明显的上升气流异常，而华北地区上空夏季出现下沉气流异常，这个下沉气流的加强不利于华北地区夏季降水，故引起华北地区夏季降水的减少，并发生持续性的干旱1 7 83|。进一步对西北干旱区春季感热异常对于东亚大气环流位涡异常的影响研究表明，由于西北干旱区地气温差(T s T a)和感热输送自1 9 7 7