氣候模擬

氣候模擬是模擬氣候形成的過程和結果的方法。分實驗模擬和數值模擬兩種．前者用實臉室手段模擬各種不同氣候因子的作用下的氣候狀況．後者運用一系列的靜力學，動力學和熱力學方程建立氣候數學模式，在高速電子計算機上用數值方法求解。目前己經能用這些方法模擬出與實況非常一致的大氣環流和温度、濕度等要素的空間分佈及時間變化。 ^[1] 

氣候模擬的發展説明，它是研究氣候變化規律的有力的實驗手段。更合理、更客觀的氣候模式，可用於研究各種因子在不同時間尺度的氣候變化中的作用，預測人類活動對氣候的可能影響，為大範圍氣候改造和控制提出一定依據；也可研究在一定條件下氣候變化的可能趨向，為氣候預報提供依據。

目前發展趨勢最為可觀的是區域氣候模擬， 區域氣候模擬研究在過去十幾年裏取得了顯著的進步。經過廣泛的發展和不斷的檢驗，區域氣候模式現在已經成為氣候研究和業務預報的重要工具。目前已經發表了很多令人鼓舞的結果，其中包括過去極端氣候事件的模擬，當前氣候發展演變和未來氣候變化的預測，特別是對月和季節尺度氣候的模擬與預測。通過對高分辨率和動力連續的區域氣候模式結果的分析，人們對於周—季節時間尺度的各種物理過程，包括陸面和水文過程、邊界層、雲和降水、雲-輻射相互作用的認識也在不斷的深入。

然而，區域氣候是多尺度擾動(如中尺度、天氣尺度、行星尺度擾動)和多圈層系統(如大氣圈、生物圈、水圈、冰雪圈、陸面)相互作用的結果，同時物理過程本身具有不確定性，人們對一些複雜的物理過程，特別是土壤濕度作用以及雲-氣候反饋過程也缺乏深刻的理解，因此該領域的研究還面臨着很多挑戰。 ^[2] 

由於區域氣候模式較好地表示了地形和地表狀況，同時包含較詳細的陸地過程方案，因而能捕獲許多大氣環流模式難以分辨的區域尺度温度、降水分佈和土壤水分變化特徵。此外，區域氣候模擬對於瞭解温室氣體強迫可能導致的全球增暖在區域尺度上的特徵及生態、環境效應也具有重要的意義。 ^[3] 

由於氣候系統數學物理描述上的難度和複雜性，又由於模式實現在計算方法和計算機條件上的限制及研究氣候問題的側重點不同，人們在建立氣候模式式時要根據實際需要和具體要求進行模式方程的簡化和近似，得出各種氣候模式，這種簡化和近似在物理上是要突出特定時空尺度上氣候系統最主要的過程和特徵，忽略次要的過程和特徵．從數學上講，可以在保證物理意義明確的前提和計算條件允許的條件下儘可能簡化運算。此外．對於不能用模式變量直接求解描述的過程和變量，則要進行參數化處理。

在此基礎上，根據研究的需要可以建立一系列氣候模式。經過近半個世紀的探索和發展，全球各類氣候模式已經形成一個龐大的體系和不同的家族。例如，

按照模式的空間範圍有全球氣候模式和區城氣候模式。全球模式按照複雜程度又可分為簡單模式、中等複雜程度模式和複雜模式。

按空間維數有0維或1維模式、2維和2.5維模式及3維模式等。

按照模式所依據的方程和強調的物理過程，可分為能量平衡模式、輻射對流模式、緯向平均動力模式、隨機統計動力模式、環流模式等。

按照模式所描述的系統可分為大氣環流模式、海洋環流模式、海冰模式、陸冰模式、植被模式．生物模式、化學模式和水文模式等。 ^[4] 

由於氣候現象非常複雜，實驗室模擬有很大的侷限性。隨着計算機和數值計算方法的發展，數值模擬已經成為定量研究氣候及其變化的主要方法。

地球系統模式是一個極其複雜的開放巨系統，涉及地球系統不同時間，空間尺度的相互作用，須要大氣科學、海洋學、地球物理、化學、生態學及數學和汁算科學等多學科的交叉融合。模式物理．化學、生物過程的不完善，如雲、氣溶膠、輻射、植被，地球生物化學等，都會導致地球系統模式的不確定性。

目前模式中最不能確定的過程有：

（1）雲物理過程；

（2）氣溶膠--雲--輻射的耦合過程；

（3）生態系統對對氣候變化的響應與反饋過程。

總的來説，全球增暖模擬的不確定性、輻射強迫情景的不確定性和模式參數化的不確定性是氣候模擬的不確定性的最大影響因素。 ^[5] 

在氣候研究中，氣候模擬具有兩方面的意義：

1、用氣候模式來重複、再現實際氣候，從而解釋氣候形成和變化的物理機制；

2、考察氣候模式的可靠性和預測能力，進而用於可能的氣候預報和敏感性試驗。氣候模擬方法因所使用的模式和要研究的對象不同而有所不同，但其基本過程是相近的。

圖7一5是一個用大氣環流模式進行氣候模擬的流程框圖，包括前處理、模式運行、後處理、繪圖、結果分析和成因機理探討等部分。

氣候模擬的雛型是20世紀50年代開始應用的。從60年代以後，各種形式的數值模式紛紛出現，如直接積分流體力學和熱力學方程組的大氣環流模式，根據能量平衡原理模擬大氣熱狀況的能量平衡模式，還有把大氣運動當作隨機過程處理的隨機模式和隨機、動力相結合的模式等。模式由簡單到複雜，由模擬氣候的平衡態發展到對氣候演變過程的模擬。從70年代以來，氣候模擬的研究取得了初步的試驗結果。例如由模式計算出的大氣和海洋主要氣候要素的分佈及其季節變化，與實況相比，在許多方面是基本一致的。在人類活動對氣候的影響的估計和極冰的反饋作用等方面(見反射率、極地氣象學)，也得出了有意義的結果。此外，還發展了氣候對各類模式和各種因子變化反應的敏感性試驗和次網格物理過程（比通常的大尺度過程小的對流過程等）的參數化研究(見數值天氣預報)。但是，這些模式對複雜的氣候過程的物理考慮及其對各種因子的參數化方案均不成熟，因此在很大程度上影響着結果的可信度。這些模式在計算方法上也還有一定的困難。例如，氣候模擬的計算需要足夠長的積分時間，這就要求在這樣的時間內保持計算上的穩定性，以便能夠保留所需要的長期信息。

實際應用中應首先根據研究問題的特點和需要確定所要使用的氣候模式並熟悉如何使用該模式，然後設計相應的模擬方案，並報據模擬方案准備初始資料場、邊界條件和強迫條件等資料。一般模擬方案的設計至少應包括兩個模擬試驗一個是參照試臉或叫控制試臉，是作為基本氣候態的標準試驗。另一個（或多個）是強迫模擬試驗，是根據研究問題改變初始場、邊界條件或強迫條件而設計的，它通過強迫模擬試驗結果和控制模擬試驗結果的對比，可以檢驗和分析不同因素的變化對氣候模擬結果的影響或模式氣候對強迫條件改變響應的敏感性，從而發現影響氣候變化的主要驅動因子。不同的氣候模擬問題所使用的氣候模式、強迫條件（邊界條件）和初始場是不一樣的，而且模擬方案的設計也有很大差異。另外一個關鍵問題是對模擬結果的檢驗需要用實際氣候場與模擬場進行各種比較，包括直接對比和統計分析對比。以確認模擬結果的可接受程度和可信性。因此，模式和資料的比較工作是氣候模擬中不可缺少的部分，可靠的觀測資料和重建的代用資料對氣候模擬的檢驗至關重要。 ^[6] 

氣候模擬是利用氣候模式研究氣候系統及氣候變化的定量方法。通過計算機數值求解描述氣候系統中各種物理過程的偏微分方程組來解釋氣候變化的事實．揭示氣候變化的規律與成因機制。氣候模式是用於摸擬和研究氣候系統變化及各圈層之間相互作用和其內部過權的數值實驗室，是現代氣候研究必不可少的重要手段氣候摸式建立在描述地球氣候系統狀態、運動和變化的一系列方程組之上，是研究氣候變化的成因機制及預測未來氣候變化的有力工具。如果氣候模式是一個數值實驗室的話，氣候模擬就是在這個實臉室進行的實驗。因此，氣候模擬方法使得氣候學成為一門“可實驗”的科學，氣候模擬的基本步驟包括模式的選擇、調試、模擬方案的設計，初始場和邊界強迫條件的確定，模式運行，模擬結果的輸出處理、繪圖和相關輔助性計算等．最後要對模擬結果做綜合分析．並與實際觀測資料進行比較得出所需要的結論。

氣候系統是一個高度非線性系統．對氣候系統進行完全定量的物理和數學描述是非常複雜的。氣候模式的偏微分方程組主要包括氣候系統的各組成部分的動力學和熱力學方程以及狀態方程和連續方程等，例如對於典型的含有海洋、大氣和海冰耦合的氣候模式，必須包括大氣、海洋和海冰的動力學方程和熱力學方程以及大氣狀態方程、連續方程、海洋連續方程和鹽度方程等。 ^[4]