作者：林岩銮， 秦怡

编辑：Yuki

台风山竹的凶猛来袭，美国的佛罗伦斯超级飓风，希腊接二连三的高温与野火……过去的这个夏天，各种极端天气在世界各地不断上演。全球气候变化开始严重影响人类的日常生活和社会经济活动。

及时可靠的气候预测，可以帮助人们防备极端天气，尽可能减少损失。那么，如何才能预测未来几天甚至更久之后的气候变化呢？

古有“看云识天气”，而今天，借助强大的计算机模拟系统，人们可以更加快速准确地预测天气。

（对云的观测可以在一定程度上反映未来的天气状况。图片来源：Pixabay）

气候模式就是预估未来气候变化的一种主要手段。 它借助超级计算机，把我们对全球气候系统各个主要组成部分（包括大气、海洋，陆面和冰冻圈）的科学理解变成一个大型软件，对现实世界中复杂的地球流体方程进行数值求解，使我们可以对涉及各种复杂过程的气候系统进行定量的、长时间的、大规模的计算，从而能模拟过去历史的气候情况并预估未来的气候变化。

但由于系统的复杂性和我们对其理解的有限，气候模式长期存在一些难以克服的系统偏差——如海洋低云偏少和双赤道辐合带偏差*问题，会严重影响人们对未来气候变化预估的信心。

云和降水分布的准确模拟，是提高气候模式对未来气候变化预估可靠性的必要前提和保障，为此，我们需要不断改进当前气候模式中的模拟偏差。

过去的一系列研究表明，在气候模式中， 能否准确模拟海洋低云和热带降水的分布，对预估未来全球变暖幅度和极端天气的发生频率等，具有至关重要的影响 。而即便是当前国际上最先进的气候模式之一——美国国家大气研究中心（NCAR）的气候模式CESM1.0，在海洋低云和热带降水分布模拟方面，依然存在较大偏差。

（美国国家大气研究中心。图片来源：ncar.ucar.edu）

气候模式的偏差来源有很多，其中，模式中各种描述小尺度次网格物理过程的参数化方案，是模式系统偏差的重要来源。这是由于模式的分辨率较粗（不能解析诸多小尺度过程），以及我们对很多小尺度过程——如云和湍流过程的理解还不完善导致的。

通常，气候模式的分辨率为100 千米左右，也就是说，一个网格点代表100 千米乘100千米的范围。实际上，这100 千米乘100千米的范围内会发生很多重要的次网格过程（也就是更小尺度内的气候变化），如云、降水等，因此增强次网格物理过程的描述非常必要。

在CESM1.0中，云量的计算只依赖于网格点上的相对湿度（空气里水汽含量多少的相对量度，0为没有水汽，100%为水汽饱和）以及一个可调节的固定相对湿度阈值（Park-RH方案），超过给定的相对湿度阈值就开始认为有云生成。

但由于 真实的自然界中云的空间分布在100千米的网格内变化是非常大的 （如下图所示，右下角显示100千米的网格范围）， 因此，简单的相对湿度阈值，不能正确反映模式网格内部小尺度 温度和湿度的分布对云形成和变化的影响。所以， 必需充分考虑这些更小范围的变化，即次网格变率对云生消的影响。

（MODIS卫星观测格拉西奥萨岛（红圈位置）附近500km的云分布（左图：2009年11月22日海洋层积云；右图：2010年8月30日浅积云）。可见自然界中的云在100km范围内的空间变化很大，一个湿度阈值不足以描述所有的情况。图片来自：Re´ Millard）

近日，清华大学地球系统科学系的研究人员开发了一个新的统计云量方案。该方案（Gauss-PDF）把模式中影响次网格云生消的主要物理过程（如湍流与浅对流过程），直接考虑到云方案的计算中，从而能描述不同区域随时间变化的次网格变率。

这样的方案 不仅改进了热带海洋低云的模拟，还有效缓解了原有CESM1.0 模式中的双赤道辐合带偏差 。

（全球年平均低云云量(%)：(a) ISCCP卫星观测，(b) Park-RH模拟，(c) Park-RH与ISCCP之差，(d) Gauss-PDF与Park-RH之差。（c）中红色（蓝色）表示与观测相比Park-RH模拟偏大（偏小），在同一区域，（d）与（c）颜色相反则表明Gauss-PDF比Park-RH有所改进。图片来源：参考文献[1]）

（热带太平洋全球年平均降水分布(单位：毫米每天，mm/day)：(a) GPCP观测，(b) Park-RH模拟，(c) Park-RH与GPCP之差，(d) Gauss-PDF与Park-RH之差。（c）中蓝色（棕色）表示与观测相比Park-RH模拟偏大（偏小），在同一区域，（d）与（c）颜色相反则表明Gauss-PDF比Park-RH有改进。图片来源：参考文献[2]）

新方案是如何减少太平洋双赤道辐合带偏差的呢？

原来，模型中增加的低云减小了到达地表的太阳短波辐射，这使得太平洋东部的海温降低，从而增加了东西方向的海温梯度和气压差，增强了热带东西向的沃克环流和赤道以南的东南信风。增强的信风进一步加强了海洋混合层内自东向西的冷平流，造成赤道中太平洋的海温降低，从而减少了那里的降水，缓解了热带的双赤道辐合带的模拟偏差。这些成果于近期发表在Wiley旗下的《Journal of Advanced in Modeling Earth Systems》上。

（新统计云方案（Gauss-PDF）缓解双赤道辐合带偏差的主要机制。 图片来源：参考文献[2]）

近几十年，在气象科学家们的共同努力下，气候模式的系统偏差正在得到逐步的改善，也为气候模式更加准确预估未来的气候变化提供了更好的基础。这一研究 为改进热带海洋低云的模拟提供了一个方向，同时为改进双赤道辐合带偏差提供了新的解释机制 。

（本研究由清华大学地球系统科学系博士研究生秦怡、指导老师林岩銮教授及其他合作人员完成。上图为林岩銮教授课题组部分成员。图片来源：秦怡）

该方案目前已经被清华大学牵头发展的公共地球系统模式采用，将推进中国气候模式发展。未来，我们在面对极端天气时就能够更好地做到“防患于未然”了。

国际减灾日

今天（10月13日）是第29个国际减灾日。国际减灾日的全称是“ 国际减轻自然灾害日 ”。1989年12月，第44届联合国大会规定，每年10月的第二个星期三为“国际减少自然灾害日”(International Day for Natural Disaster Reduction) 。2009年，联合国大会通过决议将每年的10月13日确定为国际减轻自然灾害日，简称“国际减灾日”。今年国际减灾日主题是“减少灾害损失，创造美好生活”，强调关注灾害对经济社会发展和人民生产生活的负面影响。

作者名片

排版：小爽

题图来源：图虫创意

参考文献：

1.Qin Y, Lin Y, Xu S, et al. A Diagnostic PDF Cloud Scheme to Improve Subtropical Low Clouds in NCAR Community Atmosphere Model (CAM5)[J]. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 2018, 10(2). https://doi.org/10.1002/2017MS001095

2.Qin Yi, Yanluan Lin, Alleviated double ITCZ problem in NCAR CESM1: a new cloud scheme and the working mechanisms, Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 2018. https://doi.org/10.1029/2018MS001343