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。

 

(超强台风“山竹”袭击广州,市区内大量树木倒地,停在树下的车辆均有不同程度的受损。图片来源:图虫创意) 

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

*双赤道辐合带偏差:是指模式模拟出的热带降水与实际观测相比,赤道两侧偏多而赤道偏少,这使得赤道两侧各出现了一条过强的降水带。

 

 

精准预估气候灾害?我们需要一个靠谱的“云方案”

图文简介

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。