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火山气溶胶影响气候的研究现状与未来

科学通报 2024年第2期69卷 230-252页

作者：周天军左萌满文敏中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049

火山喷发主要通过改变大气成分进而影响气候异常,火山喷发后在平流层形成的硫酸盐气溶胶是影响气候变化的重要自然外强迫因子.本文在概述火山喷发影响气候的基本原理和研究方法基础上,围绕着过去2500年主要火山事件的记录重建,火山喷发... 详细信息

火山喷发主要通过改变大气成分进而影响气候异常,火山喷发后在平流层形成的硫酸盐气溶胶是影响气候变化的重要自然外强迫因子.本文在概述火山喷发影响气候的基本原理和研究方法基础上,围绕着过去2500年主要火山事件的记录重建,火山喷发对全球气候、厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-southern oscillation,ENSO)、东亚和中国气候的影响,火山喷发对年代际气候预测和未来气候预估的影响、火山空气污染及其人体健康影响等问题,总结了近年来的主要进展,探讨了亟待加强的研究方向.主要结论如下:(1)较为可靠的火山气溶胶强迫资料重建已延伸至过去2500年,全球范围内能够造成有效辐射强迫减少1 W m−2以上的大型火山喷发的平均周期为43±7.5年;记录重建的难点在于如何利用冰芯中的硫酸盐记录来重建火山强度、持续时间和空间分布等.(2)火山气溶胶的全球气候影响,包括令全球平均温度降低和冬季北半球中高纬地区升温,使全球平均降水减少,季风环流减弱,季风降水减少;火山喷发后平流层水汽的增加能够部分抵消火山气溶胶的冷却作用;火山喷发还能够影响海表高度、海温和海洋环流的年代际变化,通过影响生态系统碳循环造成大气中CO_(2)浓度降低.(3)热带火山喷发后太平洋会出现El Niño型海温响应,热带和北半球高纬度火山喷发对El Niño型海温异常形成的驱动作用强于南半球火山,海温初始位相能够影响火山喷发对ENSO的影响.(4)火山气溶胶能够导致东亚地区气温下降,出现极端低温,并使东亚夏季风环流减弱,中国东部降水总体减少,但呈现出空间分布上的不均匀性.(5)考虑火山气溶胶的影响能够提升年代际气候预测技巧,强迫气候系统内部变率模态的位相变化,潜在的火山喷发能够导致预估的未来百年全球平均温度低于预期、全球季风区降水减少.(6)火山喷发能够引起火山空气污染,进而对人体健康产生影响.(7)未来需要加强的研究工作,包括历史时期火山记录的重建和器测资料时期火山气溶胶等资料的卫星反演、火山影响全球和区域气候的物理学机理研究、“平流层化学-气溶胶-气候”耦合模式的研发、火山气候影响研究的多学科交叉国际合作,需要重视现代小型火山喷发的气候影响问题,以及火山喷发对年代际气候变率模态和年代际气候预测的作用问题.

关键词：火山气溶胶重建和气候模拟温度降水厄尔尼诺-南方涛动气候预测和预估

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土壤湿度-大气耦合加速全球变暖进程

中国科学：地球科学 2024年第3期54卷 907-908页

作者：周天军中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029

自工业革命以来,受人为活动影响,温室气体排放不断增加,全球气候系统持续变暖,全球大部分陆地尤其是中低纬陆地出现显著干旱化的特征,且两者在最近几十年都呈现出非线性增长的趋势(Berg等,2017;Zhou等,2019;IPCC,2021).在此背景下,高温... 详细信息

自工业革命以来,受人为活动影响,温室气体排放不断增加,全球气候系统持续变暖,全球大部分陆地尤其是中低纬陆地出现显著干旱化的特征,且两者在最近几十年都呈现出非线性增长的趋势(Berg等,2017;Zhou等,2019;IPCC,2021).在此背景下,高温热浪和极端干旱事件频发,其强度、持续时间和发生的空间范围也呈现非线性增强、增长和增大的特点(Zhang和Wu,2011;Vogel等,2017;Zhang等,2020;Bartusek等,2022;Zhang等,2023).

关键词：高温热浪极端干旱事件全球气候系统中低纬全球变暖土壤湿度非线性增长干旱化

气候变化影响中国东北地区降水侵蚀力的高分辨率区域模式预估

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大气科学 2024年第2期48卷 480-496页

作者：辛羽婷张文霞邹立维周天军赵勇成都信息工程大学大气科学学院成都610225 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 吉林省吉林市气象局吉林132000

土壤侵蚀是生态环境和农业生产的重要影响因子。我国东三省土地面积79.33万平方公里,占我国国土面积的9.3%,是重要的商品粮基地,同时也是世界四大黑土区之一。在气候变化背景下,我国东北地区的土壤侵蚀情况及其未来风险,目前仍不清楚。... 详细信息

土壤侵蚀是生态环境和农业生产的重要影响因子。我国东三省土地面积79.33万平方公里,占我国国土面积的9.3%,是重要的商品粮基地,同时也是世界四大黑土区之一。在气候变化背景下,我国东北地区的土壤侵蚀情况及其未来风险,目前仍不清楚。影响土壤侵蚀力的重要因素之一是降水侵蚀力(R-factor),其与强降水有关。本研究利用CN05.1和APHRODITE观测降水资料揭示了我国东北地区降水侵蚀力的观测特征。在气候平均态上,东北地区东南部降水侵蚀力最强。降水侵蚀力存在明显的年循环,以夏季为主导,占全年总侵蚀的80%以上。在观测分析基础上,对RegCM4动力降尺度模式进行了评估和订正,并预估了未来不同共享社会经济路径(SSP1-2.6和SSP5-8.5)下中国东北地区降水侵蚀力的变化。随着未来增温,到21世纪末,两种排放情景下东北地区平均的降水侵蚀力分别增加9.90%和26.70%。高排放情景下将面临更严重的降水侵蚀风险,SSP5-8.5情景下降水侵蚀力的增强幅度约为SSP1-2.6情景下变化的2.7倍,同时77.69%的区域面积上降水侵蚀力将更强。因此,采取切实有效的减排措施,走可持续发展路径,对于减缓我国东北地区黑土地的土壤侵蚀风险,进而保障粮食安全,具有重要意义。

关键词：降水侵蚀动力降尺度气候变化偏差订正

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海气相互作用在模式FGOALS-g3模拟东亚夏季风及其对前冬El Niño响应中的贡献

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大气科学 2024年第2期48卷 687-703页

作者：丁天郭准周天军胡帅陈晓龙何林强巫明娜中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG) 北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 中国科学院气候变化研究中心北京100029

本文基于观测、再分析资料和中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)最新版本气候系统模式FGOALS-g3,探究了海气相互作用在模拟东亚夏季风及其对前冬El Niño响应中的贡献。大气环流模式(AGCM)模... 详细信息

本文基于观测、再分析资料和中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)最新版本气候系统模式FGOALS-g3,探究了海气相互作用在模拟东亚夏季风及其对前冬El Niño响应中的贡献。大气环流模式(AGCM)模拟的气候态夏季风雨带偏东,东亚季风区表现为干偏差,耦合模式(CGCM)虽模拟出了夏季风雨带的位置,但降水仍偏弱。AGCM由于缺乏海气耦合过程,夏季西北太平洋地区对流模拟过强,使得副热带高压(简称副高)偏东、南中国海季风槽偏东,造成东亚夏季风雨带偏东;东亚陆地区域水汽偏少,也是降水干偏差的一个重要原因,此两项可以解释70%以上的干偏差。在考虑海气相互作用后,西北太平洋的降水正异常减弱了局地海表温度,因此CGCM显著改进了副高以及南中国海季风槽偏东等偏差,使得夏季风雨带位置得到改进,季风区降水干偏差减小了36%,但由于水汽偏少,水汽纬向输送偏少,东亚季风区仍维持着显著的干偏差。另一方面,对前冬El Niño的响应,CGCM能够再现El Niño衰减年夏季印度—西太平洋电容器效应(IPOC机制)对西北太平洋异常反气旋(WNPAC)的维持作用及偶极型分布的降水异常。而AGCM中夏季西北太平洋以及孟加拉湾、印度半岛周围海域对流对于海温的响应过于敏感,一方面西北太平洋局地暖异常造成的对流质量输送一定程度上抑制了WNPAC的建立,另一方面孟加拉湾、印度半岛周围海域过强的上升异常,通过局地环流,抑制了其南侧印度洋的对流异常,导致无法模拟出IPOC机制对衰减年夏季WNPAC的维持作用。因此,缺乏海气耦合过程是AGCM不能模拟出东亚夏季风对前冬El Niño滞后响应的关键原因。

关键词： FGOALS-g3 模式东亚夏季风海气相互作用厄尔尼诺气候态

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气候变化与碳中和

新华文摘 2024年第10期 120-125页

作者：周天军陈晓龙张文霞张丽霞中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室

2015年,《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)缔约国大会第21次会议(COP21)在法国巴黎召开,会议通过了《巴黎协定》,提出到21世纪末要“把全球平均温度较之工业化前水平的升高控制在2℃以内,努力争取控制在1.5℃以内。”

关键词：全球平均温度碳中和《巴黎协定》气候变化缔约国大会工业化

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气候变化与碳中和

自然杂志 2024年第1期46卷 1-11页

作者：周天军陈晓龙张文霞张丽霞中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029

工业化以来化石燃料的广泛使用使大气中的二氧化碳浓度急剧升高,造成全球气候变暖、极端天气气候事件频发。为有效应对和减缓气候变化,国际社会通过《巴黎协定》设定了2℃和1.5℃温控目标,由此提出了碳中和的概念。文章介绍了全球变暖... 详细信息

工业化以来化石燃料的广泛使用使大气中的二氧化碳浓度急剧升高,造成全球气候变暖、极端天气气候事件频发。为有效应对和减缓气候变化,国际社会通过《巴黎协定》设定了2℃和1.5℃温控目标,由此提出了碳中和的概念。文章介绍了全球变暖的基本事实、人类碳排放对工业化以来全球变暖的作用,归纳了关于未来气候变化的主要结果,阐释了1.5/2℃温升阈值与碳中和的关系,概述了国际社会为有效应对全球变暖而在减少碳排放方面的努力。

关键词：气候变化碳中和极端气候事件气候模拟气候预估

《巴黎协定》温控目标下未来碳排放空间的准确估算问题辨析

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中国科学院院刊 2022年第2期37卷 216-229页

作者：周天军陈晓龙中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

为了应对工业化以来的全球增暖问题,《联合国气候变化框架公约》缔约方通过《巴黎协定》设定了"将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃以内,并努力将温度上升幅度限制在1.5℃以内"的目标。当前,全球平均表面温度相对工业革命... 详细信息

为了应对工业化以来的全球增暖问题,《联合国气候变化框架公约》缔约方通过《巴黎协定》设定了"将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃以内,并努力将温度上升幅度限制在1.5℃以内"的目标。当前,全球平均表面温度相对工业革命前的升温已超过1℃,累积二氧化碳(CO_(2))排放达到2390 Gt。因此,要实现《巴黎协定》的1.5℃和2℃温控目标,需要准确估算未来剩余的碳排放空间。文章在概述地球系统碳循环与升温关系的基础上,对未来碳排放空间的估算方法进行评述,分析讨论了政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告(AR6)和IPCC第五次评估报告(AR5)发布以来在碳排放空间估算方面的国际研究进展,探究了造成估算结果差异的原因并指出影响未来碳排放空间估算准确性的关键因素。最后,围绕未来碳排放空间的准确估算问题,提出了亟待加强的研究领域。文章可为科学界在温控目标下准确估算未来碳排放空间核算数据及未来的研究重点方向提供参考。

关键词：巴黎协定温控目标政府间气候变化专门委员会(IPCC) 未来碳排放空间

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近60年来中国主要流域极端降水演变特征

大气科学 2022年第3期46卷 707-724页

作者：江洁周天军张文霞中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG) 北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

在全球增暖背景下,中国极端降水事件及洪涝、干旱等次生灾害近年来频发,严重影响生态系统、人民的生产生活和社会经济发展。本文基于气候变化检测和指数专家组(ETCCDI)定义的10个降水指数,利用中国台站日降水资料,系统分析了1961~2017... 详细信息

在全球增暖背景下,中国极端降水事件及洪涝、干旱等次生灾害近年来频发,严重影响生态系统、人民的生产生活和社会经济发展。本文基于气候变化检测和指数专家组(ETCCDI)定义的10个降水指数,利用中国台站日降水资料,系统分析了1961~2017年中国及九大流域片降水变化情况,并利用空间场显著性检验考察不同降水指数的显著变化是否与外强迫作用有关。结果表明,各降水指数的变化具有区域性特征。整体而言,全国范围内平均降水、降水强度、极端强降水和连续性强降水呈增强趋势的台站数多于呈减弱趋势的台站数,呈显著增强趋势的台站占比不可能仅由气候系统内部变率引起,还受到外强迫的影响。此外,中国大部分站点连续干旱日数(CDD)减少,观测中CDD呈显著减弱趋势的台站占比也与外强迫作用有关。九大流域片中,内陆河片能够观测到平均降水、降水强度、极端强降水和连续性强降水的增多以及连续干旱日数的减少,有洪涝灾害增多的风险,且上述变化可归因为外强迫的作用。长江流域片、东南诸河片和珠海流域片平均降水、极端强降水和连续性强降水均增强,其中强降水的变化与外强迫作用有关。西南诸河片极端强降水增强,但大部分站点CDD呈增加趋势,有干旱增加的风险。黄河流域片、海河流域片、淮河流域片及松辽河流域片的大部分站点及区域平均结果中,降水指数多无显著变化趋势。增暖背景下,不同流域片呈现出不同的降水变化特征,将面临不同的气候灾害风险。

关键词：极端降水流域旱涝变化趋势

CMIP6模式对中国东部地区水循环的模拟能力评估

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大气科学 2022年第3期46卷 557-572页

作者：赵丹张丽霞周天军中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG) 北京100029 中国科学院大学北京100049

本文基于观测和再分析资料,采用Brubaker二元模型评估了第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中19个模式对中国东部季风区气候态水循环过程的模拟能力,并分析了模拟误差来源。结果表明,CMIP6模式集合平均(MME)能够合理再现观测降水和蒸发... 详细信息

本文基于观测和再分析资料,采用Brubaker二元模型评估了第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中19个模式对中国东部季风区气候态水循环过程的模拟能力,并分析了模拟误差来源。结果表明,CMIP6模式集合平均(MME)能够合理再现观测降水和蒸发的年平均气候态空间分布及年循环特征,与观测值的空间相关系数分别为0.92和0.87。较之观测,MME高估了华北地区降水(0.55 mm d^(−1)),低估了华南沿海地区降水(−0.3 mm d^(−1))。所有CMIP6模式均高估蒸发强度(偏差0.03~0.98 mm d^(−1)),使得模拟的降水与蒸发之差偏少。模式整体能够模拟出我国东部季风区降水再循环率及不同边界水汽来源的贡献率,但低估了由南边界进入季风区的水汽贡献,导致东亚季风区偏干。通过分析模式对影响水汽通量的两个气象要素(风速和大气比湿)的模拟能力,发现研究区南边界的风速大小决定了模式间水汽输送差异。南边界风速越大的模式,由南边界进入的水汽通量越大,模式模拟的降水越多。西北太平洋辐合带的东西位置是影响南边界南风速的重要系统之一,辐合带位置偏东的模式模拟的南风强度较弱,使得水汽输送偏弱、降水偏少;反之,南边界水汽输送偏强、降水偏多。本文通过评估最新一代CMIP6模式在东亚水循环方面的模拟性能,指出了当前气候模式在模拟西太平洋辐合带位置方面存在的偏差及其对东亚水循环的影响。

关键词： CMIP6(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6) 季风水循环降水再循环率水汽输送