本刊记者  胡 敬

　　
　　全球气候与环境正经历快速、巨大的变化，并在全球范围和中国区域均表现出明显的年代际尺度（10～30年）特征。随着其影响的日渐显现，气候变化所涉及的政治、经济、社会和科技发展问题，已经受到国际社会的高度重视。
　　从20世纪70年代末开始，我国长江流域降水增多，华北地区降水减少，形成了我国东部“南涝北旱”的局面，导致长江流域洪涝增多而华北地区持续干旱，造成了大量的生命和财产损失，而这样的气候变化就属于一种年代际尺度的气候变化。除此之外，年代际气候变化还会对农业、渔业、水利水电、航运、旅游业等领域的计划制定和决策产生一定的影响。在国家层面上，它直接影响一个国家人民的生命财产安全以及经济建设和重大基础设施等中长期规划的制订。因此，科学家对年代际尺度气候变化的深入探究具有重要意义。
　　中国科学院大气物理研究所研究员、清华大学地球系统科学系教授王斌多年来从事气候模式发展、变分资料同化和年代际预测等方面的研究工作，在这一领域研究中积累了丰富的经验。到底年代际尺度气候变化与何相关？在年代际尺度变化下，我们应该如何应对？王斌及其科研团队迫切想要通过科学研究，揭开其中的奥秘。
　　

聚焦大气成分与年代际尺度的关系

　　近百年以来，在全球变暖的大背景下，我国东部气候在年代际尺度上经历了3次主要转型：分别发生在20世纪20年代和70年代中后期的两次从相对冷期向暖期的转变，和发生在20世纪50年代早期的一次从暖期向冷期的转变。
　　已有研究表明，大气成分对上述年代际转型有着重要影响。自工业革命以来，人类活动向大气排放的各种气体和气溶胶深刻地改变了大气中化学成分的构成和含量。气候变化、冰盖破坏、臭氧层空洞、光化学污染、灰霾污染等一系列气候与环境问题的出现和演变，都与人类活动向大气释放的各类污染物和温室气体有关。
　　如何准确估算这些物质的排放量和时空分布，表征和预测排放的时空变化，探究人类活动对排放的影响机理，寻求效益最大化的减排方案？如何考虑化学—气候复杂的相互作用，科学地预测大气成分和气候的年代际变化？如何综合考虑区域空气质量的未来变化及其与气候的相互作用，并找出合理有效的治理、应对之道？这些都是国际气候和环境科学领域当前关注的热点问题，也是全人类现今面临的最大挑战。
　　为了攻克这些问题，原“973”项目“年代际尺度上全球和中国大气成分与气候的变化及其相互作用”于2014年正式启动，项目主要分为“主要大气成分历史排放清单及未来情景”“大气成分与气候年代际变化预测及相互关系研究”“中国化学—气候相互作用的高分辨率研究”3个研究课题，项目首席科学家王斌与来自清华大学、北京大学、发改委能源所和中国气象科学研究院的共15位科学家展开了一系列科研攻关，立志在年代际尺度上全球和中国大气成分与气候的变化及其相互作用中，取得更大的突破。
　　

开展年代际尺度的气候预测

　　在“年代际尺度上全球和中国大气成分与气候的变化及其相互作用”研究中，王斌及其科研团队主要负责“大气成分与气候年代际变化预测及相互关系研究”这一课题的研究工作。
　　年代际尺度的气候预测一直是困扰科研界的一大难题，需要利用包含海洋、海冰、大气和陆面等地球系统各个圈层的耦合地球系统模式作为工具，而每个圈层内的气候变化以及各圈层之间的相互作用使得地球系统具有高度的复杂性，预测难度很大。气候变化主要分为两类：一类是由外强迫（人为和自然因素排放的温室气体和气溶胶等）引起的，这类气候变化能够较好地被模式模拟出来；另一类是由内部变率（地球系统本身的周期性振荡）引起的，比如我们熟知的厄尔尼诺就是一种年际尺度的内部变率，而太平洋年代际振荡（PDO）则是一种年代际尺度的内部变率，这类气候变率不容易被模式模拟出，需要通过耦合资料同化的方法把模式变率的位相与观测变率调整成一致，为年代际预测提供与观测更加接近的初值。
　　目前国际上的耦合资料同化方法仍然处于探索阶段，大部分气候模式采用简单向观测进行恢复的初始化方法，少数模式采用变分或集合的方法，至今还没有模式采用将四维变分和集合进行混合的方法。在这一课题中，王斌课题组基于自主发展的一种四维集合—变分混合的同化方法DRP-4DVar和气候系统模式FGOALS-g2，在国际上最早建立了基于四维集合—变分混合同化方法的耦合同化系统，该系统在国际上首次具备直接同化月平均观测资料的能力，在年代际预测试验中有效缓解了国际上久未解决的初始冲击问题，并能显著提高全球平均近地面气温以及PDO的预测技巧。
　　初始冲击问题是指在年代际预测的前几年出现的从初始时刻的观测状态向模式气候态迅速调整的过程，主要由于模式气候态与观测气候态之间存在一定的偏差以及同化方法性能限制引起的初值与模式之间不协调所导致。初始冲击会带来观测信息的衰减并破坏其有效传递，在一定程度上降低年代际变率的预测技巧。而王斌团队的研究能得到更准确且与模式协调的初值，相比于FGOALS-g2模式原有的和国际上几个代表性的耦合同化系统而言，在预测过程中全球平均近地面气温距平的初始冲击是最小的，其年代际变率的预测技巧在国际上也是最好的之一。目前国际上对PDO的预测普遍很差，大多数模式预测的PDO位相与观测的是相反的，多模式集合平均的结果与观测也仅仅为负的相关系数，而王斌团队采用的进一步改进的基于DRP-4DVar的耦合同化系统，在仍然保持初始冲击缓解的情形下，能成功预测出PDO的位相转变。并预计在未来10年内，PDO仍将保持在正位相。
　　

探索大气成分与气候年代际变化及相互关系

　　气溶胶和臭氧等短寿命大气成分具有显著的年代际气候效应，被IPCC AR4（2007）报告认为是仅次于长寿命温室气体的导致气候变化的重要因子。模拟与观测研究表明，一些区域尺度的年代际气候变化，如东亚季风、南亚季风、北大西洋混合层温度等的年代际变化，都与气溶胶密切相关。
　　针对气候系统模式FGOALS-g2的大气分量模式GAMIL2，王斌团队引入了新的气溶胶辐射计算方案、云滴核化过程参数化方案和黑碳扰动方案，改善模式对气溶胶间接效应的模拟能力；针对大气化学模式GIGC和GAMIL的数据在水平分辨率、垂直坐标、时间步长等方面存在差异和不同的物理量表示，研究数据流在各模块之间的守恒变换与映射，从而在气候系统模式FGOALS-g2的耦合框架下实现了大气化学模式GIGC与其大气分量模式GAMIL2的在线耦合，建立了大气化学—气候系统耦合模式FGOALS-GIGC。
　　在此基础之上，他们利用FGOALS-GIGC开展了一系列敏感性试验，包括有无气溶胶的试验，有无气溶胶年代际变化的试验，考察年代际尺度上气溶胶变化对气候变化的影响，并针对年代际信号很强的PDO，考察分别来自外强迫，尤其是大气成分变化和自然变率对它的贡献，为深入探索大气成分与气候年代际变化及相互关系而不懈努力。
　　项目开展4年多来，王斌及其团队成员没有一刻松懈。“通过研究全球和中国大气成分和气候的年代际变化特征及其相互关系，预测它们未来10～30年的可能变化，并以此为依据，设计既减缓气候变暖又改善空气质量的双赢减排策略，为国家的中长期规划和气候外交提供科学依据”是项目团队研究人员的共同心愿。今后，他们仍会围绕年代际预测这一主题开展研究，为了提高预测技巧、服务于国家需求这一共同目标而全力以赴！
　　
　　
团队主要成员简介：
　　
　　　　
　　王斌，中国科学院大气物理研究所研究员、清华大学教授，原“973”项目首席科学家。长期致力于大气模式研发、资料同化方法研究及其在天气、气候数值模拟与预报、预测中的应用。发展的保持有效能量和质量守恒的格点大气模式GAMIL及其耦合气候系统模式版本多次参与国际模式比较计划，为政府间气候变化专门委员会第四、五次评估报告做出了贡献。提出的三维变分映射资料同化和降维投影四维变分同化等新方法已在军队和省级天气预报业务中得到成功应用，并发挥了重要作用。
　　和玉君，女，清华大学地球系统科学系博士生，原“973”项目第二课题“大气成分与气候年代际变化预测及相互关系研究”的主要参与者，研究方向为耦合资料同化和年代际气候预测。目前，已经以第一作者的身份在该专业领域国际顶尖刊物Geophysical Research Letters上发表了1篇论文，提出了有效缓解初始冲击难题的年代际预测的初始化方法。曾获得斯伦贝谢计算地球科学奖学金。