應對氣候變化 年代際預測不可或缺

「氣候變化在全球和區域範圍內均表現出明顯的年代際尺度特徵(10-30年)，不僅對生態環境和人類生活產生嚴重的影響，還會對農業、漁業、水利水電、航運、旅遊業等領域的計劃制定和決策產生一定的影響，譬如我國2004-2020年的國家能源中長期發展規劃、2012-2030年的國家重大科技基礎設施建設中長期規劃、2010-2020年的國家防災減災人才發展中長期規劃等。」國家重點基礎研究發展計劃(973)項目「年代際尺度上全球和中國大氣成分與氣候的變化及其相互作用」首席科學家，中國科學院大氣物理研究所研究員，清華大學教授王斌對記者說。

氣候變化、冰蓋破壞、臭氧層空洞、光化學污染、灰霾污染等一系列氣候與環境問題的出現和演變，都與人類活動向大氣釋放的各類污染物和溫室氣體有關。如何準確估算這些物質的排放量和時空分布，表徵和預測排放的時空變化，探究人類活動對排放的影響機理，尋求效益最大化的減排方案?如何考慮化學-氣候複雜的相互作用，科學地預測大氣成分和氣候的年代際變化?如何綜合考慮區域空氣質量的未來變化及其與氣候的相互作用，並找出合理有效的治理、因應之道?這些都是國際氣候和環境科學領域當前關注的熱點問題，也是973項目重點研究的挑戰性科學問題。

從20世紀70年代末開始，長江流域降水增多，華北地區降水減少，形成了我國東部「南澇北旱」的局面，導致長江流域洪澇增多而華北地區持續乾旱，造成了大量的人員傷亡和財產損失。這樣的氣候變化屬於一種年代際尺度(10~30年)的氣候變化。要合理預測年代際氣候變化，必須發展性能良好的氣候系統模式和先進的資料同化方法。王斌及其研究團隊長期致力於氣候模式研發、資料同化方法研究及其在天氣、氣候數值模擬與預報、預測中的應用。發展的保持有效能量和質量守恆的格點大氣模式GAMIL及其耦合氣候系統模式版本FGOALS-g多次參與國際模式比較計劃，為政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第四、五次評估報告(AR4、AR5)做出了貢獻。提出的集合-變分混合同化方法-降維投影四維變分(DRP-4DVar)同化新方法已在軍隊和省級天氣預報業務中得到成功應用，並發揮了重要作用。這些成果為973項目開展年代際氣候預測研究打下了重要的基礎。

據了解，年代際尺度的氣候預測始終是一大難題，需要利用包含海洋、海冰、大氣和陸面等氣候系統各個圈層的氣候系統模式這個工具，而每個圈層內的氣候變化以及各圈層之間的相互作用使得氣候系統具有高度的複雜性和不確定性，預測難度很大。氣候變化主要分為兩類：一類是由外強迫(人為和自然因素排放的溫室氣體和氣溶膠等)引起的長期趨勢，這類氣候變化的模擬或預估在數學上屬於邊值問題，即不需要考慮模式初始狀態(簡稱「初值」)的準確性;另一類是地球系統自身固有的內部變率(地球系統本身的周期性振蕩)，譬如我們熟知的厄爾尼諾屬於年際尺度的內部變率，而太平洋年代際振蕩(PDO)則主要表現為年代際尺度特徵，這類氣候變率若缺少準確的初值是難以被模式模擬或預測的，需要通過耦合資料同化的方法把模式變率與觀測變率調整成一致，為模式提供與觀測更加接近的初值。

對此，王斌對記者介紹：「目前國際上的耦合資料同化方法仍然處於探索階段，大部分氣候模式採用簡單向觀測進行恢復的初始化方法，少數模式採用變分或集合的方法，至今還沒有模式採用將四維變分和集合混合的方法。」在973項目中，王斌及其研究團隊自主發展的同化方法DRP-4DVar和氣候系統模式FGOALS-g2是開展年代際預測的基本科學工具。以此為基礎，該973項目在國際上最早建立了基於四維集合-變分混合同化方法的耦合同化系統，該系統在國際上首次具備直接同化月平均觀測資料的能力，在年代際預測試驗中有效緩解了國際上久未解決的初始衝擊問題，並能顯著提高全球平均近地面氣溫以及PDO的預測技巧。

初始衝擊問題是指在年代際預測的前幾年出現的從初始時刻的觀測狀態向模式氣候態迅速調整的過程，主要由於模式氣候態與觀測氣候態之間存在一定的偏差以及同化方法性能限制引起的初值與模式之間不協調導致。初始衝擊會帶來觀測信息的衰減並破壞其有效傳遞，在一定程度上降低對年代際變率的預測技巧。「我們的研究能得到更準確且與模式協調的初值。相比於FGOALS-g2模式原有的和其他參加IPCCAR5的耦合同化系統而言，我們新預報的全球平均近地面氣溫距平的初始衝擊是最小的。」王斌向記者展示了圖1，「其年代際變率的預測技巧在國際上也是最好的。目前國際上對PDO的預測普遍很差，大多數模式預測的PDO位相與觀測甚至都是相反的，多模式集合平均的結果與觀測也僅僅為負的相關係數，而我們採用進一步改進的基於DRP-4DVar的耦合同化系統，在仍然保持初始衝擊緩解的情形下，能成功預測出PDO的位相轉變，相關係數在國際上是目前最好的之一」王斌說完後為記者指示了圖2。

圖1 全球平均近地面氣溫距平隨時間的變化(單位：°C)，黑線為觀測，綵線為後報試驗。圖a和b分別表示FGOALS-g2模式採用DRP-4DVar和原有的耦合系統的結果，圖c-h表示國際上幾個代表性模式的結果

圖2 全年(ANN)和冬季(NDJFM)平均PDO指數與觀測的相關係數。從左到右分別為國際上16個模式的結果、這16個模式集合平均的結果和FGOALS-g2模式採用進一步改進的基於DRP-4DVar的耦合同化系統的結果，紅色三角和藍色星號分別表示年平均和冬季平均的PDO指數的相關係數

據了解，王斌主要從事氣候系統模式發展、四維變分資料同化和年代際預測等方面的研究，曾於2011年獲何梁何利科學與技術進步獎，1998年獲國家傑出青年基金，2003年撰寫的研究案例《Atmospheric Research》獲國際大獎：「Computerworld Honors Program, Science category, 21st Century Achievement Award」，2005年被人事部授予「全國優秀博士後」稱號，2010-2013年主持863重點項目，現為973項目首席科學家。曾擔任大氣科學和地球流體力學數值模式國家重點實驗室主任10年，在經歷的兩次國家評估中均獲得優秀。他在大氣環流模式發展和基於耦合模式的年代際預測方面做了大量的工作，是國內少有的自主發展大氣環流模式框架和完成年代際預測的研究人員之一，為973項目年代際預測研究積累了經驗，打下了基礎。

王斌曾擔任世界氣候研究計劃(WCRP)耦合模擬工作(WGCM)的成員8年(2009-2016)，每年都要參加WGCM的工作例會，報告中國地球系統模式和年代際預測等方面的研究進展，參與了IPCC AR5耦合模式比較計劃第5期的試驗設計與決策，了解國際氣候系統模式和年代際預測的最新進展與發展動態，並與來自發達國家的其他WGCM成員有充分的交流，與美國、加拿大、德國、法國和日本等相關研究機構和大學在年代際預測研究和地球系統模式發展等方面有實質性的合作研究。

對於研究成果，王斌一直很低調，他更願意做一個默默無聞的科學家，採訪始終王斌主要對記者說的更多的還是自己主持的973項目。「不管怎樣，一定要做好自己的本份，勤於鑽研才能更好地發揮自己，使自己發現更多科研中有意思的有意義的事情」王斌對記者說。

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