区域气候模式逐步走向现实向“地球系统模式”发展

　　 12月初在秘鲁首都利马举行的利马气候大会上，谈判一如既往地艰难推进。最终，参会196个国家和地区拿出了一份只有四页纸的协议。虽然成果“单薄”，中国代表团还是表示了欢迎，认为该协议为明年在巴黎气候大会上签署新的全球气候协议奠定了基础。

　　对于国际气候谈判而言，无一例外是政治主张的延续与博弈，但背后却有着严谨持续的科学研究支撑。12月5日凌晨，北京师范大学地标过程与资源生态国家重点实验室副主任董文杰飞往秘鲁，参加正在举行的利马气候大会高级别会议。

　　作为非政府组织观察员，董文杰负责起草谈判文件的构成部分。会上，政府代表团成员但凡遇到科学细节上的问题，都会在微信群里找董文杰讨论。这就是科学家的作用：永远在幕后，却很关键。

　　热门中的热门

　　董文杰说，气候变化预估首先必须回溯求证，也就是说要让别人相信，科学就要先推算过去，否则任何预估都缺乏说服力。

　　在一次联合国气候大会中国角边会上，欧盟气候变化秘书长问中国代表团，关于气候变化的历史责任和未来减排义务，你们有没有证据？科技部一名参赞拿起中国科学家发表在《美国国家科学院院刊》上的文章说，这就是科学研究结果，这就是科学证据。

　　目前国内外学术界的主流看法认为，由人类活动产生的温室气体排放导致了历史上的气候变化，并会在未来对气候产生越来越大的影响。气候变化对各国社会、经济、生活及生态环境等都会产生很大影响，所以对未来气候如何变化进行更可靠的预估，成为气候学界的热门问题。

　　实际上，一个人并非生活在全球气候的平均值里，而是生活在区域气候里。人类关心气候的变化，想探寻影响气候的变化决定因素到底是人类活动还是自然本身，最终是希望由此预估后果，并采取相应的措施。这使得区域气候模式预测研究成为地球科学热门中的热门。

　　近年来，世界各地不断出现气候异常现象,这些气候异常虽然与大尺度气候变化有关,但可能与区域尺度的气候形成和变化关系更加密切。2008年1月中下旬至2月上旬，我国南方地区发生的历史罕见的大范围低温雨雪冰冻灾害，对当地交通运输、能源和电力供应、农业、生态以及社会生活造成了严重的影响和巨大损失，就是脆弱的区域气候环境对外界强迫发生敏感响应的一个例子。

　　联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）2013年发布的评估报告指出，对全球和区域气候变化的理解、对未来气候变化的预测，是科学家、公众以及决策者共同关心的问题，并与各个国家和地区制定长远社会经济发展计划息息相关。“气候模式”这一模拟工具正是在该背景下应运而生。

　　来自国际的认可

　　区域气候变化预测（预估）的重要工具，就是区域气候模式。区域模式这一概念最早于上世纪80年代由意大利科学家Filippo Giorgi提出。早期进行天气预报和气候变化预估模拟的，只有分辨率比较低的全球大气环流模式。

　　一般区域和局地天气受地形等下垫面影响很大，比如大的山脉前，山前迎风坡降水比较多，而山后则会产生雨影区，降水比较少。在全球大气环流模式下，这种现象就不能准确模拟出来。

　　董文杰介绍，为了解决这一问题，科学家首先发展出具有较高分辨率的有限区域天气预报模式。这种有限区域模式一般的积分和预报时间只有几天，在此之前还没有人产生过把它们进行长期积分，应用于气候研究和气候变化预估的想法。

　　Filippo Giorgi等是最早进行这种尝试的科学家。他们通过对模式进行改造，完成了几个月时间长度的连续积分，这样就形成了最早的区域气候模式RegCM1。

　　到1993年，随着该模式的进一步改进以及相关代表性文献的发表，最终奠定了区域气候模式的基础，Filippo Giorgi由此获得“区域模式之父”的美誉。

　　中国科研人员在区域模式提出后不久即开始其应用及发展，中科院大气物理所研究员高学杰就是该领域的先行者之一。当时他在中国气象局国家气候中心工作。

　　高学杰最早进行了整个中国区域的多年尺度气候变化预估模拟。模拟结果表明，区域模式相对于全球模式的驱动场，对中国气温和降水的模拟效果均有了明显提高，由此得出的气候变化信号也和全球模式有较大不同，可信度相对更高。

　　此后，高学杰一直从事该领域的研究，并和Filippo Giorgi等开展了长期密切合作，进行了包括模式在中国区域模拟性能的提高、更长时间积分和更高分辨率的预估模拟，以及通过不同模拟给出预估中的不确定性等方面的工作，发表学术论文近百篇。

　　国内在发展和使用区域模式进行预估研究的机构和单位，还包括中科院大气所、中国农科院农业环境与可持续发展研究所、南京大学、兰州大学和部分省级气象局等。

　　我国研究人员在使用区域模式进行气候变化预估方面进行了大量工作，都得到了国际上的认可，也具有一定的国际学术地位。

　　向“地球系统模式”发展

　　需要指出的是，我国科学家在这一领域不断取得突破，但总体来说，与国际先进水平尚存在一定的差距。

　　欧洲多次组织和实施过这方面的项目，亚洲虽然也有亚洲区域模式比较计划等，但从得到的经费支持、参与的模式数目等方面，都还存在明显差距。

　　“未来，形成能够更好地模拟东亚和中国气候的模式，并将其推广到国际应用方面的工作亟待加强。”高学杰说。

　　值得注意的是，区域气候模式在发展及应用过程中一直存在争议：随着计算机能力的提高，全球大气环流模式下的分辨率不高的问题正逐渐得到缓解，那么是否还有必要继续发展区域气候模式？

　　在董文杰看来，这一争议从区域气候模式诞生的时候就已存在，事实上区域模式恰恰是在争议中发展起来，其模式种类已由当初的1个发展到现在的20多个，模式的性能和功能也不断得到提高，并向区域地球系统模式方向发展，广泛应用于区域气候的模拟、机制和机理研究，特别是在气候变化预估中的运用，成为近年来地球科学领域的重点热点前沿问题，未来必将会迎来更大的发展机遇。

　　微议

　　区域气候模式的概念自20多年前被提出，已在世界各地和各气候相关领域，特别是在气候变化预估方面，得到了越来越多的应用。目前，国际上已开始通过多全球模式驱动下的多高分辨率区域模式集合方法，来进行区域和局地尺度的气候变化预估。

　　很多研究结果也表明，区域模式对于东亚这一具有复杂地形和独特天气气候系统的地区，在很大程度上表现出其不可取代性。

　　我国在区域模式应用和发展方面的起步较早，但目前与国际先进水平相比仍有一定差距，区域模式未来在中国的应用和发展方面，尚需要得到国家和各相关部门、机构的更多关注和支持。

　　如在模式应用方面，需要通过组织大的项目，集合多方面力量，开展多全球模式和多区域模式的集合模拟预估，以便给出中国未来气候变化更为可靠的预估结果，并分析其不确定性，更好地为国家适应气候变化、提高防灾减灾能力和生态文明建设及相关国际谈判提供服务。

　　在模式发展方面，也需要建立得到国际上广泛认可和应用的、对东亚和中国气候有很好模拟能力的模式版本，并应用于气候变化预估等领域。

　　可以预见，区域模式在更好地了解中国区域气候形成机制和机理、多因子对其的影响和相互作用等方面将会陆续产出很多相关成果，将在中国应对未来气候变化方面发挥更大的作用。