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全球1公里分辨率气候模拟初面世: 热度 2 xuxfyuwp 2020-8-7 08:55; 参数化深对流方案的 9 公里分辨率模式模拟的可见卫星图像 ( 左上 ) 、带有显式方案模拟对流的 9 公里模式 ( 右上 ) 和 1 公里模式 ( 左下 ) 模拟结果，作为验证的 MSG 卫星可见光图像 ( 右下 ) 近期，世界上首个全球 1 公里网格分辨率的季节尺度数值模拟计算完成。该模拟由欧洲中期天气预报中心（ ECMWF ）科学家尼尔斯·韦迪、彼得·鲍尔和彼得·杜本带领的团队，与来自美国橡树岭国家实验室的瓦伦丁·安纳塔拉吉合作开展，在橡树岭实验室的“顶点”超级计算机上运行完成。该机是截至 2019 年 11 月世界上最快的计算机，模式为 ECMWF 集成预报系统 (IFS) 的改进版本。尽管这仅是单一案例的实现，但 1 公里分辨率的气候模拟资料仍可以作为参考，与目前业务运行的 9 公里分辨率全球天气预报模式产品的优势和不足进行比较评估；虽然 1 公里分辨率季节预报数据中获得的极端天气结果在量级上略显粗糙，仍可以与实际气候预测业务中较粗分辨率的天气现象对比参照；代价尽管高了一些，但最近一些英国学者已开始公开发表文章倡导发展 1 公里分辨率的气候模拟技术，以应对在气候变化研究中面临的挑战。这些高分辨数据还将对卫星发展计划提供支持，可以通过前所未有的全球大气模拟细节对新的气象卫星资料进行对比评估。 1 公里的模拟还可以为未来的地球“数字孪生”模型提供基础数据支持。该项目通过激烈竞争得到了美国 INCITE 计划的支持，成为 2020 年获得该计划支持的 47 个项目之一。在前期的敏感性试验中，一个有意思的结果表明，即使在 1 公里的网格间距下，经过改进的 IFS 静力数值模型也表现良好。这似乎与动力气象学中的通常理念有些冲突，因为如此高分辨率模型一般可能会采用非静力方案。两种方案会导致怎样的差异尚不清楚，但目前的静力方案运行结果可以提供一个基准，与未来可能采用的非静力模拟方案进行比较。下一步将要对如模拟卫星图像中显示的 33 万多亿个温度、压力、湿度、风和云的巨大样本进行分析。这是一个如此庞大的数据集，相比而言，全世界的智能手机用户加起来也仅有 35 亿个。尽管 ECMWF 已有 40 年发展数值模式的经验，但完成这项工作仍面临诸多挑战：模式积分一个季度后是否还能保持稳定？已解决的对流问题及许多陡峭地形问题是否会再次出现？此外，在分辨率为 9 公里的天气模式中喜马拉雅山脉地形高度平均约为 6000 米，而 1 公里分辨率的气候模拟则将这一高度超越了 8000 米，更接近实际，也会出现新的不确定性。模拟的过程让人担心，但一切顺利。 1 公里网格的地球气候模拟产生了与实际更为接近的大气环流，一个有价值的结果是通过深对流和地形的解析反馈，结合罗斯贝波和惯性重力波的传播影响，实现了对平流层状态的改进。从气候模拟数据中还可以发现对中小尺度极端天气的指示信息，如龙卷风发生的可能性。持续 4 个月的数据集将进一步支持模式的开发工作，并有助于预估对未来观测系统的影响。合理的结果显示，比较了 1 公里网格模拟（显式深对流）和 9 公里网格模拟（参数化深对流），全球能量呈现出相似的分布。橡树岭实验室“顶点”超级计算机的后续机“开拓者” (Frontier) 也正在建造中，比“顶点”要快 10 倍，将于 2021 年投入使用，将会提供更有力的计算支持。这个“风暴尺度”分辨率的全球模式试验结果，初步展现了地球天气和气候建模令人振奋的未来，但仍有许多需要探索的问题要开展深入研究。增强模式的能力，还要与海洋、波浪和大气化学过程耦合，并努力适应新的高能效硬件，容纳不断出现的新兴技术。许小峰《中国气象报》; 个人分类: 文章|5581 次阅读|2 个评论

惊诧于华北平原将不宜居住：瞎子摸象导致物是人非: 热度 1 杨学祥 2018-8-6 10:28; 惊诧于华北平原将不宜居住：瞎子摸象导致物是人非杨学祥，杨冬红（吉林大学）惊诧于华北平原将不宜居住：评《自然 - 通讯》的一篇论文精选于强已有 4827 次阅读 2018-8-5 10:31 1. 背景近日传来一项惊人的研究结果，说到 2100 年华北平原将不适宜人类居住。国内新闻铺天盖地，英国和澳洲等海外媒体也有报导。该项研究成果，发表于著名的自然子刊，有模型有数据，言之凿凿，让公众惶惶然。 2. 证伪很难短期的天气预报都不一定准，用气候模式未来 50-100 年的的预测或者预估，不靠谱的成分更大。但是要证伪，确又是很难。举一个例子， 1958 年大跃进时代，产量“放卫星”，人民日报报道亩产 3 万多斤，钱学森先生在中国青年报上估计的潜力是 5 万斤（目前小麦高产也就 1000 斤）。当时上海植物生理所为了证明产量的潜力，做了作物群体光合作用的实验和计算，到 60 年代中期，才得出产量的上限：由于资源的限制，产量最终不会随作物密植而增加。类似地，三峡大坝建成后，长江流域出现大旱，有人质疑是水库蓄水所致。但是要证明不是，需要从水汽来源等分析判断和定量估计，虽然从气象学的角度看，大范围的干旱是与大的天气形势密切联系的。所以这是资源环境领域似是而非的东西很多，不胜枚举。 3. 事实胜于雄辩华北平原的小麦产量，从 1950 年代的 100 、 200 多斤，到现在的 1000 多斤，灌溉、施肥和育种起到重要的作用。灌溉范围和强度是非常大的，形成了多处地下漏斗。太行山前平原，如石家庄地区，地下水位从 1980 年代的 10 多米，现在下降到 60 多米。山东、河南引黄灌区，范围大，黄河下游曾经长时间断流。如此大规模灌溉用水在过去几十年并未带来显著的湿热。相反，这些水分的蒸发（散），吸收了热能，应该是缓解了气候暖化。而它的水汽会随大气环流而飘散，而不是待在原地 …… 我虽然不是做气候模式研究的，我认为，气候模式能做什么，不能做什么，是学界需要深入思考的（以下略）。 http://blog.sciencenet.cn/blog-393259-1127657.html 网友评论张学文 2018-8-5 21:03 增加一个区域的灌溉水量，这些水分蒸发或者蒸腾时消耗热量，这会降低这个区域的空气温度，而不是加大檀成龙回复张学文：水的蒸发潜热很大，水分蒸发要从周围环境中吸收热量，这是初中物理常识吧。赞成张老师的这个认识。 2018-8-5 22:391 楼（回复楼主）赞 +1 | 回复崔锦华回复檀成龙：冰盖融化后肯定是气温降低，因此会有极端异常的寒冷。但是冷空气会南下，过后，持续的温室效应又会导致新一轮升温，又会出现冰盖融化，然后又是新一轮异常寒冷的冷空气南下。如果温室效应持续不断，如此冷热交替不断循环，最终必将导致冰盖消失，之后将是地球的持续升温！这是世界科学界的共识。杨学祥回复张学文：一种气候变化的循环模式：全球变暖 - 水分蒸发量增大 - 云层变厚形成降雨 - 遮蔽阳光并形成酸雨 - 降低气温和大气二氧化碳浓度 - 将二氧化碳化合在岩石中形成碳酸钙。一种模式如果忽略了这一过程，只能差之毫厘，谬以千里。 2018-8-6 08:433 楼（回复楼主） http://blog.sciencenet.cn/blog-393259-1127657.html 我们早在 2008 年就撰文指出， 1995-1997 年月亮赤纬角最小值是导致 1998 年成为 20 世纪最热年的重要原因， 2014-2016 年月亮赤纬角最小值将导致 2014-2016 年迎来又一个最热年新纪录。事实上，到目前为止， 2016 年最热， 2015 年次之， 2017 年第三， 2018 年可能第四。温室效应不能解释 2016 年至 2018 年全球温度的逐年下降，这一趋势将持续到 2023-2025 年月亮赤纬角最大值时期。 http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1126855.html http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1127168.html 我们认为，任何一种气候模式的建立，都是根据已掌握的相关变化因素，模拟实际的气候变化，并在得到与某一实际相近的结果后，预测未来的变化。这完全等同于瞎子摸象：摸到了象牙就断定是长矛，摸到了腿就说是柱子，摸到了耳朵就说是蒲扇。差之毫厘，谬以千里。温室效应的可逆机制：水蒸汽的双重身份我们在 2013 年撰文指出，温室气体中甲烷和二氧化碳的增温作用不具有可逆性，而温室气体中水蒸气的增温作用具有可逆性：大气中的水蒸气增多，大气层的保温作用就会增强，但是，当大气中的水蒸气超过一定浓度，水蒸气就变成了遮蔽太阳光的云层，阻挡太阳光透过大气，使地表降温。因此，水蒸气具有致冷和致暖的的双重身份。当水蒸气在高空遇冷化为微粒冰晶的时候，也会对太阳光产生反射作用，起到降温效果。人类释放的二氧化碳在最初阶段可以起到增温作用，伴随全球变暖，大量水蒸气形成。水蒸气也是重要的温室气体，能使全球变暖加剧，当大气中水蒸气的积累超过一定限度，就会形成云层遮蔽太阳光，使气温变冷，大量降水也会吸附大气中的二氧化碳形成酸雨，将二氧化碳带回岩石圈和海洋。于是，一个寒冷的时期在自然的调节作用下可逆地发生了。物极必反就是这个道理。事实上，大自然是通过控制水汽变化来控制气候的冷暖交替。对温室效应的气候预测大多是以计算机模式（ GCMs ）的模拟为基础。该模式低估了有温室效应加剧引起的海水蒸发，错误地预测出云量增加能增强效应。现在表明，全球平均云量增加 4% ，或低云增加了 10% ，就能抵消 CO 2 加倍所引起的增温。 1973~1990 年，全球对流层水汽每十年增加 13% ，由此可见，对近年来测到的增温现象起要作用的不是人为增加的温室气体，而是含量增大的水汽。最近有报道说， NASA 基于卫星数据分析发现，在本世纪第一个十年里地球云层高度平均降低约 1 ％，该结论对未来全球气候有潜在影响。新西兰奥克兰大学的科学家分析了来自 NASA Terra 卫星搭载的多角度成像光谱仪 (MISR) 提供的全球云高度测量数据，涵盖从 2000 年 3 月至 2010 年 2 月的。在过去十年中，全球平均云层高度下降了 1 ％左右，约 100 至 130 英尺（ 30 米至 40 米）。对平均高度下降的大部分贡献来自于极高空云层的大量减少。云层高度的一致降低导致地球整体空间的降温效应，降低地表的温度并有可能减缓全球温室效应。这可能代表一种负反馈机制——全球变暖导致的连锁变化产生相反的效果。麻省理工学院教授理 Richard S. Lindzen 认为，地球对于温室气体并不是特别敏感，因为云层会抑制温室气体。在全球变暖的地球上，热带地区的高云将会使得更多的热量散发到太空中，抑制温度的增加。总之，当大气中水蒸气的积累超过一定限度，就会形成云层遮蔽太阳光，使气温变冷，大量降水也会吸附大气中的二氧化碳形成酸雨，将二氧化碳带回岩石圈和海洋。忽视了这一过程，就不能解释地球历史的冷暖交替，就会把变暖夸大成唯一的气候威胁。事实上，极端变暖和极端变冷都是生物灭绝的重要原因。人类刚刚从小冰期的恶劣环境中走出 400 年，第四纪大冰期是否结束还没有定论，宣扬类似中生代的变暖威胁实在是不可理喻：冰期和间冰期的温差为 5-10 摄氏度，小冰期和小间冰期的温差为 1-2 摄氏度，难道人类真的不能适应气温的 2 摄氏度变动？前怕狼：气温低于现在 1-2 摄氏度的小冰期战乱、饥荒、大逃亡。后怕虎：气温高于现在两摄氏度不适于人类生存。人类是恒温箱中的病态婴儿？看来，气温变化 2 摄氏度不适于人类居住是一个天大的伪命题，早在 6000 年前人类就经历的比目前温度高 2 摄氏度，海平面高 6 米的高温时期。历史的见证：人类历史经历了正负两摄氏度的变化早在 20 世纪 70 年代，竺可桢就曾经对我国 5000 年来的气候做过研究，发现我国近 5000 年来，就有四次温暖期和四次寒冷期交替出现，平均周期为 1250 年。第一温暖期：公元前 3000 年 - 公元前 1000 年前左右，这个时期我国大部分时间的年平均气温比现在高 2 ℃ 。第一寒冷期：从公元前 1000 年左右到公元前 850 年（周代初期），有一个短暂的寒冷期，年平均气温在 0 ℃ 以下。第二温暖期：从公元前 770 年到公元初年，又进入一个新的温暖时期。第二寒冷期：从公元初年到公元 600 年，即东汉、三国到六朝时代，又进入第二个寒冷时期，在当时的南京，冬天温度比现在要低，结冰是很常见的。第三温暖期：从公元 600 到 1000 年，即隋唐五代时期，是第三个温暖期，当时在中国的首都长安，广泛种植着喜热喜雨的竹子。第三寒冷期：从公元 1000 到 1200 年，即宋朝是第三个寒冷期，温度比现在要低 1 ℃ 左右。第四温暖期：从公元 1200 到 1300 年，即宋末元初，是第四个温暖期，但这次不如隋唐时那样温暖，表现在大象生存的北方，逐渐由淮河流域移到长江流域以南，退到广东、云南等地。第四寒冷期：公元 1300 年以后，即明清时代，是第四个寒冷期，温度比现代低 1-2 ℃ 。图 1 5000 年来中国气温变化曲线（竺可桢， 1972 ） http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-972840.html http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-977245.html 参考文献 1. 杨冬红，杨学祥 . 全球气候变化的成因初探 . 地球物理学进展 . 2013, 28(4): 1666-1677. YangX X, Chen D Y. Study oncauseofformationin Earth ’ s climatic changes. Progressin Geophysics (inChinese),2013,28(4):1666-1677. 2. 杨冬红 , 杨学祥 .2007a, 澳大利亚夏季大雪与南极海冰三个气候开关 . 地球物理学进展 , 22(5): 1680~1685 YANG D H, YANG X X. 2007,a Australiasnow in summer and three ice regulators for El Nino events. Progress in Geophysics (in Chinese), 22(5): 1680~1685 3. 杨冬红 . 2009. 潮汐周期性及其在灾害预测中应用 . 长春 : 吉林大学地球探测科学与技术学院 . Yang Dong-hong. 2009.Tidal Periodicity and its Application in Disasters Prediction . . Changchun ： College of Geo-exploration Science and Technology, Jilin University.; 个人分类: 学术争论|3123 次阅读|3 个评论

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