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冰凍圈氣候?qū)W未來發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)布時(shí)間:2020-04-16 14:17:44  |  來源:中國網(wǎng)·中國發(fā)展門戶網(wǎng)  |  作者:羅勇 秦大河等  |  責(zé)任編輯:楊霄霄
關(guān)鍵詞:冰凍圈,冰凍圈科學(xué),氣候,環(huán)境,氣候系統(tǒng),生態(tài)系統(tǒng),可持續(xù)發(fā)展,生態(tài),氣候系統(tǒng),氣候變化

冰凍圈-大氣圈相互作用的過程與機(jī)理

冰凍圈-大氣圈相互作用主要通過冰凍圈-反照率反饋機(jī)制、能量平衡和水的相變過程來體現(xiàn)。

冰凍圈-反照率反饋機(jī)制是高緯度地區(qū)最重要的正反饋過程(圖?1)。在這個(gè)反饋過程中,近地表氣溫的升高將導(dǎo)致高反照率的雪或海冰的面積減少,暴露出較低反照率的地面或未凍結(jié)的海洋。因此,更多的太陽輻射可以被地面和海洋所吸收,從而導(dǎo)致雪或海冰的進(jìn)一步融化。冰凍圈-反照率反饋機(jī)制也可以反向發(fā)生作用,即放大區(qū)域的冷卻。

圖 1 冰凍圈 - 反照率反饋機(jī)制示意圖

在能量平衡方面,極區(qū)是大氣熱機(jī)中的兩個(gè)匯區(qū),全年都有熱量通量通過海洋和大氣向極區(qū)輸送。在冬季,向極地的大氣熱量輸送為最大,此時(shí)高緯度地區(qū)的凈輻射虧損很大,并且在極地和熱帶之間的溫差最大。在夏季,赤道到極點(diǎn)的溫差大幅減小,因此向極地的熱量通量較小。南半球的平均洋流和大氣環(huán)流與北半球相比較,其緯向分布特征更明顯。在南半球,從赤道到極點(diǎn)的溫差比北半球?qū)?yīng)的溫差要大?40%,因此形成更強(qiáng)的中緯度西風(fēng)帶。

冰凍圈水相變化也對(duì)大氣圈產(chǎn)生顯著影響。冰川融化熱和水的汽化熱分別是同體積液態(tài)水升高?1℃?所需熱量的?80?倍和?539?倍,因而冰凍圈在地表熱量平衡中有舉足輕重的作用。冰雪表面常出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象,冰雪表面水汽壓的鉛直梯度亦往往比低空空氣層還低。于是,空氣反而要向冰雪表面輸送熱量和水分(水汽在冰雪表面凝華)。在春季無風(fēng)的天氣下,冰雪融化地區(qū)的氣溫往往比附近無冰雪覆蓋區(qū)低數(shù)十?dāng)z氏度。

氣候系統(tǒng)和冰凍圈模式的發(fā)展

氣候系統(tǒng)模式是基于對(duì)動(dòng)力學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)過程的科學(xué)認(rèn)識(shí)建立起來的定量描述氣候系統(tǒng)各組成部分狀態(tài)的數(shù)學(xué)物理模型,利用數(shù)值方法進(jìn)行求解,并通過高性能計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)氣候系統(tǒng)非線性復(fù)雜行為和過程的模擬與預(yù)測(cè)。氣候系統(tǒng)模式的計(jì)算機(jī)程序及其高性能計(jì)算,是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

氣候系統(tǒng)模式是認(rèn)識(shí)過去的氣候變化及其成因、氣候系統(tǒng)各圈層內(nèi)部及相互作用的過程與機(jī)理,以及預(yù)估未來氣候變化的最重要的研究手段和分析工具。在目前的氣候系統(tǒng)模式中,冰凍圈模式已成為重要組成部分,對(duì)研究冰凍圈過程及冰凍圈與大氣圈相互作用發(fā)揮了重要作用。

冰凍圈模式是對(duì)冰凍圈各分量模式的統(tǒng)稱。各冰凍圈分量均有對(duì)應(yīng)的模式發(fā)展,如冰川(冰蓋)模型、凍土模型、積雪模型、海冰模式等??紤]到純冰物質(zhì)和含雜質(zhì)的非純冰物質(zhì)的物理屬性,在外界物理?xiàng)l件發(fā)生變化時(shí),可用數(shù)學(xué)物理方程描述冰凍圈的宏觀變化,并對(duì)不同情景下未來冰凍圈變化進(jìn)行預(yù)估。在目前的氣候系統(tǒng)模式中,海冰模式已經(jīng)作為一個(gè)獨(dú)立的要素模式實(shí)現(xiàn)了與大氣模式、海洋模式、陸面模式的雙向耦合。積雪模型、凍土模型和河湖冰模型一般作為陸面模式中的重要組成部分。冰川動(dòng)力學(xué)模型和冰蓋動(dòng)力學(xué)模型仍在發(fā)展之中,尚未實(shí)現(xiàn)與氣候系統(tǒng)模式的在線耦合。冰凍圈的生物地球化學(xué)循環(huán)過程模型也正在被開發(fā)和探索中。

氣候變化與冰凍圈變化的預(yù)估

氣候變化預(yù)估是指氣候系統(tǒng)對(duì)溫室氣體和氣溶膠未來排放或濃度情景的模擬響應(yīng)。冰凍圈各要素變化的預(yù)估有?2?種方法:①用耦合冰凍圈模式的全球氣候系統(tǒng)模式直接對(duì)冰凍圈要素變化進(jìn)行預(yù)估;②先用全球氣候系統(tǒng)模式預(yù)估氣候變化,再利用氣候變化情景驅(qū)動(dòng)冰凍圈模式進(jìn)行冰凍圈要素變化的預(yù)估,即“兩步法”。

直接預(yù)估方法主要依托“耦合模式比較計(jì)劃”(CMIP)開展多模式的集成預(yù)估。CMIP是一整套耦合氣候系統(tǒng)模式的比較計(jì)劃,旨在通過比較模式的模擬能力來評(píng)價(jià)模式的性能,同時(shí)也為預(yù)估未來可能變化提供科學(xué)依據(jù)。目前,第六階段的“耦合模式比較計(jì)劃”(CMIP6)正在進(jìn)行之中,并將為聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第六次評(píng)估報(bào)告(AR6)提供未來氣候變化和冰凍圈變化的預(yù)估情景。

未來溫室氣體排放情景和全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)情景的構(gòu)建,主要考慮人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,特別是能源生產(chǎn)和使用的變化、技術(shù)進(jìn)步、土地利用與覆蓋、環(huán)境和自然資源的變化、政策和機(jī)構(gòu)管理以及生活方式的變化等。正在進(jìn)行中的IPCC AR6主要使用典型濃度路徑(RCP)和共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)情景(SSPs)2?種情景的組合。

冰凍圈氣候?qū)W對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的服務(wù)功能

人類社會(huì)在對(duì)冰凍圈服務(wù)功能進(jìn)行科學(xué)管理時(shí)離不開冰凍圈氣候?qū)W提供的科學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)支持。冰凍圈在其作用區(qū)域和影響區(qū)可以為人類社會(huì)提供各種產(chǎn)品或惠益。人類在極區(qū)、高山及其毗鄰區(qū)域的生存與發(fā)展高度依賴于冰凍圈提供的氣候調(diào)節(jié)、徑流調(diào)節(jié)及水源涵養(yǎng)與生態(tài)調(diào)節(jié)。冰凍圈作為特殊下墊面,以其高反照率和水分循環(huán)功能,使地球成為對(duì)人類而言氣候宜居、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的星球。

冰凍圈在中低緯度山區(qū)是河流的重要補(bǔ)給源,對(duì)河川徑流具有天然調(diào)節(jié)作用,被稱之為“固體水庫”。冰凍圈水源涵養(yǎng)功能顯著,尤其是由于凍土的不透水性及溫度梯度下的水分遷移,一般在多年凍土上限附近存在大量的地下冰。凍土在保持寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面作用也巨大。若無凍土的水源涵養(yǎng)作用和水熱效應(yīng),青藏高原高原面將只能發(fā)育荒漠生態(tài)系統(tǒng),而非實(shí)際存在的大面積的高寒草甸和高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)。在泛北極地區(qū),因?yàn)槎嗄陜鐾恋木薮笏疅嵝?yīng),在這里發(fā)育有典型的多邊形苔原生態(tài)系統(tǒng)和泰加林生態(tài)系統(tǒng)。

冰凍圈氣候?qū)W還能為氣象災(zāi)害的預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)、預(yù)警提供科學(xué)支撐。與低溫相關(guān)的氣象災(zāi)害,是冰凍圈氣候?qū)W研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。例如,雨雪冰凍災(zāi)害是在低溫雨雪天氣下發(fā)生的一種凍災(zāi),常伴以低溫、高濕、風(fēng)速小等特征。由雨凇和融雪冰掛組成的復(fù)合積冰在各種載體表面形成,極大地加重了各種載體的負(fù)荷,嚴(yán)重影響甚至破壞交通、通信、輸電線路等生命線工程。冬季降雪豐沛的我國新疆北部山區(qū),冰凍圈變暖導(dǎo)致近?30?年山區(qū)春汛日期提前?1?個(gè)月,融雪性洪水災(zāi)害頻發(fā)。每年全球因雪崩死亡的人數(shù)達(dá)幾十人甚至上百人。春季河流凌汛對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)造成威脅。 

冰凍圈氣候?qū)W的發(fā)展趨勢(shì)

隨著觀測(cè)手段的進(jìn)步、觀測(cè)資料的日益增多和計(jì)算條件的迅速改善,對(duì)地觀測(cè)和遙感技術(shù)、大數(shù)據(jù)與人工智能及數(shù)值模式得到迅速發(fā)展,預(yù)期冰凍圈氣候?qū)W的未來趨勢(shì)將更加體現(xiàn)出高度交叉、高分辨率、精細(xì)化,特別是發(fā)展耦合冰凍圈過程的全球與區(qū)域氣候系統(tǒng)模式是冰凍圈氣候?qū)W與全球氣候變化研究的大勢(shì)所趨。

目前,全球和區(qū)域氣候系統(tǒng)模式在處理冰凍圈物理過程方面還較為粗糙,尤其是在氣候系統(tǒng)模式中如何考慮冰凍圈不同分量和要素作用的時(shí)空尺度,可能是在今后相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)最為重要的發(fā)展方向之一。發(fā)展具有冰凍圈陸面過程模型的區(qū)域氣候模擬系統(tǒng)和水文模型,是深入理解冰凍圈水-熱過程以及環(huán)境效應(yīng)的關(guān)鍵。

突破處理冰凍圈物理過程參數(shù)化這種限制的關(guān)鍵是深化對(duì)冰凍圈變化過程與機(jī)理的定量研究水平。為改進(jìn)冰凍圈過程與全球和區(qū)域氣候模式的耦合模擬能力,必須把大量觀測(cè)結(jié)果的分析研究和參數(shù)化改進(jìn)結(jié)合起來的同時(shí),重點(diǎn)要將冰凍圈各要素能量、水量和物質(zhì)變化同步考慮,解決冰凍圈非線性物理過程的不同時(shí)空尺度對(duì)耦合氣候系統(tǒng)模式的制約,這樣才能取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

總之,冰凍圈氣候?qū)W一方面需要繼續(xù)推動(dòng)對(duì)冰凍圈和大氣圈相互作用過程與機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷深化,另一方面要加強(qiáng)陸地冰凍圈和海洋冰凍圈過程模式及其耦合試驗(yàn)的研究,促進(jìn)冰凍圈過程參數(shù)化方案向精細(xì)化、定量化、復(fù)雜性方向邁進(jìn)。


(作者:羅勇,清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系副主任、教授;秦大河,中國科學(xué)院院士,發(fā)展中國家科學(xué)院院士,中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;翟盤茂,中國氣象科學(xué)研究院;馬麗娟,中國氣象局國家氣候中心;周波濤,南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院;徐新武,中國氣象局。《中國科學(xué)院院刊》供稿 )


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