全球變化正在深刻影響著人類(lèi)生存和發(fā)展。我校大氣科學(xué)學(xué)院董文杰教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“地球系統(tǒng)模式與綜合評(píng)估模型的雙向耦合及應(yīng)用”資助下，構(gòu)建了中山大學(xué)集成地球系統(tǒng)模式（SYCIM，Sun Yat-Sen University Integrated Earth System Model），通過(guò)地球系統(tǒng)模式數(shù)值模擬和社會(huì)經(jīng)濟(jì)模型，結(jié)合國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃第五階段(CMIP5)的不同試驗(yàn)，使用多種統(tǒng)計(jì)和診斷方法，對(duì)全球和中國(guó)的氣候變化進(jìn)行了系列研究，主要成果如下：

一、地球系統(tǒng)模式的發(fā)展和改進(jìn)

圖1. 中山大學(xué)集成地球系統(tǒng)模式框架示意圖。

構(gòu)建了中山大學(xué)集成地球系統(tǒng)模式（SYCIM，Sun Yat-Sen University Integrated Earth System Model），集成了海洋（包括海冰、海浪）、大氣、陸面模式、陸地碳循環(huán)等關(guān)鍵模塊（圖1），構(gòu)建了完整的地球系統(tǒng)模式。

圖2. 通用大氣模式版本5且水平分辨率為1°（紅線(xiàn)），通用大氣模式版本6且水平分辨率為1°（藍(lán)線(xiàn)），

通用大氣模式版本5且水平分辨率為0.25°（紫線(xiàn)），通用大氣模式版本6且水平分辨率為0.25°（綠線(xiàn)）和觀(guān)測(cè)

（黑線(xiàn)和灰色陰影區(qū)域）在青藏高原（a）和中國(guó)西南區(qū)域（b）的降雨概率分布圖。

彩色線(xiàn)越接近灰色區(qū)域，說(shuō)明模擬結(jié)果越準(zhǔn)確。

在大氣模式方面，提高地球系統(tǒng)模式空間水平分辨率和改進(jìn)模式物理參數(shù)化方案是氣候模式發(fā)展主要的方向。通過(guò)對(duì)比分析同一版本大氣模式下不同水平分辨率和相同分辨率下不同版本大氣模式模擬結(jié)果，課題組發(fā)現(xiàn)模式物理方案升級(jí)后，改善了模式對(duì)亞洲降雨和極端降雨氣候態(tài)的模擬，更好地模擬降雨日循環(huán)，更準(zhǔn)確地模擬出降雨概率分布。提高水平分辨率減少了模式在中國(guó)北方降雨模擬偏差(Lin et al., 2019)。值得指出的是，提高模式水平分辨率對(duì)模擬能力的影響依賴(lài)于模式。

圖3. 2015年1月全球（上）及西太平洋（下）海表溫度，左為美國(guó)大氣研究中心-通過(guò)耦合地球系統(tǒng)模式模擬結(jié)

果，由圖可知近海岸100公里內(nèi)無(wú)法解析。右圖為全球FVCOM模擬結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)近岸區(qū)域海洋動(dòng)力過(guò)程的模擬。

在海洋模型方面，基于原始方程、自由表面、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有限體積海洋模式Finite Volume Coastal Ocean circulation Model，F(xiàn)VCOM (Chen et al., 2004)，構(gòu)建了中山大學(xué)全球海洋預(yù)報(bào)模式Global-FVCOM，該模型包括海冰和全球海浪，模式水平分辨率在北極地區(qū)近岸約2公里，在陸架區(qū)域逐漸增長(zhǎng)到10公里及大洋中心至25公里，包括359191個(gè)三角形計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)(node)及689133個(gè)有限體積計(jì)算單元（element），垂直采用45層混合坐標(biāo)，是目前國(guó)內(nèi)分辨率最高的全球海洋預(yù)報(bào)模式。

基于課題組開(kāi)發(fā)的中山大學(xué)高分辨率海洋模式，還建立了自主的覆蓋深海高精度精細(xì)化全球海洋動(dòng)力環(huán)境預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)南海及印度尼西亞海域進(jìn)行精確的、高分辨率數(shù)值模擬，有效彌補(bǔ)觀(guān)測(cè)的不足，有效解決了區(qū)域海洋動(dòng)力環(huán)境模型的分辨率過(guò)低，無(wú)法模擬小尺度過(guò)程的問(wèn)題，極大地提高了海洋預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，揭示了該區(qū)域海洋特定水文特征的動(dòng)力和熱力機(jī)制，直接服務(wù)于區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家安全。

二、利用氣候模式研究不同人為活動(dòng)對(duì)氣候的影響

圖4. 包含直接效應(yīng)的氣候模 式（a），包含直接效應(yīng)+第一間接效應(yīng)的氣候模式（b），

包含直接效應(yīng)+第一間接效應(yīng)+第二間接效應(yīng)的氣候模式（c）和觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)（d）在中國(guó)和印度的1979-2005年極端降雨趨勢(shì)空間分布圖。

溫室氣體排放和氣溶膠排放是人為活動(dòng)引起的主要排放，兩者對(duì)氣候的影響并不相同。通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)、分析和診斷國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃第五階段(CMIP5)不同輻射強(qiáng)迫模擬試驗(yàn)，課題組發(fā)現(xiàn)人為氣溶膠的降水效率高于溫室氣體(Lin et al., 2016)，此項(xiàng)工作被《自然》選為亮點(diǎn)報(bào)道。特別是，人為氣溶膠通過(guò)與云的直接和間接效應(yīng)，很可能導(dǎo)致了過(guò)去幾十年中國(guó)“南澇北旱”的現(xiàn)象(Lin et al., 2018a)。進(jìn)一步的物理機(jī)制分析表明，兩種人為排放對(duì)降雨影響的差異主要是大氣對(duì)人為輻射強(qiáng)迫的快反應(yīng)導(dǎo)致的(Lin et al., 2018b)。

三、不同國(guó)家碳排放和國(guó)際貿(mào)易碳轉(zhuǎn)移對(duì)氣候的影響

除了人為排放的CO2之外，最重要的人為溫室氣體還包括CH4和N2O等。CH4的重要性?xún)H次于CO2，其排放量占全球人為溫室氣體排放總量的14%，百年全球增溫潛能 (GWP) 是CO2的21倍。其次，全球溫室氣體排放量的8%來(lái)源于人為化石燃料燃燒和化肥施用過(guò)程中產(chǎn)生的N2O，其GWP約是CO2的310倍。評(píng)估多種溫室氣體共同作用下的氣候變化，對(duì)于完善氣候變化的歷史責(zé)任歸因研究，為氣候談判提供詳實(shí)的理論依據(jù)具有一定的參考價(jià)值。

圖5. 模擬的發(fā)達(dá)國(guó)家，發(fā)展中國(guó)家和全球排放造成的大氣中(a) CO2，(b) CH4和(c) N2O的演變，

以及由此造成的全球溫度的變化。

董文杰教授團(tuán)隊(duì)研究表明，綜合氣候系統(tǒng)各圈層典型的變化，對(duì)1850年以來(lái)的全球溫度升高、輻射變化，海洋暖化、北半球海冰減少，積雪消融和凍土退化，發(fā)達(dá)國(guó)家由于CO2，CH4和N2O三種溫室氣體排放的歷史責(zé)任是53%?61%，發(fā)展中國(guó)家的歷史責(zé)任是39%-47% (Wei et al., 2016a) (圖5)。相比僅考慮CO2的影響，兩個(gè)國(guó)家集團(tuán)的歷史責(zé)任差別有所減小。這是由于歷史時(shí)期發(fā)展中國(guó)家的CH4排放量要高于發(fā)達(dá)國(guó)家造成的。但總的來(lái)看，包含了幾種最為主要的溫室氣體后，發(fā)達(dá)國(guó)家仍然是觀(guān)測(cè)到的20世紀(jì)全球變化的主要貢獻(xiàn)者；并且歷史時(shí)期氣候系統(tǒng)各圈層典型變化的空間異質(zhì)性也主要是對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家溫室氣體排放的響應(yīng)。

國(guó)際貿(mào)易帶來(lái)的碳泄漏問(wèn)題引起了對(duì)于“消費(fèi)者買(mǎi)單”還是“污染者買(mǎi)單”的原則的爭(zhēng)議，并由此產(chǎn)生了對(duì)國(guó)際減排協(xié)議公平性問(wèn)題的認(rèn)知分歧，在后京都政策的討論中，現(xiàn)行的基于生產(chǎn)的碳排放計(jì)量系統(tǒng)是否應(yīng)該被基于消費(fèi)的碳排放計(jì)量系統(tǒng)取代成為一項(xiàng)焦點(diǎn)問(wèn)題。

圖6. (a)1990-2005年全球轉(zhuǎn)移碳排放分布，(b)京都議定書(shū)下的轉(zhuǎn)移碳排放分布，(c)全球轉(zhuǎn)移SO2排放,大氣中硫

光學(xué)厚度及PM10的演變，(d)基于生產(chǎn)排放和消費(fèi)排放分別模擬的1990-2012年中國(guó)、美國(guó)、歐盟的

大氣CO2濃度演變。

董文杰教授團(tuán)隊(duì)首次定量地將國(guó)際貿(mào)易轉(zhuǎn)移碳排放問(wèn)題與氣候變化和國(guó)際減排政策效率問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，基于三個(gè)地球系統(tǒng)模式和一個(gè)簡(jiǎn)單模式的模擬研究指出，發(fā)達(dá)國(guó)家將其高污染、高能耗、高排放的生產(chǎn)行業(yè)轉(zhuǎn)移到發(fā)展中國(guó)家，從而使得其3-9%的氣候變化歷史責(zé)任轉(zhuǎn)嫁到了發(fā)展中國(guó)家(Wei et al., 2016b) (圖6)。如果基于消費(fèi)排放清單設(shè)定《京都議定書(shū)》第一承諾期的減排目標(biāo)，或者說(shuō)在《京都議定書(shū)》中嚴(yán)格控制碳泄漏，那么《京都議定書(shū)》的減緩效力將提高5.3%。此外，轉(zhuǎn)移碳排放還造成SO2等污染物的轉(zhuǎn)移，其量值從1990年的2.26Tg SO2上升到2005年的3.28 Tg SO2，與發(fā)展中國(guó)家日益嚴(yán)重的空氣污染緊密相關(guān)。此外，由于發(fā)達(dá)國(guó)家的碳強(qiáng)度普遍高于發(fā)展中國(guó)家，因而轉(zhuǎn)移排放可能潛在增加了全球的碳排放總量。

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