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台风山竹的凶猛来袭，美国的佛罗伦斯超级飓风，希腊接二连三的高温与野火……过去的这个夏天，各种极端天气在世界各地不断上演。全球气候变化开始严重影响人类的日常生活和社会经济活动。
超强台风“山竹”袭击广州，市区内大量树木倒地，停在树下的车辆均有不同程度的受损。图片来源：图虫创意
及时可靠的气候预测，可以帮助人们防备极端天气，尽可能减少损失。那么，如何才能预测未来几天甚至更久之后的气候变化呢？
古有“看云识天气”，而今天，借助强大的计算机模拟系统，人们可以更加快速准确地预测天气。
对云的观测可以在一定程度上反映未来的天气状况。图片来源：Pixabay
气候模式就是预估未来气候变化的一种主要手段。它借助超级计算机，把我们对全球气候系统各个主要组成部分（包括大气、海洋，陆面和冰冻圈）的科学理解变成一个大型软件，对现实世界中复杂的地球流体方程进行数值求解，使我们可以对涉及各种复杂过程的气候系统进行定量的、长时间的、大规模的计算，从而能模拟过去历史的气候情况并预估未来的气候变化。
但由于系统的复杂性和我们对其理解的有限，气候模式长期存在一些难以克服的系统偏差——如海洋低云偏少和双赤道辐合带偏差*问题，会严重影响人们对未来气候变化预估的信心。
云和降水分布的准确模拟，是提高气候模式对未来气候变化预估可靠性的必要前提和保障，为此，我们需要不断改进当前气候模式中的模拟偏差。
过去的一系列研究表明，在气候模式中，能否准确模拟海洋低云和热带降水的分布，对预估未来全球变暖幅度和极端天气的发生频率等，具有至关重要的影响。而即便是当前国际上最先进的气候模式之一——美国国家大气研究中心（NCAR）的气候模式CESM1.0，在海洋低云和热带降水分布模拟方面，依然存在较大偏差。
美国国家大气研究中心。图片来源：ncar.ucar.edu
气候模式的偏差来源有很多，其中，模式中各种描述小尺度次网格物理过程的参数化方案，是模式系统偏差的重要来源。这是由于模式的分辨率较粗（不能解析诸多小尺度过程），以及我们对很多小尺度过程——如云和湍流过程的理解还不完善导致的。
通常，气候模式的分辨率为100千米左右，也就是说，一个网格点代表100千米乘100千米的范围。实际上，这100千米乘100千米的范围内会发生很多重要的次网格过程（也就是更小尺度内的气候变化），如云、降水等，因此增强次网格物理过程的描述非常必要。
在CESM1.0中，云量的计算只依赖于网格点上的相对湿度（空气里水汽含量多少的相对量度，0为没有水汽，100%为水汽饱和）以及一个可调节的固定相对湿度阈值（Park-RH方案），超过给定的相对湿度阈值就开始认为有云生成。
但由于真实的自然界中云的空间分布在100千米的网格内变化是非常大的（如下图所示，右下角显示100千米的网格范围），因此，简单的相对湿度阈值，不能正确反映模式网格内部小尺度温度和湿度的分布对云形成和变化的影响。所以，必需充分考虑这些更小范围的变化，即次网格变率对云生消的影响。
MODIS卫星观测格拉西奥萨岛（红圈位置）附近500km的云分布（左图：2009年11月22日海洋层积云；右图：2010年8月30日浅积云）。可见自然界中的云在100km范围内的空间变化很大，一个湿度阈值不足以描述所有的情况。图片来自：Re´ Millard
近日，清华大学地球系统科学系的研究人员开发了一个新的统计云量方案。该方案（Gauss-PDF）把模式中影响次网格云生消的主要物理过程（如湍流与浅对流过程），直接考虑到云方案的计算中，从而能描述不同区域随时间变化的次网格变率。
这样的方案不仅改进了热带海洋低云的模拟，还有效缓解了原有CESM1.0模式中的双赤道辐合带偏差。
全球年平均低云云量(%)：(a) ISCCP卫星观测，(b) Park-RH模拟，(c) Park-RH与ISCCP之差，(d) Gauss-PDF与Park-RH之差。（c）中红色（蓝色）表示与观测相比Park-RH模拟偏大（偏小），在同一区域，（d）与（c）颜色相反则表明Gauss-PDF比Park-RH有所改进。图片来源：参考文献[1]
热带太平洋全球年平均降水分布(单位：毫米每天，mm/day)：(a) GPCP观测，(b) Park-RH模拟，(c) Park-RH与GPCP之差，(d) Gauss-PDF与Park-RH之差。（c）中蓝色（棕色）表示与观测相比Park-RH模拟偏大（偏小），在同一区域，（d）与（c）颜色相反则表明Gauss-PDF比Park-RH有改进。图片来源：参考文献[2]
新方案是如何减少太平洋双赤道辐合带偏差的呢？
原来，模型中增加的低云减小了到达地表的太阳短波辐射，这使得太平洋东部的海温降低，从而增加了东西方向的海温梯度和气压差，增强了热带东西向的沃克环流和赤道以南的东南信风。增强的信风进一步加强了海洋混合层内自东向西的冷平流，造成赤道中太平洋的海温降低，从而减少了那里的降水，缓解了热带的双赤道辐合带的模拟偏差。这些成果于近期发表在Wiley旗下的《Journal of Advanced in Modeling Earth Systems》上。
新统计云方案（Gauss-PDF）缓解双赤道辐合带偏差的主要机制。图片来源：参考文献[2]
近几十年，在气象科学家们的共同努力下，气候模式的系统偏差正在得到逐步的改善，也为气候模式更加准确预估未来的气候变化提供了更好的基础。这一研究为改进热带海洋低云的模拟提供了一个方向，同时为改进双赤道辐合带偏差提供了新的解释机制。
本研究由清华大学地球系统科学系博士研究生秦怡、指导老师林岩銮教授及其他合作人员完成。上图为林岩銮教授课题组部分成员。图片来源：秦怡
该方案目前已经被清华大学牵头发展的公共地球系统模式采用，将推进中国气候模式发展。未来，我们在面对极端天气时就能够更好地做到“防患于未然”了。
国际减灾日
今天（10月13日）是第29个国际减灾日。国际减灾日的全称是“国际减轻自然灾害日”。1989年12月，第44届联合国大会规定，每年10月的第二个星期三为“国际减少自然灾害日”(International Day for Natural Disaster Reduction) 。2009年，联合国大会通过决议将每年的10月13日确定为国际减轻自然灾害日，简称“国际减灾日”。今年国际减灾日主题是“减少灾害损失，创造美好生活”，强调关注灾害对经济社会发展和人民生产生活的负面影响。
(编辑：Yuki)
参考文献：
- Qin Y, Lin Y, Xu S, et al. A Diagnostic PDF Cloud Scheme to Improve Subtropical Low Clouds in NCAR Community Atmosphere Model (CAM5)[J]. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 2018, 10(2). https://doi.org/10.1002/2017MS001095
- Qin Yi, Yanluan Lin, Alleviated double ITCZ problem in NCAR CESM1: a new cloud scheme and the working mechanisms, Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 2018. https://doi.org/10.1029/2018MS001343
*双赤道辐合带偏差：是指模式模拟出的热带降水与实际观测相比，赤道两侧偏多而赤道偏少，这使得赤道两侧各出现了一条过强的降水带。
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