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符号和定义1

绪论1

0.1 古气候研究的意义1

0.2 气候模式与气候模拟的发展4

0.3 古气候模拟的提出与目标6

0.4　古气候模拟研究的途径9

0.4.1　气候模式的应用和发展10

0.4.2　古气候模拟边界场11

0.4.3　古气候模拟试验12

0.4.4　古气候模拟与资料的对比13

0.4.5　古气候变化成因机制的认识14

0.5 古气候模拟研究的展望15

第1篇　古气候动力模拟基础21

第1章　气候系统21

1.1 气候系统的五个圈层22

1.2　气候系统的基本属性和特性25

1.3 气候系统中的主要物理过程28

1.3.1　大气过程28

1.3.2　陆面过程32

1.3.3　海洋过程34

1.3.4　冰雪圈过程35

1.4　相互作用和反馈机制37

1.4.1　气候系统中各圈层的相互作用37

1.4.2　气候系统中的相互作用和反馈机制38

第2章　气候变化40

2.1 气候变化概述40

2.1.1　地质时期的气候变化40

2.1.2　全新世-历史时期气候变化41

2.1.3　近百年气候变化41

2.1.4　月、季、年时间尺度的气候变化43

2.2　气候变化的基本特性45

2.2.1　气候变化时间和空间的多尺度性45

2.2.2　气候变化的随机性与非随机性46

2.2.3　气候变化的周期性与非周期性46

2.2.4　气候变化的持续性与突变性47

2.2.5　气候变化区域的同步性与异步性48

第3章　气候模式与气候模拟49

3.1 气候模式49

3.2 气候模拟51

3.3 古气候动力模拟54

第2篇　古气候动力模式59

第4章　简化气候模式59

4.1　能量平衡模式59

4.1.1　零维能量平衡模式60

4.1.2　一维能量平衡模式61

4.1.3　二维能量平衡模式62

4.2　辐射-对流模式63

4.2.1　无对流调整的辐射平衡模式63

4.2.2　有对流调整的辐射平衡模式64

4.2.3　对流调整64

4.2.4　辐射通量的计算65

4.3 纬向平均动力模式65

4.3.1　纬向平均模式在气候模拟中的作用65

4.3.2　纬向平均模式的设计67

第5章　大气环流模式76

5.1　基本方程和方程组76

5.2 GCM坐标系统78

5.3　初始条件和边界条件下求解79

第6章　海洋环流模式81

6.1 海洋环流模式的基本特征81

6.2　基本方程和方程组82

第7章　陆面模式84

7.1　动量通量公式84

7.2　地气交界面的能量平衡方程85

7.2.1　地表面的净辐射通量（RN）85

7.2.2　潜热和感热通量（LE,H）85

7.2.3　生物化学通量（St）85

7.2.4　地表向下热通量（Qg）85

7.3 陆面热量平衡方程86

7.4 陆面水分平衡方程86

第8章　冰雪模式88

8.1 海冰模式88

8.1.1　无雪覆盖海冰系统的热力学方程组89

8.1.2　有雪覆盖海冰系统的热力学方程组90

8.1.3　海冰系统的动力方程92

8.2 陆冰模式93

第9章　气候系统耦合模式和嵌套模式95

9.1 气候系统耦合模式95

9.1.1　海气耦合模式96

9.1.2　耦合界面和信息交换99

9.1.3　耦合技术101

9.1.4　大气、海洋、海冰耦合模拟应用107

9.2　全球-区域嵌套模式108

9.2.1　区域中尺度气象模式109

9.2.2　区域气候模式110

9.2.3　侧边界条件与嵌套技术114

第3篇　古气候重建119

第10章　古气候时间序列重建119

10.1　年代方法概述119

10.1.1　岩石地层法和生物定年法121

10.1.2　放射性定年法123

10.1.3　核辐射法125

10.1.4　磁性地层法127

10.1.5　其他定年法128

10.2　古气候代用指标129

10.2.1　黄土132

10.2.2　冰芯133

10.2.3　海洋沉积134

10.2.4　湖泊沉积137

10.3　古气候要素定量重建139

10.3.1　古温度序列140

10.3.2　古降水序列141

第11章　古气候空间重建145

11.1 方法和途径145

11.1.1　相同地质时代的多个地质记录集合145

11.1.2　统一到相同量纲的气候参数146

11.1.3　 由点到面的空间数据处理148

11.2 古气候空间重建的实例150

11.2.1　类比法与欧洲中全新世气候重建150

11.2.2　水量平衡法与古降水空间重建151

第4篇　古气候模拟边界场157

第12章　地球系统的外部边界场157

12.1 太阳辐射变化驱动157

12.1.1　太阳辐射绝对量变化157

12.1.2　太阳系轨道参数160

12.1.3　太阳辐射变化边界层参数设置161

12.2　地球轨道变化162

12.2.1　地球轨道参数162

12.2.2　地球轨道参数变化163

12.2.3　地球轨道参数的设置实例165

12.3　小行星碰撞166

第13章　地球系统的内部边界场168

13.1 海陆和地形边界场168

13.2　海洋边界场171

13.2.1　海水和海洋表面温度（SST）171

13.2.2　海冰174

13.3　大陆边界场176

13.3.1　大陆冰雪176

13.3.2　大陆植被179

13.4 大气成分182

13.4.1　温室气体变化和设置183

13.4.2　火山灰评估和设置185

第5篇　古气候模拟试验191

第14章　中生代气候模拟191

14.1 古地理192

14.2 大气-海洋194

14.3 大气-植被195

14.4 大气CO2浓度197

第15章　新生代气候模拟199

15.1 古气候模拟的关键问题200

15.2 岁差强迫的气候响应201

15.3　地球板块构造驱动202

15.4　海洋系统反馈205

第16章　第四纪气候模拟207

16.1 第四纪构造-气候207

16.1.1　高原隆升对气候系统作用208

16.1.2　青藏高原隆升对亚洲季风形成的影响208

16.1.3　高原隆升引起的气候变化212

16.2　末次间冰期213

16.2.1 125 kaBP末次间冰期214

16.2.2　气候转型216

16.3　末次间冰阶218

16.3.1　欧洲区域古气候模拟219

16.3.2　东亚古气候模拟221

16.4　末次冰盛期225

16.4.1 国际PMIP合作开展的21 kaBP模拟225

16.4.2　中国的21 kaBP模拟230

16.5 晚冰期236

16.6 中全新世240

16.6.1 国际PMIP的6 kaBP模拟240

16.6.2　我国开展的6 kaBP模拟243

第17章　历史气候模拟248

17.1 中世纪暖期248

17.1.1　模式、边界条件及试验方案249

17.1.2　模拟结果250

17.1.3　模拟结果验证252

17.2 小冰期253

17.2.1　模拟试验外强迫因子和模拟方案254

17.2.2　敏感因子分析255

17.2.3　东亚小冰期气候成因分析257

第6篇　古气候模拟对比和验证263

第18章　地质数据与模拟对比263

18.1 点-点对比法263

18.1.1　古温度对比263

18.1.2　湿润状况和有效降水对比265

18.1.3　古降水对比267

18.2　面-面对比法268

18.3 空间相似性270

第19章　古气候模拟统计检验273

19.1 古气候模拟试验的统计检验273

19.1.1　统计检验的基本原理273

19.1.2　统计检验方法的选择274

19.1.3　统计检验方法在古气候模拟中的应用275

19.2 古气候模拟不确定性的评估278

19.2.1　不确定性概述279

19.2.2　敏感性分析280

19.2.3　概率分析-蒙特卡罗法282

19.2.4　不确定性分析在古气候模拟中的应用283

第7篇　总结和展望289

第20章　古气候动力模拟289

20.1 古气候模拟现在和未来289

20.2　现代气候的基本理论：古气候动力模拟的基础290

20.3　技术途径：应用和发展古气候模式291

20.4　揭示古气候变化的事实：重建古气候历史292

20.5 认识古气候变化的成因：构建古气候模拟边界场293

20.6　测试古气候变化的关键时期：进行古气候模拟试验294

20.7 对模拟结果的认同：实现地质资料对比、统计检验和不确定性分析296

20.8　重点阅读文献297

参考文献298

后记336

表0.1 气候模式与气候模拟的发展简表4

表1.1 气候系统各组成部分的属性差异26

表1.2　地球表面可能太阳辐射月总量29

表1.3 不同地面的热量平衡33

表1.4　洋面对太阳辐射的反射率34

表1.5 全球陆冰和海冰的估计量36

表2.1 气候变化的时间尺度45

表3.1 气候模拟设计框图52

表4.1 各种EBM的主要特征63

表9.1 RegCM2模式垂直分层情况111

表10.1 年代学方法简表119

表10.2　铀系不平衡法概表123

表10.3 宇宙成因核素法概表123

表10.4 近450万年来的地磁极性年表128

表10.5 古气候重建的环境指标信息130

表12.1 不同时期古气候模拟试验中的太阳参数的设置162

表12.2 第四纪古气候模拟试验的地球轨道参数164

表13.1 LGM古气候模拟中南大洋、北冰洋和北大西洋海冰176

表13.2 第四纪冰期（G）与现代（P）大陆冰量对比177

表13.3 冰盖的物理属性常数178

表13.4 国际5个GCM对6 kaBP下垫面设置179

表13.5 不同地质时代的古气候模拟对大气CO2浓度的设定184

表13.6 有关CO2边界场中的物理量参数185

表13.7 火山爆发指数及其特征186

表14.1 GENESIS古气候模拟（90 Ma）的边界条件194

表14.2 白垩纪晚期植被类型和定义特征195

表15.1 始新世地球轨道参数驱动的气候效应试验202

表15.2　早第三纪海洋模式设置206

表16.1 125 kaBP气候模拟的地球轨道参数边界场215

表16.2 MIS-3古气候模拟采用的边界条件219

表16.3 35 kaBP气候模拟边界条件设置221

表16.4 35 kaBP气候模拟试验方案223

表16.5 国际PMIP计划中18个气候模式的有关信息226

表17.1 小冰期气候模拟的敏感性试验方案255

表18.1 湖泊资料与GCM（CCM0和CCM1）P-E模拟的面-面区域均值对比268

表18.2 湖泊资料与GCM（CCM0和CCM1）P-E模拟的面积权重面-面对比269

表19.1 统计假设检验中可能概率（P）与无差异假设（H0）的关系274

表19.2 特征值与总体样本大小和方差的假设检验方法275

表19.3 两组总体样本大小和方差的假设检验方法275

表19.4 湖泊记录和古气候模拟的区域降水的三个类型的频数（％）278

表19.5 气候模拟不确定性分析的主要技术方法280

表20.1 古气候模拟的边界场和参数预置的基本要素293

图0.1 450 kaBP以来气候变化主要驱动因子11

图0.2 LGM以来古气候模拟中的内外动力示意图12

图0.3 地质史上典型冰期、温室气候的古温度模拟12

图0.4　全球古气候环境数据库的数据点分布14

图0.5 末次冰盛期和早全新世气候模拟与地质资料对比示意图15

图1.1 气候系统各圈层示意图21

图1.2 气候系统中大气层的垂直结构22

图1.3 气候系统中水圈的组成23

图1.4 地-气和海-气系统年平均辐射和热量收支的情况30

图2.1 近百年来温度变化（相对于1961—1990年的距平值）42

图2.2 近赤道地区月平均纬向风分量的时间-高度剖面图44

图2.3 不同时间尺度的气候变化47

图2.4 白垩纪-上新世北美、西欧和日本的温度变化曲线48

图4.1 大气角动量的内外强迫所激发的平均经圈环流71

图5.1 P-σ混合坐标的示意图78

图8.1 无雪覆盖海冰系统的能量收支89

图8.2 有雪覆盖时海冰系统的能量收支91

图8.3 冰盖气候模式中稳定状态下的温度与太阳常数的非线性关系求解93

图9.1 大气模式与海洋模式耦合的方式99

图9.2 纬向平均大气和海洋温度剖面102

图9.3 GFDL耦合模式对季节循环积分的非同步耦合方案102

图9.4 海气耦合模拟试验流程图103

图9.5 区域气候模式垂直网格结构111

图10.1 重建瑞典Ljustj？rnen湖全新世以来的流域有效降水变化144

图11.1 全球古气候湿度状况的空间分布147

图11.2 欧洲中全新世气候重建图151

图11.3 根据水量平衡法计算的中国湖泊流域3万年来古降水153

图12.1 采用的太阳辐射变化驱动过去千年气候模拟159

图12.2 400 Ma以太阳常数（a）和每日长度（b）的演化160

图12.3 过去40万年到未来10万年的轨道参数变化序列164

图12.4　设置K/T小行星碰撞后一年宇宙尘埃物质的尘降变化167

图13.1 过去500 Ma以来海陆分布演化169

图13.2 白垩纪每10°纬度带陆地面积（a）和年平均气温模拟（b）170

图13.3 100 Ma前古地理重建170

图13.4 根据同位素研究估计的白垩纪地表水温度（℃）172

图13.5 末次冰盛期古气候模拟采用的SST和陆冰172

图13.6 海洋到大气圈的碳净通量的全球分布173

图13.7 全球海冰面积的周期性季节分布174

图13.8 末次冰盛期北大西洋海冰季节分布的月长度175

图13.9 伴随Heinrich振荡气候事件的可能发生模式179

图13.10 全球格点分布的0 ka,6 ka,21 ka和35 kaBP的陆面类型分布图180

图13.11 SDM模式对9000年以来的古气候模拟181

图13.12 综合多个南极冰芯资料的大气温室气候记录183

图13.13 地球化学模式计算的100 Ma以来大气CO2浓度的变化184

图13.14 前寒武纪600 Ma以来的火山灰质量与之产生的CO2的估算187

图14.1 白垩纪地理位置敏感性试验中纬度平均温度模拟192

图14.2 白垩纪地形高度敏感性试验的温度纬度平均值模拟193

图14.3 白垩纪古地理、古海洋下的洋流和风场模拟193

图14.4 白垩纪中期（～80 Ma）年平均温度的纬度平均值模拟196

图14.5 白垩纪中期（～80 Ma）年降水的纬度平均值模拟197

图14.6 白垩纪地形和4×CO2浓度下的纬度平均降水模拟197

图14.7 CSM模拟的全球年平均极向海洋热传输198

图15.1 60 Ma以来海洋氧同位素记录的海水温度变化199

图15.2 60 Ma以来全球和南北半球平均地表温度模拟203

图15.3 EBM模拟100 Ma以来海陆变化引起的夏季气温203

图15.4 GCM模拟的大西洋极向海洋热量传输204

图15.5 不同敏感试验模拟纬度平均温度204

图15.6 模拟始新世纬度年平均SST和盐度206

图16.1 GCM模拟北半球地形变化下的古气压场（hPa）209

图16.2 GFDL-GCM模拟青藏高原对南亚季风形成的敏感性试验210

图16.3 125 ka～100 kaBP时期的海面高度变化214

图16.4 125 kaBP地球轨道参数图示215

图16.5 末次间冰期北美大陆冰盖高度分布217

图16.6 末次间冰期气候夏季温度和降水模拟218

图16.7 MIS-3欧洲植被分布220

图16.8 35 kaBP气候模拟采用的冰盖和东亚植被分布222

图16.9 35 kaBP年平均温度（℃）和年平均降水（mm/d）模拟224

图16.10 21 kaBP冰盖分布227

图16.11 21 kaBP冰盖地形高度与现代地形高度差228

图16.12 21 kaBP海陆分布与现代的差异229

图16.13 LGM冰盖与无冰盖条件下降水、温度和海面气压模拟233

图16.14 21 kaBP与0 kaBP试验的温度差值模拟234

图16.15 21 kaBP与0 kaBP试验有效降水差值模拟234

图16.16 21 kaBP和0 kaBP 700 hPa流线图的对比235

图16.17 晚冰期不同强度耦合下年平均温度模拟238

图16.18 晚冰期北大西洋SST与全球年平均温度模拟的相关系数分布239

图16.19 18个GCM对6 kaBP北非年降水模拟242

图16.20 现代植被预置下6 kaBP温度模拟244

图16.21 6 kaBP和0 kaBP夏季流线模拟245

图16.22 6 kaBP和0 kaBP季节海面气压场模拟246

图16.23 AGCM+SSiB对6 kaBP北非年降水模拟247

图17.1 过去千年气候模拟中采用的太阳辐射变化驱动249

图17.2 中国年平均温度距平31年滑动平均值的时间演变251

图17.3 全球中世纪暖期最盛期（1125—1155年）平均温度距平251

图17.4 中国中世纪暖期最盛期（1125—1155年）平均温度距平252

图17.5 中国区域年平均温度距平的模拟与重建值的时间演变253

图17.6 小冰期以来太阳辐射变化254

图17.7 小冰期试验2地面气温的纬向平均值模拟256

图17.8 小冰期试验3地面气温的纬向平均值模拟256

图17.9 小冰期试验6地面气温的纬向平均值模拟257

图18.1 根据地质记录恢复的中全新世温度265

图18.2 欧亚地区MIS-3晚期古气候模拟与湖泊地质重建资料对比266

图18.3 东亚GCM模拟与湖泊资料WBM计算的6 kaBP降水的对比267

图18.4 北半球10个地区树木年轮转化与夏季均温模拟方差对比270

图18.5 Kappa系数对冷杉花粉与植物在空间分布的一致性检验272

图19.1 GISS-GCM夏季75年与控制试验夏季海温模拟对比的t检验276

图19.2 温室气体变化在气候模拟中不确定性来源和传播图示279

图19.3 英国北部温度和降水变化最可能发生的蒙特卡罗模拟285