气候变化综合评估模型

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1、 * 本文受国家自然科学基金课题 ( 49771006) 和中国科学院重大项目 (KZ951-B1-203-1) 资助。来稿日期: 1998-09气候变化综合评估模型张雪芹 葛全胜( 中国科学院地理研究所, 100101 北京)摘 要 本文概述了气候变化综合评估模型 (IAM) 的定义、组成、特点及应用。IAM可视为一种促进人类更好地理解气候变化问题的工具, 它为研究者和决策者提供了一种十分有益的关注环境问题的框架或方法论。在此基础上, 该文具体介绍了国外一个发展相对成熟的气候变化综合评估模型温室效应综合评估模型 (IM AGE2. 0)。关键词 气候变化 综合评估模型 温室效应的综合评估模型

2、 (IMAGE2. 0)全球变化研究至今已有 20 余年, 与气候有关的研究通常围绕着气候变化问题的一个方面或空间尺度, 在现实中气候问题却涵盖社会、生物圈、气候系统等相互关联的诸多因素。目前该项研究侧重于研究自然过程、生物过程以及人类活动过程的相互作用, 涉及意义重 大的跨学科协作, 而非多学科分别进行的合作研究 1, 2。 气候变化的综合评估模型正是跨学科协作的一个重要尝试和新的生长点。90年代以来, 经欧美国家学者的深入研究, 气候变化综合评估模型已从纯理论探讨进入应用阶段。 近年的有关模拟结论已为 IPCC 和 UNFC-CC 重视并采纳 3。1 气候变化综合评估模型 ( IAM)1.

3、 1 概念气候变化综合评估模型 ( Integrated Assessment Models, 简称 IAM) 是基于建模系统物理特性而进行输入条件假设的计算模型。 采纳了相关学科包括被证明合理的尺度转化、 非 线性简化的无量纲化和参数化方案以及专家模型,可基本上描绘整个系统的关键动力学过程及相互关联的连续图象。 尽管 IAMs 无法进行具体的预测, 但可提供不同 ( 或若干组) 综合假设条件 ( 又称情景 ( Scenario) ) 下气候变化可能产生的影响, 用以支持各种层次上的决策。 IAM 的优势就在于它能计算不同外部假设条件下以及多个因子同时相互作用时的结 果。1. 2 要素组成气候

4、变化 IAMs 要素可分为 4 类 ( 见图 1) : 人类活动、大气成分、气候和海平面、生态系统 4。 其中, 人类系统通过两种途径与自然系统建立联系。 一方面, 人类活动 ( 如 CO2排放或土地利用) 直接影响气候变化; 另一方面,人类活动亦受气候变化直接或间接地影 响, 譬如温度变化可直接影响室内取暖或制冷的需求,也可间接影响海平面、作物生产力第 18 卷第 1 期1999年 3月地 理 科 学 进 展 PROGRESS IN GEOGRAPHYVol. 18, No. 1 Mar. , 1999或生物多样性的变化。图 1 气候变化综合评估模型要素框架Fig. 1 T he key c

5、ompontents of integrated assessment models on climatic change1. 3 特点IAMs 告知人类活动与气候变化之间将可能出现什么样的相互作用情景,它可视为一 种促进人类更好地理解气候变化问题的工具, 而并不是预测未来会发生什么的模型。 IAMs考虑了信息集成与评估的连贯性, 为研究者和决策者提供了一种十分有益的关注环境问题 的框架或方法论。 但鉴于 IAMs 待建模的系统庞大、 复杂而无序, 目前IAMs 仅能简单表征自然与社会系统, 所给出的模拟结果也只是概念性和框架性的; 另外, IAM 所涉及的许多 领域的科学知识现在尚不完备或者

6、匮乏,如人类、动植物的价值、健康和多样性都难以定量表述。 因此, 目前 IAMs 在这些方面还无法明确告诉决策者如何采取相应的应对措施。 鉴于此, 许多 IAMs 开发者倾向于低调处理IAMs 结果的可信度, 他们认为目前的研究尚不足 以构成制定相关政策响应的基础。IAMs 不同于大气环流模型( GCMs) 。 它通常包括自然和社会模型, 考虑了影响温室气体排放情景以及自然气候系统的政治、 经济变量。 GCMs 则仅考虑自然气候系统。 尽管有些IAMs 的设计中也包括了多种气候建模计划, 如, 零维或二维能量平衡模型, 但受计算时间 的限制, 集成三维大气环流模型和人文因素模型来构建综合评估模

7、型, 当前是不可行的。 即使随着计算机技术的发展, 模型运行时间显著下降了, IAMs 也不能把整个的GCM 纳入到 它们的模型结构中去,而只能依赖简单气候模型的未来气候变化与人类活动之间所可能发生的相互作用情景。 总之, 气候变化综合评估模型的精髓可概括为: 考虑了自然-社会- 经济各种关系和反馈611 期 张雪芹等: 气候变化综合评估模型过程;无量纲化做得好; 给出了定量框架。其不足之处在于: 参数化方案过于简单,假设 情景已存有误差,则参数化后误差转移,并经多个量级放大, 模型结果已无预测意义。1. 4 应用首先, IAMs 主要服务于关注全球气候变化问题的决策者, 它为决策者提供了一个

8、独一 无二的了解并理解气候变化问题的机遇。 尽管 IAMs 无法告知决策者如何处理气候变化, 但通过快速估计不同的政策可能如何影响全球气候, IAMs 能够判断不同的政策取向, 并进而帮助决策者确定新的政策。当前 IAMs 的结果正开始影响着政府间有关全球气候变化政策的讨论, 而决策者也逐渐向IAM 研究团体靠拢, 并提出了一些关于气候变化的建设性意见 和气候变化应对策略。其次, 由于当前气候变化综合评估建模领域依然处于襁褓期,许多IAMs 模拟工作主要致力于改进新一代 IAMs, 筛选出优先研究领域, 而不是直接提出政策响应对策。此外,IAMs 亦为有价值的教育软件。 当今世界有 20 多个

9、气候变化IAMs, 其侧重点与适用范围有所差异。大多数模型侧重于经济问题 ( 如, DICE) , 仅少数模型侧重于自然系统 ( 如, MAGICC) 。另外, 除少数模型 外 ( 如,AIM ) ,大 多 数 模 型是 从 全 球 尺 度上 探 讨 问 题的 ( 如,MiniCAM 或IMAGE2. 0) 。因此, 如何选择 IAMs, 将取决于拟待解决的问题或手头的任务。如就某个 特定问题选择 IAM 时, 有关专家建议应考虑如下基本准则: 所选模型与拟解决问题尤其是关键问题最相近,其空间尺度与任务最匹配,模型由具有解决该问题相关背景和专家知识的专家所开发; 模型不要太复杂以致于难以理解,

10、 模型外在假设清楚并很好地记录在档, 模型不确定性在模型输入中被指定、在输出中应有所反映。2 温室效应的综合评估模型 ( IMAGE2. 0)2. 1 温室效应的综合评估模型特点在众多气候变化综合评估模型中, 温室效应综合评估模型( Integrated Model to AssessGreenhouse Effect 2. 0, 简记为 IMAGE2. 0) 比较具有代表性, 发展相对比较成熟。 它是一个全球环境与气候变化综合模型, 用以模拟全球社会- 生物圈- 气候系统 ( Global society - biosphere- climate system) 动力学特征, 旨在探求系统的

11、关联与反馈, 并评估气候政策的影响 57。全球社会-生物圈-气候系统的科学和政策问题是多学科的, 分局地、 区域和全球三个层 次。当前全球变化研究多集中在该系统的一个单一层次或单一空间尺度上。IMAGE2. 0 模型的目的在于提供社会-生物圈-气候系统的学科与地理描述,以缩小全球变化研究在多学科综合方面的差距。该模型能提供关于社会-生物圈-气候系统的关联与反馈相对重要性的科学信息, 以及与人类活动、全球生物圈和气候相连的政策信息。 与先前的 IAM 相比, IMAGE2. 0不仅覆盖全球, 而且还在全球 0. 50. 5经纬度的网格尺度上进行了大量计算。高分辨率的网格尺度提高了模型对测量的可检

12、测性, 同时, IM-AGE2. 0 充分考虑了反馈过程, 且提供了更为详细的气候影响分析信息。 此外, 该模型相比 先前的模型来说更加面向过程 ( Process- Oriented) , 而包含较少的全球参数化, 因而提高了计算的科学可信度。当然, 这也增大了模型计算和数据处理强度。62地 理 科 学 进 展 18 卷2. 2 IMAGE2. 0 模型描述与检验 52. 2. 1 IMAGE2. 0 模型的科学目标和政策目标IMAGE2. 0模型的科学目标和政策目标主导了 IMAGE2. 0 模型的设计与研制过程。( 1) IMAGE2. 0 模型的科学目标 提供关于对社会- 生物圈- 气

13、候系统各种要素关联重要性的理解;探讨该系统各种反馈过程要素的权重; 估计导致相关联系统内不确定性的最主要因素; 帮助确定关于该系统的知识的缺口, 以便合理安排气候变化研究议事日程。( 2) IMAGE2. 0 模型的有关政策目标 通过明确的空间定位把有关全球气候变化的重要科学和政策内容相关联, 为决策服务;提供气候变化影响的、动态的和长期 ( 50 到 100 年) 的预测; 提供该系统相互关联的有关认识及各种政策措施的副作用;探讨经济发展和技术进步对气候变化的影响与冲击;为因 应气候变化所采取的各种措施 ( 包括预防和适应措施) 的成本与利润提供定量分析基础。2. 2. 2 IMAGE2.

14、0 模型子系统该模型包括三个完全相链接的子系统: 能源-工业子系统、陆地-环境子系统、大气-海洋子系统 ( 见图 2) 。IMAGE2. 0 模型的重要贡献之一在于它描述了上述子系统之间、各子 系统模型之间的重要反馈与关联。图 2 IMAGE2. 0结构图Fig. 2 A structural diagram of IMAGE2. 0631 期 张雪芹等: 气候变化综合评估模型( 1) 能源-工业子系统 能源-工业模型把世界分为 13 个区域,各区域温室气体排放为能源消费和工业生产的函数, 并利用各种经济/ 人口预测结果计算最终能源消费。该子系统包括以下子模型: 能源经济、能源排放、工业生产、

15、工业排放。 ( 2) 陆地-环境子系统基于气候与经济因子、生物圈排放到大气中的 CO2通量和其它温室气体, 陆地环境模型模拟了网格尺度上全球土地覆盖的变化。该子系统包括以下子模型:农业需求、陆地植被、土地覆盖、陆地碳循环、土地利用排放。 ( 3) 大气-海洋子系统大气-海洋模型计算了大气中温室气体的增加及其所导致的温度与降水的分布。 该子系统包括以下子模型: 大气组成成分、地带性大气气候、海洋气候、海洋生物圈/ 化学。 2. 2. 3 IMAGE2. 0 模型的时空尺度该模型的时间水平跨越为 1970 年2100 年。不同子模型的时间步长因其数学和计算要求而异, 但一般来说变化从一天到五年不等

16、。模型的空间尺度,就陆地计算来说为 0. 50. 5 经纬度的网格尺度; 基于经济的计算 ( 与能源、工业生产、农业需求有关) 是将全球分为 13 个区域;大气和海洋的气候计算则采用二维网格( 100个纬度带以及 9个或更多的垂直层) 。 之所以选用 0. 50. 5经纬度的网格尺度, 是考虑到: ? 几乎所有的气候变化潜在影响 ( 如对生态系统、农业和滨海洪涝的影响) 都有很强的空间变化率, 与土地利用有关的温室气体排放 ( 如土壤排放的 N2O 或农 业活动排放的 NH4) 很大程度上依赖局地环境条件和人类活动。而且, 气候反馈, 如温度对土壤呼吸作用的影响或 CO2浓度变化对植被生产力的影响等,区位之间变动尤为剧烈。? 决策者关注的是气候变化的区域或国家政策。一般而言, 大部分气候政策是就特定区位 制定的, 尤其是森林与人工林的碳汇作用, 或改变农业操作方式而减少的 N20含量。 与其它更为综合的模型相比, IMAGE2. 0 模型的网格尺度信息会提高模型对观测值的可