全球變化正在深刻影響著人類生存和發展。我校大氣科學學院董文杰教授團隊在國家重點研發計劃“地球系統模式與綜合評估模型的雙向耦合及應用”資助下，構建了中山大學集成地球系統模式（SYCIM，Sun Yat-Sen University Integrated Earth System Model），通過地球系統模式數值模擬和社會經濟模型，結合國際耦合模式比較計劃第五階段(CMIP5)的不同試驗，使用多種統計和診斷方法，對全球和中國的氣候變化進行了系列研究，主要成果如下：
一、地球系統模式的發展和改進
圖1. 中山大學集成地球系統模式框架示意圖。
構建了中山大學集成地球系統模式（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、陸地碳循環等關鍵模塊（圖1），構建了完整的地球系統模式。
圖2. 通用大氣模式版本5且水平分辨率為1°（紅線），通用大氣模式版本6且水平分辨率為1°（藍線），
通用大氣模式版本5且水平分辨率為0.25°（紫線），通用大氣模式版本6且水平分辨率為0.25°（綠線）和觀測
（黑線和灰色陰影區域）在青藏高原（a）和中國西南區域（b）的降雨概率分布圖。
彩色線越接近灰色區域，說明模擬結果越準確。
在大氣模式方面，提高地球系統模式空間水平分辨率和改進模式物理參數化方案是氣候模式發展主要的方向。通過對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果，課題組發現模式物理方案升級后，改善了模式對亞洲降雨和極端降雨氣候態的模擬，更好地模擬降雨日循環，更準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模擬能力的影響依賴于模式。
圖3. 2015年1月全球（上）及西太平洋（下）海表溫度，左為美國大氣研究中心-通過耦合地球系統模式模擬結
果，由圖可知近海岸100公里內無法解析。右圖為全球FVCOM模擬結果，實現對近岸區域海洋動力過程的模擬。
在海洋模型方面，基于原始方程、自由表面、非結構化網格有限體積海洋模式Finite Volume Coastal Ocean circulation Model，FVCOM (Chen et al., 2004)，構建了中山大學全球海洋預報模式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近岸約2公里，在陸架區域逐漸增長到10公里及大洋中心至25公里，包括359191個三角形計算網格點(node)及689133個有限體積計算單元（element），垂直采用45層混合坐標，是目前國內分辨率最高的全球海洋預報模式。
基于課題組開發的中山大學高分辨率海洋模式，還建立了自主的覆蓋深海高精度精細化全球海洋動力環境預報系統，對南海及印度尼西亞海域進行精確的、高分辨率數值模擬，有效彌補觀測的不足，有效解決了區域海洋動力環境模型的分辨率過低，無法模擬小尺度過程的問題，極大地提高了海洋預報的準確性，揭示了該區域海洋特定水文特征的動力和熱力機制，直接服務于區域社會經濟可持續發展和國家安全。
二、利用氣候模式研究不同人為活動對氣候的影響
圖4. 包含直接效應的氣候模 式（a），包含直接效應+第一間接效應的氣候模式（b），
包含直接效應+第一間接效應+第二間接效應的氣候模式（c）和觀測數據（d）在中國和印度的1979-2005年極端降雨趨勢空間分布圖。
溫室氣體排放和氣溶膠排放是人為活動引起的主要排放，兩者對氣候的影響并不相同。通過數值試驗、分析和診斷國際耦合模式比較計劃第五階段(CMIP5)不同輻射強迫模擬試驗，課題組發現人為氣溶膠的降水效率高于溫室氣體(Lin et al., 2016)，此項工作被《自然》選為亮點報道。特別是，人為氣溶膠通過與云的直接和間接效應，很可能導致了過去幾十年中國“南澇北旱”的現象(Lin et al., 2018a)。進一步的物理機制分析表明，兩種人為排放對降雨影響的差異主要是大氣對人為輻射強迫的快反應導致的(Lin et al., 2018b)。
三、不同國家碳排放和國際貿易碳轉移對氣候的影響
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的重要性僅次于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%來源于人為化石燃料燃燒和化肥施用過程中產生的N2O，其GWP約是CO2的310倍。評估多種溫室氣體共同作用下的氣候變化，對于完善氣候變化的歷史責任歸因研究，為氣候談判提供詳實的理論依據具有一定的參考價值。
圖5. 模擬的發達國家，發展中國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。
董文杰教授團隊研究表明，綜合氣候系統各圈層典型的變化，對1850年以來的全球溫度升高、輻射變化，海洋暖化、北半球海冰減少，積雪消融和凍土退化，發達國家由于CO2，CH4和N2O三種溫室氣體排放的歷史責任是53%?61%，發展中國家的歷史責任是39%-47% (Wei et al., 2016a) (圖5)。相比僅考慮CO2的影響，兩個國家集團的歷史責任差別有所減小。這是由于歷史時期發展中國家的CH4排放量要高于發達國家造成的。但總的來看，包含了幾種最為主要的溫室氣體后，發達國家仍然是觀測到的20世紀全球變化的主要貢獻者；并且歷史時期氣候系統各圈層典型變化的空間異質性也主要是對發達國家溫室氣體排放的響應。
國際貿易帶來的碳泄漏問題引起了對于“消費者買單”還是“污染者買單”的原則的爭議，并由此產生了對國際減排協議公平性問題的認知分歧，在后京都政策的討論中，現行的基于生產的碳排放計量系統是否應該被基于消費的碳排放計量系統取代成為一項焦點問題。
圖6. (a)1990-2005年全球轉移碳排放分布，(b)京都議定書下的轉移碳排放分布，(c)全球轉移SO2排放,大氣中硫
光學厚度及PM10的演變，(d)基于生產排放和消費排放分別模擬的1990-2012年中國、美國、歐盟的
大氣CO2濃度演變。
董文杰教授團隊首次定量地將國際貿易轉移碳排放問題與氣候變化和國際減排政策效率問題聯系起來，基于三個地球系統模式和一個簡單模式的模擬研究指出，發達國家將其高污染、高能耗、高排放的生產行業轉移到發展中國家，從而使得其3-9%的氣候變化歷史責任轉嫁到了發展中國家(Wei et al., 2016b) (圖6)。如果基于消費排放清單設定《京都議定書》第一承諾期的減排目標，或者說在《京都議定書》中嚴格控制碳泄漏，那么《京都議定書》的減緩效力將提高5.3%。此外，轉移碳排放還造成SO2等污染物的轉移，其量值從1990年的2.26Tg SO2上升到2005年的3.28 Tg SO2，與發展中國家日益嚴重的空氣污染緊密相關。此外，由于發達國家的碳強度普遍高于發展中國家，因而轉移排放可能潛在增加了全球的碳排放總量。
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