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教学工作




论文及报告



Climate Modeling

2010-2011学年第一学期(9月8日-12月31日)| 星期三1-2 & 星期五3-4 | 二教#311 | 闻新宇 | xwen@pku.edu.cn | 期末考试 1月4日(二)8:30-10:30 理#110

气候模式本身和气候模拟技术在过去几十年间取得了长足的发展,已成为行星尺度大气科学研究中最重要方法之一。这门课围绕“气候模拟”,介绍从“简单模式”到“大气环流模式”中用到的基本概念、原始方程、数值方法和主要物理过程,使学生在科学层面上理解气候模式的基本组成,在技术层面上了解气候模式的使用方法,为将来的科研工作打下基础。

选课学生:吕程、武凯军、何淼、简悦、宋阳阳、黄龄、李奇龙、孙道勋、卢飞雨、贾喆、陈璟怡、刘永亮

课程教材和参考书:

  1. An Introduction to Three-dimensional Climate Modeling (2nd ed). Warren M. Washington & Claire L. Parkinson, University Science Books, 2005. | see Google Books
  2. A Climate Modelling Primer (3rd ed). Kendal McGuffie & Ann Henderson-Sellers, Wiley, 2005. | see Google Books
  3. General Circulation Model Development: Past, Present, and Future. David Randall, Academic Press, 2000. | see Google Books

计算机软件:

  1. SSH登录自由软件:Putty 0.60
  2. XServer自由软件:Xming 6.9031 | Xming-Fonts 7.5011
  3. Windows浏览图片软件:ACDSee 3.1R

Fortran 95 and GnuPlot:

  1. 30分钟快速学习Fortran 95 [培训课件] [Lorenz方程数值解]
  2. 3小时学习Fortran 95 [Tanja van Mourik教材]
  3. 3天认真全面学习Fortran 90 [Walter S. Brainerd经典教材]
  4. 1小时学习GnuPlot [孙道勋教材]

教学课件:

  1. 课程简介
    [课件]
    -----
  2. 气候模式发展简史
    1.1 早期的发展
    ....1.1.1. Laplace预言、热力学突破、和Bjerknes论断
    ....1.1.2. 伟大的Richardson试验
    ....1.1.3. Rossby、大气长波、与滤波模式
    1.2 二战后气候模式的发展
    ....1.2.1. ENIAC试验与GCM的发展
    ....1.2.2. 简化模式的发展
    ....1.2.3. 计算机与信息技术革命
    1.3 1990s之后的气候模式新方向
    ....1.3.1. 模式本身的进步
    ....1.3.2. 挑战计算极限

    [课件] [作业]
    [阅读1] Hunt, J.C.R. (1998). Lewis Fry Richardson and His Contributions to Mathematics, Meteorology, and Models of Conflict. Annual Review of Fluid Mechanics, 30, xiii-xxxvi.
    [阅读2] Charney, J.G., R. Fjortoft, John von Neumann. (1950). Numerical Integration of the Barotropic Vorticity Equation. Tellus, 2, 237-254.
    -----
  3. 气候系统
    2.1 气候系统的成员
    ....2.1.1 大气
    ....2.1.2 海洋
    ....2.1.3 海冰
    ....2.1.4 陆面
    2.2 气候系统内部的反馈
    ....2.2.1 水汽反馈(Water vapor feedback)
    ....2.2.2 冰雪反馈(Snow/Ice-albedo feedback)
    ....2.2.3 云反馈(Cloud feedbacks)
    ....2.2.4 地表植被反馈(Land surface feedback)
    2.3 气候系统的强迫
    ....2.3.1 外强迫因子(地球轨道要素;太阳活动)
    ....2.3.2 内强迫因子-人为因子(温室气体;气溶胶;臭氧;陆面变迁)
    ....2.3.3 内强迫因子-自然因子(火山活动;热盐环流)

    [课件1] [课件2] [课件3] [课件4] [课件5] [课件6]
    -----
  4. 简化气候模式
    3.1 非线性动力系统
    ....3.1.1 动力系统的定义
    ....3.1.2 动力系统的稳定性
    ....3.1.3 相空间、轨迹、奇点
    ....3.1.4 Lorenz方程与混沌吸引子
    ....3.1.5 天气的可预报性
    3.2 常微分方程的数值积分
    ....3.2.1 常微分方程(ODE)的分类
    ....3.2.2 时间积分方案
    ..........Forward Euler Scheme
    ..........Matsuno Scheme
    ..........Leapfrog Scheme
    ..........Heun Scheme
    ..........ABM Predictor-Corrector Scheme
    ..........Adams-Bashforth Scheme
    ..........Runge-Kutta Scheme
    3.3 能量平衡模式(EBM)
    ....3.3.1 地球的能量平衡
    ....3.3.2 0维能量平衡模式(0D-EBM)
    ....3.3.3 1维能量平衡模式(1D-EBM)
    ....3.3.4 其它复杂的箱式模型(Box Model)
    3.4 辐射对流模式(RCM)
    ....3.4.1 基本概念
    ....3.4.2 热量平衡公式
    ....3.4.3 辐射通量方案
    ....3.4.4 对流调整方案
    ....3.4.5 对气候态的模拟结果

    [课件1]
    [课件2] [课件3] [课件4] [作业1] [作业2] [作业3] [DEMO1] [DEMO2]
    [阅读1] Lorenz, E.N. (1963). Deterministic Nonperiodic Flow, Journal of the Atmospheric Sciences, 20, 130-141.
    [阅读2] Lorenz, E.N. (1984). Estimates of Atmospheric Predictability at Medium Range, Predictability of Fluid Motions, Holloway and West eds, New York, American Institute of Physics, 133-139
    [阅读3] Budyko, M.I. (1969). The Effect of Solar Radiation Variations on the Climate of the Earth, Tellus, 5, 611-619.
    [阅读4] Sellers, W.D. (1969). A Global Climatic Model Based on the Energy Balance of the Earth-Atmosphere System, Journal of Applied Meteorology, 8, 392-400.
    [阅读5] North, G.R., L. Howard, D. Pollard, and B. Wielicki. (1979). Variation Formulation of Budyko-Sellers Climate Models, Journal of the Atmospheric Sciences, 36, 255-259.
    [阅读6] Manabe, S., and R.F. Strickler. (1964). Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Convective Adjustment, Journal of the Atmospheric Sciences, 21, 361-385.
    [阅读7] Ramanathan, V., and J.A. Coakley, Jr. (1978). Climate Modeling Through Radiative-Convective Models, Reviews of Geophysics and Space Physics, 16, 465-489.
    -----
  5. 大气环流模式的动力框架
    4.1 数值方法
    ....4.1.1 从常微分方程(ODE)到偏微分方程(PDE)
    ....4.1.2 PDE的差分方案
    ..........a. 一阶PDE差分:Forward-1、Backward-1
    ..........................Forward-2、Backward-2、Central-2
    ..........................Forward-3、Backward-3
    ..........................Forward-a-4、Forward-b-4、Backward-a-4、Backward-b-4、Central-4
    ..........b. 二阶PDE差分:Central-2、Central-4
    ....4.1.3 截断误差与舍入误差
    ....4.1.4 一致性、稳定性、和收敛性
    4.2 平流-扩散方程(Advection-Diffusion Equation)
    ....4.2.1 平流、湍流扩散、分子扩散
    ....4.2.2 平流-扩散方程
    ....4.2.3 一维平流方程与CFL条件
    ....4.2.4 二维平流方程与旋转实验
    ....4.2.5 三维平流-扩散方程与Dispersion Model
    4.3 大气运动的原始方程组
    ....4.3.1 大气运动基本方程组的复杂性
    ....4.3.2 动量守恒与动量方程
    ....4.3.3 动量方程的尺度分析和分量表达
    ....4.3.4 从Lagrangian观点到Eulerian观点
    ....4.3.5 从直角坐标系到球坐标系
    ....4.3.6 动量方程描述的大气运动
    ....4.3.7 能量守恒与热力学方程
    ....4.3.8 质量守恒与连续性方程
    ....4.3.9 静力平衡与非静力平衡
    ....4.3.10原始方程组(Primitive Equations)
    4.4 原始方程组的差分方法
    ....4.4.1 平流项的非线性不稳定性
    ....4.4.2 水平网格的分辨率
    ....4.4.3 水平混网格
    ....4.4.4 垂直网格的分辨率
    ....4.4.5 垂直混网格
    ....4.4.6 地形与垂直坐标系
    ....4.4.7 时间积分方案
    4.5 专题练习1:浅水方程(Shallow Water Equations)数值试验
    ....4.5.1 SWE的历史和简介
    ....4.5.2 SWE的物理图景
    ....4.5.3 SWE的尺度分析
    ....4.5.4 SWE在Arakawa-C格点空间中的离散化
    ....4.5.5 SWE数值试验
    ..........a. 赤道beta平面的Kelvin波和Rossby波
    ..........b. 中纬度单纯重力外波(无科氏力项)
    ..........c. 中纬度Rossby波
    4.6 专题练习2:正压涡度方程(Barotropic Vorticity Equation)数值试验---1950年ENIAC试验的再现
    ....4.6.1 1950年ENIAC试验与BVE
    ....4.6.2 BVE的标准形式
    ....4.6.3 Arakawa对BVE中Jacobian算子的研究
    ....4.6.4 张弛法解Helmholtz方程
    ....4.6.5 BVE数值试验

    [课件1] [课件2] [课件3] [课件4] [课件5] [课件6] [课件7] [课件8] [专题1] [专题2] [作业1] [作业2] [作业3] [作业4]
    [阅读1] Phillips, N.A. (1956). The General Circulation of the Atmosphere: A Numerical Experiment, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 82, 352, 123-164.
    [阅读2] Phillips, N.A. (1959). Numerical Integration of the Primitive Equations on the Hemisphere, Monthly Weather Review, 87, 9, 333-346.
    [阅读3] Arakawa, A., and V.R. Lamb (1977). Computational Design of the Basic Dynamical Process of the UCLA General Circulation Model, Methods in Computational Physics, 17, Academic Press, 173-265.
    [阅读4] Arakawa, A., and C.S. Konor (1996). Vertical Differencing of the Primitive Equations Based on the Charney-Phillips Grid in Hybrid sigma-pressure Coordinates, Monthly Weather Review, 124, 511-528.
    -----
  6. 大气环流模式的物理过程
    5.1 为什么要使用物理过程参数化
    ....5.1.1 1970年代末以来的模式发展回顾
    ....5.1.2 为什么要“物理过程”
    ....5.1.3 为什么要“参数化”
    ....5.1.4 物理过程与动力过程
    5.2 大尺度降水与积云对流参数化
    ....5.2.1 云量、降水、潜热
    ....5.2.2 两种尺度的降水过程
    ....5.2.3 大尺度凝结降水及其参数化
    ....5.2.4 积云对流降水及其参数化
    5.3 辐射过程参数化
    ....5.3.1 辐射的基本物理概念
    ....5.3.2 Beer's Law和辐射传输方程
    ....5.3.3 长波辐射参数化方案
    ....5.3.4 短波辐射参数化方案
    ....5.3.5 各模式辐射方案概览
    5.4 地表通量及PBL的参数化方案
    ....5.4.1 PBL的物理图景
    ....5.4.2 地表能量平衡
    ....5.4.3 地表通量的参数化方案
    ....5.4.4 PBL的参数化方案
    5.5 未来的挑战
    ....5.5.1 AGCM物理过程的发展方向
    ....5.5.2 多物理方案的集合使用
    ....5.5.3 GCM竞技场

    [课件1] [课件2] [课件3] [课件4] [课件5]
    [阅读1]
    Anthes, R. (1977). A Cumulus Parameterization Scheme Utilizing a One-Dimensional Cloud Model, Monthly Weather Review, 105, 270-286.
    [阅读2]
    Emanuel, K.A. (1991). A Scheme for Representing Cumulus Convection in Large-Scale Models, Journal of the Atmospheric Sciences, 48, 21, 2313-2335.
    [阅读3]
    Molinari, J. and M. Dudek (1992). Parameterization of Convective Predipitation in Mesoscale Numerical Models: A Critical Review, Monthly Weather Review, 120, 326-344.
    [阅读4]
    Arakawa, A. (2004). The Cumulus Parameterization Problem: Past, Present, and Future, Journal of Climate, 17, 13, 2493-2525.
    [阅读5]
    Stephens, G.L. (1984). The Parameterization of Radiation for Numerical Weather Prediction and Climate Models, Monthly Weather Review, 112, 826-867.
    -----
  7. 气候模式的应用
    6.1 气候模式的比较与评估
    ....6.1.1 大气模式比较计划AMIP
    ....6.1.2 耦合模式比较计划CMIP
    ....6.1.3 其它模式比较计划
    6.2 气候模式在科研和业务中的应用
    ....6.2.1 应用气候模式的几个基本概念
    ....6.2.2 科研中的应用
    ....6.2.3 业务中的应用
    6.3 气候模式与IPCC报告
    ....6.3.1 IPCC与IPCC报告
    ....6.3.2 气候模式在IPCC报告中的地位和作用
    ....6.3.3 气候模式对未来情景的预估
    6.4 自己参与climateprediction.net

    [课件]
    [阅读1] Gates, W.L. (1999). An Overview of the Results of the Atmospheric Model Intercomparison Project (AMIP I), Bulletin of the American Meteorological Society, 80, 1, 29-55.
    [阅读2] Covey, C. (2003). An Overview of Results from the Coupled Model Intercomparison Project, Global and Planetary Change, 37, 103-133.

Climate Change

2010-2011学年第二学期(2月21日-6月6日)| 星期一5-6 | 二教#416 | 闻新宇 | xwen@pku.edu.cn | 随堂期末考试 5月30日(一)13:00-14:50 二#416

“全球变暖”已成为今天人类社会普遍关心的全球性问题之一。究竟“全球变暖”在观测事实上是不是真实的?“全球变暖”是不是由人类活动引起的?与此相关的科学理论上是不是像争论的那样存在欺骗性?未来持续变暖的可能性和幅度有多大?全球持续变暖对人类社会乃至自然生态有哪些严重影响?我们现在应该采取哪些应对策略来减缓全球变暖?等等一连串的问题都值得我们深入地探讨。本课程致力于向包括文科、理科在内的各个学科背景的同学,介绍“气候变化”这一全球变暖的科学基础,希望对未来中国社会的精英群体理解“全球变暖”这一问题的严重性,起一定的基础性的科学铺垫作用。希望更多领域的同学通过本课程的学习,能关注并理解应对全球变暖的紧迫性。这是今天包括中国在内的全人类共同的责任。

选课学生:张雯婧[经] 刘伊琨[物] 刘文卿[国] 张琼[物] 张贺[物] 顾思凡[物] 李政隆[城] 彭丽青[城] 余明[数] 方伟铭[物]

地球一小时:2011作业展示

教材和参考书:

  1. Climate Change 2007: The Physical Science Basis, The 4th Assessment Report of the IPCC, Cambridge University Press, 2007 | Go to Download
    IPCC报告是网上免费共享资源,这里只是打包好方便同学们下载,也可访问IPCC官网直接下载
  2. Global Warming: The Complete Briefing (4th ed), John Houghton, Cambridge University Press, 2009 | Go to Download
    这本书有商业版权, 仅提供选课同学在北大教学网内部下载查阅,希望不要再分发和共享
  3. Climate Change Reconsidered, Craig Idso and Fred Singer, The Heartland Institute, 2009 | PDF
  4. Climate in Peril: A Popular Guide to the Latest IPCC Reports, GRID-Arendal, 2009 | PDF
  5. The Copenhagen Diagnosis: Updating the World on the Latest Climate Science, UNSW, 2009 | PDF

教学课件:

  1. 课程简介
    0.1 基本要求
    0.2 课程内容
    0.3 教材和参考书

    [课件]
    -----
  2. 关于全球变暖的争论
    1.1 问题的发现
    1.2 温室效应
    1.3 正方:IPCC和UNFCCC
    1.4 反方:气候怀疑论者及其观点
    1.5 双方的争斗

    [课件1] [课件2]
    -----
  3. 地球气候史
    2.1 宇宙演化和太阳系的形成
    ....2.1.1 大爆炸
    ....2.1.2 星系与恒星
    ....2.1.3 宇宙微波背景辐射与宇宙年龄
    ....2.1.4 宇宙加速膨胀与Dark Energy
    ....2.1.5 引力透镜与Dark Matter
    ....2.1.6 星云的重力塌缩
    ....2.1.7 太阳的生命历程
    ....2.1.8 地球的形成及其与木星和月球的关系
    2.2 地质尺度
    ....2.2.1 地质年表
    ....2.2.2 地球形成以来的宏观变化
    ....2.2.3 问题1:密集撞击时期、大气热逃逸、与原生大气的消散
    ....2.2.4 问题2:昏暗年轻太阳悖论、地球碳-硅循环、与CO2减少
    ....2.2.5 问题3:氧气灾难与O2上升
    ....2.2.6 N2的稳定上升
    ....2.2.7 行星大气演化的启示
    2.3 板块尺度
    ....2.3.1 显生宙气候概况:Hot House与Ice House
    ....2.3.2 板块运动对地球气候的调制
    ....2.3.3 植物的快速进化与CO2的快速下降
    2.4 轨道尺度
    ....2.4.1 第四纪气候变化概况
    ....2.4.2 10万年冰期-间冰期旋回与Milankovitch的轨道理论
    ....2.4.3 末次冰期中的气候振荡与热盐环流理论
    ....2.4.4 夏娃理论与人类文明走出非洲
    2.5 全新世气候变化
    ....2.5.1 全新世气候概况
    ....2.5.2 问题1:冰消期与新仙女木事件(Younger Dryas)
    ....2.5.3 问题2:全新世气候最适宜期(Holocene Climatic Optimum)
    ....2.5.4 问题3:中世纪暖期(Medieval Warm Period)
    ....2.5.5 问题4:小冰期(Little Ice Age)
    ....2.5.6 问题5:现代气候变暖(Global Warming)
    ....2.5.7 全新世气候强迫因子的讨论

    [课件1] [课件2] [课件3] [课件4] [课件5]
    -----
  4. 人类活动与全球变暖
    3.1 人类工业文明与大气组分变化
    3.2 观测证据:大气
    3.3 观测证据:冰雪
    3.4 观测证据:海洋
    3.5 关键问题讨论

    [课件1] [课件2] [课件3] [课件4] [课件5]
    -----
  5. 气候模式与未来情景评估
    4.1 气候模式
    4.2 未来100年排放情景的设计
    4.3 未来100年气候评估

    [课件]
    -----
  6. 减缓对策
    5.1 排放不平等的基本事实
    5.2 源头性对策:外交谈判 + 新能源环保产业
    5.3 后果性对策:地球工程技术
    5.4 我们曾经成功
    5.5 乐观与使命感

    [课件]
    -----

常见问题:

  1. 水汽(H2O)是地球温室效应中最重要的气体,其作用占全部温室效应的95%,为什么要担心CO2而不担心H2O?(方伟铭 2011/3/22)
    我想有两点需要说明,一个是两者对温室效应的贡献大小问题,一个是对H2O影响地球气候究竟起什么作用的认识问题:
    1) H2O确实是地球温室效应的最大贡献者,现代大气的温室效应为地球保温30多度(较准确的估计为33度),估计至少有20度以上是由于水汽贡献的。但水汽变率非常小,这主要是因为H2O在大气中有“饱和”的限制,即所谓的“有天花板”,而现在基本就在天花板的位置,不能无限地增加。随着全球变暖的进程,大气能容纳的饱和水汽会略微增加一些,非常有限,即“天花板”可以微微抬高一点点。而CO2就没有天花板效应,可以“无限”增加(当然也有饱和的时候,只是距离很远)。实际上,正是由于CO2并不是最大的温室效应贡献者,才使得即使CO2从工业化前的280ppm上升到现在将近400ppm(将近1.5 倍),地球温度也才只上升了1度左右而已(人类已难以承受)。倘若水汽增加1.5倍的话,全球变暖可就不是1度的事情,而是20-30度的事情,人类更难以承受。
    2) 水汽对地球气候振动所起的作用总体而言是“不稳定”的放大器(正反馈作用)。在地球偏暖时,大气中可容纳的水汽较多,温室效应加剧,从而使地球更暖;在地球偏冷时,大气中可容纳的水汽较少,温室效应减弱,从而使地球更冷。不论什么方向,水汽浓度总是首先被动地受地球温度影响而发生变化,再正反馈于地球温度;而非首先水汽变化,进而引起地球温度变化。总之,水汽在地球温室效应的变化中充当不稳定因素,但从来不是最初的原因。现代全球变暖是由于CO2排放增加导致的地球温度上升,水汽也是被动地充当了放大器的角色,详细内容可参考第一章课件1的Slide#17:水汽正反馈使得CO2导致的全球变暖放大了。

    -----
  2. 对冰期的概念有点糊涂,以前也从各种课多少都学过,不知为什么对于冰期的尺度以及事件就是老记不住,细想就乱?(彭丽青 2011/4/12)
    冰期,中文只有一个词,英文却有两个词,可能困惑就在于此。一定要区分:
    1) Ice Age:冰期,或译成“大冰期”或“冰河时代”更好。这是指地球气候史上大的寒冷时期。多大算大,至少几百万年以上。地球史上一共发生过5次大冰期。其中1、2次发生在元古代首、尾,全球冰封,也称Snowball Earth,大冰期本身对生物而言是巨大灾难,两次大冰期恢复之后都是生物蓬勃发展期,这两次冰期持续时间都在1亿年以上。第3次发生在奥陶-志留纪,持续时间较短(约3000万年)。第4次发生在泥炭-二叠纪,很强的一次冰期,持续时间较长(接近1亿年)。第5次就是250万年以来的第四纪冰期,人类进化伴随于此。这五次大冰期,前两次和碳硅循环-温室效应减弱有关,时间长,程度深,全球冰封;后三次可能和板块运动有关,时间短,程度浅,只在两极、中高纬度有冰盖。地球历史上除了这5次大冰期之外,其它时间都是长久而稳定的温暖时期,标志是两极完全没有冰盖。地球46亿年的历史上,绝大多数时间都是温暖时期,只有这5次大冰期时段是例外。
    2) Glacial period:冰期,或译成“冰川期”更好。这是指在第四纪大冰期中,特别是近80万年里,地球气候呈现以10万年为周期的冷暖变化,其中的冷期也叫冰期glacial,其中的暖期也叫间冰期interglacial。这个“冰期glacial”和上面的“冰期ice age”可不是一个时间尺度的事。最近80万年中,出现了约8次冷暖变化,周期10万年,每个周期中,1万年暖期(interglacial),9万年冷期 (glacial)。每次从暖期进入冷期时,温度逐级下降,两极冰盖向中纬度生长,伴随着热盐环流的不稳定,冰期气候并非线性下降,而是呈现快速的震荡下降特征,直到下一个暖期回归。我们就生活在最后一个interglacial中。
    -----
  3. 等待你的提问
北京大学物理学院北559室(地图) 本页最后更新:2011年3月