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