社会经济—地球系统模式双向耦合的方法探索

The coupled climate models and Integrated Assessment Models (IAMs) are essential tools to investigate issues relates to climate change. Specially, the coupled climate models represent the complex dynamics, thermodynamics, and biochemical process in the atmosphere, land, ocean, ice and interactions between them, and it has advantages in simulating, attributing and projecting the climate change. While the IAMs depicts the causal chain between the energy, economic, emission, climate change and climate impacts, and which is widely used in understanding the emission pathways, climate policy and climate impacts. However, as the interaction between human activity and natural system increasingly evident, both the coupled earth system and IAMs has its limitations in interpreting the human and earth system interactions. So it is necessary to develop the more comprehensive human-earth system model by combing the advantages of this two kinds models. The coupled earth system model and IAMs can not be easily integrated results in their different model construction running methods. This project intends to explore an new approach to add the economic and climate damage components to the coupled earth system model of BNU-ESM, and achieve the goal of running the two models under the same frame. This project can provide a new method and thought in coupled model development and orderly human activities researches.

耦合气候系统模式和气候变化综合评估模型IAMs是研究气候变化问题的主要工具。前者描述了气候圈层以及圈层之前复杂的动力学、热力学和生物化学作用过程，在研究气候变化的机理、归因以及预估等方面具有非常大的优势；而后者整合了能源、经济、政策、气候变化、以及气候变化的影响等过程，在研究有关气候变化的政策、影响方面具有明显的优势。但是随着人类社会与自然系统相互作用关系的加强，耦合气候系统模式和IAMs在研究人类社会系统与自然环境相互作用关系方面都具有明显的不足。有必要结合两类模式的优点来发展更为综合的人-地系统模式。由于社会经济模型和地球系统模式在模式构建和运行方面都有较大的差别，因此不能将两类模型进行简单结合。本项目拟探索在我国的耦合气候系统模式BNU-ESM上加入社会经济和气候变化影响模块的方法，使得两类模型能够在同一框架下进行运行，从而为地系统模式的发展和有序人类活动的研究提供新思路。

本项目首次探索在在已经发展较为成熟的耦合气候系统模式BNU-ESM的基础上，加入社会经济过程和气候变化影响过程的模块，完成了人-地系统模式BNU-HESM1.0的初步构建。在此基础上通过设计数值模拟试验，评估了BNU-HESM1.0模式对历史气候变化的模拟能力。本项目中的社会经济模块和气候变化影响模块来自于DICE模式，由于BNU-ESM与DICE的时空分辨率不一致，因此需要解决的关键问题是协调DICE模型和BNU-ESM的时间步长和空间分辨率。由于BNU-ESM模式具有较高的时空分辨率，因此在保证DICE模型社会经济模块基本思想和原理不变的情况下，我们对其运行步长和空间分辨率进行修改，使得DICE模型和BNU-ESM能够在同一个程序框架下成功运行和互动。评估BNU-HESM1.0的对历史气候变化模拟能力的数值模拟实验方案与CMIP5的历史模拟试验一致，评估的变量包括1965-2005年的全球碳排放、CO2浓度、气温等的模拟能力等。结果表明，BNU-HESM1.0模式不仅保持了其自然系统模块（BNU-ESM）对全球CO2浓度与气温时空变化特征的模拟能力，并且能够再现全球碳排放增加的趋势。