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人-地系統動力學模型的構建發展與應用 版權信息
- ISBN：9787030735782
- 條形碼：9787030735782 ; 978-7-03-073578-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
人-地系統動力學模型的構建發展與應用 本書特色
本書是北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室人-地系統 動力學模擬團隊開發和研究的科研成果。
人-地系統動力學模型的構建發展與應用 內容簡介
本書是北京師范大學地表實驗室"人－地系統模擬團隊"開發和研究的科研成果。以人-地耦合系統模型的構建為主線，全面介紹相關研究，探索了氣候變化對經濟系統影響的機理途徑及其評估方法，新構建了"氣候-經濟（C-D-C）模型"；探求了人-地系統動力學模式雙向耦合的方法，解析了人-地系統模式雙向耦合的時空匹配原理；在耦合氣候系統模式BNU-ESM基礎上，嘗試加入描述社會經濟發展和氣候變化影響的模塊，初步實現了北師大地球系統模式與經濟模型DISE模型的雙向耦合，成功發展為綜合的人-地系統動力學模式BNU-HESM1.0版；利用耦合模式分析地球系統內部變化的機理以及經濟發展等對環境的敏感性，從而預測未來的可能變化趨勢；還追溯歷史對不同國家集團的氣候變化的歷史責任進行歸因分析。
人-地系統動力學模型的構建發展與應用 目錄
目錄
理論篇
第1章緒論3
第2章氣候變化及其人類響應10
2.1溫室氣體與氣候變化10
2.2人類活動與溫室氣體15
2.3氣候變化的主要國際公約18
2.4氣候變化的綜合評估模型24
第3章氣候變化對經濟系統影響的過程機理及其評估方法32
3.1氣候-經濟關系32
3.2氣候變化對經濟系統的影響37
3.3氣候變化對經濟系統影響的定量評估方法42
3.4經濟系統對氣候變化的響應46
3.5探索新的經濟-氣候模型評估氣候變化的影響49
3.6總結65
第4章氣候系統模式動力框架67
4.1原始方程67
4.2動力框架73
4.3氣候系統主要子模塊75
4.4初始場和邊界場79
建模篇
第5章引入耦合氣候系統模式95
5.1耦合氣候系統模式概述95
5.2耦合氣候系統模式的應用與不足100
5.3耦合氣候系統模式的未來發展102
第6章綜合評估模型的引入104
6.1綜合評估模型104
6.2綜合評估模型的集成和構建方法107
6.3氣候變化經濟影響的展開研究110
6.4綜合評估模型的應用意義與局限性118
第7章人-地系統動力學模式雙向耦合的探索121
7.1構建人-地系統動力學模式的必要性121
7.2地球系統模式和綜合評估模型雙向耦合的難點124
7.3地球系統模式和綜合評估模型雙向耦合方法探索126
7.4地球系統模式和綜合評估模型雙向耦合的不確定性127
第8章人-地系統動力學模式雙向耦合時空匹配的方法與路徑129
8.1人-地系統模型耦合中的變量時空匹配方法129
8.2數據源的選取136
8.3變量匹配方法的提出與構建139
8.4變量匹配方法的應用143
8.5變量匹配方法數據源的擴展145
8.6雙向耦合時空匹配方法與路徑的特色與創新156
第9章HESM1.0模式的構建與程序實現158
9.1BNU-ESM簡介158
9.2DICE模型簡介159
9.3DICE模型的可行性與簡化162
9.4耦合方法165
第10章HESM1.0對歷史氣候變化的模擬能力評估174
10.1數據介紹174
10.2試驗方案設計174
10.3結果分析175
第11章政策指數對碳排放的敏感性分析和非減排情景下的未來氣候變化預估183
11.1研究方法和數據183
11.2減排率模型184
11.3試驗方案設計189
11.4主要結果189
11.5非減排情景下的未來氣候變化預估192
應用篇
第12章模型中的損失函數應用199
12.1IAM損失函數的介紹199
12.2IAM損失函數構建的發展201
12.3IAM損失函數的不足205
12.4損失函數引入模型展望207
第13章不同國家集團的氣候變化歷史責任歸因208
13.1基于工業碳排放的氣候變化歷史責任歸因208
13.2基于多種溫室氣體的氣候變化歷史責任歸因214
13.3碳排放轉移對氣候變化歷史責任歸因的影響216
13.4基于氣溶膠排放的氣候變化歷史責任歸因220
第14章人-地系統動力學模型研究進展與展望224
14.1人-地系統模型研究進展225
14.2存在問題230
14.3未來展望232
參考文獻236
后記258
理論篇
第1章緒論3
第2章氣候變化及其人類響應10
2.1溫室氣體與氣候變化10
2.2人類活動與溫室氣體15
2.3氣候變化的主要國際公約18
2.4氣候變化的綜合評估模型24
第3章氣候變化對經濟系統影響的過程機理及其評估方法32
3.1氣候-經濟關系32
3.2氣候變化對經濟系統的影響37
3.3氣候變化對經濟系統影響的定量評估方法42
3.4經濟系統對氣候變化的響應46
3.5探索新的經濟-氣候模型評估氣候變化的影響49
3.6總結65
第4章氣候系統模式動力框架67
4.1原始方程67
4.2動力框架73
4.3氣候系統主要子模塊75
4.4初始場和邊界場79
建模篇
第5章引入耦合氣候系統模式95
5.1耦合氣候系統模式概述95
5.2耦合氣候系統模式的應用與不足100
5.3耦合氣候系統模式的未來發展102
第6章綜合評估模型的引入104
6.1綜合評估模型104
6.2綜合評估模型的集成和構建方法107
6.3氣候變化經濟影響的展開研究110
6.4綜合評估模型的應用意義與局限性118
第7章人-地系統動力學模式雙向耦合的探索121
7.1構建人-地系統動力學模式的必要性121
7.2地球系統模式和綜合評估模型雙向耦合的難點124
7.3地球系統模式和綜合評估模型雙向耦合方法探索126
7.4地球系統模式和綜合評估模型雙向耦合的不確定性127
第8章人-地系統動力學模式雙向耦合時空匹配的方法與路徑129
8.1人-地系統模型耦合中的變量時空匹配方法129
8.2數據源的選取136
8.3變量匹配方法的提出與構建139
8.4變量匹配方法的應用143
8.5變量匹配方法數據源的擴展145
8.6雙向耦合時空匹配方法與路徑的特色與創新156
第9章HESM1.0模式的構建與程序實現158
9.1BNU-ESM簡介158
9.2DICE模型簡介159
9.3DICE模型的可行性與簡化162
9.4耦合方法165
第10章HESM1.0對歷史氣候變化的模擬能力評估174
10.1數據介紹174
10.2試驗方案設計174
10.3結果分析175
第11章政策指數對碳排放的敏感性分析和非減排情景下的未來氣候變化預估183
11.1研究方法和數據183
11.2減排率模型184
11.3試驗方案設計189
11.4主要結果189
11.5非減排情景下的未來氣候變化預估192
應用篇
第12章模型中的損失函數應用199
12.1IAM損失函數的介紹199
12.2IAM損失函數構建的發展201
12.3IAM損失函數的不足205
12.4損失函數引入模型展望207
第13章不同國家集團的氣候變化歷史責任歸因208
13.1基于工業碳排放的氣候變化歷史責任歸因208
13.2基于多種溫室氣體的氣候變化歷史責任歸因214
13.3碳排放轉移對氣候變化歷史責任歸因的影響216
13.4基于氣溶膠排放的氣候變化歷史責任歸因220
第14章人-地系統動力學模型研究進展與展望224
14.1人-地系統模型研究進展225
14.2存在問題230
14.3未來展望232
參考文獻236
后記258
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人-地系統動力學模型的構建發展與應用 節選
理論篇 第1章緒論 隨著人類經濟社會的發展和溫室氣體排放加劇，以全球變暖為主要標志的氣候變化問題引起了各國政府、科學界乃至普通民眾的廣泛關注。已觀測到的氣候變化影響是顯著且多層次的（葉篤正和董文杰，2010；王慧等，2015）。近幾十年來，全球變暖問題越來越突出，全球氣候變化的研究重點逐漸向人類社會生存環境與適應和減緩全球氣候變化的方向發展。全球變暖問題已經從一個有爭議的科學問題逐漸轉化為政治問題、經濟問題、環境問題甚至道德問題。全球氣候變化正成為國際社會關注的焦點（王紹武等，2007；丁一匯和孫穎，2006；魏一鳴等，2013）。 要想對氣候變化與人類社會系統的復雜關系進行深入了解，首先需要掌握和認識自然系統的變化規律，認識和掌握社會經濟發展的運作模式，在此基礎上，還需要將自然系統與人類社會系統看作一個整體來進行研究。 從國際研究計劃的角度來看，氣候變化問題已經不僅僅局限在氣候系統或者自然系統，而是已經深入人類社會的政治、經濟、健康、安全等問題。這種將自然系統與社會系統進行整合的必然性可以從國際上提出的一系列重大研究計劃的發展歷程看出。早期國際上推出的大型研究計劃中，大多都是針對地球系統中單個的圈層或者自然系統，如20世紀80年代國際上成立了世界氣候研究計劃（WCRP），開始著手組織、協調和發展與氣候變化有關的觀測系統和模式等，但這主要局限在對氣候系統本身的研究。20世紀80年代末到90年代末，國際上又相繼建立了國際地圈-生物圈計劃（IGBP）、國際生物多樣性科學研究規劃（DIVERSITAS）和全球環境變化的人文因素計劃（IHDP），開始關注和研究人類活動與地球生態、環境等之間的關系。在以上4個計劃的推動下，有關氣候變化、生態環境等的研究取得了重大的進展，人們開始意識到氣候變化與環境和生態之間存在著密切的相互作用關系，而對單個的圈層或者是自然系統分開進行的研究都有一定的局限性，這種突破性的認識又推動了21世紀初地球系統科學聯盟（ESSP）的成立。ESSP由IGBP、DIVERSITAS、IHDP和WCRP組成，重視研究全球變化和地球系統不同圈層的相互關系以及全球變化對未來全球和區域可持續發展的影響。2014年，國際科學聯盟理事會提出了為期10年的“未來地球計劃”，該研究計劃以“動態地球”“全球發展”“向可持續發展的轉變”為3個主要的研究目標，通過強調全球環境和人類的福祉與發展，重點關注自然系統和人類系統的相互影響。 在國內，早在20世紀90年代初，針對全球變化大背景下中國生存環境和區域發展的特征，葉篤正等（2001）提出了“有序人類活動”的框架概念和確定“有序人類活動”過程方案的方法。“有序人類活動”是指通過合理安排和組織，使自然環境能在長時期、大范圍內不發生明顯的退化，甚至能持續好轉，同時又能滿足當時社會經濟發展對自然資源和環境需求的人類活動。而確定“有序人類活動”方案的主要方法是將人類活動過程子模式與氣候系統子模式進行耦合。通過耦合建立人-地關系，可以構成地球系統各圈層的動力過程與人類圈的耦合模式，并利用其分析地球系統內部變化的機理和經濟發展等對環境的敏感性，從而預測未來可能變化趨勢。 “有序人類活動”框架概念和確定“有序人類活動”過程方案方法的提出，體現了我國科學家在全球變化研究思想方面的先進性和前瞻性，這一概念和方法的提出，也為全球和區域可持續發展的研究開辟了新的天地。到目前為止，我國在全球環境變化和“有序人類活動”的研究方面取得了很大的進展，主要體現在對土地利用/土地覆蓋和陸地生態系統變化、人類活動與氣溶膠、人類活動與海岸帶、人類活動與碳循環過程以及人類活動與氣候變化的集成研究等方面。而這些研究主要關注人類活動與自然系統的單向作用過程，較少的研究嘗試或實現將人類活動子模式與自然系統子模式進行耦合來進行“有序人類活動”的研究。2014年，在國際科學聯盟理事會提出“未來地球計劃”的大背景下，我國也成立了“未來地球計劃”中國委員會，這標志著將自然系統與人類系統進行整合的思想在我國受到了空前的重視并得到了整體的提升。 從“有序人類活動”的視域觀審視當前全球氣候變化研究，其迫切需要我們將人類活動子模式與自然系統子模式進行整合，形成完整意義上的人-地系統模式，從而為人類社會經濟與自然環境復雜的關系研究提供科學有效的工具。 20世紀70年代，“氣候系統”的概念被提出。氣候系統強調把大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈和生物圈五個圈層作為一個整體來加以研究，從多圈層相互作用的角度來理解過去和現代氣候的變化規律與機理，預測和預估其未來變化。目前人們通過氣候數值模擬來研究氣候的形成，探索氣候變化的成因，氣候數值模擬成為認識氣候形成和演變規律的重要方法之一。 當前研究人類活動與氣候變化關系的兩類主要工具是地球系統模式（Earth System Model，ESM）和綜合評估模型(Integrated Assessment Model，IAM)。前者描述了氣候圈層以及圈層之間復雜的動力學、熱力學和生物化學作用過程，經歷了從大氣環流模式、大洋環流模式、海-氣耦合模式、海-陸-氣耦合模式到海-陸-氣-冰耦合模式的發展，其在研究氣候變化的機理、歸因及預估等方面具有非常大的優勢（王斌等，2008；趙宗慈等，2013）；而后者整合了能源、經濟、政策、氣候變化及氣候變化的影響等過程，在研究有關氣候變化的政策、影響方面具有明顯的優勢（張雪芹和葛全勝，1999；Edmonds，2012）。然而，隨著人類社會與自然系統相互作用關系的加強，地球系統模式和綜合評估模型在研究人類社會系統與自然系統相互作用關系方面逐漸凸顯出明顯的不足。例如，即使目前發展*完善的耦合地球系統模式，也沒有包含完整的人類經濟活動模塊和氣候變化對社會經濟的影響模塊，研究者只是用碳排放［或二氧化碳（CO2）排放］來代表人類活動，并將其作為外強迫條件來研究人類主要的經濟和土地利用活動對氣候變化的影響，但是這不能反映政策、技術進步等對氣候變化的影響，也不能完整地體現氣候變化對人類社會各部門影響的反饋作用（董文杰等，2016）。同樣對于綜合評估模型來說，該模型雖然整合了能源、經濟、氣候變化及其影響的過程，但其氣候變化模塊過于簡單，因而無法詳細地描述氣候系統各個圈層和圈層間的動力與熱力過程，這使得綜合評估模型在氣候變化的研究方面有較大的不確定性（Tol and Vellinga，1998；van Vliet et al.，2011）。另外，盡管進行氣候變化預估所使用的地球系統模式的未來碳排放情景是由綜合評估模型根據描述的未來經濟發展水平或條件預估的，但是地球系統模式和綜合評估模型的發展都是各自獨立的。 現有的綜合評估模型根據建立原則的不同大致可以分為3類:技術優化模型、一般均衡模型和*優增長模型（Stanton et al.，2009）。技術優化模型是自下而上地描述每個行業/部門的運行過程，其運行需要行業/部門的詳細信息。一般均衡模型是自上而下的模型，通過構建不同區域的行業/部門之間的關聯性，模擬國家政策等因素對社會經濟的影響。*優增長模型也是采用自上而下的方法，并結合宏觀經濟學的方法，通過假定一段時期(幾十年內)累積福利*大或累積損失*小，模擬國家宏觀經濟運行或行業經濟運行（Nordhaus，2007a，b，c；劉昌新等，2016）。根據模型自身的特點，3類模型的應用領域和范圍也顯著不同。從能源角度發展起來的技術優化模型是目前綜合評估模型的主流模型，但是由于技術優化模型通常只側重于描述能源相關部門的部分均衡，因此其通常要與經濟模型進行進一步鏈接，以體現對經濟發展的總體影響（Nordhaus，2007a，b，c）。一般均衡模型能夠從整體上反映不同行業和國家經濟發展，但通常缺少對技術的詳細描述，因而在研究實現有關情景的技術選擇等問題上不具優勢（Stocker et al.，2013）。*優增長模型是*早實現經濟系統與氣候系統相互影響的模型（Nordhaus，1992a，b；Nordhaus and Yang，1996）。我國學者王錚等（2006）發展了一個包含內生技術進步和國際貿易機制的*優增長模型，并對國際上各種流行的氣候保護方案做了評估。 3類綜合評估模型雖然結構不同，但是在模擬氣候變化對社會經濟的影響方面都存在不足。**，綜合評估模型幾乎都是采用簡單氣候模式與社會經濟模型的耦合，因此無法反映氣候變化對社會經濟發展在時空尺度上的復雜影響（Collins et al.，2015；Ackerman，2002）。大多數評估模型強調溫度和降水兩個氣候要素的影響，而且溫度和降水僅使用全球平均值作為輸入，沒有區域的差異和年內的變化。第二，綜合評估模型假設氣候變化對經濟的影響方式和強度是通過現有研究的全球尺度的平均數據進行標定的，不能體現氣候變化影響的區域性與不確定性。第三，綜合評估模型通常基于已有觀測外推未來氣候變化情景，但是隨著氣候變化對經濟影響逐步增加，外推的方法是否能夠反映極端氣候事件對社會經濟的影響尚有爭議。 為了克服上述不足，一些研究開始嘗試地球系統模式和綜合評估模型的雙向耦合（Yang et al.，2016），并逐步豐富氣候變化對社會經濟影響的損失函數。然而，由于兩類模型研究的維度、空間分辨率等方面的不同，實現雙向耦合仍然需要解決諸多問題。首先，需要解決兩類模型在時空運行尺度的不一致問題。綜合評估模型以行政區域為運行單元，為了與地球系統模式耦合，需要將運行單元轉換為格點方式。其次，綜合評估模型通常在5年以上的時間尺度上運行，亟須解決其與地球系統模式時間非同步耦合的問題，以反映氣候年際變化的影響。*后，地球系統模式空間分辨率通常在幾百千米（Ji et al.，2014），難以有效反映對社會經濟影響顯著的關鍵要素，如海平面上升（Moore et al.，2013）。綜合而言，綜合評估模型是國家應對氣候變化的基礎工具，模型結果將為我國應對氣候變化和保持可持續發展提供科學支撐。發達國家都在爭相發展綜合評估模型，這不僅是為了占據科學制高點，更重要的是利用其給出可信的評估結果，服務于國家利益，搶占氣候變化外交談判的話語權。 綜合評估模型和大氣-陸-海-冰地球系統耦合模式是用于調查與氣候變化有關的問題的兩個主要工具。但是綜合評估模型和耦合地球系統模式在模擬與預測氣候變化排放情景中均具有優勢及局限性。綜合評估模型被廣泛用于提供有關全球和國家排放以及不同氣候政策成本的信息。它們可以描述排放與溫度升高之間的因果關系，但方程式相對簡單（Matsuoka et al.，1995；Bouwman et al.，2006）。例如，動態氣候變化經濟學綜合評估模型（DICE）僅使用一個或兩個簡單方程來計算全球CO2濃度和溫度變化，并且大多數綜合評估模型使用海洋碳吸收的線性表示（Van and Coauthors，2011；Hof et al.，2012）。這顯然是地球系統復雜的物理和生化過程的過度簡化。實際上，*近的研究表明，綜合評估模型中物理過程表示缺乏復雜性，可能會對政策成本、碳稅等的產出產生重大影響（Schneider and Thompson，1981；Schultz and Kasting，1997）。例如，Smith和Edmonds（2006）證明，碳循環的不確定性導致實現某些CO2濃度的成本范圍更廣，并且相當于將目標濃度更改為*高100ppm。 耦合的地球系統模式（包括海洋和陸地碳循環反饋）旨在捕獲真實氣候系統的生物物理過程（Taylor et al.，2012）。在給定的自然和人為作用力下，它們在模擬、預測和歸因氣候變化方面具有獨*的優勢（Wei et al.，2012；Weller and Cai，2013），可用于彌補綜
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