本书全面介绍全球气候变化模拟与预估这一研究领域的发展历程、研究方法、研究现状和未来发展趋势。首先，从气候变化模拟与预估的主要研究工具——气候系统模式入手，系统介绍气候系统模式和地球系统模式的发展历史与发展趋势，着重介绍国际耦合模式比较计划（CMIP）及其在政府间气候变化专门委员会（IPCC）评估报告中的应用，并依据IPCC第六次评估报告（AR6）第一工作组报告相关章节的内容，对基于第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）的未来全球气候预估结果进行解读。之后，介绍不同温升情景下近期和长期全球气候变化预估的主要结论及存在的不确定性，并探讨未来1.5℃和2℃温升情景下气候变化对大气、海洋、冰冻圈、生物圈等产生的影响。最后，介绍气候经济模型和综合评估模型与地球系统模式耦合的内容，针对当前地球系统的临界点与安全公正的边界，以及气候变化对人类、经济和社会的影响等热点和前沿问题进行了探讨。

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.国家重点研发计划项目“地球系统模式与综合评估模型的双向耦合及应用”的项目负责人

目录
第1章 绪论 1
1.1 气候系统模式简介 1
1.1.1 气候系统模式原理 1
1.1.2 气候系统模式组成 6
1.2 地球系统模式发展历史 8
1.2.1 大气环流模式 8
1.2.2 海洋环流模式 10
1.2.3 海冰模式 10
1.2.4 陆面过程模式 11
1.2.5 气溶胶和大气化学过程模式 12
1.2.6 海洋生物地球化学模式 12
1.2.7 陆地生物地球化学模式 13
1.3 全球气候变化的模拟与预估回顾 14
1.3.1 地球系统模式模拟气候变化 14
1.3.2 气候变化模式模拟方法 15
1.3.3 第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6） 17
1.3.4 协同区域气候降尺度实验 18
1.3.5 模式评估 18
1.3.6 约束预估 19
1.3.7 年代际气候变化预测及其初始化方法 20
1.4 发展趋势 22
1.4.1 地球数字孪生 22
1.4.2 数据同化 24
参考文献 25
第2章 国际耦合模式比较计划及其在IPCC 评估报告中的应用 27
2.1 全球模式比较计划介绍 27
2.2 在历次IPCC评估报告中的应用 28
2.3 CMIP6 35
2.3.1 试验设计 35
2.3.2 DECK试验和历史气候模拟试验 35
2.3.3 模式比较子计划 36
2.3.4 共享社会经济路径情景实验 38
参考文献 42
第3章 CMIP6地球系统模式结果的综合评估 44
3.1 大气 44
3.1.1 地表气温 44
3.1.2 降水 47
3.2 海洋、冰冻圈和生物圈 51
3.2.1 北极海冰 51
3.2.2 全球平均海平面 54
3.2.3 大西洋经向翻转环流 55
3.2.4 海洋表层pH 57
3.2.5 陆地–大气CO2交换趋势 59
3.2.6 陆地–大气CO2交换的年际变化 61
3.3 气候变率和极端事件 63
3.3.1 气候变率 63
3.3.2 极端事件 67
参考文献 73
第4章 近期气候变化预估 75
4.1 预估的近期大气和地表的变化 75
4.1.1 全球地表气温 75
4.1.2 地表变暖的空间分布 76
4.2 预估的近期水循环变化 77
4.2.1 降水 77
4.2.2 全球季风系统 78
4.3 预估的近期大气环流变化 79
4.3.1 北半球环状模（NAM）和南半球环状模（SAM） 79
4.3.2 厄尔尼诺–南方涛动及其遥相关 80
4.3.3 太平洋年代际变化 80
4.3.4 印度洋海盆模态和印度洋偶极子及其遥相关 81
4.3.5 大西洋多年代际变率 82
4.3.6 热带大西洋模态及其遥相关 82
4.4 预估的近期极端事件变化 83
4.4.1 极端温度 83
4.4.2 强降水 84
4.4.3 洪水 85
4.4.4 干旱 85
4.4.5 风暴 86
4.4.6 复合事件 87
4.4.7 评价的限制 87
4.5 预估的近期冰冻圈变化 87
4.5.1 海洋和陆地碳汇 87
4.5.2 北极海冰 88
4.6 气溶胶对近期气候预估的影响 88
参考文献 90
第5章 长期气候变化 93
5.1 大气和地表温湿度 93
5.1.1 近地面气温 93
5.1.2 年平均大气温度 98
5.1.3 近地面相对湿度 99
5.2 水循环变化 100
5.2.1 降水 101
5.2.2 水量平衡 103
5.2.3 水汽及其输送 105
5.2.4 蒸发量 106
5.3 冰冻圈变化 107
5.3.1 海冰 107
5.3.2 冰盖 108
5.3.3 冰川 109
5.3.4 多年冻土 112
5.3.5 季节性积雪 113
5.4 海平面变化 114
5.5 碳循环和其他生物地球化学循环 116
5.5.1 碳循环 116
5.5.2 其他生物地球化学循环 117
5.5.3 可能的气候突变点和临界点 118
5.5.4 2100 年后的长期反馈 118
5.6 减排与百年气候预估 120
5.6.1 减排 120
5.6.2 2100 年后的气候变化 124
参考文献 125
第6章 1.5℃和2℃温升情景下的气候变化 128
6.1 大气和地表的变化 128
6.1.1 气温与地表温度 128
6.1.2 季风系统 132
6.1.3 热带气旋与温带风暴 133
6.2 水循环变化 135
6.2.1 降水 135
6.2.2 径流与河流洪水 139
6.3 其他 142
6.3.1 海平面变化 142
6.3.2 冰冻圈变化 146
6.3.3 生态系统功能、生物量和碳储量的变化 147
参考文献 150
第7章 气候经济模型和综合评估模型 157
7.1 气候经济模型 157
7.1.1 气候经济模型发展回顾 157
7.1.2 DICE模型简介 159
7.2 综合评估模型 161
7.2.1 发展历程回顾 161
7.2.2 整合和构建方法 165
7.2.3 分类和应用 168
7.2.4 存在的不足 169
参考文献 170
第8章 气候经济模型和综合评估模型与地球系统模式的耦合 173
8.1 气候经济模型与地球系统模式的耦合 173
8.1.1 耦合方法介绍 173
8.1.2 DICE模型向地球系统模式传递全球碳排放的过程 174
8.1.3 DICE模型调用BNU-ESM模式的程序设计 178
8.2 综合评估模型与地球系统模式双向耦合的必要性 180
8.3 双向耦合模式的模拟评估与预估 181
8.3.1 未来气候变化模拟预估 181
8.3.2 美国退出《巴黎协定》对全球气候变化的影响 183
8.3.3 中国区域投资对碳排放和气候变化的影响 186
8.3.4 绿色发展路径的作用 191
参考文献 196
第9章 气候变化预估方法和结论中的主要不确定性 198
9.1 预估方法的主要不确定性 199
9.1.1 基于情景与路径的地球系统模式预估 199
9.1.2 气候模拟中的不确定性来源 202
9.2 预估结论中的主要不确定性 205
9.2.1 全球温度变化 205
9.2.2 未来升温幅度 206
9.2.3 全球变暖何时可能达到1.5℃ 207
9.2.4 降水 208
9.2.5 海冰和积雪变化 209
9.2.6 全球海洋变化 210
9.2.7 海平面 211
9.2.8 人类活动的影响 211
9.2.9 气候“突变”和“临界点” 212
9.2.10 空气污染对全球变暖的影响 212
9.2.11 IPCC AR6中对气候敏感性评估的变化 212
9.2.12 其他预估的不确定性 213
参考文献 214
第10章 地球系统：临界点与安全公正的边界 216
10.1 地球系统科学 216
10.2 气候临界点 218
10.2.1 临界点的概念 218
10.2.2 临界要素 221
10.3 地球系统边界 228
10.3.1 安全和公正的地球系统边界 229
10.3.2 多领域安全和公正的地球系统边界介绍 230
10.4 气候变化对人类、经济和社会的影响 233
10.4.1 人类世 233
10.4.2 气候变化与社会经济 235
10.4.3 蓝碳 239
参考文献 243
附录 名词解释 246