论文标题：Advancing high-resolution modeling to unravel the interplay between extreme weather events and air pollution under global warming

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Yang Gao, Xiuwen Guo, Wenbin Kou, Xiaojie Guo, Shaoqing Zhang, Huiwang Gao, Deliang Chen

发表时间：30 Apr 2025

DOI：10.1007/s11783-025-2020-9

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近日，清华大学陈德亮院士和中国海洋大学高阳教授团队在FESE期刊第19卷第7期发表了题为“Advancing high-resolution modeling to unravel the interplay between extreme weather events and air pollution under global warming”的展望论文。

摘要

全球变暖正使极端天气事件和空气污染演变为日益严峻的挑战，两者对人类健康、经济发展和社会稳定构成重大威胁，而其复杂的相互作用更可能产生叠加放大效应。数值模式是研究这些现象的核心工具，但传统低分辨率地球系统模式往往难以准确刻画极端天气与空气污染的动态特征，这一局限既限制了机理认知的深化，也削弱了未来预测的可信度，最终制约适应策略的有效制定。动力降尺度方法——通过全球模式驱动高分辨率区域模式——提供了部分解决方案。然而，该方法仍继承全球低分辨率模式的系统偏差，且难以充分表征大气、陆地和海洋之间的多尺度跨圈层相互作用。这些问题凸显了发展并应用高分辨率地球系统模式的迫切需求，以更全面精确地刻画海-陆-气相互作用（包括能量物质交换及其空间异质性）。本文系统探讨了极端天气与空气污染相互作用研究中的现存挑战、最新进展和未来方向，重点阐释高分辨率模式在这一领域的关键作用。

1 气候变化和空气污染研究的最新进展

1.1 极端天气研究：从降尺度到高分辨率地球系统模式

数值模式是研究极端天气和气候事件不可或缺的工具。模式空间分辨率决定了其刻画精细尺度物理、化学和生物过程的能力，通常需要至少四个网格单元才能准确解析相关特征。早期全球模式的典型分辨率仅为100–200公里或更低。自20世纪90年代以来，区域气候模型的分辨率从约50公里逐步提升至近年来的公里级。全球模式的空间分辨率同样取得显著进步。在第六次耦合模式比较计划（CMIP6）中，高分辨率模式比较计划（HighResMIP）纳入了分辨率达25公里的模式，接近区域天气解析模式的尺度，大幅提升了极端事件的模拟能力。近年来，高分辨率地球系统模型的研发明显加速，部分模式已瞄准公里级分辨率，但长期模拟仍面临挑战。典型代表包括：ICON-Sapphire（ICOsahedral Nonhydrostatic），E3SM（Energy Exascale Earth System Model），SW-HRESMs（the high-resolution coupled Earth system models at ‘Sunway’ heterogeneous-architecture supercomputer）。

1.2 极端天气与空气污染：高分辨率模拟研究

相较于独立的气候模拟，极端气候事件与空气污染相互作用的高分辨率模拟研究进展相对滞后。当前面临的主要挑战在于大气污染物模拟的高计算成本，其计算量通常远超气象模拟。例如，大气分辨率提升至25公里时，计算开销可能比100公里分辨率高出十倍以上。近期超级计算机的发展推动了大气25公里与海洋10公里分辨率的耦合模拟，中国海洋大学团队对此进行了系列研究。这些模拟已应用于研究海洋与大气热浪、大气河流与极端降水以及大气阻塞等极端事件。在空气污染方面，低分辨率模式长期存在臭氧模拟高估的问题，重要原因在于难以解析人为和生物源排放的空间异质性。针对此问题，我们近期研究通过提高空间分辨率更好地刻画城乡排放差异，识别对挥发性有机物或氮氧化物敏感的臭氧生成机制。同时引入叶面积指数优化气孔导度，并根据不同气象条件调整角质层导度，显著降低中国东部和美国东南部等地区的臭氧浓度高估。

2 极端气候与空气污染模拟的挑战与未来方向内容创新

高分辨率地球系统模式的发展为研究极端气候事件与空气污染在多圈层相互作用提供了新机遇。提升历史时期模拟能力、增强未来预测可靠性对制定有效减缓与适应策略至关重要——尤其在空气污染与气候风险叠加的城市区域。现将关键挑战与未来研究方向阐述如下：

2.1 复合型气候极端事件

复合极端事件研究因其可能引发的严重社会与环境影响日益受到关注。这类事件通常包含多类极端天气的时空叠加，并通过复杂机制相互关联，解析其相互作用机制可显著提升高影响事件的预测与应对能力。复合极端事件对空气污染还会产生非线性影响，其效应往往超越单一事件影响的简单叠加。另一关键挑战在于未来极端事件阈值的界定。传统方法采用固定历史阈值识别过去与未来的极端事件，但最新研究表明，这种方法忽视了人类与自然系统的适应性以及变率等高阶统计特征的影响。因此，发展动态阈值研究方法对捕捉气候变化背景下极端事件的演变特征具有重要意义。

图1 极端天气事件相关物理过程的空间与时间尺度特征

2.2 重点区域极端气候特征

沿海城市作为关键人口聚集区，全球约38%的人口居住在距海岸线100公里范围内，45%位于150公里区域内。近海大型海洋生态系统仅占全球海洋面积的22%，却贡献了世界95%的渔业产量，对全球粮食安全和经济稳定具有支柱性作用。这些区域对热带气旋、风暴潮、海平面上升、海陆热浪、极端降水、洪涝干旱等复合型极端事件高度敏感，且受海陆风系统调制的交互影响尤为显著。在全球变暖背景下解析这些极端事件的演变机制，已成为兼顾科学价值与社会效益的优先研究方向，特别是在沿海人口与生态系统暴露度持续增加的当下。

2.3 人工智能与高分辨率地球系统模型的融合

尽管高分辨率模型在模拟极端气候事件方面优势显著，但其面临计算成本高、耗时长等核心挑战，长期连续模拟尤为困难。最新研究表明，机器学习技术可有效学习并替代传统参数化方法。以强降水为例，基于随机森林算法训练高分辨率模拟数据（如12公里）构建的对流参数化方案，在分辨率降低4-16倍的模型中仍能保持相当的精度，同时提升1-2个数量级的计算效率。这为改进高分辨率模型参数化提供了新思路。然而，更精确解析这些过程的公里级模拟仍受计算资源限制，参数化缺陷仍是关键瓶颈。同时，高分辨率模拟结果具有不确定性，需通过多模式集合来增强结果的稳健性。系统性模式间比较对提升预测可信度至关重要，在条件允许时可采用涌现约束法缩小不确定性范围，但集合运算会大幅增加计算负荷。

将人工智能（特别是可解释AI）与地球系统模型相融合，为应对这些挑战提供了新的解决方案：其一，可作为大气气相化学等高耗能模块的替代方案，显著降低计算负担；其二，通过偏差校正技术在不增加模型复杂度的前提下提升精度。这些技术既能优化模型效能，又能深化对极端气候与大气污染相互作用关键机制的理解。

3 结论

在全球变暖背景下，极端天气事件正变得更加频繁且影响深远。这类事件通过改变排放通量、沉降过程和化学反应，持续影响大气成分组成；而气溶胶、温室气体等大气组分又通过直接与间接效应反作用于气候系统。陆地和海洋作为关键介质，以不同方式与大气相互作用——陆地通过不断变化的覆被类型与土地利用方式，海洋则通过海气间的热量与水分交换，共同构成了多圈层耦合的复杂网络。

地球系统模式（尤其是具备更高空间分辨率和改进物理过程表征的新一代模式）的发展，对于解析这些相互作用机制具有决定性意义。高分辨率模式能够更精细刻画天气与气候现象的特征，但要充分发挥其潜力，仍需在模式架构、物理参数化方案及验证评估体系等方面持续突破。

当前高分辨率模拟研究正迎来"黄金时代"，亟需通过学科交叉合作推动方法创新与应用拓展。其产生的科学认知不仅服务于气候研究，更将延伸至公共卫生、粮食安全、灾害防控等关键领域，为实现联合国可持续发展目标提供重要科技支撑。

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本文内容来自FESE期刊2025年第19卷第7期发表的展望文章“Advancing high-resolution modeling to unravel the interplay between extreme weather events and air pollution under global warming”。通讯作者为清华大学的陈德亮院士和中国海洋大学的高阳教授。

引用格式：Yang Gao, Xiuwen Guo, Wenbin Kou, Xiaojie Guo, Shaoqing Zhang, Huiwang Gao, Deliang Chen. Advancing high-resolution modeling to unravel the interplay between extreme weather events and air pollution under global warming. Front. Environ. Sci. Eng., 2025, 19(7): 100 https://doi.org/10.1007/s11783-025-2020-9

Special Issue-Atmospheric and Earth System Modeling towards Coordinated Pollution Control and Climate Change Mitigation

陈德亮，国际著名气候学家，中国科学院外籍院士，国际科学理事会院士、瑞典皇家科学院院士、欧洲科学与艺术学院院士、哥德堡皇家艺术与科学院院士、发展中国家科学院院士以及挪威科学与文学院外籍院士。长期致力于气候变化及其对水资源和生态环境影响的研究，是气候降尺度模式的国际先驱，地球系统科学倡导者和实践者。曾任瑞典哥德堡大学奥古斯特·罗斯讲席教授，2009至2012年出任国际科学理事会首位华人执行长，主导全球科研协作。担IPCC第六次评估报告领衔主要作者，推动国际气候政策制定，并任多国科研机构顾问及国际奖项评委。2017年获中华人民共和国国际科技合作奖，2021年因对全球气候研究的卓越贡献被授予瑞典国王勋章，彰显其在国际科学合作与气候治理领域的深远影响力。

期刊简介

Frontiers of Environmental Science & Engineering是由高等教育出版社、中国工程院和清华大学共同主办的环境领域综合学术期刊，聚焦环境领域前沿问题与研究成果，重点关注开创性、跨学科的研究，致力于打造具有国际影响力的高水平学术交流平台，是中国工程院院刊系列期刊、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊。

主编：曲久辉院士，John Crittenden院士

期刊官网1（国内免费获取）

http://journal.hep.com.cn/fese

期刊官网2

www.springer.com/journal/11783

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