写这篇博客起因是最近我们有一篇文章在《科学进展》(Science Advances)发表，题目是Orographic evolution of northern Tibet shaped vegetation and plant diversity in eastern Asia ¹。希望借此来进行一些科普宣传，起到一点抛砖引玉的效果。

要说气候模拟可能首先要讲气候系统。一般我们认为气候系统可分为五个部分：大气圈、水圈、陆地表面、冰冻圈和生物圈等五个部分组成（图1）。这五个圈层相互作用，构成了复杂的气候系统。现在有的学者认为应该加入第六个圈层——人类圈(anthroposphere)²。因为人类活动导致的气候环境变化已经成为我们目前气候变化的主要驱动因素之一，尤其是温室气体排放导致的全球变暖已经成为了科学界的共识。

图1. 气候系统的组成²

气候模拟通俗的理解就是通过数学方程来来模拟气候变化，直观的感受就是很多的计算机代码组成，一般用Fortran编写的代码，一个全球气候模型Global climate models (GCMs)可能有18000页代码³。这些代码主要基于我们对地球气候系统过程中的物理、化学、生物、流体力学的理解来建立的数学方程，在一定的初始条件和边界条件下，通过在计算机上进行数值计算，再现气候变化过程⁴。目前大部分气候模拟大部分都是包含气候系统的五个部分的，但是也有一些气候模拟只包含部分气候系统。

古气候模拟和现代气候模拟原理相同，只是其所模拟的是地质历史时期的气候变化，并通过与地质历史时期的气候替代指标进行对比，以此来了解地球在不同地质历史时期的气候变化。与现代的气候模型相比较，古气候模拟需要考虑的边界条件会有很多不同，主要包括：地形地貌、轨道参数、大气中温室气体的浓度、大陆冰盖、大洋热盐环流、古植被等。

布里斯托大学全球气候动态研究中心基于英国气象局哈德利中心的HadCM3模型开发了一套古气候模型。我们的文章用的是去掉海洋耦合的大气模型：HadAM3B-M2.1aD。这种模型的海平面温度是预先设置好的。用这个模型一个优势是运行时间短，其次是因为前期的相关研究利用大气-海洋耦合模型对青藏高原隆升导致的海平面温度的变化的影响，结果表明青藏高原隆升对东亚、南亚海平面温度的影响很小⁵，所以我们可以考虑将这个因素排除在外。

古气候模拟中最常用的一种模拟叫敏感性实验——主要是通过设置某一个边界条件的变化来讨论其对气候的影响。比如我们通过设置青藏高原的不同地形地貌，可以讨论青藏高原生长过程对气候的影响。如下图（图2）所示，这是基于晚渐新世我们设置的一个青藏高原从南向东北方向不同地块隆升的一个情况。在其他边界条件都保持不变的情况下，我们就可以讨论这样不同地形地貌的变化对气候的影响。当然我们还可以设置更多的地形地貌的变化情况。另外敏感性实验还经常会设置不同的大气二氧化碳来探讨气候的变化情况，通过和一些古气候代理指标对比，可讨论地质历史时期CO₂浓度大致应该在什么样的水平⁶。

图2. 晚渐新世青藏高原不同地形设置

我们的文章主要讨论了青藏高原生长对植被和生物多样性的影响。那么植被和生物多样性的影响是如何得知呢？这就要提到两个模型，一个叫和Sheffield动态植被模型（Sheffield Dynamic Global Vegetation Model, SDGVM⁷），另外一个是Jedi-SDGVM植物多样性模型⁸。SDGVM的输入参数包括：月均温、降雨量、相对湿度、云量、土壤质地等。该模型将植被当成一个整体, 模拟光合作用、呼吸作用和土壤微生物的分解过程, 可以完整描述碳、氮等元素在生态系统中的循环流动。模型侧重于生物地球化学循环过程，考虑的时间尺度大多在年以上⁹。

JeDi- DGVM原理是采用基于植被功能权衡（Plant Functional Trade-offs，PFTo）的JeDi- DGVM模型进行植物多样性模拟，该模型能够模拟大量随机性产生植被生长的单元（栅格元），每种植被生长单元包含一个或多个PFTo，这些PFTo最终决定某种植被生长单元能否在给定栅格元中生存。JeDi-DGVM的输入参数主要从气候模拟结果获取，包括：单位植物可利用水量、温度、地表净长波辐射、地表下行短波辐射，每日总降雨量等。

这两个模型所需的输入参数都可从前面我们提到的气候模拟的输出结果中获取，因而我们可以通过模拟的植被和植物的多样性来探讨青藏高原的生长是如何影响了植被和植物多样性的，并且还可以进一步看看是哪些气候参数对植被和植物多样性的影响最为重要。这也是我们文章的主要分析结果。

最后提一下我们的文章的结论，可以通过一个图（图3）来概括（底图是基于晚渐新世来建立的）。当青藏高原南部的冈底斯山和拉萨地块隆起，还不足以阻挡西北方向来的冬季风，冬季风带来的是寒冷干燥的空气，所以这时候冬季降雨量比较低，中国的东南部以落叶阔叶林为主。当青藏高原北部（羌塘地块）和东北部（松潘-甘孜地块）抬升后，能明显阻挡冬季风，也就是冬季风减弱了，从东南沿海可以输入一些暖湿气流，冬季气候变得比较湿润，所以常绿阔叶林取代了落叶阔叶林，生物多样性也大大增加。文章的详细介绍可参考文章正文相关报道。文章正文链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/5/eabc7741.full。相关报道：https://www.xtbg.ac.cn/xwzx/kydt/202101/t20210128_5878533.html

图3. 青藏高原隆升、植被与生物多样性演变示意图¹

参考文献:

1.             Li, S. F.*, Valdes, P. J., Farnsworth, A., Barnard, T. D., Su,T., Lunt D. J., Spicer, R. A., Liu, J., Deng, W. Y. D., Huang, J., Tang H., Ridgwell A., Chen, L. L., Zhou, Z. K.*, 2021. Orographic evolution of northern Tibet shaped vegetation and plant diversity in eastern Asia, Science Advances, 7, eabc7741.

2.             Stocker, T. (2011). Introduction to climate modelling: Springer Science & Business Media, 1-174

3.             Carbon Brief’s series on climate modelling, https://www.carbonbrief.org/qa-how-do-climate-models-work

4.             张文静, 孟瑶, 来源:《科学新闻》.

5.             Lunt, D. J., Flecker, R., Clift, P. D. (2010). The impacts of Tibetan uplift on palaeoclimate proxies. Geological Society, London, Special Publications, 342(1), 279-291.

6.             Li, S. F., Xing, Y. W., Valdes, P. J., Huang, Y. J., Su, T., Farnsworth, A., Lunt, D. J., Tang H., Kennedy, A. T., Zhou, Z. K. (2018). Oligocene climate signals and forcings in Eurasia revealed by plant macrofossil and modelling results. Gondwana Research, 61, 115-127.

7.             Woodward, F., & Lomas, M. (2004). Vegetation dynamics–simulating responses to climatic change. Biological reviews, 79(3), 643-670.

8.             Pavlick, R., Drewry, D. T., Bohn, K., Reu, B., Kleidon, A. (2013). The Jena Diversity-Dynamic Global Vegetation Model (JeDi-DGVM): a diverse approach to representing terrestrial biogeography and biogeochemistry based on plant functional trade-offs. Biogeosciences, 10, 4137-4177.

9.             俞淼, 陈海山, 孙照渤. (2011). 动态植被模型模拟的植被季节变化及其评估. 气候与环境研究, 16(1), 47-59.