北京师范大学

全球环境变化科学学科

一、学科背景

地球是一个不断变化的星球，当某一物种(人类)具有了从全球尺度上改变其环境能力时，地球开始进入了一个独特的发展阶段。人类为谋求更好的发展在不同程度上改变和破坏着人类原有的居住环境。我们的世界目前正面临着严重的环境问题：洁净淡水短缺，陆地和水生生态系统退化，土壤侵蚀加剧，生物多样性破坏，大气化学性质变化，渔业产量下降，全球气候也有发生较大变化的可能。这些地球环境的变化，己经超出了地球本身自然变动的变化范围，它们与战争、贫困、疾病和营养不良等灾难一样，对人类的生存构成了威胁。

自二十世纪八十年代开始，国际科学界先后发起并组织实施了以全球环境变化为研究对象，由四大研究计划组成的全球环境变化研究计划，即：世界气候研究计划（WCRP，World Climate Research Programme）、国际地圈生物圈计划（IGBP，International Geosphere-Biosphere Programme）、全球环境变化人文因素计划(IHDP，International Human Dimension of Global Environmental Change Programme)、生物多样性计划（DIVERSITAS），并最终导致了一门新兴学科－－全球环境变化科学（Global Environmental Change Science）的产生。全球环境变化科学以“地球系统”为研究对象，将大气圈、水圈（含冰冻圈）、岩石圈和生物圈视为一个整体，探讨由一系列相互作用过程（包括系统各组成成分之间的相互作用，物理、化学和生物三大基本过程的相互作用以及人与地球的相互作用）联系起来的复杂非线形多重耦合系统。这种地球系统的整体观、对物理、化学、生物三大基本过程相互作用的研究，以及对人类活动影响地球环境的特别关注，使全球环境变化科学作为一门全新的集成科学出现在当代国际科学的前沿。

北京师范大学是国内唯一的集合不同领域的科学家开展多学科交叉的全球环境变化研究和教学的一所大学。它的建立是在具有优秀传统和历史的地球科学背景上的基础上。北京师范大学地理学与遥感科学学院、资源学院、环境学院、水科学研究院、地球表层过程与资源生态国家重点实验室、遥感科学国家重点实验室将共同协作建设这一新兴领域的研究与教育基地，同时我们将通过学科创新引智计划，通过与国外高水平科学家的合作，实现“建立一个新的学科－－“全球环境变化科学”、形成一个具有国际水平的研究与教学群体”这一目标，培养多学科交叉的具有创新能力的研究与应用人才。

二、科学研究

北京师范大学全球环境变化科学学科的使命是结合当今地球科学发展突出学科交叉和注意综合研究的特点，结合我国国民经济和社会的发展对地球科学提出的要求，增强全球及区域性气候与环境变化的预测能力，有效地以国民经济服务为目标。目前我们将重点建设三方面内容：

1、陆面过程模型及气候模拟系统

气候状态以及演变，乃是大气、海洋、陆面、冰雪、生物地球化学过程、生态过程在内的气候系统的复杂表现及其演变。建立基于数学、物理、化学规律基础上的圈层过程模式及其耦合模型是我们认识气候形成和演变规律、预测未来变化和解释过去曾经发生过的事件的重要手段。为了了解并可靠地预测全球及区域气候变化及其区域响应，需要不同圈层的过程模型以及圈层过程相互相耦合的系统模型。

Common Land Model (CoLM) 是该学科成员戴永久具体完成的新一代陆面过程模型，该模型已实现了与国际主流全球气候模型和区域气候模型的耦合。我们将在CoLM的基础上进一步完善模型其陆地水文过程、植被生理生态过程、植被动力学、土壤侵蚀过程和沙尘过程的数学表达，陆面模型参数数据库建设等方面。

我们将在已有全球大气环流模式（Community Climate System Model－CCSM，Max-Planck-Institute fur Meteorological Atmospheric General Circulation Model－ECHAM 5，LASG GCM ）、区域气候模式（Climate version of Weather Research and Forecast System－CWRF，Regional Spectral Model－RSM，Regional Atmospheric Modelling System－RAMS，Regional Climate Model－RegCM3，LASG 区域天气－气候模型，全球与区域同化预报系统 －GRAPES）、陆面过程模式（Common Land Model）、植被动力学模式、流域水文模式、土壤侵蚀模式和沙尘模式等多种数值模式的基础上，研究发展多圈层过程相耦合的多模式集合的气候模拟系统：多全球气候模式模拟系统和多区域气候模式模拟系统。

利用陆面过程模型和气候模拟系统开展以下问题研究：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2、陆面数据同化系统

卫星遥感观测已经或将要提供空前的海量的高时空分辨率的大气、海洋、陆地资料。为了提高气候模型预报、天气－气候资料的准确性，我们必须加速卫星观测在模型中应用。陆地表面水分和能量的积累对陆地－大气相互作用有着重要的调控作用，其初始值的准确程度直接影响在气候系统模型预报的准确性。卫星遥感及地面观测提供了海量的天气－气候预报所必须的地面状态信息（土壤温度、土壤湿度、雪厚度/覆盖度、植被覆盖度和叶面积指数等），这些信息通过数据同化技术，用地表状态变量观测值来约束模拟的相应的状态变量，从而提高气候系统模型预报能力。数据同化技术还能充分使用有限的地表观测资料，它可使资料扩展到没有记录的时间和地点。我们将利用遥感和地面观测资料，来发展一个高分变率、接近实时的中国地面数据同化系统。这个系统的发展将大大提高我们对天气、气候预报的准确性，并为以后的研究和应用提供了一套高质量的区域陆地表面同化资料。通过分析不同时间和空间尺度上模型预报和观测值中持续存在的偏差，增强对陆地表面－大气系统时空结构和相互作用的认识，评估地表状态的模型模拟和观测之间的关系，理解陆地表面在调节气候变量季节、年变化中的起的作用。

我们计划开发一个5km 至 10km空间分辨率的，实时的中国陆面数据同化系统：

§         陆面模型：使用Common Land Model作为中国陆面数据同化系统驱动程序；

§         地面观测：使用中国气象局的业务气象预报、美国国家环境预报中心（NCEP）和欧洲中长期天气预报中心（ECMWF）预报结果作为陆面数据同化系统强迫场；同时，为了避免已知存在的偏差，我们将使用任何可以得到的观测资料替代它们。

§         陆面数据同化：数据同化技术将各种不同范围的数据场和模型预测得到数据融合在一起为自然环境的当前状态，提供最好的估计值，得到更加精确的预测结果，为此我们将开发卡曼滤波系统。

§         陆面数据同化系统检验和验证：由于陆面模型中许多要同化的状态变量来源于观测数据集，初始化的构造方案将确保它们能得到精确的更新。开展与地面观测或遥感测的得到独立数据集进行比较。通过验证处理，评估陆地初始化过程的质量，并且如果需要，建立对于模型的结构、强迫场和参数所进行的适当的调整来增加模型初始化的可靠性。

3、陆面数据资料库和未来气候情景资料库

综合集成土地利用土地覆盖调查历史资料、土壤调查资料、常规气象水文观测、大中小型地面观测计划资料和卫星遥感资料等高时空分辨率的陆面－大气模型网格数据集，即：气候数据集（温度、降水、辐射、湿度、风速、沙尘等），地形地貌（地形高度、坡度坡向、地貌等），土地利用/土地覆盖变化（土地覆盖类型、植被覆盖度、植被叶面积指数等），土壤数据（土壤类型、土壤剖面土层机械组成、结构、有机质含量、N、P、K等营养成分等），水文数据（河川径流、土壤湿度等）。

应用区域气候模拟系统downscaling NCEP/NCAR、ERA40两大再分析资料和IPCC未来气候情景资料，生成空间分辨率达到5公里至30公里、时间分辨率为30分钟时间、跨度为1958－2150年的downscaling高时空分辨率的陆面数据同化资料库和未来气候情景资料库气候资料。

三、团队成员

北京师范大学全球环境变化学科是依托一级国家重点学科――地理学，建设的一个二级学科，以长江学者奖励教授、国家杰出青年基金获得者戴永久为学科带头人，包括5固定成员和15位兼职教授组成的优秀教师团队。其中，

固定成员

人员

职称

研究方向

戴永久

长江学者奖励教授

陆地表面过程、陆气相互作用、气候模拟

龚道溢

教授

气候诊断分析

魏雪

项目研究员

资料同化

叶爱中

讲师

水文过程对全球环境变化的响应

张晶

副教授

大气化学、生物地球化学循环

 

 

在今后五至十年内, 更多地引进优秀的年青人才, 加强中青年学科带头人的队伍建设，力争在本学科的各个研究和教学方向上涌现出一批在国内领先国际有影响力的优秀年轻人才。

四、技术支撑条件

1.  High Performance Computers

Hardware

1) SGI ALTIX 3700 BX2:

2) Altix350:

Software

– Libraries: MPT, Array Services, CPU sets, SCSL, FFIO, and Intel Math Kernel Library

– Debuggers: Etnus TotalView, Intel idb, GNU gdb (with Fortran extensions)

– Performance analysis: Intel VTune, Intel Trace Analyzer, Intel Trace Collector, SGI Histx

 

2.      模型

陆面过程模型：

1). Common Land Model version 3.0, CoLM;

2). Institute of Atmospheric Physics Land Surface Model version 1994, IAP94

全球气候模型：

1). NCAR Community Climate System Model, CCSMM3.0;

2). Max Planck Institute for Meteorology Atmospheric General Circulation Model, ECHAM5

区域气候与天气模型:

1). Climate version of Weather Research and Forecast Model (CWRF) – CoLM;

2). Regional Climate Model（RegCM3）– CoLM;

3). Regional Spectral Model – CoLM;

4). Regional Atmospheric Modeling System (RASM) – CoLM.

陆面数据同化系统：

China Land Assimilation System

3.  资料库

 

五、研究课题

1. PI: Global Change - Land-Atmosphere Interaction Studies.

Funded by China Ministry of Education and State Administration for Foreign Experts Affairs for Intellectual Introduction Project for the Discipline Innovation in China University System, 2006 - 2010.

国家外国专家局、教育部高等学校学科创新引智计划：全球变化科学(陆地表面与大气相互作用研究。

 

2. PI: Regional Climate-Ecology-Hydrology Modelling System

National Natural Science Foundation of China ( HYPERLINK "http://www.nsfc.gov.cn/" NSFC) prestigious young scientist award which is a singular recognition of extraordinary accomplishment for a young scientist who shows great promise for the future. Funded by NSFC, 2003 - 2006.

国家自然科学基金委杰出青年基金：区域气候、植被生态及流域水文学数值模型。

 

3. PI: Applications of Remotely Sensed Data in Hydrometeorological Models

Beijing Normal University Excellent Research Group Award. Funded by Beijing Normal University, 2004 - 2006. 

北京师范大学优秀群体项目：遥感数据在水文气象模拟中的应用。

 

4. Co-PI: 985 Science Innovative Platform - Earth Surface Processes and Disaster Management. Funded by Ministry of Education of China (Project of “985 Science Innovative Platform), 2004 - 2008.

教育部985科研创新平台建设：地球表层过程与综合减灾。

 

5. Co-PI: 985 Excellent Group Award - Quantitative Remote Sensing Methods and Applications. Funded by Ministry of Education of China, 2004 - 2008.

教育部“长江学者与创新团队发展计划”创新团队：定量遥感理论与应用。

 

6. PI: Land Modeling Uncertainty induced by the errors of model parameters, numerical schemes and parameterization. Funded by NSFC, 2008 - 2010

国家自然科学基金委面上项目：陆面过程模拟中参数的不确定性和误差传播研究。

 

7. PI: Land Processes Studies and Land Model Development. Funded by China Meteorological Administration (CMA), 2008 - 2009

公益性行业（气象）科研专项：陆地表面过程研究及其参数化方案研制。

 

8. Co-PI: High-Impact Weather Prediction Technology for Beijing-Tianjing-Hebei Metropolitan Region. Funded by National Key Technology R&D Program of China, 2008 - 2011

科技部国家科技支撑计划项目：京津冀城市群高影响天气预报中的关键技术研究。

 

9. PI: Coupling the Common Land Model in Global and Regional Multi-scale Advanced Prediction Model System (GRAPES). Funded by China Meteorological Administration (CMA), 2008 - 2012.

中国气象局数值预报创新基地：GRAPS系统中陆面子模型的改进与发展。

 

六、人才培养

全球变化科学的基本学科为数学、物理学、化学和生物学。要了解、描述控制整个地球系统关键的相互作用着的物理、化学和生物学过程，以及出现在地球系统中受人类活动影响的重大全球环境变化问题，必须将传统的相互分离的地质学、生态学、大气科学、生物学、能源技术、化学、农学、海洋学、物理学、化学和生物学研究联系在一起，将自然科学与社会科学融合在一起。北京师范大学全球环境变化学科将通过培养与引进相结合的方式，拥有一批在国际上有重要影响的教师队伍和研究群体。北京师范大学全球环境变化学科将不遗余力的培养出一批具有跨学科综合、整体综合、理论联系实际的能力的高质量的研究生, 特別是博士研究生。保持一个在校博士生约有20名，硕士生约20名的研究生队伍，为我国培养一批全球环境变化学的教学和研究性人才。本学科将从以下五个研究方向做起，招收和培养硕士和博士研究生：1）地－气相互作用；2）区域气候；3）气候变化；4）生物地球化学；5）定量遥感与资料同化。

1、 研究生课程

（见研究生培养计划）

2、全球环境变化科学专业研究生招生计划

 

全球环境变化科学专业硕士生招生计划

专业代码、名称及研究方向

考试科目

地理学与遥感科学学院

 

全球环境变化科学

地－气相互作用

区域气候模拟

气候分析与诊断

生物地球化学

定量遥感与资料同化

1)      政治

2)      英语

3)      数学（一）、普物综合（力热电） （任选一门）

4)      大气物理学、自然地理学、遥感概论（任选一门）

 

全球环境变化科学专业博士生招生计划

专业代码、名称及研究方向

考试科目

地理学与遥感科学学院

 

全球环境变化科学

地－气相互作用

区域气候模拟

气候分析与诊断

生物地球化学

定量遥感与资料同化

1)          英语

2)          大气物理学、自然地理学、遥感与地理信息系统 （任选一门）

3)          气候学、水文学、生态学原理（任选一门）

 

七、主要成员简历

1、戴永久 教授

长江学者特聘教授，"国家自然科学基金委 杰出青年基金" 获得者    

全国优秀气象科技工作者

 

1995 博士：大气物理学，中国科学院大气物理研究所

1987 学士：数学，吉林大学

2002－北京师范大学 地理学与遥感科学学院 教授，院长

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主要学术成果：

戴永久自90年代初至今一直从事陆地表面模式的构造及其与大气环流模式的耦合研究。涉及领域主要有：气候动力学、大气边界层气象学、物理水文学、土壤物理学、冰雪物理学、植物生理生态学、生物地球化学等。

1）中国科学院大气物理所陆面模式(IAP94) 的发展及其与GCM耦合模拟研究

在国际上最先应用多孔间介质流体动力学的方法建立了陆地物理表面模式。此模式对描述土壤－冰雪和植被众介质中的水分含量和温度的控制方程，对介质中的对流传导、传热－传质及水分的三相相变转变处理以及对陆面非均匀性的处理等非常独到，这一模式被命名为中国科学院大气物理所陆面模式(在国际称为IAP94)。此模式参与了国际陆面模式相互比较计划， 在众多次相互比较中，其性能表现优秀， 尤其是在冰雪物理过程和土壤水文学的参数化描述等方面非常突出。IAP94的冰雪－冻土物理过程的参数化方案已在国际上被广为应用。成功实现了IAP94与IAP大气环流模式的耦合及百年数值积分，大幅度改善了IAP大气环流模式对全球及区域气候摸拟，尤其对东亚季风过程及其降水的模拟改进明显。

2）通用陆面模式　（The Common Land Model, CoLM）

在美国三院院士（The National Academy of　Science and the National Academy of Engineering，中国科学院外籍院士） Dickinson 教授的授命和指导下，同时在美国多家从事陆面模式研究的顶级科学家共同参与下，由戴永久教授具体完成的、已被评价为当今世界上最为完善(state of the art)的陆面模式。这个模式已被命名为 The Common Land Model (CoLM)。与其合作者实现了 CoLM 与 Community Climate System Model (CCSM)和 Climate version of Weather Research and Forecast System (CWRF) Model的组装。CCSM 和 CWRF是在美国 NSF/NASA/NOAA/DOE/及美国海军和空军等多家机构资助下, 由全美大学大气研究合作组织 (UCAR) 和联邦政府研究机构的大部分相关领域的科学家苦心经营、历时数年所完成的, 主导国际气候系统研究、天气研究及预报的两个数值模式。

3）植物生理生化过程与叶子气孔传导模式

气候模式与植物生理生化生态系统模式的连接是通过植物光合-呼吸作用与叶子气孔阻抗模型来完成的。本人已建立了对阳光直接照射植被叶子和被遮阴叶子分别处理的植被冠层叶面温度、能量、水分、二氧化碳通量和氮循环的植物光合-呼吸作用与叶子气孔阻抗模型。

 

2、龚道溢 教授

全国优秀青年气象科技工作者

 

2000.1- 北京师范大学 资源学院

1998.1- 1999.12北京大学 博士后

1995.9-1997.12 北京大学 地球物理系 博士研究生

1992.9-1995.8 北京师范大学 资源与环境科学系 硕士研究生

1988.9-1992.8 湖南师范大学 地理系学习 本科

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科研项目

主持教育部“优秀青年教师资助计划”项目

主持国家自然科学基金项目“北极涛动对中国气候的影响及其机制” (2002-2004年)

主持霍英东高等院校青年教师基金项目（2001－2003年）

参加"973"项目"我国重大气候灾害的形成机理和预测理论研究 (1999-2003年)

Research Center for Catastrophe Exposure and Insurance, SwissRe, Project: Typhoon and Risk: A case study of Shenzhen, China. (2001-2002)

完成博士后基金“近百年北半球500hPa高度场的恢复”（1998-1999）

参加自然科学基金重点项目 “20世纪中国与全球气候变率研究”研究工作（1996-2000）

参加国家科技攻关项目96-908-01-01 “近百年我国气候变化与大气环流变化的联系”研究（1996-2000）

教 学 :

2002－至今 研究生课程“气候系统与气候变化”

2001、1999年上学期中国科学院研究生院“气候系统引论”

1998年下学期北大研究生专业课“全球气候系统”

1998年上学期北大研究生专业课“全球气候系统”

奖励情况：

1998 获全国优秀青年气象科技工作者称号

1997 获北京大学“光华奖”

1996、1997 两次获北北京大学五四科技论文竞赛三等奖

1995 获北京师范大学“周廷儒奖”      

 

 

八、联系方式

北京市海淀区新街口外大街19号，邮编：北京100875

北京师范大学 地理学与遥感科学学院

戴永久，

电话：＋86＋010＋5880-5436

Email: yongjiudai@bnu.edu.cn