摘要：海洋 /大气资料同化的理论基础是用数值模式作为动力学强迫对观测信息进行提炼 ,或者说 ,从包含观测误差 (噪声 )的空间分布不均匀的实测资料中依据动力系统自身的演化规律 (动力学方程或模式 )来确定海洋 /大气系统状态的最优估计。本文对主要的现代海洋 /大气资料同化方法 ,包括最优插值 (Optim al Interpolation,简称OI)、变分方法 (3- Dim ensional Variational和 4 - Dimensional Variational,分别简称 3DVAR和 4 DVAR)和滤波方法(Filtering)的原理、算法设计和实际应用进行系统地回顾 ,并对这些资料同化方法的优缺点进行分析和讨论。在滤波框架下 ,所有的现代资料同化方法都被统一了 :OI和 3DVAR是不随时间变化的滤波器 ;4 DVAR和卡曼滤波是线性滤波器 ,即非线性滤波的退化情形 ;而集合滤波能构建非线性的滤波器 ,因为集合在某种程度上体现了系统的非高斯信息。一个非线性滤波器的主要优点是能计算和应用随时间变化的各阶误差统计距 ,如误差协方差矩阵。将非线性滤波器计算的随时间变化的误差协方差矩阵引入到 OI或 4 DVAR中 ,也许能实质性地改进这些传统方法。在实际应用中 ,方法的优劣可能取决于所选用的数值模式和可获得的计算资源 ,因此需针对不同的问题选取不同的资料同化方法。

摘要：我们描述地球气候"辐射强迫"(RF,见,例如,IPCC 1990)的概念化、公式化、量化、应用和使用的历史演变。短波和长波辐射的基本理论在19到20世纪发展起来,建立了确定和量化的自然和人为影响地球辐射能量平衡的扰动的分析框架。19世纪首次洞见到二氧化碳的变化会辐射强迫地球气候,并得到从1957年开始的大气气体浓度持续观测的经验支持。20世纪实验室和外场观测、仪器、计算技术、充分混合的温室气体和气候系统的数据和分析等的进步,使得RF的开发和形成体系成为可能,这使得RF在复杂程度增加的统计模式的帮助下,与全球平均海平面温度的变化联系到一起。这也反过来,在1990年前确立和牢固了RF是气候科学中的核心概念。与地表温度建立联系,被证明是RF概念最重要的应用,建立了评估不同机制的相对气候影响的简单指标。1970年代后期和1980年代,量化评估被加速开发,包括首次对二氧化碳加倍强迫的气候影响评估("查尼"报告),这一概念随后超越了充分混合的温室气体(WMGHG:二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和卤化碳),拓展到宽泛的臭氧等短生命期要素的不同机制中。WMO和IPCC的国际评估开启了重要的系列周期性评估,量化自然(太阳辐射变化和火山喷发带来的平流层气溶胶)和不断增加的人为机制(WMGHG、臭氧、气溶胶、陆面改变、航迹云)强迫。从1990年代到现在,对作用于气候系统的辐射机制的知识和科学信度得到大幅提升。RF的概念基础也随着对辐射强迫气候变化方式的认识和强迫机制多样性的增加而演变,形成了当前以"有效辐射强迫"(ERF)作为实际辐射强迫的优先定义的情况,目的是更好地捕捉强迫与全球平均地表温度之间的联系。然而,ERF的使用,伴随其本身存在的问题,包括用气候模式对其诊断的挑战,应用于弱强迫和快速气候调节(快响应)与气候反馈之间的模糊不清;这必须在未来应用中进一步细化。全球气候模式模拟不同机制辐射扰动已经证实了强迫如何影响温度以外气候变量,例如降水。模式模拟的强迫-反馈联系,包括不同机制强迫空间分布的多样性,提供了在扰动能量平衡和引起气候变化方面机制有效性的实际展示。过去半个世纪的重要进步,在非常高的信度上确立了自工业化前时代以来的人类活动导致的全球平均ERF为正值(2013年IPCC评估给出最佳估计为2.3 W·m^-2,变化范围从1.1~3.3 W·m^-2;90%信度区间)。更进一步,排除了气候上有重要影响的火山喷发的直接后果后,净人类活动强迫超过自然辐射强迫机制而占主导。然而,人为净ERF存在的大量不确定性使得源自观测的气候敏感性估计和预测未来气候影响存在大的不确定性。ERF的不确定性,主要是由快速气候调节的表达、给出公认的工业化前大气状态的特征所面对的困难和气溶胶与云相互作用不完整认识等共同造成的。这种不确定性不利于气候适应量化未来减缓途径的评估。地球系统科学的一个巨大挑战,隐藏在持续维持辐射强迫概念最初设计时相对简单的构成的同时,改进强迫量化的过程中。这也反过来,需要准确、不断复杂化和全面的气候系统相关过程的解释。