基于動力學(xué)微分方程的氣候變化預(yù)測模型構(gòu)建

摘要：由于人類的快速發(fā)展，人類的活動改變了大氣中CO2的濃度，由于CO2是溫室氣體的主要組成部分，和地球的放熱、散熱的循環(huán)系統(tǒng)相互作用，改變了地球的能力平衡，使得地球的海洋表面溫度、陸地表面溫度發(fā)生改變，而溫度的改變又進(jìn)一步影響CO2的濃度，使得地球溫度處在動態(tài)變化之中。本文通過建立海洋表面溫度、陸地表面溫和CO2的濃度的動力學(xué)微分方程組。

關(guān)鍵詞：CO2濃度;溫室氣體;動力學(xué)微分方程

一、研究的目的與意義

1975年，布勒克教授在一篇論文中預(yù)測“大氣中二氧化碳的含量上升，會導(dǎo)致明顯的全球變暖”，并在全球范圍內(nèi)首次提出了“全球變暖”這一概念。全球變暖會引起冰雪融化、凍土消融、海平面上升、極端天氣頻發(fā)等，這不僅會破壞全球的自然生態(tài)系統(tǒng)，而且威脅人類的生存。所以“全球變暖”的概念一經(jīng)面世就立刻引起各國政府的普遍關(guān)注。

基于以上背景，本文主要研究了加拿大各地的溫度時空變化趨勢、海洋溫度變化規(guī)律，建立模型預(yù)測未來25年全球的氣候變化，討論全球變暖與極寒天氣的關(guān)系，最后提出描述這種復(fù)雜全球氣候的新概念，有助于非專業(yè)人士理解氣候變化態(tài)勢，具有重要的現(xiàn)實意義。

二、建立氣候變化的動力學(xué)微分方程

2.1二氧化碳濃度方程

三、模型的結(jié)果和分析

3.1二氧化碳濃度和人口數(shù)量的預(yù)測結(jié)果

依據(jù)1990—2020年的CO2濃度和人口數(shù)量，對方程（1）進(jìn)行了預(yù)測，初始條件為：t0=1990，tF=2018，P0=52.8134億，C0=354.16ppm，CO2濃度的增長率α1=0.028，α2=3.7*10-5，M=120，人口增長率α3=0.0235，α4=3.7*10-6，其模擬結(jié)果如圖1、圖2所示，同時對未來25年的CO2濃度和人口進(jìn)行預(yù)測，數(shù)據(jù)如表4。

3.2地球表面平均氣溫的預(yù)測結(jié)果

用1990～2020年的海洋表面平均溫度和地球表面平均溫度的數(shù)據(jù)，對未來25年的地球表面平均溫度進(jìn)行了預(yù)測，初始條件為：t0=1990，tF=2018，T1（0）=11.925，T（0）=14.39，β=0.021，γ=0.087。然后對未來10年全球表面平均溫度進(jìn)行預(yù)測，如下表5所示。

3.3結(jié)果分析

結(jié)合圖1和圖2人類若不采取任何措施，在2044年地球CO2濃度將達(dá)到439.15ppm，地球表面平均溫度將相比于現(xiàn)在上升0.41℃。

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作者簡介

劉泓良（1993-），男，漢族，天津工業(yè)大學(xué)MEM碩士在讀。