中等复杂程度全球热带海洋模式模拟的热带印度洋海表温度变率

利用一个中等复杂程度全球热带海洋模式模拟研究了表面强迫异常引起的热带印度洋海表温度(SST)变率．利用1958—1998年表面分析资料作为强迫场，积分海洋模式41年作为控制试验，并利用模式分别做动量(风应力)通量和热量通量无异常变化的平行试验，与控制试验作比较．通过3组试验模拟的上层海洋变率状况的比较，分析了动量和热量通量异常对热带印度洋SST变率的影响，并比较了其影响的相对重要性．结果表明，模拟的热带印度洋SST变率的主要模态表现为与热带太平洋ENSO相联系的海盆尺度的一致性增暖或变冷特征，次级模态为热带印度洋SST偶极子模态．通过3组试验结果的比较表明，动量通量和热量通量异常强迫对热带印度洋SST变率第一模态均有贡献，但热量通量异常强迫的影响比动量通量异常强迫的作用大．热带印度洋偶极子模态主要受动量(风应力)异常强迫影响，热量通量异常强迫主要起阻尼作用．     

海洋变分同化背景场误差协方差矩阵构造技术

为改进背景场误差协方差矩阵构造技术,提高海洋资料变分同化效果,首先将背景场误差协方差矩阵分解为背景误差标准偏差矩阵、非平衡变量空间相关算子以及多变量间平衡算子3部分,然后利用广义扩散方程模拟空间相关算子,联合引入温盐约束关系、线性状态方程、海表高度诊断方程、静力平衡、地转平衡关系模拟多变量平衡,最后给出了一种适用于海洋资料变分同化的背景场误差协方差矩阵构造方案。单点海表温度观测模拟同化试验表明,该方案可实现观测信息在三维空间、多变量间的传播,充分体现了背景场误差协方差矩阵在同化中的作用。     

模拟区域气候变化的模式系统的建立及其效能检验

建立了一个富有特色的模拟区域气候变化的模式系统．该模式系统对模式中陡峭地形的处理方法进行了改进，并且在云量参数化方案中考虑了大气的动力学结构．其中大气模式与海洋模式和土壤模式简单耦合，和ＧＣＭ单向嵌套以反映大气环流背景对区域气候的影响．通过对模拟结果的比较和检验，发现区域模式对侧边界条件的依赖性很强，客观真实的侧边界条件是模式能够正确模拟区域气候要素的最重要的条件之一．模式分辨率的提高，中尺度强迫如地形高度和下垫面类型的细致刻划，都有利于气候要素场特别是边界层和地表气候状况模拟效果的改善．     

海温季节和年际变化对东亚区域气候变率模拟的影响

利用P-σ区域气候模式通过数值试验分析和探讨了海温季节变化和年际变化对东亚地区气候变率模拟的影响．数值分析试验结果发现，实际海温强迫下模拟的500hPa高度场年际变率较有或没有海温季节变化强迫模拟的结果在冬夏两季基本上是增强的，海温的年际变化对模拟500hPa高度场年际变率是尤为重要的．海温的季节变化强迫使得模拟的500hPa高度场在冬季增强，夏季减弱，且在高纬度地区变化幅度较大．海温的年际和季节变化使得东亚地区的500hPa温度在冬季升高，而夏季在低纬度地区的温度降低，其中在华南沿海、南海北部和盂加拉湾地区降低最甚，高纬地区变化不明显．此外，海温的季节和年际变化强迫对华南地区降水率差值的影响远比对长江中下游地区明显．     

非线性优化方法在数值模式敏感性分析中的应用

提出用非线性优化方法对数值模式进行敏感性分析.理论分析和数值试验表明:该方法能够对数值模式是否具有模拟能力给出一个量化的判断,并找到模拟效果最好时的初始场,即最优初始场.在模拟效果好、但模式误差和初始误差可能很大的情况下,该方法能在一定条件下识别出对预报结果起主要作用的误差类型.     

多普勒雷达资料在数值模式中的应用

本文利用ARPS模式的3DVAR系统和综合云分析系统,成功地将多普勒雷达径向风资料和雷达回波资料加入模式中,分析雷达资料在数值模式短时预报中的作用。通过模拟"718"济南特大暴雨过程,得到如下结论:(1)雷达径向风资料对初始风场调整显著,使其出现明显中尺度特征,积分1h后,对水汽场也有一定的调节作用,但不够显著;(2)雷达反射率资料对初始水汽场调整明显,对定量降水预报和降水落区有很大改进,积分1h后,风场的中尺度特征显著。(3)同化雷达资料的两个试验虽然都与实况略有偏差,但都比非同化雷达资料的试验好。     

大气模式中季节内振荡特征对不同海温强迫场的响应

利用美国国家大气研究中心（NCAR）的全球大气模式（CCM3），分别以月平均和周平均海表温度（SST）为强迫场进行2个积分试验（称为CCMM和CCMW试验）。积分结果与观测资料的对比分析发现，CCM3模拟大气季节内振荡（MJO）信号的强度均较观测资料偏弱，而其中以CCMW模拟的强度略大而较接近真实。表明SST强迫场包含更真实的季节内变化信息对提高模拟MJO强度有作用，CCMM与CCMW模拟MJO活动的时间位相均与观测差别较大，直接原因在于CCM3中降水季节内振荡与SST变化的相关关系不正确，而更根本的问题在于大气模式无法反映资料分析发现的内时间尺度的SST与大气的相互作用。     

中全新世和末次盛冰期东亚古气候的模拟

采用耦合了陆面过程的9层15波菱形截断全球大气环流谱模式(AGCM+SSiB),引入全球最新的6和21ka时陆面植被分布,并转换成模式格点值,开展了系统的6和21ka古气候模拟试验.结果表明,该模拟设计得出了较真实的气候特征,并揭示出太阳辐射和下垫面植被是中全新世气候格局的主控因子,而海温和北半球两大冰流则是末次盛冰期气候的主控因子.植被场改变对模拟结果影响的显著性检验表明,6ka时植被的改变对降水、温度和海平面气压场的模拟均有显著影响,而21ka时植被影响的显著性区域较小,且比较零散,说明寒冷气候时期对植被强迫改变的敏感性没有温暖气候时期大.     

集合平方根滤波同化AMSU-A辐射率的观测系统模拟试验

借助观测系统模拟试验,针对晴天和有降水两种天气状况,探究用集合平方根滤波同化卫星辐射率资料来改进中尺度天气预报模式初始场的可行性.试验结果表明:在晴天条件下,同化后的分析场较同化前背景场更加接近于真实场,尤其是对所选AMSU-A第5通道辐射率观测值贡献较大的那些层,如500,700,800 hPa3层位温的分析场相对背景场均方根误差分别减小了26%,15%和42%,同化效果显著.在有降水天气状况下,试验结果在特定的高度层上也表现出一定的正贡献,但总体而言对各气象要素场的改善均不及晴天时明显,说明该种天气类型下的卫星资料同化还有待进一步的研究.     

我国西北地区沙漠改良可能引起的辐射强迫及其气候效应

以辐射对流模式和区域气候模式为工具，采用虚拟试验的办法，对我国西北地区3种沙漠改良方案（退沙还草，退沙还田，退沙还林）可能产生的辐射强迫及其区域气候效应进行了数值模拟。结果表明：3种方案均能促使西北地区的干旱状况有所缓解，其中退沙还林方案的缓解效应最为明显，可以使得西北地区平均地面气压上升0．25hPa，地面气温降低0．52℃，降水强度增加0．60mm/d。3种方案引起的辐射强迫皆为正值，分别为2．28、2．84、6．79W/m^2，变化趋势与地面温度变化并不一致，表明对于下垫面改变造成的气候强迫而言，辐射强迫并非反映气候变化的较好指标。     

二阶有限元浅水模式的伴随变分资料同化

应用二阶有限元浅水方程的伴随模式作资料同化场的数值试验,并利用极小化方法对具有随机扰动的初始场进行优化处理．通过该极小化算法,使所定义的目标函数达到最小,从而得到最优的气象要素初始场．数值试验结果表明：二阶有限元模式的变分资料同化对具有随机扰动的初始场的处理是很有效的．     

2008年残奥会一次预报失败天气个例的数值模拟不确定性研究

2008年9月14日一个飑线袭击北京, 城区发生了短时雷雨和大风天气, 而当时的天气预报失败。利用WRF (weather research and forecasting)模式和ARPS (advanced regional prediction system)模式的资料分析系统ADAS (ARPS data analysis system), 研究了模式水平分辨率, 不同观测资料(风云2C卫星资料、MICAPS数据、GTS (global telecommunication system)数据)同化所产生的初始场对这次飑线过程模拟的敏感性。结果表明, 15 km模式分辨率不能模拟出北京的降雨过程, 而5 km水平分辨率模式均能模拟出北京的降雨过程, 只是降雨落区和强度有所不同。不用资料同化的对照试验不能模拟出城区主要降水区。使用资料同化系统ADAS后, 降水落区均有改善。MICAPS资料中河套地区一个探空站的加入, 使得初值中河套地区的东北风比控制试验强, 模拟的飑线比控制试验偏南, 和实况更加接近。     

扩展卡尔曼滤波在Lorenz(1963)系统中的应用

为了考查EKF（extended Kalman filter）数据同化方法应用于非线性动力学系统的基本特点和性质,简单回顾了扩展卡尔曼滤波数据同化方法的基本原理,并在不考虑模式误差的情况下,将其应用于Lorenz（1963）方程,进行了数据同化模拟试验。试验证明：同化效果的好坏与观测精度和观测频率密切相关,存在由于线性化和闭合假设带来的不稳定现象;扩展卡尔曼滤波本身具有强迫纠错作用。     

国内期刊亮点

正基于FGOALS模式研究影响气候系统模式温室气体敏感度的反馈过程中国科学院大气物理研究所陈晓龙等利用瞬间4倍CO2强迫试验,研究了气候系统模式FGOALS-s2和FGOALS-g2的气候响应。将全球平均地表气温(SAT)的变化作为衡量气候模式响应的主要标准。根据SAT的响应随时间的变化趋势,将150年的试验结果分为2个时段:前20年为快响应阶段,后130年为慢响应阶段。采用Gregory方法分别估计4倍CO2引起的辐射强迫和平衡态气候敏感度。结果表明,FGOALS-s2中水汽的响应偏强使估算的CO2辐射强迫比FGOALS-g2强7.1%。平衡态气候敏感度定义为2倍CO2强迫下达到新的平衡态时全球平均SAT的变化,其在FGOALS-s2和FGOALS-g2中分     

卫星实测臭氧总量资料在区域气候模拟中的应用研究

 将卫星观测的TOMS臭氧总量资料应用于区域气候模拟中,在不同纬度的地区采用随季节变化的臭氧总量.以中国地区为例,对比模拟了考虑臭氧随季节、纬度变化和模式原有的固定臭氧值对气候的不同影响.结果发现:对区域气候模式RegCM2而言,用于研究中国地区时,模式中的臭氧总量比实际状况偏大,利用实测臭氧资料后能产生负的晴空辐射强迫,并引起云量变化,导致地表温度变化.     

波致混合对CCSM3气候模式预测能力的改进

在海气耦合模式CCSM3基础上引入波致混合作用后建立了改进的海气耦合模式,设计了SST同化方案,并进行了2005,2006和2007年ENSO的集合后报和2008年气候预测数值试验.结果表明,改进的海气耦合模式的同化效果优于原来的海气耦合模式CCSM3的同化效果.集合后报与观测资料对比表明:改进的海气耦合模式能够较好地预测当年ENSO事件的发生情况,预报强度和成熟期特征与实际也较吻合,波致混合可以明显地提升气候模式的预测能力.在此基础上利用改进的海气耦合模式对2008年气候异常进行了集合预测,结果表明:始于2007年的La Nina事件将持续至2008年夏季,2008年El Nino事件出现概率很小;2008年夏季中国东南沿海、黄淮流域、东北东南部、新疆中南部以及青藏高原西部降水比往年偏多,局部可能出现洪涝,内蒙古西部、华南西南部以及青藏高原南部降水比往年偏少.我国沿海除两广地区和长江口附近地区外,均有不同程度的降水增加.     

自忆模式中回溯时间积分格式有效性的数值试验

采用Rossby-Haurwitz波函数作初始场,利用准地转正压模式和以其作动力核导出的自记忆模式,分别运用普通中央差格式和回溯时间积分格式进行数值预报试验.结果表明,回溯格式能减小预报误差约2个量级;且其误差不随时间步长的增大而增加.因此,回溯时间积分格式可以提高预报精度,延长预报时效,并减少预报量.     

陆面过程模式BATS中地气通量计算方案的一个改进试验

在原有的陆面过程模式BATS中,对地表通量的计算基于简单的经验公式,这个计算是十分粗略的．而地气通量对各个气象要素的模拟都很重要,如动量通量会影响大气中的风速分布,热量通量会影响垂直方向上的温度分布而改变大气的层结稳定度,水汽通量则会改变空气中的水分含量和潜热,因而改进地气通量的计算精度是有必要的．为了提高地-气间通量计算的精度,在模式中增加稳定度的分类,将近地层稳定度分为5类,用中尺度气候模式RIEMS,分别对短期和中期模拟作了对比实验．经过比较和分析模拟结果,可以看出在增加稳定度的分类以后,模拟的各个气象要素场都较原来的有了改善．     

基于高度再指定的FY-2C双通道云导风同化及预报试验

为了探求FY-2C双通道云导风在实际预报中的可用性,先对双通道云导风进行合并,并利用T511模式12 h预报场对云导风进行高度再指定,使得云导风资料的空间密度和质量明显提高。进而利用WRF模式及其变分同化系统WRFDA对高度再指定前、后的云导风在同化及预报中的影响进行了研究,结果表明：同化原始云导风使初估风场的统计误差增大,而同化高度再指定后的云导风对初估风场有明显的改善作用;同化原始云导风会导致压、温、湿的初估场误差增加,但同化高度再定位后的云导风效果明显好于同化原始云导风;同化高度再定位后的云导风对48 h内的风场预报有改善作用,随着预报时效的延伸,风场的改善带动了其他要素场从负影响到正影响的转变。     

P-σ坐标系区域气候模式对冬夏季月平均场的模拟试验

在钱永甫等（１９８５）研制的Ｐσ混合坐标系原始方程模式的基础上,发展了一个有限区域的嵌套细网格数值模式,并首先用于区域气候的模拟试验．利用ＧＦＤＬ１０年的月平均资料做嵌套,分别对１月和７月的气候平均场做了模拟,模拟的雨带及气压系统的位置和强度与实际场基本一致,模式较准确地再现了冬,夏季的区域气候特征,初步表明本模式可用于短期区域气候的数值模拟和预测