土地利用/土地覆盖变化对区域气候影响的生物地球物理途径研究进展

本文从LUCC对气候影响的生物地球物理途径角度阐述其对气候系统的影响机制,并且结合多项研究结果归纳了诸如森林砍伐/造林活动、城市化、农业发展等人类LUCC活动在区域尺度的气候效应.气候模式是研究LUCC对区域气候及其变化最重要的试验工具之一,本文概括了气候模式经历了大气环流模式、区域气候模式、耦合的大气-陆面模式等一系列发展过程及其特点,提出利用遥感技术获取气候模式中的地面生物物理参数可以大幅提高模拟精度.最后,评论了目前LUCC气候效应研究中存在的问题,提出未来研究应着手降低区域气候模式模拟的不确定性,引入景观生态学理论与方法等可以更好地了解人类活动与气候变化的关系,进而制定适应气候变化的区域土地系统优化方案.     

东亚地区人为硫酸盐气溶胶辐射气候效应不同模拟方法的对比

 利用区域气候模式RegCM2与大气化学模式连接的模拟系统,研究了中国地区人为排放生成的硫酸盐气溶胶分布及其辐射气候效应,并与全球模式的结果进行了比较,同时对比了硫酸盐气溶胶辐射气候效应的在线、离线模拟方法所得结果差异的细致情况.通过以上工作表明:区域气候和大气化学耦合模式系统能在比大气环流模式更精细的尺度上获得硫酸盐分布规律和辐射气候效应;并且区域气候模式与大气化学模式的在线与离线连接方法得到的硫酸盐柱含量、有反馈和无反馈大气顶直接辐射强迫和地表温度响应在较小区域平均的尺度上存在较显著的差异,并且在全区域平均尺度上也不能被忽略;通过对气候响应的进一步分析发现:模拟结果显示了从硫酸盐含量到辐射强迫和地表温度响应逐渐加大的不确定性.     

基于耦合气候模式的始新世全球季风数值模拟

全球一半以上人口生活在季风区。为了研究温室气候时期全球季风气候的特征,利用耦合气候数值模式(Community Earth System Model),模拟了距今最近的温室气候时期——始新世(40 Ma B.P.)的全球季风气候特征。该模式全面考虑了大气、海洋、陆地、陆冰、海冰、植被等气候子系统的耦合作用,大气CO2含量设为工业革命前的4倍。模拟结果表明,在始新世时期,全球季风的范围、强度与现今大体相当,但是区域上,各季风区的特征与现今有明显差异。     

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．     

我国春季大气沙尘气溶胶分布和短波辐射效应的数值模拟

利用已建立的区域气候模式与大气化学模式耦和的模拟系统 ,在气候模式中引入了起沙机制 ,同时建立了与气候模式连接的沙尘气溶胶输送模式 ,模拟沙尘的输送、扩散、沉降等过程 .通过对 1 998年 4月的模拟 ,分析得到中国地区沙尘气溶胶的主要源区分布情况、沙尘的浓度分布特点和光学厚度特征 ,并且将一次沙尘暴个例与同期卫星观测的气溶胶指数分布做了对比 .进一步模拟了沙尘气溶胶辐射效应 ,发现沙尘气溶胶能减少地面的辐射净收入 ,使南方的大气辐射收入减少 ,使北方的大气辐射收入增加 .由于沙尘气溶胶对辐射的削弱使地面气温有显著降低     

深浅水体不同气候效应的初步研究

通过建立两个精细的大气-水体-土壤模式和大气-土壤模式来研究水体深度的变化对水体的气候效应的影响。研究结果表明:当水体深度降到某个值后,水体的气候效应会相反;在一般情况下,这个临界深度约为0.5米。接着分析了这种差异的形成原因和机制。最后试验了这种差异与水体混浊度及陆面的湿度和反射率之间的关系。     

基于WRF-Chem的AOD预报在一次沙尘天气中的研究

气溶胶光学厚度(AOD)是表征大气气溶胶光学特征的最基本量;它可以用来推算大气气溶胶含量,是确定大气气溶胶辐射气候效应及大气污染程度的关键因子。利用WRF-Chem数值模式对我国北方2010年3月19~23日的一次沙尘天气过程进行了模拟分析,主要分析了模式对于AOD的预报能力。结果表明:模式对于气溶胶光学特性具有较好的模拟能力,模拟结果中AOD、PM2.5、PM10的时空分布具有很好的一致性。通过与MODIS AOD卫星资料和地基AERONET观测网站点实测数据进行对比分析,发现AOD模拟结果与卫星产品和站点实测数据较吻合,模式24 h预报能够较好地体现AOD随时间的变化特征。     

城市地表能量平衡方案研究的新进展

系统介绍了城市地表能量平衡的物理过程及其参数化方案的研究进展.由于城市化等因素的影响,城市地表能量平衡方案中的各个物理量发生变化,进而影响不同尺度的大气环境和城市气候,尤其是微尺度气候.另外,分析和比较了几种城市冠层模型的特点,及其与中尺度大气模式的耦合,提出目前存在的一些问题和未来的发展方向.结论认为,从中尺度大气模式的研究和发展来看,城市冠层模型和中尺度大气模式的耦合可以有效地提高中尺度大气模式的模拟水平,这也有助于中尺度大气模式的精细化模拟研究,从而更好地理解城市地表能量平衡中各个物理量的变化对大气环境和气候变化的影响.     

基于陆面过程模式的热红外卫星遥感影像模拟

遥感服务于气象、气候领域的一个关键环节就是建立地表过程模式与遥感数据之间的联系,利用过程模式的可靠输出参数来模拟卫星影像,并与真实的观测数据进行对比.本文建立了一个以通用陆面过程模式(CLM)相关参数为地表输入信息,以再分析大气廓线为大气输入信息的卫星影像模拟系统,以期通过模拟数据与真实卫星数据的比较,为模式背景场、强迫场的修订及预报精度的提高服务.模拟结果表明,对于由植被和土壤等组成的自然地表,模拟的热红外卫星信号主要取决于过程模式输出的地表温度,模拟的地表方向性辐射温度与模拟的大气层顶部表观辐射温度相关性高达0.99.模拟到的表观辐射温度与AVHRR影像对应的辐射温度差异比较大,最大值超过30 K,大多数像元温差分布在-20～20 K之间.温差在高海拔地区普遍比较大,这可能是由于CLM对高海拔地区的温度估计偏低导致的.     

论温室效应对中国社会经济发展的影响

大气中日益增多的温室气体将使中国的气候产生显著的变化。利用大气环流气候模式进行的模拟试验揭示:如果大气中温室气体的含量以目前的增长率持续增长,与目前的气候相比较,在21世纪中期,中国的年均气温增加4.6℃,年均降水增加7％,中国旱涝发生的概率增大。因日益增加的温室效应而造成的气候变化将对中国社会、经济的发展产生巨大的影响,如农业问题、生态系统影响问题、华北缺水问题、西北沙漠化问题、黄河治理问题、沿海建设问题。     

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．     

基于秩评分方法定量评估大气环流模式在雅鲁藏布江流域的模拟能力

大气环流模式具有区域适应性.基于秩评分方法对比分析了20个大气环流模式在输出雅鲁藏布江流域9个气候变量的模拟能力,针对每个变量优选出了适应性较强的模式,并对模式的综合模拟能力进行秩评分.结果显示:INM:CM30、MIROC3.2_M、ECHAM5、CGCM3.1_T47、CGCM3.1_T63对地面要素的拟合更佳;与ERA-40再分析资料相比,ECHAM5、MIROC3.2_H、ECHAM4、GFDL:CM21、FGOALS:g10对高空变量的适应性更好;综合评估显示,ECHAM5、MIROC3.2_H、MIROC3.2_M、ECHAM4、GFDL:CM21更能模拟雅鲁藏布江流域气候状态.不同的统计特征值或气候变量组合将对模式评估产生不同的影响.     

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.     

中全新世和末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大，且比较零散，说明寒冷气候时期对植物被迫改变的敏感性没有温暖气候时期大。     

干旱、半干旱地区蒸散过程的模式研究

利用建立的土壤-植被-大气系统水分散失耦合模式,研究了一定植被覆盖下区域近地面层的水分蒸散过程。模式对土壤水分传导和恢复过程的参数化引入了一些改进。利用此模式模拟了黑河实验(HEIFE)中1991-08-13—17日张掖观测站所在位置的能量通量和近地面温湿度的变化,得到了与观测值相一致的结果,合理地再现了此阶段内蒸散过程的变化趋势。此模式能比较有效的模拟区域复杂下垫面与大气边界层的相互作用,对于区域气候和生态效应的研究有一定的帮助。     

CO2浓度变化对欧洲区域气候影响的数值研究

给出了大气中二氧化碳浓度加倍引起的德国南部及邻近阿尔卑斯山区5年1月和 7月气温和降水率变化的模拟结果.模式采用在大气环流模式(ECHAM3)中嵌套的中尺度气候和化学模式(MCCM).模拟结果显示:区域平均气温(地面上2 m处温度)的5年平均1月增加0.8℃,7月增加4.7℃;区域降水率的5年逐月平均则显示1月无变化,7月减少40 %.讨论了气温、降水率以及降水频率等变化的空间分布,也给出了控制试验(1×CO2) 和敏感试验(2×CO2)中气温和降水率的年际变化模拟结果.     

基于Licel记录仪的激光雷达数据修正技术研究

作为重要的大气遥感探测仪器,激光雷达在气候和环境监测中扮演越来越重要的角色。Licel数据记录仪是专门针对激光雷达所开发的数据采集仪器,可同时提供模拟探测和光子计数探测模式的数据采集。针对激光雷达模拟数据和光子计数数据的特点,开展了光子计数数据的死区时间校正、模拟数据和光子计数数据的拼接拟合以及二者数据廓线错位的修正技术研究。结果表明,修正后的激光雷达回波具有更高的信噪比和位置精度,能更清晰地归一化表达大气状态信息的变化。     

RPPM模式在核事故气载放射性污染物扩散数值模拟中的应用

阐述了随机游走粒子-烟团模式(RPPM)的基本原理,模拟核事故早期污染物烟羽在不同边界层大气条件和不同源项条件下弥散分布,并分析放射性污染物对近地面层环境可能造成的影响.结果表明,污染物在稳定性边界层大气条件下具有更强的污染能力;不稳定性大气条件下高架源释放形成的污染面积最大;RPPM模式能够较好的模拟核事故气载放射性污染扩散演化情况.     

CO_2浓度变化对欧洲区域气候影响的数值研究

给出了大气中二氧化碳浓度加倍引起的德国南部及邻近阿尔卑斯山区5年1月和 7月气温和降水率变化的模拟结果.模式采用在大气环流模式(ECHAM3)中嵌套的中尺度气候 和化学模式(MCCM).模拟结果显示:区域平均气温(地面上２ ｍ处温度)的5年平均1月增 加0.8℃,7月增加4.7℃;区域降水率的5年逐月平均则显示1月无变化,7月减少40 ％.讨论了气温、降水率以及降水频率等变化的空间分布,也给出了控制试验(1×CO2) 和敏感试验(2×CO2)中气温和降水率的年际变化模拟结果.     

生态边界层理论与农林复合实践

研究工作依据边界层气象学和大气物理学基本原理,汲取现代农、林业生态学、作物形态学、冠层几何学等现代科学的信息和研究方法,重点研究了我国黄淮海平原农林复合生态系统与边界层大气的相互作用过程,并付诸于实践,在该地区建立了实验地.课题组建立的生态边界层研究模式系列包含黄淮海平原主要农作物生长过程数值模拟等十大模块,进一步丰富了气候与生态系统相互作用的研究内容,其理论意义重大.