中国及周边海海温资料同化系统

在一个嵌套的海洋环流模式基础上,采用基于变分原理的最优插值方法,初步建立了一个中国及周边海海温资料同化系统.利用1998世界大洋数据集(WOD98)中的海温垂直剖面资料和欧洲中心再分析风应力资料进行了连续12年的同化试验,初步结果表明,同化方案是有效可行的,与未同化前相比,资料同化提高了模式计算的真实性,对中国及周边海海洋环流状况的描述有了很大改善.如所揭示的黑潮的强度、流幅、夏季黄海冷水团及其对应的水平环流、晚夏早秋南海的偶极子涡及其中间的东向急流等都更接近于观测结果.     

1998年春夏南海低空急流形成机制研究

利用“南海季风试验”提供的同化资料, 分析了1998年春、夏季发生在南海上空低空急流形成机制, 其中重点分析了1998年6月8~10日珠江三角洲暴雨过程中的低空急流过程, 并用MM5中尺度模式进行了数值模拟. 结果表明, 在低空急流形成过程中, 动能向上输送, 造成南海低空急流从对流层低层向高层发展. 其形成过程可以概括为: 在华南西部的天气尺度低压向东移动和西太平洋的一个高压扰动向西移动过程中, 二者的共同作用使南海地区上空对流层低层的气压梯度力加强, 由于气压梯度力作功提供了低空急流形成所需要的动能, 导致南海上空低空急流在这两个系统之间形成. 由于南海季风加强往往以低空急流的形式表现出来, 因此南海低空急流的形成机制也可以解释南海季风加强.     

区域环境集成系统模式以及对我国夏季季风的模拟研究

重点介绍了中国科学院区域气候-环境重点实验室研制的区域环境集成系统模式RIEMS 2.0, 以及利用该模式对东亚地区进行了1979年1月到2000年12月的长期积分试验, 重点考察了区域气候模式对东亚地区的夏季季风的模拟能力. 结果表明: (1) RIEMS 2.0模式能够较好地模拟出夏季表面大气温度的空间分布以及不同区域温度的年变化; 同时模式模拟季平均和月表面大气温度与观测之间偏差大约一般在1~2℃. (2) 对于降水来说, RIEMS 2.0模式能够较好地模拟夏季降水的空间分布特征以及东亚地区雨带季节性演变, 同时RIEMS 2.0模式模拟的雨带演变较RIEMS 1.0更加接近观测. (3) RIEMS 2.0模式能够模拟出大尺度环流背景场. 该研究表明区域环境集成系统模式能够较好地应用于我国区域夏季季风气候模拟研究工作.     

基于8个准全球模式模拟的南海深层与底层环流特征分析

初步分析了8个准全球高分辨率海洋模式模拟的南海深层和底层环流,总结了模式中南海深层与底层环流的基本特征.温盐误差分析显示深层温度相对偏差一致偏负,而盐度偏差大部分模式基都是为正偏差,表明深层偏冷偏咸.温度的偏差幅度要大于盐度,且温盐在深层存在趋势.吕宋海峡深层1500m以深水交换各模式平均为0.36Sv,与观测相比偏弱.同化过的模式和一个未同化的模式(OCCAM)都显示,吕宋深层水交换在春季达到最小,而在冬季达到最大.大多数模式2400m以深垂直积分流函数显示南海深层在大尺度上为气旋式环流,但流函数的分布与由气候态温盐数据集(GDEMv3)诊断出来的流函数相比存在较大的差异.南海1000m以浅经向翻转结构比较类似,但1500m以深的经向翻转结构空间分布和强度大小存在较大的差异.而2400m以深的经向翻转与气候态温盐数据集(GDEMv3)诊断出来的经向翻转相比偏弱,这表明着模式中深层水垂直混合过程偏弱.在上述分析基础上,详细探讨了初始温盐场、地形、垂向混合方案对南海深海环流的影响,对今后专门构建适合南海深海环流研究的模式提供了必要的参考.     

理想海底地形的南海海洋经向翻转数值模拟

利用一个z坐标刚盖近似海洋环流模式, 分别在吕宋-台湾以东的闭边界和开边界两种情况下, 模拟了理想海底地形(1000 m平底)南海冬季和夏季上层环流的经向翻转(meridional overturning), 目的是为了分析黑潮入侵南海的可能影响范围及其对南海上层环流经向翻转的改变, 并比较这种影响的季节性差异. 模式采用气候平均的海面风场驱动, 热盐强迫采用基于向Levitus气候海面温度和盐度张弛的边界条件. 从模拟结果来看, 黑潮影响南海上层经向翻转的范围可达到10°N左右, 从而驱动南海上层海洋形成一个不闭合的经向翻转. 在冬季(1月份), 海水从大约400 ~ 500 m深处自北向南输送, 并且逐步上升, 在表层返回北部; 在夏季(6月份), 也有类似的情形, 海水从大约150 ~ 200 m深处自北向南输送, 并且逐步上升, 在表层返回北部. 该经向翻转描述了南海中、上层水的运动路径, 为研究南海风生-热盐环流动力学提供了理想化的参考依据.     

南海南部海区的障碍层

通过对南海南部海域1989－1999年6次海洋观测所得CTD资料的分析，发现在南海南部海域存在具有季节变化的障碍层，它在秋季非常显著。夏季冬较弱，障碍层厚度越厚，对应区域的上事层平均水温越高，反之亦然；厚障碍层区与高上混合层平均水温区相吻合，且其位置与南较厚暖水区一致，这表明，南海南部海域障碍层对上层海洋热量储存具有重要影响。     

南海南部近20万年沉积序列与古气候变化关系

ＮＳ－９３－５柱状样取自南海南部陆坡的平缓台阶上，该处保存了晚第四纪以来正常海洋环境的稳定沉积记录。通过研究建立了南海南部８海区高分辨率的近２００Ｋａ以来有沉积序列和氧同位素地层剖面，通过与ＧＩＳＰ２冰芯等垢对比分析，初步提示并探讨了霜次间冰期以来反映短尺度气候快速变化的Ｄ／Ｏ事件１－２１和Ｈｅｉｎｒｉｃｈ事件Ｈ１～Ｈ６在南海南部的沉积记录，表明近２００ｋａ来南海南部与北极地区存在着古气候的遥相关     

耦合气候系统模式FGOALS-s2海洋数据同化试验模拟的冬季Hadley环流长期变化趋势

分析了中国科学院大气物理研究所近期气候预测系统DecPreS的初始化试验的模拟结果,该试验本质上是基于耦合气候系统模式FGOALS-s2的海洋数据同化试验.海洋数据同化方案采用了集合最优差值(ensemble optimal interpolation,EnOI)和分析增量更新(incremental analysis update,IAU)相结合的方案.该研究把同化试验与该模式参与第五次"国际耦合模式比较计划"(CMIP5)的历史气候模拟试验(简称历史试验)结果进行了比较,重点研究海温被观测约束的同化试验对NCEP/NCAR再分析资料揭示的北半球冬季Hadley环流增强趋势的再现能力.结果表明,历史试验模拟的北半球冬季Hadley环流在热带地区存在虚假减弱趋势,同化试验有效地改进了上述偏差,模拟的Hadley环流在5°~15°N呈显著增强趋势,与再分析资料更为接近.同化方案有效改进了对北太平洋和赤道东太平洋海温变化趋势的模拟能力,使得模拟的海温梯度变化更趋合理,最终令Hadley环流变化较之历史试验更接近再分析资料.     

初始扰动对数值模式模拟能力的影响

大气和海洋模式数值模拟的结果是否准确, 首先取决于模式的模拟能力. 由于大气和海洋运动本质上是非线性的, 其运动状态依赖于初始场(初值). 模式作为非线性发展方程的离散化形式, 其运动状态仍然依赖于初始场. 初始场的微小变化有可能导致模式的结果完全不同, 甚至使模式丧失模拟能力. 而对大气和海洋运动的实际问题进行数值模拟时, 无论所用的观测资料如何准确, 初始场难免存在着误差. 由于这些误差的存在, 可能会使得模式的结果与实际状态相比大相径庭. 因此, 探讨初始扰动对模式模拟能力的影响就成为大气和海洋科学中的一个热点和难点问题. 正是基于这种情况, 激发了20世纪80, 90年代资料同化技术的快速发展. 通过资料同化的方法对初始场误差进行订正, 极大地改善了初始场的质量, 使其更接近大气和海洋运动的实际状态, 模式的模拟能力得到了一定的提高. 但资料同化的方法到底能在多大程度上改进模式的模拟能力, 到目前为止仍是一个尚未解决的难题.     

1998年夏季南海环流

基于１９９８年夏季的温盐深（ＣＴＤ）和气象观测资料，采用改进逆方法计算了南海海流的流速和流量，并结合声学Ｄｏｐｐｌｅｒ测流（ＡＤＣＰ）资料分析了南海环流特征。结果如下：（１）南海东北部环流最重要的特征是黑潮有一个分支入侵南海，但流量不大。该分支作反气旋式弯曲通过巴士海峡流向台湾以南海域，而没有入侵南海内部；（２）南海北部海区主要受气旋式五流系统所支配，并伴随有两个冷涡；（３）南海中部、西南部海区主     

集合预报最优初值形成的四维变分同化方法

提出一种利用四维变分同化方法吸纳ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法具有明确统计意义的特点和滞后平均预报法包含多时刻初值信息的长处，来形成一组与动力模式相协调的集合预报初值的方法，以克服初值由ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法或滞后平均预报法形成的不足，改善集合预报效果，在已建立的Ｔ４２谱模式四维分同化系统基础上，对６组个例分别进行了控制，对比数值试验，结果表明，由四维变分同化方法形成集合预报初值的预报效果旬尺度上要好于滞     

南海夏季风的年际变化及其对我国长江流域洪水的影响

南海夏季风对于我国长江流域的洪涝灾害有着重要的影响,本文利用1980～1989年的资料,系统地探讨了南海夏季风的年际变化、副热带高压强度指数和最大洪峰流量之间的关系.结果表明:在强南海季风年,夏季西太平洋副高强度较正常年偏弱,副高脊线的位置偏北,使得汛期长江中下游及淮河流域的最大洪峰流量偏小;在弱南海季风年.夏季西太平洋副高强度偏强,副高脊线的位置偏南,汛期长江中下游及淮河流域的最大洪峰流量偏大.发生洪水灾害的频率较高.这一结果为开展长江流域洪水预报提供了可靠的理论依据.     

南海南部海区的环流观测研究

以分别代表两个不同季风期考察航次的CTD资料为基础,通过综合分析海水的重力势、温度和盐度等分布,系统地描述了南海南部海区的水平环流结构,提出能概述该海区中、大尺度环流水平结构的上、下二层模式,综合归纳出上层主要流系的分布格局及各自的特征,指出南海南部海区的上层环流主要受季风驱动。此外,还发现并阐述了该海区的两个重要的局部现象——局地涡旋和海洋锋。     

南海北部孤立子内波的一些特征和演变

根据1998年6月14日在南海北部的一次孤立子内波的实测资料，分析它的可能源地，并计算出其相速度、波长等一些特征参数；基于对内波的垂直模态的分析，探讨了该孤立子内波在传播过程中所产生的波致流的特点；利用多因子作用下的规则化长波（RLW）方程数值模式，以观测得到的环境参数作为初始条件，模拟了该孤立子内波在南海北部陆架区的传播和演变。     

南海北部孤立子内波的一些特征和演

根据１９９８年６月 １４日在南海北部的一次孤立子内波的实测资料，分析它的可能源地，并计算出其相速度、波长等一些特征参数；基于对内波的垂直模态的分析，探讨了该孤立子内波在传播过程中所产生的波致流的特点；利用多因子作用下的规则化长波（ＲＬＷ）方程数值模式，以观测得到的环境参数作为初始条件，模拟了该孤立子内波在南海北部陆架区的传播和演变．     

南海南部近20万年沉积序列与古气候变化关系

ＮＳ－９３－５柱状样取自南海南部陆坡的平缓台阶上，该处保存了晚第四纪以来正常海洋环境的稳定沉积记录．通过研究建立了南海南部海区高分辨率的近 ２００ ｋａ以来的沉积序列和氧同位素地层剖面．通过与ＧＩＳＰ２冰芯等的对比分析，初步揭示并探讨了末次间冰期以来反映短尺度气候快速变化的 Ｄ／Ｏ事件 １－２１和 Ｈｅｉｎｒｉｃｈ事件 Ｈ１～ Ｈ６在南海南部的沉积记录，表明近 ２００ ｋａ来南海南部与北极地区存在着古气候的遥相关和西太平洋暖池的不稳定性．研究还显示：该海区沉积层序的颜色分层与氧同位素地层具有很好的对应关系，沉积物颜色特征随气候而变化，前者一般滞后时间约１－１．５ ｋａ．认为由于气候变化引起海平面波动、通道启闭和上升流活动，造成该海区深层水的氧化还原条件随着水体的动态环境而改变，从而产生海底不同的沉积物特征．此外，在氧同位素 ４／５期界线处还发现了一个与 Ｔｏｂａ火山喷发有关的火山灰层，厚度约 １７ ｃｍ．     

1997-1998年南海暖事件

通过海面温度、海面高度、风应力和次表层温度资料的合成分析发现，1997年春、夏季至1999年春季南海发生了强烈的暖事件，与发生在南海北部的赤潮灾害事件、海南岛附近的珊瑚死亡（白花）现象以及长江中、下游1997和1998年洪涝灾害相对应。1997年南海海面温度距平发展阶段，南风距平导致的暖平流为正距平发展主要因子。而1998年夏季海温距平进入维持阶段，此时深水区温跃层加深、明显下凸，海盆中央维持系统的海面高度正距平导致了下降流模态。     

区域气候模式(RegCM3)中积云对流参数化方案在纵向岭谷区的适用性研究

为了检验RegCM3中积云对流参数化方案在纵向岭谷地区5月和夏季降水模拟能力,选取不同积云对流参数化方案,运用区域气候模式模拟了纵向岭谷地区1982~2001年共20年5月份和夏季的降水,并对模拟降水场与实测降水场的关系进行了定量的对比分析.结果表明,从RegCM3对纵向岭谷区20年模拟的总降水量来看,Fritsch-Chappell对流参数化方案对纵向岭谷区5月降水的模拟能力最好,Anthes-Kuo积云对流参数化方案次之;Anthes-Kuo积云对流参数化方案对纵向岭谷夏季降水的模拟能力最好,Fritsch-Chappell积云对流参数化方案次之,但模拟获得的总降水量比实际值稍微偏小.对纵向岭谷地区5月和夏季降水年际变化的模拟结果与对纵向岭谷区20年总降水量的模拟结果相一致.Anthes-Kuo和Fritsch-Chappell积云对流参数化方案比较适合描写纵向岭谷区5月和夏季的模拟积云对流物理过程.     

GRAPES新一代全球/区域多尺度统一数值预报模式总体设计研究

新一代全球/区域多尺度统一的同化与数值预报系统(global/regional assimilation and prediction system, 缩写为GRAPES)已在中国气象局研究建立. 该系统的核心技术包括: 资料变分同化; 半隐式-半拉格朗日差分方案和全可压/非静力平衡动力框架; 可自由组合的、优化的物理过程参数化方案; 全球、区域一体化的同化与预报系统; 标准化、模块化、并行化的同化与模式程序. 针对GRAPES系统的正确性、有效性, 已经进行了一系列的标准测试和应用模拟试验, 包括常规资料分析应用、雷达和卫星非常规资料直接分析应用试验. 该系统已在国家级、区域级气象业务中心运行, 在实际气象业务中发挥了重要应用. 本文重点介绍数值预报模式, 包括总体设计思路与策略、多尺度统一动力模式构建、物理过程参数化方案组合优化、模式程序结构设计等; 同时, 还通过介绍GRAPES模式的模拟试验和实际应用结果等, 展示多尺度统一模式的可行性和科学性、实际应用的能力和水平.     

海表温度的自适应变分同化

在以前工作的基础上，进一步对所提出的自适应变分资料同化方法在表面海温（SST）资料同化进行了探讨，并将其应用到实际的SST资料同化中，利用一个湍流封闭混合层模式对LOTUS锚系浮标资料进行了同化试验，同化结果表明，自适应变分方法对海表和海面以下混合层的海温都能够进行较好地订正。