北大西洋热盐环流对温室气体浓度变化的响应

利用海?气耦合模式模拟了北大西洋热盐环流对外强迫的平衡响应。大气中CO₂浓度加倍后, 热盐环流强度将减弱约20%; 大气中CO₂浓度减半后, 热盐环流将增强约13%。研究结果表明, 热盐环流对外强迫的响应有两个阶段: 瞬变阶段和平衡阶段。瞬变响应主要取决于局地海表热通量和淡水通量的变化, 平衡响应还与非局地热量输送和淡水输送过程有关, 两个过程作用相互竞争。在CO₂加倍实验中, 与淡水输送相关联的正反馈作用更强, 导致热盐环流略有恢复; 在CO₂减半实验中, 热量输送与淡水输送作用相抵, 热盐环流没有明显的恢复。此外, 海水密度与其温度的非线性关系导致CO₂加倍和减半实验中热盐环流的响应大小是非对称的。     

全球地形影响大气和海洋经圈环流的耦合模式研究

利用气候系统模式(CESM1.0)研究陆地地形改变对大气?海洋经圈环流的影响。模式首先给出真实海陆分布及陆地地形情况下的大气?海洋气候态, 然后给出平板陆地情况下(陆地海拔均匀10 m)的气候态。与真实世界相比, 平板陆地情形下大气?海洋经圈环流发生重大改变: 首先, 年平均大气对流中心南移到赤道附近, 使得大气哈德雷环流相对于赤道对称; 其次, 海洋的经向翻转流变强, 大西洋经向翻转流完全消失, 取而代之的是在太平洋出现强大的经向翻转流及热盐环流。在平板陆地情形下, 北半球中高纬度大气抬升减弱, 向北的大气热量输送减少, 北半球温度降低, 大气对流中心因而向赤道迁移; 同时, 海洋向极地的热量输送也减弱, 中高纬度海洋变冷, 北太平洋海水密度增加很多, 北大西洋海水密度降低, 导致海洋经向翻转流从大西洋转移到太平洋。     

2003-2004年冬季北半球爆发性增温期间极地平流层甲烷、水汽的演变特征

利用欧洲空间局(ESA)提供的ENVISAT/MIPAS(Michelson Interferometer for PassiveAtmospheric Sounding)卫星观测数据以及ECMWF业务分析场,综合分析了2003-2004年冬季北半球爆发性增温(SSW)事件中极地平流层大气甲烷和水汽的演变特征.结果表明:(1)增温出现时,平流层高、中层极涡先后发生分裂,对应的甲烷、水汽极值中心也同时发生分裂;(2)增温下传过程中,平流层中上层甲烷、水汽同时具有"向上输送"的特征,这主要是由极地平流层的上升运动造成;增温过程中行星波活动引起的向极输送造成这种"向上输送"特征在高层具有一定的超前性;(3)增温后期,高层极涡迅速恢复,极涡内的下沉运动将中间层低层的空气(甲烷、水汽浓度极低)输送进入平流层,造成平流层高层极涡(52 km附近)内出现甲烷、水汽浓度的异常低值.     

2003—2004年冬季北半球爆发性增温期间极地平流层甲烷、水汽的演变特征

利用欧洲空间局（ESA）提供的ENVISAT/MIPAS （Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding）卫星观测数据以及ECMWF业务分析场,综合分析了2003—2004年冬季北半球爆发性增温（SSW）事件中极地平流层大气甲烷和水汽的演变特征.结果表明：（1）增温出现时,平流层高、中层极涡先后发生分裂,对应的甲烷、水汽极值中心也同时发生分裂;（2）增温下传过程中,平流层中上层甲烷、水汽同时具有“向上输送”的特征,这主要是由极地平流层的上升运动造成;增温过程中行星波活动引起的向极输送造成这种“向上输送”特征在高层具有一定的超前性;（3）增温后期,高层极涡迅速恢复,极涡内的下沉运动将中间层低层的空气（甲烷、水汽浓度极低）输送进入平流层,造成平流层高层极涡（52km附近）内出现甲烷、水汽浓度的异常低值.     

水球世界气候态与经向热量输送的数值模拟试验

利用完全耦合的气候模式(FOAM), 通过两组理想的水球试验, 研究水球气候系统中的平均气候态和经向热量输送。两组水球试验分别是Aqua和Ridge, 前者整个星球完全被水覆盖, 没有任何陆地, 后者与前者的唯一区别是从南极到北极有一道连续的地脊。相比于现实世界, 水球世界的气候更加温暖, 极地几乎没有海冰。北半球的经向温度梯度较现实世界弱, 导致北半球的大气经向热量输送较小。这些差别主要来源于海陆分布改变造成的行星反照率的改变, 而云量的增加部分抵消了这种改变。尽管在两个水球试验中海洋环流和平均温度场差别很大, 但大气平均气候态差别不大。不同于Ridge, 在Aqua中赤道区域出现“反”哈德雷环流, 使得低纬度大气向赤道方向输送热量。尽管水球世界的海洋环流与现实世界相比发生了巨大改变, 但总的经向热量输送及其在大气和海洋之间的分配依然保持稳定。中小尺度的涡旋和扩散引起的经向热量输送部分抵消了大尺度环流引起的经向热量输送, 尤其在中纬度起着重要作用。     

西太平洋海温和北极海冰异常对大气环流的影响

利用九层菱形截断１５波的全球大气环流谱模式,对赤道西太平洋海表温度,北极海冰及综合异常精形在北半球夏季大气环流中的作用进行了一系列数值试验和分析。结果表明：赤道西太平洋海表温度的异常变化与北极海冰面呼焦异均可显著影响大气环流,但海冰异常对低纬大气环流的影响远小于西太平洋的海温异常的影响。对全球大气环流异常形成机制的讨论,表二维Ｒｏｓｓｂｙ波开的传播及外强迫引起的大气内部动力学过程虽夏季大气环流异常     

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.     

潮汐锁相行星的大气环流与气候

红矮星是宇宙中数量最多的恒星,其表面辐射温度比太阳的辐射温度低得多,因此,红矮星的宜居带与恒星的距离非常近．因为距离其恒星较近,在强大引力的作用下,位于红矮星宜居带内的宜居行星很可能是潮汐锁相行星．锁相行星的特征是其一侧永远面对恒星,另一侧则永远背对恒星,从而形成极端不均匀的加热．我们在本文中使用一个真实的大气环流模式与平板海洋相耦合来研究锁相行星表面的气候要素和大气环流特征．我们特别针对两种自转速度进行了模拟试验．结果发现,在慢速自转条件下（自转和公转周期均为243天）,大气环流基本是热力驱动的下层辐合和上层辐散的运动,行星的表面仅有恒星直射点附近比较湿润,其他区域均比较干燥,背阳面尤其寒冷．在快速自转条件下（自转和公转周期均为l天）,科里奥利力的作用比较显著,大气环流以纬向西风为主,并呈现波动特征,赤道上空出现超级旋转的西风急流,湿润区域显著扩大．EP通量诊断分析表明,赤道超级旋转急流是由于热带Rossby波随高度向极地方向传播所产生的EP通量在赤道附近的辐散造成的．     

青藏高原对全球大气温度和水汽分布的影响

利用耦合的气候模式CESM, 定量研究青藏高原对全球大气温度和水汽分布的影响。通过对比采用真实地形的参考实验(Real)和去掉青藏高原的敏感性实验(NoTibet)发现, 去掉青藏高原会使北半球大气变冷、变干, 对南半球的影响不明显。北半球中高纬度从地表至平流层均有强烈降温, 地表的降温中心在北大西洋, 年平均降温幅度达5ºC, 高空的降温中心在100 hPa的平流层, 年平均降温幅度达2ºC。北大西洋和南亚地区湿度减少, 南大西洋和东非地区湿度增加。北半球变冷主要是海洋向北经向热量输送减少的结果, 一方面增强了北半球的经向温度梯度, 导致Hadley环流增强, 加强了中低纬地区向北的大气热量输送, 部分补偿了海洋向北减少的热量输送, 维持了北半球中低纬度的能量平衡; 另一方面, 使得北半球中高纬度蒸发作用减弱, 大气中水汽含量减少, 北半球变得寒冷干燥。初步的研究表明, 青藏高原对北半球气候有重大影响, 影响范围可达北半球高纬度地区。     

森林土壤温室气体通量对森林管理和全球大气变化的响应

森林土壤是温室气体重要的源和汇。探讨不同森林管理和全球大气变化下土壤温室气体通量特征,为有效减少温室气体排放及森林可持续管理等提供参考。笔者从森林土壤温室气体(forest soil green house gases)、森林管理(forest mangement)和全球大气变化(global atmospheric change)3个关键研究点,查阅近年来相关研究成果,归纳森林管理和全球大气变化下土壤温室气体通量的一般性模式。CO₂、CH₄和N₂O是3种重要温室气体,其通量间存在协同、消长和随机型耦合关系。森林管理如火烧、采伐和造林等显著影响土壤温室气体通量。一般情况下,火烧导致土壤N₂O通量降低,CH₄吸收量增加,CO₂通量因火烧类型、火烧强度、生态系统类型不同出现增加、减低和无影响3种结果; 采伐通常导致土壤CO₂、CH₄和N₂O排放增加; 造林可使土壤CO₂排放减少,对N₂O和CH₄通量的影响随生态系统类型、造林树种等而改变。全球大气变化如CO₂浓度升高、氮沉降和气温升高影响森林土壤温室气体通量。通常,CO₂浓度升高导致土壤CO₂和N₂O排放量增加,CH₄吸收量降低; 氮沉降促进土壤N₂O排放、抑制CH₄吸收。气温升高导致土壤CO₂和N₂O排放增加。森林管理和全球大气变化对土壤温室气体通量的综合影响是非叠加的,有效的森林管理可能改变土壤温室气体通量对全球大气变化的响应。     

碳排放CO2温室效应机制

基于两个化学反应(1)CO₂+H₂O→H₂CO₃和(2)H₂CO₃+3H₂O→H₂CO₃·3H₂O,采用量子化学方法,优化获得反应物和产物分子结构,计算其红外振动光谱和化学反应的热力学数据,确定这些化合物对红外辐射的吸收与强度.研究发现,反应(1)和(2)能自发发生反应,产生H₂CO₃和H₂CO₃·3H₂O(三水碳酸);H₂CO₃具有较强的红外辐射吸收(重要的吸收频率1 919.9 cm^-1和强度426.7 km/mol等),H₂CO₃·3H₂O具有很强的红外辐射吸收(重要的吸收频率3 145.9 cm^-1和强...     

O2/CO2气氛下乙烷可燃极限的实验研究和计算

可燃极限是表征燃烧特性的重要参数之一.本文以5L圆柱形反应器为基础,搭建了可燃极限实验系统,对O₂/CO₂气氛下乙烷的可燃极限进行研究,并与空气气氛下乙烷的可燃极限进行了对比.结果表明,高浓度的CO₂降低了可燃气的可燃上限,提高了可燃气的可燃下限,分析了高浓度CO₂对可燃极限的影响机理.根据热理论,推导出C₂H₆/O₂/CO₂可燃极限的计算方法,将实验值与计算值进行比较,平均绝对偏差在2.2%以内,两者吻合较好.     

游客呼吸与九寨沟钙华景观退化的相关性探究

在全球CO2持续升高背景下,游客的CO2排放导致热门景点周围的大气CO2升高速度远远大于全球平均CO2升高速度.针对这一问题,基于涡度相关系统,对九寨沟树正寨犀牛湖区域进行长期CO2浓度监测,结合年均径流量和基于CO2浓度得到的钙华(CaCO3)损失速率,估算九寨沟世界自然遗产地的钙华年损失量,探究钙华退化的机理.结果...     

Arctic warming aloft is data set dependent

Arctic sea ice and snow on land have retreated polewards at an alarming pace in the past few decades. Such retreat locally amplifies surface warming through a positive feedback, which causes the Arctic surface to warm faster than the rest of the globe. In contrast, ice and snow retreat causes little warming in the atmosphere above when the stable winter atmosphere inhibits vertical heat exchange. We therefore find surprising the recent report by Graversen et al. in which they claim that recent Arctic atmospheric warming extends far deeper into the atmosphere than expected, and can even exceed the surface warming during the polar night. Using a different data set, we show that there is much less warming aloft in winter, consistent with the recent retreat of ice and snow, as well as recent changes in atmospheric heat transport.     

CO2/HCs混合物宽区域黏度模型的热力学研究

 基于Vesovic-Wakeham理论,建立CO₂/HCs二元混合物黏度预测模型,对CO₂/CH₄,CO₂/C₂H₆,CO₂/C₃H₈,CO₂/n-C₄H₁₀和CO₂/iso-C₄H₁₀这5种重要CO₂/HCs二元体系的黏度进行了预测,温度范围为273.15～973.15 K,压力范围为0.1～200 MPa,最大黏度预测值达140 μPa·s。与大量文献实验数据的比较表明,所预测的黏度计算值具有较高的精度,可以满足工程应用的实际要求。     

B掺杂介孔C/SiO2复合材料的自组装法合成及其CO2吸附性能

采用溶胶-凝胶结合协同自组装法,以三嵌段共聚物F127为模板剂,以正硅酸乙酯为硅源,以酚醛树脂为碳源,改变硼酸三异丙酯硼源的投料量,制备了一系列具有丰富介孔结构的新型B掺杂介孔C/SiO₂复合材料(BC/SiO₂),研究B的掺杂量对BC/SiO₂复合材料CO₂吸附性能的影响,采用3种等温吸附模型(Langmuir、Freundlich和DSL)分别对CO₂等温吸附曲线进行拟合分析。结果表明:BC/SiO₂复合材料呈球形,且具有较高的比表面积和均一的孔径分布;在BC/SiO₂复合材料中,大部分B原子已被均匀掺入到碳骨架中,从而产生极性位点;BC/SiO₂复合材料对CO₂的吸附能力不仅与材料比表面积大小有关,同时也与B掺杂所产生极性位点数量相关;B掺杂的BC/SiO₂复合材料对CO₂分子存在2种不同强弱的吸附位点,CO₂吸附等温线符合DSL等温吸附模型。     

三峡水库夏季干流、支流(草堂河)水体的二氧化碳分压及扩散通量

2013年5-7月对三峡水库库区干流及支流草堂河水体CO₂分压(pCO₂ )进行走航观测. 结果表明: 夏季草堂河表层pCO₂ 为15.8226.4 Pa, 三峡水库库区干流表层pCO₂为198.8261.1 Pa. 对支流草堂河剖面监测发现, 表层pCO₂ 最低为15.8 Pa, 随着深度增加, pCO₂快速增加, 在水深5 m后逐渐稳定, 最大值为294.2 Pa. 通过计算, 支流草堂河在5, 6, 7月的CO₂通量分别为16.46, −4.91和30.85 mmol·m⁻²·d⁻¹, 库区干流CO₂通量为45.83 mmol·m⁻²·d⁻¹. 因此, 三峡库区干流表现为CO₂的“源”, 支流草堂河CO₂释放远小于库区干流, 6月份表现为“汇”.     

Vertical structure of recent Arctic warming

Near-surface warming in the Arctic has been almost twice as large as the global average over recent decades-a phenomenon that is known as the 'Arctic amplification'. The underlying causes of this temperature amplification remain uncertain. The reduction in snow and ice cover that has occurred over recent decades may have played a role. Climate model experiments indicate that when global temperature rises, Arctic snow and ice cover retreats, causing excessive polar warming. Reduction of the snow and ice cover causes albedo changes, and increased refreezing of sea ice during the cold season and decreases in sea-ice thickness both increase heat flux from the ocean to the atmosphere. Changes in oceanic and atmospheric circulation, as well as cloud cover, have also been proposed to cause Arctic temperature amplification. Here we examine the vertical structure of temperature change in the Arctic during the late twentieth century using reanalysis data. We find evidence for temperature amplification well above the surface. Snow and ice feedbacks cannot be the main cause of the warming aloft during the greater part of the year, because these feedbacks are expected to primarily affect temperatures in the lowermost part of the atmosphere, resulting in a pattern of warming that we only observe in spring. A significant proportion of the observed temperature amplification must therefore be explained by mechanisms that induce warming above the lowermost part of the atmosphere. We regress the Arctic temperature field on the atmospheric energy transport into the Arctic and find that, in the summer half-year, a significant proportion of the vertical structure of warming can be explained by changes in this variable. We conclude that changes in atmospheric heat transport may be an important cause of the recent Arctic temperature amplification.