一个改进的海气耦合模式及其数值模拟

基于“线性统计修正”同步耦合方案,把中国科学院大气物理研究所两层大气环流模式同具有较高分辨率的热带太平洋环流模式耦合起来,长期数值积分表明,模式不但能够模拟出真实合理的平均气候状态及其季节变化,还能模拟出与观测接近的年际气候变率,这种年际变率在热带太平洋表现为海温在次表层达到其是大值并一在赤道上的沿斜晶层自西向东传播而在赤道两侧则自东向西传播,从而构成了主周期为４ａ左右的循环过程。     

副热带太平洋海温异常对赤道海洋的影响

利用完全耦合的气候模式进行敏感性试验,定量研究副热带太平洋不同经度带的海表面温度异常(SSTA)对赤道太平洋的影响。研究发现,赤道表层和温跃层海温对副热带太平洋(20°—30°N)西部、中部和东部SSTA的热力响应是相当的。研究中强调大气海洋耦合在副热带SSTA影响赤道温跃层过程中的决定性作用,并提出一种间接的、较"海洋通道"机制更为快速的机制:副热带SSTA引发局地大气的气旋性响应,继而引起局地海洋内区的上升流和其面向赤道一侧海洋内区的下沉流,该下沉流造成的局部温跃层暖异常向着赤道传播,导致赤道温跃层增暖。     

副热带太平洋海温异常对赤道海洋的影响

利用完全耦合的气候模式进行敏感性试验, 定量研究副热带太平洋不同经度带的海表面温度异常(SSTA)对赤道太平洋的影响。研究发现, 赤道表层和温跃层海温对副热带太平洋(20°?30°N)西部、中部和东部SSTA的热力响应是相当的。 研究中强调大气?海洋耦合在副热带SSTA影响赤道温跃层过程中的决定性作用, 并提出一种间接的、较“海洋通道”机制更为快速的机制: 副热带SSTA引发局地大气的气旋性响应, 继而引起局地海洋内区的上升流和其面向赤道一侧海洋内区的下沉流, 该下沉流造成的局部温跃层暖异常向着赤道传播, 导致赤道温跃层增暖。     

一个海洋环流模式对风应力响应的敏感性试验

为了检验一个准全球的海洋环流模式对风应力变化的响应,尤其是在热带太平洋冷舌区对风应力的响应,使用源于SODA(simple ocean data assimilation)再分析资料的风应力强迫该模式进行控制试验,在(10°S～10°N,180°～12°W)的区域减小风应力进行敏感性试验,并把试验结果与同时段的资料进行分析比较.结果表明,试验结果在总体趋势上大致相同,风应力减小时主要是对试验区表层有影响,可以改善模式对热带东太平洋冷舌的模拟,而对次表层温度和流场的刻画较弱,且影响范围不仅是在试验区.此外,该模式能模拟出海洋环流的基本气候态,但是对一些细节描述还不够准确.     

西北太平洋环流和海温数值模拟

基于Ecom-si建立了一个西北太平洋海洋数值模式,综合考虑了侧边界通量、海表面风应力、热通量、蒸发和降水等因素,模拟并分析了西北太平洋环流和海温的基本特征.模式验证结果表明,模式计算的海温与日本2008年西北太平洋实测温度走航断面资料吻合良好.模式再现了低纬度海区表层自东向西流动的北赤道流、强西边界流黑潮、东海的台湾...     

保形平流方案在海洋环流模式中的应用

通过将两步保形平流方案与二阶中央差物质输运平流方案进行对比，发现对于理想的一维平流方程，两步保形平流方案可以给出更准确的模拟. 进而将此方案引入到中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）发展的海洋环流模式（LICOM）中替代温度和盐度方程中的二阶中央差平流方案，发现在热带中、东太平洋区域，相对于原模式，模拟结果在温度场上有较大的改进，较好地克服了以往存在的赤道太平洋冷舌过强的问题. 对比海表平流项变化和温度变化，运用线性回归分析，证明平流项的变化是改进中、东太平洋的重要原因，也由此表明两步保形平流方案的优点.     

冬季太平洋海表温度与北半球中纬度大气环流异常的共变模态

根据近50年的全球海洋和大气再分析资料,利用奇异值分解和子波变换分析方法及绕极涡分析途径,揭示了冬季太平洋海表温度（SST）与北半球中纬度大气环流异常共变模态的时空特征．结果表明,冬季太平洋SST与北半球中纬度大气环流异常之间主要表现为两种时空结构显著不同的共变模态,即年际的ENSO模态和准20a时间尺度的年代际北太平洋模态．二者在空间结构上具有明显差异．对于年际ENSO模态,海洋异常表现为典型的ENSO型SST异常分布．其主信号在热带中东太平洋,次信号在北太平洋,两者变化位相相反;大气异常主要为PNA型波列,局限于太平洋一北美地区,具有局域性特征,对于年代际北太平洋模态,SST异常则主要限于中纬度北太平洋地区,表现为北太平洋中西部与北美西岸SST异常呈反相变化;大气异常则表现为整个中纬度西风带上纬向波列分布,具有纬向全球性特征,即不仅与PNA遥相关型联系,而且与太平洋上游的欧亚大气环流异常也有密切关系,当中纬度北太平洋异常冷时,则中纬度大气整个定常槽脊系统加强,反之,则减弱．进一步对大西洋分析表明,年代际北太平洋模态的产生很有可能与“两个海洋与一个大气”的耦合相互作用机制有关．     

赤道太平洋海域对CO2加倍的敏感性试验

利用Fast Ocean-Atmosphere Model (FOAM)海气耦合模式,分析了CO2加倍后热带太平洋海气系统的变化趋势并进行了机制研究.结果表明,CO2加倍后,模式中整个赤道海域海洋表面温度升高,但赤道西太平洋海面温度的增幅要强于东赤道太平洋的现象.产生这种增暖趋势的主要原因是由于热带区域160°E以东海...     

大西洋热盐环流减弱对热带太平洋气候平均态及年际变率的影响

利用一个完全耦合的海气模式, 通过对比分析两组试验中海表温度、盐度、风应力等气候态变化特征以及ENSO强度和频率的变化, 研究热带太平洋气候平均态及年际变率对热盐环流减弱的响应。在北大西洋高纬地区注入1 Sv淡水后, 大西洋经向翻转流(AMOC)减弱约90%, 这直接导致向北的经向热量输送减少, 使北大西洋有明显降温, 南大西洋略有升温。这些变化会经过大气和海洋的远程传播以及局地海气反馈作用, 影响热带太平洋气候平均态: 赤道东西太平洋的SST都略有增温, 但纬向温度梯度和纬向风应力并没有太大变化, 赤道太平洋温跃层的深度和倾斜度也基本保持不变。相应地, ENSO强度和频率也没有明显变化。由此得出结论: 热盐环流减弱会引起全球气候平均态的变化, 但对热带太平洋的年际变率没有太大影响。     

六层斜压有地形的全球海洋环流数值模拟 一

本研究的第一部分即模式设计部分．为研究大尺度海气相互作用，气候及气候变化，我们参考国外有关区域模式，设计和建立了一个有海底地形的六层斜压全球海洋环流模式．分辨率为５°经度×４°纬度，积分区域为７０°Ｓ和７０°Ｎ之间的全球海区，最大深度３７５０ｍ．模式方程为静力近似和Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ近似下的原始方程，模拟海流，温度和盐度．以年平均风应力，年平均海表热通量和盐通量作为强迫条件，从静止状态开始积分，时间足够长以后获得稳定的海流．温、盐分布．另一文将叙述模拟及试验结果．     

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．     

西北太平洋柔鱼资源丰度时空分布的GAM模型分析

根据1996~2001年我国在西北太平洋海域柔鱼生产统计及相关数据,利用GAM模型分析了表温、月份、经纬度等因子对柔鱼资源丰度CPUE的影响.研究认为,经纬度、月份和表温对CPUE时空分布都有较大的影响.160°E以西海域CPUE高,而165°E以东海域低,并主要集中在40°N~43°N海域.8~10月CPUE为最大.不同海域柔鱼分布的适宜表温不相同,150°E以西海域为13~18℃,150°E~165°E海域为14~18℃,165°E~180°E海域为11~14℃.     

南海表层环流和热结构特征的数值模拟与影响因素分析

 采用普林斯顿海洋模式,在真实的地形数据、计算区域右边界上半部分设为开边界的条件下,对南中国海98°-126°E,3°S -26°N的范围进行了环流和温度结构的模拟。模拟从静止的海洋开始,以1月份的月平均温盐数据为初始场,在12个不同的月平均风场驱动下,模式稳定地模拟了4个模式年。从第3年开始进行数据分析。首先从数值模拟的角度给出了南海表层环流和热结构的时空演变过程,继而详细分析了气候和环境因素的影响。结果表明：冬季南海主要被一个大的气旋式环流占据,夏季主要呈大的反气旋式环流。春季和秋季是季风转换季节,南海环流在受到上一个季节影响的同时也向下一个季节的典型流态转换,并由多个涡旋组成。此外,气候和环境条件的设置,都会影响到南海的环流和热结构特征。     

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．     

黑潮弯曲时的北太平洋冬季海温异常对大气低频振荡的影响

利用中科院大气物理研究所开放实验室ＩＡＰ－ＡＧＣＭ（二层大气环流模式），针对黑潮弯曲时的北太平洋冬季表层海温（ＳＳＴ）异常进行八个月的数值积分试验。试验结果表明：黑潮弯曲时北太平洋冬季ＳＳＴ异常对大气低频振荡的影响具有明显的３０－６０ｄ振荡的特征；在北半球的３０－６０ｄ振荡，大部分地区为向西传播，在南半球则为向东传播；其经向传播较为复杂，在１２０℃剖面上以向南传播为主；热带地区受此ＳＳＴ异常的影响     

连云港、吕泗海域的海表温度变化及影响机制

通过对连云港海域(1976-2008)、吕泗海域(1960-1990)30年左右的海表温度(SST)资料进行随机动态分析;并计算了SST与Nio3.4指数、海表热通量和海面风场的相关系数。研究结果表明:从1976-2008年连云港的SST呈现长期升高的趋势,32年间约上升0.9℃;从1960-1990年吕泗的SST呈现下降的趋势,30年间共下降约0.22℃。月均的SST最大熵谱分析揭示了两站的SST具有12个月和6个月的显著变化周期,此外还有准2 a的振荡周期。东赤道太平洋海温的异常对连云港、吕泗海域的SST有一定的影响,热通量是影响连云港海域SST变化的部分因素,仅通过海面热通量的变化无法解释连云港海域海表温度升高的现象,海洋动力过程对SST的贡献不能忽略。连云港、吕泗海域的SST变化与风场的变化显著相关。     

干、湿大气环流模式中地表增温的经向分布及其机制

使用耦合了平板海洋的三维大气环流模式, 探究理想条件下极地增温放大现象的产生机制。实验中关闭海冰和云的辐射效应, 固定地表反照率, 并将海洋经向热量输送设置为零。通过控制地表蒸发的有无, 模拟湿大气和干大气两种情形。模拟结果显示, CO₂浓度加倍后, 湿大气环流模式中存在极地增温放大的现象, 而干大气环流模式中不存在这种现象。在干大气环流模式中, 地表增温幅度基本上不随纬度变化, 即均匀增温。湿大气环流模式中, CO₂浓度加倍导致的直接辐射强迫和水汽反馈导致的辐射效应都是热带比极地更强, 唯一能够解释湿大气中极地增温放大原因的是从赤道向极地的大气能量传输增强。在干大气环流模式中, 从赤道向极地的热量输送及其变化比湿大气弱很多, 因此无法支持极地增温放大现象。干大气中的均匀增温是CO₂的直接辐射强迫和普朗克效应相互竞争的结果。研究结果表明, 与水汽相关的经向热量输送是地球极地增温放大的关键因素, 而在基本上没有水汽的火星上, 可能不会出现极地增温放大现象。     

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．     

热带太平洋地区HYCOM模式不同垂向坐标设置对比研究

基于挪威南森环境遥感中心改进的NERSC-HYCOM模式,对热带太平洋海域进行了多个不同垂向坐标设置的试验分析,探讨该海域不同垂向坐标设置对于模拟热带太平洋温度场和流场的影响,并设计了一个改进型方案.通过对比分析赤道海区海温、纬向流速的水平和垂直分布及其变化,得到以下主要结论:1)与密度相关的混合坐标模式对位密的选取是敏感的,NERSC-HYCOM模式应用于太平洋应选择适合太平洋的位密设置.2)具有较高垂向分辨率的单一z坐标或单一σ坐标模式能较好地模拟热带开阔大洋上层的温度场,但大洋边界处模拟效果稍差;单一σ坐标模式模拟的表层流场、双坐标σ-z模式以及上层z坐标分辨率不高的σ-z-iso混合坐标模式模拟的海温场和流场均不能令人满意.3)σ-z-iso混合坐标模式上层z坐标的分辨率对模拟效果影响较大,模拟热带太平洋海洋环流和海温应该采用较高上层z坐标分辨率的σ-z-iso混合坐标模式.     

亚澳季风区的水汽输送特征

用1950-2004年NCAR/NCEP再分析资料计算得到逐日垂直积分水汽输送通量矢量Q,然后进行月平均处理,分析了亚澳季风区的水汽输送特征。结果表明,北半球冬季,亚洲季风区低纬地区为东北风水汽输送,它经过赤道偏转为西北风水汽输送,将水汽输送到澳大利亚季风区和低纬南印度洋。北半球夏季,澳大利亚季风区和低纬南印度洋为东南风水汽输送,它经过赤道偏转为西南风水汽输送,将水汽输送到亚洲季风区。夏季的水汽输送要比冬季强盛得多。无论是冬季还是夏季,赤道上存在两个显著的水汽经向输送大值区,分别在35°-65°E和100°-135°E。冬季100°-135°E的平均值稍强;夏季35°-65°E的平均值远大于100°-135°E的水汽输送值,这说明夏季索马里越赤道气流在亚、澳季风区之间的水汽交换中占主要地位。两支越赤道水汽输送是相互独立的。每支越赤道水汽输送本身在冬、夏季存在显著负相关,当冬季从亚洲季风区向澳大利亚季风区和低纬南印度洋的水汽输送偏强时,接下来的夏季,从澳大利亚季风区和低纬南印度洋向亚洲季风区的水汽输送也偏强;反之亦然。