沙尘暴对火星表面探测器的影响:回顾与展望

沙尘暴会对火星表面探测器带来发电量减少、环境温度降低、通信不稳定和仪器污染等方面的影响.为保障我国祝融号火星车的安全运行及未来火星表面探测任务的顺利开展,亟须评估沙尘暴对火星表面探测器的影响.通过系统性地回顾1997～2018年间火星表面探测器(包括着陆器与火星车)对沙尘的响应,初步认清了沙尘对火星表面探测器的影响规律——探测器太阳能电池阵列表面的尘埃以比较稳定的速率积累,而尘埃的沉积速率在沙尘暴期间,尤其是全球性沙尘暴期间会大大加快;同时,受多方面影响,电池阵列表面也会发生具有季节性模式的除尘事件.为规避沙尘暴带来的风险,在美国洞察号着陆器(InSight)的设计阶段就全面评估了沙尘暴对其着陆硬件系统及太阳能电池阵列的影响,并采取了一系列应对措施.洞察号应对沙尘暴的举措为我国未来的火星采样返回任务提供了重要启迪——前瞻性的科学指导是保障工程任务成功实施的关键.通过分析我国火星采样返回任务的初步轨道设计方案,建议未来火星探测器发射的最优窗口为2028年1月左右,以合理规避沙尘暴带来的风险.     

新一代火星大气模式GoPlanet-Mars V1的研制

火星探测是当前国家高科技竞争力的标志,世界航天强国均研制火星大气模式,为登陆探测提供气象环境保障.本文描述了我国新一代火星大气模式(global open planetary atmospheric model for Mars,缩写GoPlanet-Mars,简称GoMars)的研制,其中的动力框架完全自主研发,具有二阶精度、能保证质量守恒. GoMars引进并耦合了美国宇航局艾姆斯研究中心的火星物理过程,具备模拟沙尘、水和CO₂的能力.基于我国“祝融号”、美国“维京1号、2号”的实测数据以及国际火星大气全球数据集评估了GoMars,结果表明:GoMars能成功再现3个探测器记录的火星大气独特的地表气压“两峰两谷”特征;在全球地表温度、纬向急流、极区CO₂冰和沙尘方面, GoMars也具备良好的模拟性能,可为我国火星探测计划实施提供新的气象环境保障手段.     

大气 海洋 地学研究中数值模拟的进展

1.引言数值模拟研究在大气和海洋科学中已比较成熟,形成了完整的理论系统,并在实际业务中得到了广泛和有效的应用。数值模拟,或称大规模科学计算,在环境问题、河湖治理、古气候古环境复原、宏观生态问题,以至在某些地质和成矿过程等的研究中,亦已显示出或预示着必将有长足的发展,在推动各有关学科的发展上作出重要贡献。我国地学的数值模拟研究开展得比较晚,但近年来取得了较大的进展,在上述各领域中都取得了成果。由于在大气和海洋学方面比较成熟,下面将仅就此作些介绍。     

气候模式中的海洋大气耦合积分方案

一个复杂的气候模式,一般应包括大气、海洋、冰雪圈等组成部分。其中大气与海洋这两种流体间的耦合是气候模拟中的一个重要问题。通常对一个单位模式时间(如月、年),大气模式运行所需的计算时间比海洋模式要大得多,约为10~2倍。另一方面,海洋模式达到气候平衡     

与动力场相耦合的区域沙尘分档模式及个例模拟

综合考虑沙尘的起沙、扬沙、输送、干沉降、湿沉降等物理过程, 建立了一个比较完善的综合沙尘过程模式, 并与MM5中尺度动力模式相耦合, 构成区域沙尘模式. 模式中利用摩擦速度和地表信息资料, 对起沙通量作了订正; 扬沙过程, 根据流场、不同的边界层和不同的积云对流参数化方案, 分别处理; 模式中沙尘的沉降分为干沉降和湿沉降, 对沙尘粒子作了按尺度的分档处理, 对于显式或隐式降水都作了比较精细的考虑. 该模式对2002年3月20日和2002年4月7日影响我国北方大部分地区的强沙尘天气的形成和输送过程进行了模拟试验, 结果表明, 模式能较好地模拟沙尘过程的形成和传输扩散特征.     

全球大气-海浪耦合模式对海面气压场模拟的改善

利用高分辨率的全球大气环流-海浪耦合模式进行了大气环流季节循环的集合模拟, 通过与欧洲中期预报中心再分析资料的比较, 表明耦合模式可以有效地改进海面气压场的模拟, 这种改进得益于考虑了波浪所产生的波生应力. 同时, 耦合试验结果也清楚地表明了中纬度大气对于海表热通量强迫表现为“热-低压”的响应形式, 增进了对中纬度大气对于海洋强迫响应的理解.     

ECOMSED模式及其在海洋数值模拟方面的应用

文章主要介绍了ECOMSED模式的发展、功能等.ECOMSED模式是一个具有发展前景的水动力和沉积物输移模型,能较好地拟合岸线和较为方便地处理浅海变化的海底地形,在海洋数值模拟方面得到了广泛应用.     

ECOMSED模式及其在海洋数值模拟方面的应用

文章主要介绍了ECOMSED模式的发展、功能等。ECOMSED模式是一个具有发展前景的水动力和沉积物输移模型,能较好地拟合岸线和较为方便地处理浅海变化的海底地形,在海洋数值模拟方面得到了广泛应用。     

外强迫驱动下气候系统模式模拟的近千年大气涛动

利用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/IAP)气候系统模式进行的过去千年气候模拟数据, 分析了近千年大气涛动的变化, 并与重建资料进行了比较. 基于代用资料的近千年大气涛动重建序列表明, 北大西洋涛动(NAO)与太平洋年代际振荡(PDO)的演变在千年尺度上呈反位相变化, 在中世纪暖期(MWP)期间, NAO强, PDO弱; 在小冰期(LIA)期间, NAO弱, PDO强. MWP 期间盛行类La Niña 状态,LIA 期间盛行类El Niño 状态, 15, 17, 19 世纪最明显. 模式基本再现了1000~1400 AD NAO 正位相及1650~1900 AD NAO负位相特征, 但模拟的NAO在1400~1650 AD与重建结果差别较大. 模拟的PDO 演变与重建资料较为一致, 均表现为MWP 期间PDO 负位相(1000~1400AD)、LIA 期间PDO 正位相(1400~1900 AD)的特征, 模拟与重建结果的相关系数可达0.61. 模拟的近千年Niño-3 指数演变与重建资料差别较大, 模拟结果表现为中世纪暖期ENSO 正位相、小冰期ENSO 负位相的特征. 模拟与重建的近千年南极涛动(AAO)均表现为中前期负位相、后期正位相的变化特征. 模式可以合理再现MWP 期间亚洲-太平洋涛动(APO)指数整体偏强, LIA 期间APO 指数整体偏弱的特征, 在1000~1985 AD 期间, 模拟与重建结果的相关系数为0.50. 太阳辐射和火山活动等外强迫变化是影响近千年大气涛动变率周期的重要因子之一.     

中国酸雨模式研究回顾与所面临的挑战

本文阐述了我国开展酸雨研究以来所取得的关于酸雨形成原因、化学特征以及时空分布特征等方面的研究成果,重点介绍了目前我国主要的酸雨数值模式研究的现状,指出了我国酸雨未来的变化趋势和模式研究面临的新挑战。     

计算模拟研究挥发性有机胺的大气转化机制与动力学

对流层大气包含大量的挥发性有机化合物(volatile organic compounds, VOCs),种类可高达10万种.研究表明, VOCs的大气转化对于O₃和二次有机气溶胶的形成起着重要作用.因此,获取VOCs的大气转化机制与动力学是量化VOCs区域或全球大气质量影响所需的重要信息.有机胺是一类重要的VOCs,其来源包括天然源和人为源.特别是,随着基于胺溶液的燃烧后CO₂捕捉技术的大规模应用,将会排放大量的挥发性有机胺,进而增加大气中有机胺的种类和浓度.近年来,越来越多的科学家开始关注基于胺溶液的CO₂捕捉单元释放的有机胺的大气转化机制与动力学.本文在早期关于有机胺的大气转化综述的基础上,重点介绍2012年以来,国内外学者采用计算模拟方法研究CO₂捕捉单元释放的有机胺的大气转化机制与动力学的最新进展,展望有机胺大气转化的未来研究方向.     

显生宙长时间尺度碳循环演变的模拟:现状与展望

长时间尺度碳循环演变控制了大气CO₂的含量.显生宙以来,大气CO₂含量的变化及其对地表气温的控制,是古气候地球化学研究的前沿领域.地球系统箱式模型被广泛用于揭示长时间尺度碳循环和古气候变化的过程与机制.以COPSE(Carbon-Oxygen-Phosphorus-Sulphur-Evolution)和GEOCARB模型为代表的早期长时间尺度碳循环模型,在应用于显生宙大气CO₂含量变化研究上成效显著,但因无法表达地球三维地表的影响,制约了其进一步发展.新发展的SCION(Spatial Continuous Integration)模型基于COPSE模型,结合了GEOCLIM模型中运用的FOAM(Fast Ocean-Atmosphere Model)气候模型数据集,实现了大陆风化的动态表达,进而更准确地表征了长时间尺度的碳循环演变.然而,最新版SCION模型模拟的大气CO₂含量变化,仍与大气CO₂的地质指标记录存在不一致之处.采用多箱式海洋替代单一箱式海洋,区分硅酸盐岩性对风...     

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.     

藻菌关系的生态网络研究方法:回顾与展望

藻类与细菌是海洋生态系统中重要的组成部分,两者间复杂的互作行为在维持共生关系、物质代谢以及协同进化中具有重要的生态意义.以往的研究证实了藻菌关系中多样化的表现,包括互利、共生、拮抗以及互害等.然而,由于藻菌关系的复杂性,传统工具无法充分挖掘暗藏在藻菌之间的深度信息.鉴于全球变化对海洋生态系统的影响和微生物组学的发展,藻...     

线板放电电流体的实验研究与数值模拟

为了分析不同极配形式下放电场中离子风的运动状态,采用实验分析和数值模拟的方法,并结合相关电流体理论进行分析,确立了离子风起始电压的概念;得出了极板处离子风速、电晕线处离子风速和放电电压之间的关系;建立了线板式放电仿真模型,并采用动力风代替离子风的方法对放电通道内的离子风进行了数值模拟,阐述了离子风速模拟值与实测风速值、理论风速值产生误差的原因.模拟结果显示,电晕放电过程中离子风在放电通道内呈双螺旋结构分布.上述结论将对放电空间物质间相互作用的研究提供必要的理论指导.     

中国大气本底站2000～2009年CO2浓度变化模拟:Carbon Tracker模式应用

CO2作为产生温室效应最主要的温室气体,所带来的全球变暖问题正日益受到人们的关注.但由于我国区域本底站稀少,观测时间较短,因此目前的分析只能局限于表观,尚无法完整描述我国温室气体浓度变化状况及地区间的差异,也难以测算不同地区温室气体排放源和吸收汇的动态变     

多百年际气候变率:观测、理论与模拟研究

长时间序列的代用资料表明,地球气候系统存在着数百年时间尺度的气候变率.这种变率产生的原因及机制一直是困扰气候学家和考古学家的重大科学问题.从全新世中期直至工业革命之前,地球所受的外强迫变化较小,研究这一时期气候系统的长期自然振荡非常重要.本文从观测、理论和模拟研究3个方面对多百年际气候变率的研究现状进行了详细梳理.我们期望能够通过创新性的理论和模式试验方法,勾画多百年际气候变率的空间模态,解密其时间尺度来源,揭示其内在运行机理,取得原创性成果,回答海洋动力学和气候动力学的一些基础科学问题.