高分辨率大气环流模式和海洋环流模式的研制

本研究是国家重点基础研究发展计划（973）项目“高分辨率气候系统模式的研制与评估”（2010CB951900）课题之一。该课题的研究任务和目标是,设计高分辨率大气环流模式动力框架,建立高分辨率全球大气环流模式,水平分辨率达到50km左右。改进并完善大气环流模式中云-气溶胶-辐射数值集合参数化系统（CAR）。定量评估现有气候系统模式上的云-辐射相互作用的不确定性,将CAR耦合到新开发的高分辨率大气环流模式中。研制高分辨率海洋环流模式,水平分辨率达到30～50km。课题组完成了全部计划研究任务,取得了一系列研究成果,发表和接收学术论文42篇,其中SCI论文20篇,专著1部。     

高分辨率气候系统模式的研制与评估

高分辨率气候系统模式是全球变化研究的重要研究工具,对于提升我国应对气候变化问题的整体实力有重要的应用价值。全球变化研究国家重大科学研究计划"高分辨率气候系统模式的研制与评估"项目通过5年的努力,成功研制和发展了我国高分辨率气候模式系统和其评估系统,建立了通量集合耦合平台,取得的主要成果有:(1)成功研发了全球高分辨率气候系统模式BCC_CSM2,其大气水平分辨为50km,海洋水平分辨为30km,它改进了模式中一些重要物理过程的参数化方案,使模式性能得到明显提高,对当今气候基本态的模拟与国际上现有模式性能相当,对东亚气候的模拟有部分优势,增强了对热带气旋、台风等中小尺度过程的模拟能力;(2)成功解决了与模式高分辨率有关的部分科学问题,如东亚地形问题和经纬度网格极地问题、与高分辨率相适应的模式动力框架问题、中国东部独特的冷季层云与青藏高原地形相关问题等;(3)自主研制了全球0.5°×0.5°网格的格点模式动力框架,具有良好稳定性和物理守恒性,建立了全球高分辨率格点大气环流模式,实现了"云-气溶胶-辐射数值集合系统"(CAR)与全球格点大气环流模式IAP4的耦合,揭示了云的次网格尺度结构是造成辐射计算差异最主要原因的物理机制;(4)建立了多大气模式交互集合耦合平台,集成了包括本项目支持研发的格点和谱模式在内的15个国内外知名的分量模式,成为研究海-气相互作用、噪音对气候影响的一种创新分析工具;(5)建立了包括东亚地区云与辐射、东亚-西北太平洋季风、热带偏差机理、云辐射反馈过程与ENSO模拟改进等的耦合气候系统模式评估体系,为评估、改进项目研制的高分辨率模式提供了重要参考和方向。所研发高分辨率气候系统模式的阶段性中低分辨率模式参与了第五阶段耦合模式国际比较计划(CMIP5),建立了业务气候预测系统,为国内外开展气候及气候变化科学研究提供了大量宝贵的模拟数据,为IPCC AR5的编写提供了科学参考依据,提升了我国在气候变化领域的影响力和气候预测能力。     

高影响海-气环境事件预报模式的高分辨率海洋资料同化系统研发

由于国家安全与社会经济可持续发展的迫切需求,MJO、ENSO、IOD和PDO等高影响海-气环境事件的预测一直是一个重要的研究领域。多尺度、多过程的复杂性使这些海气环境事件的预测至今仍然是气候科学最具挑战性的问题之一。由于海洋成分的长期记忆能力,耦合模式海洋成分的预报初始化对它们的预报有非常重要的作用。然而,国内现有的气候预测系统缺乏耦合模式框架下先进的海洋资料同化系统,同化的海洋资料种类也亟待增加。而针对MJO等季节内尺度和PDO等年代际尺度气候变率,现有气候预测系统的研究水平和业务能力更处于薄弱或空白状态,滞后于国际发展水平。针对全球变化的背景,需着重开展耦合模式的海洋资料同化研究,发展全球耦合模式的海洋资料同化系统,从而提高气候预测能力,增强我国气候防灾减灾的手段,提升我国全球变化研究的竞争力和国际地位。基于我国自主研发的海气耦合模式,项目将开展全球和区域多源海洋观测资料同化技术研究,突破耦合资料同化中海洋和大气之间的动力、热力平衡的关键技术问题,发展耦合模式框架下的参数估计和约束系统,研制具有业务化前景的高分辨率海洋模式的耦合同化系统,并开展MJO、IOD、ENSO和PDO等高影响海-气环境事件的综合评估和预测示范应用。     

云计算

<正>云计算(Cloud Computing)概念是一个美丽的网络应用模式,是网格计算(Grid Computing)、分布式计算(Distributed Computing)、并行计算(Parallel Computing)、效用计算(UtilityCom)、网络存储(Network StorageTechnologies)、虚拟化(Virtualization)、负载均衡(Load Balance)等传统计算     

高分辨率海洋模式关键物理过程参数化方案的研发

全球气候模式对气候变率的预测存在很大的不确定性,这不仅影响气候研究的本身,也给我国政府相关决策带来困难。海洋是整个地球气候系统的一部分,海洋模式的准确性直接影响全球气候模式的可靠性。参数化是数值模式的动力核心之一,因此开发新的海洋模式参数化方案是改进气候模式的必经之路。针对高分辨率海洋模式,我们需要开展中小尺度海气相互作用、中尺度涡旋诱导的沿等密度面和跨等密度面混合、次中尺度、内波以及海流与海底地形相互作用等关键物理过程的研究,阐明海洋能量级串多重耗散路径和机制,以此建立从海面到海底全深度的适用于高分辨率海洋模式的关键物理过程参数化方案,以改进全球和区域海洋的模拟能力。     

气象中尺度集合预报应用网格研究进展

网格技术的发展为高分辨率数值天气预报系统的运行提供了可全面共享的计算资源和可协同工作的开发环境。针对集合预报系统计算量大、数据量大的特点,课题利用网格技术开发了一个基于网格技术的气象中尺度集合数值预报网格应用系统MAGEP（Meteorological Application Grid formesoscale Ensemble Prediction）。该系统聚合了分散在不同地域的行业内部和中国国家网格在内的计算资源、数据资源、软件资源和研究资源,为集合预报系统的运行提供了计算资源和数据存储能力的支持。     

南海海洋环境数值预报试验平台

本项目建立了针对南海区域的南海海洋环境数值预报试验平台（Experimental Platform of Marine Environment Forecasting,EPMEF）。该平台由区域大气模式、区域海洋环流模式和波浪模式组成。其中大气模式采用国际先进的WRF（The Weather Research and Forecasting）模式,     

高分辨率全球气候模式大气物理过程参数化研发和应用

本项研究将充分利用各种观测数据、再分析数据以及针对不同尺度的模式,包括大涡模式、云分辨模式、单柱模式以及全耦合气候系统模式,借助对这些数据和模拟结果的深入和细致分析,加深对宏观云物理、云微物理、对流以及它们与边界层过程和气溶胶之间相互作用的认识,设计和发展适用于高分辨率大气环流模式的先进物理过程参数化方案,利用一系列的诊断工具来评估和进一步改进参数化方案,以降低模式中长期存在的重要模式偏差,推动我国大气环流模式的发展。     

大气环境综合立体监测技术应用及设备产业化

我国环境问题已进入复合型环境污染的新阶段，项目组通过近10年深入研究，开展了具有自主知识产权的多波段污染物光谱分析方法研究，建立了大气污染物光谱数据库，提出了相应污染物浓度反演算法，建立了数值解析模型；发明了大气污染成分与颗粒物时空三维分布探测技术、整层大气痕量成分探测方法、气溶胶动力学粒径谱检测方法等多种大气污染物光学监测技术和方法，所研发系列技术成果与企业合作进行了产业化应用，     

中国国家网格软件CNGrid GOS

CNGrid GOS是为支撑中国国家网格环境运行而开发的一套具有自主知识产权的网格软件,是国家865计划支持的中国国家网格软件研究与开发课题的重要成果。本文介绍了组成CNGrid GOS的各部分软件结构、功能和创新点,包括系统软件、CA证书管理系统及测试环境、三个子版本业务系统（高性能计算网关、数据网格、网格工作流）和监控系统等。     

中国古代历法家对"算理"的探究

在中国传统历法中,某些算法的设计有时极为复杂,它们所考虑的精度要求很高,但在实际运算中并不是必须的。这些算法的设计,一方面反映了历法家对计算精度的高度追求,另一方面也体现了他们对某些计算的算法原理的深入探究。以宋元时期的太阳黄道日度算法和隋唐时期的月亮中心差算法为例,通过探讨这两种为了“以究算理之微”而特别设计的精细算法的天文意义与造术原理,可以看到传统历法家为了追求“算理”而付出的令人惊异的努力。     

利用Agro浮标估计南大洋混合的时空变化

海洋中的湍流跨等密度面混合(以下简称混合)控制着海洋中淡水、热量以及CO2等溶解物质的输运。南大洋是全球湍流混合最强烈的区域之一。理解南大洋湍流混合的时空分布特征对于模拟和预测全球大洋环流和气候变化起着至关重要的作用。目前,部分投放在南大洋的新型Argo浮标已经采用铱星通讯系统传送数据,可以返回垂向高分辨率的水文剖面,从而为研究南大洋的湍流混合提供了前所未有的机遇。本文作者在国际上首次利用这些新型浮标观测得到的高分辨率剖面对湍流混合进行了研究。结果表明,南大洋的混合存在明显的空间分布不均匀性,并且与地形变化密切相关。此外,在地形平坦处,湍流混合表现出明显的季节变化。这种变化主要是由风输入到海洋中的近惯性能量的季节性变化引起的。     

北京及周边地区大气污染机理及调控原理研究

"首都北京及周边地区大气、水、土环境污染机理与调控原理"中大气分项目着重研究北京城市大气边界层动力、热力结构和边界层中大气污染物的物理化学特征及其变化规律,并对大气污染物的输送扩散、转化进行研究,开展城市大气污染数值预报模式及其预警系统的研究,这是本世纪城市环境研究的重大课题之一.本研究揭示城市大气环境污染调控原理,并提出治理方案.城市大气边界层系统观测及城市大气边界层物理过程和污染物化学过程之间强非线性、强非均匀性及耦合理论预测模型研究,大气与水、土多圈层相互作用的机理研究为实施北京"蓝天碧水"环境工程目标提供大气、水、土工程决策与规划,为北京地区污染综合治理提供了科学依据和理论基础.     

海洋环境变化关键参数观测数据处理方法和产品研制

海洋是地球系统的重要组成部分,对全球变化的贡献和调控作用越来越受到重视。目前用于全球变化研究的海洋环境数据产品普遍存在近海和深海数据量少、时空分辨率低、可靠性和信噪比差以及生物化学参数更加稀少、缺乏成熟产品等问题。针对这些问题本研究提出了以数据准备、数据加工、产品制作为核心工作内容的海洋环境变化关键参数数据产品研制方案。提出研究的首要任务是开展数据融合技术研发,进行多源数据整合和数据源建设;进而进行数据处理的共性技术以及不同参数的差异化技术研发,开展海洋水体物理要素数据产品、海面环境参数数据产品、生化环境参数数据产品研发;同时针对不同环境参数的数据特点,设计共性功能和差异化功能兼备的数据管理系统,拓展数据管理能力和数据产品影响力。最终发展具有区域优势、性能指标优势、技术方法先进且具有普适性的海洋环境参数数据产品,为全球变化研究提供技术和数据支撑。     

浪-潮-流耦合数值模式突破上层海洋数值模拟与实测不符难题

占地球表面积 71%的上层海洋是人类活动最活跃的区域之一 ,并直接影响、调制着全球气候变化。数值模拟是研究上层海洋动力过程和海洋环境预测预报的重要手段 ,但国际上所有海洋数值模式都面临着同一经典难题 :夏季所模拟的海洋表面海温过高、上混合层深度太浅、海洋跃层强度偏低 ,该问题的实质是海洋的垂直混合强度不够。过去的研究由于受到理论发展和计算能力的限制 ,一直将相互作用的海洋环流、潮流、波浪分别单独研究。国家海洋局海洋环境科学和数值模拟重点实验室 (MASNUM )在 973计划项目“中国近海环流形成和变异机理、数值预测方…     

计及缺陷敏感性的网格加筋筒壳结构轻量化设计理论与方法

在国家973计划青年项目的支持下,大连理工大学联合北京宇航系统工程研究所,开展了计及缺陷敏感度的网格加筋结构优化方法研究,为大直径运载火箭工程网格加筋筒壳结构的创新设计提供了理论依据和方法支撑,服务国家重大战略需求。     

新型海洋微波遥感探测机理模型与应用研究

"新型海洋微波遥感探测机理模型与应用研究"项目针对"十四五"及后续我国拟发射的星载五种新型微波载荷的需求,解决了星地一体化观测原理、算法模型和数据处理中存在的科学问题和技术难题;针对目前缺乏极化观测、多普勒信息观测、海流测量和海面目标凝视等问题,突破了微波海洋遥感极化、多普勒等机理模型和新型载荷仿真与研制、数据处理等关...     

拖曳式水下浮游动物及鱼卵显微成像与识别系统

针对海洋浮游生物拖网等传统调查方法存在的时空分辨率低的不足,开发了基于光学成像技术的拖曳式水下浮游生物可视化监测装置(Towed Imaging System for Ichthyoplankton and Plankton,TISIP)及图像自动处理系统.TISIP利用基于机器视觉的水下非接触实时监测技术,可以在2～3节的航速下以20微米/像素的分辨率进行实时成像,为开展中、小型浮游动与鱼卵的识别、浮游动物功能群的分类、浮游动物群落的种群结构与数量分布的原位监测、以及浮游动物群落习性与环境因子变化的关系、浮游动物行为与摄食、漂浮特性、昼夜节律、以及垂直迁移等研究提供高时空分辨率现场监测技术手段.本成果在保护海洋生态及环境,开展渔场产卵数量的分析以及渔类资源评估等领域具有广阔的应用前景.     

《宝莉莎历数书》中的行星运动理论

《五大历数全书汇编》是古代印度一部重要的数理天文学著作,收录其中的《宝莉莎历数书》中的行星理论并未采用本轮模型,其鲜明的代数传统与中国传统行星理论的思路非常相似。文章详细讨论了《宝莉莎历数书》中金星、木星、土星和火星的始见算法、动态表的结构与精度、中心差修正算法以及黄经计算精度。结果表明,《宝莉莎历数书》中金星和火星黄经计算精度大体相当,木星和土星黄经计算精度大体相当,其中木星和土星中心差修正算法的效果比较明显。     

晶圆表面金属薄膜的纳米精度在线测量方法与实现

本文主要介绍了晶圆加工中的几何参数的纳米精度在线测量的原理、方法和测量仪器研究。针对化学机械抛光（ CMP ）中晶圆表面的金属膜厚的高精度快速在线和离线检测技术的要求，通过数值模拟和理论分析，研究了涡流传感器的参数对其灵敏度的影响规律，得到了提高灵敏度的新方法；实验验证了一种减小提离高度对膜厚测量精度影响的测量方法的有效性，并设计开发了快速多频测试系统；设计了电涡流在线和离线检测系统，并成功应用于国家重大专项项目“超低下压力化学机械抛光装备样机”中，实现了用电涡流方法进行全自动、快速、多模式、大提离条件下的晶圆金属膜厚度纳米级分辨率在线测量和晶圆抛光后铜膜厚度离线全局测量。