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,     

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。     

地球系统模式新型高分辨率网格系统研制与应用

气候模式是全球变化研究的基本工具之一,网格系统是模式空间离散化的平台,其直接决定着模式的空间解析度,并与模式框架的数值算法紧密互动、影响其精度和计算效率。随着对分辨率和模拟精度需求的不断提升,传统的大气和海洋模式网格分别面临着提高稳定性、计算精度以及计算时效性等诸多挑战。基于国内外现状和前沿,针对下一代地球系统模式和气候系统模式的发展需求,设定了研制具有自主知识产权的新型网格系统的研究目标。针对大气模式高分辨率准均匀网格、嵌套网格和相关数值算法的设计,以解决传统经纬度网格的计算效率和稳定性问题为主要目标,通过高精度算法降低准均匀网格及加密网格的印记误差。针对海洋环流模式设计新型正交网格,利用共形映射构造理论这一数学领域的最新进展,缓解传统网格中计算负载不均衡、海洋陆缘区域分辨率受限等问题。进一步针对关键海气耦合区域开展大气海洋网格协同设计,并开展高分辨率下的高效并行化、支持动态负载均衡和网格加密等功能。开展新型网格在我国自主研发模式和国际典型主流模式中的模式集成和评估。通过算法开源和支撑性数据集的开放使用,以及典型分辨率下的样例网格,为高分辨率模式的构建提供有效支撑。     

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。     

从地震序列的模拟看数值地震预报的前景

汶川大地震的伤痛还未愈合，又发生了玉树（Ms=7．1）、智利（Mw=8．8）、海地（Ms=7．5）及日本（Mw=9．0）等特大地震。地震难道就不能预报？用什么方法可以准确预报地震？这些问题再一次成为科学界与社会关注的热点。本文以发生于2008年汶川地震的龙门山断裂带上的强震序列的模拟为出发点，通过基于严格数学、力学原理的有限元方法计算给出龙门山断裂带上大地震的时间序列、同震位移场及同震应力场。通过研究发现，计算得到的龙门山断裂带上的大地震平均复发间隔为～3300年，这与古地震调查及其他方法给出的结果有一致性；模拟的同震应力场形态与汶川余震的深度分布之间存在着关联，同震位移与观测结果符合得较好。值得特别指出的是，文中的模型能够模拟断层由闭锁到解锁产生地震的全过程。模拟结果进一步显示，完全有可能利用科学计算方法给出未来强震发生的时、空、强三要素。类似于气象预报，本文将这种预测地震的方法称为数值地震预报。最后，文中对数值地震预报的可能性及需要解决的关键问题等进行了深入分析和研究，认为数值地震预报在科学上是可能的、技术上是可行的，数值地震预报是成功预报地震的最有效途径。     

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。     

极端海况反常波遥感识别技术

海洋灾害是当今的一个热点问题,尽管国内外有关于赤潮、飓风（台风）、海啸等海洋灾害的监测研究,但是国际上对另一类海洋灾害即反常波的研究很少,国内对反常波的遥感监测研究重视程度不够,而反常波对海上舰船航行安全危害极大,因此,利用数值模拟方法和卫星SAR图像对反常波遥感机制、识别技术及相应的软件系统研究非常重要。     

海洋有机气溶胶与海—气系统相互作用过程与机制研究现状及展望

海洋有机气溶胶与海—气系统相互作用是地球系统关键过程之一。然而，现有主流地球系统模式中缺少海洋有机气溶胶关键演化过程，导致对海洋有机气溶胶与海—气系统相互作用的过程和机制认识匮乏，全球气候变化预测具有很大的不确定性。针对海—气系统变异如何影响海洋有机气溶胶的生成和演化，以及海洋有机气溶胶的气候效应如何影响海—气系统两个关键科学问题，提出3个方面研究内容，包括海—气系统对海洋有机物排放的作用机制、海—气系统对海洋有机气溶胶理化性质的影响、海洋有机气溶胶气候效应对海—气系统的影响。通过构建海洋有机气溶胶演化过程及其气候效应的数值模型，阐明海洋有机气溶胶与海—气系统的相互作用过程与机制，为降低气候预测不确定性和应对气候变化提供科学依据。     

基于大气、海洋、潮汐和地表水数值耦合模式的地球角动量研究

本文在总结地球总系统角劝量变化的研究现状和所存在问题的基础上，首次给出了一个耦合了大气运动、海洋运动、海洋潮汐和地表水循环的无需通量修正的自由气候耦合模式，该模式的海洋分量考虑了大气压反变效应、固体地球潮汐作用和海洋水体自引力效应，细致地刻画了地球总系统内部的角动量交换过程。数值研究的初步结果表明，上述气候耦合模式的研制非常成功，可以作为进行地球旋转参数研究的新手段。     

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。     

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。     

我国近海海洋地质灾害

我国近海地质灾害类型复杂多样,分布广泛,已严重影响和制约海洋开发活动。并且,随着气候变暖、海洋开发利用强度的大幅增加,海洋地质灾害造成的经济损失的增长速度已远远高于海洋经济的增长速度;认识海洋地质灾害和灾害地质环境及其发育规律关系着我国沿岸人民的生存条件和经济发展。以国家海洋局第一海洋研究所为主的5家单位近百名科技工作者,对我国海岸带和近海进行了近千次地质灾害调查与监测,开展了评价和预警技术研究,开拓了海洋地质灾害研究领域,对促进海洋科技进步起到了引领和推动作用。获得的海量调查监测数据和取得的系列创新成果,在海洋防灾减灾、海洋工程建设和海洋管理等领域得到广泛应用。     

火山与水库地震监测预报关键技术研究

火山与水库地震监测预报关键技术研究的目标是,通过火山地震观测、GPS和大地水准测量、遥感分析、火山流体活动、野外地质调查与数值模拟等手段,研究火山区深部介质性质与应力状态,研究各种火山前兆活动的关系,探索火山活动预测与火山灾害评估的方法;通过典型水库库区诱发地震监测、地震地质环境和地震活动特征研究,探索水库诱发地震的活动特征、主要影响因素及其成因机理,探索水库诱发地震预测的有效方法,通过建立水库地震预测与危害性评估系统,为水电运行地震安全性提供辅助决策服务。     

迈向新世纪的海洋地质教育部重点实验室

海洋地质教育部重点实验室以海洋及相邻陆区的环境演变与海底资源为研究目标,围绕海洋地质的若干重大前沿课题,突出“地球系统科学”的思想;实现海洋与陆地相结合,古代与现代相结合;依靠国内外的广泛合作和和多学科的交叉渗透,采用高分辨率的测试和数值模拟手段,探索和发展环境演变与海底资源研究中的新思路、新途径和新方法,已经形成鲜明的科学研究特色。南海大洋钻探第184航次在南沙和东沙深水区6个站位钻井17口、取芯5500m,实现了中国海区深海科学钻探零的突破,为南海演变和东亚古气候取得了约3200万年的深海记录。南海大洋钻探是近年来实验室最重要的工作,从建议、论证、设计到主持实施和研究,实验室起了主要作用。实验室拥有包括稳定同位素比质谱仪、扫描电镜带能谱、X射线衍射仪、SUN工作站、图像处理系统和地震数据处理系统等大型仪器12套。     

我国重大气候灾害的形成机理和预测理论研究综述

鉴于我国气候灾害的严重性,本项目把20世纪80年代以来所发生的我国旱涝重大气候灾害作为项目研究的切入点,从气候系统各圈层的变化及其相互作用,特别是从气候系统中海-陆-气各子系统的变化及其相互作用对我国重大气候灾害发生的机理入手进行了深入分析研究,提出了与我国旱涝重大气候灾害形成机理有关的新理论;并且,在对我国旱涝重大气候灾害发生有重要影响的ENSO循环和青藏高原热力作用的机理和数值模式研究方面取得新的突破,从而使我国对ENSO事件预测水平有了较大提高;项目在上述理论研究的基础上提出了我国跨季度和年度气候异常的数值预测系统,研制出新一代气候数值模式,并利用此系统成功地预测了我国1998-2002年夏季发生的严重旱涝气候灾害.此外,项目还成功地进行了我国西北干旱区陆-气相互作用观测试验,获取了许多有关我国典型干旱区陆-气相互作用宝贵的科学观测数据,并得出许多原创性的科学结果,为开发大西北提供了可靠的气候环境资料.这些成果的取得,不仅为今后开展我国重大气候灾害的发生规律、成因与预测研究奠定了坚实的理论和数值模型基础,而且对于国家旱涝气候灾害预测水平的提高,减轻气候灾害造成的经济损失具有重要的经济和社会效益.项目还培养了一批从事气候分析、模拟和预测研究的优秀青年学科带头人,形成了一支从事气候灾害分析和预测的研究队伍,完善和建立了两个有关季风和ENSO循环、气候灾害预测的研究中心和一个典型干旱区陆-气相互作用的观测试验基地.     

香山科学会议第332—335次学术讨论会简述

2008年10月26日至11月13日,香山科学会议先后召开了主题为“引力理论和广义相对论的空间实验检验”、“西太平洋海洋环流与气候研究的机遇与挑战、“水科学研究中的若干基础前沿问题”和“高性能聚丙烯腈碳纤维制备的基础科学问题”的第332—335次讨论会。     

我国近海海洋-海底地形地貌

海洋与陆地之交的近岸海域,是人类开发利用程度高和活动频繁的区域,具有特殊性和重要性。我国近海70m等深线以浅海域作为陆地和海洋的交互地带,不仅受径流、潮流、波浪、沿岸流等水体和生物、风力、太阳辐射等营力作用,还频繁受到人类活动的影响,其地形、地貌的形态结构和演化过程同时受地质构造、海平面升降、海洋水动力、水化学组分、气候、生物及人类活动的影响。因此,查明近海地形地貌的格局和分布特征,掌握制约地形地貌形成与演化过程的控制因素,阐明其成因机制,不但为我国海洋经济发展、海洋减灾防灾、海洋科学研究、海洋环境保护和数字海洋提供基础的地形地貌数据,而且为我国近海资源勘探开发、海岸工程建设、海上交通运输以及国防安全等提供重要的科学依据。     

火星上曾存在炙热液态岩浆

根据两支独立的科学家小组的新研究，火星上一度存在液态炙热岩浆海洋。这一研究发现意味着火星温度冷却下来所需要的时间可能超过此前的预计。研究过程中，科学家对美国宇航局火星侦察轨道器获取的数据进行分析，寻找火星上的斜长岩。在太阳系内的斜长岩通常只存在于两个地方，一是地球的上层大陆地壳，另一个是月球高原。     

深积物中天然气水合物生成模拟实验技术

该成果来自于国家863计划"天然气水合物探测技术"课题,承担单位为青岛海洋地质研究所.课题的目标任务是:开展沉积物中天然气水合物生成模拟实验,为天然气水合物数值模拟及资源评价提供基础参数,并研制天然气水合物生成模拟实验功能模块软件供天然气水合物资源评价系统集成.     

广东近海海洋灾害应急决策辅助系统的研发

近年来,在全球气候变化的大背景下,极端自然灾害事件频发,威胁着我国近海经济社会活动的安全。提高海洋灾害应急决策能力是摆在我们面前的重要任务。本文介绍了在海洋公益性行业科研专项支持研究开发的“广东近海海洋灾害应急决策辅助系统”的研究、开发及应用情况。