南极高原夏季Ekman边界层动力学分析

极地大气行星边界层动力过程及其对全球大气环流的影响是大气科学研究关注的重要问题.利用中国南极昆仑站2012和2013年夏季高分辨率的GPS探空资料,对南极高原大气边界层的动力特征进行了研究.结果表明,南极高原观测风随高度的变化规律与理论计算的Ekman螺旋曲线基本一致.风速随高度增加快速、风向左转.这是在南半球观测到的显著Ekman垂直结构特征.Ekman动力边界层的厚度较高,平均从900 m向上至3400 m,900 m以下为对流混合层.整个层结呈干冷和稳定状态,显示了南极高原边界层动力结构具有其独特性.计算的南极高原湍流摩擦应力明显大于中低纬度地区的值,表明南极高原行星边界层动力摩擦效应对全球大气环流的影响显著.     

一个修正的海气通量距平耦合方案

通过分析海气耦合模式“气候漂移”的原因,提出了一个修正的通量距平耦合方案,它可以保证通过海气界面的热通量长期平均值接近于零。应用这个耦合方案,可以成功地把一个２０层海洋环流模式和９层大气环流模式耦合起来,并完成了一个４０ａ的长期积分,积分结果表明,模式没有出现明显的气候漂移。     

改善月动力延伸预报水平的一种新途径

从数值模式普遍存在的一个重要预报误差源—— 纬向平均环流入手, 提出了一种改进月动力延伸预报的新途径. 首先, 应用重构相空间理论和非线性时空序列预测方法, 在大量历史资料的基础上构建纬圈平均环流(纬向平均高度场)月尺度逐候非线性动力学区域预报模型; 然后将非线性动力预报和数值模式动力预报结合起来, 即将非线性预报结果转化为模式需要的预报量, 再在模式积分过程中实施过程订正. 试验结果表明, 这种方法不仅有效减少了模式的系统性预报误差, 而且通过波流非线性相互作用, 使部分波分量的预报得到了较明显的改善.     

理想海底地形的南海海洋经向翻转数值模拟

利用一个z坐标刚盖近似海洋环流模式, 分别在吕宋-台湾以东的闭边界和开边界两种情况下, 模拟了理想海底地形(1000 m平底)南海冬季和夏季上层环流的经向翻转(meridional overturning), 目的是为了分析黑潮入侵南海的可能影响范围及其对南海上层环流经向翻转的改变, 并比较这种影响的季节性差异. 模式采用气候平均的海面风场驱动, 热盐强迫采用基于向Levitus气候海面温度和盐度张弛的边界条件. 从模拟结果来看, 黑潮影响南海上层经向翻转的范围可达到10°N左右, 从而驱动南海上层海洋形成一个不闭合的经向翻转. 在冬季(1月份), 海水从大约400 ~ 500 m深处自北向南输送, 并且逐步上升, 在表层返回北部; 在夏季(6月份), 也有类似的情形, 海水从大约150 ~ 200 m深处自北向南输送, 并且逐步上升, 在表层返回北部. 该经向翻转描述了南海中、上层水的运动路径, 为研究南海风生-热盐环流动力学提供了理想化的参考依据.     

太行山东侧中低压生消过程的数值试验

在太行山东侧,中低压的出现频率很高,是影响华北平原天气的重要系统。本文利用Mass和Dempsey一层(σ坐标)模式,根据华北的地形特征,修改了原模式的计算方案。用此模式对太行山东侧中低压的生消过程进行数值试验。结果表明,这个中低压是在太行山和燕山的特殊地形条件下,由地形的动力、热力作用的变化而形成和消失的。     

全球植被分布对陆面气温影响的半解析分析

植被分布对全球环流及其温度分布有极其重要的影响, 对于自由大气的无黏性绝热、斜压、大尺度定常有限扰动, 通过三维环流控制方程来描述, 再结合P坐标下的静力方程得到温度的控制方程, 化成到地形坐标系下, 得到环流温度的三维控制方程. 结合下边界辐射平衡条件与常数上边界条件, 可以给出全球环流温度的半解析解. 本文只讨论了陆面气温的分布, 可以看到该模型能够较好地反映全球陆面气温的分布, 而且当考虑到植被反照率对温度的反馈时计算的结果更加符合观测值. 对于敏感性试验, 考虑到全球陆面为冰雪覆盖时陆面气温有较大的降低, 全球陆面为森林覆盖时陆面气温偏高. 所以本模型能够从理论上半解析地给出陆面气温随植被分布的变化, 是研究陆面生态分布对陆面气温变化的一个较好的工具.     

基于卫星高度计的南极绕极流强度年际变异规律

利用20年的卫星高度计绝对动力地形数据在流函数坐标中研究了南极绕极流(Antarctic Circumpolar Current,ACC)强度的年际变异规律.流函数坐标投影方法能够把ACC从副热带和副极地环流中分离出来,考虑了其纬向不对称性而不是简单地将其作为一支纬向流.研究表明ACC强度具有很强的年际变化,其在2000和2009年前后增强.这种年际信号主要出现在印度洋和太平洋扇区,而最强信号位于澳大利亚以南.西风在1998和2008年的增强可能通过斜压动力过程导致了ACC在2000和2009年前后的增强.     

正交地形追随坐标系中平流误差的对比分析

通过2组线性平流试验,分析随地形复杂度和空间分辨率增加,正交地形追随坐标系(OS坐标)中平流误差的变化.第一组试验采用3种地形,即:单峰、三峰和五峰的波状地形,第二组试验采用5种水平(垂直)分辨率,对比分析OS坐标和经典地形追随坐标系的混合版本(HS坐标)的平流误差.第一组多地形试验表明:单峰试验中,OS坐标与HS坐标的平流误差接近;三峰试验中,OS坐标的平流误差略小于HS坐标的平流误差;五峰试验中,OS坐标的平流误差远小于HS坐标的平流误差.其原因是,HS坐标生成的非正交网格,与OS坐标生成的正交网格,在五峰地形条件下差异最明显.这说明,在简单地形条件下,由于OS坐标和HS坐标的网格差异小,OS坐标减小平流误差的效果不明显,在复杂地形条件下,两者计算网格差异明显,相比HS坐标,OS坐标能显著减小平流误差.第二组多分辨率试验表明:OS坐标的平流误差始终小于HS坐标的平流误差,且垂直分辨率越高,效果越明显.两组理想试验的结果说明,OS坐标有可能减小高分辨率模式中,复杂地形区域的平流误差.     

一个气候系统模式中大洋热盐环流对全球增暖的响应

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(IAP/LASG)气候系统模式GOALS, 讨论了全球增暖背景下大西洋热盐环流的变化. 结果表明, 全球增暖令北大西洋高纬热盐环流的下沉区海温升高、海水变淡, 海水密度随之降低、海水下沉减弱, 其与低纬大洋间的经向密度梯度减少. 当大气中CO₂浓度加倍时, 热盐环流减弱8%. 这种变化主要限于北大西洋而非整个输送带的均匀一致减弱, 它带来大西洋中高纬度极向热输送减弱最多达10%.     

冬季格陵兰、喀拉海和巴伦支海海冰年际变化与ENSO事件

众多研究表明,ENSO事件不仅仅是热带地区大气和海洋异常年际变化现象,并且与中高纬度地区的气候异常变化相关联,一方面通过对两维定常行星波的强迫导致中高纬度地区的遥响应;另一方面,中高纬度的大气环流异常对ENSO事件的发生也具有触发作用.海冰变化可以引起盐度突变层的灾变和热盐环流的突然停止,可以导致半球乃至全球大气环流异常,最新研究表明,海冰面积变化周期与ENSO事件的周期有较好的一致性.本文讨论了冬季格陵兰、喀拉海和巴伦支海海冰年际变化与ENSO事件的关系,认为该海域海冰面积异常可以引起北半球大气环流异常响应,尤其是当海冰面积变化超前大气变化3年时,可以诱发大气高度场产生PNA型异常;ENSO事件都发生在海冰面积变化速度为极值点的冬季.     

全球有限区数值预报模式动力框架的试验验证

全球有限区通用数值预报模式是21世纪数值预报模式的发展趋势, 为此“十五”期间中国气象局发展了一个GRAPES(global/regional assimilation and prediction system)全球有限区多尺度非静力数值预报模式. 为了验证GRAPES模式方案设计的科学性、程序编写的正确性, 针对模式的特点设计了一套完整的理想试验方案来对GRAPES动力模式的性能进行检验, 包括用于检验中尺度模式的密度流和三维地形波试验; 用于检验近极地半拉格朗日上游点和极区离散方案正确性的越极地气流试验等. 密度流试验显示模式框架对精细尺度的非线性流及其瞬变特征有较强的模拟能力; 三维地形波试验说明GRAPES模式动力框架能够较好地模拟气流过山时重力内波的水平与垂直传播. 而越极地气流试验验证了模式对极地半拉格朗日上游点及近极地的离散处理是正确的. 实际个例试验表明, GRAPES全球模式对影响中国夏季的大尺度环流形势有较好的预报能力.     

相似-动力模式的月平均环流预报试验

在过去相似-动力模式研究的基础上, 建立了以T63L16月动力延伸业务预报模式为动力核的相似-动力月预报模式. 原T63模式的月平均环流预报为控制试验, 所建立的相似-动力模式的月平均环流预报为对比试验. 通过4个相似-动力模式预报成员的集合平均, 对比试验结果显示了优于控制试验的月平均环流预报技巧.     

2002年亚洲北部的超强暖冬事件及其超常大气环流

揭示并分析了2001年12月至2002年2月亚洲北部的超强暖冬事件(850 hPa, 气温距平超过 3℃), 以及与之相伴的全球大气环流异常特征. 发现该超强暖冬是20世纪70年代末之后的年代际变化和年际变化共同作用的结果, 而且年际变化起主要作用. 与此次亚洲北部强暖冬事件相伴的大气环流异常有着全球特征, 特别是在东半球异常显著; 同时, 南半球中、高纬区的大气环流异常亦十分明显.     

利用气候模式能够预测西北太平洋台风活动的气候背景吗?

首先利用1948~2004年观测和再分析资料分析了西北太平洋(WNP)台风频次与夏季平均纬向风垂直风切变、外逸长波辐射以及对流层高、低空散度场之间的相关关系, 表明台风发生频次与三者在台风发生源区都存在密切关系, 因而对西北太平洋台风活动异常具有显著的预测意义. 然后, 利用中国科学院大气物理研究所的9层全球大气环流格点模式(IAP9L-AGCM)进行了34 a (1970~2003年)集合回报试验, 考察了该模式对台风源区纬向风垂直切变以及对流层低层散度场的预测能力. 结果表明, 前者回报结果与实测间的时间相关系数可达0.70, 后者回报结果与实测间的空间相关系数达0.62, 这说明模式对WNP台风活动中主要相关大尺度环境场具有较大的气候预测潜力, 从而有能力在一定程度上实现西北太平洋台风活动异常的实时气候预测.     

辐射沙洲地形对南黄海潮汐过程的影响

利用海岸及大洋环流模型FVCOM三维数值模式模拟了南黄海区域辐射沙洲地形条件下的潮波运动,并与实测天文潮进行验证,保证了计算精度.在相同动力条件下,又模拟了去除辐射沙洲地形时的南黄海潮波运动情况.结果表明:辐射沙洲地形使得潮波波形发生形变,落潮历时大于涨潮历时,且越接近近岸这种差异越大,非线性效应显著;辐射沙洲地形的存在使得辐射状汊道的流速变大,均超过1 m/s,涨潮期和落潮期流速均大于辐射沙洲北部的废黄河口和南部的长江口;与此同时,辐射沙洲地形的存在使得该海域潮能通量变大,加快了潮能耗散,也使得临界层化参量值向近海移动,即潮混合锋区向近岸移动.同时,伴随着近岸层化参量值变小,海水掺混在辐射沙洲地区更为严重.     

CMIP5模式对21世纪末中国极端降水事件变化的预估

利用CMIP5耦合模式结果对RCP4.5和RCP8.5情景下的中国降水和东亚大气环流未来演变特征进行了预估研究.结果表明,到了21世纪末,中国年降水量将显著增加.其中,中雨、大雨和暴雨发生频次都明显增加,强度增强,而毛毛雨发生频次在全国范围内明显减少.中国西北地区年降水量的增加主要是由于小雨增加的结果;东北和华北地区中雨的增加对年降水量增加的贡献最大;南方地区年降水量的增加主要是由于大雨和暴雨显著增加的结果,而小雨表现为负贡献.对东亚地区大气环流变化的分析表明,在全球变暖背景下,东亚夏季风环流在增强,而且大气层结不稳定性也在增加,这些都为中国降水和极端降水事件的增加提供有利背景条件.     

一个1/10°涡分辨准全球海洋环流模式及其初步分析

在中国科学院大气物理研究所气候系统海洋环流模式最新版本(LICOM2.0)基础上,将模式水平分辨率提高到均匀的1/10°,垂直分辨率增加到55层,建立了一个不含北冰洋区域的准全球涡分辨(eddy-resolving)海洋环流模式.利用再分析和观测的海表强迫将该模式积分了20年,其中最后8年使用2000~2007年QuikSCAT卫星反演的风应力和再分析热通量强迫.本文利用最后8年模式输出结果,初步评估了该模式对海洋环流的基本模拟能力.相对于低分辨率的海洋环流模式,发现涡分辨率海洋模式不仅可以更好地模拟海洋中尺度涡旋的时间和空间特征,而且还能较好地模拟出西边界流的路径和位置,特别是能够重现黑潮大弯曲现象及其年际变化.另一方面,当模式的水平和垂直分辨率提高之后,模式也能够更好地模拟赤道太平洋环流和中国近海环流的复杂结构.     

中国冬季气候可预测性的跨季度集合数值预测研究

利用中国科学院大气物理研究所全球格点九层大气模式(IAP9L-AGCM), 从1969~1998每年秋季出发对冬季气候可预测性进行了系统性跨季度集合回报试验研究, 探讨了中国冬季季节平均气候异常的可预测性问题. 结果发现, 模式对冬季可预测能力在低纬大于高纬, 且在海洋上通常大于陆地, 后者以气温尤为明显; 对流层位势高度场的可预测区域随高度增加纬向分布变化不大, 但带状分布减弱, 日界线附近可预测程度明显降低. 分析的大气要素场中, 表面气温和位势高度场的可预测性最大, 降水的相对最小. 尤其是在LaNiña事件中, 中国乃至东亚地区冬季气候的可预测程度明显受ENSO信号的影响. 通过比较回报与实测表面气温的年际变化, 发现模式对我国东北及南方地区的冬季气温变化趋势有一定的预测能力.     

区域环境集成系统模式以及对我国夏季季风的模拟研究

重点介绍了中国科学院区域气候-环境重点实验室研制的区域环境集成系统模式RIEMS 2.0, 以及利用该模式对东亚地区进行了1979年1月到2000年12月的长期积分试验, 重点考察了区域气候模式对东亚地区的夏季季风的模拟能力. 结果表明: (1) RIEMS 2.0模式能够较好地模拟出夏季表面大气温度的空间分布以及不同区域温度的年变化; 同时模式模拟季平均和月表面大气温度与观测之间偏差大约一般在1~2℃. (2) 对于降水来说, RIEMS 2.0模式能够较好地模拟夏季降水的空间分布特征以及东亚地区雨带季节性演变, 同时RIEMS 2.0模式模拟的雨带演变较RIEMS 1.0更加接近观测. (3) RIEMS 2.0模式能够模拟出大尺度环流背景场. 该研究表明区域环境集成系统模式能够较好地应用于我国区域夏季季风气候模拟研究工作.     

发展方程的一种经济的差分计算方法及其应用

提高差分格式的计算精度和节省计算时间是数值天气预报十分关心的两大课题.本文根据大气运动适应过程(快过程)和演变过程(慢过程)的可分性对显式完全平方守恒差分格式进行分解计算.在此基础上,对适应项作了进一步分解的数值试验,发现一种影响积分运算不稳定的因素,并相应地引入积分区域“扣除-补偿”的计算方法加以克服,使积分时间步长增大了很多,节省了大量计算时间。用4波的Rossby-Haurwitz波进行检验,结果令人满意。本文还做了一些对比试验,得出了一些有意义的结论。考虑发展方程