ENSO可预报性研究的一个新方法:条件非线性最优扰动

首先给出了条件非线性最优扰动的概念; 其次, 采用简单的ENSO海-气耦合模式, 通过比较条件非线性最优扰动和线性奇异向量的异同, 揭示出在气候可预报性研究中考察误差增长应该使用非线性模式; 然后, 使用条件非线性最优扰动, 初步研究了该ENSO模式的“春季预报障碍”问题.     

气候系统模式中海-气-水通量交换的耦合方法

设计了一种在气候模式中处理海－气－水通通量交换的耦合方法,即先利用强恢复性盐度条件强迫海洋模式到平衡态,后加大盐度张驰系数（即弱恢复性条件）,积分模式到平衡态,接着将海表盐度强迫由弱恢复性条件转换到通量型条件,积分得到一平衡态海洋,在此基础上,把海洋模式与大气模式进行耦合,利用中国科学院大气物理研究所大气科学民地球流体力学国家重点实验室的涨－气陆耦合系统模式（ＧＯＡＬＳ）对上述耦合方案进行检验,结     

陆-气耦合增加中国的高温热浪

极端气候, 例如高温热浪, 对社会、经济和生态系统有着重要的影响. 在过去的几十年间, 中国的高温热浪已经发生了显著的年际和年代际尺度上的变化. 然而, 目前对引起中国高温热浪变化的物理机制尚不清楚. 本文利用2 个长期的含有和没有土壤湿度-大气相互作用的WRF 区域气候模式模拟评估了陆-气耦合对中国夏季高温热浪的影响. 结果表明陆-气耦合增加了中国的高温热浪. 尤其是, 在中国东部和西南的大部分地区, 高温热浪的增加都有统计上的显著性. 在这些地区, 陆-气耦合能够贡献30%～70%的高温热浪. 研究结果表明, 陆-气相互作用对中国高温热浪的发生起到重要作用.     

东亚季风气候未来变化的情景分析—— 基于IPCC SRES A2和B2方案的模拟结果

利用最新的温室气体和SO₂排放方案, 即政府间气候变化委员会(IPCC)排放情景特别报告 (SRES)的 A2 和B2方案, 通过海-气耦合模式模拟结果讨论东亚季风气候在21世纪后30年中的变化, 其主要结果如下:全球变暖导致夏季海-陆温差增大和冬季海-陆温差减弱, 进而使东亚季风环流在夏季加强, 冬季减弱. 江淮流域和华北地区的夏季降水量显著增强, 其后者的增强更为显著, 使得东亚季风区的夏季多雨区向北延伸. 东亚季风区9月份的降水量在两个方案中都显著增加, 说明在全球变暖条件下东亚季风区的多雨季节将延迟一个月. 华北地区降水量在7, 8和9月份的年际变率显著增强, 说明华北地区将经历比现在更大的降水年际差异, 遭受水灾的可能性要显著增大.     

大西洋海温异常在ENSO影响印度-东亚夏季风中的作用

利用1979～2007年的海温和热通量以及风场资料分析了与ENSO相关的热带北大西洋海温变化的机制及其与印度-东亚夏季风环流的关系,结果表明热带北大西洋夏季海温和前冬Nio3区海温具有显著正相关,它与同期印度-东亚季风区大气环流的相关显示了类似于ENSO成熟次年夏季季风环流异常的分布特征.热带北大西洋海温和ENSO的同号相关主要归因于大西洋大气对ENSO的遥响应所导致的潜热通量和短波辐射的贡献.耦合模式的试验结果显示,在考虑大西洋海温变化的情况下,模式能够再现ENSO成熟次年印度-东亚季风区大气环流异常的主要特征,如位于西北太平洋的反气旋环流以及与此相联系出现在中国东南部的南风异常.若大西洋指定为气候海温,耦合模式中西北太平洋上空的环流异常与观测结果出现较大差异,如反气旋的位置东移、中国东南部出现北风异常.进一步分析显示大气对热带北大西洋暖海温的Kelvin波响应使异常东风从印度洋延伸到西太平洋.异常东风产生负涡度同时通过Ekman效应在南海和孟加拉湾地区产生辐散的东北风,导致对流减弱从而形成反气旋环流.本文的结果表明,与ENSO相关联的大西洋海温异常在ENSO-季风关系中具有重要的作用.     

印度尼西亚海道关闭对气候的影响:一个数值模拟研究

利用一个全球海洋环流模式及其对应的海气耦合模式,分别采用现代、6和14Ma以前的海底地形进行数值试验,研究澳大利亚北移对热带海洋环流特别是赤道西太平洋暖池形成的作用.使用现代气候强迫的单独海洋模式模拟结果表明,随着澳大利亚板块向北移动,印尼海道关闭可以导致热带太平洋海温增加,热带印度洋变冷;并且可以引起通过印度尼西亚贯穿流的海水来源的变化,即在14 Ma以前流入印度洋的水主要来自南赤道流,而在现代则主要来自北赤道流.海气耦合模式的结果在定性上与单独海洋模式结果基本一致.     

东亚冬季风活动异常与热带太平洋海温异常

利用中国科学院大气物理研究所全球海－气耦合（ＩＡＰ ＣＧＣＭ１）模式４０ａ的积分结果以及１０ａ的观测结果,了东亚冬季风活动异常与热带太平洋海表水温（ＳＳＴ）异常之间的密切关系。强东亚冬季风年的热带ＳＳＴＡ场在中西太平洋为正距平,东太平洋为负距平,在弱东亚冬季风年的情况基本相反,西太平洋为负距平,中东太平洋则为正距平。强东亚冬季风活动在中西太平洋正ＳＳＴＡ区以西以东产生西风距平和东风距平,从而加强这     

环膜液体射流破碎模式与气-液界面的关联性

利用线性不稳定性理论研究了环膜液体射流破碎模式与气-液界面的关联关系. 通过对色散方程的推导和数值求解, 研究了环膜液体射流内外气-液界面半径与两种特殊形式的射流-空心气体射流和实心液体射流之间的关系, 以及各种射流参数对环膜液体射流不稳定性的影响. 研究结果证明了类反对称模式主要与环膜射流的内气-液界面相关联, 而类对称模式主要与外气-液界面相关联. 因此, 虽然射流参数对类反对称模式和类对称模式不稳定性的作用性质相似, 但作用效果的强烈程度不同. 与液相相关的力同时作用于内、外两个气-液界面上, 因而对两种破碎模式的影响均较为显著; 而与内气体介质相关的力主要影响类反对称模式的不稳定性, 外气体介质相关的力主要影响类对称模式的不稳定性, 各种作用力在“穿透”射流液相部分后被大大衰减.     

利用PRECIS分析SRES B2情景下中国区域的气候变化响应

利用Hadley气候预测与研究中心的区域气候模式系统PRECIS单向嵌套该中心全球海-气耦合气候模式HadCM3高分辨率的大气部分HadAM3P, 分析PRECIS对中国区域当代气候的模拟能力和SRES B2情景下2071~2100时段(2080s)相对于气候基准时段(1961~1990年)中国区域的气候变化响应. 气候基准时段的模拟结果与观测资料的对比分析表明: PRECIS能够很好地模拟中国区域地面气温的局地分布特征; 总体上讲, PRECIS对中国北方地区降水的模拟效果优于南方地区, 模拟的冬季降水型态分布较好, 而夏季降水对地形比较敏感, 东南沿海地区降水的模拟值偏低. 对SRES B2情景下相对于气候基准时段的气候变化响应分析表明: 2080s中国北方地区增温幅度明显大于南方, 西北和东北地区尤为显著, 其夏季平均气温增幅可达5℃以上; 中国大部分地区降水量呈增加趋势; 冬季华南地区降水量明显减少; 夏季东北和华北地区气温增幅大而降水量减少明显, 而长江以南地区降水量显著增加.     

北大西洋淡水扰动试验中东亚夏季风气候的响应及其机制

利用一个耦合气候模式执行的一组淡水试验, 研究了在北大西洋高纬度淡水注入量增高的情景下东亚夏季风的响应及其机制, 并与其他耦合模式所做的淡水试验的结果作了对比. 结果显示, 随着北大西洋高纬度海域淡水注入量的增多, 北大西洋经圈环流减弱, 导致北大西洋海表变冷, 从而使得北美区域海平面气压升高, 与之对应的是赤道热带东太平洋海表增强的穿过赤道的东北风, 进而使得该海域内冷水上翻增强, 海表散热加大, 导致海表温度降低, 其结果是赤道以北热带东太平洋Hadley环流减弱, 同时赤道以北热带Walker环流增强及上升支东移, 东亚大陆沿岸出现气旋性风场异常, 最终导致东亚夏季季风区降水减弱. 另外通过与其他淡水试验的比较发现, 北大西洋淡水试验中东亚夏季风的强弱变化受北大西洋高纬度淡水注入量大小的影响.     

功能生物界面的“微纳尺度构建-功能-力学耦合”机制

功能生物界面由于其呈现出的独特功能引起研究者的极大兴趣,而微纳尺度结构是其关键结构基元,它们是界面特定功能的内在本质.然而直到目前描述刻画特定功能的整个形成过程依旧困难.越来越多的证据开始支持功能生物界面上的"微纳尺度构建-功能-力学耦合"的论点.本文重点介绍不同微纳尺度复合功能生物界面上的"形貌和力学耦合行为",以获得对微米纳米复合结构更好的理解.还介绍了自然界中生物体表气/液/固三相生物界面的"形貌-力学耦合行为",生物体内微纳尺度的"形貌-力学耦合行为",微纳尺度人工界面上活细胞的"形貌-力学耦合行为"和微纳尺度形貌、界面曲率与力学微环境的最新研究进展,并提出了一些新的概念,如"基于空间曲率的形貌-力学耦合行为"、"医学功能生物界面"和"生物力药理学"等.     

楚科奇海融冰期热收支的数值模拟

楚科奇海海冰剧烈变化对极地生态系统及碳循环过程具有重要影响.基于1/4°(经纬度)水平分辨率的北大西洋-北冰洋-北太平洋海洋-海冰耦合模式(简称NAPA1/4)在1994～2015年的模拟结果,本文估算了楚科奇海融冰期的热收支,并揭示了海(冰)面净热通量和太平洋入流热通量在楚科奇海融冰过程中的相对贡献.结果表明:楚科奇海融冰期间的海冰体积变化主要由热力过程调控的海冰融化导致,且冰底融化占优.在海冰快速融化的6～8月,海冰表、底融化速率的相对强度受海冰密集度影响存在空间差异,在密集度大于80%的海区,冰表融化占优,反之冰底融化速率远高于冰表.冰面净热通量是冰表融化的热驱动,平均约60%的冰面净热通量用于冰表融化.冰底融化消耗的热量则主要来自海面净热通量以及太平洋入流所携带的热量;融化初期和盛期,海面净热通量贡献占优;后期和末期则主要受太平洋入流热通量的影响,且该影响可持续作用至结冰早期,抑制冰底冻结速率.在整个融冰期,进入研究区域水体的总热输入中,约67%由太平洋入流贡献.总热输入中约58%的热量用于海水增温,冰底融化吸收的热量约占28%,向下游海区输运的热量仅占14%.年际变化的相关性分析表明,相对于融冰期海面净热通量,太平洋入流热通量对楚科奇海海冰面积年际变化的影响更为显著.     

IAP/LASG气候系统模式FGOALS_gl预测的海表面温度年代际尺度的演变

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)发展的耦合气候系统模式FGOALS_gl,进行了年代际气候回报和预测试验.首先,采用"Incremental Analysis Updates"(IAU)方案同化海洋客观分析资料的三维温度和盐度场,完成对耦合模式海洋分量的初始化.然后,用国际耦合模式比较计划的"20世纪气候模拟试验"20C3M给定的太阳常数、温室气体和硫酸盐气溶胶强迫耦合模式,进行年代际回报试验;在回报试验的基础上,再继续进行对A1B排放情景下的21世纪初20年的预测试验.把回报试验的结果与单纯的20C3M试验的结果进行比较,发现回报试验对热带中东太平洋和中纬度东北太平洋等区域海表面温度(SST)的年代际变率的模拟技巧远高于20C3M试验的结果.这表明,海洋初始化过程能够有效地提高耦合模式对年代际变率较大区域的预测技巧.预测试验表明,目前热带中东太平洋SST已经达到年代际振荡负位相的谷值,之后10～15年将逐渐增暖.同时,预测试验预测的2000～2010年全球平均表面温度的增暖速度显著落后于A1B情景试验的结果,之后则超过A1B试验.     

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.     

一个土壤-植被-大气双向耦合模式的发展及应用

发展了一个土壤-植被-大气双向耦合模式,并将其应用于东亚气候-植被敏感区的变化研究.这一模式克服了传统模式由于单向耦合带来的模式不确定性和系统误差,能够更好地刻画气候与生态系统的双向反馈过程及其变化.本模式对东亚气候-植被在两倍CO2条件下的变化研究表明,华北和西北地区内陆的气候将变得温暖干燥,江淮和长江中、下游以南地区将更为温暖湿润.植被对气候变化的响应在北方地区最为剧烈,其对气候的反馈也最为明显,表明该地区是气候-植被变化的敏感区域.温室效应造成的气候变化使华北地区自然植被生态系统退化,其对气候的同步反馈进一步加剧了温室气体的增暖效应.自北向南植被-气候变化的敏感性逐渐降低,反映在植被和气候的相互反馈和影响随纬度降低而逐渐减弱.     

青藏高原沙尘特征与高原黄土堆积: 以2003-03-04拉萨沙尘天气过程为例

青藏高原是否是一个重要的粉尘源区, 它关系到对青藏高原和远东-太平洋地区粉尘堆积、来源、环境效应认识和青藏高原隆升及全球海-陆-气相互耦合作用的重大科学问题. 2003年3月3～5日拉萨地区强扬沙天气过程的大气动力学和遥感影像跟踪分析, 表明高原具备沙尘暴发生的所有条件, 并有强大的上升运动将不同粒径的粉尘扬升到不同的高度, 使粗粒粉尘在高原东部就近堆积成粗黄土, 而较细的粉尘则被西风急流携带漂移并沉降到远东地区. 高原40年来沙尘暴时空分布表明沙尘暴主要发生在冬季和初春, 有较高的发生频率, 从冬到春由南向北移动并与西风急流的位置密切相关. 同中国大陆其他12个沙尘区相比, 高原因较高的沙尘暴发生频率, 特别是粉尘极易扬升到西风急流区, 成为远程传输中主要的粉尘源地之一.     

一个东亚区域海气耦合模式初步结果

建立了一个应用于东亚的区域海气耦合模式并通过20年的连续积分来评估其对东亚气候的模拟能力. 模式由大气模式RegCM3和海洋模式HYCOM组成并利用OASIS3耦合器控制整个模式的运行, 其中RegCM3的水平分辨率为60 km, HYCOM为33 km. 与其他区域海气耦合模式相比, 该模式的显著特点是耦合模式中海洋侧边界采用了单向嵌套方法来处理侧边界强迫问题. 另外, 在耦合模式中对太阳短波辐射进行了通量订正, 较好地消除了在直接耦合时出现的海温偏冷2℃的问题. 对模拟结果的初步分析表明, 该耦合模式可以成功地模拟出东亚地区大气和海洋的气候平均态, 季节变化以及年际变化的主要特征. 尽管由于分量模式本身的缺陷导致耦合模式的模拟结果和观测还存在一定的差距, 但和未耦合时相比确有一定程度的改善, 尤其是在东亚季风中最为重要因素之一的降水的模拟上. 进一步的分析表明降水模拟得到改善得益于耦合模式对夏季西太平洋副高模拟能力的提高, 从而增强了中低纬大气中水汽输送的模拟能力以及降水和海表温度(SST)的关系. 这些结果表明, 在东亚地区区域海气耦合模式具有一定优势, 但需要对模拟结果进行更加细致的分析, 如从日变化到年际变化的更详细分析.     

卫星资料揭示的春季黑潮海区海洋对大气的影响及其机制研究

采用最新的高分辨率卫星观测资料研究了春季西北太平洋黑潮海区海洋与大气之间的关系, 特别是海洋锋区上海气之间的关系. 资料分析表明, 黑潮海洋锋区上海温与海表面风速之间存在明显的正相关关系, 特别是当海洋锋区强并在其上产生明显的海洋波动时, 海温与海表面风速之间的正相关关系表现得更为显著. 这种海温与海表面风速之间的正相关关系与太平洋海盆尺度的海温与海表面风速之间的负相关关系正好相反, 清楚反映了春季黑潮海区海气之间表现为海洋对大气的作用. 随后, 采用一个高分辨率的区域大气模式进一步研究了海洋影响大气的可能机制. 数值模拟表明, 黑潮海区海洋锋区上海温变化可通过影响大气边界层稳定度以及边界层垂直混合来影响海表面的风速, 即海温升高时大气边界层稳定性减弱, 垂直混合增强, 从而把高层较大风速带至海表面, 海表面风速增强; 反之, 海温降低则大气边界层稳定性增强, 垂直混合受到抑制, 海表面风速减少.     

南方涛动与我国汛期(6—10月)西太平洋副高活动的相关分析

南方涛动(S.O.)指数,是反映低纬行星波尺度海-气作用过程不同位相的重要参数;目前普遍认为,它对热带-副热带环流系统的低频振荡起很大影响。作者利用近三十余年的两种S.O.指数,分析了它们和西太平洋副高几种特征参数的关系,发现前期S.O.指数的确与汛期西太平洋副高的脊点经度、脊线纬度以及南侧586线纬度都存在显著的相关性。     

DEMETER 耦合气候模式对西北太平洋台风活动及其影响因子的预测效能

利用耦合气候模式实现一步法预测是气候预测的重要发展方向之一. 该研究基于欧洲多模式短期气候集合预测计划(DEMETER)6 个耦合气候模式1974~2001 年回报试验结果, 首先探讨了耦合气候模式对夏季(6~10 月)西北太平洋台风发生密切相关的6 个主要气候因子的预测性能, 在此基础上, 利用这6 个气候因子与台风发生频次的统计关系, 研究了耦合气候模式对西北太平洋台风频次变化的预测技巧. 结果显示, DEMETER 6 个耦合气候模式可以较好地预测影响台风频次的主要气候因子及台风频次本身的变化特征. 进一步的对比研究发现, 这种统计降尺度与耦合模式相结合的预测方法明显好于耦合气候模式的直接预测效能. 此外, 多模式集合平均表现出最优的预测性能. 可见, 采用多模式集合与统计降尺度相结合的预测方法可以大大提升耦合气候模式的预测技巧, 它将成为未来台风预测的重要方向.