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.     

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。     

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.     

过去千年3 个特征期气候的FGOALS 耦合模式模拟

利用一个气候系统模式, 对过去千年气候演变的3 个特征期——中世纪暖期、小冰期和20 世纪增暖期, 进行了系列平衡态模拟和瞬变强迫模拟试验, 比较了3 个特征期气候的异同点.结果表明: 中世纪暖期的暖信号在除北太平洋中纬度以外的全球大部分地区普遍存在, 但自然增暖的幅度整体上较20 世纪要弱; 北半球中高纬地区的增温幅度大于南半球. 小冰期变冷近乎是全球性的, 在欧亚大陆及高纬地区尤为显著, 变冷极大值位于北极地区的表层. 中世纪暖期和 20 世纪温度变化的垂直结构表现出类似特征, 最强增温都出现在热带对流层中上层的200~300 hPa. 与暖期不同, 小冰期的变冷主要表现为极地强化. 模拟结果与重建资料的比较表明, 模式对暖期温度变化的模拟能力强于冷期, 对中低纬地区温度变化的模拟能力强于高纬地区. 东亚夏季风的年际变率特征受背景气候态的影响不大, 不同特征期年际变率的降水距平型近乎相同, 但是主导周期变化显著, 东亚夏季风的准两年振荡现象在暖期更容易出现, 在冷期则不明显. 在百年尺度上, 有效太阳辐射外强迫变化驱动的季风变化外部模态由大尺度海陆热力对比的变化决定, 在110°E 以东降水呈现出“南北同号”的特征, 这与伴随耦合系统内部变率出现的“南北反号”的降水距平型不同.     

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.     

耦合气候系统模式FGOALS-s2海洋数据同化试验模拟的冬季Hadley环流长期变化趋势

分析了中国科学院大气物理研究所近期气候预测系统DecPreS的初始化试验的模拟结果,该试验本质上是基于耦合气候系统模式FGOALS-s2的海洋数据同化试验.海洋数据同化方案采用了集合最优差值(ensemble optimal interpolation,EnOI)和分析增量更新(incremental analysis update,IAU)相结合的方案.该研究把同化试验与该模式参与第五次"国际耦合模式比较计划"(CMIP5)的历史气候模拟试验(简称历史试验)结果进行了比较,重点研究海温被观测约束的同化试验对NCEP/NCAR再分析资料揭示的北半球冬季Hadley环流增强趋势的再现能力.结果表明,历史试验模拟的北半球冬季Hadley环流在热带地区存在虚假减弱趋势,同化试验有效地改进了上述偏差,模拟的Hadley环流在5°~15°N呈显著增强趋势,与再分析资料更为接近.同化方案有效改进了对北太平洋和赤道东太平洋海温变化趋势的模拟能力,使得模拟的海温梯度变化更趋合理,最终令Hadley环流变化较之历史试验更接近再分析资料.     

南海北部跨陆坡运动的模式诊断分析

基于POM诊断模型,用GDEM气候态温盐资料,对南海环流进行诊断计算.结果表明,南海北部普遍存在跨陆坡运动且具有明显空间分布特征.从水平和垂直断面分布可知,较强的跨陆坡运动发生于浅水陆坡和海底地形急剧变化的海区.跨陆坡运动引起近岸陆架与外洋之间的水交换,其输运量估算为:沿200,500和1000 m等深线断面的跨陆坡体积输运年平均值分别为9.4,15.8,-2.1 Sv,热含量输运的年平均值分别为0.78,0.84,-0.22 PW,盐含量输运的年平均值分别为342.5,575.0,-76.0 Gg s~(-1).这3处断面之间水体产生辐聚或辐散,造成显著的跨陆坡输运.跨陆坡运动同时伴随着热盐输运,即有大量的热量和盐分向陆架海区输送,而少量向外洋输送,且沿200和500 m等深线断面的跨陆坡输运存在冬强夏弱的季节差异.200~500 m等深线之间的海区主要为向陆架方向的跨陆坡输运,而500~2000 m等深线之间的海区主要为向外洋方向的输运.陆坡流中跨陆坡运动成分不可忽视,占15%~20%.正压涡度平衡方程逐项分析发现,地形与斜压联合效应项、位势涡度平流项、对流和扩散项对跨陆坡运动起主要贡献.地形与斜压的相互作用是跨陆坡运动产生的主要因素,且在118°E以东区域对跨陆坡运动起显著的增强作用.     

减缓一个新的耦合模式的气候漂移

正气候漂移,即在外强迫固定的情况下,耦合模式中依然存在的固有的虚假长期变化,理解漂移的来源并以此进行模式的调试工作是耦合模式获取合理模拟结果的关键.为了准备即将到来的第六次耦合模式比较计划,本文基于美国通用地球系统模式(CESM)和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的第二代格点大气环流     

模拟运动流体中柔性体耦合振动的数值方法

介绍了一种模拟流体诱发柔性体运动的数值方法. 该方法采用二维面元法计算流体作用力, 用模态叠加法求解欧拉梁的运动控制方程, 通过迭代来求解流固耦合问题. 利用该方法模拟了单个以及两个并行、串行排列的柔性梁在运动流体中的耦合运动. 计算结果表明, 均匀来流中单个柔性梁的稳定边界和流体诱发振动都与前人结果一致. 对于两并行排列的柔性体, 当无量纲间距H<0.25时, 两柔性体同向摆动; H>0.25时, 两柔性体反向摆动, 并且摆动频率在模式转换时发生突变; 当间距很大时(H>1.0), 两并排柔性体之间的耦合作用明显变弱, 两个物体运动呈解耦状态, 各自按照单个柔性梁在来流中的运动形态运动. 相同均匀来流中两串行柔性梁的数值模拟结果显示, 当排列间距很小时, 上游物体受到的阻力减小, 下游物体阻力增大. 本文计算的所有结果都与前人实验结果定性一致, 证明本文提出的方法可以用来模拟不同方式排列的多个柔性体在流体中的耦合运动.     

耦合Nvidia/AMD两类GPU的格子玻尔兹曼模拟

利用图形处理单元(graphic processing unit, GPU)进行通用计算近年来得到关注, Nvidia和AMD公司已推出了各自的开发环境CUDA和ASC. 很多计算在GPU上的速度远高于目前的CPU. 格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method, LBM)作为一种网格上的粒子方法, 对流动模拟具有良好的内在并行性, 非常适合利用GPU进行大规模并行计算. 本文提出了一种耦合Nvidia和AMD的两类GPU完成LBM凹槽流模拟的算法, 对于两类GPU, 在LBM的D2Q9模型下分别设计了相应的算法和程序, 之后利用消息传递接口(message passing interface, MPI)协议通过多程序多数据流(multi-program multi-data, MPMD)模式使其能够联合计算, 以充分发挥混合GPU集群系统的性能. 通过GPU和CPU程序结果的比较, 证实了GPU计算的正确性和所能带来的显著的加速比, 为建设通用大规模GPU并行计算平台提供了重要参考.     

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     

冬小麦产量动态模拟模式研究

在土壤-作物-大气综合系统中,作物的生长发育和最终产量的形成过程,实际是物质-能量的转化、物质分配积累和能量平衡的过程。所谓动态模拟,就是对作物的生存环境、作物的光合作用、呼吸作用、营养积累、输送分配及转换等一系列生理、生化过程进行模拟研究。目前一些发达国家正在深入开展作物产量的模拟模式试验研究。在我国已有的类似试验中,多     

基于8个准全球模式模拟的南海深层与底层环流特征分析

初步分析了8个准全球高分辨率海洋模式模拟的南海深层和底层环流,总结了模式中南海深层与底层环流的基本特征.温盐误差分析显示深层温度相对偏差一致偏负,而盐度偏差大部分模式基都是为正偏差,表明深层偏冷偏咸.温度的偏差幅度要大于盐度,且温盐在深层存在趋势.吕宋海峡深层1500m以深水交换各模式平均为0.36Sv,与观测相比偏弱.同化过的模式和一个未同化的模式(OCCAM)都显示,吕宋深层水交换在春季达到最小,而在冬季达到最大.大多数模式2400m以深垂直积分流函数显示南海深层在大尺度上为气旋式环流,但流函数的分布与由气候态温盐数据集(GDEMv3)诊断出来的流函数相比存在较大的差异.南海1000m以浅经向翻转结构比较类似,但1500m以深的经向翻转结构空间分布和强度大小存在较大的差异.而2400m以深的经向翻转与气候态温盐数据集(GDEMv3)诊断出来的经向翻转相比偏弱,这表明着模式中深层水垂直混合过程偏弱.在上述分析基础上,详细探讨了初始温盐场、地形、垂向混合方案对南海深海环流的影响,对今后专门构建适合南海深海环流研究的模式提供了必要的参考.     

夏玉米叶片和冠层尺度的水碳耦合模拟

蒸腾作用和光合作用是两个密切联系、相互耦合的过程,主导作物的生理活动及产量形成,研究不同尺度水碳耦合关系对提高水分利用效率(WUE)意义重大.以光合仪、涡度相关仪等实测数据为依据,分析了我国华北地区夏玉米叶片和冠层尺度的光合与蒸腾(蒸散)的变化规律,率定和验证了SMPT-SB模型在这两个尺度的应用效果.结果表明,在夏玉米生育期典型日内,叶片尺度的光合与蒸腾速率,以及冠层尺度的光合与蒸散速率日变化趋势基本一致,但冠层尺度蒸散受表层土壤含水量的影响较大.SMPT-SB耦合模型估算的叶片光合、蒸腾和WUE与实测值之间的回归系数接近1,确定系数大于0.74,二者之间的相对误差小于11%,能够较好反映叶片光合与蒸腾之间的耦合关系.SMPT-SB耦合模型估算的冠层尺度光合与实测值一致性也较好,但该模型低估了表层土壤含水量较高时的冠层蒸散量,并在一定程度上导致了冠层WUE的高估.该研究为理解不同尺度水碳耦合关系及提高水分利用效率提供科学依据.     

基于损伤的冻土本构模型及水、热、力三场耦合数值模拟研究

当前随着经济的飞速发展和科学技术的进步, 广大寒区的道路、水利、建筑、能源等工程应运而生并迅猛发展, 特别是在我国随着青藏铁路的建成通车, 关于冻土的物理力学研究显得越来越重要而急迫. 冻土问题是涉及到地理学、物理学、力学等多学科的综合性问题. 土体在冻胀融沉过程中最本质的要素是水、热、力三场耦合问题, 但由于问题的极端复杂性和研究手段的限制, 以往的研究仅以水、热两场耦合问题研究为主, 而忽略应力场的作用, 这样会导致冻融过程研究的不完整, 进而影响到冻胀融沉预测的准确性. 因此, 水、热、力三场耦合问题是冻土研究领域的关键问题所在, 也是国际前沿和热点研究课题......     

塔式太阳能熔盐腔体吸热器一体化光热耦合模拟研究

首先采用蒙特卡罗光线追迹与杰勃哈特方法结合的混合光学模拟方法对塔式聚光集热系统中太阳辐射传播的全过程进行了完整描述,准确获得了全镜场条件下吸热表面非均匀的能流分布.在此基础上对熔盐腔体吸热器进行了一体化光热耦合模拟,重点分析了非均匀能流分布条件下熔盐流动布置方式对吸热性能的影响,同时考察了不同时刻条件下的吸热性能,结果表明:腔体吸热器吸热表面的能流分布表现出强烈的非均匀性,在这种非均匀的能流分布条件下,熔盐的流动布置方式会对吸热器性能产生显著的影响.当熔盐从能量密度高的区域流入,温度迅速升高,整个吸热面处于较高的温度水平,热损失较大,且会在熔盐出口处会出现熔盐加热吸热管的"吸热恶化"现象;当熔盐从能量密度低的区域流入,温度缓慢升高,整个吸热面处于相对较低的温度水平,热损失较小,能够获得更多的高温熔盐.另外,反射损失随时间变化显著,热损失随时间变化不显著.     

涡分辨率海洋模式模拟的印度尼西亚贯穿流

<正>印度尼西亚贯穿流(the Indonesian Throughflow,ITF)是通过印度尼西亚海连接热带太平洋和热带印度洋的低纬环流系统,它不仅是热带西太平洋低纬度西边界流的一部分,也是全球大洋输送带的一部分.研究表明,ITF对印度     

热带太平洋海气系统的一种年代际局地正反馈

利用大气再分析资料和海温资料等, 分析了热带太平洋地区海气系统年代际变化的内在联系. 结果表明, 在年代际尺度上经过热带海气系统的内部调整, 减弱信风的作用下海气间热交换减少, 导致了热带太平洋温跃层的异常, 有利于热带中东太平洋海温异常增暖; 同时, 海温的增加又促使热带东太平洋对流发展, 激发热带东太平洋局地上升运动和热带中东太平洋的西风距平, 进而减弱Walker环流, 把信号反馈给大气. 反之亦然, 如此构成了一种正反馈过程的年代际模态. 这个热带海气系统自我反馈的年代际“加幅”过程有别于以往用于解释热带海气系统年代际变率时所倡导的中纬度地区对热带地区的远程驱动机制.     

青藏高原北部的早期隆升

青藏高原北部边界构造变形的研究是认识高原变形隆升时间及机制和印度-欧亚板块碰撞远程效应的重要途径.阿尔金断裂和祁连山北缘断裂控制的河西走廊盆地是位于高原最北端的新生代前陆盆地, 其中巨厚的沉积物和沉积演化较完整地记录了高原北部的变形隆升历史.盆地中最老新生代地层火烧沟组为山麓-河湖相沉积, 与上下地层均为不整合接触.高精度古地磁学与岩石磁学测年表明它们的年龄分别约为40.2和33.4 Ma, 前者揭示新生代青藏高原北部早期隆升的最晚时间, 推断导致高原北部隆升的印度-欧亚板块碰撞变形的前缘最迟在那时就已到达高原最北部, 阿尔金断裂和祁连山北缘断裂最晚也在那时形成和连通.后者揭示高原发生了第二次强烈变形和隆升, 并导致了盆地自此以来顺时针旋转了17°, 并使火烧沟组顶部代表的晚始新世高原最早期夷平面瓦解.