高层大气建模:从地球到行星

地球和行星的高层大气作为大气圈与空间环境的过渡区,是大气科学和空间科学的交叉研究领域.高层大气理论模式及其数值模拟可以突破实验观测的限制,又能够比理论分析更为全面细致地重现高层大气的各种物理和化学过程,在高层大气的研究中表现出独特的优势,也一直是国际高层大气研究热点之一.虽然地球高层大气和其他行星高层大气存在差异,但它们之间有着密切的联系,因此大多数的行星高层大气理论模式都是以地球高层大气理论模式为基础开发的.本文聚焦于地球和行星高层大气理论模式,对目前国内外主流的地球和行星高层大气理论模式的发展历史及其性能进行了系统介绍.     

火星全大气模式与沙尘活动模拟研究:回顾与展望

基于火星全大气模式的数值模拟研究有助于深入理解火星陆面-大气-空间环境多圈层相互耦合过程,是当今国际研究热点.模式对整个火星大气区域气象要素的描述亦可作为保障火星探测活动顺利开展的重要参考依据.沙尘活动显著影响着火星气候与天气变化,也对火星表面探测器可造成巨大安全威胁.对沙尘活动及其影响完善的模拟是目前全大气模式开发与研究工作中的重点之一.本文回顾了火星全大气模式的发展历程,概述了其构建方法,总结了相关科研成果,多角度论述了自主发展火星全大气模式的重要科研与工程价值,建议以火星沙尘活动为重点研究方向,牵引我国火星全大气模式的自主研发.模式的开发与应用涉及行星科学、空间科学、大气科学、计算机科学多领域协同合作.其开发过程势必带动我国行星科学全面发展,为相关研究领域积累经验、储备人才.     

大气周日和半日迁移潮汐非线性传播及其短期变化的数值研究

以全球尺度波模式(GSWM)给出的一月份周日和半日迁移潮汐线性稳态解作为初值, 采用三维球坐标系下的全非线性动力学数值模式, 模拟了从地面到低热层的大气中, 周日和半日迁移潮汐的线性和非线性传播, 并将模拟结果与GSWM和实验观测结果进行了定量比较. 研究结果表明: 受非线性效应影响, 周日和半日潮汐在中、高层大气传播时其振幅会呈现明显的短期变化, 它们与背景大气的非线性相互作用会显著改变全球中、高层大气的背景风场和温场, 这说明周日和半日潮汐的非线性传播对中、高层背景大气的动力学和热力学暂态结构都有重要影响, 并且非线性效应是导致GSWM和观测结果差异的重要原因.     

国际火星探测科学目标演变与未来展望

火星探测是当前太阳系探测和行星科学的焦点.经过近60年的发展,火星成为除地球外,探测和研究程度最高的太阳系行星体,派生出火星空间环境、火星大气、火星表层/次表层物质组成、形貌构造、撞击历史、冰川和冰冻层、气候变化、火星内部结构等多个研究领域.火星陨石研究和实验室模拟研究(实验模拟、数值模拟等)也得以快速发展.火星的重大科学发现包含早期和现代的水活动证据、地质环境多样性、现代地质过程监测、甲烷和有机物的发现、大气组成和演化、当前和近期气候变化、重力场和表面辐射环境等.重大科学成果的取得得益于科学目标规划的指引,也影响着未来科学目标的制订.通过梳理美国火星探测项目分析组(Mars Exploration Program Analysis Group, MEPAG)近20年火星探测科学目标(生命、气候、地质、载人)的演变,展现出国际火星探测思路及未来探测重点.未来10年的火星探测将进一步认知火星内部结构、开启火星生命探测的新阶段和开展火星和火星卫星样品返回.中国开展的火星探测任务也将为国际火星科学发展做出贡献.当前火星仍有诸多重大科学问题未有解答,这些问题与太阳系的重大科学问题紧密融合,突显...     

中国正成为"全球研究村"中活跃一员

环境、大气、海洋、人类健康……面对日新月异的科技发展，各国科技界正联手组成一个“全球研究村”，中国正是其中活跃的一员。在当今最具代表性的51项国际大科学合作研究计划中，我国已参与了21项，并取得多项举世瞩目的成果。     

大气中红外辐射传输的参数化模式

一、引言 在利用大气环流模式进行长期数值天气预报和气候模拟的研究中,需要很好地考虑辐射在大气中传输的问题。目前,已经有很多精确的方法可以计算现实的模式大气中的辐射传输,但它们都需要大量的计算机时间,因而,应用这些方法到大气环流模式中是不现实的。这就需要建立简化的辐射传输计算方案,它们要有足够的精度,但只需很少的机时。Stephens对这     

多相格子Boltzmann方法及其在相变传热中的应用

经过30余年的发展,格子Boltzmann方法已成为一种非常有效的数值模拟方法.该方法是介于微观分子动力学模拟方法和基于连续介质假设的宏观数值模拟方法之间的一种介观数值模拟方法.与传统数值模拟方法不同,格子Boltzmann方法基于气体动理论,具有清晰的物理背景和粒子图像,能够非常方便地从底层刻画流体内部的相互作用,因而对多相多组分等复杂流体系统的模拟具有很大优势.近年来,该方法被应用到沸腾及冷凝相变传热的研究中,体现出了一定的优势与特色.与VOF, Level Set等界面跟踪或界面捕捉方法相比,格子Boltzmann方法中的气液界面可以自动产生、演化与迁移,无须采用任何界面跟踪或界面捕捉技术.此外,在相变传热的研究中,气泡或液滴可以自动成核,无须布置种子气泡或种子液滴.本文总结了近些年多相格子Boltzmann方法的发展,并结合作者的研究工作,重点评述了伪势多相格子Boltzmann模型的研究进展及其在沸腾与冷凝相变传热中的应用.     

磁性液体数值模拟研究进展

磁性液体(magneticfluid)是一种力学性能受磁场调控的磁流变智能材料,在医学与工业生产中有广泛应用.近年来,随着计算机性能的发展,数值模拟日益成为研究磁性液体力学行为细观机理的重要方法.本文综述并评价了磁性液体理论与数值模拟领域的最新研究进展,介绍了磁性液体在剪切、挤压和阀模式3种工作模式下的力学模型,对磁性液体的现有模拟方法进行了总结,讨论了磁性液体数值模拟的研究现状,并展望了数值模拟的发展前景.磁性液体的数值模拟亟待开展以下三方面研究:(1)建立涵盖多种微观相互作用的精细理论模型,研究颗粒表面包覆、添加剂等非磁性成分对磁流变效应的影响;(2)将不同数值模拟方法相结合,建立磁性液体的多尺度模型,进一步提高模拟精度,利用机器学习协调不同尺度的数值模拟,压缩计算量,已成为一种可行思路;(3)将力学模型与电、磁学模型相结合,发展多尺度、多物理场耦合的数值模拟方法,模拟磁性液体其他物理性能.最终为高性能磁性液体的研制及其应用研究提供技术和理论支撑.     

青藏高原北部隆升与东亚季风及亚洲内陆干旱演化——来自气候数值模拟的启示

青藏高原隆升是地球历史上一次重大的地质事件,青藏高原的出现对亚洲气候与环境产生了划时代的影响。过去的几十年来,中外学者利用各种气候数值模式模拟研究了青藏高原隆升的气候环境效应,极大地加深了我们对亚洲季风变迁和亚洲内陆干旱化机制的理解。近年来"高原隆升-气候响应"研究的一个重要进展是认识到亚洲区域气候响应与青藏高原隆升的形式密切相关。本文对此进行了概括介绍,重点通过一系列分区域隆升的数值模拟试验的综合分析,指出青藏高原北部隆升对东亚季风变迁及亚洲内陆干旱气候演化具有重要影响,其最突出的特征表现为随高原北部隆升东亚夏季风和季风雨区向北扩展,内陆干旱区和大气粉尘含量及沉积范围增加。这些模拟研究结果对东亚古环境研究具有良好的启示,并由此提出了许多新的科学问题。     

有害重金属镍的大气排放污染研究取得新进展

重金属污染是当今环境领域的热点问题.大气排放是重金属污染环境及危害人类健康的主要途径之一,已逐渐成为科学家研究和公众高度关注的前沿.近年来,中国大气有害重金属排放及污染特征方面的研究也取得了实质性进展,先后建立了如Hg,As,Pb,Cr等有害元素的人为源大     

城市深隧排水系统典型案例分析

城市深隧排水系统是一种能够有效缓解城市内涝问题、解决雨洪和溢流污染的重要措施.该系统在国外多个国家已经有了较为成熟的应用,取得了一些值得借鉴的经验.近几年国内许多城市暴雨内涝事件频发,也使得对城市深隧排水系统的研究更为重要.通过对城市深隧排水系统原理以及国内外典型工程应用案例的介绍和总结,可为我国今后在深隧排水系统建设及运行中更好地发挥其减污、防涝综合作用提供技术支撑.目前深隧工程在模拟评价、调度管理以及与其他工程的联合设计等关键技术问题上已取得了一些成果,但仍面临着管网衔接、施工地质、地下大容量泵站建设、运行管理等一系列技术问题,这是城市深隧排水系统未来发展的关键所在,同时也为今后的研究指明了方向和目标.总的看来,城市深隧排水系统研究在我国具有迫切的现实需求和广阔的应用前景,需要结合我国各城市特点进行系统规划和建设.     

非均匀地质构造静场响应的高效数值模拟

针对轴对称的任意二维非均匀媒质,建立了求解静电或稳恒场问题Green函数的高效纵向数值模式匹配理论。所导出的公式皆为特别宜于计算机模拟的矩阵代数形式。所建立的数值计算方法使得求解全部问题无需进行任何数值积分运算,计算效率较二维有限元法可提高两个数量级。本文所运用的纵向数值模式匹配法,是Chew等人建立的径向数值模式匹配理论的延伸和发展。Pai曾用类似方法求解电磁波测井问题,Gianzero曾给出过二层构造的公式。本文给出的解答可普遍适用于任意二维非均匀构造中Green函数的求解,实现石油测井中复杂地质环境的精细数值模拟。     

大气环境中微塑料分布与迁移及生态环境影响研究进展

新兴污染物微塑料广泛分布于水体、陆地和大气环境中,大气中的微塑料研究起步较晚,但其潜在生态环境影响的范围更广.本文以2015年以来发表的大气微塑料相关文献为基础,对室外环境大气与室内大气中微塑料的分布、来源、迁移过程和生态环境影响进行了系统的综述.研究表明,大气微塑料已分布于全球大气中,其分布特征与室内外环境、下垫面类型和污染扩散等环境因素相关.大气环境中微塑料主要来源于塑料制品的生产、使用和回收过程,少量来源于陆地和海洋中积累的微塑料.值得关注的是,新冠肺炎疫情中口罩的使用可能加重了大气中的微塑料污染.微塑料在大气环境中可发生悬浮、沉降和扩散等迁移过程,并受到微塑料形态、风力、风向和降水等因素的影响.微塑料在大气中的扩散,也称大气传输,是全球塑料循环的重要一环.目前多采用混合单质点拉格朗日集成轨迹模型(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory, HYSPLIT)进行后向轨迹模拟以研究其扩散路径,主要通过统计沉降量并结合空气动力学模型估算其传输量.大气中的微塑料能够影响区域大气环境质量,可能通过影响热收支和水循环等因...     

影响我国霾天气的多尺度过程

频发的霾天气是我国现阶段面临的最主要大气环境问题之一.霾期间高浓度大气细颗粒物(PM_(2.5))是多种物理化学过程综合影响的结果,包括排放、气-粒转化、大气边界层、局地环流、天气与气候等过程.上述过程的时空尺度跨越了几个数量级,在空间尺度上涵盖了纳米尺度至上千千米尺度.多尺度过程本身的复杂性以及不同过程之间的相互影响是目前大气环境领域面临的最严峻挑战,直接影响到对于霾天气形成机制的科学认识、预报技术与数值模式研发,以及相应的大气污染治理.文章综述了在影响我国霾天气的多尺度过程及其与气溶胶的相互作用领域取得的研究进展.研究表明:二次气溶胶已经成为我国大气气溶胶的主要部分,在霾过程后期,液相非均相过程对气-粒转化有重要贡献; PM_(2.5)呈现多时间尺度周期性振荡,包括1, 4～7以及40～60 d等,边界层、天气和气候等多尺度过程是造成上述周期性变化的主因;已有证据表明,我国高气溶胶已经影响到该区域大气光化学、大气边界层,甚至天气和气候过程.气溶胶与上述过程的相互作用进一步影响了气溶胶浓度及其空间分布,但是此问题极为复杂,尚存在很大不确定性.为此,今后需重点加强以下研究:加强包含气溶胶理化性质、大气光化学、气象要素在内的多要素协同观测,重点开展对流层内多要素协同垂直探测;增强跨学科领域研究,尤其是大气物理-大气化学-天气/气候等多学科间的交叉性研究;加强气溶胶与大气化学、边界层、天气气候等过程相互作用的数值模拟研究.     

显式完全平方守恒差分格式的构造及其初步检验

构造完全平方守恒型差分格式是克服非线性计算不稳定的重要措施之一,并且在大气和海洋问题的数值模拟中已得到广泛的应用。以往构造的完全平方守恒的差分格式一般是隐式的,而具体求解时总是化为显式方式近似地求解。既然如此,能否直接构造出显式的完全平方守恒或完全能量守恒的差分格式呢?答案是肯定的。在文献[1]的基础上,本文采用加耗散的方式构造了多种形式的显式完全平方守恒的差分格式,并用Rossby-Haurwitz波进行了初步的检验,结果令人满意。     

计算热辐射学的进展

描述辐射能传输过程的基本方程为辐射传递方程. 在三维半透明介质中, 辐射强度是七维变量的函数, 多数情况下只能通过数值计算的途径进行近似求解. 数值模拟方法已成为半透明介质内热辐射传递理论研究和工程应用的重要手段. 本文对国内学者在计算热辐射学方面取得的主要研究进展进行了综述, 提出了今后计算热辐射学研究的重点.     

初始扰动对数值模式模拟能力的影响

大气和海洋模式数值模拟的结果是否准确, 首先取决于模式的模拟能力. 由于大气和海洋运动本质上是非线性的, 其运动状态依赖于初始场(初值). 模式作为非线性发展方程的离散化形式, 其运动状态仍然依赖于初始场. 初始场的微小变化有可能导致模式的结果完全不同, 甚至使模式丧失模拟能力. 而对大气和海洋运动的实际问题进行数值模拟时, 无论所用的观测资料如何准确, 初始场难免存在着误差. 由于这些误差的存在, 可能会使得模式的结果与实际状态相比大相径庭. 因此, 探讨初始扰动对模式模拟能力的影响就成为大气和海洋科学中的一个热点和难点问题. 正是基于这种情况, 激发了20世纪80, 90年代资料同化技术的快速发展. 通过资料同化的方法对初始场误差进行订正, 极大地改善了初始场的质量, 使其更接近大气和海洋运动的实际状态, 模式的模拟能力得到了一定的提高. 但资料同化的方法到底能在多大程度上改进模式的模拟能力, 到目前为止仍是一个尚未解决的难题.     

青藏高原大气颗粒态汞的环境意义及其研究进展

汞是一种全球性污染物。大气颗粒态汞在青藏高原的大气汞沉降中扮演着重要的角色,长距离传输和沉降使得偏远地区也受到人为排放汞的影响。文章介绍了大气颗粒态汞在青藏高原汞生物地球化学循环中的重要性和当前的研究进展,并展望了未来的研究方向。第二次青藏高原综合考察研究项目,将对大气颗粒态汞进行更深入和系统的研究。基于汞同位素和模式模拟等方法,进一步量化大气颗粒态汞跨境传输及其对环境的潜在影响,为青藏高原的环境保护提供科学支撑。     

我国的数值预报业务工作

动力气象学的发展及大型电子计算机的问世提供了制作数值预报的可能性。数值预报问题的实质在于如何构成描述大气运动的动力学和热力学特性的闭合方程组,并设计出精确度高计算稳定的数值求解方案。在自由大气中,三五天以内的大尺度大气过程一般可简化成由六个方程来描写,即两个水平运动方程、静力方程、连续方程、热流量方程及状态方程。由于涡旋运动是大气运动的基本特性,因此很自然地可以用涡度输送方程来代替两个水平运动方程。把风场和气压场用一定的关系如地转近似联系起来,并按     

高性能计算在材料科学中的应用

在当今的科学研究中,计算已和实验、理论并列为三大科学方法。随着计算技术的迅猛发展、科学理论模型日渐成熟．高性能计算在科学、工程和社会等领域都有了广泛应用,用它来模拟或代替实验已成为可能。在地球地质、气象气候、测绘科学、天体空间物理、凝聚态物理、高能物理、计算化学、分子生物学、基因测序、材料科学等领域,高性能计算已是必备的研究手段。