大气变率对北极地区近期海冰变化趋势影响数值模拟研究

为研究近期21年(1989—2009年)北极地区海冰变化原因,本文利用欧洲中期天气预报中心ERA-Interim数据集资料和美国麻省理工学院MITgcm全球海冰-海洋耦合模式开展了不同大气强迫条件下海冰变化的数值模拟研究.研究工作中共设计了6个数值试验,除1个试验全部采用1989—2009年每日4个时次的大气强迫场外,其余5个试验各有一种大气强迫(地表气温、地表大气比湿、向下短波辐射通量、向下长波辐射通量和地表风)采用1989年月平均结果.分析了各模拟试验结果中3月和9月北极地区海冰面积的年际变化特征及最小二乘拟合意义下的线性变化趋势,并以ERA-Interim结果为参照标准对各模拟试验结果进行了对比和检验,以说明不同大气强迫量变率对海冰变化的作用.结果表明:地表气温变率和向下长波辐射通量变率是造成海冰面积减少的主要原因;向下短波辐射通量变率对海冰面积变化影响几乎可以忽略;地表大气比湿变率对海冰面积线性变化趋势影响较小,但对海冰面积年际变化特征有调制作用;地表风变率对海冰季节变化、海冰面积线性变化趋势及年际变化特征均有明显影响,说明提高大气风应力精度是改善海冰数值模拟结果的重要手段.     

日本琵琶湖流域大气边界层的三维数值模拟

本文在地形坐标下引入一种水平导数差分近似方法,建立一个适合日本琵琶湖复杂地形、满足静力平衡条件的三维非定常大气边界层数值模式。在弱的背景风场下,模式加入了琵琶湖流域的实际地形,计算结果表明:模式运行十分稳定,且占机内存小,节省计算时间,同时模式还做了流域地形、湖泊本身存在与否等因子对边界层风场影响的数值试验。在强的背景风场下,模式加入了经过适当平滑的琵琶湖流域地形,得出了一些有益的看法。     

小尺度深凹地形大气边界层流场演变过程的非静力数值模拟研究

针对小尺度深凹地形的特点,建立了一个高分辨的、非静力的二维边界层模式,采用能量（Ｅ－ε）闭合方案,考虑了太阳短波辐射及其在地表面的不均匀分布,地－气系统的长波辐射、潜热和感热输送,以及地表面与土壤层的热传导物理过程。利用该模式。模拟了某深凹露天矿实际地形上的大气边界层流场的演变过程。     

深凹露天矿大气边界层三维非静力数值模拟及空气质量预测

针对深凹露天矿的情况,建立了一个高分辨的、三维非静力的边界层模式,对某深凹露天矿实际地形及气象条件下的边界层结构进行了模拟,并与一个粒子随机游动空气质量模式相连接,对该露天矿矿区的空气质量状况进行了初步预测。结果表明,该模式具有模拟小尺度深凹地形边界层的能力,复环流区封闭、低速和高湍能的特点是造成坑内污染的重要机制。     

重力波包在中层大气温度波导中传播的数值模拟

给出了重力波在中层大气温度波导中的反对称形式导制传播的线性理论模型,并采用二维非线性的数值模型对重力波波包在中层大气温度波导中的传播和演变过程进行了模拟研究.模拟的结果表明,下层大气激发的重力波能量进入波导区域后被俘获形成导制传播.重力波在波导内不停地来回反射,垂直方向的自由传播受到限制,能量在波导内沿着水平方向传输,模拟得到的波参数与理论值相近.重力波包在温度波导中传播时伴随着能量泄漏,且能量泄漏的速率随时间变缓,最终总有部分能量被限制在波导区域.重力波在水平方向上传播几百公里后,依然维持着良好的波结构,同时数值模拟也给出了重力波在波导区域内能量密度的时空分布.     

鄱阳湖地区大气边界层特征的数值模拟

采用WRFV2.2中尺度数值模式对鄱阳湖地区200 km×200 km范围内,2009年11月5日00∶00至2009年11月6日12∶00不同高度的气象要素进行了数值模拟,得到了水平分辨率为1 km的鄱阳湖地区大气边界层风、温、湿度场和廓线分布的大气边界层物理特征.模拟结果发现:白天鄱阳湖面上空存在着冷岛效应并伴随湖风,而夜间湖面上空存在着热岛效应并伴随陆风,湖面与陆地之间最大温差可达6 ℃;同时地形以及下垫面类型对鄱阳湖区风场的分布具有很大影响,夜间存在一条东北西南走向的低空辐合带,白天逐渐消失;此外受风场和地形作用湖面上空的湿度分布也不均匀,白天湿度层厚度低而夜晚湿度层厚度高,湖中心右侧湿度值大于左侧湿度值.模拟结果能较好地反映鄱阳湖的大气边界层物理特征,有助于了解鄱阳湖地区区域气候的特点,以及由于地形、地理环境、地表特征所形成的不同高度上的风、温、湿的分布规律和大气边界层物理特征,为鄱阳湖地区局地天气预报、风能资源开发、环境保护等提供了科学依据.     

北极海冰与夏季欧亚遥相关型年际变化的联系及对我国夏季降水的影响

本文利用NCEP/NCAR等再分析资料和CAM3.1数值模式研究了夏季欧亚中高纬遥相关型年际变率与前期春季北极海冰变化的联系及其对我国夏季降水影响的可能机制.结果表明,夏季北大西洋-欧亚中高纬地区500 hPa位势高度场自然正交分解第二模态表现为"-+-+"遥相关波列,其中格陵兰岛-北大西洋和乌拉尔山地区为异常高空槽区所控制,而欧洲和贝加尔湖附近地区则为异常高压脊区,这种波列分布与欧亚中高纬EU型遥相关型十分类似.当遥相关波列为"-+-+"（"+-+-"）型分布时,前期春季巴伦支海北部和巴芬湾一带海冰偏少（多）,同期夏季巴伦支海北部一带海冰亦持续偏少（多）,同时在我国东北北部地区、长江和黄河之间地区降水明显偏少（多）.深入分析发现,巴伦支海北部和巴芬湾一带海冰偏少后,由于该地区湍流热通量明显偏强,在动力过程影响方面会形成异常Rossby波源,准定常Rossby波活动通量将向东亚地区传播,使得夏季欧亚中高纬"-+-+"遥相关波列出现.另外,海冰异常偏少后,在热动力过程影响方面,4-5月欧亚中高纬乌拉尔山-贝加尔湖以北地区积雪会出现"西少东多"偶极子型异常分布,其通过影响后期土壤湿度及下垫面热通量异常,也有利于夏季欧亚中高纬遥相关波列的维持.伴随着欧亚中高纬"-+-+"遥相关波列的出现,乌山阻塞高压偏弱,东亚槽偏浅,且亚洲副热带急流随之加强,贝加尔湖以北的副极地地区出现西风异常,东亚副热带急流北侧出现东风异常,贝加尔湖以南地区为异常反气旋控制,南下冷空气活动减弱.受到上述环流形势影响,我国东北北部地区、黄河和长江之间地区降水明显偏少.当巴伦支海北部和巴芬湾区域海冰偏多时,结论则反之.最后,基于春季海冰指数和晚春偶极子型积雪指数,我们建立了江淮流域夏季降水的预测模型,回报结果表明其对江淮流域夏季降水的年际变率具有较高的预测技巧.     

高层大气测风用地基F-P干涉仪的数值模拟

热层大气风场、温度场对热层-电离层耦合研究、热层环流特性研究以及太阳活动和地磁活动研究等有着重要意义,同时其也是航天器飞行环境预报的重要物理基础.目前,由于热层所处位置较高,大气非常稀薄,风场探测难度较大,因此针对热层大气风场的探测手段非常少.Fabry-Perot（FP）光学干涉仪可通过观测气辉来进行风场探测,其对成像系统像质要求不高,在设计中无需过分追求像质,已经成为热层风场测量的重要工具.由于风场观测气辉的辐射强度非常微弱,因此必须进行FP干涉仪测量系统优化,获得相对较强的辐射强度,以提高风场测量精度.但目前,对FP干涉仪系统优化方面的研究较少,且在测风误差评价方面的工作也不充实.本文通过热层测风用固定间距标准具地基FP干涉仪数值模型的建立,解决FP干涉仪设计过程中各参量的优化问题,并提出一种新的测风误差估算方法.数值模型结果分析表明,在目前探测器观测技术水平下,采用全部干涉环参与计算并结合像元合并技术进行风速反演可最大限度地提高测量精度.此外,由于气辉辐射强度是影响热层大气风场测量精度的重要因素,因此在仪器测风精度性能评价时需确定观测对象强度,即气辉的辐射强度.     

京津冀地区大气局地环流耦合效应的数值模拟

应用中尺度非静力模式MM5.V3, 采用三层双向嵌套技术, 模拟了京津冀地区不同季节温度场和风速场等边界层特征量及其变化特征. 模拟结果表明: (1) 在弱天气系统控制下, 该地区大气边界层中可同时存在海陆风、山谷风和“城市热岛”环流, 同时三者还存在明显的耦合效应; (2) 海陆风环流极盛时可深入陆地200 km左右, 山谷风环流的影响最大可覆盖北京区域内的平原地区, 而“城市热岛”环流则发生在城市中心几十公里范围内, 并对前两个环流起明显的削弱作用; (3) 三者的演化均存在日变化特征, 且前两者的相位相差约6 h左右; (4) 上述三种环流的耦合结果使一年内京津冀地区边界层环流形势大致可分成春夏型与秋冬型, 在一天内又可分为凌晨至上午的平原风和下午至深夜的山地风; (5) 上述三种环流的耦合在该地区西北部山地与平原的交接地带形成一条大致沿地形等高线走向的风场辐合带, 即所谓的污染物汇聚带. 这条水平风辐合带几乎常年存在, 其下端一直向西南方向延伸直到和另一条平行于太行山走向的水平风辐合带汇合, 从而对北京地区大气污染物的积聚与输运可能产生重要影响.     

含水层渗透性能变化对水位影响的数值模拟研究

应用有限差分法,对弹性孔隙介质在无水平应力作用情况下的充水过程和充水稳定后部分区域阻塞情况下水头调整过程进行了分析。研究结果显示:就含水层内某一点而言,其水头除与位置和含水层的边界条件有关外,还与它本身及其周围区域的压力传导系数有关;含水层不同程度的阻塞会引起给定点的水位变化,而且不同的阻塞范围对含水层的水头分布和给定点的水头变化有很大的影响。     

蒸发皿蒸发量的物理意义、近40年变化趋势的分析和数值试验研究

依据边界层梯度输送理论和能量守恒原理分析了蒸发皿蒸发量的物理意义,蒸发皿蒸发量是多环境因子共同非线性相互作用的结果,并利用我国有长期太阳辐射观测的62个常规气象站观测资料,通过蒸发皿蒸发量与环境气象因子的相关分析对其进行了验证. 分析了近40年蒸发皿蒸发量和环境气象因子的变化趋势,分析结果也表明只利用单个环境因子的变化来解释蒸发皿蒸发量的气候变化会产生偏颇,譬如将蒸发皿蒸发量的逐年减少归因于地表接收的太阳辐射减少的解释在中国东部比在中国西部较合理. 分析1983～2001年间国际卫星云气候计划观测的资料得出,我国大部分地区的总云量保持微小的减少趋势而总云水路径处于明显的增加趋势,这表明云变得更不透明了,它的物理属性发生了明显的变化;预示着大气可降水量有逐年增加的趋势, 地气系统变得更湿润. 结合水循环过程,利用大气环流模式用数值方法证明地气系统的水汽变化能引起陆地近地层大气相对湿度、地表接收的太阳总辐射和地表潜在蒸发量的明显变化.     

Low-frequency sea level variability and impact of recent sea ice decline on the sea level trend in the Arctic Ocean from a high-resolution simulation

Ocean Dynamics - The Arctic Ocean is undergoing significant changes, with rapid sea ice decline, unprecedented freshwater accumulation, and pronounced regional sea level rise. In this paper, we...     

Detection and classification of surface roughness in an Arctic marginal sea ice zone

Sea ice dynamic and thermodynamic processes are important and highly variable elements of the marginal ice zone (MIZ). This study examines the detection and classification of statistically separable sea ice classes in the MIZ through a range of temporal and spatial scales. A helicopter‐based laser system was used to obtain large‐scale and a ship‐based laser profiler to identify small‐scale roughness types, respectively. The analysis of variance of surface height data from helicopter‐ and ship‐based laser systems, active microwave (AMW) C‐band backscattering data and passive microwave (PMW) (37 and 89 GHz) brightness temperature data reveal different classes that statistically differ from one another. We found significant statistical difference in variances in AMW data with six classes that differ in VV polarization, three classes in VH polarization, and five classes in HH polarization in the MIZ (e.g. snow‐covered first‐year ice, ice rubble, pancake ice, frost flowers, melt pond, flooded ice, and ice edge) of southeastern Beaufort Sea. The PMW emission was not as effective at discrimination, yielding only one statistically separable class. The results can potentially be extended to satellite‐based investigations of the MIZ at regional scales. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

Sensitivity of sea ice and ocean simulations to sea ice salinity in a coupled global climate model

The impacts of the spatiotemporal variations of sea ice salinity on sea ice and ocean characteristics have not been studied in detail, as the existing climate models neglect or misrepresent this process. To address this issue, this paper formulated a parameterization with more realistic sea ice salinity budget, and examined the sensitivity of sea ice and ocean simulations to the ice salinity variations and associated salt flux into the ocean using a coupled global climate model. Results show that the inclus...     

近60年全球大气环流经向模态的气候变化

本文根据1948～2004年NCEP/NCAR 1000 hPa、500 hPa、100 hPa高度场逐月再分析资料,分析了近60年全球大气环流经向模态的气候变化. 结果表明：近60年来第一模态从低层到高层都表现出高纬与低纬地区之间明显的反向变化关系,且随时间有明显的增强趋势. 第一模态位相发生了相反的改变,低纬地区由负距平演变为正距平,高纬地区由正距平演变为负距平. 1000 hPa和500 hPa高度场上的南半球比北半球变化激烈,而100 hPa高度场上的北半球比南半球变化激烈. 第二模态在1000 hPa高度场上,主要表现为南极涛动（AAO）和北极涛动(AO),且两涛动在年际、年代际尺度上表现出明显的负相关关系;在100 hPa高度场上,主要表现为南北半球高纬度地区之间的反向变化;500 hPa高度场是1000 hPa和100 hPa的一个过渡层次,主要表现出明显的南极涛动(AAO). 第二模态可能是南北半球中高纬环流相互作用的桥梁.     

Quantifying the spatial variability of melting seasonal ground ice and its influence on potential evapotranspiration spatial variability in a boreal peatland

Melting seasonal ground ice (SGI) in western Boreal Plains (WBP) peatlands can reduce the available energy at the surface by reducing potential evapotranspiration (PET). PET often exceeds annual precipitation in the WBP. Including this effect in hydrological models may be important in assessing water deficits. However, SGI melt and the timing of ice-free conditions vary spatially, which suggests PET spatial variability could be influenced by SGI. Understanding this potential linkage can help improve site scale PET in peatland hydrological models. The objectives of this paper were (a) to quantify the effect of ice thickness and melt rate on peatland PET; (b) quantify the spatial variability of SGI thickness and melt rate across spatial scales; and (c) assess how/if spatial variability in SGI thickness/melt rate affects site scale PET. Results from the sensitivity analysis indicated that SGI thickness had a bigger impact on reducing PET compared with the melt rate. Two SGI thickness values were used that were observed on site: 0.32 m, which was measured in a more treed area, and 0.18 m, which was in a more open area. The 0.32 m had an average PET reduction of 14 mm (±0.7), over the month of May, compared with 9 mm (±1 mm) when there was 0.18 m of SGI, which are 13.7 and 8.8% reductions, respectively. SGI thickness and melt rate, both exhibited large- and small-scale spatial variability. At the large scale, spatial patterns in SGI thickness appeared to be influenced by extensive shading from the adjacent hillslopes. Small scale, SGI thickness may be a function of tree proximity and the snowpack. Finally, net radiation, rather than SGI, appeared to be the main driver behind PET spatial variability. This work enhances our conceptual understanding of the role of SGI in WBP peatlands. Future work can use the findings to better inform peatland hydrological models, allowing for better representation of peatlands in regional-scale models.     

海州露天矿与阜新市异常大气运动之间关系的研究

使用有限元方法数值模拟了海州露天矿对阜新市大气运动的影响．结果表明,露天矿的存在加大了市区大气的湍流程度,助长了异常大气运动,但与气候因素相比,露天矿对市区大气运动的影响作用只占次要地位．本文提供的数据和分析结果,查清了研究区的风向、风速及大气湍流程度所受的因素影响,为该区的建设和环境规划提供了依据．     

Decadal variability and scales of the sea surface structure in the northern Ionian

The variability and scales of the sea surface structure of the northern Ionian Sea from January 1993 to December 2007 were studied by means of altimeter remotely-sensed weekly Sea Level Anomaly (SLA) objective maps. Variability in the sea surface structure was addressed by means of empirical orthogonal function (EOF) analysis and, assuming an exponential correlation model, scales of the SLA field were quantified as e-folding distances of the SLA autocorrelation function. The variability in the sea surface structure, described by the first three EOFs, which cumulatively explain 60.3% of the data set variance, is characterized by a large-scale structure with variability on a time scale of ∼10-13 years and, on shorter scales, an eddy system with variability on an annual scale. The variability in the large-scale structure describes an overturning of the SLA field, which took place in 1997, and determines a reversal of the geostrophic upper-layer circulation. As the large-scale circulation transition takes place, time-dependent spectral analysis of EOF coefficients shows a redistribution of the spectral energy from inter-annual to semi-annual and monthly components. Spatial scales display variability on an annual and inter-annual time scale. On the annual time scale, variability in spatial scales is characterized by longer values in summer-fall and shorter in winter-spring. Inter-annual variability in spatial scales is demonstrated by a remarkable drop in the values during fall in the period 1998-2000. We propose an explanation of the variability in horizontal scales in terms of the redistribution of water masses and related modifications of the vertical structure of the water column associated with different regimes of the basin-scale circulation.