西北太平洋黑潮延伸体观测回顾和展望

西北太平洋黑潮延伸体是全球海洋动力过程最复杂、对全球气候变化最敏感和全球海洋渔业产量最大的区域之一,然而,目前对该海区物理、生态及生地化循环等过程的认识仍受限于长期连续海洋观测资料的缺乏。本文回顾了国际上针对黑潮延伸体海区的相关观测情况和取得的主要进展,介绍了近年来我国在该区域观测系统的构建工作及取得的初步成果,包括构建了全球首个西北太平洋黑潮延伸体定点观测系统;发现黑潮延伸体海区海洋涡旋的平流效应对该海区模态水的总潜沉率贡献超过一半,所携带当地的模态水只需要一年半的时间就可到达海盆的西边界;基于潜标首次展示了黑潮延伸体区域3种不同类型次温跃层涡旋流速的直接观测结果,为开展其生成消亡机制及其全球次表层物质能量输运提供了重要的现场观测基础。最后,本文展望了今后观测系统的发展方向,即在跨圈层和多学科交叉方面发展成为我国在西北太平洋重要的深远海综合观测网络。这将为揭示多尺度物理-生物过程耦合、深海能量串级及其气候效应与深海碳循环等领域实现突破提供重要的观测支撑。     

北阿拉伯海的光纤海洋观测网络:成功、挑战和机遇

2005年夏,一个先进的海洋观测网络——包括实时的光纤海洋观测系统和内部存储的自动化观测系统——被投放在了阿曼海和北阿拉伯海并运行至今.在2010年初,其中的自动化观测系统被升级到了新的深水光纤观测系统.这个海洋观测网络是在阿曼农业和渔业部的资助下,由美国的Lighthouse R&D公司设计、开发、安装和维护的.这2个观测系统作为一个整体已经连续工作了7年多的时间.所采集数据包括海流、温度、盐度、压力、溶解氧和浊度等.该海区是一个多水团的汇合区,波斯湾的高盐水和阿拉伯海的低盐水在这里汇合并蔓延南下到印度洋.对采集的数据研究表明,这一观测网络对研究该区域的物理和生物过程具有重要价值.在此,将系统介绍整个观测网络,并简要阐述已经完成和接近完成的4个研究主题:①对阿拉伯海有记载以来最强热带气旋“古怒”的海洋响应的研究;②阿曼海北部的季节性缺氧现象的季节及年际变化和成因分析;③深海声散射层的时空演变;④阿曼海和北阿拉伯海的高温高盐现象的成因.该观测网络采集的长期、连续的时间序列对这一地区的海洋动力研究、水文的季节性变化,以及气候的长期变化等研究都有很大帮助.此外,如果观测网络可以完成25年的设定观测目标,这将对验证和改进海洋环流模式和海气耦合模式具有重要意义.     

东亚地区Younger Dryas气候突变的数值模拟研究

YoungerDryas(YD)气候突变事件是近两万年中一次全球性的气候急剧变冷事件。文章试图在东亚地区YD事件的若干证据基础上,从海洋、冰盖和大气的热力学以及动力学角度出发,利用气候模拟方法就东亚地区YD气候突变的机制和一些成因假说进行敏感性试验。模拟结果表明,因淡水通量异常引起的海洋表面温度降低是YD形成的直接原因。海洋大气耦合作用对于YD传播强度及时间不同步具有重要作用。除北大西洋淡水通量异常的作用外,南半球海洋的淡水通量异常可能对东亚地区的YD事件有着更重要的贡献。海洋耦合大气环流模式模拟表明,东亚与欧洲降温具有不同步性,最大变化速率欧洲达到-0.122℃/a,东亚地区为-0.067℃/a。模拟结果与东亚地区YD时期的气候记录在特征上能够进行对比,反映了模拟试验的边界和强迫条件的设计接近东亚古气候状况,因而模拟结果对分析海洋、冰盖和大气的热力学以及动力学探讨揭示YD气候事件的物理机制和动力原因具有可靠的依据。     

全球海洋再分析产品的研究现状

随着海洋观测资料的积累和日益丰富,以及海洋数值模式与数据同化方法的不断发展,利用同化系统将海洋数值模式和历史观测资料结合起来,对重构海洋过去的演变以形成再分析资料的作用和意义越来越显著。再分析产品为人们深入了解多时空尺度的海洋运动和探究海洋在气候变化中的作用提供了不可替代的资料基础。受海洋模式与数据同化方法的发展水平和庞大的计算资源需求等方面的限制,全球海洋再分析产品主要由海洋科技强国制作与发布。就当前国内外一些主要的全球海洋再分析计划及其产品进行分析,对各产品的特点及应用中存在的一些问题进行介绍,最后对全球海洋再分析产品未来的发展趋势进行了展望和讨论。     

中高层大气研究的空间探测

中高层大气研究对于深入理解全球变化和日地关系十分重要,也为有关航天与临近空间飞行的环境保障提供基础。中高层大气研究的目的是要深入了解其中发生的主要过程及其耦合,并发展各种模式。在现代中高层大气研究中,地基、高空飞机、高空气球、火箭和空间观测提供了动力、热力和化学成分结构与变化的资料,其中空间观测起到至关重要的作用。将对用于中高层大气研究的卫星任务和传感器载荷进行综述,同时列举一些中高层大气空间观测的科学结果。     

近20年来气候模式的发展与模式比较计划

20世纪80年代以来，全球气候观测系统的不断完善、国际大型外场观测试验的成功实施以及高性能计算机的飞速发展，为气候模式的迅猛发展提供了基础和条件。近20年来气候模式的复杂程度和模拟能力得到了显著的提高，目前已成为研究全球和区域气候的形成及变异、气候系统各圈层之间的相互作用以及全球变化等的有力工具。对气候模式（包括大气环流模式、陆面过程模式、海洋环流模式以及区域气候模式）的主要发展进行综合评述，并简要介绍了目前世界上一些主要的模式比较研究计划。     

卫星测高仪及其在海洋观测中的应用

卫星测高仪能快速、全天候、全球进行观测，因此成为海洋观测的重要手段。本文简要叙述卫星测高仪的发展规况和工作原理， 着重介绍了该技术在测定大地水准面、反演地球内部构造、海洋面测量、海流探测以及海洋雨图测量等方面的应用。     

全球冰-海洋耦合模式的海冰模拟

海冰是全球气候系统的重要分量 ,与大气和海洋的相互作用 ,直接影响大气环流和海洋环流 ,对气候及其变化具有重要影响。文中依据冰、海洋间的热力、动力耦合相互作用 ,改进冰海洋热力耦合方案 ,利用由中国科学院大气物理研究所的 30层海洋模式和基于Flato空化流体流变学的海冰动力模式和Hibler表面热收支平衡的零层海冰热力模式 ,建立全球冰海洋耦合模式。利用大气月平均气候资料 ,利用冰海洋耦合模式对全球海冰的分布及其季节性变化、海冰漂移进行了耦合模拟和分析。模拟的南半球海冰分布及季节变化与实际分析资料非常接近 ,比 2 0层冰海洋耦合模式的结果有显著改进。北半球海冰范围偏小 ,但季节变化的量值与实际相当一致。模拟的海冰速度场反映了南、北半球海冰漂移的主要特征 ,如北极的穿极漂流和南大洋的绕极环流等。对海冰密集度的分析表明 ,模拟结果得以改进原因在于改进的冰海洋热力耦合方案增强了融冰期冰海洋耦合系统海洋热通量增加—密集度减小—能量收支增加的正反馈机制。     

海底地热通量对海洋深层温度和环流的长期影响

虽然地球海底地热通量在全球热能收支平衡中所占的比例非常低,在目前的海洋气候模式开发中也并没有将其包含在内,但是由于海底地热通量可以持续改变海洋的浮力而影响海水层结,进而影响海洋温度分布以及环流等海洋水文要素,并且可以进一步影响海水的化学性质、碳氮的分布循环以及生物分布等,因此其对海洋环流和气候变化长期影响的潜在可能性仍不能完全排除。在通用地球系统耦合模式(CESM)的基础上,通过在全球大洋中脊区域持续加入1 W/m2的地热通量的方式运行了长达5 000年的数值模拟实验,模式结果显示:海底地热通量对深层海洋的物理性质和全球海洋环流的长期影响是不可忽略的;受地热通量的局地加热效应影响,大洋深层3 000~3 500 m总体升温约0.4℃;在南大洋和北大西洋的深层水形成区域,海洋深层的增温信号可以影响到表层海洋。北大西洋深层水和南极底层水形成增强,并且模拟的北大西洋深层水的深度加深,更符合观测结果。     

热带海洋盐度障碍层多尺度变异机理及其对海气相互作用的影响研究进展

在上层海洋,受盐度的影响,温度均匀层和密度均匀层并不一定重合,出现温跃层顶界深度明显大于密度跃层顶界深度的现象,即产生盐度障碍层.重力稳定度较高的障碍层对上层海洋热量的垂直交换具有“热障”作用,使混合层和温跃层无法进行有效的热量交换,导致局地海洋上混合层偏暖,从而影响局地海气相互作用乃至全球气候变化.得益于全球海洋观测计划的实施,近20年来科学家已逐渐认识到盐度在海洋环流和气候变化中的重要性,因此盐度障碍层在上层海洋热量收支中的作用等科学问题已成为物理海洋学的前沿研究热点.以障碍层多尺度变异为中心,围绕影响和调控障碍层变异的关键海洋过程,以及障碍层通过海气相互作用影响天气、气候尺度变异的过程和机理等关键科学问题,综述了近几十年来有关热带障碍层的研究进展.重点总结了以下3个方面的进展:全球不同热带海域障碍层的空间结构和多尺度变异特征;海洋动力过程和大气热力过程在障碍层变异中的作用及其机理;障碍层与天气、气候事件及海洋生物相互作用的关键过程和机理.强调了障碍层变异的海洋—大气耦合过程及其气候效应,最后提出了尚需解决的关键科学问题.     

大洋钻探与全球变化（二）──从海洋角度研究第四纪古全球变化

海洋在第四纪全球气候和环境的变化中起着至关重要的作用。一方面，海洋沉积记录了大量第四纪古全球变化的信息，特别是可提供古全球变化中高分辨率的短期气候事件的记录；另一方面，无论是全球性大洋环流、生物和化学的变化，还是区域性西太平洋边缘海浅水陆架的出没，这些海洋事件都可能是许多第四纪古全球变化现象的原因之所在。因此，从海洋角度研究第四纪古全球变化，已成为当前古全球变化和国际古海洋学研究的重点。在这方面，深海钻探（ＤＳＤＰ）大洋钻探（ＯＤＰ）以及相关的海洋研究计划做出了巨大贡献。     

千百年尺度气候快速变化及其数值模拟研究进展

千百年尺度全球气候快速变化是古气候研究中的一个重要内容。研究发现，末次冰期和全新世都存在着千年、百年尺度的快速气候变化，其变化幅度可以达到典型的地质变化或天文因子所造成的冰期/间冰期的气候振荡幅度，同时这些古气候事件具有全球性。对冰期和全新世气候变化的数值模拟揭示了气候系统对地球轨道参数变化的响应以及海洋、植被、冰盖、温室气体等反馈因子的重要性,其中大洋温盐环流对北大西洋淡水注入的敏感性与末次冰期和全新世气候快速变化密切相联。利用中等复杂程度的气候模式（EMIC）CLIMBER 2模拟了末次冰期典型时段（60~20 ka BP）D/O和Heinrich事件以及东亚气候的响应过程。模拟研究揭示了全新世青藏高原冰雪环境对亚洲—非洲季风气候的显著影响。今后的古气候模拟研究将在改进模式分辨率、结合古气候代用资料确定更加符合历史时期边界条件以进一步改善气候模式的基础上,更加注重气候突变机制的研究以及加强全球变化背景下的区域气候的长期变化研究。     

基于中等复杂地球系统模式的全新世 气候突变事件模拟试验*

全新世暖湿气候背景下的代表性气候突变是发生在约8.2kaB.P. 和4.2kaB.P. 的气候突然变冷变干的事件。对于气候突变事件的出现,海洋环流被普遍认为是其中的关键环节。科学家们利用不同类型的气候模式进行过个例和机理模拟试验,但还未能对气候突变机理做出合理的解释。本研究使用一个中等复杂程度的地球系统模式EMIC ( Earth-system Models Intermediate Complexity) MPM-2,模拟研究了全新世气候背景下北大西洋区域,淡水强迫机制作用对温盐环流以及全球气候的可能影响、气候系统响应和恢复时间特征以及南北半球的差异。模拟结果表明海洋对北大西洋淡水通量异常的强度响应敏感,海洋环流对热量和盐份的输送与淡水通量异常强度之间的平衡决定了温盐环流能否对淡水强迫产生不可逆转变,当淡水通量异常达到某一阈值后可能引起海洋和气候平衡态的改变。同时还发现,在气候变化过程中,两次淡水通量异常对海洋和大气系统的强迫作用是不同的,首次淡水通量异常对气候平衡态的影响要远大于其后的淡水通量异常。模拟结果还表明,北大西洋海洋的异常状况可以通过海洋、大气等各圈层相互作用传递到不同圈层和空间区域,在南北半球出现不同的响应特征。上述模拟结果对于认识全新世气候变化特征、不同突变事件之间的关系及其对现代气候的可能影响具有启发意义。     

北半球高纬海冰主要气候特征的全球海冰气耦合模式数值模拟

利用一个全球海冰气耦合模式对北半球高纬海冰的主要气候特征进行了数值模拟。结果表明 ,模拟结果中海冰的季节变化特征合理 ,冬季海冰的主要地理分布特征都模拟得很好 ,但夏季北冰洋内部靠近欧亚大陆部分边缘海区海冰密集度模拟得偏大。模拟结果中 ,北半球高纬地区冬季海冰密集度具有显著的年际变化 ,变化最显著区域位于格陵兰海 ,其次是巴伦支海 ,这些特征均与观测结果一致。对这个海冰气耦合模式在北半球海冰平均气候状况、季节变化和年际变化方面模拟能力的检验结果表明 ,当前的研究工作为下一步进行长期变化趋势的模拟打下了基础。     

大洋钻探与全球变化(二)——从海洋角度研究第四纪古全球变化

海洋在第四纪全球气候和环境的变化中起着至关重要的作用，一方面，海洋沉积记录了大量第四纪古全球变化的信息，特别是可提供古球变化中高分辨率的短期气候事件的记录，另一方面，无论是全球性大洋环流，生物和化学的变化，还是区域性西太平洋边缘海浅水陆架的出没，这些海洋事件都可能是许多第四纪古全球变化现象的原因之所在。因此，从海洋角度研究第四纪古全球变化，已成为当前古全球变化和国际古海洋学研究的重点。在这方面，深     

全球冰—海洋耦合模式的海冰模拟

海冰是全球气候系统的重要分量,与大气和海洋的相互作用,直接影响大气环流和海洋环流,对气假及其变化及具有重要影响,文中依据冰、海洋间的热力、动力耦合相互作用,改进冰－海洋热力耦合方案,利用由中国科学院大气物理研究所的３０层海洋模式和基于Ｆｌａｔｏ空化流体流变学的海冰动力模式和Ｈｉｂｌｅｒ表面热收支平衡的零层少冰热力模式,建立全球冰－海洋耦合模式,利用大月平均气候资料,模拟的南半球少冰分布及海冰的分布及其季节性变化、海冰漂移进行了耦合模拟和分析,模拟的南半球海冰分布及季节变化与实际分析资料非常接近,比２０层冰－海洋耦合模式的结果有显著改进,北半球海冰范围偏小,但季节变化的量值与实际相当一致,模拟的海冰速度场反映了南、北半球海冰漂移的主要特征,如北极的穿极漂流和南大洋的绕极环流等,对海冰密集度的分析表明,模拟结果得以     

迎接大气科学发展即将到来的新飞跃

一门学科中新的事实的发现、新的观测手段和新技术的应用都会引发新理论,从而促进这门学科一个大发展。大气科学发展的历史,就是沿上述道路前进的。近10多年来,对大气、海洋、陆面、生物和冰雪圈进行了大规模、四维的观测,获得了海量的资料。同时,组织了丰富多彩的多项国际和地区的研究计划。通过对观测资料的深入分析和研究,必将发现许多新事实和新现象。这是大气科学即将到来的一个飞跃时期的事实基础。 展望未来10~20年大气科学重大发展,预估将会有多方面的重大突破。新事实和新现象将催生大气科学新理论出现;对气候系统中各种过程的深入了解,巨型计算机的发展,使得新气候环境模式将会出现;这将是一个集地球系统中物理、化学和生物学等自然过程和人类社会经济活动的综合的模拟系统;对于人类生活环境有重大影响的气候突变现象的发生发展机理的了解将会比现在前进一大步;能够发现一些气候突变的阈值和一些气候突变的前期信号;对于未来气候的稳定性、极端气候的发生、海平面升高的程度都将会有比较确切的回答;气候预测的精度也将大大提高。     

降水观测误差修正对降水变化趋势的影响

依据中国气象局国家气候数据中心提供的660个气象站1951-2004年逐日气温、降水、风速资料, 以及雨雪类型资料, 在乌鲁木齐河源降水误差对比观测试验基础上, 对我国的降水资料进行了系统的修正计算. 这一修正不仅使降水量在数量上增加, 更接近实际值, 同时由于相关气象要素的变化, 还会对降水的长期变化趋势产生影响, 通过对比分析原始观测降水系列和修正后的降水系列的长期变化趋势, 结合理论分析估计这一影响的大小.结果表明: 我国观测和修正后的全国面积加权平均降水量分别为565.2 mm和654.9 mm, 平均修正量为89.7 mm (16%);修正后的降水系列, 绝对趋势大于实际观测系列趋势, 而相对趋势则小于观测系列. 全部台站统计结果表明, 实际的降水变化趋势被低估了6%, 而相对变化趋势被高估了约10%. 同时, 由于我国大部分地区风速呈减少趋势, 导致降水观测误差减小, 结果实际的降水变化趋势远小于观测资料显示的趋势值, 1955-2004年全国实测降水的变化趋势为-1.9 mm·(10a)-1, 而修正后降水的变化趋势高达-6.0 mm·(10a)-1. 目前依据实测的降水观测资料得出的降水变化趋势远远小于实际的变化趋势.     

数字化前兆观测资料收集、处理工作中的体会

数字化地震前兆台网每天都要产出大量的观测数据,为保证这些数据能为地震监测预报提供更丰富的信息,每日的数字化前兆观测资料收集、整理、质量控制、数据备份入库等工作尤其重要。本文就日常数字化前兆观测资料收集、处理工作谈几点体会。     

全球高分辨率气候系统模式研究进展

气候模式是定量研究气候演变规律、预测或预估未来气候变化的重要工具。提高气候模式空间分辨率并改进相应的物理参数化过程,是改善模式性能的重要途径之一,对于认识气候变化规律、提高气候预测能力具有重要作用。在阐述发展全球高分辨率气候系统模式重要性的基础上,对当今国内外高分辨率气候系统模式的研究进展进行总结,介绍全球高分辨率气候系统模式研发和评估的现状及其存在的问题,并着重讨论了制约当前高分辨率气候系统模式发展的关键科学问题和技术瓶颈,其中包括高分辨率海洋和大气模式动力框架的研制和大规模高性能并行计算、次网格物理参数化过程的改进,以及中尺度海气相互作用等。同时,还介绍了国际耦合模式比较计划第六阶段中的高分辨率模式比较子计划的科学目标及其试验设计方案。最后对未来我国全球高分辨率气候系统模式的发展和评估进行了展望。