近海面稳定大气边界层湍流动量、热量交换的初步研究

一、引言海洋与大气是一个很强的耦合系统.大气向海洋提供巨大的动能来驱动海洋环流,造成浪、流和温度场(特别是上层海洋)等其结构与强度上的不断改变;而海洋同时又作为一部天然热机向大气反馈巨大的热能来推动大气环流,造成天气与气候的不断变化.海气间这种复杂的耦合作用日益为气象和海洋学家所重视.迄今,它已成为一项具有全球意义的重大研究课题.     

一个用于全球气候变化研究的海洋大气环流耦合模式Ⅰ.模式的形成及性能

本文初步建立了一个可用于模拟几十年到上百年气候变化的全球大气-海洋-海冰耦合的环流模式(CGCM).该模式采用“预估-校正”的月平均距平耦合方案,把一个两层大气环流模式(AGCM)和一个20层海洋环流模式(OGCM)耦合在一起;由于北冰洋尚未被包括在海洋模式内,因此我们在大气模式中嵌入了一个北冰洋薄层热力学海洋模式.130年的积分试验表明,尽管耦合模式的长时期积分中存在着明显的气候漂移现象,但模式模拟的全球气候的空间分布特征基本上是合理的.这为进一步利用该模式模拟全球增强温室效应提供了数值实验依据.     

关于海气耦合模式气候漂移及敏感性的一点探讨

本文从概念性的大气或海洋系统及海气耦合系统出发,通过简单的理论分析指出:用观测气候场作为边界条件来调试大气或海洋模式并非最佳选择;海气耦合漂移是由两部分组成的,其中一部分源于未耦合模式模拟得到的气候状态与观测气候状态之间的系统误差,而另一部分则源于海气系统的非线性相互作用;海面“通量修正”可以消除因模式气候与观测气候之间的系统误差而引起的那部分漂移,但仍保留了海气系统的大部分非线性相互作用项.本文最后利用中国科学院大气物理研究所发展的海气耦合模式进行了敏感性试验,指出耦合漂移受到模式海洋的垂真发辨的率、海洋温盐扩散方案、海气耦合强度等诸多因素的影响.     

一种冰-海洋模式的热力耦合方案

冰与海洋的热力耦合对冰与海洋环流的模拟有极其重要的影响,是冰-海洋相互作用的一个重要方面.对其精确确定需要详细考虑冰-海洋界面附近的湍流过程,这在长时期的模拟特别是气候模拟中,常受到技术条件的限制.过去的研究常常假设冰下海洋混合层的温度为冰点,特别是在单纯冰模式的模拟中,但考虑海冰漂移和冰点变化的效应时,这一假设是不精确的.因此,弱化冰下海洋混合层温度为冰点的约束,不考虑详细的冰-海洋界面和海洋混合层的湍流过程,根据冰-海洋耦合系统的能量收支关系,设计了一个简化的冰-海洋热力耦合方案.对该方案引起的海洋混合层适应、热力结构和海冰发展的影响进行了分析,并将其用于全球冰海洋耦合模式的数值试验,结果表明,在大气热力强迫下该耦合方案既可使冰区混合层海水温度向冰点适应,又使冰边缘带海水温度与冰点保持明显差异,能够较好地反映冰-海洋热力相互作用.利用该耦合方案构造的全球冰-海洋耦合模式模拟的海冰范围及季节变化与实际观测非常接近.     

一个区域耦合海气模式及其实验

本文研制了一个区域的简单耦合海气模式,并用来模拟热带太平洋ENSO循环.模式由一层大气模式和一层海洋模式构成.大气模式由运动方程和热力方程组成;海洋模式由运动方程、连续方程和海温方程组成.非绝热加热与风应力构成海气间耦合媒介项,其中大气对海洋的影响以风应力为主,海洋对大气的影响以非绝热加热为主.在理论分析和数值实验的基础上,成功地实现了简单海气耦合模式的正常运转,并且应于对1982-1983年埃尔尼诺现象的数值模拟.对该事件从发展到衰弱的全过程,特别是中期与成熟期获得了良好的模拟效果,显示出本模式的模拟能力,也验证了热带太平洋区域耦合海气作用对ENSO循环的重大贡献.     

大气-海洋-海浪耦合同化模式在台风过程模拟中的应用

基于MCT耦合器,利用中尺度大气模型WRF、海洋模型FVCOM和第三代海浪模型SWAN,实现大气、海洋和海浪的三者实时耦合计算,同时采用卫星微波辐射资料AMSU-A,通过WRF大气模式的资料同化模块WRFDA,实现对风场模拟的连续同化,从而建立起大气-海洋-海浪耦合与卫星数据同化的W-F-S-A耦合同化模式。将该模型应用于2014年台风“威马逊”的数值模拟,并与其他模型进行比较。结果表明,W-F-S-A耦合同化模式对于台风路径和风速的模拟结果优于单独耦合和单独同化结果,并且可以较好地模拟上层海洋对台风的响应特征。     

一个较高分辨率的基于通量订正的海-气耦合环流模式的设计和性能评估

采用日通量距平耦合方案,将中科院大气所最新发展的两个具有较高分辨率的大气和海洋环流模式耦合,并进行了10年以上的耦合积分。为了评估模式的基本性能,对比分析了耦合与未耦合的大气环流模式和海洋环流模式模拟结果,结果显示耦合模式比较成功地控制了"气候漂移",可以较好地模拟平均气候态和季节变化。     

利用jason-1资料验证区域海气耦合模式模拟台风浪的有效性

本文基于中尺度大气模式MM5、区域海洋模式POM及第三代海浪模式WW3建立了综合考虑海气间动力、热力相互作用的区域海气耦合模式系统.利用耦合模式模拟中国南海的两次典型的台风过程,并利用iasotl-1卫星高度计资料验证耦合模式模拟台风浪的有效性.结果表明:耦合模式能够较好地模拟南海台风的移动和强度,但模拟台风系统略偏弱,耦合模式对正常路径台风的模拟效果优干转向型台风;耦合模式能够模拟出南海台风过程中海浪场的演变特征,模拟结果与iason实测值相关性较好,相对误差在可接受范围;区域海气耦合模式为台风等强天气过程中海洋、气象要素演变特征及海-气界面相互作用过程的研究开辟了一条有效途径.     

南海及周边海域风浪流耦合同化精细化数值预报与信息服务系统简介

面向社会需求,建立覆盖南海及周边海域的高分辨率风-浪-流耦合同化数值预报与信息服务系统。系统包含耦合同化数值预报模式、海洋动力环境数据库与可视化平台两部分。其中,耦合同化数值预报模式由中尺度大气数值预报模式、海浪数值预报模式和区域海洋环流数值模式,在C-Coupler耦合器中进行耦合,引入集合调整Kalman滤波同化模块,在耦合预报前进行大气、海浪和海流的同化后报模拟,为耦合预报模式提供更为精确的初始场。预报结果经海洋动力环境数据库和可视化平台处理后,通过二维和三维可视化展示,向用户提供直观的南海及周边海域海洋环境预报产品。     

耦合模式对印度洋偶极子的模拟研究

利用一个海洋-大气-陆面系统耦合模式,模拟分析了热带印度洋的季节和年际气候变化特征。该模式很好地模拟出热带印度洋区域的季节变化特征,对热带印度洋强的局地年际耦合信号-偶极子模拟也比较成功,模拟结果与已有的观测分析以及高分辨率耦合模式模拟结果接近。     

中等海气耦合模式对外强迫响应试验方案的能力检验

针对如何得到海洋-大气耦合模式对某外强迫场响应的问题,提出了2种数值试验方案:外加方案和替代方案,并对上述2个方案利用中等海洋-大气耦合模式进行了检验.检验结果表明,运用2个方案中的任何一个都可以基本上达到用该模式模拟对强迫场响应的目的;用海面风强迫的外加方案得到响应场的变化在位相准确性上较好,但会夸大响应场的振幅;在替代方案中,模式对海面风强迫的响应要比对海温强迫的响应更准确.     

东中国海水动力短期预报系统的构建及适用性研究

本文基于中国近海高分辨率ROMS(Regional Ocean Modeling System)海洋模式和"两洋一海"海洋-大气耦合预报系统,构建了由区域到近海的降尺度预报框架,建立了东中国海水动力短期预报系统.预报系统采用后报-预报循环计算方式运行,可以合理避免误差累积.结合多源观测海表面温度和海表面高度资料,评估了...     

海洋-大气二氧化碳通量的观测技术

大范围稳定地获取海洋-大气系统中二氧化碳的精确数据,是海洋科学、大气科学以及全球变化科学和可持续发展科学计划中的重要任务.准确评估海-气CO2通量需要对海洋和大气中相关参数的同步精确连续观测,需要发展和建立海-气CO2通量的立体观测平台.该观测平台包括岸基、船基、航空、卫星和浮标等系统,主要技术包括走航大气和海水观测技术、浮标海-气CO2通量观测技术、极区海洋-大气CO2通量的观测技术和遥感海洋-大气CO2通量观测和评估技术.     

海洋环境有机磷酸酯的来源、分布与生物地球化学过程

继多种溴代阻燃剂加入《斯德哥尔摩公约》持久性有机污染物黑名单后,有机磷酸酯（organophosphate esters, OPEs）作为替代品,生产和使用量日益增加。研究表明OPEs可通过大气长距离传输、河流输运等方式进入海洋环境,并对海洋生态系统产生一定风险。本文详细梳理了海洋大气、水体和沉积物介质,以及海洋生物体中OPEs的含量水平和分布特征,并探讨了OPEs的海气交换、大气沉降、洋流输运等物理过程,以及生物富集与转化、生物泵耦合和微生物降解等生物地球化学过程。考虑到OPEs仍在大量生产和使用并将持续进入海洋环境,系统的海洋OPEs连续监测和生态风险评估亟待开展。     

热带三大洋海-气耦合主模态及其相互作用的研究进展

从地球气候系统的角度,回顾了国内外热带太平洋、大西洋和印度洋海洋-大气相互作用研究,特别是有关这三大洋海-气耦合主模态研究已取得的成就;提出了热带印度洋、大西洋在被热带太平洋“充电”的同时,如何通过大气桥“放电”,从而改变热带太平洋海洋动力过程是目前面临的重要科学问题.指出了海洋动力过程在三大洋相互作用中的重要性.     

渤海冰-海洋耦合模式Ⅰ.模式和参数研究

在国内外冰-海洋耦合模式研究基础上,根据渤海水文、气象和冰情特点,以国家海洋环境预报中心的渤海海冰预报模式和POM海洋模式为基础,开发了一个冰-海洋耦合模式.在该耦合模式中,冰和海洋之间的动量和热量交换是双向的,冰厚和冰密集度的变化不仅由冰表面和冰底的热收支决定,还由开阔水的表面热收支决定.侧重阐述了耦合模式的动力和热力学过程的耦合,并对模式中一些热力参数进行了讨论.     

西太平洋暖池形成与维持的动力学机制

建立了一个简单海气耦合模式,其中大气垂直分为两层,为-β平面近似线性模式。在非绝热加热项中包含了对流凝结潜热与大尺度流场之间相互作用的CISK机制以及蒸发、感热与扰动风场之间的反馈机制,并考虑了平均东风区和西风区的不同。由于只研究大气的平均纬向运动,故模式大气中仅含有Kelvin波。海洋模式为一约化重力模式,在一定条件下采用准地转近似,模式海洋中仅保留了Rossby波。对这一海气耦合模式进行特征波动分析,发现海气耦合并不显著改变大气波动的性质。在中东太平洋的平均东风区,大气的Kelvin波仍然增幅和东传。在平均西风区,大气Kelvin波振幅衰减。但耦合作用却使海洋Rossby波的性质发生变化,且波长超过某一临界波长Le的Rossby波的振幅增长。在平均东风区,结论相论。这一理论说明西太平洋暖池的形成与海洋Rossby波有关。在东太平洋,由于是平均东风区,短的Ross-by波振幅增长,不能形成水平尺度很大的“暖池”。而在平均西风的西太平洋区,有可能形成水平尺度很大的“暖池”。     

大气-海浪耦合模式对台风“碧利斯”的数值模拟

本文将海表粗糙度作为耦合大气、海浪模式的重要因子,实现中尺度大气模式MM5(V3)和第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ的双向耦合,建立充分考虑大气、海浪相互作用的大气.海浪耦合模式.将该大气-海浪耦合模式应用于对0604次台风"碧利斯"的数值模拟,在耦合模式中引入Smith92海表粗糙度参数化方案,探讨其对台风和台风浪的影响.研究结果表明,大气-海浪耦合模式能够抓住台风过程的总体特征.Smith92海表粗糙度参数化方案对台风路径影响不大.但在台风系统强度的模拟上影响明显,采用Smith92方案使得台风系统强度显著增强,对台风系统强度的模拟有明显改善.同样,大气-海浪耦合模式能够很好的模拟台风过程中海浪的传播和演变.采用Smith92方案使得海面有效波高明显增高,对海面有效波高的模拟有一定程度改善.因此,在大气-海浪耦合模式中恰当的选择海表粗糙度参数化对改进大气-海浪耦合模式的模拟效果是很有意义的.     

地球模拟器及其数值预报系统

本文介绍了由日本宇宙开发事业团、日本原子能研究所和海洋科学技术中心共同研发的矢量型超级计算机-地球模拟器。该计算机上运行了高分辨率的海洋和大气数值模式,用以对全球大气和海洋环流的研究,中尺度涡的模拟,全球变暖预测以及海、气、冰相互作用模拟和预报等。本文具体阐述了地球模拟器的性能以及其上的数值产品海-冰耦合模式OIFES、大气模式AFES和海气冰耦合模式CFES。     

ACSYS模拟计划

6.1 问题与目的气候模拟的目的是完善和应用全耦合的大气-海冰-海洋系统模式。正如6.4节所示,这种努力将与 WCRP 关于气候变化与预测(CLI-VAR)的研究计划相一致。由于任务的复杂性,优化全耦合模式之进展需要发展一定层次的、用于北极区的模式,以便更详尽地理解和预报大气、海冰及海洋间的相互作用特性。通过使