p—σ混合坐标全球模式模拟夏季气候的性能及系统性误差分析

将球带范围的ｐ－σ混合坐标系五层原始方程模式发展成为包含极区的全球大气环流模式，并用ＧＦＤＬ多年平均气候分析资料检验了模式对夏季气候平均状态的模拟性能，分析了ｐ－σ混合坐标系全球大气环流模式模拟夏季气候的系统性误差。结果表明：ｐ－σ混合坐标系全球大气环流模式能较好地模拟夏季气候平均态，各高度上的主要环流系统都可以模拟出来，与球带模式的结果相比有一定的改进，而且陆地上的模拟结果优于海洋上的。     

关于大气环流型季节特征形成的物理因子的数值试验

本文着重研究大气环流季节特征的成因问题。模式试验中将牛顿强迫项的平衡温度斜压结构作类似冬夏气候特征的变化,且加入南北半球大地形强迫作用,研究大气环流型对冬夏全球热力结构特征以及南北半球大地形强迫效应的响应。     

大气环流的年代际变化 II.GCM数值模拟研究

类似大气环流模式比较计划（AMIP）的数值模拟,将实际观测的海表水温（SST）资料引入模式进行40多年的数值积分,得到长时间的大气环流模拟结果。分析数值模拟结果发现,无论是大气中的主要涛动和遥相关型,还是重要大气环流系统都极为清楚地存在着年代际变化特征,包括10～20年准周期振荡和可能的30年以上的准周期振荡;而且上述主要环流系统的形势及其年代际变化大都与实际观测资料所给出的结果相一致。顺便分析中国东部气候的模拟结果,年代际变化特征（包括60年代的气候突变）也很清楚,并同大气环流变化配合十分合理。结果也表明,同研究季节和年际变化一样,大气环流模式（AGCM）数值模拟也是研究大气环流和气候年代际变化的有效方法。     

气候模式并行计算

气候模式并行计算是国内外最近重视开展的在大规模并行计算机上应用的并行软件的开发工作。“气候动力学和气候预测理论的研究”国家攀登项目近年来先后在国产曙光１０００和曙光１０００Ａ并行计算机上开展了气候模式并行计算工作。所用的气候模式是气候动力学项目“八五”阶段设计发展的９层全球格点大气环流模式和从１９９７年起着手研制的１８层全球格点大气环流模式。这是我国首次进行的气候数值模式并行计算工作,阶段性工作取得了合理的并行效率。研究表明以大气环流模式为代表的气候模式是最适合并行计算机实际应用的科研任务之一,国产并行计算机有能力在该领域实际应用中发挥作用。     

近年来国外气候动力学过程若干问题数值模拟研究进展

近年来,利用数值模式对大气环流或短期气候动力学过程进行模拟研究已经取得不少进展。无论是简单的理论模式还是复杂的GCM甚至是海气耦合模式均被广泛地应用于气候模拟、预报以及各类敏感性数值试验研究之中。目前的大气数值模式尤其是象GCM这类模式具有很强的模拟能力,一方面,它不仅能成功地模拟气候平均状态,而且能成功地用于天气预报,即准确地描述个别天气系统的逐日演变以及新扰动的发展;而另一方面,也是特别重要的,还能模拟大气低频变化特性,如年际变化特性、季节内尺度振荡、遥相关以及持续性异常等等。气候动力学尤其低频大气动力学过程是近年来热门的也是人们集中力量加以研究的课题,     

盆地绿洲边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．5非静力平衡模式,通过三重嵌套的降尺度方法,没计理想化的圆形盆地地形和绿洲,模拟研究了盆地绿洲环流及边界层特征。发现盆地感热随地形高度而变化潜热随地形高度没有变化,仅与下垫面特征有关。盆地绿洲感热小,潜热大,绿洲气候效应明显。盆地绿洲形成的环流与地形环流一致,这有利于加强地形环流。但地形形成的环流强度比绿洲环流要弱得多。盆地绿洲对大气边界层的湿度影响很明显。绿洲的水汽输送通过地形下沉气流加强,使山谷绿洲的气候效应得到加强。结果表明,盆地绿洲由于其地形环流与绿洲环流一致,故使绿洲效应加强。     

青藏高原对大气环流的影响

许多研究指出对于全球范围的大气环流,大地形的强迫作用(热力和动力的)和海陆的热力差异起着同等的重要作用,一切区域性的,尤其靠近地形附近地区的天气气候特点,则更多的或基本上决定于地形的影响。但是地形的影响是复杂的,过去作了许多的研究,离解决问题还存在较大的距离。本文主要通过青藏高原来具体讨论地形的影响。 一、青藏高原与全球大气环流     

垂直低分辨率GCM模式大气平均经圈环流的诊断

以ＩＡＰ２－Ｌ ＧＣＭ为例，给出垂直低分辨率ＧＣＭ模式大气平均经圈环流质量流函数的一个计算方案，结果表明，模式大气的Ｈａｄｌｅｙ环流季节变化与实际大气相一致。Ｅｌ Ｎｉｎｏ年模式大气平均经圈环流中可分离出一个与Ｅｌ Ｎｉｎｏ型ＳＳＴ异常关系密切的异常经圈环流，它导致平均Ｈａｄｌｅｙ环流向北半球盛夏型转变的滞后。     

东亚季风区夏季准定常环流系统气候特征及月内演变的数值模拟

利用P—σ混合坐标系5层区域气候模式,研究了东亚季风区夏季准定常环流系统的月平均气候特征及其时间演变,结果发规模式在一定的海陆分布、地形及模式物理过程等的综合作用下可以较好地模拟出东亚季风区夏季准定常环流系统的月平均气候特征,各高度上的主要环流系统以及高原地区的经圈环流与实际情况较为一致,准定常环流系统的时间变化主要发生在模式积分的前15天中,在此后的时间积分过程中环流系统的变化比较缓慢,大陆暖中心、低压中心以及季风强度指数等的时间演变和相关系数、均方误差及误差标准差的分析都能说明这一点。     

全球海-气耦合大环流模式的发展

很早以前人们就相信能够逼真地模拟全球气候、气候变率以及气候变化的许多特征的气候模式,必须从相互影响上表达动力耦合的气候系统的多个主要分量,特别是大气、海洋与冰雪圈。一般来说这方面的工作一直受到计算能力、我们对实测系统的了解以及气候模拟能力的限制。随着巨型计算机的问世,我们对于全球气候过程了解的加深以及大气环流气候模式计算效率的改进,我们已经看见将大气、海洋、海冰耦合在一起的全球气候模拟迅速增加。从60年代后期开始,持续至80年代早期,人们将大气、海洋和海冰的大环流模式耦合起来,让模式非同步运行从而产生可信的对全球气候的各种模拟。这些分量模式中的系统误差后来促使一些模拟研究人员采用通量订正或通量调整,通过调整海-气界面上的一个或若干个变量,可以使模拟更接近实况。在过去的几年中计算能力与气候模拟技术的进一步改进已经使得全球海-气耦合大环流模式能同步运行(也就是说大气与海洋间的交流至少每个模式天一次)。由于计算上的限制,加上需要几十年气候积分,目前仍然只能将相对而言较粗网格的海洋大环流模式与相应的粗网格大气模式耦合(在500km×500km的量级上)。但是,最新一代全球耦合大环流模式的结果已揭示了,实验中二氧化碳逐渐增加时的一些令人感兴趣的、与海洋动力学和全球气候有关的特征。全球耦合大环流模式模拟研究的另一引人注目之处是与厄尔尼诺及南方涛动相联系的一些特征的出现。这些发现,加上同时进行的其它类型的有限域、动力耦合模式方面的研究使人们认识到气候系统中存在着固有不稳定耦合方式,是大气与海洋相互作用耦合的独特产物。所有这些努力正在造就下一代海-气耦合大环流模式。这些模式将在速度更快、存储量更大的计算机上运行,这些模式的海洋部分、大气部分的分辨率将会更高,海冰的表示方式将更加准确,云-辐射方案将得到改善,陆面过程的处理将更加逼真。     

陆面过程对气候影响的数值模拟:SSiB与IAP/LASG L9R15 AGCM耦合及其模式性能

利用陆面过程模式 SSi B与 IAP/LASG发展的 L9R1 5AGCM的耦合 1 0 a积分试验 ,研究了全球尺度大气与地表的水分和能量交换以及陆地与大气环流和气候的相互作用。模拟表明 :SSi B模式可模拟出陆地上较为真实的表面通量及其日变化 ,较好地定量描述土壤 -植被 -大气连续体系 ( SPAC)中能量和水分的传输过程。因此 ,将其引入气候模式中能够模拟出比 CTL- AGCM更合理的气候平均状态、水汽分布以及水汽输送的气候特征 ,特别是亚洲夏季风水汽输送独特的地域性 ,再现了大气环流 ,尤其是陆面气候的基本特征。并指出 ,陆面过程参数化的引进及其陆面状况的变化显著地改善了全球陆地上的水分平衡状况。利用改进的再循环降水模式 ,进一步研究了陆面过程参数化明显改进降水模拟的物理机制。指出全球陆地 ,特别是盛夏北半球干旱、半干旱地区的再循环降水率明显减小 ,与陆面上表面潜热通量的显著减小区一致 ,从而克服了许多未耦合陆面过程的 AGCMs因对地表水过程非常简单地参数化导致的普遍存在着整个陆地降水偏高 ,改善了全球陆地上的水分平衡状况。因此 ,在充分耦合的陆气环流模式中模拟的降水分布与实况接近。     

气候模式一重,二重区域嵌套方案的试验研究

本文采用美国俄勒岗州立大学(OSU)两层大气环流模式,进行一重、二重嵌套区域气候模式的试验研究。研制细网格区域模式是目前气候模式发展的一个重要方向。本文实施一重、二重嵌套方案的月平均模拟结果表现了实现多重嵌套区域气候模式的可行性,即模拟平均场能够描述区域气候特征,且具备在细网格(d/2或d/4)感兴趣区域添加更详细资料(地形、植被等)的条件;本文运用An(?)hes等(1989)提出的张弛逼近方案处理侧边界,在一重、二重嵌套试验中均取得较佳计算结果。     

青藏高原隆升影响夏季大气环流的敏感性试验

本文用球带范围的大气环流耦合模式，模拟了青藏高原隆升过程中大气环流的变化。模拟的结果表明，高原对大气的加热作用随着高原地形的升高而加强，而其中潜热加热的贡献占据第一位。高原隆升加剧了高原上空大气的上升运动，使高低空的高低压系统得到了加强，增强了南亚和东亚的季风强度，并且引起高原地区降水明显增加，地表面平均温度剧烈下降。尽管如此，青藏高原的隆升并没有从根本上改变大气环流形势，海陆分布才是形成当代大气环流及季风的根本因子。因此，要模拟地质历史时期气候状况，除了高原地形外，还须考虑更多的因子，尤其是海陆分布的变化。     

地形影响研究的一些情况

这里着重介绍国外有关地形影响天气、气候和大气环流的某些情况,国内有关这方面的科研动态,只在必要时扼要地提一提。一、概况从历史上来看,地形影响的研究可分为两个阶段:第一阶段从十八世纪到二十世纪40年代,主要研究工作都着重在地形本身所产生的天气、气候和环流现象的描述上。例如,在发表的260多篇文章中,绝大部分都是讨论地形或山地海拔高度对气压、降水、辐射、温度、风,云雾、积雪、霜冻等现象的影响,只有少量(10多篇)工作讨论到了地形对低压、气旋、锋面、锋面波、气团等天气系统的影响,而且多局限于现象的描述。     

一个大气定常波的非线性初始方程谱模式

本文提出了一个可以用于大气定常波数值模拟的非线性初始方程三维谱模式,模式的动力学框架与文献[1]中的线性模式是相互对应的。利用线性模式的定常解作为初值,通过Newton-Raphson迭代法求出了收敛的非线性定常解。文中给出了这一模式大气对于北半球大尺度地形和1979年1月平均非绝热加热场的响应作为计算实例,并与对应的线性响应以及观测事实进行了对比,证明在考虑了大气中波动之间的非线性相互作用之后数值模拟的结果确实比线性模式有显著的改进,尤其是对于低纬环流系统更是如此。这表明了非线性作用对于热带环流系统的极端重要性。      

平流层全球环流12层模式的数值模拟试验——地形的动力效应和大陆度的热力影响部分

为了对平流层大气环流的地形影响的作用进行分析,我们作了一个12层全球环流NCAR(美国国家大气研究中心)模式进行数值试验来模拟有山和无山情况下的1月份气候形势,模式中的大气顶为36公里,采用球坐标,水平网格的经距和纬距取5°,垂直格距取3公里。这个模式包括了许多物理因子:太阳辐射和大地辐射,地面和行星边界层,对流层中大尺度降水和云,地面和冰雪面的温度,对流调整,次网格尺度的热量、水汽和动量的输送。地面的大陆度:在有山的情况下由洋面温度与真实地形来确定,在无山的情况下由洋面温度与地平面高度来确定。我们规定按太阳偏角、海面温度以及臭氧随纬度—高度的分布来模拟1月份平均情况。试验中不考虑光化过程。1月份(有山和无山)两种模拟情况的差异是用大气状态变量的地理分布以及纬向平均的气候统计结果来进行分析的。结果发现平流层中在考虑了山的情况下,在增强行星波动能量的铅直输送的方面有明显的差异(尤其是波数1)。在冬季,平流层中,阿留申地区上空半永久性的反气旋仅在有山的情况下才能模拟出来。这表明地形对于平流层大气环流的影响是很大的。另外还详细研究了热带平流层中各种波型铅直传播的特点。有两种波型是一样的;即以5天左右为周期的混合型罗斯贝—重力波和以15天左右为周期的开尔文波。这些波动随高度的倾斜和观测事实是十分一致的,这表明了在模式中热带平流层的波动能量的铅直输送也是向上的。关于在平流层中动量平衡和能量学的详细分析将在第二部分描述。     

太平洋大尺度环流数值模拟 II:长期平均环流

用本文第Ⅰ部分所给出的四层太平洋环流模式,模拟在定常年平均大气强迫场驱动下太平洋长期平均环流。所进行的53年数值积分表明,模式成功地模拟出观测到的太平洋大尺度环流基本特征,特别是能直接计算出在海洋动力学和大尺度海气相互作用研究中有重要应用的海面起伏,对表层流场的模拟也明显优于具有同等分辨率的其他模式的结果;对气候有重要影响的SST形势的模拟结果同观测也较为一致。本文还用第53年数值积分资料进行了扰动压力场、斜压扰动压力场和海表热通量等的诊断计算和分析。文中还对模拟结果进行了物理和动力学的分析和解释。     

地形因子对降水的影响研究综述

围绕地形如何影响降水、地形对降水的增幅影响,特别是地形对暴雨的影响研究进行综述。地形对降水的作用主要涉及动力和热力方面,包括迎风坡的阻塞回流、背风涡的生成或加深。地形的起伏通过触发地形重力波的生成,促进天气系统的发展。最后提出,在地形影响降水的数值模拟研究方面,应把更多的数据类型和高分辨率地形相结合,开展数据资料同化研究;气候统计研究方面,应着重开展山地降水的强度、大气环流形势等分析,以提高降水预报准确率。     

短期气候预测试验研究的进展

本文回顾了用大气环流模式及大气-海洋耦合模式进行短期气候预测试验研究的进展情况,综述了试验研究得出的一些初步结论,文中也介绍了我国在这方面进行的一些初步试验研究的结果,供短期气候预测研究工作的参考。     

地形对大气环流影响的数值试验

本文利用北半球正压原始方程模式和理想初始场，加入北半球实际的平滑地形的作用，对北半球超长波2波型、3波型、长波4波型、5波型，分别进行了240小时的积分计算。从考虑地形和不考虑地形的四组结果对比中，发现地形对上述四种波型的演变有很大的影响，证实了地形作用确系影响大气环流、形成某些天气气候特征的重要因素之一；同时发现，在地形的动力作用下，北半球大气形成了一些重要的环流系统。例如，极涡向北欧偏移，东亚、北美大槽和阿拉斯加脊的维持，都与地形有密切关系。在地形作用下:（1）北太平洋西槽东脊，而北大西洋西脊东槽。（2）阻塞和切断形势的出现更为频繁、典型。（3）在欧亚大陆上，m=4时出现倒Ω流型，而m=5时，出现两槽一脊型。