全球变化科学领域的若干研究进展

介绍了中国科学院大气物理研究所东亚中心在全球变化科学研究方面的一些进展.主要包括:(1)参与了国际和国内全球变化科学的开拓工作;(2)提出了区域水平上的全球变化研究新方向;(3)气候突变和全球增暖的区域响应研究;(4)东亚季风区植被-大气相互作用研究;(5)区域环境系统模式的发展和亚洲区域模式的国际比较研究活动;(6)提出了对全球变化的人类有序适应的概念、试验观测、理论和方法;(7)面向国家需求的全球变化问题北方干旱化研究;(8)陆地生态系统碳循环研究等.     

《大气环流模式》

《计算物理方法》系美国加里福尼亚大学主编丛书,该丛书第17卷《大气环流模式》在1977年出版。由五个课题组成,现分别介绍如下。一、天气预报和气候模拟中数值模式的计算方面。由美国国家大气研究中心笠原(Kasahara)撰写。研究大气和海洋运动规律的学科是地球物理流体动力学。天气预报和气候模拟就是由这门学科的基础理论所建立起来的一整套方程组控制。这套基本方程组通称“数学模式”,当数值近似方法应用于这组方     

一个适用于地球系统模式(CAS-ESM)的在线气溶胶与大气化学分量模式(IAP-AACM)的发展与评估

地球系统模式是研究全球气候与生态环境变化问题的重要工具，气溶胶与大气化学模式负责为其中的大气环流模式提供与气候效应有关的气态化学物质和气溶胶成分。本文在全球嵌套网格空气质量预报模式系统的基础上发展了一个适用于中国科学院地球系统模式（CAS-ESM）耦合计算的气溶胶与大气化学分量模式（IAP-AACM），采用简化的气相化学机制，不仅考虑了人为气溶胶，同时考虑了海盐、沙尘和二甲基硫等自然气溶胶及其前体物的在线排放。评估结果表明，IAP-AACM氧化剂插值计算可靠，采用简化机制和碳键机制（CBM-Z）模拟的差异较小。和观测的对比表明，得益于CAS-ESM的气溶胶双向反馈作用，简化版能够较好地抓住气溶胶及其前体物的空间分布，为IAP-AGCM提供可靠的气溶胶模拟。另外，简化版能大幅提升计算效率，满足CAS-ESM耦合长期积分的需求。为了在全球气候变化的研究中提供更完善的气溶胶模拟，未来考虑在IAP-AACM中增加氮化学和臭氧平流层化学机制。     

近期青藏高原对亚洲气候影响的动力学研究进展

总结回顾了近年青藏高原影响的气候动力学研究。青藏高原在不同季节对气候的影响具有的不同特性:(1) 冬季高原为弱冷源的特征;(2) 春季高原与环流的相互作用使中国南方盛行西南气流进而形成江南春雨,在从冬到夏的季节推进过程中,青藏高原还调控南亚-印度洋海陆气相互作用,激发孟加拉湾季风爆发性涡旋,促使孟加拉湾季风在高原东部爆发;(3) 夏季斜坡上的感热加热形成高原感热气泵,与海陆热力对比共同作用,控制南亚季风和东亚季风;(4) 在年际和年代际时间尺度上,冬季热源异常是北半球大气环流变化的结果,同时对中国南方持续性异常雨雪事件产生影响;在春夏季节,高原热力强迫的变化强烈地影响环流和亚洲气候。其中青藏高原表面感热通量和其上空大气热源在春季和夏季呈减弱趋势在近30年逐渐减弱,影响到中国近几十年夏季季风和雨带分布。最后提出青藏高原影响研究的气候动力学面临的科学问题。      

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。     

正压大气中尺度半平衡和准平衡动力学模式

应用描写正压大气运动的基本方程组，分析了中尺度大气运动的物理特征，指出非平衡强迫运动是引起中尺度重要天气演变的根本原因。中尺度动力学方程组是中尺度动力学理论研究的基础，因此，结合中尺度大气运动的基本特征，依据严格的尺度分析理论和摄动理论，简化基于流体力学和热力学的大气动力学方程组使之能够恰当地描述出中尺度运动的基本特征，对于中尺度动力学的发展是极为必要的。基于非线性平衡方程所得到的半平衡和准平衡动力学模式分别与半地转和准地转模式极为相似，它们可以较精确地描述中尺度大气运动的基本特征，因而，可作为中尺度动力学研究的理论基础。将准平衡动力学模式应用于中尺度涡旋系统的研究，结论表明中尺度平衡涡旋系统主要是受梯度风控制，其流场和气压场的发展演变则由一个演化方程来描写，获得了较为理想的结果。     

中国热带大气季节内振荡研究进展

热带大气季节内振荡(包括MJO)是大气环流的重要系统,它的活动及异常既对其他系统有一定的作用,也对长期天气和短期气候有明显影响。因此,热带大气季节内振荡一直是大气科学的前沿研究课题之一。文中对近5—10年中国学者的有关研究工作及其进展做了简要回顾和综合,主要包括:(1)热带大气季节内振荡特别是MJO的动力学机制;(2)热带大气季节内振荡以及MJO的数值模拟问题,特别是大气非绝热加热廓线对模式模拟MJO的重要作用;(3)热带大气季节内振荡和MJO,特别是在赤道西太平洋地区,与ENSO的相互作用关系;(4)热带大气季节内振荡(包括MJO)及其流场形势对西太平洋台风活动的重要影响,即MJO对西北太平洋台风生成数的调制作用,以及热带大气季节内低频气旋性(LFC)和反气旋性(LFAC)流场对西太平洋台风路径的影响;(5)热带大气季节内振荡(包括MJO)的活动及异常对东亚和南亚夏季风建立、活动异常的影响,以及它们与中国降水异常的密切关系。     

前言

为进一步加深对气候和大气环流的认识,改进气候和大气环流模式,必须深入认识大气同地表的相互作用。目前人们对大气与海洋的相互作用,即海气相互作用已经有了相当的研究和了解,但是人们对陆气的相互作用,即地气相互作用(或陆面过程)的研究和认识却较为落后。由于陆面本身的复杂性,使得陆面过程的研究也较为复杂和困     

对流层与下平流层大气重力波的气候及差异特征研究——以太原为例

大气重力波对全球大气的动力、热力结构具有重要影响,研究重力波参数气候特征是研制全球大气模式中重力波参数化的一个重要环节,通过引入重力波的影响,有利于提高大气模式的预报能力。本文利用2014-2017年太原地区(112.55°E,37.78°N)高垂直分辨率探空资料,对其对流层(2～9 km)、下平流层(17～24 km)大气重力波参数的气候特征及其之间差异特征进行研究。结果表明:(1)在1-12月,相对于对流层,下平流层的平均重力波水平波长、周期、固有相速、能量上传百分比均偏大,垂直波长均偏小,但群速在2月、5-9月偏大,其他月份偏小;(2)对流层与下平流层之间的重力波参数偏差、绝对差较大,相关性弱;(3)对流层、下平流层的重力波参数及其之间的偏差,在不同区间范围内的占有率分布特征存在明显差异;通过研究太原地区上空对流层、下平流层大气重力波参数的气候及其之间差异特征,进一步补充了中国区域的大气重力波参数气候特征,有利于研制更适合中国区域数值预报模式的重力波参数化方案。     

为预报植物、群落和生态系统对二氧化碳浓度响应的模拟要求

大气CO_2升高的一个重要的直接效应是促进植物生长。为了了解和预报自然物种及生态系统对CO_2增加的响应,需要有新的或修正的模式方法。由于在未来100年内,大气中CO_2将增加1倍,有效的模式将成为预报响应(如生产率的变化,植物群落组成的变化及分离的碳含量的变化)的重要手段。作为研究CO_2对植被直接影响的综合计划的一部分,对模拟植物和生态系统响应的要求进行了讨讨,主要的要求是(a)一种模式的复杂程度要与一般的生态知识相适应,主要是CO_2响应函数的处理;(b)建立预报植物、群落和生态系统对CO_2响应的模式;(c)评价由CO_2决定的模式参数的敏感性和不确定性,次要的要求是建立评价模式所需的资料条件的框架。     

Aluminium solubility in rainwater and molten snow

Large variations of aluminium solubilities are found in marine and rural precipitations. The results of seven field experiments are used to produce a model of the solubilization of aluminium independent of the sampling site. Large variations of solubility appear, and the pH seems to be a major factor explaining this solubility changes. Thermodynamic calculations at T=278K suggest that, at higher pHs (>5), equilibrium with gibbsite (Al(OH)₃) or a trivalent alkaline insoluble form acts as a limiting of aluminium solubility and at lower pHs (<5), Al could be in equilibrium with a hydroxysulfate salt Al(OH)_1.5(SO₄)_0.75.Paper submitted to the 7th International Symposium of the Commission for Atmospheric Chemistry and Global Pollution on the Chemistry of the Global Atmosphere held in Chamrousse, France, from 5 to 11 September 1990.     

A numerical study of the nocturnal heat island over a medium-sized mid-latitude city (Columbus,Ohio)

A numerical investigation is conducted of the nocturnal heat island over Columbus, Ohio, a relatively flat mid-latitude city. Specifically, a cross-sectional steady-state numerical model to simulate the (thermal) structure of the nocturnal urban boundary layer is developed from a one-dimensional, time-dependent model due to Estoque. The model is applied to Columbus for special periods in September 1968 and March 1969 during which comparable experimental data were collected. The numerical simulations agree well with the observed data with respect to the detailed spatial form of the surface-based thermal boundary layer across the city. The use of the model for other metropolitan areas, for ascertaining the relative effect of city size and building geometry on the development of the thermal boundary layer, and for determining the effect of alternate land-use strategies on the thermal stratification are also discussed.Digest of portion of a dissertation submitted to the Pennsylvania State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy.Presented in part at the Air Pollution, Turbulence and Diffusion Symposium, Las Cruces, New Mexico, 7–10 December 1971.On assignment from the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), U.S. Department of Commerce.     

Significance of atmospheric fallout on the upper layer water chemistry of the North-Western Mediterranean

The atmospheric input is established for almost forty trace and major elements at a coastal site on the North-Western Mediterranean. Comparison with the Rhône River input at the scale of the Gulf of Lions shows that the total atmospheric input dominates for elements of anthropogenic origin such as Cd, Pb, Sb and Zn. Dissolved input of atmospheric origin is very important for these elements and for those of terrigenous origin (Al and Fe). In the coastal zone, both dissolved external sources (atmosphere and Rhône River) can explain the high Mediterranean Surface waters concentrations. Atmospheric input becomes rapidly the predominant factor, while the riverine influence being negligible in the few tens' kilometers outside the river mouth.Paper submitted to the 7th International Symposium of the Commission for Atmospheric Chemistry and Global Pollution on the Chemistry of the Global Atmosphere held in Chamrousse, France, from 5 to 11 September 1990.     

X波段雷达和微波辐射计联合反演云中雨水含量分布的数值试验

运用中国科学院大气物理研究所的三维云模式,对北京地区2005-06-26的一次层状云过程进行模拟试验,以此为真值,分别用雷达—辐射计联合系统和单雷达进行云中雨水分布的反演。结果表明,联合反演与模式真值的平均相对误差只有16%,联合反演的精度比单雷达反演有大幅度的提高,并从理论上讨论了误差的来源。     

On the impact of cloudiness on the characteristics of nocturnal downslope flows

The effects of cloud cover amount and the height of cloud base on nighttime thermally induced downslope flow were investigated using analytical and numerical model approaches. The conclusions obtained with the analytical and the numerical model evaluations agreed. It was concluded that, (i) as cloud cover increases and/or the height of cloud base decreases, the depth and the intensity of nighttime thermally-induced downslope flows may decrease by a factor reaching one sixth and one tenth, respectively, in the case of overcast low cloud; (ii) when skies suddenly cloud over around midnight, the development of the downslope flow is altered in different ways: a reduction in intensity; or a cessation of further development, depending on the fraction of cloud coverage, and (iii) with a sudden clearing of overcast low cloud around midnight, the depth and the intensity of the downslope flow increases significantly.On leave from the Institute of Atmospheric Physics, Academia Sinica, Beijing, China.On leave from CSIRO, Division of Atmospheric Research, Private Bag No. 1, Mordialloc, Victoria 3195, Australia.     

Sulfur dioxide and dimethyl sulfide in the central Pacific troposphere

Boundary-layer and free-troposphere measurements of sulfur dioxide, dimethyl sulfide, and carbon disulfide were made during transits of the central and southern Pacific Ocean between Hawaii and Australia. Sulfur dioxide was generally less than 100 pptv and highly variable with no correlation with respect to geographic location or altitude. Dimethyl sulfide in the boundary layer had a concentration range of <10 to 200 pptv. Highest concentrations of DMS were in the equatorial region of the southern hemisphere although the concentrations were dependent on location and meteorological regime. In the region of the Fiji Islands several boundary layer samples had SO₂, DMS, and CS₂. In 1989, additional SO₂ measurements were made between Hawaii and the equator and to the west of Hawaii downwind of the Kilauea volcano plumes.Paper submitted to the 7th International Symposium of the Commission for Atmospheric Chemistry and Global Pollution on the Chemistry of the Global Atmosphere held in Chamrousse, France, from 5 to 11 September 1990.     

北京及其周边地区冬季SO2的变化与输送特征

利用实施北京市奥运空气质量保障计划"北京市与周边地区空气污染物的输送、转化及北京市空气质量目标研究"项目的有利时机,于2007年1月15～27日在中国科学院大气物理研究所北京站、香河站和兴隆站,采用先进的差分吸收光谱仪(DOAS)和SO2气体分析仪取得了高质量SO2浓度的连续观测资料,同时还获取了相应的常规气象资料和系留气艇探测的常规气象参数廓线资料.分析和讨论了北京及其周边地区的SO2污染的变化过程特征、日变化特征、输送特征、源排放特征以及与天气过程和气象条件的紧密联系.研究表明:1)北京站、香河站和兴隆站的SO2浓度逐日变化明显,变化趋势一致,通常处于同一个天气系统控制之下,SO2污染呈现区域性分布特征.2)冬季SO2浓度日变化明显,夜晚最高,15时(北京时)最低.3)SO2浓度与大气稳定度、风速、风向密切相关,风速越小、大气越稳定,SO2浓度越高;当吹西南风时,SO2浓度升高,西北风时浓度明显降低.4)HYSPLIT后向轨迹数值模拟结果和OMI卫星反演表明周边地区的SO2长距离输送对站点的贡献不能忽视.     

大气边界层物理与大气环境过程研究进展

总结了近5年来中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室(LAPC)在第二代超声风速温度仪研制、城市边界层研究、复杂地形大气边界层探测与数值模拟、湍流机理研究、大气污染模式发展与应用等领域的主要进展,其中,第二代超声风速温度仪的野外对比测试结果表明其主要性能完全达到了国际先进水平;北京城市化发展使得北京325 m气象塔周边近地面流场已经具备了典型城市粗糙下垫面的流场特征,近地面夏季平均风速呈现非常明显的逐年递减趋势;北京沙尘暴大风时期湍流运动主要是小尺度湍涡运动,而大风的概率分布偏离高斯分布,风速较大的一侧概率分布呈指数迅速衰减,大风中风速很大的部分具有分形特征;珠穆朗玛峰北坡地区两次综合强化探测实验是迄今为止在青藏高原大型山地中实施的针对山地环流和物质／能量交换最为全面和连续的大气过程探测实验;白洋淀地区的观测研究表明,非均匀边界层具有一般边界层不具备的特点,无论是边界层结构还是湍流输送方面,水、陆边界层之间存在一定的差异,凸显其地表非均匀性的作用;为了解决不同尺度、不同类型的大气污染问题和实际应用,研制或发展完善了多套大气污染模式系统,包括全球大气化学模式、区域大气污染数值模式、城市大气污染数值模式和微小尺度(如街区尺度)范围内污染物输送扩散模式。     

基于GPU-OpenACC的气候模式加速优化研究

为使数值模式适应异构架构在高性能计算领域的快速发展趋势,本文基于OpenACC语言,对气候模式BCC_AGCM3.0中动力框架三段程序段进行GPU加速优化试验。通过异步执行设置、循环内移、数据管理及向量参数化配置等方式,对模式中计算密集部分程序段进行GPU加速并行化,并进行了优化运行效率对比及正确性验证。试验结果表明,BCC_AGCM3.0模式中三段程序段GPU加速后效率提升均在3倍以上,BCC_AGCM气候模式全球涡度均方根相对误差控制在一定范围之内。加速方法及策略对于数值天气气候模式在异构环境下的移植与优化具有一定参考价值。     

Some numerical studies of surface boundary-layer flow above gentle topography

A numerical model of two-dimensional surface boundary-layer flow based on a non orthogonal coordinate mapping is developed. Results show good agreement with previous computations using conformal mapping techniques for flow over a periodic wavy surface and over an isolated hill. Results are presented for flow over Gaussian hills and valleys and over smooth sloping escarpments. For a 1 in 4 Sine ramp, good agreement is obtained with Freeston's (1974) wind-tunnel measurements.Presented under the title Atmospheric boundary-layer flow above gentle topography at the 10th Annual Congress of the Canadian Meteorological Society, Quebec City, May 26–28, 1976.