二维能量平衡模式中极冰对气候的影响——解的稳定性分析(一)

本文从理论上分析了二维能量平衡气候模式解的稳定性。结果表明,解的上分支,即冰界随太阳常数增加而北移的解是稳定的;而解的下分支,即冰界随太阳常数增加而南移的解是不稳定的。由于现在地球上的气候是处在解的上分支,所以可以认为,现在气候状态是稳定的。     

具有海—气耦合系统的能量平衡气候模式

在文[1]的基础上,假定下垫面全为海洋,大气和海洋之间存在热量交换,而海洋中只考虑热量的湍流输送过程。在这种情况下,本文指出,考虑或不考虑海洋湍流输送对全球平均纬向分布以及冰界纬度与太阳常数的依赖关系影响不大。文中还进一步分析了各种参数变化对冰界与太阳辐射依赖的敏感性,并给出了一个简单的物理解释。分析表明,当各种参数在允许范围内变动时,可以得到与实况相近的现代气候。这时,欲要出现冰河期,太阳常数应减小14—19％,不会像一维模式那样只要减小2％。说明现代气候对太阳常数的变化是处于相当稳定的状态。这是二维模式中相互制约的物理过程在起作用的结果。     

基于Fokker-Planck方程的零维气候模式的随机分析

本文中我们把气候系统看成一个具有随机扰动的统计系综,并对零维能量平衡模式导出了相应的Fokker-Planck方程且进行了求解。所得两个稳态解与现在气候和冰期气候相对应。由气候模型的敏感性研究表明,气候系统对确定型太阳常数变化的响应,用Fokker-Planck方程所得结果与Budyko和Sellers的基本相同,但对随机型太阳常数变化的响应得到了新的结果,即太阳常数的随机涨落将导致冰期和间冰期温度下降,气候变冷,而当太阳辐射的平均量保持不变,但其涨落大于31％时,现在气候状态亦将消失。     

具有热力-动力耦合的二维能量平衡气候模式

本文设计了一个热力—动力耦合的理论模式,所得到温度场和运动场的平均气候状态基本上与实况接近.分析表明,温度场和速度场是相互制约的,温度分布在纬向上的不均匀形成了垂直经圈环流,此种流场又把赤道的热量往极地输送,其结果与没有运动场耦合的情况相比,可使赤道温度降低而极地温度升高. 研究模式气候对太阳常数变化的敏感性后指出,要使冰界线从现在的72°N南移到冰河期的50°N,太阳常数要减小15％左右.这在考虑或不考虑流场耦合的模式中都是差不多的.     

对二维气候能量平衡模式中辐射和动力学参数化的一些看法

全球性气候及其变化在很大程度上依赖于各种物理过程之间的相互反馈.Budyko和Sellers首先分别提出了南北方向一维气候能量平衡模式来研究极冰-反照率的反馈对气候的影响.由于水汽和云层是决定对流层内短波和红外辐射收支的主要因子,而地面温度又直接影响水汽的含量,故各种辐射-对流方案也已被广泛地应用在垂直方向的一维气候模式中.陈英仪和巢纪平近几年来设计了同时含有南北和垂直方向变化的二维     

二维能量平衡模式中大气温度对二氧化碳增温效应的响应

利用一个考虑了辐射能传输的二维能量平衡气候模式,解析地分析了二氧化碳浓度改变后冰界纬度的变化,得到了冰界纬度随CO2浓度变化的关系以及全球平均温度的变化曲线.结果表明,当CO2浓度由工业革命前的280×10-6增加到700×10-6时,冰界仅后退(北半球向北)几个纬度;当CO2的浓度继续增加时,冰界纬度会加速向极地退缩,直至出现全球无极冰覆盖的现象.同样地,当CO2浓度由280×10-6增加到700×10-6时,全球地表平均温度虽然在增加,但增加的速率很小,并且增加的速率在减小,而当大于700×10-6之后,温度增加的速率会快速增大,温度将加速上升.对不同反照率进行敏感性试验,发现当反照率从0.1到0.32时,结果并没有显著地改变,即结果对反照率的变化并不敏感.这一计算结果表明,在目前的状态下,由CO2引起的增温作用似乎处于变化很小的准饱和状态,即目前气候不会因为CO2浓度的增加而迅速变暖.较为实际的情形可能是大气温度在缓慢增加到一定程度后才会迅速升高.这并不意味着可以忽视CO2的增温效应,因为根据计算结果,这个临界值大概在700×10-6左右,当CO2浓度增加到超过临界值之后,气温会剧烈上升,气候将会处在一个非常温暖的阶段.     

考虑剩余经圈环流后的定常二维气候模式

本文从动力学能量输送和热力学能量平衡的思想出发,提出一个含有剩余经圈环流的定常二维气候模式。模式包括了含有极冰—反射率、水汽—温度等重要反馈机制的物理过程。模式模拟出的定常温度场与实际大气很相近。模式试验的结果表明:大气二氧化碳浓度倍增能使低纬地面增温1～2℃、高纬地面增温6～8℃。-10℃冰盖线从纬度70°左右移至50°左右约需太阳常数减小6%。     

气候的多平衡态及其转换

本文利用一个简单的气候模式,求得三个平衡态的全球半均温度值分别为:T_1=248.5K,T_2=271.9K和T_3=288.1K,其中对应于温暖时期和寒冷时期的T_3和T_1是稳定的.若要使现代温暖气候转变为寒冷气候,太阳常数约需比现代值减少3％:若从寒冷气候转变成温暖气候,太阳常数需增加约6.3％.这表明寒冷气候的状态要比温暖气候的状态相对稳定些.然后讨论了随机扰动对气候半衡态之间转换的作用.结果表明:仅通过天气随机扰动的涨落效应不可能使气候系统实现冰期-间冰期之间10~5年周期尺度的转换.     

用一维能量平衡模式研究华北干旱化的一些问题

近年来华北干旱化表现为降水减小和温度增加，本文用一维能量平衡模式在不计平流的条件下研究年温度增加和降水减少间的关系，所得结果大致符合我国北方的实际资料。还研究了在二氧化碳倍增情况下一维能量平衡模式得出的华北温度增加大小，其值在1℃左右，大致符合数值模式得出的结论，表明该模式在研究华北干旱化时有一定的用处。     

能量平衡气候模式的敏感性试验

本文利用简单的一维能量平衡模拟全球冰雪面积增减，太阳常数增减，地面反照率增减，大气中二氧化碳浓度增减以及气溶胶浓度增减等对全球温度的影响。同时还模拟多个因子综合对冰河期的影响。敏感试验给出各种自然变化和人类活动对全球温度影响的可能的数值结果，从而为保护大气与环境提供一定参考数据。     

地表温度对太阳常数变化响应的数值试验研究

通过改变太阳常数，利用NCAR气候系统模式CSM1．4就地表温度对强外辐射强迫变化的响应及性质进行了研究。结果表明：虽然局地的增温幅度变化很大，但各试验的全球增温分布特征非常相似，并从一定程度上反映了全球增暖典型试验中的增温分布特点，即陆地比海洋增暖幅度更强，高纬度地区比低纬度地区增暖幅度更强，这一特点在太阳常数增加较大的试验中表现尤为明显。气候系统响应的性质在太阳常数分别增加2，5％、10％和15％与增加25％之间其响应方式有所改变，即气候系统对较小太阳常数变化的响应是线性的，而对较大太阳常数变化的响应则很可能是非线性的。     

IAP AGCM对全球海温异常的响应——CO_2引起气候变化的等效研究

本文用IAP AGCM研究全球海温异常引起的气候变化,这种变化可以看作是由于CO_2含量改变引起的响应。按照Ramanathan和Cess等的观点,太阳常数的改变、CO_2含量的增减及全球海温异常对地气系统能量收支的影响是一致的,主要受控于射出净辐射的改变.本工作分别以+4℃和-4℃作为全球海温异常得到两次积分,分别记为I和D,模式的长期气候平均用作基本状态试验,记为C. 当海温增加4℃时,地表气温约增加4.4℃,而且主要由于热带对流加热的影响,气温的变化随高度增加,冬半球地表气温的增加明显大于夏半球,这是由雪的反照率和垂直温度递减率的反馈作用引起的。虽然全球平均总云量随海温增加而减少,但其纬向分布是不均匀的,尤其对个别类型的云更是如此。云的反馈在辐射能量收支中起着重要作用,例如,热带模式层顶净向下太阳辐射(S)和净向上长波辐射(R)减少(或增加最少)就归咎于穿透性对流云的增加. 全球平均降水I比C多18％.降水的变化呈正反馈趋势,即热带降水最大的地区降水加大,而在副热带地区降水增加很小,甚至减少.纬度-时间图上,降水的变化呈带状分布,正象降水本身的变化一样. 虽然我们得到的全球平均和纬向平均与Mitchell的结果一致,但区域性海温异常响应存在很大差别.     

风海流方程低谱模式多态解问题（二）

本文用四系数的低阶谱模式研究了一个可移动风应力强迫作用下的海流方程多态解的问题。定常解的分布特征及其稳定性对风应力强迫的移动速度有很强的依赖性并且在ε较小时有同时存在三组解的情况。对方程各项大小的计算表明，当风应力强迫主要用来平衡摩擦项或β项时，解是稳定的；其他情况下解一般不稳定。另外，本文还从能量关系讨论了解的稳定性，表明当海洋响应的能量主要集中在低阶谱上时，解一般是稳定的，这时能量平衡关系主要表现为风应力强迫项与摩擦项的平衡。     

太阳对地球大气的影响

一、引言很明显,太阳作为主要推动力对地球大气有重大影响。然而如果要问,太阳输出的某种已知变化会不会对地球上天气与气候的进程有任何重大影响,问题就是不确定的和有争议的了。这种不确定性有一部分是来自我们对太阳输出量的变化缺少完整的知识,比如太阳常数在短时期里的变化是否约为6.1％,是否几十年几百年的长期变化约为1％,它们两者都可能引起重大的气候     

一个简化气候系统的非线性特征

文中建立一个包含年平均云量、地表温度及边界层气温的零维能量平衡模式。研究表明：该模式在适当的参数值范围内，能模拟出接近实际的气候状态；根据与该模式相应的偏差方程，讨论了气候系统的非线性特征以及云对气候状态演化的作用。     

东中国海海温的一维模式研究

根据近海深度浅、热容量小的特点，建立了一个一维能量平衡模式，对东中国海年平均海温进行了模拟。模式较好地模拟出了平均海温的经向分布与纬向分布情况，结果与观测基本相符。同时还检验了模式对海温年际变化的模拟能力，得到了较好的结果。最后简要分析了能量平衡模式应用在近海上的优缺点。     

太阳常数、火山灰和长期预报

地球上一切风云变幻的总能源在于太阳。如果从太阳辐射出的能量通量有所变化,则地球上的天气气候势必出现相应的演变。过去一般认为,在地球距太阳一天文单位处,在没有大气吸收的情况下,垂直于太阳光束的单位面积上、单位时间内所接收的太阳辐射能量是不变的,因而称之为太阳常数。但1970年前,对它的估计有相当出入(1.92—     

评估43个CMIP5模式模拟全球能量平衡能力

<正>地球气候系统的能量平衡决定了地球气候及其变化的状况,因此全球能量平衡的研究一直受到重视,而地球气候系统模式对全球能量平衡的模拟效果也是研究的重要问题之一~([1-2])。IPCC第五次评估报告(AR5)指出~([1]),目前第五次模式对比计划(CMIP5)发展的地球系统模式在模拟气候系统5个圈层方面     

考虑植被效应的二维地气模式及其对半干旱区域气候的模拟

在土壤-植被-大气统一体内，根据能量平衡、水分平衡、大气辐射传输和热传导方程，建立了一个考虑植被作用的二维地气系统动力模式。模式描述了热量和水分随高度和纬度的变化，并针对陕北地理与气候特征，模拟了该地区的气候平均场，为半干旱地区的沙漠化研究提供了模拟方案和初步计算结果。     

落叶松林气候环境的季节变化

本文选择长野县有代表性的落叶松林为研究对象,观测其内部小气候环境的季节变化,以便搞清松林对气候环境的影响。林内气候环境的变化与叶子状态的变化有关。在秋季十月下旬,由于叶色浓绿,林冠上部反射率约为18％;在冬季,由于叶子脱落,在开阔地带树冠下入射太阳辐射的最大反射率约为45％。林被覆盖对林区内的热量条件影响很大,在盛夏季节,林地表面最高和最低温度分别比裸地低30℃和3℃左右,这是由于松林植被减小了土壤温度波动的振幅的缘故。盛夏时节林内空气温度可以比裸地低7.5℃,相对地产生了冷的环境。在生叶和落叶过程中植株接收太阳辐射的主要部位位于不同的高度上,这从林内气温的垂直分布状态可以看出来。能量平衡分析认为,松林植被对其环境的主要影响之一是通过潜热通量来传输热量,即松林改变了鲍文比率,从而向其周围提供了凉爽清新的空气。这种热量交换在裸地上和城市柏油、水泥路面上是几乎不存在的。