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%。     

温室效应与气候变化研究综述

大气层中温室气体的增加,将会引起全球性的气候变化,进而导致生态、经济、政治方面的严重后果,对温室效应与气候变化关系的研究,已成为世界瞩目的刻不容缓的问题。1温室效应对全球气候影响及预测对全球气候变化的研究表明,人类活动使大气中温室气体（二氧化碳、甲烷、臭氧、氟氯烃、氧化氮、二氧化硫和水汽等）浓度不断增加,使全球温度升高、气候变暖。如果人类不能有效地控制这些温室气体的排放,这种趋势将持续,其增暖效应陆地比海洋强,高纬比低纬显著。全球气候持续变暖将对海平面升高、水资源、农业生态、林业及人类健康等带来…     

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。     

对气候起调节和过滤作用的大气化学过程

一、前言影响地球气候有五个因子:(1)太阳辐照度的强度和波长特征;(2)地球在空中运行的轨道参数;(3)地球的反射率;(4)海洋的热存储(从而控制全球水汽);(5)地球大气的成份。其中,海洋热存储和地球反射率直接与大气成份有关,因为它决定了给海洋提供热量的射入和射出辐射平衡。地球反射率主要受云量控制,而云量直接与海洋蒸发有关。陆地反射率与植被以及冰、雪的分布有关,而植被和冰、     

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     

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.     

太阳常数变化对冬季全球辐射强迫及气候影响的数值模拟研究

利用中国科学院大气物理研究所第四代大气环流模式IAP AGCM4.0,通过在模式中将太阳常数从1367W·m-2减少至1361W·m-2,探讨了太阳总辐射减弱对冬季(12—2月)全球辐射强迫及气候模拟的影响。结果表明:(1)大气顶入射太阳辐射在全球范围内平均减少1.54W·m-2,南半球中高纬地区显著减少2.15W·m-2。北美、西西伯利亚、中东以及澳洲东部大气顶与地表的净短波辐射则出现增加,这与上述地区总云量减少相对应;(2)地表温度在全球范围内平均降低约0.05oC,北美南部、南美南部、非洲东部与南部、澳洲西部以及亚欧大陆地表温度出现降低,其中亚欧大陆降温幅度达到2oC以上,北美北部、南美北部、非洲西部以及澳洲东部地表温度则为升高,其中澳洲东部平均升温幅度约为0.5oC;(3)降水在全球范围内平均减少约0.003mm·d-1,其中澳洲大陆降水平均减少约0.6mm·d-1,与该地区地表蒸散发减少、水汽源减少以及夏季风减弱有关。     

二维能量平衡模式中极冰对气候的影响——参数敏感性分析(二)

本文应用一个非定常的二维能量平衡气候模式,用数值解方法研究了极冰-温度-反照率的反馈对气候的影响问题。计算表明,定常解是确实存在的。与国外一维模式的结果不同,对应于观测的太阳常数,只能得到唯一的现在气候解。若出现小冰河期(即冰界在50°N左右),则太阳常数要比现在的值减小17％左右。同时发现各种参数值即使改变±20％,这种冰界纬度对太阳常数的变化也不敏感。这表明,现代气候对于太阳常数的变化,是处于相当稳定的状态,而气候状态对参数的依赖性,以热量的垂直湍流交换系数和对辐射的吸收系数为最重要。这也说明了能量的垂直输送过程在决定气候状态中是起重要作用的,而这恰好是国外一维能量平衡模式所没有考虑的过程,因而必然会得到不同的结论。     

青藏高原感热加热对7月份大气环流和亚洲夏季风影响的数值试验

根据低纬地区地表温度高、蒸发及降水量大、辐合上升运动剧烈等特点,本文构造了一个正压模式的方程组,提示出影响低纬大气波动的一个重要因素——海表温度SST。研究指出:(1)当SST<25℃时,含蒸发风反馈机制的Rossby波向西传播,当SST>25℃时.含蒸发风反馈机制的Rossby波向东传播。(2)SST的数值越高,空气越潮湿,含蒸发风反馈机制的Rossby波传播速度就越小。当SST超过29℃时,会形成周期为30天的低频振荡。     

温室气体、海表面温度、太阳常数及火山活动对中国地表气温影响之初探

利用全球大气环流模式CAM3.1,对近百年温室气体浓度、全球海表面温度、太阳常数的变化以及火山活动对我国地表气温所产生的影响进行了研究。全球海表面温度的升高及温室气体浓度的增加是导致中国年平均地表气温升高的部分因素。近百年我国年平均地表气温主要经历了两次年代际振荡并逐渐增温。第一次振荡的冷期为1910年代,随后变暖,1940年代达暖峰期。第二次振荡冷期发生于1950~1960年代,随后变暖,暖峰期发生在1990年代。太阳常数和全球海表面温度的两次振荡是造成这两次振荡主要因素,气温、太阳常数和全球海表面温度均发生了准60年周期的年代际振荡,气温振荡的位相落后于太阳常数和全球海表面温度的位相。20世纪20年代以前及60年代以后火山活动的活跃是导致1910年代和1960~1980年代出现冷期的原因之一。     

温室气体增加对天气气候的影响

根据大气中温室气体含量增加的事实,分析概括产生温室效应以后大气结构的变化.温室效应可以使大气中水汽含量增加,使大气层结不稳定度增加,出现对流性天气之前积聚的不稳定能量可能性更高,大气对流层顶抬高,垂直运动加强,导致大气对流层内垂直和水平振荡的幅度加大,对天气气候的影响主要是容易出现极端天气气候事件,并可能进一步对人类和社会的其他方面造成影响.     

地球失控增暖可能性的数值模拟

通过改变太阳常数引进强外辐射强迫的变化,利用NCAR气候系统模式CSM1.4,就气候系统对强外辐射强迫下的失控增暖效应进行了初步研究。结果表明:气候对于太阳常数分别增加2.5%、10%与增加25%的响应有所不同,即对于较小的强迫,气候系统的响应是线性的;而对于较大的强迫,响应很可能是非线性的。对于NCAR模式,如果强迫足够大,气候系统将会经历失控增暖。失控增暖的主要趋势并不是最初设想的正的水汽反馈增暖,至少在模式中,不只是“失控的温室效应”增暖,还有“失控的云反馈”增暖。     

海表温度异常与中国低纬高原5月降水的ESVD研究

根据ECMWF提供的1961—2002年月平均大气环流再分析资料、NOAA提供的海表温度资料和中国低纬高原的5月降水资料,应用扩展奇异值分析（ESVD）方法研究了中国低纬高原区5月降水、中国低纬高原相邻区域的水汽通量及其散度与全球海表温度场年际变化之间的关系,并通过合成分析对ESVD的分析结果进行验证。统计诊断的结果表明,中国低纬高原区5月降水、中国低纬高原及其相邻区域5月水汽通量及其散度与1—5月的海温异常场之间都具有很好的相关性。海表温度异常型造成中国低纬高原区5月降水异常的物理过程为:当前期1月—同期5月印度洋、西太平洋和东太平洋的海表温度距平呈“-、+、-”（“+、-、+”）的纬向异常三极模或负位相的ENSO“Modoki”异常分布时,中心位于孟加拉湾的异常气旋式环流将孟加拉湾的异常偏多（少）水汽输送至中国低纬高原区,且中国低纬高原区处于水汽的异常辐合（辐散）区和大气环流的异常上升（下沉）区,相应的5月降水偏多（少）。由于1—5月海表温度异常型具有很好的持续性,是导致中国低纬高原5月降水异常的关键因素。因此,前期海表温度异常可以作为影响中国低纬高原5月降水的一个强信号因子,可在短期气候预测中加以应用。      

太阳常数的微小变化在气候变化中的作用

将复杂的气候系统抽象为含有云辐射动态反馈过程的高度非线性气候模型,利用分岔理论,分析了该模型的平衡态及其稳定性。计算结果表明,云反照率反馈、地表反照率反馈和水汽反馈是气候系统呈现多平衡态结构的主要因素,是气候变化复杂性根源,而云放射率反馈对系统结构的影响,只有在强烈的水汽放射率反馈条件下才表现明显。较强的地表反照率反馈和水汽放射率反馈,均可在太阳常数仅有微小变化时就能导致全球气候突变。     

中全新世时期中国地区水循环因子变化的模拟研究

利用全球气候模式CAEM3嵌套区域模式MM5模拟了现代和中全新世时的气候,从模拟结果可以发现中全新世有效降水变化中心随季节变化,最大的有效降水增加出现在夏季东北地区和内蒙古东部,最大值超过3 mm/d;同时,黄河与长江之间区域降水减少,最大变化超过2 mm/d.中国北方地区云量增加,同时,中国东部的长江流域云量减少.高云量变化较小,低云量变化最大,最大变化超过2成.夏季,对应着黄河与长江之间区域的云量减少,这个区域的温度升高最大.从水汽的变化可以看到长江流域地区水汽减少,相对湿度也减少,这与云量的变化一致;华南地区水汽的变化与季节有关;东北地区水汽增加,相对湿度增大,对应云量的增加和降水增多.从结果可以发现相对湿度最大的变化超过15%,不是一个常数.有些地区温度升高,但是水汽却减少.但是,在LGM的温度降低的区域,水汽一致减少.这说明温度降低水汽对应减少,但温度升高不一定对应水汽增加.这与全球尺度水汽相对湿度基本保持常数的结果不同.中全新世时,长江流域除春季外变得干燥、少雨和高温,东北和内蒙古东部变得多雨和潮湿.     

我国东部夏季的水汽输送和水汽含量

研究水汽输送问题,无论在理论上或实际应用上都有很重要的意义。从理论上来说,大气中的各种环流机制可以引起水汽输送,而要维持稳定的大气环流又必然要求一定的水汽输送,以达到水份、热量和能量的平衡。此外,由于水汽一温室效应是气候形成过程中一个重要的正反馈机制,因此,水汽输送的正确考虑是气候模拟一个成功的关键。从实际应用方面来说,水汽输送及其时空变化的分析对于暴雨形成、旱涝分布、水分资源、水份循环等与国民经济密切相关的问题是必不可少的。     

一个气候系统模式对小冰期外强迫变化的平衡态响应

本文利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的气候系统模式FGOALS_gl, 通过设定小冰期的太阳辐射变化, 模拟了小冰期的气候平衡态, 讨论了小冰期气候变化的机理。数值试验结果表明, 由太阳辐照度变化和火山活动共同作用造成的太阳辐射减少是小冰期气候的重要成因, 模拟的小冰期表层气温变化分布与重建资料在全球大多数地区较为一致。就全球平均情况而言, 小冰期的年平均气温较之1860年偏冷0.15℃, 较之20世纪平均情况偏冷0.6℃左右。小冰期温度变化存在显著的地域和季节特征, 表现为北半球降温幅度大于南半球, 高纬地区降温幅度大于低纬地区, 夏季的降温幅度大于冬季。东亚地区小冰期温度较之1860年和20世纪分别偏冷0.3℃和0.6℃。小冰期的降水异常中心位于低纬地区, 主要表现为赤道中东太平洋降水负异常和赤道中西太平洋降水正异常, 以及位于热带印度洋的降水偶极子型。除欧洲和北美外, 全球其他地区陆地降水均减少。东亚地区小冰期夏季降水的变化最为显著, 较之1860年, 华北、 东北地区降水增加, 而长江流域以南降水则减少; 较之20世纪, 东部降水异常表现出华北地区偏多、长江流域偏少、华南地区偏多的“三极型” 分布特征。     

编辑选编

正夏季北极的云、暖空气和气候冷却信号——Clouds,warm air and a climate cooling signal over the summer Arctic.Geophysical Research Letters,2017,in press.虽然大气温室效应导致地表变暖,但向外长波辐射(OLR)却代表着冷却。在进入北极的热和水汽平流事件中,对流层温度和水分的增加影响了云,进而影响了长波(LW)辐     

末次盛冰期冰盖对全球季风活动的非对称性影响

将新研发的南京信息工程大学地球系统模式(NUIST Earth System Model version 1,NESM1)首次应用于古气候模拟中,在Paleoclmate Modelling Intercomparison Project Phase III(PMIP3)框架下设计了工业革命前(Pre-industrial,PI)、末次盛冰期(Last Glacial Maximum,LGM)和增加大陆冰盖(Ice sheets,IS)试验,验证了模式对工业革命前气候和LGM时期气候的模拟能力,并通过增加大陆冰盖试验分析了其对全球季风活动的非对称性影响。结果表明:与PI时期相比,LGM时期的温度和降水均有显著改变。其中,全球平均温度比PI时期降低了4.7℃,全球平均降水减少了0.3 mm·d~(-1),降水对温度变化的敏感性约2.3%·℃~(-1),这与其他耦合模式结果一致。末次盛冰期大陆冰盖对其气候变化有重要贡献,冰盖引起的地表反照率改变与地形抬升作用导致全球平均气温下降1.2℃,降水量减少0.06 mm·d~(-1)。进一步分析表明,末次盛冰期冰盖对全球气候的影响还具有显著南北半球差异,所导致的温度降低和降水减少主要集中在北半球,其中北半球的降温更是高达南半球的5倍;引起北半球季风区年平均降水减少0.24 mm·d~(-1),降水年较差减小0.34 mm·d~(-1),而南半球变化很小。这是由于北半球大幅降温导致的低层水汽含量减小,并与大陆冰盖引起的欧洲大陆和北美大陆反气旋环流共同作用而影响季风活动。在夏季,减少的低层水汽含量与减弱的季风环流使夏季降水显著减少;而在冬季,加强的季风环流能部分抵消水汽含量减小的作用,故冬季降水稍微减弱。此外,在欧洲大陆和北美大陆附近对流层低层反气旋环流作用下,导致亚欧和北美季风活动区域减小。     

末次冰期冰盛期中国地区水循环因子变化的模拟研究

ISCCP卫星资料(1983—2006年)的结果显示:青藏高原地区是高云的高值中心;而以四川为中心直到同纬度的中国东南沿海地区是中云的高值区,同时,青藏高原地区是中云的低值中心。利用全球气候模式CCM3嵌套区域模式MM5模拟了现代和末次冰期冰盛期的气候。MM5模拟的结果与ISCCP的卫星资料对比表明:模拟结果再现了中国地区高云和中云分布的主要特征。这暗示云分布的气候特征可能主要由相对湿度决定。同时,通过MM5的结果与NCEP资料的对比也说明,模式可以较好地模拟水汽和温度的垂直分布。在此基础上,研究了末次冰期冰盛期水循环因子的变化。模拟结果显示:末次冰期冰盛期夏季对流层的温度降低,在对流层中上层存在温度降低的中心;而在冬季在南方的对流层中层存在降温中心,在北方的对流层中上层温度升高。大气中水汽含量与温度变化有很好的正相关,除了冬季北方对流层中上层水汽增加外,水汽含量一般降低,而且在近地层降低的最多,随高度增高水汽变化逐渐变小。但是,水汽的相对变化在对流层上层存在降低的高值中心。相对湿度存在变化,最大的变化超过15%,而且有增加,也有减少。在区域尺度相对湿度不是保守的。相对湿度变化与中云和低云的变化一致。在末次冰期冰盛期,中国地区高云量减少,除中国西南地区外,中云和低云量减少,低云量减少的最多。降水的变化与中云和低云的变化相对应,云量增加降水增加,云量减少降水也减少。从相对湿度和有效降水可以看到在西南地区末次冰期冰盛期变得潮湿,在夏季西北地区也变得潮湿。