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。     

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。     

亚洲夏季风对强外辐射强迫变化的响应

该文通过改变太阳常数,利用NCAR气候系统模式CSM1.4研究了亚洲夏季风对强外辐射强迫变化的响应。结果表明:随太阳常数增加,局地增温幅度变化很大,中高纬地区比低纬地区增暖幅度强,这在太阳常数增加较大的试验中表现尤为明显;随太阳常数增大越大,大气温度升高越高,对流层有强烈增温,对流层高层更为显著;随太阳常数增大,亚洲夏季风系统的响应越强,太平洋副热带高压和南亚高压强度增强明显,并且太阳常数增加越大,高压强度越强,但形式有所不同,500 hPa太阳常数增加2.5%高压强度随纬度增高增强幅度变小,太阳常数增加10%和25%高压强度随纬度增高增强幅度变大。100 hPa太阳常数增加2.5%和10%高压强度随纬度增高增强幅度变小,太阳常数增加25%高压强度随纬度增高增强幅度变大。     

非线性系统研究的基本概念(二)

四、分歧(Bifurcation)现象如前述,一般 R_ω<0的定态解是稳定的,R_ω<0的定态解是不稳定的,而R_ω<0定态解的稳定性由非线性项讨论,其结构一定是不稳定的,在此点往往引起解的分歧过程,所以,分支(分岔、分歧)也称为稳定性交换原理。对于:     

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.     

亚洲冬季风对强外辐射强迫变化的响应

本文采用NCAR气候系统模式CSM1.4研究了冬季风对强外辐射强迫变化的响应,其中外辐射强迫直接由太阳常数的变化而引入。结果表明：随太阳常数的增加,局地的增温幅度变化很大,中高纬地区比低纬地区增暖幅度强,这在太阳常数增加较大的试验中表现更为明显;随太阳常数增大越大,大气温度升高越高,对流层有强烈增温,对流层高层尤为显著,平流层中上层有降温现象;随太阳常数增大,亚洲冬季风系统的响应越强,系统强度增强明显,但形式不同,500hPa随纬度增高增强幅度变大,100hPa随纬度增高增强幅度变小。     

亚洲冬季风对强外辐射强迫变化的响应

本文采用NCAR气候系统模式CSM 1.4研究了冬季风对强外辐射强迫变化的响应,其中外辐射强迫直接由太阳常数的变化而引入。结果表明:随太阳常数的增加,局地的增温幅度变化很大,中高纬地区比低纬地区增暖幅度强,这在太阳常数增加较大的试验中表现更为明显;随太阳常数增大越大,大气温度升高越高,对流层有强烈增温,对流层高层尤为显著,平流层中上层有降温现象;随太阳常数增大,亚洲冬季风系统的响应越强,系统强度增强明显,但形式不同,500 hPa随纬度增高增强幅度变大,100 hPa随纬度增高增强幅度变小。      

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。     

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.     

太阳辐射日变化对夏季风模拟特征的影响

利用６０°Ｓ－６０°Ｎ范围，有海气耦合但无海流的七层原始方程模式，做了有无太阳辐射日变化的对比试验。结果表明：准定常的平均季风系统的形势受太阳辐射日变化的影响不明显，其主要的影响可能来自海陆和地形分布。但是模式中包含太阳辐射日变化后，大气上下层季风系统强度的模拟得到了改善。太阳辐射日变化在很大程度上影响降水的分布形势，在没有太阳辐射日变化的试验中，大陆内部的降水大大减少，而沿海地区的降水增加。土壤温度和湿度的变化与降水变化对应良好。降水增加和减少的地区呈波状分布。至于对季风发展的影响，结果表明在季风发展的初期，太阳辐射日变化可加快其发展。因此，太阳辐射日变化的引入，可使平衡态较早达到     

Effects of sea surface temperature, radiation, cloud microphysics, and diurnal variations on vertical structures of tropical tropospheric temperature: a two-dimensional equilibrium cloud-resolving modeling study

The effects of sea surface temperature (SST), radiation, cloud microphysics, and diurnal variations on the vertical structure of tropical tropospheric temperature are investigated by analyzing 10 two-dimensional equilibrium cloud-resolving model simulation data. The increase of SST, exclusion of diurnal variation of SST, and inclusion of diurnal variation of solar zenith angle, radiative effects of ice clouds, and ice microphysics could lead to tropical tropospheric warming and increase of tropopause height. The increase of SST and the suppression of its diurnal variation enhance the warming in the lower and upper troposphere, respectively, through increasing latent heat and decreasing IR cooling. The inclusion of diurnal variation of solar zenith angle increases the tropospheric warming through increasing solar heating. The inclusion of cloud radiative effects increases tropospheric warming through suppressing IR cooling in the mid and lower troposphere and enhancing solar heating in the upper troposphere. The inclusion of ice microphysics barely increases warming in the mid and lower troposphere because the warming from ice radiative effects is nearly offset by the cooling from ice microphysical effects, whereas it causes the large warming enhancement in the upper troposphere due to the dominance of ice radiative effects. The tropopause height is increased mainly through the large enhancement of IR cooling.     

NUMERICAL SIMULATIONS OF THE EFFECTS OF AEROSOLS IN THE ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER ON THE CLIMATE*

The climatic effects of the atmospheric boundary aerosols are studied by the use of a three-dimensional climate model.Simulated results show that the climate states both at the surface and in the atmosphere change remarkably when the aerosols with different optical thicknesses and properties are introduced into the atmospheric boundary layer of the model.The aerosols absorb and scatter the solar shortwave radiation,therefore,they reduce the solar energy reaching the ground surface and decrease the surface and the soil temperatures.The temperature in the boundary layer increase because of the supplementary absorption of radiation by the boundary aerosols.In the atmosphere,the temperatures at all isobaric surfaces rise up except for the 100 hPa level.The atmospheric temperatures below the 500 hPa level are directly influenced by the boundary aerosols,while the atmospheric temperatures above the 500 hPa level are influenced by the heating due to convective condensation and the changes in the vertical motion field.Cyclonic differential circulations appear over the desert areas at the low levels,and anticyclonic differential circulations exist at the upper levels in the horizontal flow fields.The vertical motions change in correspondence with the differential circulations.The changes in precipitation are directly related to that of vertical motions.The mechanisms of climate effects of the boundary aerosols are also discussed in this paper.     

青藏高原4—10月太阳总辐射的分光测量

讨论了青藏高原主要作物生长期４—１０月太阳总辐射的分光辐射能量的分配特征，分析了太阳高度角、天气条件等对太阳分光辐射相对通量的影响；与中国东部平原区相比，青藏高原光合有效辐射的相对通量稍低，但其绝对量仍远远高于中国东部平原地区。     

NUMERICAL SIMULATIONS OF THE EFFECTS OF AEROSOLS IN THE ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER ON THE CLIMATE

The climatic effects of the atmospheric boundary aerosols are studied by the use of a three-dimensional climatemodel.Simulated results show that the climate states both at the surface and in the atmosphere change remarkably whenthe aerosols with different optical thicknesses and properties are introduced into the atmospheric boundary layer of themodel.The aerosols absorb and scatter the solar shortwave radiation,therefore,they reduce the solar energy reachingthe ground surface and decrease the surface and the soil temperatures.The temperature in the boundary layer increasesbecause of the supplementary absorption of radiation by the boundary aerosols.In the atmosphere,the temperatures atall isobaric surfaces rise up except for the 100 hPa level.The atmospheric temperatures below the 500 hPa level aredirectly influenced by the boundary aerosols,while the atmospheric temperatures above the 500 hPa level are influencedby the heating due to convective condensation and the changes in the vertical motion field.Cyclonic differential circula-tions appear over the desert areas at the low levels,and anticyclonic differential circulations exist at the upper levels inthe horizontal flow fields.The vertical motions change in correspondence with the differential circulations.The changesin precipitation are directly related to that of vertical motions.The mechanisms of climate effects of the boundaryaerosols are also discussed in this paper.     

海冰在大气环流模式中的重要作用

文章简要综述了次网格尺度海冰非均匀性对大气环流模式性能的影响；南极冰在全球环流和短期气候变化中的作用；以及模式中不同的海冰反照率参数化对地表温度和辐射的影响等研究结果．说明海冰对极地海洋和大气的能量收支及短期气候变化有重要作用，不同的海冰参数化方案对气候模拟结果有重要影响．     

ON THE STOCHASTIC ANALYSIS OF A SIMPLE CLIMATE MODEL

By using the first thermodynamic law and stochastic function,a stochastic nonlinear climate model isproposed and the model analytical solution is obtained.The result indicates that the global temperature prob-ability density function has two peaks.If the solar radiation varies,a sudden change in the number of peakwill happen.In addition,we find that there are different sea temperature responses at different latitudes.     

EFFECTS OF SOLAR FLARE ON THE MIDDLE ATMOSPHERE

The SME satellite data of solar UV radiation and mesospheric ozone during solar flare in 1982are analyzed.The results show that the Ha line index used in the solar flare classification is not aproper parameter for studying the effects of solar activity on the photochemical process in themiddle atmosphere.