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。     

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.     

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。     

土壤-植被-大气系统水分散失机理的数值模拟

以Eeardorff(1978)提出的陆面参数化方案和Noilhan等人(1989)土壤水分参数化方案为基础,对陆面物理过程参数化方案进行了改进,在模式中较详细地考虑了植被和地面的各种物理参量如地面和叶面的反射率和发射率,净叶面面积指数,植被的物理阻抗等,并与大气边界层模式耦合。应用该模式模拟了沙漠及绿洲地区不同植被覆盖率情况下的蒸散量、土壤含水量和表面温度的日变化和连续变化特征;对不同植被覆盖率的热量平衡特征进行了比较。结果表明该模式较好地反映了地表蒸散3阶段的变化趋势特征,揭示出下垫面热量平衡分量间的相互转换过程。该模式可以用于中尺度的气象和区域气候模式,模拟和预测不同植被覆盖情况下近地层的热量输送和水分散失情况。     

中尺度数值模拟中的边界层多尺度湍流参数化方案

该文在多尺度湍流理论的研究成果基础上, 将边界层湍流风谱与平均量的梯度相联系, 建立了边界层多尺度湍流参数化子模式, 之后放入MM5模式中进行了个例模拟研究, 并与MM5模式附带的M RF边界层参数化、Blackadar高分辨率边界层参数化的模拟结果进行比较和分析。结果表明, 多尺度湍流理论能够反映出实际大气边界层中热量垂直输送的规律, 将其用于中尺度数值预报模式的边界层物理过程参数化是可行的; 多尺度湍流参数化在地表层和边界层内各个层次上都着重考虑含能量最大的涡的作用以及水平热力不均匀性的影响, 因此在地形和下垫面比较复杂的区域, 对中尺度天气系统的模拟有进一步发展的前景。     

北大西洋高纬度海区湍流热通量对全球增暖的响应

大西洋经向翻转环流(the Atlantic Meridional Overturning Circulation,AMOC)由低纬输送大量热量至高纬度北大西洋海区,并通过热通量由海洋输送给大气,主导了附近区域的气候形态,并对北半球尺度的气候变化产生显著影响。本文根据CMIP5多模式多增暖情景的预估模拟结果,通过与增暖前控制试验的对比发现,全球增暖可导致该海区湍流热通量的减小,且减小的幅度随增暖强度增大,模拟结果与观测一致。进一步研究发现,热通量的减小存在季节差异,冬季的减小幅度远大于夏季。结合淡水扰动试验的分析表明,全球增暖下AMOC强度的减弱导致大西洋经向热输送减少,进而导致高纬度北大西洋海洋向大气的热输送减小。     

华南沿海暖海雾过程中的湍流热量交换特征

湍流交换是海雾中的关键物理过程, 在海雾的热量和水汽平衡过程中起重要作用。本文根据2007年3月24～25日一次海雾的外场观测数据, 分析了海雾过程中近海面湍流热量交换特征; 并在区分风切变机械湍流与雾顶长波辐射冷却热力湍流的基础上, 着重分析了两种不同性质的湍流对海雾发展和维持的作用。结果表明: (1) 本次海雾是在西南低压和变性冷高压的控制下, 来自南海东部暖水区的空气平流在近岸冷海面上形成的暖海雾; 暖海雾中的湍流热量交换过程比冷海雾更为复杂; (2) 在暖海雾的形成和消散阶段, 风切变机械湍流的热量输送起主要作用; 而在发展和维持阶段, 既有风切变机械湍流的热量输送作用, 也有雾顶长波辐射冷却热力湍流的热量输送作用; (3) 风切变机械湍流向冷海面输送热量, 对近海面空气起到降温和增湿作用; 热力湍流同样向冷海面输送热量, 但对雾层起到增温和降湿作用; (4) 暖海雾中的湍流热量交换机制与雾层的非充分混合结构有密切关系。     

海表动量和热量通量的数值模拟

本文分析了用IAP两层大气环流模式模拟的海表动量和热量通量,并将其同Han等和Esbensen等的气候资料比较.模拟的热量通量与观测估计值有类似的水平分布和季节变化,但在中低纬地区有偏多的热量由海洋向大气输送,尤其1月北半球中纬大气需要从海洋获得过分多的热量;模拟的海表动量通量和气候估计值也类似,但模拟的北半球冬季中高纬西风动量通量中心位置偏东,赤道中西太平洋和大西洋的东风动量通量偏弱,南半球环绕南极的西风带模拟得过分弱(尤其在7月份).本文还检验了基本变量的日变化和日际变化对计算海表动量和湍流扩散热量通量的影响,结果表明用月平均,日平均和每小时的基本量计算的动量和湍流扩散热量通量依次增大,尤其在中高纬地区更明显.     

海冰—海温反馈系统的季节性动力气候模式

本文在全海洋地球的假定下,建立了一个包括太阳辐射、海面温度等季节变化的理想动力气候模式。模拟结果指出:平衡态及其对外参数敏感性的季节变化很大,而且都是夏季比其它季节大得多;四个季节敏感性的平均值也比年平均模式的敏感性大,这可能主要是太阳辐射季节变化引起的。另外,当太阳常数或二氧化碳浓度减小至一定值时,会出现分岔,若继续减小到分岔点以下,则会发生气候灾变—"深冻"。分岔点上外参数的值在夏季要比其它三个季节大得多。以上结果表明物理过程的季节变化在长期气候变化的研究中是不可忽视的。      

大气与海洋相互作用的边界层模拟

在求解含有运动方程、湍流动能平衡与耗散方程的闭合方程组基础上,考虑大气与海洋之间的相互作用,模拟其边界层中的过程。在建立表达式时,考虑了风浪对大气和海洋湍流垂直结构的影响,引入依赖外部因子的湍流参数的垂直分布。指出,随着波高的增长,最大湍流系数移向海面。并得出,动力速度、粗糙度及其与波高的比等,均与近海面的风速有关,这些均与实验资料相符合。提供了根据天气船观测资料进行模式计算的典型个例。     

陆面过程和大气边界层相互作用敏感性实验

文中建立了一个研究陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式。模拟了草原下垫面的土壤 环境物理、地面热量通量、蒸发、蒸散及大气边界层结构特征。并对主要的环境物理参数进 行了敏感性实验。结果表明，本模式能合理地模拟地表热量平衡、土壤体积含水量、植被蒸 发阻抗、地表水汽通量日变化和湍流交换系数、湍流动能、位温和比湿廓线等。该模式还可 进一步应用于研究城市陆面物理过程与大气边界层相互作用机制，及与中尺度大气模式耦合用于区域气候的研究。     

华北地区平流雾过程湍流输送及演变特征

利用2006年2月在天津市南部地区开展的大气湍流观测资料, 分析了平流雾生消过程中湍流输送及演变特征。结果表明: 平流雾生消过程中, 大气稳定度参数数值主要集中在弱不稳定到弱稳定范围内, 且多呈现弱不稳定状态。雾前, 大气呈弱不稳定状态, 热量的垂直和水平输送短时加强, 且水平输送较垂直输送更显著; 雾生成初期, 大气呈弱稳定层结, 湍流动量和热量的垂直及水平输送均很弱; 雾中, 大气多呈弱不稳定状态, 稳定度参数、 动量、 热量及水平与垂直热通量之比值随时间均呈多峰形振荡, 随着雾的消散, 大气由弱不稳定逐渐演变为稳定状态; 雾后, 低层大气再次呈现弱不稳定层结特征, 动量和热量输送呈单峰形日变化特征。平流雾生消过程中, 热量的水平输送随不稳定度增强而迅速减小; 大气呈稳定层结时, 热量的水平输送显著大于垂直输送, 其比值约为2。同时, 摩擦速度、 水平与垂直热通量之比值呈多峰形振荡, 振幅分别可达1.2 m/s及50。     

2008年夏季风期间西沙海域海-气通量交换及热量收支

2008年4—10月在中国南海西沙永兴岛近海进行了第4次海-气通量观测试验,获得了整个夏季风期间近海面层湍流脉动量及辐射、表层水温、波浪及距水面3.5、7.0、10.5m高度温、湿、风梯度观测资料,根据涡动相关法和COARE3.0法计算结果研究了2008年南海西南季风爆发、发展、中断、衰退包括暴雨、台风、冷空气影响等天气过程中海-气通量交换和热量收支变化。结果表明:(1)季风爆发前的晴天太阳总辐射强,而海洋失热量较小,热量净收支为较大正值,海面温度迅速升高。季风爆发期太阳总辐射仍然较强,大气长波辐射也有所增强,而海面长波辐射变化很小,故海面净辐射收支仍为正值;(2)季风活跃期特别是降水阶段感热通量增大,季风中断阶段变小;季风活跃期虽然潜热通量增大,由于太阳短波辐射没有减少,海洋净热量收支稍有盈余;中断阶段潜热通量、感热通量减少,海洋吸热大于季风活跃期;降水阶段由于太阳短波辐射减小,感热通量增大,海洋热量收支出现较大负值,海面温度很快降低。季风衰退期风力减弱,湿度减小,潜热通量减小,海洋热量收入又出现较大正值,海面温度回升;(3)台风影响过程中潜热通量随着风速增强迅速增大;感热通量因降水情况不同而有差异,晴天时减小,大雨时剧烈增大;由于太阳短波辐射减少、潜热通量剧增,海洋热量净收支出现负值,促使海面温度迅速降低;(4)动量通量主要与海表面风速有关;动量通量τ与风速V的关系可以表示为τ=0.00171v~2-0.003809v+0.02213。     

地球系统模式中的碳循环及其检验

<正>世界气候研究计划(WCRP)提供的耦合模式对比计划第五阶段(CMIP5)的地球系统模式(ESM)较之以前增加了较为复杂的碳循环,即在原有的全球大气耦合海洋环流模式(AOGCMs)中,把大气与陆地和海洋碳循环过程加入,这样较真实地再现碳循环和物理气候系统之间的相互作用~([1])。为了表征它们之间的相互作用以及考虑碳循环响应于未来的气候变化和CO_2的变化,经常考虑碳—浓度参数化和碳—气候反馈参数化,这是两个强的和相反的反馈。碳—浓度参数化是度量陆地和海洋碳库对大     

非均匀地表类型有效粗糙度的计算和特征分析

利用湍流通量相等原理和ECMWF的总体湍流输送系数参数化方案,研究了气候数值模式中非均匀地表类型的有效粗糙度计算问题。结果表明,当存在两种地表类型且粗糙变率为2.3时,有效粗糙度比通常采用的对数加权平均值大40％左右,相应的总体湍流输送系数大16％左右,光滑地表类型和粗糙地表类型所占面积百分比分别为60％和40％时,有效粗糙度及相应的总体湍流输送系数和相应的对数加权平均值之差最大,并且有效粗糙度对大气层结不敏感,因而在气候模式中有实用价值。     

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%。     

我国地表面和大气间的湍流热交换量的研究

一、引言 由于地面增热不均,形成地表和大气间的热力差异,为了达到热量平衡,便导致湍流热交换的产生,湍流热交换量不仅是热量平衡中的重要分量之一,而且表示了大气层结的稳定性,大气中各物理量的输送和交换能力,从而反映了天气与气候的形成过程和变化特征。     

NMC第二代中期数值预报系统误差的动力诊断

利用国家气象中心第二代中期数值预报模式计算了１月和７月的预报诊断量。计算结果表明,新一代模式在动力外强迫作用、辐射通量和对流参数化等物理过程方面的改进,使该模式的预报比第一代模式有了较大的改善,模式预报的系统误差明显减小。通过对角动量、热量和水汽的经向输送和收支平衡的分析,认为该模式在地形处理、陆面过程、云辐射和积云对流参数化等物理过程还有待进一步改进。     

气候模拟

模拟是现代气候研究的核心，是我们连接气候系统中大气、海洋和陆面成分的途径。（本文）以天气预报的模拟为背景简要回顾了气候模拟的起源和发展。在最近的几十年中，气候模拟包括逐渐改进的物理过程参数化，并且用于多种敏感性试验，而其中许多试验是由世界气候研究计划（WCRP）和较早的全球大气研究计划组织的。现行大气模式的主要系统性误差包括高纯对流层上部过低的温度和极端行为（比如大气阻塞事件）的普遍低估，而用于气候研究的海洋模式模拟的输送和变率普遍太小。目前，气候模拟中的重点大多集中在模拟不断增加的温室气体（对气…     

上海市气象局海洋气象数值预报技术研究进展

为满足上海海洋区域中心海洋气象业务的需求,近十多年来中国气象局上海台风研究所和上海海洋气象预报台承担完成了多项国家、上海市和气象部门的海洋气象数值预报技术研究方面的科研课题,在海气相互作用物理过程观测研究方面揭示了台风和海雾边界层大气湍流能量输送一些新的事实,通过合理地表达海洋飞沫对于动量和热量输送作用和改进海面拖曳系数方案等手段,有效提高了海气耦合模式对于台风强度的模拟和预报能力。研发了全球和西北太平洋风浪数值预报系统,特别是发展了包括波流相互作用等复杂物理过程的近岸高分辨率海浪和风暴潮数值预报系统,还基于观测和数值模式波浪要素研发了浅滩效应指数、波浪陡度指数、涌浪占比指数和谐摇指数等船舶风险指数产品,使海洋气象预报服务更有针对性,并取得了很好的应用效果。