2006年中国地区大气气溶胶浓度分布特征的模拟研究

结合2006年最新的气溶胶排放源资料,以NCEP/NCAR再分析资料为气象场,驱动大气化学传输模式MATCH（Model of Atmospheric Transport and Chemistry）,模拟了2006年中国地区硫酸盐、黑碳和沙尘气溶胶的质量浓度分布及其季节变化。模拟的气溶胶光学厚度（AOD）结果与CSHNET观测网数据比较分析后发现,基于21个观测站的61组月平均数据与相应模拟结果的相关系数为0.63。模拟结果表明：2006年中国地区硫酸盐气溶胶高值区主要分布在中国的四川盆地、华北及长江流域等工业较发达地区,而且具有明显的季节变化,四川盆地及长江以南地区,硫酸盐气溶胶1月份浓度高于7月份,长江以北的大部分地区,7月份浓度高于1月份;黑碳气溶胶主要分布在黄河、长江中下游地区及华南等地区,1月份浓度高于7月份;沙尘气溶胶主要分布在内蒙古中部沙漠地区,4月份浓度最高,7月份次之,其他月份较少。     

耦合气溶胶气候模式FGOALS-f3-L模拟青藏高原地区气溶胶特性

基于新耦合气溶胶气候模式FGOALS-f3-L模拟分析了2002-2011年青藏高原地区气溶胶时空分布特征.结果表明:青藏高原地区,沙尘,硫酸盐,碳质气溶胶(包括黑碳,有机碳和混合碳)地表质量浓度分别占比为53.6％,32.2％,14.2％;在拉萨站点,模拟的气溶胶地表质量浓度被低估,尤其是黑碳和有机碳气溶胶;模拟的气溶胶光学厚度(AOD)时空分布与卫星观测结果较为一致,均方根误差和偏差分别为0.081和0.036;由于模式中沙尘排放参数化的不确定性,模式对AOD的模拟效果在夏季和秋季优于春季.     

耦合气溶胶气候模式FGOALS-f3-L模拟青藏高原地区气溶胶特性（英文）

基于新耦合气溶胶气候模式FGOALS-f3-L模拟分析了2002-2011年青藏高原地区气溶胶时空分布特征.结果表明:青藏高原地区,沙尘,硫酸盐,碳质气溶胶(包括黑碳,有机碳和混合碳)地表质量浓度分别占比为53.6%,32.2%,14.2%;在拉萨站点,模拟的气溶胶地表质量浓度被低估,尤其是黑碳和有机碳气溶胶;模拟的气溶胶光学厚度(AOD)时空分布与卫星观测结果较为一致,均方根误差和偏差分别为0.081和0.036;由于模式中沙尘排放参数化的不确定性,模式对AOD的模拟效果在夏季和秋季优于春季.     

东亚地区春季二氧化硫的输送与转化过程研究I.模式及其验证

结合新近评估的东亚地区污染源资料,作者利用一个耦合的区域化学输送模式系统以探讨东亚地区春季期间气象过程、气相与液相化学过程、非均相化学过程、气溶胶过程和干湿沉降过程对二氧化硫输送及转化过程的影响,并研究二氧化硫和硫酸盐气溶胶的空间分布及变化特征.模拟的二氧化硫和硫酸盐气溶胶的浓度值与2001年春季飞机和地面获取的观测值进行了比较.比较结果显示,模拟值与观测值具有很好的一致性,模式系统很好地反映了二氧化硫和硫酸盐气溶胶的分布特征和变化规律,再现了许多观测到的重要特征,为进一步分析模拟结果奠定了基础.     

东亚地区沙尘气溶胶影响硫酸盐形成的模式评估

利用STEM-II三维区域大气化学模式,耦合沙尘气溶胶表面相过程,研究了1994年3月1日至14日间东亚地区沙尘气溶胶对硫酸盐形成的影响。结果表明,SO2气体在沙尘气溶胶表面上进行的非均相氧化过程是硫酸盐形成的一条重要途径,由这条途径提供的硫酸盐占其总浓度的20%～50%。 并发现在模拟时段,沙尘暴过程主要影响沙尘源地下游的中国东部地区硫酸盐的分布,使得那里的硫酸盐浓度增加60%以上。     

春季中国东部气溶胶化学组成及其分布的模拟研究

本文利用区域空气质量模式RAQMS（Regional Air Quality Model System）,对2009年春季中国东部气溶胶主要化学成分及其分布进行了模拟研究。与泰山站观测资料的对比结果显示,模式能比较合理地反映气溶胶浓度的逐日变化特征。整体上,模式对无机盐气溶胶的模拟好,分别高估和低估黑碳和有机碳气溶胶浓度,其原因与排放源、二次有机气溶胶化学机制和模式分辨率的不确定性有关。模拟结果显示,春季气溶胶浓度高值主要集中于华北、四川东部、长江中下游等地区。受东南亚生物质燃烧和大气输送的影响,中国的云南和广西等地区有机碳浓度高于中国其他地区。中国西北部沙尘浓度较高,而且向东输送并影响到中国东部和南方部分地区。中国东部的华北、四川东部、长江中下游等地PM_2.5（空气动力学直径在2.5微米以下的颗粒物）污染严重,4月平均PM_2.5浓度超过了我国日平均PM_2.5浓度限值。中国东部泰山站的观测和模拟结果都显示近地面硝酸盐浓度超过硫酸盐,中国北部对流层中硝酸盐的柱含量也大于硫酸盐,而在中国南部则相反,这一方面与春季中国云量 南多北少的分布特征以及云内液相化学反应有关,另一方面也与南北温差对气溶胶形成的影响有关。就整个中国东部而言,虽然硫酸盐的柱含量（46 Gg）仍大于硝酸盐（42 Gg）,但比较接近,反映出我国氮氧化物排放迅速增加的趋势。春季中国地区对流层中PM₁₀（空气动力学直径在10微米以下的颗粒物）及其化学成分柱含量分别为:990.8 Gg（PM₁₀）,52.6 Gg（硫酸盐）,48.2 Gg（硝酸盐）,32.1 Gg（铵盐）,22.9 Gg（黑碳）和74.1 Gg（有机碳）,有机碳（OC）中一次有机碳（POC）和二次有机碳（SOC）分别占60%和40%,中国东部PM₁₀中人为气溶胶和沙尘分别占30%和70%,反映了春季沙尘对我国大气气溶胶的重要贡献。     

气溶胶-气候耦合模式系统BCC_AGCM2.0.1_CAM气候态模拟的初步评估

本文讨论了国家气候中心第二代大气环流模式BCC_AGCM2.0.1和加拿大气溶胶理化模式CAM所组成的耦合模式系统对5种典型气溶胶(硫酸盐、黑碳、有机碳、沙尘和海盐)和气候要素的模拟效果。结果表明,耦合系统对5种典型气溶胶的模拟总体上比较合理,尤其是对硫酸盐、沙尘和海盐的模拟比BCC_AGCM2.0.1原有的月平均气溶胶资料有很大的改进。耦合系统模拟的全球平均气候态参量与观测/再分析资料比较一致,在总云量、陆地表面温度和降水等方面要略优于原月平均气溶胶资料的模拟结果。耦合系统对沙尘和海盐气溶胶模拟的改进使得撒哈拉沙漠和南半球中纬度海洋大气顶净太阳辐射的模拟也有所改进,而这将直接影响地表温度尤其是陆地表面温度。而不同气溶胶方案在赤道海洋上引起的云反馈不仅引起辐射的改变,还将对降水产生明显影响。     

东亚地区春季二氧化硫的输送与转化过程研究Ⅰ．模式及其验证

结合新近评估的东亚地区污染源资料，作者利用一个耦合的区域化学输送模式系统以探讨东亚地区春季期间气象过程、气相与液相化学过程、非均相化学过程、气溶胶过程和干湿沉降过程对二氧化硫输送及转化过程的影响，并研究二氧化硫和硫酸盐气溶胶的空间分布及变化特征。模拟的二氧化硫和硫酸盐气溶胶的浓度值与2001年春季飞机和地面获取的观测值进行了比较。比较结果显示，模拟值与观测值具有很好的一致性，模式系统很好地反映了二氧化硫和硫酸盐气溶胶的分布特征和变化规律，再现了许多观测到的重要特征，为进一步分析模拟结果奠定了基础。     

CAM5模式中两气溶胶模块的评估

公共大气模式 (CAM) 被广泛用于气候变化研究中,其5.0版中包含两个气溶胶模块MAM3和MOZART。利用AeroCom (2000年) 多模式中值、IMPROVE (1988—2005年) 和EMEP (2002—2008年) 站点资料对两模块进行了评估。结果表明:MAM3和MOZART模块都能很好地模拟硫酸盐气溶胶的季节变化, 与观测资料相比,模拟结果均在夏季偏高, 相关系数均在0.89左右,2倍误差内。两模块能较好地模拟黑碳气溶胶的时空分布特征, 与观测资料相比,模拟结果偏低,相关系数均在0.62左右, 排放源偏小而清除率偏大是造成黑碳气溶胶偏低的主要原因。两模块对有机碳气溶胶的模拟结果差别较大,大部分站点在3倍误差内,MAM3的结果偏高92.1%,MOZART则偏低58.1%;两模块一次有机碳的结果接近,差异主要源自对二次有机碳的模拟。两模块模拟的海盐气溶胶偏大,这主要是清除率偏小造成的。两模块采用相同的起沙机制,但起沙系数有差异, MAM3的沙尘源强偏大近两倍,模拟总量较大;MOZART的沙尘源强则偏低40%左右,模拟沙尘总量较低。即模式中气溶胶的输送和扩散过程偏弱,说明清除机制还有待改进。     

夏季硫酸盐和黑碳气溶胶对中国云特性的影响

利用WRF-Chem（Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry）模式研究2006年8月1日—9月1日中国区域硫酸盐和黑碳气溶胶对云特性的影响。模式验证利用了卫星和地面观测的气象要素、化学物质浓度、气溶胶光学特性和云微物理特性。模式性能评估表明该模式能较好地抓住气象要素（温度、降水、相对湿度和风速）的量级和空间分布特征。通过与地面观测和MODIS卫星数据对比发现,尽管模式模拟还存在偏差,但还是能较好模拟出气溶胶物种的地表浓度、气溶胶光学厚度（AOD）、云光学厚度（COD）、云量（CLDF）、云顶云滴有效半径（CER）和云水路径（LWP）。通过两个敏感性试验（分别增加二氧化硫和黑碳排放量至控制试验排放的3倍）与控制试验的对比发现硫酸盐比黑碳更易成为云凝结核,在中国东部云顶云滴数浓度和其它云特性参数对二氧化硫排放增加的响应均从北向南呈递增,这与地面湿度分布有关。云滴有效半径对硫酸盐气溶胶的响应符合气溶胶第一间接效应的定义,即硫酸盐气溶胶增多,云滴数浓度增加,云滴有效半径减少,但是对黑碳气溶胶的响应在各区域不尽相同。还发现黑碳对云量的影响远大于硫酸盐,主要原因是由于黑碳气溶胶直接辐射效应（对太阳光的吸收）导致的云的“燃烧”作用。      

基于能量模型的水稻生长模型

该文考虑生命活动与物质交换和能量流动的关系,从热力学出发,引入一维能量模型。在一维能量模型的基础上,将水稻对外界能量的摄取能力与水稻生长季中的气温变化规律联系起来,建立在气温变化条件下水稻的生长模型。结合气温增长率、水稻最适气温和不同阶段的生物量,以徐士良单形调优算法为基础,利用Forcal二维方程参数拟合,得到关于水稻自然增长率、气温波幅和初始值等参数的最优拟合。将最优拟合数据代入水稻的生长模型,拟合得到水稻的生长曲线和水稻生长随气温的变化趋势。以水稻的生长模型为基础,定性分析水稻的临界气温和最大生长率出现时间。通过分析发现,水稻生长季的临界气温与气温增长率无关;水稻的最大生长率出现时间为水稻分蘖后期、孕穗期。为考虑异常气温对水稻生长的影响,利用Matlab对水稻分蘖期低温和生殖生长期高温的水稻生长进行模拟,结果表明:水稻后期高温对产量影响比前期受低温影响严重。     

GRAPES全球模式的模式误差估计

现代数值天气模式考虑的物理过程和边界条件越来越复杂, 但是它描述的大气状态和真实的大气流体运动轨迹还有一定的差距, 存在模式误差。在以往的研究中, 模式误差往往被忽略, 在集合卡尔曼滤波同化系统中, 如果忽略模式误差会导致滤波发散现象。本文用不同分辨率的模式预报差异估计了GRAPES全球模式的模式误差, 研究发现模式误差随着分辨率降低而线性增加, 而且模式误差随着预报时效的增加呈现线性增长的趋势。     

Coupling a Terrestrial Biogeochemical Model to the Common Land Model

A terrestrial biogeochemical model (CASACNP) was coupled to a land surface model (the Common Land Model,CoLM) to simulate the dynamics of carbon substrate in soil and its limitation on soil respiration.The combined model,CoLM CASACNP,was able to predict long-term carbon sources and sinks that CoLM alone could not.The coupled model was tested using measurements of belowground respiration and surface fluxes from two forest ecosystems.The combined model simulated reasonably well the diurnal and seasonal variations of net ecosystem carbon exchange,as well as seasonal variation in the soil respiration rate of both the forest sites chosen for this study.However,the agreement between model simulations and actual measurements was poorer under dry conditions.The model should be tested against more measurements before being applied globally to investigate the feedbacks between the carbon cycle and climate change.     

LICOM Model Datasets for the CMIP6 Ocean Model Intercomparison Project

The datasets of two Ocean Model Intercomparison Project(OMIP)simulation experiments from the LASG/IAP Climate Ocean Model,version 3(LICOM3),forced by two different sets of atmospheric surface data,are described in this paper.The experiment forced by CORE-II(Co-ordinated Ocean–Ice Reference Experiments,Phase II)data(1948–2009)is called OMIP1,and that forced by JRA55-do(surface dataset for driving ocean–sea-ice models based on Japanese 55-year atmospheric reanalysis)data(1958–2018)is called OMIP2.First,the improvement of LICOM from CMIP5 to CMIP6 and the configurations of the two experiments are described.Second,the basic performances of the two experiments are validated using the climatological-mean and interannual time scales from observation.We find that the mean states,interannual variabilities,and long-term linear trends can be reproduced well by the two experiments.The differences between the two datasets are also discussed.Finally,the usage of these data is described.These datasets are helpful toward understanding the origin system bias of the fully coupled model.     

GRAPES全球切线性和伴随模式的调优

伴随技术是四维变分同化（4DVar）系统中计算代价函数梯度的最佳办法,切线性和伴随模式的效果和效率直接影响着4DVar系统的发展。基于GRAPES（Global and Regional Assimilation PrEdiction System）全球切线性和伴随模式1.0版本,利用GRAPES全球模式2.0版本在并行框架和性能等方面的改善,重新优化和设计了GRAPES全球切线性伴随模式2.0版本,提高了GRAPES全球切线性和伴随模式的效果和效率,优化了切线性模式程序结构,使其计算时间最优可控制在非线性模式的1.2倍以内;采用在切线性模式中保存基态的方法,重构了伴随模式的程序结构,使其计算时间最优控制在非线性模式的1.5倍以内;在GRAPES全球切线性物理过程的设计中,将线性物理过程的轨迹基态计算和切线性扰动计算解耦,提高了GRAPES全球切线性和伴随模式的计算效果和效率。     

FGOALS-g3 Model Datasets for CMIP6 Flux-Anomaly-Forced Model Intercomparison Project

The Flux-Anomaly-Forced Model Intercomparison Project(FAFMIP) is an endorsed Model Intercomparison Project in phase 6 of the Coupled Model Intercomparison Project(CMIP6). The goal of FAFMIP is to investigate the spread in the atmosphere–ocean general circulation model projections of ocean climate change forced by increased CO_2, including the uncertainties in the simulations of ocean heat uptake, global mean sea level rise due to ocean thermal expansion and dynamic sea level change due to ocean circulation and density changes. The FAFMIP experiments have already been conducted with the Flexible Global Ocean–Atmosphere–Land System Model, gridpoint version 3.0(FGOALS-g3). The model datasets have been submitted to the Earth System Grid Federation(ESGF) node. Here, the details of the experiments,the output variables and some baseline results are presented. Compared with the preliminary results of other models, the evolutions of global mean variables can be reproduced well by FGOALS-g3. The simulations of spatial patterns are also consistent with those of other models in most regions except the North Atlantic and the Southern Ocean, indicating large uncertainties in the regional sea level projections of these two regions.     

区域气候模式中地表径流方案的数值试验

建立了不均匀的地表径流算法,修改了RegCM2中径流方案,这一算法适用于疏松土壤和紧密土壤.设计了一个适合与气候模式RegCM2耦合、能模拟水文站流量的汇流模式.模拟了1998年夏季大暴雨期间6、7、8月降水的空间分布,分析了该径流方案对降水、地表热量通量、地表径流、土壤湿度产生的影响,结果表明：①本文提出的方案在模拟1998年长江流域夏季大暴雨期间降水的空间分布上有一定的合理性,在一定程度上改善了降水量的模拟,其影响大致是总降水量的10%左右.②地表径流方案改变了地面向大气输送的热量通量,这种作用随时间发生变化,这种变化与地表水分的再分配有关.③本方案计算的土壤渗透能力较强.在暴雨的初期,产生径流较少,而在暴雨后期土壤湿度增大,产生的地表径流较大,这一点更符合洪水形成的特点.     

Coupling of a Regional Climate Model with a Crop Development Model and Evaluation of the Coupled Model across China

In this study, the CERES(Crop Estimation through Resource and Environment Synthesis) crop model was coupled with CLM3.5, the land module of the regional climate model RegCM4. The new coupled model was named RegCM4_CERES; and in this model, crop type was further divided into winter wheat, spring wheat, spring maize, summer maize, early rice, late rice,single rice, and other crop types based on each distribution fraction. The development of each crop sub-type was simulated by the corresponding crop model separately, with each planting and harvesting date. A simulation test using RegCM4_CERES was conducted across China from 1999 to 2008; a control test was also performed using the original RegCM4. Data on crop LAI(leaf area index), soil moisture at 10 cm depth, precipitation, and 2 m air temperature were collected to evaluate the performance of RegCM4_CERES. The evaluation provided comparison of single-station time series, regional distributions,seasonal variations, and statistical indices for RegCM4_CERES. The results revealed that the coupled model had an excellent ability to simulate the phonological changes and spatial variations in crops. The consideration of dynamic crop development in RegCM4_CERES corrected the wet bias of the original RegCM4 over North China and the cold bias over South China.However, the degree of improvement was minimal and the statistical indices for RegCM4_CERES were roughly the same as the original RegCM4.     

一个包含土壤和植被的区域气候模式及其性能检验

本文研制了一个三维地气耦合的区域气候模式，该模式由大气、土壤和植被三个子模式组成，各子模式间通过动量、能量和水份交换过程进行相互作用。在大气子模式中提出用z-z*混合坐标系处理地形的新方法，并把诊断分析中的散度修订方案引入数值模式，使其在物理依据上更加合理。此外，模式中较为详细地考虑了影响区域气候形成和变化的物理过程。简单的数值试验表明，区域气候模式比较真实地模拟了土壤和植被冠层的温度日变化，对区域气候平均态也有一定的模拟能力，可较好地处理大地形，具有良好的稳定性能，并对下垫面热力非均匀性的响应也是敏感的。