控制论与人工影响天气 III: 自然控制论在人工增雨作业中的应用框架

应用自然控制论的理论方法,提出人工增雨作业和效果检验的框架.它将事前和作业进行过程中的观测和预报、调控方案(滚动式的和有反馈回路的)、作业和效果检验紧密联系成一个整体系统,将调控方案提为最优化问题,并把不断的观测资料同化到滚动式预报模式和求优化之中.所提出的一种效果检验方法是比较客观和定量的.     

IAP第四代大气环流模式的耦合气候系统模式模拟性能评估

本文首先扼要介绍了基于中国科学院大气物理研究所(简称IAP)第四代大气环流模式的新气候系统模式-CAS-ESM-C(中国科学院地球系统模式气候系统模式分量)的发展和结构,之后主要对该模式在模拟大气、海洋、陆面和海冰的气候平均态、季节循环以及主要的年际变率等方面的能力做一个初步的评估.结果表明:模式没有明显的气候漂移,各...     

IAP AGCM中短波辐射方案的改进研究Ⅱ.短波辐射方案的改进

在Version 2的基础上,对短波辐射方案进行进一步的改进:引入了新增非灰体气体吸收效应、冰晶粒子形状效应和尺度效应以及云的不均匀性效应(称为Version 3).数值模拟试验结果表明:Version 3能更好地模拟出全球冬、夏季的降水场、海平面气压场及地表气温场的主要分布特征,并且能相当准确地反映出这几个场的季节性变化特征.Version 3对这3个场的模拟能力明显优于原版本(Version 1).此外,它对东亚地区的季风降雨具有很好的模拟能力,能较好地反映东亚区域降水的季节性变化.可见,Version 3为进一步研究云-辐射相互作用提供了很好的模式基础.本工作还清楚地表明,模式的进一步发展必须进行对相关物理过程中各个因子的更精确刻画,只有这样,模式才能得到更好的模拟能力.     

控制论与人工影响天气 I: 人工增雨作业中的正反问题及最优调控

利用自然控制论的观点,重新审视了人工影响天气诸多方面的问题,提出了人工调控有限区域天气的正问题和反问题,并对最优调控问题,根据观测实例进行了分析讨论.结果表明,自然控制论是指导开展人工影响天气的一个好的理论框架,不仅要加强观测以了解自然降水过程,发展数值模式以更好的模拟实际降水过程,更需要开展反问题的研究;对最优调控的讨论表明,不能仅仅局限于有无催化可能,更应全面考虑降水云系的结构.     

2004年初夏一次云南暴雨过程的中尺度系统及其水汽特征分析研究

利用NCEP再分析资料、地面加密降水资料和风云-2卫星红外云图,对2004年云南初夏的一次强降水过程的大尺度环流背景、中尺度系统和水汽输送特征及来源情况进行了较为详尽的分析研究。结果表明:(1) 高低空环流的有利配置、印缅槽与东亚冷槽的相互作用,为此次云南地区暴雨的产生提供了有利条件;(2) 暴雨至少与四个连续生消的对流云团活动直接相关,强降水落区与云南的地形特征相关不大,只与低层辐合线有很好的一致性,而辐合线的发展演变与冷暖空气的势力对比相关;(3) 对降水区三维结构的分析表明,中尺度对流系统强烈发展区的低层为强辐合、正相对涡度,高层为辐散、负相对涡度;中低层有较强的上升运动,低层湿度较大、有不稳定能量的蓄积和释放;(4) 对云南水汽输送分析表明,直接影响此次云南强降水的水汽输送主要来源于孟加拉湾,并且引起此次云南强降水的水汽辐合是由风场辐合引起的,而水汽平流在这一地区为弱的干平流;同时,在较强的西南气流下,水汽辐合可存在于较高的气压层。      

全球二维大气化学模式和大气化学成分的数值模拟

建立了一个全球二维纬向平均化学模式,模式包括了从90°S到90°N,从地面到20 km高度的大气.模式中应用的流场来自根据加热率计算得到的剩余环流.模式化学部分包括34种大气成分、104个化学反应和光化学反应.其中,甲烷、一氧化碳和氮氧化物排放分为季节性和非季节性排放源,并将其参数化为时间和纬度的函数再应用到模式中去.按1990年的甲烷、一氧化碳和氮氧化物的的排放水平模拟得到了多种大气组成的分布,模拟结果与观测有较好的一致性.由于模式考虑了一氧化碳的季节变化,模拟得到的OH自由基分布更为合理.模式的建立为今后进一步研究大气微量成分的全球循环过程及其长期变化提供了有效的手段.     

一个新的季风指数及其年际变化和与雨量的关系

作者按曾庆存等所定义的标准化风场季节变率(和利用新的资料重新作了计算,为与国外传统的和至今大多数学者的定义一致,取δ*=δ-2＞0(即冬、夏风向差大于π/2)作为季风区,结果涵盖了迄今国内外所指出的全球所有季风区(但比曾庆存等算得的区域略为小些),尤其是热带季风区正处于冬季和夏季赤道幅合带(ITCZ)位置所夹的范围内.其后,用李建平和曾庆存建议的动态风场标准化季节变率δ*m=δm-2(δm形式上与δ相似,但依赖于年份m)作为各年季风指数,计算了各主要季风区区域平均的δ*m的年际变化,得到南亚夏季风和东亚夏季风自20世纪70年代中期起、南海夏季风自20世纪80年代起和西非夏季风自1967年起都有不同程度的长期减弱趋势,尤其以西非夏季风减弱最明显.西非夏季风指数和南亚夏季风指数与当地夏季雨量呈显著正相关,东亚夏季风指数与中国和东亚夏季雨量的空间分布有一定的统计相关结构,而南海夏季风指数则与全球各海区夏季降水和海平面气压异常有较好的大范围统计相关.     

Intermediately complex models for the hydrological interactions in the atmosphere-vegetation-soil system

This paper investigates the hydrological interactions in the atmosphere-evegetation-soil system by using the bucket model and several new simplified intermediately complex models. The results of mathematical analysis and numerical simulations show that these models, despite their simplicity, can very clearly reveal the essential features of the rather complex hydrological system of atmosphere-ecosystem-soil. For given atmospheric variables, these models clearly demonstrate multiple timescales, the “red shift” of response spectra, multi-equilibria and limit cycles, bifurcation, abrupt change, self-organization, recovery, “desertification”, and chaos. Most of these agree with observations. Especially, the weakening of “shading effect” of living canopy and the wilted biomass might be a major mechanism leading to the desertification in a relatively short period due to overgrazing, and the desertification in a relatively long period or in climate of change might be due to both Charney’s mechanism and the shading effect. These ideas could be validated with further numerical simulations. In the paper, some methods for improving the estimation of timescales in the soil water evolution responding to the forcing are also proposed.     

气候模式并行计算

气候模式并行计算是国内外最近重视开展的在大规模并行计算机上应用的并行软件的开发工作。“气候动力学和气候预测理论的研究”国家攀登项目近年来先后在国产曙光１０００和曙光１０００Ａ并行计算机上开展了气候模式并行计算工作。所用的气候模式是气候动力学项目“八五”阶段设计发展的９层全球格点大气环流模式和从１９９７年起着手研制的１８层全球格点大气环流模式。这是我国首次进行的气候数值模式并行计算工作,阶段性工作取得了合理的并行效率。研究表明以大气环流模式为代表的气候模式是最适合并行计算机实际应用的科研任务之一,国产并行计算机有能力在该领域实际应用中发挥作用。     

大气海洋环境数值模拟中的若干计算问题

为了适应发展气候数值模拟和环境数值模拟的需要,综合介绍了与此密切有关的若干计算问题。首先,指出这类问题易于出现计算紊乱、非物理解和非线性计算不稳定,同时,简要介绍造成这些问题出现的三种机理：虚假频散、能量关系破坏和能谱的非线性转移。然后,把这类问题归结为一种“发展方程”,给出了与此有关的几个定理,阐述了计算稳定性、能量守恒性和算子非负性之间的密切关系。接着,分别介绍了多种完全平方守恒的差分格式的构造方法,其中包括隐式的和显式的完全平方守恒的差分格式,高时间精度和高阶紧致的完全平方守恒的差分格式,同时也给出若干具体算例说明这些格式的计算效果。最后,对全文作了小结,并指出今后应进一步研究的若干重要问题。