关于平流层大气环流和气候动力学的研究动态

李丁民博士现正在英国里丁大学大气科学系英国大学全球大气模拟计划中工作，主要从事平流层及Ｏ３研究，本文是他１９９４年７月回国时在兰州高原大气物理研究所三次学术报告的一部分，由陈伯民整理。     

气候动力学与气候预测理论的研究

主要概述了中国科学院大气物理研究所近些年来在气候动力学与气候预测理论研究领域的若干重要研究进展.通过对气候系统变化多尺度特征及其动力学的分析和研究,提出了一系列气候系统动力学理论,并在此基础上提出了适合于我国季风气候特点的气候预测理论和方法,在国际上率先开展了跨季度数值气候预测,进一步建立了先进、完善的短期数值气候预测系统,并应用于我国夏季旱涝预测业务.这些工作既带有极大的基础性意义,同时也具有巨大的应用价值,为我国大气科学及气候科学乃至环境科学的研究提供了重要工具.     

气候和环境生态系统的动力学问题

这是作者在“复杂性科学讨论会”(1991年2月,北京)和“大气边界层物理和大气化学讨论会”(1991年11月,北京)上作的报告的提纲,系统地论述建立“气候和环境生态系统动力学”的各方面问题,分为10部分,即(1)为什么要研究气候和环境生态系统的动力学;(2)研究对象、它的复杂性及与其他学科的关系;(3)研究方法和研究课题;(4)建模问题;(5)模式的理性检验;(6)系统的初等性质研究和模式的简化方法;(7)最简化模式的严格分析研究;(8)数值模拟和计算方法研究;(9)资料同化问题;(10)控制和改造自然问题.文中强调必须把描述性的研究上升为具有严格逻辑推理和定量计算的科学,因此特别注意动力学模式的建立、检验、分析和计算问题,并指出控制和改造自然的工程乃是复杂巨系统的控制和规划问题.     

副热带高压气候动力学研究回顾

基于早期副热带高压气候动力学的研究,本文重点介绍了近10 a在南亚高压和西太平洋副热带高压形成和变异机理方面的动力学研究,包括南亚高压的建立和维持机理、副热带高压的季节变化、年际—年代际变化和未来预估,最后讨论了需要进一步深入研究的方面。     

区域旱涝气候混沌动力学可预报性研究

根据西安地区旱涝气候等级近1624a（380-2003年）资料序列,运用非线性系统混沌动力学理论,通过计算气候吸引子的关联维数、Kolmogorov熵和Lyapunov指数,对西安区域旱涝气候的混沌特性和可预报性进行研究。结果表明：西安区域旱涝气候系统是一个具有有限个自由度的复杂的混沌系统。其吸引子关联维数约为3．1,确定性的平均可预报时间尺度约为14．8a,最大可预报时间尺度约为20．7a。     

中国年降水气候振动的非线性动力学特征

从观测资料出发,利用反演方法,获得了描述我国17个站年降水气候振动的二阶非线性动力学方程组中的系数,并在无外源强迫的情况下对该非线性动力学方程组作了定性的分析,对17个站的年降水气候振动进行气候模拟试验。结果表明:我国大部分地区的年降水气候振动存在弱的非线性振动特征,17个站的年降水气候振动都可以看作是一个正阻尼的动力系统,在运动变化过程中,自身能量的变化dEdt<0,17个站年降水气候振动的固有频率的变化范围为0.6≤ω0≤1.417,其固有周期的变化范围为10.4≥T≥4.4年。从空间分布特征上可以看到,其固有周期的长短分布有明显的东西向特征。在17个站中,兰州、成都、重庆、南宁、福州、上海、温州地区的年降水气候振动是一个类似于具有渐软弹簧特性的非线性动力系统,而昆明、长春、哈尔滨、北京、广州、西安、厦门、长沙、南京、杭州地区的年降水气候振动是一个类似于具有渐硬弹簧特性的非线性动力系统,从其空间分布特征上看也有东西向特征。全国17个站年降水气候振动的动力系统都存在一个稳定的焦点,在无外源强迫作用时,各站的年降水气候振动将逐渐趋向于各自的稳定的焦点,但都不存在极限环。在仅考虑降水自身振动的情况下,利用我们反演得到的非线性动力学方程对年降水气候振动做模拟,位于内陆地区的模拟情况可以通过显著性水平检验,而靠近海洋的地区模拟效果没有内陆好。这一结果说明在降水气候振动中,靠近海洋地区的外源强迫影响作用比位于内陆地区大。     

基于一个不同网格相互嵌套的陆气耦合模式的气候模拟研究

将一个大气植被相互作用模式(AVIM)与大气所LASG的R15九层大气环流模式GOALS相耦合．用来模拟多年平均的全球气候状况。AVIM是一个陆地表面陆面和生理过程相互反馈的模型。作为陆气耦合的第一步,暂不考虑AVIM中的生理过程,而首光将其物理过程[相当于通常的SVAT(土壤—植被—大气—传输方案)模型]与大气所LASG的九层大气环流模式耦合起来．其中海洋模式部分不参与积分,海面温度是多年平均的气候伯。考虑到GCM的分辨率较低(7．5°×4．5°)而植被分布必须有较高的分辨率(1.5°×1.5°),采取广大气与地表面粗细网格的嵌套耦合。模式积分15年,取最后10年的平均值作分析。将模拟的气候要素场与观测值和NCEP再分析资料作了比较,气候模拟结果反映了全球环流与温湿场的主要特征,特别是降水和地面气温的模拟效果较好。这为今后气候模式与生物圈的耦合奠定广一个良好的基础。     

数值天气预报和气候预测可预报性研究的若干动力学方法

简要回顾了数值天气预报和气候预测可预报性研究的若干动力学方法,包括用于研究第一类可预报性问题的线性奇异向量（LSV）和条件非线性最优初始扰动（CNOP-I）方法,以及Lyapunov指数和非线性局部Lyapunov指数方法。前两种方法用于研究预报或预测的预报误差问题,可以用于估计天气预报和气候预测的最大预报误差,而且根据导致最大预报误差的初始误差结构的信息,这两种方法可以用于确定预报或预测的初值敏感区。应该指出的是,LSV是基于线性化模式,对于描述非线性大气和海洋的运动具有局限性。因而,对于非线性模式,应该选择使用CNOP-I估计最大预报误差。Lyapunov指数和非线性局部Lyapunov指数可以用于研究第一类可预报性问题中的预报时限问题,前者是基于线性模式,不能解释非线性对预报时限的影响,而非线性局部Lyapunov指数方法则考虑了非线性的影响,能够较好地估计实际天气和气候的预报时限。第二类可预报性问题的研究方法相对较少,本文仅介绍了由我国科学家提出的关于模式参数扰动的条件非线性最优参数扰动（CNOP-P）方法,该方法可以用于寻找到对预报有最大影响的参数扰动,并可以进一步确定哪些参数最应该利用观测资料进行校准。另一方面,通过对比CNOP-I和CNOP-P对预报误差的影响,可以判断导致预报不确定性的主要误差因子,进而指导人们着力改进模式或者初始场。     

基于气候资源向量的相对气候生产潜力模型研究

从气候状态向量的观点出发,借助于旋转主分量分析方法,计算各站气候资源向量.在此基础上,将光照、热量、水分等气候环境条件综合为气候资源向量并分别与某种作物的标准生长模式曲线线型建立差异(作物生态适宜度)比较关系,提出一种新的农业气候生产潜力模型.由此得到相对光合生产潜力、相对光热生产潜力和相对气候生产潜力,从而改进了原有...     

黑碳气溶胶的气候效应和拓展的研究领域

 黑碳气溶胶不仅是全球变暖的重要影响因子,也可能对气候系统的多个参数产生影响,如大气环流、云和降水等。随着研究的深入,与黑碳有关的研究领域已经拓展到黑碳气溶胶与碳循环和大气环流的相互作用、黑碳表面与活性气态物种间的相互作用等方面。在评述国内外有关研究新进展的基础上,展望了黑碳气溶胶未来的研究领域。     

区域气候模式在东亚地区的应用研究——垂直分辨率与侧边界对夏季季风降水影响研究

将美国国家大气研究中心（NCAR）的区域气候模式（RegCM2-1996）设置在东亚-西太平洋区域（简称东亚区域气候模式RegCM2/EA）。利用该模式研究东亚区域气候模式的几个重要问题，即：垂直分辨率的影响，侧边界条件（如嵌套技术、缓冲区宽度、不同资料）的重要性等。数值试验结果表明：细垂直分辨率模拟的降水分布优于粗分辨率模式，但容易引起“数值点暴雨”；RegCM2/EA与不同来源的大尺度侧边界嵌套，模拟的降水会有明显的不同；当用RegCM2/EA模拟较大区域时，应该取较宽的缓冲区；在各种嵌套方案中，指数松弛嵌套方法最好。这些结果为进一步探讨东亚区域气候模式的特点以及发展与改造区域气候模式提供一定的依据。研究结果还需要用更多的数值试验来验证。     

Progress in the Study of Nonlinear Atmospheric Dynamics and Predictability of Weather and Climate in China (2007--2011)

Recent progress in the study of nonlinear atmospheric dynamics and related predictability of weather and climate in China (2007-2011) are briefly introduced in this article. Major achievements in the study of nonlinear atmospheric dynamics have been classified into two types:(1) progress based on the analysis of solutions of simplified control equations, such as the dynamics of NAO, the optimal precursors for blocking onset, and the behavior of nonlinear waves, and (2) progress based on data analyses, such as the nonlinear analyses of fluctuations and recording-breaking temperature events, the long-range correlation of extreme events, and new methods of detecting abrupt dynamical change. Major achievements in the study of predictability include the following:(1) the application of nonlinear local Lyapunov exponents (NLLE) to weather and climate predictability; (2) the application of condition nonlinear optimal perturbation (CNOP) to the studies of El Nin o-Southern Oscillation (ENSO) predictions, ensemble forecasting, targeted observation, and sensitivity analysis of the ecosystem; and (3) new strategies proposed for predictability studies. The results of these studies have provided greater understanding of the dynamics and nonlinear mechanisms of atmospheric motion, and they represent new ideas for developing numerical models and improving the forecast skill of weather and climate events.     

论区域气候模式与全球模式嵌套时边界区的选择

做了3个试验,第一个试验只用大气环流模式(GCM),主要考察GCM的性能并确定其误差的区域分布.后两个为对比试验,一个试验中,将区域气候模式(RCM)(NjU-RCM)的侧边界放在全球模式(L9R15)中我们感兴趣的区域,未考虑侧边界区GCM的误差大小,另一个试验中,RCM的侧边界位置根据GCM预报误差的空间分布选取,使其落在GCM预报误差较小的区域.3个试验都对1998年5、6、7月份中国区域的降水过程进行了模拟和比较.结果表明:单独使用GCM的效果最差;当用GCM-RCM嵌套模式对区域气候进行预测时,GCM侧边界值的误差对RCM的模拟结果有显著的影响,嵌套侧边界若选择在GCM系统性误差较小的地区,模拟或预测效果会有明显的改进.     

巴南银针产区茶叶气候适宜性与气候品质评价

气候条件是一个地区是否适宜茶树生长以及茶叶品质优劣的决定因素之一.为揭示重庆市名优茶产品巴南银针的主产区茶树生长的气候优势,本文以巴南银针茶叶产区为研究对象,基于气候条件与气象灾害发生情况统计,分析茶叶种植区气候可行性;综合气象因子对茶树生长与品质形成的影响,分析春茶生长期影响茶树生长与茶叶品质形成的主要气象因子特点;...     

一个中尺度模式中高分辨边界层的参数化

建立一个高分辨大气边界层模式。然后,把该模式与一个中尺度数值预报模式进行耦合并把模式计算结果与实测结果进行了对比。结果表明,该耦合模式能够模拟出大气边界层的流场、温度场和气压场的特征。     

Uncertainty in Regional Climate Model Mean Runoff Projections under Climate Change: Case Study of Labrador's Churchill River Basin

An ensemble of seven climate models from the North American Regional Climate Change Assessment Program (NARCCAP) was used to examine uncertainty in simulated runoff changes from a base period (1971–2000) to a future period (2041–2070) for the Churchill River basin, Labrador, Canada. Three approximations for mean annual runoff from each ensemble member were included in the analysis: (i) atmospheric moisture convergence, (ii) the balance between precipitation and evaporation, and (iii) instantaneous runoff output from respective land-surface schemes. Using data imputation (i.e., reconstruction) and variance decomposition it was found that choice of regional climate model (RCM) made the greatest contribution to uncertainty in the climate change signal, whereas the boundary forcing of a general circulation model (GCM) played a smaller, though non-negligible, role. It was also found that choice of runoff approximation made a substantial contribution to uncertainty, falling between the contribution from RCM and GCM choice. The NARCCAP output and imputed data were used to calculate mean and median annual changes and results were presented via probability distribution functions to facilitate decision making. Mean and median increases in runoff for the basin were found to be 11.2% and 8.9%, respectively.     

平流层臭氧变化对对流层气候影响的研究进展

平流层对对流层的作用是准确评估、预测对流层气候变化的一个重要方面。其中平流层成分尤其是臭氧的变化,可以改变平流层乃至对流层的辐射平衡,从而影响平流层、对流层的热动力过程。本文从辐射、动力2个角度介绍了平流层臭氧影响对流层气候变化的若干研究进展。平流层臭氧可以通过长短波辐射的方式对对流层大气造成辐射强迫,利用大气化学气候模式可以定量计算平流层臭氧变化引起的辐射强迫,但是辐射强迫的估算受模式中辐射传输模块本身缺陷的影响存在不确定性。动力方面,平流层臭氧变化产生的辐射效应可以改变温度的垂直和经向梯度,造成波折射指数的变化,进而影响平流层甚至对流层内波的折射与反射,通过上对流层下平流层区域内的波—流相互作用,对对流层气候产生影响。另外,南极臭氧损耗可通过大气环状模影响冬春季中高纬度对流层的天气气候,但是其影响的强度大小以及物理机制仍需进一步的确认。值得注意的是,北极平流层臭氧的变化与北半球中高纬度气候变化之间的关系相比南半球要更加复杂,需要更为深入的研究。     

2005年夏季中国东部气候异常分析--中国科学院大气物理研究所短期气候预测检验

简要比较了中国科学院大气物理研究所对2005年夏季中国降水跨季度预测与实况的异同,并对2005年夏季我国主要雨带及降水偏少区的形成与东亚热带、副热带以及中高纬度大气环流系统的配置进行了分析。对2005年夏季西太平洋副高的异常活动预测不好,这是造成跨季度降水预测有失误之处的主要原因之一。2005年夏季在亚洲对流层中高层,沿着副热带急流轴准静止Rossby波有几次能量传播过程,西太平洋副高的北抬与西伸与副热带急流中Rossby波的活动强度有一定的对应关系,因而产生了亚洲不同地区高影响性的灾害性天气。