关于海气耦合模式气候漂移及敏感性的一点探讨

本文从概念性的大气或海洋系统及海气耦合系统出发,通过简单的理论分析指出:用观测气候场作为边界条件来调试大气或海洋模式并非最佳选择;海气耦合漂移是由两部分组成的,其中一部分源于未耦合模式模拟得到的气候状态与观测气候状态之间的系统误差,而另一部分则源于海气系统的非线性相互作用;海面“通量修正”可以消除因模式气候与观测气候之间的系统误差而引起的那部分漂移,但仍保留了海气系统的大部分非线性相互作用项.本文最后利用中国科学院大气物理研究所发展的海气耦合模式进行了敏感性试验,指出耦合漂移受到模式海洋的垂真发辨的率、海洋温盐扩散方案、海气耦合强度等诸多因素的影响.     

黑潮海域海洋异常加热对后期北半球大气环流影响的分析

计算了黑潮海域海洋异常加热与后期1—12个月北半球大气环流的时滞相关，分析了二者的相关关系。结果表明，海洋异常加热对后期半年到一年北半球大气环流场有重要影响。当黑潮海域海洋异常多加热时，后期半球范围内大气环流的经向度将趋减小，反之则趋加强。在分析相关场演变的基础上，讨论了上述时滞关系的可能物理过程，指出黑潮海域海洋异常加热对后期下游大气环流型的影响，是通过改变中纬大气与高纬极地大气之间温度和位势高度梯度，进而影响后期下游大气环流型来实现的。     

黑潮海域海洋异常加热时后期北半球大气环流影响的分析

计算了黑潮海域海洋异常加热与后期１－１２个月北半球大气环流的时滞相关，分析了二者的相关关系。结果表明，海洋异常加热对后期半年到一年北半球大气环流场有重要影响，当黑潮海域海洋异常多加热时，后期半球范围内大气环流的经向度将趋减小，反之则趋加强，在分析相关演变的基础上，讨论了上述时滞关系的可能物理过程，指出黑潮海域海洋异常加热对后期下游大气环流型的影响，是通过改变中纬大气与高纬极地大气之间温度和位势高度     

热带海洋和大气非线性波动及其正压稳定性

本文利用常微分方程定性理论,研究了热带海洋、大气中非线性波动及其正压稳定性,得到了不同频率的非线性波动稳定性与大气、海洋中基本流动及其基本流动的水平切变之间的关系。     

一个嵌套于MM5的高分辨率大气边界层模式

以ARPS中尺度大气模式的边界层模块为基础,发展一高分辨率的大气边界层模式并将其嵌套于中尺度大气模式MM5,利用MM5的积分结果作为运行边界层模式的初值和边界强迫外参数,模式的10m风速结果和海上平台观测值相比有很好的一致性,模式的其他结果接近中尺度MM5的结果.该模式与MM5模式嵌套能得到更高分辨率的大气边界层的气象要素和参数的预报结果,提供高分辨率海洋模式的大气强迫或与其耦合,从而弥补目前大气模式和海洋模式的分辨率相差太大的不足.     

地转动量近似条件下的海-气边界层动力学特性

本文把海洋和大气边界层分为三层,利用地转动量近似的方法,考虑了大气的斜压性、层结和非线性效应,解析地给出了无限深海洋和大气边界层速度的垂直分布,并得出了在非线性情况下大气和海洋埃克曼抽吸速度,分析了它们与经典埃克曼解的差异性,揭示了海洋和大气相互作用的性质.同时,也得到了海面风和海面风应力的诊断关系.     

一个用于全球气候变化研究的海洋大气环流耦合模式Ⅰ.模式的形成及性能

本文初步建立了一个可用于模拟几十年到上百年气候变化的全球大气-海洋-海冰耦合的环流模式(CGCM).该模式采用“预估-校正”的月平均距平耦合方案,把一个两层大气环流模式(AGCM)和一个20层海洋环流模式(OGCM)耦合在一起;由于北冰洋尚未被包括在海洋模式内,因此我们在大气模式中嵌入了一个北冰洋薄层热力学海洋模式.130年的积分试验表明,尽管耦合模式的长时期积分中存在着明显的气候漂移现象,但模式模拟的全球气候的空间分布特征基本上是合理的.这为进一步利用该模式模拟全球增强温室效应提供了数值实验依据.     

海冰的热力过程及其与动力过程的耦合模拟

研究和讨论了海气相互作用过程中海冰演变的物理过程；大气和海洋对海冰的热力作用以及冰内物理过程；大气和海洋热力学参数对冰厚和密集度等冰情参数的影响和上述物理过程的数学处理。计算了冰面与水面能量收支，并分析海冰热力增长函数的特征；将热力模式与动力模式。对渤海１９８９－１９９０年度海冰进行数值模拟。结果表明，考虑热力过程的热动力模式，对类似于１９９０年２月１２－１８日海冰融化过程显示出明显的优越性，模拟     

大气校正模型对多光谱水深反演影响的多维度分析

大气校正是水体定量遥感的基础与前提。本文从大气校正模型、大气校正模型参数、水体组分差异以及水深反演波段组合方式4个维度探讨大气校正模型对水深反演的影响。研究采用6S、FLAASH、ACOLITE与QUAC 4种大气校正模型,选取大陆型、海洋型与城市型气溶胶模式,以瓦胡岛西北侧与谢米亚岛周边浅水作为清洁水体研究区,以辽东浅滩与槟城海峡作为浑浊水体研究区,基于Landsat-8多光谱影像开展大气校正,并采用8种波段组合方式进行水深遥感反演。研究结果表明：（1）4种大气校正模型均可在一定程度上削弱大气对水体信号的影响;因参数选取以及研究区水体组分的不同,不同模型的校正结果存在一定差异;两类水体反射率峰值分别出现在蓝波段与绿波段;（2）6S大气校正模型鲁棒性较强,该模型因研究区水体组分发生变化导致对应的水深反演结果与其余模型相比波动较小;FLAASH模型在海洋型和城市型两种气溶胶模式水深反演结果在浑浊水体存在较为明显的差异,辽东浅滩浅水区平均相对误差相差7.9%;ACOLITE模型受水体类型影响显著且对浑浊水体具有优越性与稳定性,平均相对误差较FLAASH降低5.6%;(3)多波段水深反演精度...     

非线性集合四维变分同化方法NLS-4DVar之局地化改进

四维变分同化可利用同化窗口内所有可能的观测信息优化大气、海洋模式的初始场,从而极大地提高大气、海洋模式模拟性能,而作为4DVar标准算法的伴随方法始终无法避免繁琐与复杂的预报模式伴随方程的编程、维护以及更新。为避免伴随模式的使用,集合四维变分方法,4DEnVar方法被逐渐开发,为4DVar的求解提供了一种便捷的途径。4DEnVar一般通过局地化过程消除样本不足所造成的虚假相关,而局地化方案的不同也必然会影响到其最终的同化效果。本文将一种集合样本扩展的局地化方案引入到基于Gaussian-Newton迭代算法的非线性集合四维变分同化方法NLS-4DVar中,从而避免了原算法中为进行局地化过程而额外需要的线性化假设,使得算法收敛更稳定。另外,通过将原Gaussian-Newton迭代序列进行变形、避免了矩阵的直接求逆,极大地提高了同化算法的计算效率。利用非线性动力模型Lorenz-96所开展的观测系统模拟试验表明:采用新的样本扩展型局地化方案的NLS-4DVar算法,其同化精度略优于NLS-4DVar原始算法,由于避免了矩阵的直接求逆,其计算效率反而有所提高,同化所需时间有所降低,对于大气与海洋数据同化领域的应用具有极大的潜力。     

近海面蒸发波导和大气负折射的统一监测模型研究

近海面的蒸发波导和大气负折射都是海洋大气表面层的异常折射结构,两者对电磁波传播都具有重要影响。利用M-O近地层相似理论推导了蒸发波导的模型,利用等效蒸发波导高度推导了大气负折射与蒸发波导的统一监测模型及其廓线结构参数的bulk计算方法,比较分析了蒸发波导与大气负折射在廓线结构方面的特征和差异,并利用2002年5月福建平潭岛的试验数据验证分析了大气负折射监测模型机廓线计算方法的适用性。     

北太平洋环流振荡形成机理的数值研究

利用大洋环流模式,探讨海洋对大气强迫的响应及北太平洋环流振荡模态(NPGO)形成的直接原因。对控制试验模拟的海表温度异常(SSTA)进行经验正交函数(EOF)分解,发现第二模态类似于经典NPGO 模态,说明采用该模式研究海洋对大气强迫的响应是可行的。在控制试验基础上,通过改变大气强迫场设计了一系列敏感试验,发现大气强迫场为NPGO 模态正强年的合成场时,所得SST异常场能较好再现NPGO 空间特征,说明海洋状态强烈依赖于大气强迫,大气强迫是造成NPGO 的直接原因;对大气强迫场中的动力强迫、热力强迫等物理量进行不同配置进行试验,发现风场动力强迫对NPGO 的影响最大,是形成NPGO 的关键强迫,其中又以纬向风应力的影响居首。     

海洋和大气数据多模式动态可视化系统的设计和实现

为了实现海洋和大气数据多模式动态可视化,本系统使用VC++和CG着色语言进行开发,渲染引擎基于OpenGL三维图形标准。提出了一系列面向海洋和大气数据的模式分析方法,包括:探针功能、线模式、面模式、体模式、矢量模式和动态时间序列分析等,实现了将海量多维海洋大气数据转换为三维空间或动态演变的图像,同时完成用户交互处理操作。并将可视化技术应用于长时间序列的海洋大气数据,通过实时动态的可视化图像来体现海洋大气数据的动态变化过程。结果表明,该系统可实现常见海洋和大气数据的多模式动态可视化。     

微波辐射计海面温度的数据质量控制

根据星载微波辐射计反演海洋大气参数的过程,分析了仿真实验中线性反演算法和非线性反演算法对反演结果的数据质量控制能力。AMSR-E观测数据的非线性反演结果分析对仿真实验的结论进行了验证,得到了肯定的结果。实验结果表明:星载微波辐射计的非线性反演算法物理意义明确、结果可靠,有良好的数据质量控制能力,具有业务化应用的潜力。     

一维海洋混合层模式应用于二维数值模拟的试验研究

基于一个一维湍能海洋混合层模式,发展了一个易于与大气或海洋模式耦合的,可应用于水平二维空间的模块化海洋混合层模式。并加入垂直上翻参数化方案,引入日平均海面温度及气候态松弛项,进行二维海洋模拟理想气旋实验和飓风实例模拟实验。理想气旋强迫实验表明,垂直上翻过程的参数化方案可有效地弥补原有一维海洋混合层模式无法形成气旋中心动力上翻的不足,消除了虚假暖水核心。卡特里娜飓风个例实验的结果表明,加入垂直上翻后,飓风中心附近的海表面温度误差明显减小。海洋混合层模式对海洋表面温度日变化模拟能力在二维应用中依然表现良好。经过上述改进,发展的海洋混合层模式可以较为真实地模拟平常海表温度高频日变化的同时,还对剧烈天气过程也有一定的模拟能力,具有广泛的应用前景。     

一个中国边缘海的风-浪-流预报系统

海洋预报是进行海上活动的安全保障,海洋预报系统技术已经成为现代海洋气象业务的技术支撑。海洋观测、数据同化、数值模拟和高性能计算机等技术的进步极大地推动着海洋业务化预报的发展。采用大气数值模式（WRF）、海洋数值模式（CROCO）和海浪数值模式（SWAN）的多模式高分辨率离线耦合方式,添加南京信息工程大学“海洋数值模拟与观测实验室”团队自主研发的一系列海洋模式参数化方案,包括浪致混合参数化方案、亚中尺度参数化方案、海山诱导混合参数化方案以及涡旋诱导的沿等密度面和跨等密度面混合参数化方案,并通过同化技术和最新的人工智能技术与观测资料相结合,构建一种面向中国边缘海的风浪流多参数耦合预报系统,用于海上风电功率的预报和其他海洋灾害预警。实际观测资料的验证表明,该预报系统能较准确地模拟海上风场、海流、海温、波浪、潮汐等海洋气象要素。同时实现了按需实时可视化全景展示。     

基于星载微波辐射计的海洋大气参数反演算法研究

利用3个辐射传输模式对无冰无降水情况下的星载微波辐射计亮温测量进行仿真研究,通过模拟计算结果与同步卫星数据之间的比较分析,确定了用于反演算法研究的前向模式;利用该模式,提出了基于物理的星载微波辐射计海洋大气参数(包括海面风速、海表温度、大气垂直积分水汽量以及积分液态水量)多重线性回归算法。     

海面状态参数化对海上大气边界层数值模拟的影响研究

由于海上大气边界层的下垫面是复杂多变的海面,因此海面状态的参数化对海上大气边界层数值模拟起到十分关键的作用.采用高分辨率的大气边界层模式进行敏感性试验研究,讨论了不同海面参数化方案对海上大气边界层数值模拟产生的影响.结果表明:几种海面粗糙度参数化方案在中低风速下模拟垂直结构主要的差异出现在边界层和自由大气分界面上;考虑...     

大气和海洋流场对局地热源强迫的一种响应模态

运用动力学分析的方法，对正压准地转模式中局地热源强迫可能对大气和海洋流场产生的响应结果进行了研究，发现热源扰动和响应流场之间有很好的对应关系，两者具有类似的分布模态，而且“狭窄”的热源扰动可能导致“宽广”的流场响应，这与中低纬大气试验和观测资料的研究结果相符，同时也可部分地解释地球流体中局地热源异常可能导致的环流异常现象。     

海冰模式和数值预报

根据渤海冰情,在海冰动力学和热力学研究基础上,提出一种海冰动力一热力模式。该模式包括平整冰、堆积冰和开阔水三要素,采用粘一塑性本构关系计算冰内应力。利用参数化方法处理变形函数和热力增长率。该冰模式与潮流模式耦合研究渤海冰－潮相互作用,并与ＥＣＯＭ－Ｓｉ海洋模式耦合进行预报试验。该冰模式与大气模式联接,或应用气象部门数值天气预报产品进行海冰业务数值预报。本文还给出了预报结果。