2010年夏季北极海冰数值预报试验

为保障我国第四次北极科学考察的顺利开展,于2010年6～8月开展了北极海冰预报预测服务。预报试验基于MITgcm （麻省理工学院通用环流模式）,以NCEP GFS（美国国家环境预测中心全球预报系统）资料为大气强迫,初始化分别使用美国冰雪中心SSM/I（专用微波成像仪）或德国不莱梅大学AMSR-E（地球观测系统先进微波扫描辐射计）北极海冰密集度卫星资料。对2010年6～8月预报结果的初步评估表明,预报结果同卫星观测资料比较一致。在发生快速海冰变化的太平洋扇区,预报结果优于惯性预报,表明模式具有较好的局地海冰数值预报能力。     

南极海冰导温系数与孔隙率关系初探

利用南极中山站附近固定冰不同季节的温度垂直廓线,冰芯盐度、密度数据,基于Cox等发展的冰内孔隙率计算方法,获得冰内孔隙率的垂直廓线。再通过建立分布参数系统最优控制模型,优化辨识在无热源条件下冰内温度垂直廓线对应的海冰导温系数。通过比较7种冰导温系数同孔隙率的关系,选择出海冰导温系数和孔隙率的最优关系式。用该关系式对同一地点不同年份的海冰进行温度垂直廓线计算,比较辨识的导温系数同孔隙率的关系相对于前人理想海冰模型中的导热系数、比热等公式计算对应条件的海冰垂直温度廓线的优势。两种计算结果说明,辨识得到的关系所引起的偏差在趋势和量级上同理想模式计算的结果相同,但辨识得到的关系更简洁,且更具有物理背景。     

区域干旱的数值模拟试验

针对土壤干旱,利用大气和土壤耦合模式对干旱过程进行数值模拟研究。在数值模拟方法上,引入美国国家大气研究中心和宾西法尼亚大学联合开发的第四代中尺度区域数预报模式MM4作为与土壤耦合的大气运动模式;将区域中尺度大气运动模式MM4与土壤水传导模式耦合,通过对土壤湿度的连续计算来试验模拟出干旱过程的几个阶段的状态。在大气与土壤耦合的过程中,主要考虑了4个的方面作用:分别是地表水蒸发、蒸腾作用、地表水渗透和地面风场。在进行区域干旱过程模拟试验中,以土壤湿度作为干旱划分指标,针对壤土选取长江中下游地区,1999年8月1日至30日的地面、高空资料进行连续计算。试验分三个阶段:第一阶段为长江中下游地区土壤供水量满足农作物需水量阶段;第二阶段为根系层土壤供水量小于农作物生长需水量阶段;第三阶段为长江中下游地区农作物干旱阶段。在对模拟试验的结果进行了分析后,得到了一些干旱形成过程的初步结论。     

侧边界融化对北极海冰影响的数值模拟

对NCAR CSIM5 海冰模式中海冰侧边界融化参数化方案进行了详细阐述,并利用CSIM5模式模拟了侧边界融化对北极海冰厚度和海冰面积变化的影响,试验结果表明：（1）侧边界融化热力过程会增大海冰厚度和海冰面积的消融,海冰厚度消融最明显的区域分布在西伯利亚海和格陵兰海,海冰面积消融最明显区域分布海冰边缘地区;（2）侧边界融化过程对夏季海冰厚度影响比冬季更为明显,而对冬季海冰面积的影响要比夏季更为明显;（3）侧边界融化方案能更好地模拟出海冰面积的季节性变化;（4）海水表面温度（SST）是影响海冰侧边界融化过程的重要因子,侧边界融化率的大值区分布在SST零度线附近的狭窄区域。     

沙丘动力学数值模拟研究方法综述(Ⅰ):沙丘周围流场模拟

沙丘地貌学包括沙丘形态、组成物质及形成过程等3个方面的研究,野外观测、物理模拟及数值模拟是沙丘形成过程研究的主要方法。目前,随着"3S"技术及计算机技术的发展,沙丘动力学数值模拟方法在沙丘地貌研究中已很活跃。沙丘周围流场变化导致沙丘不同位置气流剪切力的不同,对沙丘形态的塑造起着至关重要的动力控制作用。本文主要介绍了沙丘周围流场动力学数值模拟研究工作所采用的方法及所取得的主要成就。     

太湖风生流三维数值模拟试验

本文建立了一个适合太湖的三维水动力学模式，考虑太湖局地风场的影响，模拟了太湖的风生流，模拟结果和二维模式的计算结果相比，流速值较符合实际。另外，研究了太湖地形因子对太湖环流的影响，指出洞庭西山和洞庭东山间狭长的过道区是产生太湖大范围环流的重要原因。为了研究太湖中藻类的治理和富集问题，对不同风向作用下太湖的散度场进行了分析计算，对太湖的梅梁湾和贡湖地区进行分析，结果可归纳为三类：（１）辐合型（对应Ｓ、ＳＷ风）；（２）辐散型（对应Ｎ、ＮＥ风）；（３）并存型（对应Ｗ、ＮＷ、Ｅ、ＳＥ风）。     

腾格里沙漠包气带水,汽,热运动的耦合模型及水热状况模拟

采用中子水分仪、负压计和电子测温器同步测定腾格里沙漠邓马营湖包气带０～４２５ｃｍ范围内不同深度含水量、基质势和温度,确立有关的水热特征参数。基于Ｐｈｉｌｉｐ、ＤｅＶｒｉｅｓ提出的土壤内水热运动理论,建立并解算了该包气带水、汽、热运动的耦合模型,并对不同气象条件下沙漠包气带水热状况进行数值模拟和预报,其结果反映了沙漠包气带含水量变化及温度分布特征。     

北极大气边界层初步模拟试验

应用一维K闭合OSUPBL模式和ARCSCM极地柱模式,采用SHEBA观测资料和ECM- WF的输出结果作为模式的初始场和外强迫场,对SHEBA试验所在地(75°N,150°W)单点的北极大气边界层特征,进行了初步的模拟并与SHEBA资料进行对比分析。研究表明,这两个模式都具有较好地模拟单点北极大气边界层特征的能力。OSUPBL模式在垂直高度上的高分辨率,使其能够更好地反映大气边界层内部的细微变化特征。ARCSCM模式中考虑了比较多的物理过程,且需要提供比较完整的初始场、边界条件和侧向强迫,并每小时更新,模拟结果更符合实际情况。对模式的不足和下一步的研究也进行了讨论。     

脉动风场下风沙流结构的数值模拟

 基于野外观测实验和Langevin方程对风场脉动的描述, 研究了脉动风场下沙粒的跃移运动以及风沙流结构特征。结果表明,脉动风场对沙粒的跃移运动有着显著的影响,沙粒粒径越小,脉动风场对跃移运动轨迹的影响越大;考虑风场脉动时给出的风沙流结构具有明显的分层特征,并与实验测量结果吻合得更好。     

基于MM5模拟试验的新疆风能资源统计订正初探

 应用MM5模式以及1°×1°的NCEP再分析资料,对新疆风能资源“代表年”进行了3 km×3 km分辨率的模拟试验,同时将10 m高度的模拟值与气象站10 m高度的实测值进行了对比。结果表明：(1)模式能较真实反映年、月平均风速大小的空间分布特征,但存在一定的系统性偏差,且偏差的大小具有明显的月际变化特征与地域性变化特征。平均来说,夏半年的偏差幅度小于冬半年,大风区的偏差幅度明显小于非大风区,达坂城-小草湖风区、哈密东南部风区、三塘湖-淖毛湖风区的模拟偏差最小。(2)对各风区逐小时平均风速模拟值进行线性回归订正,虽能有效减小有些风区模拟与实测值间的风速偏差,但对有效风速小时数的订正效果极其有限,订正后的偏差仍具有随机性。（3）以月为单位,通过对逐小时平均风速模拟值立方的回归订正可有效减小年平均风功率密度的模拟误差,同时模式中逐小时的空气密度可直接以观测点的月平均空气密度取而代之。该试验不仅对近期新疆已经完成的风能资源详查与综合评价中有关中尺度模式参数化方案的最优组合选择和水平分辨率的调整具有现实意义,而且也为如何提高风电功率短期预报的精准性提供了研究素材。     

北极海冰密度变化分析及其对海冰厚度估算的影响

海冰密度是海冰和气候模型的重要物理变量,也是利用卫星测高数据估算海冰厚度的关键参数。目前各国北极科学考察虽开展了海冰物理观测,但对近期北极海冰密度现场观测资料的综合分析和挖掘应用不足。在此背景下,收集了近15年来北极海冰密度现场观测资料,分析北极海冰密度的变化特征;对海冰密度实测数据进行克里金插值,将插值结果输入静力平衡方程模型计算海冰厚度,探讨海冰密度对海冰厚度卫星测高反演的影响。结果表明,2000—2015年北极海冰密度变化范围为750—950 kg·m^–3,1—9月海冰密度总体上随月份变化呈减小的趋势;6—9月北极海冰密度随着纬度的增加而减少(75°N—90°N);通过对比分析表明,相较于使用海冰密度固定值参与估算海冰厚度,采用经现场观测数据空间插值后的海冰密度估算海冰厚度的结果更为准确。北极海冰密度现场观测资料的整理分析可为海冰与气候变化等进一步研究提供参考。     

气候系统模式对于北极海冰模拟分析

利用全球耦合模式对比计划第五阶段(CMIP5)模拟试验的结果,并与观测资料对比分析,评估了CMIP5模式对北极海冰的模拟效果。结果表明:多数模式可以较好地模拟出北极海冰的空间分布以及季节变化特征。1979—2005年北极海冰迅速减少,所有模式均模拟出北极海冰减少的趋势,但减少趋势大小与观测差别较大。在全球变化的背景下,全球地表气温升高1℃,北极海冰的面积减少1.02×106km2,而在模式中减少的北极海冰面积在0.62×106—1.68×106km2之间,说明模式对于北极海冰的模拟仍然存在很多不确定性。     

MODIS海冰数据监测中山站附近海冰的季节性变化

本文利用中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,即MODIS)的海冰数据,监测中山站附近区域海冰的季节性(尤其是夏季)的消融与冻结情况及海冰表面温度的变化。文中先对MODIS的海冰数据进行影像分层、数据合成,分时间段计算海冰范围,然后提取海冰表面温度信息,最后对获取的数据进行分析。研究结果表明,中山站附近区域在每年10月至翌年2月中上旬为海冰消融期;2月中下旬至4月为海冰冻结非密封期;5月至9月为海冰冻结密封期。海冰范围2月份最小;海冰表面温度1月份最低,8月份最高。     

海冰在海气交换中的作用及其与海雾的关系

本文用了 1 999年夏季中国首次北极科学考察队对海冰、大气和海洋进行的同步和准同步的综合立体观测所获取的资料 ,研究海冰在海 气相互作用中扮演的角色。发现海冰的种类、分布、冰厚等变化对海气热交换都有重要影响。在浮冰区海洋以潜热的形式向大气输送热量 ,潜热通量与浮冰密集度的大小密切有关 ,浮冰越少潜热通量越大 ,潜热通量约为2 1～ 2 3 .6W /m2 ,潜热通量大于感热通量 ;在冰盖和大浮冰块上 ,大气以感热的形式向冰雪面上输送热量。新生的浮冰区或冰间湖是海气热交换最激烈的地方 ,是气候最敏感的区域 ,是北冰洋蒸汽雾生成的重要条件。用层结大气整体动力学输送法 ,计算了一次大范围的蒸汽雾过程的海气热交换 ,海洋向大气输送的热量总功率约为 1 4 8亿千瓦 ,相当于中国发电能力的 69倍 ,相当于大西洋向北冰洋输送热量平均功率的 1 / 2 0。北冰洋的夏季能够形成各种类型的海雾 :辐射雾、蒸汽雾和平流雾 ,其重要原因就是因为海冰的存在 ,使下垫面的性质复杂化 ,海气交换复杂化。     

中国第二次北极科考航线海冰密集度和厚度

单点海冰调查是构成线、面海冰资料的基础,这些资料对于大面积海冰遥感资料的对比研究是必要的。虽然由于海冰时空变化引起一定差异,大面积统计意义上的冰情条件具有正确性。依据2003年7-9月中国第2次北极科学考察期间,沿航线进行的船舶海冰调查资料,航空海冰调查资料和浮冰站海冰调查资料,以图表形式归纳总结了航线上的冰情、海冰密集度、厚度剖面和单点厚度值;给出海冰密集度和厚度的空间分布。     

南极海冰问题评述:观测

海冰通过其对地面反照率的作用以及对大气和海洋之间热交换的局地障碍和对世界海洋环流的作用在全球热平衡和气候变化中起着重要的作用。南极海冰又因其极为显著的时空变化引起越来越多的关注。海冰的观测是海冰研究的重要内容 ,本文综述了南极海冰观测的发展过程 ,着重介绍了卫星在探测南极海冰方面的重要进展 .     

近30年北极海冰异常变化趋势

在过去30年间,北极气候发生了前所未有的异常变化,北极海冰变化更是经历了令人瞩目的、从平缓到突变的缩减过程,因此,北冰洋及其海冰的研究得到广泛的重视。综述当前国内外有关北极海冰快速变化的研究工作,对这些大气的现场观测和卫星遥感资料的分析,以及一些全球和区域气候模拟的结果,基本上一致地指出了近3O年来北极海冰的快速衰减趋势,尤其是夏季北极海冰正以每lO年超过10％的变化幅度快速减少。从海冰的基本物理特征、与大气海洋相互作用的物理过程、及其对全球和北极气候变化的响应和反馈机制,研究形成这种快速变化的因子--海表面气温增暖,太平洋与大西洋人流的热盐性质变化,以及大气环流模态的影响等。     

南极海冰的时空变化特征

依据Hadley中心提供的全球海冰密集度格点资料 ,利用诊断分析方法 ,对近 35年来南极海冰的时空变化特征进行了研究。研究表明 ,在南极地区 ,海冰平均北界和海冰总面积的变化基本一致 ,可以用海冰北界来研究南极海冰的时空变化特征。南极海冰最多和最少期分别出现在 9月和 2月 ;威德尔海和罗斯海地区海冰最多、变化最大 ,南极半岛地区海冰最少 ,变化也小 ;近 35年来环南极地区的海冰有明显的减少趋势。南极海冰变化的时空多样性十分明显 ,存在着 5个变化不同的区域 ,其中有两个区域近 35年来海冰范围扩大 ,面积增加 ,而另三个区域则海冰范围缩小 ,面积减少。不同区域的海冰都存在着较明显的 2- 3年和 5- 7年主振荡周期。南极海冰时空变化特征的研究对进一步认识南极地区海 冰 气相互作用的物理过程 ,讨论南极海冰变异与大气环流和天气气候的关系有重要意义     

1979-2012年北极海冰范围年际和年代际变化分析

利用美国冰雪中心发布的海冰密集度数据,对1979—2012年北极海冰范围进行年际和年代际变化分析。结果表明:(1)海冰在秋季融化速度最快,其次为夏季、冬季、春季。2000年后春季下降速率变缓,而其他季节融化速度加快;(2)由于多年冰的融化,太平洋扇区在夏秋季节融化速度要高于其他海区。而大西洋扇区在冬季和春季海冰的融化速度要快于夏秋季节,主要是因为大西洋海温升高;(3)东半球在夏秋季节海冰融化的范围要大于西半球,因此东北航道比西北航道提前开通应用。而整个北极区域近几年春季融化速度变缓,则主要是西半球的作用;(4)从空间分布年代际变化来看,1989—1998年最接近气候态,1979—1988年密集度偏大区域主要在巴伦支海和东西伯利亚海,2009—2012年海冰密集度较常年显著偏小,东半球密集度减小幅度比西半球更大,尤其是冬春季在巴伦支海,夏秋季在楚科奇海。春季时由于风的作用,白令海附近海冰密集度异常偏大;(5)北极区域海冰范围在冬春季比夏秋季突变明显,基本在2003年前后,海冰范围变化周期为6年。