热带太平洋海表温度年际变化对降水季节内振荡的影响

根据 １９８２—１９９２年期间的日平均 ＭＳＵ（Ｓｐｅｎｃｅｒ, １９９３）海洋降水和 ５天平均的ＣＭＡＰ（Ｘｉｅ＆ Ａｒｋｉｎ, １９９７）降水观测资料,分析了热带太平洋大气季节内振荡（ＭＪＯ）的年际变化特征。在太平洋海表温度（ＳＳＴ）年际变化的正常年份（１９８２—８３年, １９８６—８８年, １９９１—９２年）,均有明显的ＭＪＯ信号传到日界线以东并在中、东太平洋维持数月。热带ＭＪＯ活动强度的年际变化与局地ＳＳＴ的变化存在正相关。中、东太平洋降水的季节内振荡的年际变化与热带太平洋ＳＳＴ的最强正相关在Ｎｉｎｏ３区附近。以观测ＳＳＴ场强迫ＣＣＭ３大气模式的数值试验基本上真实地再现了１１年期间热带太平洋降水季节内振荡的年际变化总趋势,但模拟季节内振荡的强度较观测平均偏弱。对比分别采用周平均和月平均ＳＳＴ强迫场的积分结果,发现在中、东太平洋,二个积分模拟的降水季节内振荡强度的年际变化接近并且趋势与观测基本一致,而在西太平洋二个积分的模拟结果差别较大。这表明在热带中、东太平洋,ＳＳＴ强迫的年际变化对ＭＪＯ强度的变化有强的制约。而在ＭＪＯ总体活跃的热带西太平洋,ＳＳＴ强迫场的季节变化对模拟ＭＪＯ活动也有较大影响。ＣＣＭ３模拟     

大气自由模与中高纬准双周振荡

用数值方法研究了自由模对强迫耗散系统解的轨线的影响。首先,用变分法得到实际大气自由模,并设计一族解析自由模——理想大气自由模;其次,以两类自由模分别作强迫场,初始场取1993年7月1目的500hPa流函数场,然后应用强迫耗散正压涡度方程的全球谱模式积分300d,得到：(1)以1992年12月27—28日500hPα的实际大气自由模作强迫场时,①α=γ=k≥0．02,强迫、耗散系数相等且足够大时．随着时间演变,大气总是接近自由模态;②强迫系数α=0．1,耗散系数γ=0．02时．中高纬出现局地性准双周振荡。(2)以理想大气自由模作强迫场时,固定耗散系数γ=0．01,强迫系数0．0095≤α≤0．011时,振荡周期与强迫系数呈正相关关系。     

外强迫引起的夏季大气环流异常及其机制探讨

本文主要探讨了夏季模式大气对热带海温和高纬极冰异常的外强迫响应机制,结果表明,在大气环流模式长时间积分以后,不同的外强迫源均可在全球大气的一些关键性区域激发产生相同的环流异常型,即夏季大气主要异常型对外强迫源地理位置不敏感,很大程度上依赖于大气内部动力学过程.根据以上特点本文提出外强迫引起大气异常存在两类机制,其中外强迫和大气内部动力学过程相互作用机制是产生大气异常的重要动力学途径.     

模式大气中的年代际变化

用１９４５～１９９３年ＣＯＡＤＳ ＳＳＴ强迫ＡＧＣＭ进行了连续４９年的模拟积分,分析了模式大气中的年代际变化,并和ＮＣＥＰ再分析资料进行了比较。结果表明,模式大气中,无论是热带太平洋风场,还是中、高纬大气环流均存在显著的年代际变化;ＡＧＣＭ基本上能较好地模拟热带太平洋和中、中纬大气环流年代际信号的是分布和时间变化趋势;从时间变化上盾,热带太平洋风场的模拟结果要好于中、高纬大气,说明ＳＳＴ仍然是膨响     

大气环流模式对ENSO时间尺度风应力距平的模拟

通过与观测作比较。评估低分辨率的大气环流模式模拟的风场，模式风场是使用观测海温场外强迫，从１９７９年到１９８８年共积分十年得到的，模式输出为月平均值。结果表明，模式能够相当真实地模拟出风距平场的演变，用风应力距平强迫简单模式，积分十年（１９７９－１９８８），得到的海温距平场（月平均值）和观测海温距平场作比较，模式结果较真实地模拟了１９８２－１９８３年及１９８６／１９８７年暖事件的赤道地区海温距平场     

热带气旋移动的数值模拟和临界点现象

用一个带有热力强迫和耗散项的准地转正压模式,实施了16组积分时间大于7d的数值试验,研究了在环境流场和环境加热场共同作用下,热带气旋的移动路径问题。结果表明,随着环境流场参数、环境加热场参数和热带气旋尺度参数取值的不同,在模式大气中,清楚地复制出逆时针打转、蛇行摆动、向西移行和突然北折等截然不同的运动形态,并显示出具有非线性特色的临界点现象。     

全球(Z)双三次数值模式的设计与个例模拟(Ⅱ): 个例模拟结果分析

引入双三次数值模式:通过"双三次曲面拟合—时间步长积分—双三次曲面拟合—……",实现成为一种新算法的数值模式。在球面Z坐标系上,给出全球经纬网格双三次数值模式的一个设计。全球(Z)双三次数值模式采用非静力、全可压、干/湿绝热大气运动动力框架,并采用显式水平方向准拉格朗日/垂直方向欧拉时间积分方案,用NCEP再分析资料做初值场,初步模拟出从极地到热带的基本大气环流。模拟试验表明:因大气运动本质上是非线性的,当限定模式大气作线性"一次运动"时,个例模拟无须任何平滑;但限定模式大气作"三次运动"时,必须有适当平滑。本文认为,未来双三次数值模式可按场变量双三次曲面曲率,以判断采用符合物理诠释的局域(或单点)平滑;又若大气非线性运动不稳定区恰是天气系统发源地,则全球多重/时变套网格双三次数值模式是今后研究的方向。     

大气季节内振荡的数值模拟比较研究

用国内外两个较好的大气环流模式、在观测海表温度的强迫下进行了长时间(1978—1989年)的数值积分,然后对数值模拟结果与NCAR/NCEP再分析资料进行比较分析,其结果清楚表明,模式模拟结果的均方根误差中有30%—40%是来自于模拟的大气季节内振荡的均方根误差。尤其是,大气季节内振荡模拟的均方根误差的分布形势与总的均方根误差的分布形势几乎完全一致。对热带地区大气季节内振荡动能的模拟结果与NCAR/NCEP再分析资料的比较分析表明,其差异也十分明显,说明模式对热带大气季节内振荡的模拟能力也还比较差。因此可以认为,大气季节内振荡在天气气候模拟中极为重要,而如何在数值模式中模拟好大气季节内振荡还需要进行很好地研究。     

海气耦合模式FGOALS-s2模拟东亚气候的能力分析

该文采用FGOALS-s2模式两个20 a积分试验的结果,一个是海气自由耦合的控制试验,另一个是由控制试验产生的月平均海温强迫大气的海温强迫试验,通过比较两个试验结果的气候态和标准差,研究海气耦合模式FGOALS-s2模拟东亚气候变率的能力。结果表明:FGOALS-s2模式控制试验能够很好的再现降水和大气环流场的气候特征。与海温强迫试验相比:耦合模式能更好的模拟东亚地区气候态,200~500 h Pa垂直积分的气温整体偏低,850 h Pa上的东亚夏季风和南亚夏季风均偏弱,青藏高原附近的降水显著偏少,阿拉伯海、孟加拉湾、南海区域降水偏多,副高减弱偏南;耦合模式模拟的东亚气候标准差,在青藏高原上空200~500 h Pa上垂直积分气温变率偏大,阿拉伯海、孟加拉湾以及南海和西北太平洋降水变率均偏少;两种试验均能较好地模拟中国雨带从华南到长江流域再到华北的季节演变过程,控制试验模拟的降水北进过程中雨带偏南,而南退过程缓慢。     

近期气候预测系统IAP-DecPreS对印度洋偶极子的回报技巧:全场同化和异常场同化的比较

印度洋偶极子（IOD）是热带印度洋年际变率主导模态之一,对于区域乃至全球气候有重要影响。准确预报IOD对于短期气候预测具有重要意义。中国科学院大气物理研究所最近建立了近期气候预测系统IAP-DecPreS,其初始化方案采用“集合最优插值—分析增量更新”（EnOI-IAU）方案,能够同化观测的海洋次表层温度廓线资料。本文分析了IAP-DecPreS季节回报试验对IOD的回报技巧,重点比较了全场同化和异常场同化两种初始化策略下预测系统对IOD的回报技巧。分析表明,8月起报秋季IOD,无论从确定性预报还是概率性预报的角度,基于全场同化的回报试验技巧均高于异常场同化的回报试验。对于5月起报的秋季IOD,基于两种初始化策略的回报试验技巧相当。研究发现,全场同化策略相对于异常场的优势主要源于它提高了对伴随ENSO发生的IOD的预报技巧。ENSO遥强迫触发的热带东印度洋“风—蒸发—SST”正反馈过程是IOD发展和维持的关键。采用全场同化策略的回报结果能够更好地模拟出IOD发展过程中ENSO遥强迫产生的异常降水场和异常风场的空间分布特征;而采用异常场同化策略,模拟的异常降水场和风场偏差较大。导致两种初始化策略预测结果技巧差异的主要原因是,全场同化能够减小模式对热带印度洋气候平均态降水固有的模拟偏差,从而提升了热带印度洋对ENSO遥强迫响应的模拟能力。而异常场同化由于在同化过程中保持了模式固有的气候平均态,因此模拟的热带印度洋对ENSO遥强迫的响应存在与模式自由积分类似的模拟偏差。     

微波遥感海上大气可降水和云液态含水量

根据历史探空资料,对西太平洋海域中有代表性的热带和亚热带地区的云天大气做了l.35cm和8.5mm波段的辐射传输计算,揭示了海上云天辐射传输的某此特征。在此基础上,对原有的一种反演云天大气可降水(Q)及云的垂直积分液态含水量(L)的方法做了相应的改进。 1985年12月至1986年1月用船载双波长微波辐射计取得的西太平洋热带海域中的实际观测结果。着重给出了该海域中Q及L的日变化,对流云Q和L场的水平结构及弱冷锋过境时Q及L的演变等方面的个例。 此外,模式计算及海上观测都表明,8.5mm波长辐射计也可以单独探测海上晴空大气可降水。在此基础上,提出了有可能用两波长辐射计的独立测值进行相互比较来判断视野中是否有云。     

一个混合型热带海洋-大气耦合模式 I. 模式构成及热带太平洋气候态模拟

本工作发展了一个用于研究热带海洋-大气系统相互作用和El Ni?o/Southern Oscillation动力过程的混合型(hybrid)耦合模式，其中的大气部分为一个由一阶斜压模表示的自由大气和混合行星边界层所组成的简单热带大气模式(区域为热带太平洋:120°E～80°W，30°N～30°S；水平分辨率为2°×2°)，海洋部分为大气物理研究所高分辨率自由表面热带太平洋环流模式(经纬圈方向水平分辨率分别为1°和2°，垂直方向分为不等距的14层)。两模式间的耦合是这样进行的:简单大气模式计算出海表风应力，热通量由松弛公式计算，淡水通量(蒸发与降水之差)由观测资料给定，它们一起作为海洋环流模式(OGCM)的强迫场；而OGCM计算出海表温度(SST)，在其以外地区给定观测到的气候海表温度或陆地温度，作为大气模式的边界条件。本文给出采用逐日、同步耦合方案时模式对热带太平洋气候态模拟结果，表明未采用任何通量修正(fluxes correction)，耦合模式未出现气候漂移(climate drift)现象，并且非常逼真地再现了热带太平洋气候态，特别是海表风场及相伴随的辐合带和降水、海表温度和流场及它们的季节变化。文中还进行了对耦合模式的比较研究，以验证其良好性能和对实际热带太平洋气候系统的模拟能力。     

不同海域海表温度异常对西北太平洋副热带高压年代际变化影响的数值模拟研究

采用1950～2000年逐月观测的不同海域(全球、热带外、热带、热带印度洋-太平洋、热带印度洋及热带太平洋) 海表温度分别驱动NCAR CAM3全球大气环流模式, 进行了多组长时间积分试验, 对比观测资料, 讨论了这些海域海表温度异常 (SSTA) 对西北太平洋副热带高压年代际变化的影响。结果表明: 全球、 热带、 热带印度洋－太平洋和热带印度洋海表温度变化均对夏季西北太平洋副热带高压的年代际变化有重要作用, 即在这些海域的海表温度变化影响下, 西北太平洋副热带高压均在1970年代中后期发生了年代际变化, 其后副高面积增大、 强度增强、 位置偏西、 偏南, 这与观测结果较一致; 热带太平洋海表温度变化对夏季西北太平洋副热带高压的年代际变化也有重要作用, 在其作用下, 夏季西北太平洋副热带高压的强度、 面积在1960年代后期发生年代际变化, 南界在1970年代中后期发生年代际变化, 这些时段以后副高强度增强、 面积增大、 偏南; 热带印度洋海表温度驱动模拟的西北太平洋副热带高压变化比热带太平洋海表温度驱动模拟的副高更接近于观测结果, 且年代际变化更显著, 其差异的可能原因在于两区海表温度在1970年代中后期以后的年代际变化能在孟加拉湾〖CD*2〗中国东南沿海区域强迫产生的异常环流不同, 前者强迫产生出反气旋性环流异常, 有利于副高的增强、 面积增大和西伸, 而后者强迫产生出气旋性环流异常, 不利于副高的西伸; 热带太平洋和热带印度洋海表温度在1970年代中后期的冷、 暖年代际背景变化对夏季西北太平洋副热带高压年代际变化有重要作用; 热带外海表温度变化对西北太平洋副热带高压年代际变化作用较小。     

经验正交函数展开精度的稳定性研究

在文献[1]中,我们已从理论和数值模拟两个方面研究了用经验正交函数作基函数缩减气候数值模式自由度的可行性与有效性。用理论模型作数值试验的结果是令人满意的,应用于实际气候数值模拟,一个还需考虑的关键问题是大气外强迫等各种因子变化允许的范围内,对实际资料作EOF展开的稳定性问题。本文分别用1951—1984年500 hPa月平均高度距平场资料,1966—1975年500 hPa候平均高度距平场资料,1965—1978年夏季500 hPa逐日高度距平场资料作EOF展开,并提出了经验正交函数展开精度稳定性的判断方法,旨在证明实际资料EOF展开在大气外强迫等各种因子变化的允许范围内是稳定的,以便为我们用实际资料的经验正交函数作基函数建立一个合理的简化动力模型提供坚实的资料基础。     

包括大地形作用的大气环流模式的长时期性状

本文用一个两层斜压原始方程模式研究了包含大地形作用的大气环流模式的长时期性状.首先以刚体旋转为初值条件,用绝热无摩擦的两层斜压模式作了一个月的数值积分,研究了模式大气对纯粹地形强迫的响应.结果发现积分至第15天以后,中纬度西风渐弱,使得积分前期由地形强迫产生的槽脊难以辨认.本文通过不同模式之间的比较,对500hPa高度场上的球谐分析以及对动量方程的诊断,认为它是一种确定的动力学现象,而不是计算紊乱.在模式中引入纬向对称型加热和地面摩擦过程后,即使将模式积分长达5个月以上,由地形强迫激发的扰动所形成的槽脊仍可长久地维持,但它不是简单意义下的定常波,位相分析表明只有二波分量近似驻波,与转盘实验结果相似.     

西太平洋热带海域水汽和云中液态水含量的统计特征

利用船载双通道(1.35cm和8.6mm)微波辐射计两次(1985年12月—1986年1月,1986年10月—12月)对西太平洋热带海域的大气可降水和云中液态水含量进行了实地考察,本文根据考察结果,首次分析并给出了该海域大气可降水和云的各种统计特征。     

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。     

海温异常对热带内外环流相互作用影响的对比分析

运用ECMWF的风场和高度场及TBB资料,用相关方法对比分析了热带太平洋海温分布东冷西暖（1984～1985年冬季）和东暖西冷（1982～1983年冬季）两种不同背景下,热带西太平洋对流活动与中高纬环流在季内时间尺度下相互作用的特点。结果表明,不同的海温分布其对应的大尺度环流场包括Hadley和Walker环流的位置及强弱均有较大的差别。冬季热带西太平洋对流活动与热带外大气的季内相互作用过程也有明显差异。     

卫星实测向外长波辐射资料在气候变化和大气遥相关研究中的应用

最近许多研究指出,热带在决定北半球中纬度冬季严寒方面的重要性。特别是已发现1976—1977年美国东部沿海地区冬季异常寒冷与南方涛动有联系。热带大气与中纬度大气之间位势高度场的遥相关已从经验上和理论上得到了证实。这种遥相关似乎在南方涛动的某些位相时特别显著。但是,对于热带非绝热强迫作用的响应     

1—3月北极涛动对北半球热带太平洋和大西洋对流活动的可能影响

利用1979—2008年日分辨率的向外长波辐射资料以及NCEP再分析资料,去除ENSO影响后,分析了1—3月北极涛动对热带太平洋和热带大西洋对流活动及降水的可能影响。结果表明北极涛动偏强(弱)时,热带太平洋和大西洋对流活动显著偏强(弱)。北半球热带大洋冬季平均向外长波辐射与北极涛动指数的相关系数存在两个显著负相关区:一个位于中太平洋区,大致包括13°—20°N、160°E—170°W;另外一个位于热带大西洋,显著区覆盖的范围大体包括5°—20°N、15°—70°W。这些区域的降水量也表现出显著的正相关。向外长波辐射、强对流面积指数、强对流强度指数、平均降水量等指标与北极涛动指数的相关均以冬季同期最高,随时间滞后相关迅速减弱。与此对应的对流层低层大气环流也有显著变化,850hPa风场的变化表现为热带太平洋有异常的气旋性环流,气旋中心区与显著强对流和降水异常区一致。而热带大西洋有显著的经向环流辐合和风切变,与异常对流和降水区吻合。海洋模式的模拟结果表明,与北极涛动有关联的海温分布,很大程度上与大气强迫有关,说明热带1—3月降水和对流活动与海温的关联较弱。北极涛动与热带太平洋、大西洋对流和降水活动之间主要是通过大气环流的变动产生联系的。