全球温度变化的随机模式

本文在Fraedrich,K.零维能量平衡模式的参数化形式的基础上建立全球温度变化的随机模式,得到模式的解过程为一红噪声过程。文中应用响应谱的离散形式将模式谱的计算结果与北半球(1881—1980年)年平均温度距平序列的实际谱进行了统计检验,从而论证了随机模式模拟全球温度变化的适用性。因此可以应用所建理论模式计算得到北半球温度变化的统计特征值(均值和方差),并与目前的实测值进行了比较。     

全球温度变化的随机模式

本文在Fraedrich,K.零维能量平衡模式的参数化形式的基础上建立全球温度变化的随机模式,得到模式的解过程为一红噪声过程。文中应用响应谱的离散形式将模式谱的计算结果与北半球(1881—1980年)年平均温度距平序列的实际谱进行了统计检验,从而论证了随机模式模拟全球温度变化的适用性。因此可以应用所建理论模式计算得到北半球温度变化的统计特征值(均值和方差),并与目前的实测值进行了比较。     

过去0.8 Ma期间的地表温度数值模拟研究

使用一个改进的二维能量平衡模式模拟了过去0.8 Ma冰期-间冰期旋回期间北半球各纬度带的地表温度,并以65°N的地表温度为代表与南极冰芯记录进行了比较.通过敏感性试验,分析了日射量、温室气体、沙尘气溶胶强迫和水汽反馈的辐射-气候效应.结果显示,日射量变化不足以解释冰期-间冰期旋回期间北半球的地表温度变化,大气温室气体(...     

低平流层涡动热通量近似的最佳参考纬度

通常基于准地转的变换的欧拉平均框架下提出的涡动热通量近似理论计算极区平流层温度变化的动力和非绝热加热贡献,但是这可能会带来一定的误差。本文根据Liu and Fu(2019)提出的欧拉平均框架下新形式的面积加权平均的热力学能量方程,通过滑动累加得到逐月的温度变化方程。再利用1980-2019年欧洲中期天气预报中心第五代再分析资料(EuropeanCentreforMedium-range Weather Forecasts fifth reanalysis data, ERA5),计算北半球极区低平流层100 hPa在全时段(1980-2019年)和两个分时段(1980-1999年、 2000-2019年)各月温度增量、动力加热、非绝热加热和对流加热项(W项)的气候平均值,进而讨论涡动热通量近似理论成立的最佳参考纬度。结果表明,新导出的W项使得极区累积的动力和非绝热加热项之和与温度增量项之间的误差在冬春季减少了一半。在100 hPa上,W项随月份和纬度变化,尤其在冬春季节对温度变化贡献明显,由此得到涡动热通量近似成立的最佳参考纬度应该在W项的零等值线附近。进一步验证表明参考纬度可以取在...     

风云三号卫星微波湿度计的扫描角偏差订正

首先统计分析了FY-3A卫星MWHS(Micro Wave Humidity Sounder,微波湿度计)2010年1月整月和8月28日—9月6日Level-1b全球观测亮度温度T_O和背景场(NCEP GFS 6 h预报场)用辐射传输模式(美国通用辐射传输模式CRTM 2.0版本)模拟的亮度温度T_B随扫描角的分布特征,发现通道3和4的观测随仪器扫描角有抖动、不连续现象。同时沿着仪器扫描线在星下点两测存在观测不对称现象,而且权重函数峰值越接近地面的通道该不对称现象越明显。在统计观测增量T_O-T_B随扫描角和纬度变化的基础上,定量给出了不同纬度带内(每隔5个纬度)MWHS通道3、4和5的扫描角偏差订正系数,该系数可直接提供给各种资料同化系统同化FY-3A MWHS资料时使用。     

考虑植被效应的二维地气模式及其对半干旱区域气候的模拟

在土壤-植被-大气统一体内，根据能量平衡、水分平衡、大气辐射传输和热传导方程，建立了一个考虑植被作用的二维地气系统动力模式。模式描述了热量和水分随高度和纬度的变化，并针对陕北地理与气候特征，模拟了该地区的气候平均场，为半干旱地区的沙漠化研究提供了模拟方案和初步计算结果。     

二维能量平衡模式中大气温度对二氧化碳增温效应的响应

利用一个考虑了辐射能传输的二维能量平衡气候模式,解析地分析了二氧化碳浓度改变后冰界纬度的变化,得到了冰界纬度随CO2浓度变化的关系以及全球平均温度的变化曲线.结果表明,当CO2浓度由工业革命前的280×10-6增加到700×10-6时,冰界仅后退(北半球向北)几个纬度;当CO2的浓度继续增加时,冰界纬度会加速向极地退缩,直至出现全球无极冰覆盖的现象.同样地,当CO2浓度由280×10-6增加到700×10-6时,全球地表平均温度虽然在增加,但增加的速率很小,并且增加的速率在减小,而当大于700×10-6之后,温度增加的速率会快速增大,温度将加速上升.对不同反照率进行敏感性试验,发现当反照率从0.1到0.32时,结果并没有显著地改变,即结果对反照率的变化并不敏感.这一计算结果表明,在目前的状态下,由CO2引起的增温作用似乎处于变化很小的准饱和状态,即目前气候不会因为CO2浓度的增加而迅速变暖.较为实际的情形可能是大气温度在缓慢增加到一定程度后才会迅速升高.这并不意味着可以忽视CO2的增温效应,因为根据计算结果,这个临界值大概在700×10-6左右,当CO2浓度增加到超过临界值之后,气温会剧烈上升,气候将会处在一个非常温暖的阶段.     

20世纪全球温度场趋势变化的区域特征分析

利用 1 90 0～ 1 998年全球 5°× 5°年平均表面温度场序列 ,提取具有不同温度变化型态的显著区域 ,探讨温度背景趋势的区域性及其对变暖显著性、稳定性的影响。同时结合对Hadley中心HadCM2海气耦合模式模拟结果的初步分析 ,研究温度背景趋势地域性差异的可能成因。结果表明 ,全球年际至世纪尺度温度变化距平场存在差异显著的 2 0个区域。温度场的背景趋势主要表现为两大类 ,背景增暖型和背景波动型 ,其中背景波动型以准 70a的波动变化为主 ,主要存在于北半球中高纬海域 ,并以北大西洋地区尤为显著 ;背景增暖最为稳定、显著的区域则是南印度洋中纬度地区。不同条件下海气耦合模式数值试验的结果也表明 ,南印度洋中纬度地区是温室效应等外强迫的稳定响应区域 ,温度背景趋势的地域性差异 ,一方面可能与温室效应等外强迫变化在不同区域的响应稳定性有关 ,另一方面也可能与海气系统年代际以上尺度耦合振荡的区域性有关。     

FGOALS模式4个版本太平洋年代际气候变率模拟的比较

本文选用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG/IAP)发展的全球海洋—大气—陆面气候系统模式(FGOALS)的4个版本g2.0、s2.0、g1.1和g1,利用模式的长时间积分结果,结合观测、再分析资料比较、评估模式对太平洋年代际变率的模拟能力,并通过对海气相互作用及其海洋动力过程分析,探讨了模式中太平洋年代际振荡形成机制.研究发现,FGOALS 模式g2.0和s2.0版本对太平洋年代际振荡(PDO/IPO)的模拟能力优于 g1.1和g1.模式中太平洋年代际变率的正反馈过程与Bjerknes(1969)提出的海气相互作用正反馈机制有关,其负反馈则主要与海洋内部动力过程有关.太平洋异常经向热量输送将热带与中纬度海洋联系在一起,可以抑制正反馈作用,但无法使得年代际振荡变化位相发生反转;FGOALS模式中,热带海表温度(SST)暖距平信号通过大气桥影响热带外大气环流,在海气作用下,热带与热带外海洋次表层分别以Kelvin 波和Rossby 波的形式传播,使得冷暖位相反转,4个版本均能再现这种负反馈机制.但不同版本Rossby波所处的纬度不同,太平洋SST异常年代际变化信号最明显的范围越宽,则由此激发的Rossby 波便更为偏北,纬度越高Rossby 波西传的时间也越长,PDO/IPO的周期与其SST异常的经向尺度密切相关.     

二维海陆风环流的数值研究

本文对Nickerson的中尺度模式作了一些修改,加入了地表热量平衡方程和一个13层的土壤层模式,并对Therry等的行星边界层参数化形式作了调整.使之较好地模拟出太阳辐射和地表温度的日变化.对不同地形、纬度和夏、冬季海陆风的模拟表明,本模式具有较强的海陆风模拟能力.     

近50 a北半球和青藏高原地面及其高空温度变化的初步分析

通过分析北半球和青藏高原地面平均气温与它们上空500hPa平均温度、200一500hPa平均厚度在不同时期和不同纬度带的趋势变化特征,了解其地面气温和其对流层中上层温度的年代际变化趋势以及相互关系。可以看到近50a地面气温和500hPa温度年代际变化大致相同,20世纪70年代中期之前都为降温,70年代中期以后为不同程度的升温。200—500hPa厚度代表的对流层上层温度与对流层下层温度变化趋势相反,70年代前明显升温,70年代后明显降温。分析还表明,对流层各层温度在不同纬度和不同季节的变化也不同。     

具有热力-动力耦合的二维能量平衡气候模式

本文设计了一个热力—动力耦合的理论模式,所得到温度场和运动场的平均气候状态基本上与实况接近.分析表明,温度场和速度场是相互制约的,温度分布在纬向上的不均匀形成了垂直经圈环流,此种流场又把赤道的热量往极地输送,其结果与没有运动场耦合的情况相比,可使赤道温度降低而极地温度升高. 研究模式气候对太阳常数变化的敏感性后指出,要使冰界线从现在的72°N南移到冰河期的50°N,太阳常数要减小15％左右.这在考虑或不考虑流场耦合的模式中都是差不多的.     

1979～2011年间平流层温度及平流层水汽的演变趋势

利用ERA-Interim再分析资料,研究1979~2011年间平流层温度与平流层水汽的时空演变趋势。结果表明,平流层纬向平均温度场和平流层水汽的分布随高度、纬度、季节的变化而变化,且二者密切相关,互相影响。过去33a间在热带地区平流层温度均呈上升趋势,在南北半球,温度在平流层中下层呈下降趋势,而在平流层上层呈增温趋势。平流层水汽在不同层次、不同纬度带均呈增加趋势。平流层纬向温度在南北两半球的下降趋势与平流层水汽含量的增加趋势,进一步验证了全球气候正在变暖的事实。      

副热带对流层高层夏季准定常涡旋系统动力成因的初步探讨

本文采用一个高截断的斜压谱模式、探讨了在热力强迫作用下副热带夏季对流层高层准定常涡旋系统形成和维持的动力机制。模式中考虑了纬向不对称的热力强迫作用,带状流与波动分量之间的非线性相互作用以及随纬度而变的基本气流的共同影响,所得到的一类稳定平衡态的高层流场特征说明了上述准定常涡旋系统的一些主要特点,并进而讨论了热力强迫的控制作用等问题。     

一个斜压海洋风生环流的数值模拟

为研究大尺度海气相互作用、气候以及气候的变化,一个具有规则海岸线和无海底地形的三层斜压海洋模式已经建立起来。积分区域包括了赤道地区在内,南北方向从-2750 km到+4750 km,东西方向宽10000 km,总深度是4 km。模式方程为原始方程,用了静力近似和Bou-sinesq近似。模式数值积分分两个阶段,在第一个阶段,海洋环流从静止状态开始,以只随纬度变化的年平均风应力和海表热通量作为强迫边条件数值积分十年,这时海洋上层的环流和温度都趋于平稳,我们将第十年末的积分状态作为模式气候的准平衡态。计算结果模拟了热带太平洋上气候平均的温度分布以及主要海流的大尺度特征,如赤道地区的狭长冷水带和强上翻区、南赤道洋流、北赤道逆流以及表层下面沿赤道自西向东的潜流。在第二个阶段,以在第一个阶段末尾得到的准平衡态作为初值,分别用冬季和夏季的风应力作为强迫边条件再积分一年。比较这两种计算结果,我们看到海洋环流随信风系统的季节变化也呈现出明显的季节变化,特别是北赤道逆流,其强度在夏季强,在冬季弱甚至不出现。南赤道洋流无论哪个季节都穿过赤道,在赤道以北的南赤道洋流冬季比夏季强,而在赤道以南的南赤道洋流夏季比冬季强。     

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.     

亚洲冬季风对强外辐射强迫变化的响应

本文采用NCAR气候系统模式CSM1.4研究了冬季风对强外辐射强迫变化的响应,其中外辐射强迫直接由太阳常数的变化而引入。结果表明：随太阳常数的增加,局地的增温幅度变化很大,中高纬地区比低纬地区增暖幅度强,这在太阳常数增加较大的试验中表现更为明显;随太阳常数增大越大,大气温度升高越高,对流层有强烈增温,对流层高层尤为显著,平流层中上层有降温现象;随太阳常数增大,亚洲冬季风系统的响应越强,系统强度增强明显,但形式不同,500hPa随纬度增高增强幅度变大,100hPa随纬度增高增强幅度变小。     

基于动力统计方法对中国夏季温度模式误差订正的研究

利用气候趋势系数分析1983-2012年NCEP/NCAR温度逐日再分析资料和国家气候中心全球海气耦合模式(CGCM)逐月温度资料,得出近30年中国夏季观测温度和模式预报温度趋势变化特征。通过经验模态分解方法拟合并去除观测温度整体趋势得到无趋势温度资料,结合系统误差订正和最优多因子组合动力统计相结合两种不同的模式误差订正预测方法,分析了全球变暖对中国夏季温度预测的影响。结果表明:近30年来中国夏季大部分地区观测温度呈上升趋势,且通过了0.01显著性水平检验,而模式预报温度几乎无趋势变化,对全球变暖存在明显的模拟不足。为避免这种模式对观测气温整体趋势的模拟不足对预测效果的影响并得到最优的预测结果,利用经验模态分解方法拟合并去除观测温度的整体趋势,对观测温度的拟合趋势预测时采取先去除预测后再回加的方式在预测过程中避开模式结果模拟不足的问题。近10年独立样本回报预测结果表明,上述方法可以有效地提高预测效果,并解决直接预测出现的预测结果偏低的问题,说明了在对模式预报结果后处理过程中去除增温趋势的重要性。     

简单气候模式的随机分析解

本文根据热力学第一定律和随机函数建立了一个随机、非线性气候模式,并求出了模式的解析解。结果表明:模式的温度概率密度是一条有双峰值的曲线,太阳辐射的改变将使曲线上峰的数目发生突变;另外,在利用模式分析海温时还发现:各纬度海温对天气过程的扰动作用将呈现不同的响应。     

亚洲冬季风对强外辐射强迫变化的响应

本文采用NCAR气候系统模式CSM 1.4研究了冬季风对强外辐射强迫变化的响应,其中外辐射强迫直接由太阳常数的变化而引入。结果表明:随太阳常数的增加,局地的增温幅度变化很大,中高纬地区比低纬地区增暖幅度强,这在太阳常数增加较大的试验中表现更为明显;随太阳常数增大越大,大气温度升高越高,对流层有强烈增温,对流层高层尤为显著,平流层中上层有降温现象;随太阳常数增大,亚洲冬季风系统的响应越强,系统强度增强明显,但形式不同,500 hPa随纬度增高增强幅度变大,100 hPa随纬度增高增强幅度变小。