全球海洋环流模式中氚分布的模拟

氚（3H）作为一种重要的被动示踪物,经常被用于研究海洋中的物理过程及评估海洋环流模式的模拟性能。使用一个全球海洋环流模式（LICOM）来研究氚在海洋中的分布、存储和输送。模拟的全球氚通量表明,1975年之前氚主要由海气交换输入海洋,特别是在1963年,氚的气体交换输入约为降水输入的2.5倍,1975年之后两种方式的氚输入通量都大幅减少。比对GEOSECS（Geochemical Ocean Sections Study,1972～1978年）和WOCE （World Ocean Circulation Experiment,1989～1995年）大洋观测计划期间的观测资料发现,我们的模式很好地模拟出了氚的海表分布、水柱总量、经向分布以及次表层的高值信号,主要缺点在于模拟的氚向深层的穿透不足,特别是在全球的两个副热带地区,表现尤为明显,氚输入函数的不确定性和模式物理场描述的不足可能是造成误差的主要原因。模式给出的海洋中氚储存总量的结果与基于观测得到的结果比较吻合,如北太平洋海区：1973～1974年模拟结果约为20.4 kg,相同期间观测估计值为21.1±4.7 kg,1989～1995年模拟结果为20.7 kg,相同期间观测估计值为23.4±2.0 kg。氚在等密度面上高低纬的侧向通风明显,模式成功模拟出氚从中高纬的海表进入,沿等密度面向低纬的次表层输送,又经大洋环流和扩散分别向南半球和高纬输送的过程。     

一个太平洋海盆尺度环流模式及其模拟结果

在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)发展的全球气候海洋环流模式(LICOM)的基础上构建了一个太平洋海盆环流模式,并对其模拟结果进行了深入的分析.在模拟中对中尺度示踪物输送采用了两种方案,即传统的水平扩散方案(HOR)和包括涡旋诱导速度的等密度面扩散方案(GM).对这两个试验的气候平衡态结果分析发现,该模式较好地模拟出了太平洋的环流特征,包括副热带大涡、副极地涡旋以及南极绕流(ACC)等.赤道附近的各种流系亦得到了较好的模拟,模拟的150°W赤道潜流的最大流速为40 cm/s,出现在次表层130 m左右,虽然模拟值比基于NCEP资料估计的最大流速80 cm/s小,但与其位置十分相近.两个试验均较好地模拟出了温盐的分布结构,包括北太平洋和南太平洋中层水的形成以及南极底层水的输送等.通过详细分析两个试验结果发现,总的说来在目前模式所采用的参数条件下,GM的结果稍好于HOR的结果.这些模拟结果表明,在LICOM基础上构建的太平洋环流模式从总体上是能再现许多观测特征的,可为今后进一步研究被动示踪物在北太平洋的分布等问题提供一个十分有用的工具.     

云凝结物平流输送对降水云系发展影响的数值模拟研究

大气动力学中"平流输送"是非常重要的宏观动力学过程,云凝结物的平流输送与降水云系的发展演变密切相关,它把宏观动力过程与各种云凝结物粒子的时空演变联系起来,云凝结物的平流输送可以增加或减少局地大气中云凝结物的含量,改变云凝结物的空间分布状况,影响云凝结物的微观物理过程,进而促进或抑制降水云系的发展演变.本文在数值模拟研究中.通过改变云凝结物平流输送的状况来研究宏观动力过程对云微观物理过程的影响,因而利用ARPS模式开展3个分别排除云凝结物水平平流输送、垂直平流输送和三维平流输送的敏感试验,进行关于云凝结物平流输送对降水云系发展演变影响的敏感性数值模拟研究.结果表明,云凝结物的平流输送对水汽比湿的影响很小.云凝结物的三维平流输送有利于增加降水云系中雪和霰的混合比含量,抑制云水、雨水和云冰混合比含量的增长.云凝结物的水平平流输送可以降低降水云系中云水和雨水的混合比含量,增加云冰和雪的混合比含量;云凝结物垂直平流输送的作用是增加降水云系中雨水、雪和霰的混合比含量,减少云与冰混合比含量.云凝结物三维平流输送效应的分析表明,云凝结物的三维平流输送主要通过调整云凝结物的微物理过程源汇项以及降水粒子(雨水、雪和霰)的下落末速项来改变降水云系中云凝结物的垂直结构;另外,雪的三维平流输送对雪本身的分布也有一定影响.     

GRAPES区域模式水汽平流方案的比较与改进

与欧拉显式时间差分方法相比,GRAPES区域模式采用半隐半拉格朗日时间差分方案可增加时间步长且不影响稳定性,而且模式积分可有较高的计算效率和准确性。半拉格朗日法需要用到内插算法来预测下一时刻的值,对于水汽场的内插值来说,常常会造成预报值的过饱和或者是负值,需要进行特殊处理。比较GRAPES模式的准单调半拉格朗日方案(QMSL)和高精度正定保形方案(PRM),分析模式的降水预报、形势预报,同时初步总结了两方案的优缺点。在参考LCSL(Linear Constraint Semi-Lagarangain)方案的基础上,改进QMSL方案,通过连续试验运行,表明新方案基本稳定可靠,对于降水预报、形势预报有一定的改进,在台风预报试验中也有良好的表现。     

水汽平流计算精度对暴雨模拟的影响与实例分析

利用改进了水汽平流精度的中尺度模式ＭＭ４模拟了一次江淮暴雨。通过对不同平流格式所模拟的水汽场的对比,并辅以动力热力机制分析,阐述了不同水汽平流格式造成不同的中－α、中－β尺度降水的原因。结果表明,将高精度、正定的水汽平流格式引入ＭＭ４模式有助于提高模式的模拟能力。     

一个海洋环流模式模拟的北印度洋经向环流及其热输送

对比两个同化资料GODAS（Global Ocean Data Assimilation System）和SODA（Simple Ocean Data Assimilation）,考察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发展的气候系统海洋模式LICOM（LASG/IAP Climate system Ocean Model）模拟的北印度洋经向环流及热输送的气候态。LICOM能抓住北印度洋大尺度环流的季节变化特征,模拟的年平均越赤道热输送为-0.24 PW （1 PW=1015W）,较之以往的数值模式结果更接近观测和同化资料。与同化资料的差异主要体现在季节变化强度,北半球夏季在赤道以南偏弱0.5 PW,这与模式夏季的纬向风应力偏弱,热输送中的大项Ekman热输送模拟偏弱,从而模拟的经圈翻转环流较浅有关。     

水平非均匀对流边界层热量平衡和平流输送作用的大涡模拟

采用大涡模拟所获的数据结果，分析地面热通量沿平均风方向存在 突变的条件下对流边界层的热量平衡和平流输送作用。分析表明边界层内模拟所得结果 可以很好地满足热量平衡关系。除地面热通量项以外，平流项（包括水平平流和垂直平 流）对边界层加热率的作用可达地面热通量不均匀性差值的大小，是影响边界层内热量 平衡的最重要因子，平均速度散度项对热量平衡的作用也不可忽略，但湍流通量散度项 的作用则很小。     

我国东部持续性暴雨水汽输送特征的比较分析

基于武汉市加密站的降水量资料和ERA5再分析资料,对2020年7月5—6日发生在武汉江夏的一次特大暴雨过程的水汽通量、水汽收支进行分析,并引入拉格朗日混合单粒子轨道模型(HYSPLIT4)定量分析暴雨过程中的水汽来源以及水汽源区对降水的贡献。结果表明：(1)天气系统的有效配置和异常稳定是本次江夏特大暴雨产生和维持的主要原因。(2)特大暴雨所需水汽主要由南边界和西边界输入暴雨区,低纬度印度夏季风环流和副高外沿的偏南气流对水汽的输送和聚集是此次特大暴雨得以发生发展的必要条件,两支环流中偏南气流带来的水汽净流入是暴雨区水汽净收支的主要贡献者。(3)定量估算结果表明,水汽源地可追踪至印度洋、孟加拉湾-南海和西太平洋,对此次特大暴雨事件的水汽贡献率分别是24%、41%和34%。(4)对流层低层的水汽通道和源地发现925 hPa以南方路径为主,其水汽来源大值区为西太平洋和南海,而850 hPa则以西南路径为主,其水汽来源大值区位于印度洋和孟加拉湾。

     

1979～2020年北极和青藏高原臭氧低值区的动力输送特征比较

基于ERA5月平均再分析资料,利用Lorenz环流分解方法从定常和瞬变以及基流和涡旋的角度对比了北极与青藏高原臭氧低值区的动力输送特征。结果表明：动力总输送在两地上平流层作用最强,均使其臭氧浓度降低,且定常输送均强于瞬变输送,纬向与经向输送的作用均大致相反。然而,动力输送在北极地区的作用强度远大于青藏高原地区。北极地区纬向输送使得平流层中上层臭氧浓度降低,平流层下层臭氧浓度升高,经向输送的作用与之相反且强度明显偏弱,二者均主要作用于上平流层。青藏高原地区纬向和经向输送除在上平流层均使得臭氧浓度降低外,二者作用大致相反且强度相当,输送大值区在垂直方向上存在双中心结构,分别位于上平流层与上对流层—下平流层（Upper Troposphere–Lower Stratosphere,简称UTLS）区。两地区纬向和经向输送的差异均主要由定常涡旋输送所造成。青藏高原地区定常与瞬变输送的强度差异没有北极地区大。此外,两地定常和瞬变输送中涡旋对臭氧纬向平均的输送均起到主要作用,体现出涡旋输送在两地臭氧浓度变化的动力输送过程中发挥着至关重要的作用。     

大涡模式垂直分辨率在夹卷及示踪物垂直传输模拟结果分析中的作用

基于敦煌野外观测资料和大涡模式,研究了垂直方向不同尺度湍涡对夹卷及示踪物垂直传输的影响,明确了模式垂直分辨率在模拟结果分析中的作用。结果表明:垂直方向上小尺度湍涡对夹卷作用贡献更大,小尺度湍涡较多时夹卷层相对更暖,而夹卷层厚度、夹卷强度和风速变化受垂直方向湍涡尺度影响较小。当垂直分辨率为50 m时,越往夹卷层上部,上升气流和下沉气流分布较多且强度较大;分辨率为10、20和30 m时,夹卷层各高度垂直速度、位温和示踪物浓度分布较接近。另外,垂直方向湍涡尺度对示踪物垂直传输高度影响不大,而对示踪物的空间分布有一定作用。当大尺度湍涡较多且强度较强时,越有利于将高浓度的示踪物向上传输。综合考虑到模式采用较高分辨率模拟时产生的噪音及计算时间等问题,认为模式采用30 m的垂直分辨率,既能较好地模拟出夹卷层平均结构特征,又能模拟出夹卷层湍流的精细分布,是较为理想的选择。     

大气环流模式降水的模拟对水汽方程差分方案的敏感性试验

分别采用3种应用比较广泛的水汽方程差分方案:多维正定平流传输方案(MPDATA)、通量修正传输方案(FCT)和两步保形平流方案(TSPAS),对大气物理所9层大气环流模式(IAP 9L AGCM)的降水模拟作敏感性试验,分析比较3种方案下模式降水气候平均场的差异,从而揭示模式降水对水汽方程差分方案的敏感性.试验结果显示,不同的水汽方程差分方案对大气环流模式降水的气候模拟有较大影响,并由此从3种差分方案中为IAP 9L AGCM寻找出一种较好的水汽计算方案.     

全球海洋模式对CFC-11分布的初步模拟研究

使用中国科学院大气物理研究所(IAP)三十层全球海洋模式(L30T63)研究了CFC-11在全球海洋中的吸收和分布,初步讨论了决定其分布特征的可能因素.该模式采用自由表面结构和Gent-McWilliams中尺度示踪物参数化方案.通过对控制试验得到的CFC-11模拟结果分析可知,CFC-11海表浓度受温度影响显著,其分布形状大致与温度相似,但梯度相反.通量的分布受温度影响很大,且表现出很明显的季节变化特征,如不饱和区一般出现在冬季海区的中层水形成处或者强对流混合存在的区域.另外,对CFC-11的模拟结果与三个大洋的五个断面航测资料做了对比,发现模拟结果与观测资料吻合较好,能比较清楚地反映CFC-11输送与等密度面垂直分布以及环流场的密切关系,如在南大洋50°S以北至35°S以南等密度面的向下加深区是CFC-11的主要贮存区等.与大多数前人的工作相比,该模拟结果较好地反映了CFC-11在南大洋的分布特征.从这些反映出该模式对于大洋十年尺度物质交换与海洋内部输送的模拟是比较准确的.     

Error evolution in the dynamics of an ocean general circulation model

The problem of error propagation is considered for spatially uncorrelated errors of the barotropic stream function in an oceanic general circulation model (OGCM). Such errors typically occur when altimetric data from satellites are assimilated into ocean models. It is shown that the error decays at first due to the dissipation of the smallest scales in the error field. The error then grows exponentially before it saturates at the value corresponding to the difference between independent realizations. A simple analytic formula for the error behavior is derived; it matches the numerical results documented for the present primitive-equation ocean model, and other models in the literature.     

A Lagrangian Study of the Three-Dimensional Transport of Boundary-Layer Tracers in an Idealised Baroclinic-Wave Life-Cycle

The role of baroclinic-wave driven chemical transport is examined using the framework of a Lagrangiantrajectory model.The Lagrangian motion of transported trace gases are closely monitored through labelledboundary-layer tracers binned accordingto their latitudinal locations.From a set of 14-day Lagrangian paths, the mechanistically liftedsubtropical boundary-layer tracers track along tilted poleward paths, whilethe subsiding high-latitude tracers track along tilted equator-ward paths.The most significantmovements of tracers occur between days 6 and8. The vertical and latitudinal displacements during this time interval are3 km and 15° latitude. During a baroclinic-wave life-cycle,boundary-layertracers can either ascend vertically from 1 km to 7 km or descend to thesurface, while they arelatitudinally transported from 37° to 73° and from 45° to near 15° during the poleward and equator-ward motions,respectively.Vertical mixing of tracers occurs vigorously at mid-latitudes, where more than50%, by day 7, and a maximum of 70%, between days 9 and 10, of the boundary layer tracers have beentransported intothe free troposphere during the baroclinic-wave life-cycle.A clear 3D picture emerges from a Lagrangian analysis.Each time the tracer travels equator-ward, it descends, whilewhen it travels poleward, it ascends.Almost all of the low latitude tracers show tilted upward and poleward paths,while high latitude tracersshows downward tilted and equator-ward path.The maximum vertical displacement between poleward andequator-ward tracers are shown in mid-latitudes.Two types of the tilted upward and poleward paths are generally seen in thelatitude-height projections:anti-clockwise and clockwise paths.Both types of path transport tracers upward, however, the anti-clockwise pathsdeliver tracersequator-ward, while the clockwise paths deliver tracers poleward.Hence, whenlow latitude warm air arrives at mid-latitude, it can pick up enhanced tracerconcentrationand carry them on either poleward or equator-ward.     

海洋环流模式模拟自然 和核辐射14C的分布

放射性14C在海洋环流研究和人为CO2问题的研究中都有重要地位。本文用海洋环流模式模拟了海洋中自然14C的分布及海洋对核辐射产生的放射性14C的吸收, 以期对海洋吸收人为CO2的能力做一初步的研究。模拟的海洋环流结果与观测相比符合得较好,成功地模拟出了北大西洋深水（NADW）、南极底水 (AABW）等基本特征。对自然14C的模拟揭示出了海洋通风的基本特征。模拟出的沿GEOSECS 路径的南、北垂直截面与观测结果符合得较好。对核辐射14C的模拟表明:模式模拟的沿GEOSECS 路径的南、北垂直截面与观测结果符合得较好;模拟出的海洋表面核辐射浓度与观测值一致,但核辐射14C在海洋中的柱存量和平均穿透深度都比观测结果要小。文中分析了造成这种差异的可能原因。     

IAP/LASG海洋环流模式对风应力的响应

为了检验第三代IAP/LASG全球海洋环流模式在模拟20世纪80年代热带太平洋年际变化方面特别是ElNino和LaNina事件的能力,作者使用了三种风应力资料强迫该模式.然后,将模拟的海温同NCEP海洋同化资料相比较.分析表明,在赤道附近,模式对风应力的响应在SST分布、温跃层的描绘以及突出E1Nino和LaNina事件方面同NCEP海洋同化资料有许多共同点.然而,在描绘l0°N以北和l0°S以南的SST异常以及描写季节循环方面,响应是不够精确的.另外,模拟的温度异常滞后于NCEP海洋同化数据两个月左右.     

2013年初春一次平流雾过程对江苏交通的影响分析

2013年3月18—19日江苏省一次平流雾天气具有突发性强、影响范围广、强度大、持续时间长等特点。利用江苏省高速公路自动气象监测站(AWM)数据、FNL数据和常规气象资料,对其成因进行分析,并评价其对交通及预报服务质量的影响。结果表明:高中低层的暖平流和入海变性冷高压为平流雾发生发展提供了有利的环流形势;持续变化较小的气压梯度、相对湿度的陡增、地面弱冷空气产生的温差和在偏东风风速达6 m·s-1时,平流雾即可快速生成;较低的混合层高度和逆温存在是低能见度形成的必要条件,能见度越低时混合层高度也就越低;近地层的冷平流和中高层的暖平流形成平流逆温,同时配合近地面的弱上升运动,有利于雾的形成和维持。根据江苏省交通气象台关于雾的预报服务发布流程规范和预报质量评价,本次雾过程中对高速公路、高架桥和长江航道的预报服务准确、及时,服务质量良好,有效地避免了交通事故的发生。     

Impacts of Cumulus Convective Parameterization Schemes on Summer Monsoon Precipitation Simulation over China

By using the Betts-Miller-Janjic, Grell-Devenyi, and Kain-Fritsch cumulus convective parameterization schemes in theWeather Research and Forecasting (WRF) model, long time simulations from 2000 to 2009 are conducted to investigate the impacts of different cumulus convective parameterization schemes on summer monsoon precipitation simulation over China. The results show that all the schemes have the capability to reasonably reproduce the spatial and temporal distributions of summer monsoon precipitation and the corresponding background circulation. The observed north-south shift of monsoon rain belt is also well simulated by the three schemes. Detailed comparison indicates that the Grell-Devenyi scheme gives a better performance than the others. Deficiency in simulated water vapor transport is one possible reason for the precipitation simulation bias.