大洋环流和海—气交换

海洋通过海-气交换过程对气候产生重要的影响.然而,我们现有对这些过程认识的局限性是不能够精确模拟气候变化的重要因素.本文评述海洋结构和环流的现有知识,特别重点放在南半球海洋,而且讨论了主要的海-气交换,还讨论了全球变暖情况下的南北半球非对称性的影响.在九十年代,通过实施计划中的一些国际海洋研究试验,将改进对海洋的认识,进而得到更完善的气候模式.     

理论大洋温盐环流模式研究综述

围绕着温盐环流的稳定性和变率，文章概括总结了理论大洋温盐环流模式的发展及其主要结果，扼要地给出了从理想的箱工到相对复杂的二维平均模式的一些有代表性的模拟结果。     

一个大洋环流模式中赤道西太平洋暖池海面温度对西风爆发的响应

用逐日的欧洲中期数值预报中心再分析(ERA)风应力,和由Haney公式结合ERA海表资料与预报海温计算出的热通量强迫一个全球大洋环流模式.并用逐日的模拟结果与TOGA-COARE(Tropical Ocean--Global Atmosphere--Coupled Ocean-AtmosphereResponse Experiment)浮标观测资料对比,分析模拟结果中暖池海区上层海洋热量平衡对西风爆发(WWB)的响应.在第一次WWB过程中,模拟与观测的主要差异在WWB期间,而造成差异的原因主要是模式中由下沉运动引起的增温和由强的纬向温度梯度引起的暖平流.初步认为下沉增温可能是差分格式本身和模式分辨率不足造成的.从热量平衡的结果看,第二次WWB事件的模拟比第一次更成功,两次差异可能与两次WWB事件的季节背景不同有关.     

夏季我国干旱、半干旱区陆面过程能量平衡及其局地大气环流

利用NCEP资料分析得出,夏季我国干旱,半干旱区在整个欧亚大陆上是陆面感热通量最强的地方,与此对应的陆面潜热通量则最弱.陆面所接收的太阳短波辐射主要以感热和长波辐射的能量形式释放.该区降水量很少,降水量的年际变率也很弱;因此,该区的陆面热量通量都显出很弱的年际变率;然而,这些通量的年代际变率信号则比较显著.我国干旱、半干旱区大气环流的热力过程与其陆面过程特征密切相关.该区对流层大气的辐射冷却很强,达-3 K d-1.由于缺乏水汽和上升运动,大尺度凝结加热率、深对流加热率、浅对流加热率都非常弱.因此,600hPa以上的大气以绝热下沉加热来平衡辐射冷却;600hPa以下,陆面感热引起的垂直扩散加热率非常强,多达8 K d-1,它除了平衡辐射冷却以外还制造对流层低层的对流运动,以绝热上升冷却来平衡多余的垂直扩散加热.总之,我国干旱、半干旱区的陆面过程特征决定了该区大气运动的特殊垂直结构,即对流层低层对流上升运动及其上层的下沉运动.我国干旱、半干旱区陆面能量平衡及其局地大气环流的年代际变率,是全球气候系统年代际变率的必然结果.     

大气经圈环流对波动和能量传输的影响

本文用斜压准地转模式讨论了经圈环流作为基流的一部分对不同风系中波动和能量传输的影响。特别指出在东风带中因经圈环流的存在,就可能形成定常和非定常的经向行星波,使夏季低纬度东风气流中的波动及其能量向中、高纬度传播。 文中还分析和计算了定常经向波和瞬变波的群速度和一些动力学性质。     

地形对大尺度环流的影响

本文用一个能量和角动量守恒的全球正压谱模式定性地分析了地形对大尺度环流的影响。分别做了四大类型的试验，得出一些有益的结论。结果表明：地形能使越过它的气流在其驻地及其下游产生低值系统；地形引起的扰动有同时向极地和向下游传播的现象，而且也向赤道传播；当赤道有西风通道时，北半球的扰动会向南半球传播；中高纬的急流有阻挡扰动向高纬发展的作用，在急流轴以北扰动发生转向。同时表明：地形引起的扰动不仅与地形的形状、初始场有关，而且与地形所在的位置也有关，处在中高纬地形的作用远大于处在低纬的；中高纬的地形，尤其是青藏高原对低纬大气环流有明显的影响。     

两次夏季江淮气旋的动能平衡过程及其与大尺度环流的关系

本文用准拉格朗日方法计算了两例夏季江淮气旋各个阶段的动能收支及旋转风、辐散风对动能制造项的贡献,并讨论了它们与大尺度环流的关系。主要结论有：（1）气旋区域动能平衡的特点随大尺度环流改变;（2）动能的水平输送取决于气旋和高空急流中心的相对位置;（3）稳定少动的高空急流入（出）口区有较强的旋转风动能制造（消耗）,与水平输送项反号,移动快的急流附近,此项数值较小;（4）发展的气旋波,高层和低层有较强的辐散风动能制造;（5）夏季江淮气旋波转化为温带气旋时,高层表现为动能输入,高空急流转为气旋式弯曲。     

旱作春小麦农田蒸散与能量平衡

利用蒸渗计等仪器设备的观测资料，分析了旱作春小麦农田的蒸散耗水状况。得在降水基本正常的年份，农田水分收支基本平衡，农田休闲期蒸发耗水约占期间降水的７０％。旱作小麦的实际蒸散耗水峰值期与小麦生理需水峰值期并不一定吻合。与有灌溉条件的春小麦相比，平均日蒸散量偏小。各生育期的平均叶面积系数与平均日蒸散强度存在较好的线性关系。小麦主要生育期的地表能量平衡分析表明：潜热耗能占主导地位，乳熟－黄熟生育时段以感热、潜热耗能为主的出现几率各为５０％。由于旱作春小麦株冠不能完全覆盖棵间裸地，地表向下的热量传输耗能也占有一定的比重。     

利用LAS资料估算能量平衡各分量

一般气象台站都没有能量平衡射观测.而能量平衡各分量是判别下垫面状况的重要因子,本文利用乐至县LAS(Large Aperture Scintillometer)观测资料计算了显热通量,并通过能量平衡方程求得能量平衡各分量,揭示了能量平衡各分量的日变化和年变化规律,以及与下垫面干湿状况的关系.     

海洋环流模式的发展和应用Ⅰ.全球海洋环流模式

概述近10年来中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体动力学数值模拟国家重点实验室全球海洋环流模式的发展及其在全球海气耦合模式的发展和气候模拟方面的应用.重点是:一个30层、0.5°×0.5°的准全球海洋环流模式LICOM的建立及其模拟的热带太平洋海洋环流和印度尼西亚贯穿流;以20层海洋模式为海洋分量建立的全球海洋-大气-陆面系统耦合模式GOALS在气候变化模拟方面的应用,和以海洋模式L30T63为海洋分量建立的灵活的耦合环流模式FGCM-0在热带太平洋-印度洋海气相互作用及古海洋-古气候模拟方面的应用     

一个热带太平洋上层海洋环流模式及其检验研究

为进行ＥＮＳＯ的模拟与预测,在中国科学院大气物理研究所原有的较低分辨率全球海洋环流模式的基础上,引入依赖于Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ数的垂直扩散方案和太阳短波辐射穿透的物理过程,发展了一个较高分辨率的热带太平洋上层海洋环流模式。利用该模式和１９８０～１９９５年大气强迫场的观测,进行了热带太平洋海温及环流的结构和演变的数值模拟研究,并利用美国国家环境预报中心（ＮＣＥＰ）的同时段的海洋同化分析,就海洋及其时间变化的三维特征,检验了模拟结果。首先,检验了该模式对ＥＮＳＯ事件的三维结构特征及其演变的模拟能力,结果表明：这１６年间所有冷暖事件的发生、发展和消亡均得到基本正确的模拟;海温异常的强度和结构特征与实况有偏差,尤其是次表层,距平量在赤道西太平洋和沿斜温层显著弱于实况;表层海温（ＳＳＴ）距平与实况较为接近,只是在日期变更线附近偏大。然后,强调海气耦合模式要成功预测ＥＮＳＯ,真正严峻的考验是海洋模式对次表层海洋的模拟能力,而不能仅仅满足于对ＳＳＴ的正确模拟。因此,为全面评估该海洋模式,探讨模式误差的原因,根据同化资料,找出年际变化和季节变化最显著的区域之后,检验了多年平均状态及其季节变化、年际变率及其季节变化等统计量。     

大气环流对北大西洋湾流区海温“再现”的响应

利用全球海洋—大气快速耦合模式（Fast Ocean-Atmosphere Model,FOAM）,采用模式中的初值方法,研究了湾流区海温再现过程及其对北半球大气环流和气候的影响。FOAM模式很好地模拟了北大西洋湾流区的海温＂再现＂过程,模式中海面热通量异常与SST异常表现出不同步的响应特征。海面热通量异常在初冬季节达到最大值,而SST异常滞后,在冬季晚期达到最大值,从而在初冬和晚冬对北半球大气环流造成不同的影响。初冬季节北半球大气环流主要受海洋热通量异常的强迫,在北大西洋和北太平洋上空呈现相当正压的异常低压槽响应,北极地区为异常高压脊,类似北极涛动的负位相,可能造成欧洲南部和北非大陆气温偏高,亚洲大陆气温偏低。而晚冬季节北半球大气环流主要受SST异常的驱动,在北大西洋和北太平洋上空表现为相当正压的异常高压脊响应,北极地区为异常低压槽,类似北极涛动的正位相,可能造成欧洲南部和北非大陆气温偏低,亚洲大陆气温偏高,中国东部降水异常偏多30%左右。北太平洋大气环流的异常由北大西洋湾流区海洋热通量和SST异常强迫下游大气环流所激发,进一步通过Rossby驻波的能量频散东传至北太平洋而造成的。     

1995年北半球主要环流特征及其影响

１９９５年北半球大气环流的主要特征是：５００ｈＰａ西太平洋副热带高压异常偏强，初夏脊线位置偏南，盛夏偏北；亚洲西风带，春季经向环流发展，初夏东亚阻塞形势稳定，盛夏纬向环流盛行；５００ｈＰａ青藏高原位势高度夏半年偏高，冬半年偏低；北半球１００ｈＰａ位势高度低纬度持续偏高，中高纬度持续偏低，南亚高压偏强；１９９４年开始的厄尔尼诺事件于１９９５年３月结束。     

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。     

1999年北半球大气环流特征及其影响

１９９９年北半球主要环流特征为：５００ｈｐａ西太平洋副热带高压较常所明显偏弱,春、夏季副高位置异常偏东;东亚地区夏季５００ｈｐａ位势高度距平场上表现为北高南低,大陆高压较强。亚洲中纬度经、纬向环流交替出现,阶段性明显;冬季冷空气异常偏弱,东亚夏季风加强。冬、春季热带对流活动强盛,入夏以后迅速减弱。在Ｌa－ｎｉｎａ和大气 环流的共同影响下我国天气气候发生了明显异常。     

大气季节内振荡的耦合模式数值模拟

分析GOALS/LASG海气耦合模式10年积分200hPa纬向风场的逐日输出结果,引用1980～1989年期间逐日的NCEP/NCAR再分析资料作为实测对照,结果显示该耦合模式抓住了热带大气低频振荡(IO)的基本时空分布特征,模拟IO的强度较多数大气模式强而接近真实,但空间一致性仍不清晰,典型周期不够显著。NCEP资料与耦合模式都反映模拟IO的季节变化与其年际变化有关,模拟较强IO的年份表现IO的季节变化特征也较真实。模拟IO的年际变化与热带东太平洋的SST呈明显的负相关变化。SST暖异常的年份,IO活动较弱。IO变化滞后于SST异常60天左右的相关性最显著。对比单独积分GOALS/LASG的大气模式的结果,发现二者的主要差别在于耦合模式再现IO的季节性特征更真实,反映了海气耦合对IO变化的调制作用。利用海气耦合模式,理解IO对流活动与上层海洋的相互作用过程,是真实描述IO必要的手段。     

冬季环流与赤峰地区夏季旱涝

夏季旱涝与冬季环流关系密切。亚洲地区冬季纬向环流异常偏强，经向环流偏弱，同时1月的极涡所在纬度（简称极涡纬度）偏南时，极易造成赤峰地区夏季洪涝；相反，纬向环流偏弱，经向环流偏强，同时1月份的极涡纬度异常偏北时，极易造成赤峰地区夏季干旱。据此，把冬季环流进行分型，预测赤峰地区夏季旱涝。     

2005年北半球大气环流特征及其对中国气候异常的影响

2005年北半球主要环流特征为，500hPa西太平洋副热带高压较常年明显偏强，位置总体偏西偏北，春季副高位置异常偏西；东亚地区夏季500hPa位势高度距平场上大部地区为正距平分布，贝加尔湖南部为正距平中心。亚洲中纬度经、纬向环流交替出现，冬季经向环流异常发展，造成我国东部地区气温异常偏低；夏李纬向环流发展，同时东亚夏季风偏强，汛期主要雨带位置位于淮河流域。冬、春李热带对流活动减弱，入夏以后迅速加强，台风活动活跃。热带海洋为暖水位相。在海洋和大气环流的共同影响下我国天气气候发生了明显异常。