零维气候模式中物理参数对气候状态的影响

建立一个包含年平均下垫面温度、边界层气温的非线性的零维气候模式, 用于研究物理参数 (地球放射率、大气有效放射率、地表反照率、大气透射率等) 对气候系统状态的影响。结果表明, 气候系统的平衡态及其稳定性与反照率的反馈作用和有效放射率有关; 在现代气候条件下, 适当的非线性负反馈与二氧化碳、水汽、云共同作用时, 有利于系统状态趋于稳定。此外, 通过与该模式相应的现代气候平衡态的偏差方程, 考察了在参数α₂w, I₀的作用下, 系统状态的分布情况。     

离散气候系统中的周期与混沌

从零维气候模式导出了一个非线性映象公式，对由该公式表征的气候系统的平衡态和稳定域进行了研究。通过迭代计算揭露海洋热贮存C对气候系统的调控作用。计算结果表明，存在一个控制气候系统行为的很窄的C值敏感区；当C值大于敏感区上界时，气候系统趋向平衡态，即现代气候；当C值小于敏感区下界时，系统失稳。在敏感区内则呈现出周期与混沌行为，且随着C的增加，勾画出通过周期倍分岔通向混沌的道路。     

气候的多平衡态及其转换

本文利用一个简单的气候模式,求得三个平衡态的全球半均温度值分别为:T_1=248.5K,T_2=271.9K和T_3=288.1K,其中对应于温暖时期和寒冷时期的T_3和T_1是稳定的.若要使现代温暖气候转变为寒冷气候,太阳常数约需比现代值减少3％:若从寒冷气候转变成温暖气候,太阳常数需增加约6.3％.这表明寒冷气候的状态要比温暖气候的状态相对稳定些.然后讨论了随机扰动对气候半衡态之间转换的作用.结果表明:仅通过天气随机扰动的涨落效应不可能使气候系统实现冰期-间冰期之间10~5年周期尺度的转换.     

光学成像灰度级玻耳兹曼熵谱分析与图像分割

讨论玻耳兹曼关系式的状态数、熵及其常数与光学成像灰度级划分的谱关系．将热力学原理应用于光学成像过程的微观分析,提出实际图像、理想图像及其玻耳兹曼熵谱概念．认为实际图像灰度级处于平衡态,理想图像则是非平衡态的灰度级分布所构成．从平衡态到非平衡态转化是１个非自发过程,需要外部施加作用,利用平衡态和非平衡态之间的熵差分布实现图像分割．实验与分析表明图像分割的实质是在外力作用下实现从实际图像对理想图像的逼近．     

气候预测中的集合方法初探

介绍了气候预测中的集合方法。该文作者曾在1996年论证了在西太平洋暖池区海温异常与东亚夏季风的共同作用下存在一个可预测的气候异常区,部分地改变了气候不可预测的论断。如何从与大量不可预测结果混杂在一起的结果中提炼出可预测部分是集合方法的重要目的之一。文中也讨论了由于大气运动固有的动力学特性,其集合预测与经典的数学考虑有所区别,天气与气候预测有不同的特点,其集合方法、目的也应有所不同,由此对集合方法提出了一些新的建议。文中同时介绍了首次在气候预测中发现的多平衡态现象,建议了如何判定多平衡的出现,以及如何利用多平衡态来改善对不同区域的预测。     

太阳常数的微小变化在气候变化中的作用

将复杂的气候系统抽象为含有云辐射动态反馈过程的高度非线性气候模型,利用分岔理论,分析了该模型的平衡态及其稳定性。计算结果表明,云反照率反馈、地表反照率反馈和水汽反馈是气候系统呈现多平衡态结构的主要因素,是气候变化复杂性根源,而云放射率反馈对系统结构的影响,只有在强烈的水汽放射率反馈条件下才表现明显。较强的地表反照率反馈和水汽放射率反馈,均可在太阳常数仅有微小变化时就能导致全球气候突变。     

海气相互作用的零维模式

利用文献[4],本文求出了考虑海气耦合时零维模式的平衡态,讨论了它们的稳定性和现代气候的敏感性问题。 结果表明:气候系统存在三个平衡态,两个稳定态分别表示冰期和间冰期气候;当考虑海气作用时,现代气候条件下的敏感性比不考虑海气作用时小,外参数变化为1%,温度平均变化为1°K左右。 在此基础上,就随机模式的反馈系数提出了不同的看法,对随机分析作了简略探讨,并用实际资料进行了检验。      

一种月、季气候资料的处理使用方法

气候作为自然资源和自然环境的组成部分，是人类生存、经济发展和社会进步的基础条件之一。气候资料作为气候的一个分支和基础，对它的分析处理十分重要。气候表征的是一种多年的均值状态，对于这种资料的分析处理有多种方法，从资料的获取、分析处理都存在一定的技巧，最终实现业务应用。文章论述一种计算机软件的编程应用及资料处理输出的过程，其结果可减轻广大天气气候预测人员的劳动强度、提高短期气候预测准确率，且有一定的业务应用意义。     

一个考虑二氧化碳的非线性气侯模式

建立一个包含年平均二氧化碳含量「ＣＯ２」、下垫面温度、边界层气温以及云量的零气候模式,用于研究ＣＯ２对气候的影响,结果表明,该模式能模拟出现代气候态以及「ＣＯ２」变化的趋势。进而用与该模式相应的现代气候平衡态的偏差方程,考察了在ＣＯ２的作用下,气候系统由定常态到周期态再到混沌态的演变过程。     

多参数非线性零维气候系统的研究

在Ｂｕｄｙｋｏ零维模式的基础上,提出了多参数非线性零维气候模式,并讨论地球放射率、反照率、大气透射对气候生态行为的影响。结果表明：各参数之间的约束关系决定了系统平衡态的大小及其稳定性。太阳辐射Ｉ０和光学厚度的增大、云放射率的增大或云量的增大均是导致气候异常的重要因素。得星反射率α０、大气放射率及ＣＯ２放射率的增大则可有利于气候的稳定。所以,对气候态的稳定性而言ＣＯ２的增加可能是一有利因素。反照率线     

斜压罗斯贝波非线性问题的研究

本文利用两层斜压准地转模式，讨论了波－流相互作用问题，得到以下结论：（１）当大气中基本流切变较大时，波流间能量交换明显。切变较小时，波幅变化较小；（２）在较小的基本流切变下，波动可出现稳定的平衡态，此平衡态多为相当正压状态；（３）斜压波在发展过程中，温度场和流场之间具有制约关系     

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。     

一个考虑二氧化碳的非线性气侯模式

建立一个包含年平均二氧化碳含量［ＣＯ_２］、下垫面温度、边界层气温以及云量的零维气候模式,用于研究ＣＯ_２对气候的影响。结果表明,该模式能模拟出现代气候态以及［ＣＯ_２］变化的趋势。进而用与该模式相应的现代气候平衡态的偏差方程,考察了在ＣＯ_２的作用下,气候系统由定常态到周期态再到混沌态的演变过程。     

Application of Linear Thermodynamics to the Atmospheric System.Part Ⅱ: Exemplification of Linear Phenomenological Relations in the Atmospheric System

将边界层相似性理论同线性热力学理论结合，间接地以观测实验事实证明大气边界层内线性唯象关系是成立的，而且线性湍流输送系数同相应的线性唯象系数成正比关系。但实验事实表明，大涡对流的混合层线性唯象系数成正比关系。但实验事实表明，大涡对流的混合层线性唯象关系是不成立的，混合层内湍流输送过程是一种强的非线性过程。所以，对流边界层是一种远离平衡态非线性区的热力学状态。地转风和热成风是一种大气系统特有的动力过程和热力过程和交叉耦合现象，这是大气系统交叉耦合现象的一个实际例证。     

论热动平衡判据有关的几个问题

对平衡态和线性准平衡态的稳定性及与力学中相关概念的相似问题作了论述，并就蒸气中液滴的不稳定性进行了讨论。     

气候敏感度、气候反馈过程与2℃升温阈值的不确定性问题

气候敏感度是度量温室气体浓度升高和全球升温幅度关系的重要指标,当前气候模拟和气候预估中的很多不确定性问题,都直接和气候敏感度有关。气候敏感度的大小也决定着预估的气候变暖幅度的大小,直接影响到温室气体减排政策的制订。在简要回顾气候敏感度概念的提出和研究历史基础上,着眼于气候反馈分析,介绍了气候敏感度与辐射强迫和反馈过程的关系,总结了气候系统主要的反馈过程;根据大气层顶的能量平衡关系,利用CMIP5多模式结果介绍了平衡态气候敏感度和瞬态气候响应(包括累积碳排放的瞬态气候响应)的估算原理和方法,总结了气候敏感度不确定性的来源,并以"2℃阈值"问题为例,介绍了气候敏感度对预估结果不确定性的影响。随着观测资料的积累和气候模式的发展,继续减少气候敏感度的不确定性、估算包含碳循环的敏感度、利用地球系统模式规划最优碳排放路径是未来本领域主要的研究方向。     

中国地球气候系统模式的发展及其模拟和预估

地球气候系统模式是开展多学科、多圈层集成研究的重要平台,其发展是国际地学领域特别是全球变化领域竞争的前沿。中国的地球气候系统模式研发工作始于20世纪80年代,最近10年得到快速发展。研发格局上已经形成中国科学院、有关部委和高校三足鼎立的局面。文中在简要回顾中国地球气候系统模式早期发展历史的基础上,总结了中国参加第6次耦合模式比较计划的9个地球气候系统模式的技术特点,初步评估了中国4个模式对全球和东亚气候模拟的基本性能,分析了其在4种共享社会经济路径情景下对全球降水与温度的预估变化及其与平衡态气候敏感度的联系。最后,结合国际态势,从发展的角度提出未来中国气候模式研发工作需要加强的8个方向。      

近共振热力强迫作用下多重平衡态的激发、建立和转换（二）——多重平衡态机制的理论分析

本文通过文[1]中求得的热力强迫多重平衡态渐近解,研究了热力强迫激发的近共振强迫不稳定产生多重平衡态的理论机制.分析得到:非线性和外强迫是产生多平衡态的决定因素;在适当的“环境条件”下,热力强迫可激发稳定的多重平衡态,特别是可以存在三个稳定的平衡态.其中两个具有共振特性的大振幅解,对热强迫变化不敏感;而另一小振幅解,对热强迫依赖性很大.一般地,热强迫增大,多平衡态存在的范围扩大,但稳定性减弱。定常热强迫波总不稳定.热力强迫与地形强迫具有同样的动力触发作用.摩擦对多平衡态解的性态有很大影响. 分析还得到:改     

第四讲 气候状态变化的持续性和周期性分析

第四讲气候状态变化的持续性和周期性分析黄嘉佑（北京大学地球物理系，１００８７）研究前期气象要素对后期的关系能反映前期外力因素及气象要素自身对后期气象要素的影响，这种影响称为要素持续性。气候状态的形成是多种具有不同尺度变化的大型气候因子影响的共同结果。...     

海-气振荡子的动力行为与不稳态演化的研究

从数学上严格证明了非线性随机海-气振荡子模型存在一个稳定的极限环;随后转换成Fokker-Planck方程(FPE),从非平衡系统动力学角度首次研究ENSO从不稳态向稳态演化的问题。研究表明:(1)当初始处于不稳定的状态向稳态演化时,在最不稳定流型的决定下,系统只向一对对称的稳态演化,一稳态释为准正常的气候状态;另一稳态释为异常气候状态,即强ENSO状态;(2)若初始条件分布不在原点,由确定性方程可知,系统将向反对称的稳态演化,但在随机力的作用下,产生了与确定系统有本质区别的结果,即当t→∞时,绝大部分概率仍然对半地分布在对称势井内,而反对称势井内几乎不存在概率分布,计算结果与观测事实相吻合;(3)从动力学宏观理论上来看,准气候正常态与强ENSO是两个平衡态,遵循统一的动力学理论框架,它们有相同的时空尺度;ENSO是南方涛动和El Ni~no循环的统称,将它们纳入统一的框架体系来研究,说明它们的合理性;但从微观理论上看,南方涛动、El Ni~no和La Nina三者又反映出气候不同的位相,如何反映出El Ni~na和La Nina位相转换等,应建立它们本身的动力学框架。