随机——非线性气候模式初探

本文通过对地球实测辐射过程的分析,建立了能量平衡气候模式和随机气候模式,并通过求解模式,初步说明了控制气候的各主要物理过程的作用和相互关系。认为辐射过程中的非线性作用将使气候产生多平衡状态和突变,而天气系统的随机强迫则会导致气候温度发生偏离。最后,将运用本文的理论结果对冰期—间冰期转换的可能机制作出一定的解释。     

一个用于气候模式的简单冻土过程参数化方案的建立和检验

在NCAR／LSM的基础上，发展了一个简单的冻土过程参数化方案，并使用苏联6个站的水气象观测资料考察了耦合了新方案模式的气候效应。在新方案中，加入了对含冰量的求解和在相变过程中的能量变化;并使用Johanson的方案替代了模式中原有的土壤导热率的参数化方案，考虑了含冰量对土壤水热性质的影响。原模式和改进后模式的模拟结果的比较得到，冻土过程方案能够合理的模拟土壤列中的能量收支及水热性质随含冰量的变化。随着入渗的减少和径流的增加，春季的土壤湿度减小。因此，热通量的分配和土壤温度也产生了相应的变化。     

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。     

建立高分辨率的全球气候模式

<正>英国牛津大学气候物理学教授Tim Palmer于Nature杂志(2014年11月20日)著文倡议建立高分辨率的全球气候模式。目的是缩小对全球变暖预估的不确定性。因为,直到IPCC AR5的预估,模式结果上限与下限之间仍有很大差异。如果未来的变暖接近预估的上限,那对全世界都是灾难,减排就刻不容缓。但是,如果未来的变暖接近预估的下限,则减排的需要就不那么急,更多的社会资     

区域随机动力统计气候模式及其预报试验

本文从大气热力学与动力学原理出发,设计并推导了一个以高度场和海温场为主要变量的多网格点的海气耦合随机动力模式,用此模式作500hPa平均高度场的预报试验。预报以春季月份(2月)为初始场,取西太平洋副热带高压活动地区(10°N-40°N,110°E-170°W)6月500hPa高度场作为预报场。另外取赤道东太平洋地区5°S—10°S范围内海温场作为耦合场,把该模式中的微分方程组化为差分形式,以前期月平均高度场和海温场为初始场,以时间步长1天进行积分,积分系数是用依赖资料(1951—1980年)反演估计出来的,然后对独立样本(1981—1986年)作预报试验。方程中的随机项假设为白噪音,并对不同的白噪音量级作了一系列试验。结果表明,加上白噪音的效果均比未加时要好,说明次要因素的随机作用在海气相互作用中是不可忽视的。     

带线性反馈的随机——动力气候预报模式

提出了一个包括N个内部因子线性反馈的随机——动力气候系统预报模式。若反馈系数和随机强迫项的一阶、二阶矩已知,则这个气候系统的N个分量的一阶、二阶矩就完全可以求解(预告)。提出了求解的方法,并对求解的结果进行了若干讨论。     

闪电先导随机模式的建立与应用

根据地闪先导发展特征,建立了一个闪电先导的二维随机模式,并模拟研究了下行先导与避雷针或地面的连接过程。模拟得到下行先导感应电荷的数量级为10-4 C/m;下行先导出现明显的分叉,且先导接近地面时分叉逐渐增多;模拟的连接过程形态呈现多样性的特点;建筑物上的避雷针在绝大多数情况下可以有效拦截闪电下行先导,但避雷针正上方的下行先导并不是百分之百击中避雷针,远离避雷针的下行先导仍有很大概率被避雷针拦截;在下行先导与避雷针水平距离一定的条件下,建筑物越宽越矮,避雷针有效拦截闪电先导的概率就越小。     

基于Fokker-Planck方程的零维气候模式的随机分析

本文中我们把气候系统看成一个具有随机扰动的统计系综,并对零维能量平衡模式导出了相应的Fokker-Planck方程且进行了求解。所得两个稳态解与现在气候和冰期气候相对应。由气候模型的敏感性研究表明,气候系统对确定型太阳常数变化的响应,用Fokker-Planck方程所得结果与Budyko和Sellers的基本相同,但对随机型太阳常数变化的响应得到了新的结果,即太阳常数的随机涨落将导致冰期和间冰期温度下降,气候变冷,而当太阳辐射的平均量保持不变,但其涨落大于31％时,现在气候状态亦将消失。     

不同分辨率下全球气候模式的集合结果检验

利用参与IPCC AR4的25个全球气候模式的模拟结果与观测资料,通过分类集合检验气候模式对东亚大陆气温和降水的模拟能力.结果表明:(1)高、中、低分辨率以及所有模式的集合(分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类)结果均能较好地再现1901-1999年温度的增温趋势,其中Ⅱ类的线性趋势与观测值最为接近,但年际变率均小于观测值;(2)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类均能很好地模拟出气候态温度的月变化特征以及空间分布型,但模拟值偏小,其中Ⅰ类的冷偏差最小;(3)对于降水的时间演变特征,模拟效果明显偏差、不确定性显著;(4)4种集合方式均能较好模拟出气候态降水的空间分布型,但模拟值普遍偏高,其中Ⅰ类的误差最小.可见,在温度和降水的时间变化方面,高分辨率的集合结果并没有体现出相应的优势,但在空间分布上模拟效果明显要好于其他3种方式.     

BCC_CSM气候模式对中国区域气候变化模拟能力的检验

为了科学评价BCC_CSM气候模式的模拟效果,并为改进和完善此模式提供科学依据,以NCEP/NCAR 1948—2005年逐月再分析资料作为检验模式对应的实况场,利用距平标准化均方根误差、相关系数等方法对国家气候中心发展的BCC_CSM气候模式模拟中国气候变化的能力进行了检验,检验要素包括:对流层高、中、低层各季节的温度场、风场、相对湿度场和加热场等。结果表明,除春季外,其他3个季节实况场与模拟场的距平标准化均方根误差都较小;全年相关性都比较好,全国绝大部分地区均通过了α=0.05显著性水平检验;不同气象要素场的距平标准化均方根误差与相关系数呈现出季节性和区域性特征;模式模拟出了中国不同区域各个气象要素的年变化;与IPCC AR4中的13种模式相比较,BCC_CSM气候模式对中国区域地面温度场的模拟效果较好。     

气候模式

气候模式建立在物理、化学、生物学等基础上,用数学方程式表现地球气候系统各个圈层相互作用和反馈的主要过程以及与外强迫的关联,广泛应用在气候与气候变化研究中,因此气候模式是气候变暖研究的核心技术。气候变暖的预估几乎完全依赖模式的模拟。历届IPCC第一工作组的评估报告,均     

1999年中国夏季气候的预测和检验

利用改进的中国科学院大气物理研究所短期气候预测系统（IAPPSSCA）,结合IAPENSO预测系统所预测的1999年热带太平洋地区的海温异常,对1999年中国夏季气候进行了适时集合预测。预测结果表明：IAPPSSCA较好地预测出了1999年夏季北半球大尺度环流场的异常情况,并较好地预测出1999年中国南涝北旱的大范围降水形势。IAPPSSCA对长江下游的强降水中心、中国南方大部夏季多雨的特征以及中国北方大部的干旱少雨形势的预测,与实测较相符。但IAPPSSCA预测的南方大范围雨带的北界比实测的略为偏北,北方的小范围的降水正距平区域也没有能预报出来。另外,对于月平均降水距平的预测亦存在较大的不确定性。这说明我们的预测系统还有待于进一步的改进和完善。     

全球气候模式对东亚地区地表短波辐射的模拟检验

利用WCRPCMIP3提供的18个全球气候模式输出结果, 检验了其对东亚地区地表短波辐射的模拟能力, 结果表明:多模式集合的多年平均地表短波辐射模拟偏高约8.7 W/m 2, 晴空地表短波辐射模拟偏高约3.4 W/m 2, 地表短波云辐射强迫模拟偏低约5.3 W/m2, 模式间的标准差分别达到9.6, 7.8 W/m2和8 W/ m2; 多模式集合能够很好地模拟出地表短波辐射的纬向平均季节变化的位相特征, 但在量值上还有较大的差距; 模拟偏差分析表明, 多模式集合的区域年平均地表短波辐射、晴空地表短波辐射、地表短波云辐射强迫的均方根偏差分别为34.7, 17.1 W/m 2和29.1 W/ m2, 表明云在地表短波辐射的模拟偏差中起着重要作用; 多模式集合能够很好地模拟出地表入射短波辐射年变化的线性减小趋势, 但模式高估了晴空入射辐射的减小趋势, 而模拟的云辐射强迫变化趋势与ERA 40完全相反。     

MRI-CGCM模式气候预测回报试验在东亚夏季的检验和降尺度订正

应用1979—2010年MRI-CGCM模式回报、NCEP/NCAR再分析数据和中国东部降水观测资料检验了模式对东亚夏季风的模拟能力,并利用模式500 hPa高度场回报资料建立了中国东部夏季降水的奇异值分解（SVD）降尺度模型。模式较好地模拟了亚洲季风区夏季降水的气候态,但模拟的季风环流偏弱、偏南,导致降水偏弱。模拟降水的方差明显偏小,且模拟降水的外部、内部方差比值低,模拟降水受模式初值影响较大。模式对长江雨型的模拟能力最高,华南雨型次之,华北雨型最低。模式对东亚夏季风第1模态的模拟能力明显高于第2模态。对于东亚夏季风第1模态,模式模拟出了西太平洋异常反气旋,但强度偏弱,且未模拟出中高纬度的日本海气旋、鄂霍次克海反气旋,导致长江中下游至日本南部降水偏弱。各时次模拟环流均能反映但低估了ENSO衰减、印度洋偏暖对西太平洋反气旋的增强作用。对于东亚夏季风第2模态,模式对西太平洋的“气旋-反气旋”结构有一定的模拟能力,但未模拟出贝加尔湖异常反气旋和东亚沿海异常气旋,导致中国东部“北少南多”雨型在模拟中完全遗漏。仅超前时间小于4个月的模拟降水能够反映ENSO发展对降水分布的作用。通过交叉检验选取左场时间系数可以提高降尺度模型的预测技巧,SVD降尺度模型在华南、江南、淮河、华北4个区域平均距平相关系数分别为0.20、0.23、0.18、0.02,明显高于模式直接输出。      

从检验CMIP5气候模式看CMIP6地球系统模式的发展

世界气候研究项目（WCRP）正在组织第六次气候模式对比计划（CMIP6）,全球各个气候模式组正在抓紧发展新模式和做多种相关的数值试验。此时,有必要回顾大量CMIP5气候模式模拟气候变化的效果,以便展望CMIP6的地球系统模式的可能发展前景。目前IPCC第六次评估报告正在启动和进行中,其中所用的主要工具是CMIP6的地球系统模式。     

气候模式与气候模拟

本文扼要地叙述了气候模式与模拟的定义、内容和发展概况。介绍了不同类型模式,如能量平衡模式、辐射对流模式、大气环流模式和随机模式等的主要特征。最后举了两个实例,即用大气环流模式作由二氧化碳增加而造成大气增温的数值试验以及用机制模式研究气候变化及可预报性,以此来阐明当今气候模拟的两个主要方向。     

近十年来气候模拟和气候模式研究综合评述

一、前言过去20年中气候模拟研究有了很大进展。自然和人为两种原因造成的气候振动对社会经济产生的影响已越来越受到关注。由于模式研究工作进展迅速,气候“预报”任务又十分紧迫,于是近十几年来各种模式应时而生,纷然杂呈。气候乃是各种大气参数的一个综合。这些参数在不同的时间尺度和空间尺度上变化。气候模式在时空分辨率和复杂性上是多种多样的。有些模式较适合于进行某些特殊的试验,可以产生互不相同的预报。为什么会产生这种差异?要想搞清楚其原因并非易事,特别是对于不太熟悉气候模拟的研究人员更是如此。因此,本文的重点是评述不同气候模式的性质,指出不同模式的用途及其对气候系统中     

我国华东地区月尺度气候动力预测的研究:(Ⅰ)区域模式建立及模拟检验

用一个耦合了VXM水文模型的区域气候模式RegCM3,采用了较高的水平分辨率(40 km),对我国华东地区进行月尺度短期气候模拟及评估。本文主要介绍系统建立和使用1981~2000年共20 d的月尺度资料进行的气候模拟试验和检验研究,使用国家气候中心提出的计算评估方法,针对近地层温度和降水做了评估。结果表明,本系统在“消除”系统模拟偏差后,可以较稳定地对我国华东地区的温度和降水进行月尺度短期模拟,评分结果较高。总之,由对此区域气候模式的模拟能力的初步检验与评估看来,可进一步研究此模式,以作为业务预报模式投入实际应用。     

降水气候特征的随机模拟试验

本文利用多状态一阶Markov链,根据随机模拟理伦建立一种用以产生单站逐日降水量模拟记录的随机模式。由该模拟模式可推求降水的各种长年气候统计特征,因而这种模拟模式可为缺少逐日资料的地区提供获取足够长年代资料的有效途径。利用该模式对我国上海、北京、广州、沈阳、荆州等5站不同月份逐日降水的试验给果表明,模拟记录与历史资料所统计的气候特征如累年平均月降水量及其方差、累年平均日降水量及其方差、累年平均各月雨日数、最大日降水量等气候统计参数十分吻合,且具有相当的稳定性和可靠性。由于试验站点分属不同气候区域,因而该模拟方法具有普适性。