太平洋大尺度环流数值模拟 Ⅲ：季节变化

本文在年平均环流数值模拟基础上,用季节变化的大气强迫场又积分了12年,并对由模拟得到的太平洋海面起伏、洋流、温度、海表热通量和上层热储存率等的季节变化特征作了较为详细的阐述和与已有观测结果进行了比较,事实证明,模式基本上模拟出了观测到的太平洋大尺度环流基本特征及其季节变化,证实基于理论考虑设计的IAP OGCM模式具有较好的性能和对实际环流的模拟能力,有些结果并优于国外一些具有同等分辨率的海洋模式。     

大气环流的年代际变化 II.GCM数值模拟研究

类似大气环流模式比较计划（AMIP）的数值模拟,将实际观测的海表水温（SST）资料引入模式进行40多年的数值积分,得到长时间的大气环流模拟结果。分析数值模拟结果发现,无论是大气中的主要涛动和遥相关型,还是重要大气环流系统都极为清楚地存在着年代际变化特征,包括10～20年准周期振荡和可能的30年以上的准周期振荡;而且上述主要环流系统的形势及其年代际变化大都与实际观测资料所给出的结果相一致。顺便分析中国东部气候的模拟结果,年代际变化特征（包括60年代的气候突变）也很清楚,并同大气环流变化配合十分合理。结果也表明,同研究季节和年际变化一样,大气环流模式（AGCM）数值模拟也是研究大气环流和气候年代际变化的有效方法。     

太平洋大尺度环流数值模拟 I:数学模式及其性能

本工作基于曾庆存的海洋环流模式设计思想和大气物理研究所海洋环流模式(IAPOGCM)基本动力框架,设计并实现了四层太平洋环流模式;同时引进稳定有效的时间积分方案和海表热通量参数化方法,对太平洋大尺度环流进行了较为系统的数值模拟. 本文首先导出消除“刚盖”近似、扣除海洋标准层结、保持总有效能量守恒的OGCM基本方程组;给出空间差分格式和时间积分方案,引入海表热通量计算方法;然后,在太平洋区域对所设计的四层OGCM的一些模式性能进行了分析、表明,时间积分方案采用基于“灵活性系数”技术的加速收敛方法和适应过程中流场正压斜压进一步分解算法,同时采取一些技术处理,可确保模式稳定而有效地进行长时间数值积分、有效能量分析表明,与海面起伏相联系的有效表面位能是总有效能量的重要组成部分,它与动能同量级甚至更大些,因此在OGCM中须考虑有效表面位能与其它能量间的转换机制,这在物理上更加合理,而采用“刚盖”近似则是不合理的;同时,扣除海洋标准层结,缩小了位能与动能之间的量级差别,有利于长期数值积分的稳定进行.此外,这个模式能直接计算海面起伏和分析有效能量,使得表面流场和上层海洋热储率的模拟比已有文献的结果有明显的改进.除模式设计外,本部分只给出模式的基本性能,系统的模拟结果将在第Ⅱ,Ⅲ两部分发表.     

BCC大气环流模式对亚澳季风年际变率主导模态的模拟

利用观测海温驱动下的北京气候中心大气环流模式(BCC-AGCM)1979-2000年的模拟数据,从亚澳季风(A-AM)年际变率的角度,对该模式的性能进行了分析.通过季节依赖的EOF分析方法(SEOF)得到观测第1模态,与ENSO从暖位相向冷位相的转变相联系,并伴随东南印度洋和西北太平洋的降水异常随季节变化.该模态具有准2a和4-6a周期的谱峰.分析结果显示,BCC模式可以很好地模拟出第1模态的时间变化特征,及其与ENSO位相的同步关系.但是,模式模拟的降水空间型与观测存在偏差,这主要是由于模式对环流场模拟的偏差造成的,具体表现在西北太平洋(WNP)反气旋和南印度洋(SIO)反气旋的季节锁相模拟偏差.前者与模式模拟的环流场整体偏东有关,后者是由于SIO反气旋的发展和衰亡过程受印度洋局地海气相瓦作用影响,而单独大气模式则无法合理地反映这一过程.另外,模式模拟的第一模态降水空间型在夏季效果较差,原因在于模式模拟的夏季平均降水量存在偏差,尤其是东南印度洋的降水量模拟偏少.进一步分析表明,这可能与对流参数化方案的选择有关.     

非均匀海面温度异常分布对沃克环流影响的数值试验

本文采用七层初始方程谱模式,模拟在特定的海温异常的、不均匀的分布下对低纬大气环流的影响。本文研究得到如下结果：1. 积分七层初始方程谱模式可模拟出一个低纬沃克环流。2. 东太平洋出现异常暖海温时,积分96小时后产生一个对沃克环流的扰动。3. 扰动在东西向呈现上升与下沉运动相间的波列,并具有明显的西传现象。4. 东太平洋出现异常偏冷海温时,模拟结果与暖海温时类似,但扰动环流的垂直运动符号与其相反。5. 当东太平洋海温为正态分布时,仍然可以得到上述结果。     

太平洋海温异常对其上空环流影响的分析及数值试验

本文首先用《逐月全球气候资料》中的实测风资料对80年代的两次El Nino。事件(1982—1983年和1986—1987年)太平洋地区上空环流的变化情况进行了分析研究,然后用一个九层原始方程模式对其进行数值模拟试验. 观测资料分析及数值模拟结果皆表明,赤道东太平洋的这两次海温异常都使其上空的环流发生明显的变化,但由于两次海温异常的强度、范围和延续时间有所不同,对环流的影响也不相同.本文将简要地介绍这两次El Nio期间太平洋上空环流的演变特征及数值试验的结果.     

北半球大气环流季节突变的诊断与模拟

本文根据扰动与纬向平均气流相互作用的EP理论,着重诊断了扰动在北半球大气环流季节突变中所起的作用,并使用一个二维数值模式分别计算了扰动、加热和耗散等因子对于环流变化的贡献。诊断分析表明,源于中纬度低层的斜压扰动能量向副热带对流层顶的输送与西风急流位置和强度的季节变化紧密相关。纬向气流对扰动的强迫作用的响应在“六月突变”中十分迅速显著,而在“十月突变”中不大明显。数值计算也表明,扰动强迫作用总是有利于在急流位置以北维持西风加速。数值计算还表明,无论是六月还是十月,加热场季节变化对于环流变化都十分重要,垂直湍流扩散对于十月环流变化的作用比较明显。     

热带海温异常影响夏季环流的机制研究

利用正压涡度方程模式对赤道东太平洋和赤道西太平洋暖池区海温异常影响夏季大气环流的机制进行了研究,结果表明:太平洋海温异常会对大气环流产生明显的影响,我国上空环流受其直接影响较小,大气对赤道东太平洋海温升高的响应比对西太平洋暖池海温降低响应明显.西太平洋暖池海温降低和赤道东太平洋海温升高都使极涡明显减弱,对中低纬度大气高度场的影响相反.赤道东太平洋海温升高,中低纬度地区槽脊活动表现不明显,而西太平洋暖池海温降低,会使大气高度场产生明显的槽脊扰动.西太平洋暖池海温降低和赤道东太平洋海温升高,会使涡度场、经向风形成沿驻波波列传播的扰动场.西太平洋暖池海温降低和赤道东太平洋海温升高同时发生时,经向风场使北半球所有的地方都产生了扰动(两条波列路径仍然清楚),沿纬圈和经向都呈有规律的正负相间的分布,扰动表现为驻波特征.     

热带太平洋环流季节变化的数值模拟

在观测到的海表风应力和热量及淡水通量驱动下，用大气物理研究所发展的高分辨率自由表面热带太平洋环流模式对热带太平洋环流季节变化进行了数值模拟。对模拟得到的热带太平洋海面起伏、温度场和流场等季节变化分析、比较表明，模式成功地模拟了观测到的环流季节变化基本特征。其中，海面起伏中西北太平洋副热带反气旋环流在冬季最强，赤道槽在冬季和早春季强，而赤道脊和北赤道逆流槽则在秋季强；北赤道逆流在秋季强而春季弱，150°W附近区域赤道表层洋流流向在4至7月逆转；赤道东太平洋地区海表温度场春季增暖和秋冷却；以及次表层赤道斜温层     

利用大气环流模式讨论舍入误差对东亚和西北太平洋夏季气候模拟的影响

采用单精度和双精度编译的大气环流模式对东亚以及西北太平洋气候进行集合模拟,分析舍入误差对大气环流模式在东亚和西北太平洋区域夏季气候模拟的影响,结果表明采用双精度编译的模式在850 hPa环流场比单精度模式模拟效果要好。为了进一步分析双精度模式模拟效果优于单精度模式的原因,集中研究了850 hPa纬向风场的模拟情况。结果表明,双精度模式对东亚以及西太平洋850 hPa纬向风场第1模态有着更好的模拟,而且第2模态的时间序列与再分析资料850hPa纬向风场的第2模态时间序列有着更好的相关。这些结果表明,由于舍入误差的影响使得该区域大气内部噪音更强烈,从而使得海温强迫导致的气候变率变弱,进而使得双精度编译的模式对东亚和西北太平洋区域气候的模拟要优于单精度模式。     

冬夏东亚季风环流对太平洋热状况的响应

冬夏隔季韵律关系一直是我国长期天气预报和短期气候预测的一个重要依据,然而迄今为止对它们之间的物理过程及成因机理并不十分清楚。利用NCEP/NCAR全球2.5°×2.5°网格月平均再分析资料,研究1951~2000年冬夏东亚季风环流异常变化与太平洋海面温度(SST)的关系及对关键海温区响应机理。研究指出:冬夏东亚季风环流隔季韵律关系及其年际变化与赤道东太平洋海面温度异常(SSTA)变化密切相关,冬季赤道东太平洋出现La Ni~na(El Ni~no)型的SST分布,有利冬、夏东亚季风环流加强(减弱),其影响过程通过赤道Walker环流强(弱)以及东亚地区Hadley环流强(弱)过程完成。冬季赤道东太平洋海温变化是冬、夏东亚环流季节以及年际变化的一个重要外强迫因子。     

CAM3模式模拟厄尔尼诺事件对大气环流异常的影响

采用CAM3（Community Atmosphere Model Version3）模式中海气湍流通量参数化原方案和改进方案,利用观测海温驱动CAM3模式进行气候模拟,以分析模式对厄尔尼诺事件影响气候变化的模拟能力。结果表明,采用CAM3模式海气湍流通量参数化改进方案,模式能够更好地模拟出由厄尔尼诺事件引起的北太平洋和北美地区大气环流的变化,尤其是对厄尔尼诺年冬季阿留申低压强度和与PNA遥相关型有关的500hPa位势高度异常的模拟。     

Numerical Simulation of the Regional Ocean Circulation in the Coastal Areas of Chinaal

1.IntroductionInrecentyears,manystudiesonthemechanismoftheregionalclimateformationandvariationhavebeendonebyusingnestedhigh--resolutionregionalclimatemodels.TheregionalclimatemodelshavepresentedbetterPerformancesinsimulatingregionalclimatefeaturesthanlarge--scalegeneralcirculationmodels(GCM)becauseoftheaccuraterepresentationsofhigh--resolutiontopography,detailedunderlyingsurfacecharacteristics,landsurfaceprocessesandplanetaryboundarylayerparameterization.However,theoceanpartwithinthemodeldom…     

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。     

Numerical simulation of the regional ocean circulation in the coastal areas of china

The regional ocean circulation in the coastal areas or China (including a part of the western Pacific Ocean, the South China Sea and the Bay of Bengal el al.) is simulated by using the improved Princeton Uni-versity ocean circulation model (POM). Compared with the modeling results obtained by the large-scale ocean general circulation model (OGCM), the basic ocean circulation features simulated by the regional ocean circulation model are in good agreement with that simulated by OGCM and some detailed character-istics such as the regional ocean circulation, sea temperature, salinity and free sea surface height have also been obtained which are in good accord with the observations. These results indicate that the regional ocean circulation model has good capability to produce the regional ocean circulation characteristics and it can be used to develop coupled regional ocean-atmospheric model systems.     

赤道西太平洋-印度洋海温异常对亚洲夏季风的影响

本文采用了p-σ五层原始方程模式模拟并研究了赤道西太平洋-印度洋海温距平场对亚洲夏季风的影响,计算了四种不同的海温距平试验方案。试验结果表明赤道西太平洋海温正距平使对流层下层的印度低压明显加强,副高北挺,季风槽加深,同时加强了对流层上层的反气旋环流。赤道西印度洋暖海温的模拟结果与赤道西太平洋暖海温对上述系统的影响相反,而赤道西印度洋冷海温对季风环流的影响与赤道西太平洋暧海温的影响一致。试验进一步表明赤道西太平洋-印度洋海温距平的纬向梯度方向对亚洲夏季风的影响是主要的,这一结论与实际观测结果一致。本文进一步讨论了赤道海温距平对越赤道气流、印度洋赤道东-西纬向环流和非绝热加热场的影响,结果都表明赤道西太平洋海温正距平和赤道西印度洋海温负距平的模拟特征与反El Nino年亚洲夏季环流特征类似,而赤道西印度洋海员正距平的模拟特征与El Nino年亚洲夏季坏流特征类似。     

2011/2012年冬季中国气温异常的成因及前兆信号

采用国家气候中心整理的全国160站月平均气温资料、NCEP/NCAR再分析资料及NOAA全球海温资料,在探讨1986年以来中国冬季气温异常机理基础上,对2011/2012年冬季气温异常特征及其前兆信号进行分析。结果表明:地面西伯利亚高压、东亚冬季风及500 hPa乌拉尔山与贝加尔湖南侧的异常环流等系统是影响中国冬季气温的主要中高纬环流系统,而中低纬环流系统主要包括西太平洋副高环流和印缅槽。前期热带印度洋和中东太平洋关键区海温异常与后期冬季气温关联的环流系统有密切的关系:前期夏季7、8月西印度洋海温偏高时,冬季西伯利亚高压将偏强,有利于冬季风偏强和中国冬季气温偏低;而当8—10月中东太平洋海温偏高时,西太平洋副高将偏强偏大偏西,北界位置偏北,印缅槽偏强,中国气温容易偏高,反之亦然。两者对后期环流的影响存在一定的独立性,中国冬季地面气温异常是它们共同作用的结果。     

云南夏季旱涝与前期冬季环流变化的关系

夏季气候异常的前期信号特征分析一直是短期气候预测工作的重点。利用1948—2004年NCEP/NCAR月平均再分析资料、1961—2004年云南124个站的月平均降水和1948—2003年英国Hadley中心的月平均海温资料, 分析了云南夏季旱涝的时空特征, 探讨了云南夏季旱涝与前期大气环流和大气热力状态变化的关系, 发现云南夏季旱涝前冬12月—1月, 特别是1月东亚中高纬度地区的大气环流变化和赤道附近高低层大气的热力状态对云南夏季旱涝有重要的指示意义, 当前冬东亚大槽强 (弱), 冬季风强 (弱), 赤道附近高低层大气温度偏低 (高) 时, 后期云南夏季降水偏多 (少)。同时, 初步探讨了东亚冬夏季风环流变化的相互联系及热带海温变化的可能影响, 指出冬季到夏季印度洋和赤道西太平洋地区持续的海温异常有可能通过改变夏季海陆的热力对比, 进而影响夏季风活动和云南夏季降水的变化。     

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。