IAP AGCM及基本气候模拟简介

中国科学院大气物理研究所大气环流模式(简称IAP AGCM)及基本气候模拟是一项同时具有很强实用价值的基础性研究,它集中了物理学、地球流体力学、偏微分方程、计算数学、计算技术以及其它许多学科的最新成就,对我国大气科学的发展特别是气候预测及人类活动对气候影响的研究方面有很大推动作用。 该研究在大气环流模式中首次发展了标准层结扣除法,使得环流模式能正确描写大气运动中各种能量之间的转换规律,更真实地反映了地球大气的物理特性,在学术思想上是先进的;采用了我国自行设计的灵活性     

晚中新世低大气pCO2背景下暖室气候的成因机制

晚中新世托尔通期（11.61～7.25 Ma）比现代更加温暖和潮湿,却有着与工业革命前相近的大气二氧化碳分压,这种低大气二氧化碳分压下的暖室气候在整个新生代都很特殊,搞清其驱动机制有助于预测未来气候变化。对此有两种解释：基于指标记录的晚中新世气候—二氧化碳分压“解耦假说”和基于数值模拟的“协同作用假说”。指标重建的地质记录表明晚中新世的气候可能并不受二氧化碳分压影响,即气候与二氧化碳分压发生解耦。数值模拟表明晚中新世异于现代的植被分布和地形构造等,很可能促成晚中新世全球温度的升高。但数值模拟很难充分模拟出晚中新世的升温幅度和模式。对晚中新世开展准确且高分辨率的二氧化碳分压重建是未来指标重建工作的重点,而植被反馈、云反馈、水蒸汽反馈和土壤性质是影响晚中新世暖室气候的主要因素,未来的数值模拟工作应朝这些方向推进。     

大气、陆面与水文耦合模式在中国西北典型流域径流模拟中的新应用

水文模式在较长的发展阶段由简单的概念模型逐步演变复杂的分布式物理模型,大气学科的各类气候模式在近年来迅猛发展同时也逐步带动了水文学的发展。从大气、水文两个学科发展角度纵向开展研究,通过分析以往研究成果认为,虽然大气、水文模式在其各自的发展已经到达了较为完善的地步,然而其相互耦合并取长补短的优势并未发挥。在探讨大气、陆面及水文模式发展的基础上,选取XJLDAS(Xinjiang Land Data Assimilate Datasets)大气陆面同化系统,CLM3.5(Community Land Model,Version 3.5)公用陆面模式及快速汇流模式RAPID(Routing Application for Parallel computation of Discharge)作为关键耦合对象,利用以上耦合系统对新疆精博河流域径流过程进行模拟。通过研究分析,认为:XJLDAS+CLM3.5+RAPID模式可较好地重现流域地表径流年内分布状况,然而,由于陆面参数化方案选取等原因,研究区径流量出现一定偏差。此外,在本研究中发现,陆面模式径流汇流模拟结果与实际结果存在一定偏差,将这种偏差进行分析后发现:在进行大尺度水文模拟时,需要在考虑在研究区相关地理特性(如地质构造、地表覆被)基础上进行模式相应改进,以最大限度的重现大尺度径流真实过程。     

全球冰-海洋耦合模式的海冰模拟

海冰是全球气候系统的重要分量 ,与大气和海洋的相互作用 ,直接影响大气环流和海洋环流 ,对气候及其变化具有重要影响。文中依据冰、海洋间的热力、动力耦合相互作用 ,改进冰海洋热力耦合方案 ,利用由中国科学院大气物理研究所的 30层海洋模式和基于Flato空化流体流变学的海冰动力模式和Hibler表面热收支平衡的零层海冰热力模式 ,建立全球冰海洋耦合模式。利用大气月平均气候资料 ,利用冰海洋耦合模式对全球海冰的分布及其季节性变化、海冰漂移进行了耦合模拟和分析。模拟的南半球海冰分布及季节变化与实际分析资料非常接近 ,比 2 0层冰海洋耦合模式的结果有显著改进。北半球海冰范围偏小 ,但季节变化的量值与实际相当一致。模拟的海冰速度场反映了南、北半球海冰漂移的主要特征 ,如北极的穿极漂流和南大洋的绕极环流等。对海冰密集度的分析表明 ,模拟结果得以改进原因在于改进的冰海洋热力耦合方案增强了融冰期冰海洋耦合系统海洋热通量增加—密集度减小—能量收支增加的正反馈机制。     

风电场对气候环境的影响研究进展

风电是发展最快的可再生能源之一,随着风能在全球范围内大规模发展,人们开始关注大规模风电场的部署及运行对生态环境和气候的影响。通过调研相关文献,总结归纳了风电场对气候和生态环境的影响:一方面风机的架设改变了原有空气动力学粗糙度高度,加强了下垫面对湍流的阻挡作用,直接影响边界层湍流运动,改变原有陆地表面和近地层大气之间的物质能量和水分交换的强弱程度和模式,影响大气环流和气候;另一方面由于风力涡轮机将一部分风动能转化为电能,产生风机尾流效应,改变了边界层中大尺度运动动能的收支模式与时空分布,导致大气各种通量(热量通量和水汽通量等)的变化,对温度、降水和风速等产生影响。通常情况下,风电场对近地面的增温或降温效应与大气的层结稳定性有关。尽管如此,在全球气候模式中的模拟结果表明,风电场对全球气候的平均影响很小,其影响远远小于温室气体排放引起的预期变化和自然气候的年际变化。风电几乎不排放二氧化碳和污染物,与其他传统能源相比,减少水资源消耗,同时可能破坏动物栖息地、鸟类碰撞和产生噪声视觉等一些消极生态影响,但是可以采取相应的一些措施来减缓这些不良影响。     

熵原理如何制约着大气

熵原理是自然界普遍适用的基本法则。可是当谈到大气的基本运动规律时,则常常是指牛顿定律,质量守恒定律,热力学第一定律和气体状态方程。似乎熵原理(或称热力学第二定律)并不是制约大气运动的基本规律。熵原理是否制约着大气?它是如何制约着大气的?现将我们对此所做的研究工作与初步结果介绍如下。 一、找到了新的分析工具——分布函数     

利用反向法评价气候变化下的水资源系统风险

目前多数研究直接将大气环流模式(GCM)获得的气候要素输入水文模型或者系统动力学模型评价气候变化所引起的风险,而忽视了一些重要统计要素的实际影响。针对目前研究存在的问题,利用随机模型产生大量模拟数据并输入到关于水资源系统的系统动力模型,通过评价指数和模拟数据间的统计关系建立"气候响应模型",最终利用多种大气环流模式来进行风险评价。通过A2气候变化情景下36种GCM对美国麻州Quabbin水库未来两个时段2036—2065年和2066—2095年由气候变化引起的风险进行评价。结果表明,在1950—1999年流域净流量年际方差100%～140%范围内,2036—2065年的风险为0.25～0.30,2066—2095年的风险为0.30～0.45。     

大气水文模式耦合研究综述

首先阐明大气水文模式耦合的必要性,总结作为二者耦合的共同界面——陆面模式的发展过程。在此基础上,从耦合研究方法和目的出发,分4个类别详细论述当前国内外大气水文模式耦合研究的现状。指出了单向耦合不足和进行双向耦合所面临的几个关键问题包括：尺度问题、次网格分布非均匀性、降水模拟等。未来要求充分利用“3S”、四维变分同化等新技术和新方法,加强多学科的联合研究,深入开展大气水文模式的双向耦合试验和敏感性分析,研究大气—植被—土壤—水文系统的交互影响,从根本上提高大气和水文模式的模拟和预报水平。     

可变分辨率展宽网格在区域物理参数化大气模式中的应用

将有限区域展宽网格方法应用于区域物理参数化大气模式中，来检验其模拟湿物理过程的能力。展宽网格模型旨在在一个大的有限空间区域中得到我们所关注的小区域的高分辨率。运用展宽网格模型对南美地区进行模拟的结果表明：当拥有充足的物理参数集时，模型模拟效果良好；并且，如果改进计算机功率，便可得到与始终保持高分辨率模拟具有可比性的输出结果。     

大气数值模式中城市效应参数化方案研究进展

介绍了对城市效应影响大气运动的物理过程,以及在不同尺度大气模式中如何合理考虑这些物理过程,对进一步发展完善城市效应参数化方案中亟待解决的问题及困难作了论述,并着重强调了不同城市冠层参数化方案的优缺点。结论认为,随着城市的扩张,城市效应对大气运动的影响是数值模拟研究中一个不可或缺的物理过程,城市冠层模式的引入可以有效地提高数值模拟效果。对于不同尺度的数值模拟研究工作,应该采取不同的城市效应影响方案。目前,由于冠层模式中涉及的物理过程十分复杂,冠层模式还有待进一步完善,此外冠层方案的验证工作,尤其是应用城市地表能量平衡观测资料进行的验证工作还应该进一步深入开展。     

陆地生态系统碳循环对全球气候变化的动力响应

陆地生态系统和气候系统紧密相关,特别是植物,土壤和大气圈之间的碳循环。已有人提出气候和大气二氧化碳浓度的变化调整循环,使大量的碳沉淀提供给陆地生态系统,但直接证据很有限。估计了稳定气候态之间变化引起的生态系统碳储备变化,但对生态系统碳流动对短期气候变化的动力响应不了解得不够充分。用一个陆地生物持球化学模式,配合一个一般的循环莱模拟短期气候变化,定量研究１８６１－２０７０年大气ＣＯ２气候引起的短期生     

东亚地区Younger Dryas气候突变的数值模拟研究

YoungerDryas(YD)气候突变事件是近两万年中一次全球性的气候急剧变冷事件。文章试图在东亚地区YD事件的若干证据基础上,从海洋、冰盖和大气的热力学以及动力学角度出发,利用气候模拟方法就东亚地区YD气候突变的机制和一些成因假说进行敏感性试验。模拟结果表明,因淡水通量异常引起的海洋表面温度降低是YD形成的直接原因。海洋大气耦合作用对于YD传播强度及时间不同步具有重要作用。除北大西洋淡水通量异常的作用外,南半球海洋的淡水通量异常可能对东亚地区的YD事件有着更重要的贡献。海洋耦合大气环流模式模拟表明,东亚与欧洲降温具有不同步性,最大变化速率欧洲达到-0.122℃/a,东亚地区为-0.067℃/a。模拟结果与东亚地区YD时期的气候记录在特征上能够进行对比,反映了模拟试验的边界和强迫条件的设计接近东亚古气候状况,因而模拟结果对分析海洋、冰盖和大气的热力学以及动力学探讨揭示YD气候事件的物理机制和动力原因具有可靠的依据。     

区域海气耦合模式研究进展

区域海气耦合模式是进行区域尺度气候模拟和预估的重要工具,近年来得到快速发展。在阐述区域海气耦合过程重要性的基础上,对当今国内外主要的区域海气耦合模式研究进展进行总结,归纳区域海气耦合模拟所关注的核心科学问题,介绍区域海气耦合模式的技术特点。发展基于耦合器且无通量订正的区域海气耦合模式是区域海气耦合模式发展的主流方向。当前国际上区域海气耦合模拟所关注的主要科学问题,包括区域海气耦合模式对区域海洋过程的模拟、区域海气耦合模式对区域大气过程的模拟、亚洲—西北太平洋季风模拟及其耦合模拟海表面温度(SST)冷偏差问题、热带海气相互作用过程模拟,以及区域海气耦合模式对未来气候变化的预估研究等。对上述5个方面科学问题的研究思路和主要科学结论进行总结,重点关注针对亚洲—西北太平洋季风区的区域海气耦合模拟研究,对区域海气耦合过程改进亚洲—西北太平洋地区降水模拟的物理机制,及在该区域模拟SST冷偏差的成因亦进行相关归纳和总结。最后提出当前区域海气耦合模拟亟待解决的关键科学问题。     

中层大气模式的应用及发展前景

随着空间探测技术和计算机能力的不断提高,近年来中层大气模式得到了快速的发展。简要概述了中层大气模式的现状及其发展中存在的问题和挑战,同时也阐述了中层大气模式在近年来研究中的一些主要应用和未来的发展前景。目前,完备的基于大气环流模式的中层大气模式大多只包括了对流层和平流层大气,少量的模式可达到中间层和热层大气。这些现有的中层大气模式对平流层的化学过程和一些动力过程都具有了一定的模拟能力,如能较好地模拟出南极臭氧空洞及其时间演变以及热带平流层大气中的准两年和准半年振荡信号。但是不同模式模拟结果之间的差异仍然是显著的,现有的中层大气模式还需要进一步的发展和完善。改进模式的辐射传输方案和重力波参数化方案,实现大气化学过程、动力过程和微物理过程的充分耦合,改善平流层以上的大气化学过程和物理过程在模式中的描述是目前正在进行的工作。中层大气模式目前已开始被广泛应用于大气科学研究的各个方面,进一步发展和完善中层大气模式不仅对天气、气候预报具有重要的意义,对空间科学的研究来讲也是需要的。     

全球气候变暖:除了CO2以外，更有痕量气体在作祟

大气中除了二氧化碳以外,更有痕量气体在增加。它们象二氧化碳一样对全球气候起着明显的影响。这个看法是四位科学家在即将问世的一篇论文中提出来的。他们还说,比较重要的一点在于这些痕量气体能长此以往地继续起着“暖房”作用,比二氧化碳有过之而无不及。该文将发表在今年六月号的《地球物理研究》杂志上。 “这些痕量气体在今后40到50年里对气候变暖的影响要超过二氧化碳的两倍或三倍。”其中一位作者R.J.西塞尔朗这样说的。他目前是美国国家大气研究中心(NCAR)大气化学研究室主任。这个结论是他的研究组对近40种痕量气体中某些气体的附加影响的研究中得出的。另一位作者,国家大气研究中心气候模型制作人V.拉曼纳沙     

全新世中期中国气候和东亚季风:PMIP4模式结果

利用国际古气候模拟比较计划(PMIP)最新第四阶段(PMIP4)中14个气候模式的试验数据,集中研究了距今约6 000年的全新世中期中国气候和东亚季风。与早期PMIP第三阶段(PMIP3)多模式结果类似,全新世中期中国年、冬季和春季地表气温较工业革命前期偏冷,而夏季和秋季偏暖,其中年和冬季模拟偏冷与大部分地质记录显示的偏暖不符;所有14个PMIP4模式集合的中国区域平均年和季节温度变化绝对值为0.08~1.69 ℃,较PMIP3多模式平均结果额外偏小0.01~0.45 ℃,这部分源于大气二氧化碳浓度的减少。在用于分析的11个PMIP4模式平均结果中,全新世中期中国年平均降水、蒸发和有效降水(即降水量减蒸发量)相对于工业革命前期分别增加2%、减少1%和增加7%,所有3个物理量在季节上均表现为冬春季减少,夏秋季增加。对比PMIP4模式和PMIP3多模式平均结果,上述3个物理量的中国区域平均值和区域变化差异均在夏、秋季大于年和冬、春季;相比于PMIP3模式,PMIP4模式模拟的年有效降水变化与地质记录更为接近。全新世中期东亚冬、夏季风在14个PMIP4模式中均模拟加强,所有模式平均较工业革命前期分别增强11%和32%;在区域尺度上,与早期PMIP3模式相比,当前PMIP4模式模拟的季风环流增强幅度在东亚北部更强,南部偏弱。     

岩溶洞穴大气中二氧化碳含量的预测——以贵州某些洞穴为例

洞穴大气中二氧化碳收支取决于下列几个因素:(1)游客呼出量;(2)洞外流入量;(3)洞内流出量;(4)洞内自然生成量;(5)洞穴次生本底量。据此,本文建立了洞穴大气二氧比碳含量的增长模式,并对贵州几个未开放洞穴二氧化碳含量及日变化规律进行预测。      

地球气候的变化不可逆转

美国犹他州人盐湖的创记录水位以及海平面的上升(高达一呎)可能都与化石燃料使用量的增加有关。这些变化可能出自于一个共同的原因,即大气中CO_2的增加。地球大气中CO_2含量的增加,通过“温室效应”导致地球气候的逐渐变暖。我们设想地球就是一座以CO_2作屋顶的巨人温室。太阳能量会很容易地进入温室,而大部分热量却不能散发到地球大气圈外,引起气温缓慢而持续的上升。     

气候模式中关键陆面植被参量遥感估算的研究进展

卫星遥感资料对于改善气候模式的强迫场,改进相关物理参数,提高数值模式模拟的准确性具有重要作用。目前,全球已经积累了多年的卫星遥感资料,并且已有多种陆面参量遥感产品。然而,卫星遥感资料在气候模式中的应用还非常有限。充分利用卫星遥感资料,对于提高气候模式模拟能力具有重要作用。选择植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover,FVC)、叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)和地表反照率(Albedo)3个关键陆面参量的遥感估算方法进行评述,并分析了陆面参量真实性检验的尺度转换问题,还以WRF(Weather Research and Forecasting model)为例,阐述了遥感估算的陆面参量应用于模式的表达方式。最后讨论了关键陆面参量遥感估算的不确定性和遥感参量应用于气候模式的尺度匹配等亟待解决的问题,并对这些问题的未来改进方向进行了展望。     

气候模式与古气候研究

简要叙述了气候模式的定义及发展情况,介绍了几种常用于古气候模拟的气候模式类型,说明了气候模式在古气候研究中的应用和取得的主要成果,揭示出气候模式在古气候研究领域里的广阔前景。