地球系统动力学模式及模拟研究

将地球上大气、海洋、地理环境和生态各圈看成一个有机的整体进行研究,并统一协调全球气候、生态与环境变化的有关研究（如WCRP、IGBP、IHDP、DIVERSITAS及IPCC、Global Change等),现称为地球系统动力学。它是新兴的学科,其核心之一就是要建立地球系统动力学理论模式并作模拟研究。本文主要概述了我国地球系统动力学模式研制和发展的有关现状及近年来特别是中国科学院“三期创新”资源和海洋科技创新基地重要方向项目群“地球系统动力学模式研究”启动前后所取得的阶段性成果及主要进展,指出了我国地球系统动力学模式发展应重点研究和解决的科学问题及其主要特色,其中有不少结果是新颖的和具有我国特点的。     

气候和环境生态系统的动力学问题

这是作者在“复杂性科学讨论会”(1991年2月,北京)和“大气边界层物理和大气化学讨论会”(1991年11月,北京)上作的报告的提纲,系统地论述建立“气候和环境生态系统动力学”的各方面问题,分为10部分,即(1)为什么要研究气候和环境生态系统的动力学;(2)研究对象、它的复杂性及与其他学科的关系;(3)研究方法和研究课题;(4)建模问题;(5)模式的理性检验;(6)系统的初等性质研究和模式的简化方法;(7)最简化模式的严格分析研究;(8)数值模拟和计算方法研究;(9)资料同化问题;(10)控制和改造自然问题.文中强调必须把描述性的研究上升为具有严格逻辑推理和定量计算的科学,因此特别注意动力学模式的建立、检验、分析和计算问题,并指出控制和改造自然的工程乃是复杂巨系统的控制和规划问题.     

跨季度气候距平数值预测研究小结

中国科学院大气物理研究所发展了一个准业务跨季度气候距平数值预测系统,包括气候模式、大气和海洋初始条件同化、年际气候异常信号的提取、集合积分与概率计算、预测值系统误差的订正方法以及预测评分技术等方面,以东亚夏季风降水和太平洋海温异常为主要预测对象。本文主要报告５年来中国夏季降水跨季度预测准业务试验的结果。１９８９～１９９５年夏季降水跨季度实时预测试验的结果表明：对于导致气候灾害的夏季降水异常,例如中国东部的严重旱涝,我们能够作出很好的预测;对于比较弱的夏季降水异常,预测技巧较低。另外,预测效果有明显的地区差异,比如,中国东部比西部好,东部又以长江中下游为最佳。本文还介绍了一些由西太平洋海温异常影响大气的物理过程及机理,提出了一个“持续异常区假说”。进而讨论了集合预测的理论和方法,并通过一个实例来说明如何使用集合积分技术来识别持续异常区。最后对短期气候预测的几个基本问题以及改进的途径进行了讨论     

处理时间序列提高计算湍流通量的精度

讨论了非线性趋势对时间序列的自相关函数、积分时间尺度等的影响,并估算了其最终对湍流通量的影响,指出有效地去除野点、噪音和非线性趋势以及非线性趋势对时间序列的自相关函数、积分时间尺度等的影响,可以减少其对湍流通量产生较大的虚假贡献.     

大气污染的最优调控与污染源反演问题Ⅱ:正负区分判定迭代求优法

已有研究建议用非完整伴随算子方法先求出最优的总源减排方案S’,本文则研究由S’继而求人为源的优化减排S’a的问题.由于化学反应生成源Sc为污染物浓度ρ的复杂泛函,本文提出一种"正负区分判定迭代求优法",由S’求S’a,证明其收敛.     

大气低频振荡的数值模拟

本文利用IAP_GCM积分结果中10年候平均资料，研究了模式大气中的低频振荡现象。结果表明，该模式能相当逼真地模拟出低频振荡的地理分布、垂直结构和传播过程的主要特征，因而低频振荡是大气本身所固有的一种现象。而流场与大气加热场之间在低频域内的相关分析则证实了大气加热对低频振荡的产生起重要的作用，其中最重要的因子是水汽潜热的释放。     

IAP AGCM对全球海温异常的响应——CO_2引起气候变化的等效研究

本文用IAP AGCM研究全球海温异常引起的气候变化,这种变化可以看作是由于CO_2含量改变引起的响应。按照Ramanathan和Cess等的观点,太阳常数的改变、CO_2含量的增减及全球海温异常对地气系统能量收支的影响是一致的,主要受控于射出净辐射的改变.本工作分别以+4℃和-4℃作为全球海温异常得到两次积分,分别记为I和D,模式的长期气候平均用作基本状态试验,记为C. 当海温增加4℃时,地表气温约增加4.4℃,而且主要由于热带对流加热的影响,气温的变化随高度增加,冬半球地表气温的增加明显大于夏半球,这是由雪的反照率和垂直温度递减率的反馈作用引起的。虽然全球平均总云量随海温增加而减少,但其纬向分布是不均匀的,尤其对个别类型的云更是如此。云的反馈在辐射能量收支中起着重要作用,例如,热带模式层顶净向下太阳辐射(S)和净向上长波辐射(R)减少(或增加最少)就归咎于穿透性对流云的增加. 全球平均降水I比C多18％.降水的变化呈正反馈趋势,即热带降水最大的地区降水加大,而在副热带地区降水增加很小,甚至减少.纬度-时间图上,降水的变化呈带状分布,正象降水本身的变化一样. 虽然我们得到的全球平均和纬向平均与Mitchell的结果一致,但区域性海温异常响应存在很大差别.     

高云与高层垂直速度关系的个例研究I·观测事实

利用ISCCP D1、D2和ECMWF再分析资料,选取1998年1月和7月进行个例分析,得到以下结论:1)高云和垂直速度的关系密切。从月平均来看,南北半球的冬夏变化呈现出明显的不对称。热带1月份的云区和上升区集中在赤道以南,呈带状分布,其中南非及相邻的西印度洋、120°E~120°W的赤道太平洋、赤道与30°S之间的南美大陆为3个主要区域;7月份云区和上升区移至赤道以北,以块状分布为主,尤其是印度洋、西太平洋的热带地区、亚洲季风区和副热带高压中心的西部形成一个大范围的闭合块状区域。2)不同类型的高云在热带和热带外地区的云顶高度是不一样的:在热带地区,深对流云、卷层云和卷云的云顶高度在180 hPa和310 hPa之间;在副热带和中高纬度的绝大部分地区,卷云的云顶高度在180 hPa和310 hPa之间,而卷层云、深对流云的则在310 hPa到440 hPa之间。3)不同类型的高云与相应的垂直速度的逐日变化既十分密切又各有不同,其中深对流云和垂直速度、卷层云和深对流云的同步性较好,并且卷层云和卷云可以独立于深对流云而在局地产生,这与热带高云产生于深对流云的经典观点不同;此外,在热带地区呈现低频变化的特征,这表明在大气环流模式中改进高云的模拟能力可能会提高对大气低频振荡的模拟能力。     

一个风暴潮数值模式及其开边界问题

在文献[1]的基础上,本文设计了一个风暴潮数值模式,并讨论了在近岸海洋动力学计算中具有普遍意义的开边界问题.所用的计算格式在有开边界和不规则海岸边界的情形下,仍能较好地保持原海流问题的质量和能量变化关系,因而具有较好的计算稳定性和计算精度.本文计算了“7203”号和“8509”号台风暴潮,并与实况相比较,所得计算结果图象清晰地再现了渤海这两次台风增水过程的基本特征.