全球海-陆-气耦合模式大气模式分量的发展及其气候模拟性能Ⅱ--垂直分辨率的提高及其影响

在第1部分水平分辨率提高的基础上,提高了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的全球海-陆-气耦合气候系统模式(GOALS／LASG)大气模式分量的垂直分辨率。为减少地形对平流层的影响,并和其它气候模式一致,建立了基于能量守恒和角动量守恒的垂直混合坐标方案,及混合坐标下的半隐式时间积分方案,并对相关的物理过程作必要的调整。尽管主要物理过程不变,但从初步结果来看,对大气垂直结构的模拟更合理;平流层风场和温度场的模拟与观测更接近;降水、海平面气压场的分布及季节变化等特征也有明显改进。     

序言——写给“青藏高原能量和水分循环研究”专辑

全球气候变化是国际上普遍关注的热点问题，已有的包括观测和研究的证据表明，高原的环境变化能够影响气候的变化。过去的30年中，随着青藏高原地区气象观测网的不断改善，以及卫星遥感、多普勒雷达探测等新的探测技术的出现和更新改进，青藏高原大气科学领域的研究有了迅速的发展。众多的科学家越来越关注青藏高原地区的地—气相互作用对亚洲乃至全球的气候变化影响。 2006年9月3~12日，由国家自然科学基金委员会和中国科学院共同支持，中国科学院青藏高原研究所与中国科学院寒区旱区环境与工程研究所共同承办的“第一届青藏高原能量和水分循环国际研讨会”在西藏拉萨市成功举行。本次研讨会上与会的各国科学家围绕青藏高原陆面过程对亚洲季风的影响、青藏高原大气变暖和冰雪圈的变化、青藏高原地区陆—气能量和物质交换的观测以及资料处理和相互作用机理等方面进行了广泛的交流和深入地讨论。通过交流还拓宽了在青藏高原地—气相互作用领域研究的国际合作道路。 青藏高原能量和水分循环是高原地区地—气相互作用的重要组成部分，在此次研讨会上交流的成果多是国际上近年来的最新研究结果。尤其是我国科学家的对我国青藏高原大气和地表环境研究领域的研究成果非常丰富。这些成果对于揭示青藏高原地区各圈层之间相互作用机理，及其对亚洲大气环流和季风影响等研究十分有益。《地球科学进展》能够组织出版一期“青藏高原能量和水份循环研究”论文的专辑，对鼓励各种学术观点的交流，活跃青藏高原地—气相互作用研究的学术讨论环境是很好的推动，也是交流高水平创新研究的重要途径。希望本期专刊的出版能够使更多的研究人员关注此领域的研究进展，促进我国青藏高原大气科学领域的创新研究。     

南亚高压的不稳定和位涡纬向非对称强迫对印度夏季风爆发的影响

基于位涡（PV）理论并运用1998年个例分析,本文研究了非绝热加热弓I发的南亚高压不稳定增长及其对印度季风爆发的影响,探讨印度季风爆发的主要原因．1998年印度季风的爆发与前期徘徊于阿拉伯海南部的热带低压北移发展有关,而高低空涡旋系统锁相斜压发展是中低层热带低压迅速北移发展的主要原因．研究表明孟加拉湾季风和南海季风爆发后,在东亚和东南亚强降水释放的潜热加热激发下,南亚高压不稳定增强,位涡（PV）纬向非对称强迫发展,高压东侧北风弓l导高纬度高PV南下,在平流作用下可达高压西北侧,其上不断有高PV涡旋向西输送,是春末夏初阿拉伯海高层PV异常的主要来源．355K上从南亚高压东北侧平流到阿拉伯海上空的高PV涡强迫出气旋性环流,使该处南亚高压产生气旋性弯曲,辐散增强,在高层形成抽吸作用．低空原位于阿拉伯海低纬度的涡旋向北移动,高层高位涡向下向南伸展,在其强迫下,低涡系统出现斜压不稳定发展,最终增长成为印度季风爆发涡旋,导致印度夏季风爆发．研究还表明,阿拉伯半岛对流层中层副热带高压的变化是导致印度季风爆发的另一重要因素．季风爆发前,阿拉伯半岛维持强感热加热,对流层中层春季位于阿拉伯海上空的副高向西撤退至阿拉伯半岛上并迅速增强,位涡纬向非对称强迫逐渐发展;副高东侧的北风引导高纬度高PV南下,在阿拉伯海形成一高PV槽,有助于低纬热带低压北移正压发展为印度季风爆发涡旋．由此表明,与孟加拉湾季风爆发和南海季风爆发不同,印度夏季风爆发是发生在特定的高、中、低层充分耦合的环流背景下的、受动力和热力共同驱动的特殊过程．     

定常态副热带高压与垂直运动的关系

文中利用NCEP/NCAR月平均再分析资料研究了定常条件下二维和三维空间上副热带高压与垂直运动的关系 ;比较了Hadley环流和副热带高压动力学的差异。结果显示由于地球自转 ,在副热带地区出现了最大的经向质量通量的辐合 ,导致了纬向平均副热带高压的形成。在热成风关系的制约下 ,除了在北半球夏季 ,通常副热带高压脊线随高度增加向赤道倾斜。Hadley环流的下沉支从对流层顶垂直地延伸到行星边界层。因此副热带高压脊线与该下沉支在自由大气中位置分离 ,年际变化反相 ;在行星边界层中摩擦耗散作用使两者重合 ,年际变化同相 ,但垂直运动对副热带高压的形成不起作用。三维空间上 ,沿行星边界层的副热带高压脊线处为下沉运动 ,副热带大洋东部强烈的下沉运动对应着强烈的向赤道气流。自由大气中 ,垂直下沉运动的分布与副热带高压的分布不同。大洋上副热带高压东部大气下沉 ,副热带高压西部大气上升。这一方面与等熵面的北高南低的倾斜分布在动力学上是一致的 ;另一方面还表明副热带高压的形成也与非绝热加热密切相关。总之 ,不论是在自由大气还是在边界层中 ,不能简单地把下沉运动看成是副热带高压形成的原因。     

An Updated Coupled Model for Land-Atmosphere Interaction. Part II： Simulations of Biological Processes

In Part I, the authors succeeded in coupling the spectral atmospheric model （SAMIL_R42L9） developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences （LASG/IAP/CAS） with the land surface model, Atmosphere-Vegetation-Interaction-Model （AVIM） and analyzed the climate basic state and land surface physical fluxes simulated by R42_AVIM. In this Part Ⅱ, we further evaluate the simulated results of the biological processes, including leaf area index （LAI）, biomass and net primary productivity （NPP） etc. Results indicate that R42_AVIM can simulate the global distribution of LAI and has good consistency with the monthly mean LAI provided by Max Planck Institute for Meteorology. The simulated biomass corresponds reasonably to the vegetation classifications. In addition, the simulated annual mean NPP has a consistent distribution with the data provided by IGBP and MODIS, and compares well with the work in literature. This land-atmosphere coupled model will offer a new experiment tool for the research on the two-way interaction between climate and biosphere, and the global terrestrial ecosystem carbon cycle.     

Performance of FGOALS-s2 in simulating intraseasonal oscillation over the south Asian monsoon region

The capability of the current version of the air-sea coupled climate model, the Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model, Spectral Version 2 (FGOALS-s2), in simulating the boreal summer intraseasonal oscillation (ISO) over the south Asian monsoon (SAM) region is diagnosed, in terms of dominant period, propagation direction, and vertical structure. Results show that the coupled model can reasonably simulate the main features of observed ISO propagation compared to the chosen AGCM. These features include the eastward movement of intraseasonal 850-hPa zonal wind over the Arabian Sea and Bay of Bengal, the vertical structure in active phases, and the realistic phase relationship between ISO and underlying SST. However, the eastward propagation cannot be reproduced in the uncoupled model. This suggests that air-sea interaction is important in generating intraseasonal variability over the SAM region. Nevertheless, some deficiencies remain in the coupled model, which may relate to physical processes depicted by the cumulus parameterization and PBL schemes within its atmospheric component.     

大气中动能的双向转化和单向转化

根据绝热无耗散大气总动能和总位涡拟能守恒的特性，本文讨论了二维平面上动能谱分布随时间变化的规律。结果表明，大气谱动能变化必然涉及至少三种不同的空间尺度；或遵从双向转化原则，或遵从单向转化原则。在讨论能量的双向转化和单向转化条件的基础上，本文还分别研究斜压大气和正压大气中能量转化的一般状况。     

WRF模式对青藏高原南坡夏季降水的模拟分析

利用中尺度数值模式WRF研究积云对流参数化方案、网格嵌套技术和模式分辨率对陡峭的青藏高原南坡夏季降水模拟的影响。对2006年7月青藏高原南坡地区降水的模拟分析表明:降水对积云对流参数化方案的选择很敏感,不同方案模拟的结果差异显著,采用Grell-Devenyi质量通量方案时的模拟效果优于其他方案。在此基础上,通过5种试验方案比较发现,使用积云对流参数化方案、提高模式分辨率和应用网格嵌套技术能改善降水强度和空间分布的模拟,组合使用时模拟的降水与观测资料更接近。它们均能改进风场,使得水汽的输送和辐合过程的模拟更加准确;还能影响大气的垂直加热状态,导致不同的对流发生,使垂直速度的分布趋于合理。未使用积云对流参数化方案时,大气湿度偏小,而模式分辨率和网格嵌套技术对大气湿度的影响不大。      

时变涡动输送和阻高形成──1980年夏中国的持续异常天气

１９８０年６至８月发生在中国的持续时间长、强度大的南方低温洪涝及北方高温干旱天气与中高纬地区阻塞高压在东北亚持续发展维持有关。本文研究了时变天气系统的输送过程在强迫阻高形成中的作用。结果表明，源于欧洲强斜压带上的天气尺度扰动在东传过程中出现动能转化。这种转化满足双向法则：在向小尺度系统转化的同时，还向时间平均西风急流及大尺度的阻塞系统输送能量。位涡分析也表明，天气尺度系统维持着急流轴南侧的反气旋式平均位涡和北侧的气旋式平均位涡，并在急流分流区下游激发出高纬强烈的反气旋性涡度增长和相应的正变高。研究表明，这种波流相互作用激发阻高增长的过程比著名的１９７６年夏西欧阻高的发展还强烈得多。因此，在研究中国北方的持续异常天气形势时，除了注意热带、副热带系统的动态外，还必须注意欧洲及西亚地区强斜压带的发展及其上天气尺度系统的传播和输送特征。