曾庆存院士书法作品欣赏

曾庆存,中国科学院院士。气象学和地球流体力学家。中国科学院大气物理研究所研究员。广东阳江人,1935年生。1956年北京大学毕业,1961年获苏联副博士学位。后在中国科学院大气物理研究所工作,1978年破格评聘为研究员,后任所长(1984-1993)兼大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室主任。1980年被选为中国科学院学部委员(现称院士),1994年被选为俄罗斯科学院外籍院士,1995年被选为第三世界科学院院士。他曾获国家自然科学奖二等奖2项、三等奖1项,中国科学院自然科学奖一等奖5项和何梁何利科技进步奖等。

跨季度气候距平数值预测试验

本文报导我们用海气耦合模式所进行的两次跨季度气候距平数值预测试验:一次由1988年秋季(9月)开始预测至翌年初夏(5月),另一次由隆冬(1989年1月)开始预测至8月,预测时效均超过半年,其结果是令人鼓舞的。 我们经过分析认为,作跨季度气候预测必须用耦合模式。本试验中我们采用大气物理研究所的大气环流模式和大洋环流模式,其中的大气环流模式能较好地模拟出全球气候状态,尤其是夏季形势及东亚季风区的季节突变现象;大洋环流模式消除了“刚盖近似”,模拟得到的海表层洋流、水温及海表热通量、上层海洋热贮存率等都比较接近实况。在进行耦合积分时,初条件取自观测得到的月平均大气环流资料和海表温度场(SST)及经协调性积分后的模式海候场,采用海洋、大气非同步耦合方案;同时,对海气相互作用各项进行订正,以消除模式气候场和海候场的系统性偏差。 这两次试验的初始场反映出太平洋有大范围和较强的海表温度距平(SSTA),是典型的La Nino(即反E1 Nino)现象。试验结果表明:环流形势季节转换、SSTA的维持及演变(如1989年5月以后La Nino的终止)、东亚地区各月和季度降水距平等大形势分布的预测都可以说是成功的。这似乎说明,当有较大范围和较强的大气或海洋环流形势异常(如SSTA)时。

大气环流的季节突变与季风的建立I·基本理论方法和气候场分析

将曾庆存等提出的大气环流的季节划分和计算季风的理论方法作了改进,使之更便于研究季风的建立过程.该理论方法将环流突变和季风建立时段,其'变差度'和与其前和其后场的'相似度'等由空间场的泛函随时间的变化(即数学名词上的'流'[flow])一起求出来.研究Ⅰ先分析气候平均场,Ⅱ分析各个别年份的情况及年际变化.研究Ⅰ的结果表明:(1)该方法可以客观定量地定出'突变'时段的关键日期;与季风建立过程联系,即是季风建立的'预兆日期',它比人们用天气-气候学方法(甚至用别的气象要素)定出的可以明显感觉到的或有明显实用价值的'季风来临日期'要早2至4天.(2)在北半球亚澳季风系统区域,夏季风的来临在许多关键地区伴有明显的环流突变,建立和推进者很快,但也有许多区域不表现为当地环流的突变,推进速度也慢.(3)北半球亚澳季风系统低空的热带季风分支,在6月中以前可明确区分为3个子系统,(a)西太平洋暖池和邻近低纬区域,4月中下旬建立;(b)热带东北印度洋(北界与孟加拉湾相邻,但不包括其在内)及索马里东边海洋,4月末至5月初建立;和(c)南海区域,5月上旬从南到5月下旬到北部.南海夏季风向北推进最快,于5月末候即可达北回归线附近,然后与暖池西北区域风场的突变一起,于6月中旬影响到东亚30°N区域;印度洋季风于6月初到达印度半岛东南端,然后逐渐推向印-巴次大陆.7月中以后,热带季风才连成一片,由非洲东岸直至长江下游和菲律宾附近.副热带季风分支于6月中旬可以感到其影响,于7、8月盛行于东亚和西太平洋区域,且结构和演变都比较复杂;6～7月间只表现为在(5～20°N,120～150°E)区域有强的环流突变(与副高增强并北移对应),7月中至8月底,则在上述区域和沿30°N的长江下游和日本以南的洋面上有3个强的环流突变中心(对应于副高又一次增强北移和西伸).这里暂不讨论温寒带季风分支.(4)季风具有鲜明的三度空间斜压结构,尤其是在低空季风'爆发'之前,平流层早已有强的环流突变,季节调整完成,然后突变向下延伸(虽然强度大减),跟着就有当地的低空季风'爆发'(建立).平流层和对流层环流的相互作用及其与季风建立的关系很值得进一步研究.

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。

气候动力学与气候预测理论的研究

主要概述了中国科学院大气物理研究所近些年来在气候动力学与气候预测理论研究领域的若干重要研究进展。通过对气候系统变化多尺度特征及其动力学的分析和研究,提出了一系列气候系统动力学理论,并在此基础上提出了适合于我国季风气候特点的气候预测理论和方法,在国际上率先开展了跨季度数值气候预测,进一步建立了先进、完善的短期数值气候预测系统,并应用于我国夏季旱涝预测业务。这些工作既带有极大的基础性意义,同时也具有巨大的应用价值,为我国大气科学及气候科学乃至环境科学的研究提供了重要工具。

跨季度动力气候预测系统IAP DCP-II

概述中国科学院大气物理研究所研制的跨季度动力气候预测系统 (IAPDCP II) ,及其在我国夏季降水距平预测业务中的应用情况。该系统的试用始于 1 988年 ,1 998年定型为现今版本 (即IAPDCP II)。 1 998年起至今 ,每年预测的检验说明 ,该系统有较好的跨季度预测能力 ,能预报出夏季降水距平的大范围分布形势。

旋转二维可压缩流动的谱和特征函数——Ⅱ:谱和谱函数结构的分析

本文第一部分(Ⅰ)已给出了线性化旋转二维可压缩流动方程的谱分布,并作了初步分析。本部分(Ⅱ)对这些谱及谱函数作进一步的分析讨论。设基流是低速流,此时可用摄动法求得谱和谱函数,将它们与用差分法所得结果进行比较,表明二者吻合得很好。摄动法中的离散谱初级近似就是无基流时的相应的谱,而连续谱对应的谱函数初级近似则与准地转模式的结果一致。由初级近似和一级修正项可以清楚地说明计算所得的谱和谐函数的许多重要性质。 在低速基流情况下:(1)重力一惯性波为准简谐波,基流和可变的Coriolis参数只给以较小的修正。(2)由于基流在Coriolis力作用下使自由表面有一坡度,Kelvin波必定具有横穿波射线的速度分量,同时顺传和逆传的Kelvin波不再在形态上相似;当基流愈强时上述两性质愈明显;Coriolis参数随空间的变化也改变了顺传和逆传波的相似性,此外,Kelvin波是准非频散的。(3)不为零的基流或科氏参数的变化使慢波离散谱变为非简并的即分立的,它们或者有无穷多个且基流流速为相速的聚点(当基流为常数时),或者只有有限个,甚至不存在;而当基流有切变时则有连续谱。对应于离散谱的谱函数为准简谐波;而对应于连续谱的谐函数则为广义解,但有有限能量。 本问题的谱函数与其伴随算子的谐函数正交。

南北两半球大气的相互作用和季风的本质

理性分析和利用NCEP/NCAR资料进行统计分析表明:大气环流的季节变化和越赤道气流即两半球的相互作用首先是由于赤道面与黄道面有交角而使太阳辐射有年变化所致,行星热对流环流是热带季风的“第一推动力”,而地表面特性差异(海陆热力特性差异以及地形高度等)所导致的准定常行星波为“第二推动力”。如以推动大气质量跨纬圈传输的效力来看,平均来说二推动力的功效之比为2:1。第二推动力在亚澳季风区与第一推动力合拍,使热带季风在亚澳区内最明显,而各经圈环流圈的上下及南北关联及与中高纬准定常行星波的配置则使全球范围内从低纬到高纬、从低空到高空有地域性的明显季节变化区,从而构成三度空间的全球季风系统。

大气边界层非常定下沉急流和阵风的起沙机理

首先用动量原理导出水平沙尘通量Q的Bagnold型公式,由此可以反推出使Q达到统计平衡态所需的气流水平动量下传的作用时间。其次导出准常定下沉急流情况下的公式Q,此时公式中的摩擦速度u*应由u**代替,其中u4**=u4*m+u4*,u*m和u*各指由下沉平均急流和脉动的动量垂直通量所对应的特征速度(习惯上称为摩擦速度)。其后指出,在研究风蚀和计算沙尘通量时,应以1 min做统计平均为宜,否则会过低估算了起沙尘的时段长度和起沙尘量。最后指出,不同频率的扰动和脉动的起沙尘效率是不同的,以适中的频率效率最高,从而在非常定急流作用下,应用u**e代替u**,其中u*4*e=u4*m+u4*e+(1+A4)u4*g,而u*m,u*e和u*g则各为由平均急流、湍流脉动和阵风所导致的相应摩擦速度,A为阵风增益系数。

沙尘暴及相关的自然灾害

报告扼要概述了我国沙尘暴监测、预测和预警以及灾害评估的业务化运行系统。该系统在中国气象局、中国科学院和一些大学共同努力下,从2002年建成并在业务上试运行,2004年起正式投入业务使用。该系统业务应用以来,对发生的沙尘暴无一遗漏,预报较准确,效果良好;春季沙尘天气-气候趋势跨年度-跨季度预测也很有参考价值。灾害初级评价系统也对政府和经济部门有用。此外,文章还谈及沙尘暴在漫长岁月里长期累积的沧海桑田效应(对人类有利)和气候效应(尚不知其利弊),以及作为灾害的防治问题。

旋转二维可压缩流动的谱和特征函数——Ⅰ:谱点的分布

本文对旋转二维可压缩流(正压原始方程模式)中的谱和谱函数进行了分析和数值计算。这一部份主要讨论谱的分布,结果表明:在正压原始方程中存在三支谱系。当基流为稳定时,这三支谱系均是实的,其中两支为离散谱,分别对应于顺风和逆风传播的重力惯性波(快波),另一支则对应于Rossby波(慢波)。当基流无切变时,慢波由离散谱点组成,慢波相速以基流速度为聚点;且基流为零和科氏参数为常数时退化为无穷维重迭谱点,与聚点重合当基流有切变时,慢波由离散谱和连续谱组成,其中离散谱还可能不存在。当基流速度接近或超过C_0时,最靠近“慢波”的二个或几个原来的重力-惯性波转化为混合型波。当基流为不稳定时,则存在复数的谱点(此时该谱点必定是离散谱)。理论分析和数值计算都得到了广义正压不稳定、超高速不稳定和混合类型的不稳定,而广义正压不稳定属于慢波。我们将在本文的第二部分中讨论相应的谱函数。

大气边界层阵风扬尘机理

东亚春季冷锋后的强风及其伴随的系统下沉气流和叠加其上的阵风,都对当地起沙十分有利。但此系统的下沉气流却压制着沙尘,使之不能上扬到大气边界层内。经过仔细计算和分析发现,正是阵风的三维相干结构,使得积聚在风沙边界层的沙尘可以持续地克服系统的下沉气流,而不断上扬到大气边界层的中上层。再藉中上层和其上系统的上升气流,将沙尘带到对流层,扩散到更大范围和传送到远方。这是东亚春季强风起沙扬尘最常见和最有效的机理。

大气环流的季节变化和季风

利用多年平均气候资料计算了全球各地和各等压面上的大气环流季节变率（即冬季和夏季环流之差或者１月和７月环流之差再除以年平均），发现在对流层低层环流有５个很突出的季节变率极大值的区域，分别位于热带和南北两半球的副热带和中－高纬度带（温－寒带），它们分别对应于经典所谓的热带季风区，太平洋、印度洋和大西洋的副热带高压季节性移动区域，以及温－寒带气旋的风暴轴线区域。这５个区域也可分别称为热带季风区、副热带季风区和温－寒带季风区。季节变率带有鲜明的斜压性：在对流层低层热带季风和副热带季风虽相互连接然而仍然明显可分，但越往上，副热带季风一支就越往低纬移动，结果在２００ｈＰａ处与热带季风混合为一，形成为斜交赤道的带，和所谓的行星季风区相对应；再往上，在平流层上层，则南北两半球各在中纬度带有一完好的非常鲜明的季节变率极大值带，它们与黑夜急流的维持和崩溃有关。此外，文中还探索了各季节来临的时空分布以及年际变化等问题。

论大气环流的季节划分和季节突变 Ⅰ:概念和方法

本工作系列讨论大气环流的季节划分和季节突变问题.本文是第一篇,提出普适的概念、理论和方法,使大气环流和其他气候场的季节划分和季节突变定义建立在客观定量的基础之上.首先用两个场的相关系数R作为其相似性度量,也可以用归范化的两个场之差的根方值d作为差异性的度量.当存在着冬、夏季的典型场F_n和F_s时,取任何时刻t函数F与F~*≡(F_w+F_s)/2之差F~'作为变量场,则其与F~'_w≡F_w-F~*的相关系数R_w(t)及标准根方差d_w(t)可以作为F与其冬季典型的相似性或差异性度量.R_w与d_w^2之间有一定关系,一般只研究R_w即可.(1)可以定义冬季对应于1≥R_w(t)>0.5,夏季为-1≤R_w(t)<-0.5,过渡季节为-0.5<R_w(t)<0.5.(2)设由此算得的冬季长度为T_w,由冬至夏的过渡季节(春季)长度为t_w,则1-τ/T_w为由冬至夏的突变性度量.当有理想突变时,τ_w=0,1-τ_w/T_w=1;当季节变化为简谐函数给出时,有1-τ_W/T_w=1/2;而当过渡为缓慢的,就有1-τ_w/T_w《1/2,例如当τ_w=T_w时有1-τ_w/T_w=0.(3)个别年份的季节强度只能由R_w(t)[||F~'||/||F_w~'||]来度量,其中F_w为长期气候平均的典型冬季场.此外,当没有确定的典型函数场时,只能计算函数时间变化系列的滞后相关R_τ(t)和滞后离差d_τ(f),其中τ为时间间隔。

“雅安天漏”研究 Ⅲ：特征、物理量结构及其形成机制

本文的这一部分首先进一步分析了第二部分的预报结果，结果发现，在本文第二部分所建立的模式，不仅较好地预报出了２４小时总降水量，而且也较好地预报出了“雅安天漏”的降水特征和降水中的物理结构。模式基本上抓住了形成雅安降水的主要影响因子。然后通过一系列精心设计的数值模拟试验得到了形成雅安降水的可能机制。

控制论与人工影响天气 Ⅲ:自然控制论在人工增雨作业中的应用框架

应用自然控制论的理论方法,提出人工增雨作业和效果检验的框架。它将事前和作业进行过程中的观测和预报、调控方案(滚动式的和有反馈回路的)、作业和效果检验紧密联系成一个整体系统,将调控方案提为最优化问题,并把不断的观测资料同化到滚动式预报模式和求优化之中。所提出的一种效果检验方法是比较客观和定量的。

气候模式的概念、方法和现状

一、什么是气候模式 估计大气中二氧化碳含量增加引起的气候变化的主要方法是“物理方法”。所谓“物理方法”,就是根据基本的物理定律(如牛顿运动定律,能量守恒定律和质量守恒定律等)来确定“气候系统”的各种成份(大气、海洋、冰雪、植被及陆地表面等,见图1)的性状。这些物理定律通常是用数学方程式表达的,由此构成了气候的数学模式,也就是我们所说的气候模式。气候模式不仅可用于模拟当代气候,而且可用于模拟某些“外部”条件(如地球大气所接受的太阳能量,大气中二氧化碳含量等)