一个用于全球气候变化研究的海洋大气环流耦合模式

本文初步建立了一个可用于模拟几十年到上百年气候变化的全球大气－海洋－海冰耦合的环流模式（ＣＧＣＭ）．该模式采用“预估－校正”的月平均距平耦合方案，把一个两层大气环流模式（ＡＧＣＭ）和一个２０层海洋环流模式（ＯＧＣＭ）耦合在一起；由于北冰洋尚未被包括在海洋模式内，因此我们在大气模式中嵌入了一个北冰洋薄层热力学海洋模式。１３０年的积分试验表明，尽管耦合模式的长时期积分中存在着明显的气候漂移现象，但模式模拟的全球气候的空间分布特征基本上是合理的。这为进一步利用该模式模拟全球增强温室效应提供了数值实验依据。

一个用于全球气候变化研究的海洋大气环流耦合模式Ⅱ.模式气候漂移和增强温室效应的初步分析

着重分析和讨论全球大气，海洋－海冰耦合环流模式的两个长时间数值积分试验──１３０年控制试验和９５年敏感性试验（增强温室效应试验），尤其是控制试验中的气候漂移现象以及与此相关的敏感性试验中增援信号的提取问题。在控制试验中，大气二氧化碳浓度维持当前的气候值不变；而在敏感性试验中，大气二氧化碳浓度开始时以１％的速率等比增加，它在积分至７０年且其值已达初始值的二倍后便不再变化。分析结果表明，尽管这个耦合模式的长时期积分中存在着明显的气候漂移，但敏感性试验给出的全球增暖的基本特征在物理上是合理的；这个耦合模式产生气候漂移的主要源地是在高纬度海洋的冰水交界区，且初步的热收支估算揭示它可能与冰－水交界区的耦合方案有关。本文最后在对控制试验和敏感性试验的环流型式的时间演变进行相关分析的基础上给出了有关全球增暖幅度的３种估计，同时指出：尽管全球增暖的空间分布不可避免地要受到模式气候漂移的影响，但这种影响的大部分在计算气温年较差的变化时却可以被自动扣除。

全球大气环流模式BCC_AGCM2.0.1对1998年夏季江淮流域强降水过程的回报试验研究

利用中国气象局北京气候中心全球大气环流模式(BCC_AGCM2.0.1)对1998年6月24日～7月3日发生在我国江淮流域的强降水天气过程进行了回报试验。模式起报时间为1998年6月24日00时,使用前10天NCEP-II再分析逐时温度、涡度和散度场进行预报前初始协调(spin-up)积分,产生模式初值,预报时段为1998年6月24日～7月10日,回报试验结果表明:模式对全球500hPa位势高度的天气尺度演变过程具有4～7天的可预报性;BCC_AGCM2.0.1模式对中国区域的降水以及大气环流场具有3～4天的可预报性,6月24日起报后3天内的预报降水区域位置与实况一致,但中心强度有所差异。对起报后未来2天的5mm和10mm以上的降水预报能力相对较强,ETS评分值达到了0.25以上,HK评分超过了0.4,降水区域范围预报较为准确,BIA评分趋于1.0。模式对20mm以上的降水也具有一定的可预报性,但模式对大于30mm以上强降水的预报能力较差。

全球气候变暖背景下的大气环流基本模态

利用 NCEP/NCAR REANALYSIS 1948年1月～2001年2月1000～100 hPa的高度场资料研究全球纬圈平均大气环流的变化。EOF1显示全球纬圈平均大气高度场在高纬度和低纬度地区呈明显的反向变化,这一变化特点解释了总方差的一半左右。从时间系数上看,近53年低纬度高度上升,高纬度高度下降。这表明20世纪60年代以后,特别是20世纪80年代中期以后,对流层中纬度西风有明显的加强趋势。与全球平均地面气温变化比较证明这种大气环流的变化与全球平均地面气温的变化有显著的相关。用观测海温强迫运行大气环流模式积分两个50年(1900～1950年和1950～1999年),EOF1与再分析资料所得的EOF1特征十分相似,解释的方差大小也基本一致。伴随着近20年的全球气温的剧烈上升,低纬度高度场升高,高纬度高度场降低,两个半球中纬度西风显著加强成为全球大气环流变化的最主要特征。

一个五层大气环流模式动力学框架的正压RH波检验

本文从大气动力学和热力学的原始方程出发,在参考外来模式的前提下,自行设计了一个五层的全球大气环流谱模式,并在干绝热无摩擦条件下对模式进行了传统的正压RH 波检验。旨在判定所设计的谱模式动力学框架性能的好坏。试验结果表明,此模式的干绝热动力学框架设计体现了一般模式所具有的可靠性。

课例:《全球性大气环流》第一课时

一、教学设计（一）三维目标1.知识与技能：理解三圈环流的形成过程;掌握气压带与风带的形成以及移动规律。2.过程与方法①读图分析能力：能运用图示来正确分析和解释气压带、风带的一些问题。②培养学生自主探究合作学习的能力。

全球海气耦合模式(BCC_CM1.0)对江淮梅雨降水预报的检验

以国家气候中心全球大气-海洋耦合模式(BCC_CM1.0)20年的预报产品为基础,重点分析了该模式对中国江淮梅雨的预报能力以及梅雨预报中存在误差的可能原因。试验表明:BCC_CM1.0对江淮梅雨降水有一定的预报能力,模式基本上能够预报出气候态下梅雨降水的空间分布特征。尽管其方差贡献率和时间系数与观测相比有偏差,但模式还是能够预报出梅雨降水的主要模态。气候平均下,BCC_CM1.0模式预报的梅雨雨带位置偏北,因而预报的江淮流域长江以北降水偏多,而长江以南预报的降水偏少。同时发现模式对江淮流域梅雨期中等强度降水预报较好,雨强概率分布与观测结果基本一致,而对大雨强降水和小雨强降水预报相对较差。合成分析发现,江淮流域雨带偏北、降水偏少时,模式的预报能力较好;而江淮流域雨带偏南、降水偏多时,模式预报能力相对较差。BCC_CM1.0对高度场的预报普遍偏低,尤其是在青藏高原上空有一个虚假的低值中心,对副热带高压的预报也偏弱,这样使得东亚季风区气压梯度增加,从而导致预报的东亚夏季风偏强、向北推进的幅度加大,最终致使预报的梅雨雨带偏北。此外,比湿场预报的偏差也可能是造成梅雨雨带偏北的原因之一。

利用GCM模式对全球雷电活动的模拟分析

将修正的参数化方案嵌套入美国马里兰大学海- 陆- 气研究中心的全球大气环流谱模式（COLA GCM），建立了可用于全球雷电活动模拟与估测的模式系统。通过对模式输出与实况资料的对比，检验其气候模拟性能。虽然模式的分辨率较低但经过较长时间积分，仍可再现实况资料的主要特征。性能良好，计算稳定，且因时间步长较大可大大节省机时。耦合模式系统经长时间的积分后，模拟的多年平均的全球雷电频次时空分布及变化与观测分析较一致。全球范围内每秒钟平均有 79次的雷电发生，陆海比为１２．２。多发生在北半球夏季且具明显的季节变化特征。

大气模式中季节内振荡特征对不同海温强迫场的响应

利用美国国家大气研究中心 (NCAR)的全球大气模式 (CCM3) ,分别以月平均和周平均海表温度 (SST)为强迫场进行 2个积分试验 (称为 CCMM和 CCMW试验 )。积分结果与观测资料的对比分析发现 ,CCM3模拟大气季节内振荡 (MJO)信号的强度均较观测资料偏弱 ,而其中以CCMW模拟的强度略大而较接近真实。表明 SST强迫场包含更真实的季节内变化信息对提高模拟 MJO强度有作用。 CCMM与 CCMW模拟 MJO活动的时间位相均与观测差别较大 ,直接原因在于 CCM3中降水季节内振荡与 SST变化的相关关系不正确 ,而更根本的问题在于大气模式无法反映资料分析发现的季节内时间尺度的 SST与大气的相互作用。

混合海气耦合模式中与ENSO相关的大气年际变化性

利用混合海气耦合模式４５ 年模拟积分的结果，对模式大气的年际变化性进行了分析。结果表明，在这样的海气耦合系统中，大气分量表现出显著的年际变化，冬、夏季异常环流型的分布与观测资料的分析结果基本相符。因此，该模式不仅能较好地再现热带太平洋的ＥＮＳＯ 变化性，而且能较好地再现ＥＮＳＯ 引起的全球大气环流的年际变化性。

全球大气成分和气候变化的辐射动力-光化学模拟研究

本文简要讨论下列各类大气过程:辐射、动力和光化学过程的数学模式,这些过程构成全球气候及其大气成分的组成。我们主要应用参数化的一维和二维辐射-光化学模式来模拟这些过程的相互作用,并开始用大型的光化学也占一席之地的三维大气环流模式模拟它们的相互作用。文中描述了包括固定的物质输送以及由于大气运动引起的交互作用的物质输送的平流层辐射-光化学模式的基本组成部分,以及它们对外参数的敏感性。根据最近政府间气候变化专业委员会(IPCC)有关释放到大气中的温室和光化学活性气体的方案,估算了直到2100年的全球大气气体成分、温度和湿度的可能变化。最后本文评价未来必要研究的方向。

近千年全球平均气温变化的研究

综合分析了Mann等、Jones等、Crowley等及Briffa所建立的4条代表北半球或全球平均的近千年气温序列,介绍了王绍武等用30个站代资料建立的近千年全球平均气温序列(W),以及用能量平衡模式所作的近千年气温变化的模拟结果(S),对各种气温序列与模拟结果作了比较,W的振幅最大,与S相关系数最高(0.83),对重建与模拟千年气温变化的不确定性进行了讨论,利用大气环流模式所作的模拟研究评估了根据30个站建立全球气温序列可能包含的误差,并指出11世纪的气温明显高于近千年平均气温,这在一定程度上也可以反映出中世纪暖期。不过,20世纪仍然是近千年中最暖的一个世纪。

青岛海陆风三维结构的数值模拟

本文采用 1个陡地形影响修正的三维中尺度流体静力的气象学模式 ,对青岛地区海陆风的日变化规律和三维结构进行了较细致的分析。结果显示 ,青岛有多支海陆风存在 ,且每支海陆风出现的时间、强度和向内陆伸展的距离有很大的不同。这其中沿岸山地的机械和热力作用扮演着重要的角色。在观测站 ,模拟结果和实测资料等方面有较好的一致性。

地球系统模式中的碳循环及其检验

世界气候研究计划（WCRP）提供的耦合模式对比计划第五阶段（CMIP5）的地球系统模式（ESM）较之以前增加了较为复杂的碳循环,即在原有的全球大气耦合海洋环流模式（AOGCMs）中,把大气与陆地和海洋碳循环过程加入,这样较真实地再现碳循环和物理气候系统之间的相互作用[1].为了表征它们之间的相互作用以及考虑碳循环响应于未来的气候变化和CO2的变化,经常考虑碳—浓度参数化和碳—气候反馈参数化,这是两个强的和相反的反馈.碳—浓度参数化是度量陆地和海洋碳库对大气中CO2浓度变化的响应程度,从大气的观点是负反馈.碳—气候反馈参数化是度量温度和其他气候变量变化的响应,从大气的观点一般是正反馈.碳—浓度响应决定由于CO2增加碳库的变化;碳—气候响应决定由气候变化造成碳库的变化.

全球电离层对2000年4月6-7日磁暴事件的响应

利用分布于全球的电离层台站的测高仪观测数据,对扰动期间,f0F2值与其宁静期间参考值进行比较,研究了2000年4月6-7日磁暴期间全球不同区域电离层的响应形态,并通过对比磁扰期间NmF2的变化与由MSISE90经验模式估算的中性大气浓度比(no/nN2)的变化,探讨了本次事件期间的电离层暴扰动机制.结果表明,在磁暴主相和恢复相早期,出现了全球性的电离层F2层负相暴效应.最大负相暴效应出现在磁暴恢复相早期,即电离层暴恢复相开始时间滞后于磁暴恢复相开始时间.在磁暴恢复相后期,一些台站出现正相扰动.研究结果表明,本次事件期间的电离层暴主要是由磁暴活动而诱发的热层暴环流引起的.

利用混合海气耦合模式的气候异常预报试验

用混合海气耦合模式长期积分的模拟结果 ,分析了模式大气的年际变化性 ;用 1 979～1 994年间的“回报”个例 ,探讨了该模式对ENSO引起的全球气候异常的预报。结果表明 :模式能较好地再现与ENSO相关的全球大气环流的年际变化特征 ;对预报而言 ,模式较高的预报技巧主要分布在热带地区 ,全球热带大气具有较稳定的 1年左右的可预报时效 ;基本上可预报中、高纬地区由ENSO引起的冬、夏季大气环流异常 (包括气温和降水 ) ,超前时间可达 9个月至 1年。

HPS模式在“全球性大气环流”教学中的应用

HPS教育是近年来西方一些科学教育专家以建构主义为指导思想，倡导的一种新的课程与教学模式。这种模式要求把科学史（History）、科学哲学（Philosophy）和科学社会学（SociologyofScience）的有关内容引入中小学科学教育，以促进学生对科学本质的理解，培养他们的科学精神和创新能力。

一个气候系统模式中大洋热盐环流对全球增暖的响应

利用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(IAP/LASG)气候系统模式GOALS,讨论了全球增暖背景下大西洋热盐环流的变化.结果表明,全球增暖令北大西洋高纬热盐环流的下沉区海温升高、海水变淡,海水密度随之降低、海水下沉减弱,其与低纬大洋间的经向密度梯度减少.当大气中CO2浓度加倍时,热盐环流减弱8%.这种变化主要限于北大西洋而非整个输送带的均匀一致减弱,它带来大西洋中高纬度极向热输送减弱最多达10%.

MOZART-2对欧洲地区对流层臭氧的模拟研究

运用新建立的全球三维大气化学模式MOZART-2与全球三维大气环流模式CAM2的离线耦合模式系统对欧洲地区地面和对流层O3浓度(注:本文中浓度均指体积分数)进行了数值模拟,并将模拟结果分别与欧洲两个站点的地面观测资料和四个站点的O3探空观测资料进行了对比分析.模拟结果与欧洲地面观测资料的对比分析表明,该模式系统除了对德国Hohenpeissenberg地面观测站O3浓度略微高估和荷兰Kollumerwaard地面观测站O3浓度有些低估外,基本上能反映所在地区地面O3和CO浓度的季节变化特征.模拟结果与德国Lindenberg和芬兰Sodankyla两个站点O3探空观测资料的对比分析表明,该模式系统能较为成功地再现对流层O3浓度的大小和垂直梯度特征,特别是能较为准确地模拟出两站点秋季对流层中部O3浓度的大小.另外,该模式系统也基本上能够反映该地区对流层O3浓度的季节变化和纬度变化特征,对德国Hohenpeissenberg站点和挪威Ny Alesund站点对流层上层O3浓度的模拟结果更接近于观测值.本研究结果表明,该模式系统对欧洲地区对流层O3浓度的大小和分布具有良好的模拟性能,这为进一步运用该模式系统探讨欧洲地区的污染排放物对亚洲的输送问题提供了科学的依据.