非线性大气化学动力学方程组数值解法的比较

大气化学模式中描述化学反应动力学的是一组高度耦合、刚性、非线性的常微分方程组,高效精确的计算方法在空气质量模拟预测、气候化学相互作用研究中尤为重要。本文介绍了求解此类非线性常微分方程组(ODEs)的七种常见的数值计算方法,包括QSSA、MQSSA、HYBRID、MHYBRID、LSODE、Gong&Cho以及TWOSTEP方法,并基于同一反应机理进行24 h的数值模拟,通过对模拟结果的讨论分析,比较了各种方法的优劣。研究结果表明,就计算效率而言,QSSA方法最为省时。就计算精度而言,LSODE方法最优。若综合考虑计算精度和效率,HYBRID、MHY-BRID是比较适中的数值解法。

一种非线性大气化学动力学方程组的新算法

提出了一种求解非线性大气化学动力学方程组的新算法，即预测／校正拟稳态近似法（ＰＣＱＳＳＡ），该方案集中了传统的ＱＳＳＡ方案和Ｈｙｂｒｉｄ方案的优点，具有较高的计算效率和精度，对于复杂的大气化学模式和区域污染模式较适用。

大气动力学方程组的定性理论及其应用

基于完整的湿大气动力学方程组，利用无穷维动力系统的新理论和新方法，系统讨论了强迫耗散的非线性大气系统的定性理论及其应用。将完整的强迫耗散非线性湿大气动力学方程组化为Ｈｉｌｂｅｒｔ空间中一个等价的算子方程，研究了算子的性质及其物理意义，在此基础上得到湿大气系统全局吸引子的存在性定理，揭示出系统向外源的非线性适应特征，并把结果推广到有地形动力作用和非定常外源强迫的情形。同时探讨了大气方程组惯性流形的存在，大气多平衡态产生的根源以及强迫、耗散和非线性对系统解的渐近行为的影响。在理论结果的基础上，提出强迫耗散的非线性动力系统中存在三类时间边界层、方程组简化准则、分解算法的算子约束原则以及支撑吸引子基底的少数自由度的构造方法，探讨了理论在非线性发展方程差分格式的设计和计算稳定性分析、多平衡态的数值分析、数值模式延伸预报的改进、短期气候预测以及一类中尺度系统分析与预测中的应用，指出描述长期过程动力学模式的必备条件，给出初值与模式相协调的合理解释。最后，对今后的研究方向作了展望。

大气动力学方程组全局分析的研究进展

把天气预报问题提成初值问题的反问题，可以使用多时刻的历史资料去补充和完善数值预报模式。借助于几何直观可以对大气动力学方程组的极限解集进行全局定性分析，运用胞映射的概念和方法可以对大气系统的数值模式的整体特征进行全局分析和借助概率论的语言进行统计描述。还可以给出“气候”这个模糊概念的严格的数学定义及定量研究大气可预测性问题的途径。全局分析是研究气候不同于简单初值问题的另外一条道路。综述了这方面研究的最新进展。

不同方案求解非线性化学动力学方程组的比较

在一个简化的气相化学模式的基础上，比较了Ｈｙｂｒｉｄ、ＱＳＳＡ、Ｓｋｌａｒｅｗ三种计算方案求解非线性化学动力学方程组的差异，并引入误差分配和线性组合两种质量守恒技术，分析它们对模拟结果的影响．研究结果表明：不同方案对有机烃类浓度的计算几乎没有影响，但对其它气态物浓度有一定的影响．用ＱＳＳＡ和Ｓｌａｒｅｗ方案预测的结果更为相近，而采用Ｈｙｂｒｉｄ方案得到的气态物浓度的平衡时间略为提前．从计算效率来看，ＱＳＳＡ方案优于其它两种方案，两种质量守恒技术均能改善模拟结果．

大气臭氧层动力学系统中化学与动力扩散耦合过程的研究

对平流层复杂过程控制的臭氧层系统,从支配耦合的动力学方程中解出臭氧宏观数密度行为定态解析解,并判别其稳定性.结果表明臭氧层动力学系统出现m=±Jo3/H的耦合时存在临界结构不稳定.通过对控制参数功能结构和时空结构的关系分析,发现了一些非常[O2]=6.75rk3,且对应重要的动态平衡耦合形式.主要包含有:(1)光化与催化的互耦平衡JO2的转折为Jo3/2;(2)化学排斥子和动力排斥子的分界分歧点(Jo3/2,±Jo3);(3)动力扩散与光化学作用控制的动态平衡射线m=±Jo3等.它们不同的组合结构提供了支配臭氧层系统演化过程的重要控制信息,从而揭示了臭氧层宏观行为的动力学特征.与此同时,还结合南极地区上空特征的大气环境条件,讨论了那里冬春季臭氧层演变的可能解释.

化学反应动力学方程组的通用数值解法

一、前言当已知化学反应的机理,包括各基元反应的速度常数及各物种的初始浓度时,需要求解动力学方程组,从而得到各物种浓度与时间的关系,只有少数简单的动力学方程组可以求出解析解;多数情况不行,这时,一种办法是通过近似方法(如稳态法等)求解。

海洋碳循环模式(I)——一个包括海洋动力学环流、化学过程和生物过程的二维碳模式的建立

利用一个全球海洋动力学环流模式所模拟的海洋环流场 ,建立了一个全面的二维海洋碳循环模式。此模式摒弃了传统箱模式的缺陷 ,充分考虑了诸如大气与海洋间的碳交换、光合作用和氧化分解、碳酸钙的产生和溶解、悬浮颗粒物的下沉等过程 ,尤其是在模式中耦合进了以往甚少考虑的海洋生物过程对碳循环的影响 ,引入了详尽合理的参数化方案。通过模拟发现 :在稳定状态下 ,大气和海洋中总碳含量分布依赖于发生在海洋中的各种物理化学过程及边界条件 。

罗布泊盐湖晶间卤水运动特征及其动力学分析

根据地下水运动的一般规律 ,阐述了罗布泊盐湖钙芒硝储卤层及富钾卤水的特性 ,并讨论了该卤水层的变化特性。在罗布泊干盐湖区采用14 C测年技术、人工放射性同位素技术和化学示踪技术 ,研究晶间卤水循环速率、卤水渗流方向及渗透流速与实际流速 ,揭示罗布泊盐湖晶间卤水处于缓慢的流动及交替状态。探讨了新构造活动、古气候变化、地层静压力作用、深部地层水及大气降水补给作用等因素对罗布泊盐湖晶间卤水运动的控制和影响 ,提出了晶间卤水的运动模式。

全球大气环流三型分解的动力学理论研究与应用

针对气候动力学基础理论欠缺导致气候预测准确率不高的科学难题,项目充分利用数学工具,在实际大气的中高纬度罗斯贝波与低纬度哈德莱环流和沃克环流定义基础上,首次定量化地提出了全球三维水平型环流、经圈型环流及纬圈型环流的概念,创造性地构建了全球大气环流的三型分解模型,解决了全球大气环流统一表示的理论难题;结合大气运动的原始方程组,建立了全球大尺度环流三维涡度动力学方程组理论,揭示了中高纬度与低纬度及水平运动与垂直环流之间非线性相互作用的动力机制,填补了传统研究人为划分中高纬大气动力学和低纬度大气动力学的不足;开展了新理论的应用研究,发展了中国区域重大气候事件的大气环流三维结构异常演变的动力诊断与预测理论.研究成果为构建全球大气环流为整体的气候动力学理论提供了新的思路和途径,也为改进和提升我国月-季节尺度气候预测的准确率、支撑国家汛期防灾减灾的现实需求提供重要理论工具.

CS_2^+_g^2的(1+1)光解离动力学研究

在气束条件下 ,利用 4 83.2nm的激光 (3+ 1)共振增强多光子电离 (REMPI)CS2 分子以产生CS2 +离子源 ,用另一束可调谐激光在 4 2 4～ 4 82nm内 ,通过对CS2 +( X2 Πg) (1+ 1)双光子共振解离产生的碎片离子激发谱的探测 ,来获取CS2 +的光解离动力学信息。光解离碎片S+的激发谱(PHOFEX)可归属为CS2 +( A2 Πu,3/2 (v′ =0～ 4 ,v′ =v1′ + (1/ 2 )v2 ′)← X2 Πg ,3/2 (0 ,0 ,0 ) )和 ( A2 Πu,1/2 (v′ =0～ 4 )← X2 Πg ,1/2 (0 ,0 ,0 ) )的跃迁。对CS2 +光解离动力学的研究表明 ,其产生S+的通道为 :(i)CS2 +吸收一个光子从基态 X2 Πg 共振激发至 A2 Πu 态 ,(ii)已布居的 A2 Πu 态的振动能级和 X2 Πg 态的高振动能级产生耦合 ,(iii)吸收第二个光子从上述耦合的振动能级进一步激发至 B2 Σu+态 ,再通过 B2 Σu+态与4 Σ- 态间的自旋 -轨道相互作用 ,经由4 Σ- 排斥态解离产生S++CS。

氯原子与甲酸反应的反应路径和动力学研究

用从头算UMP2方法采用 6 3 11+G 基组详细研究了Cl原子与甲酸反应的最佳反应路径 ,对所有驻点都进行了G2单点能校正 ,结果表明 :在Cl与HCOOH反应的过程中 ,Cl原子主要夺取trans HCOOH中C端的H原子 ,产生cis HOCO基团 ,反应的势垒为 16 7kJ/mol.考虑Cl原子存在下的二级反应 ,cis HOCO将通过通道R1a1和R1a2 生成trans HOCOCl再分解为最终产物CO2 .cis HOCO和trans HOCO自由基与Cl原子的反应为放热和无势垒过程 .而HOCO和HOCOCl两个中间体的cis 到trans 转化势垒分别为 15 1和 3 3 5kJ/mol.由于构型的原因 ,HOCOCl分解成CO2 和HCl必须通过trans 构型来进行 .这步反应的势垒较高 ,为 13 1 0kJ/mol.2 98K时 ,采用经典过渡态理论计算得到的引发步骤的H 迁移反应的速率常数与实验值符合很好 .也计算了甲酸二聚体与Cl原子的H 迁移反应的速率常数 .

温室大棚小气候的热力—动力学分析

根据大棚的结构特点,利用简化的大气热力—动力学方程组,以分析和数值的方法,对大棚内温度的时空分布进行了分析。并以该模型下的解析解作为加热下大棚温度的初始场,通过对热传导方程的边界值和初始场的讨论,利用分离变量法给出了方程的简单解析解,并给出其在不同时刻的数值模拟。通过对解析解的进一步分析,得出了该模型达到定常状态的时间。这一模型可以为以后以动力学方法进一步研究小气候提供参考。

烯丙雌醇片在健康人体的药代动力学研究

目的:建立准确、灵敏的液相色谱—串联质谱法(LC-MS/MS)测定人血浆中烯丙雌醇的浓度,并评价中国健康女性受试者单剂量口服烯丙雌醇片后的药动学特征。方法:20例女性健康受试者单剂量口服20mg烯丙雌醇片后按时采集血样,以米非司酮为内标,采用APCI正离子选择性反应监测测定烯丙雌醇血浆浓度,计算药动学参数。结果:单剂量口服20mg烯丙雌醇后,烯丙雌醇的主要药动学参数Cmax为(12.48±4.18)ng·ml^(-1),Tmax为(1.9±0.8)h,t1/2为(8.4±3.2)h,MRT0-∞为(6.7±2.6)h,AUC0-36为(41.29±14.83)h·ng·ml^(-1),AUC0∞为(42.72±15.33)h·ng·ml^(-1)。结论:建立的LC-MS/MS测定法结果准确可靠,灵敏度高。

大气污染物SO_x输送方程的尺度分析

文中用量纲分析方法分析了控制大气污染物输送方程的动力学特性。提出了 6种反映大气污染物输送过程中各种动力、物理和化学过程相对重要性的动力学参数。并以硫氧化物为例进行了各参数量级大小分析 ,尤其对 3种起汇作用 (去除机理 )的机理 (化学转化、干沉降和湿清除 )在不同尺度大气污染过程中的作用进行了详细分析。结果表明 :在一般情况下 ,SO2 的气相化学作用小于干沉降和湿清除的作用 ;干沉降作用很依赖于模式最底层厚度的选取 ;在有降雨时湿清除作用一般较大。文中还对大气污染物SOx 输送方程各项特征量的量级作了分析对比 ,得出了控制不同尺度大气污染物输送过程的零级近似方程和一级近似方程 。

大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室研究进展

2006年大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（State Key Laboratory Modelling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics，LASG）在国家973项目、国家自然科学基金委重大、重点项目、创新研究群体科学基金、院创新团队国际合作伙伴计划项目、院方向性项目等的资助下，在天气气候动力学、气候模式发展、可预报性研究、上层海洋一低层大气生物地球化学与物理过程耦合研究和计算地球流体力学等方面取得重要进展．

长江三角洲地区低层大气物理化学过程与生态系统相互作用——“九五”国家自然科学基金项目

长江三角洲地区低层大气物理化学过程与生态系统相互作用———“九五”国家自然科学基金项目“长江三角洲地区低层大气物理化学过程与生态系统相互作用”是国家自然科学基金会支持的“九五”重大基金研究项目，由周秀骥院士主持。长江三角洲地区是我国经济中举足轻重的地...

OBrO+NO反应机理的量子化学研究

用密度泛函B3LYP/6-311+G^(##)和高级电子相关偶合簇CCSD(T)/6-311+G^(##)方法研究了 OBrO与NO反应的微观机理。优化得到反应路径上的反应物、过渡态、中间体和产物的几何构型,通过频率振动分析对过渡态和中间体进行了确认。结果表明;该反应是多通道多步骤的放热反应,分别可以在单重态和三重态势能面上进行,OBrO与NO通过加成及加成-消除机理分别形成产物BrONO_2和BrO+NO_2,从能量上看,形成离解产物的通道更容易进行。