热带大气10～20天振荡的大气环流模式数值模拟

利用大气环流模式对热带大气１０～２０天振荡进行了数值模拟研究，其结果同观测资料分析基本一致。模式资料的功率谱及动能的分析表明，１０～２０天振荡确实比３０～６０天振荡更突出地存在于热带大气中。同热带大气３０～６０天振荡的结构有些不同，对于在热带１０～２０天振荡，除纬向１波外，纬向２波也很明显；流动的斜压结构特征欠佳；系统以较快速度沿赤道西移。暖ＳＳＴ事件对热带大气１０～２０天振荡的影响也进行了模拟，对结果的比较分析表明，暖ＳＴＴ将使１０～２０天大气振荡减弱，使其结构更趋正压性。

汾河谷地大气环境容量与大气污染过程的数值模拟与敏感性分析

对汾河谷地及太原市在2015年1月的一次重污染过程运用WRF-Chem模式进行污染过程的数值模拟、观测验证和地形敏感性实验,分析了河谷地形对区域污染过程和大气环境容量的影响机制。结果表明:太原市及周边汾河谷地大气边界层环流和大气污染传输受天气系统、地形和城市化共同影响;地形环流强度明显强于太原城市热岛环流,且对其发展存在明显抑制作用,从而限制了城市大气环境容量,加剧城市近地面大气污染物的堆积和空气质量恶化;研究区域大气环境容量受气象主导风向影响:当天气主导风向偏南北向,也即与狭长的汾河谷地走向一致时,有利于该区域大气污染物的扩散清除,而当天气主导风向偏东西向时,则该区域大气环境容量明显减小,且近地面大气污染物浓度与大气环境容量之间呈强相关性,相关系数达到0.74;当地形敏感组实验中取消太原市周边河谷地形特征时,上述相关系数降低到0.21。

关于大气“记忆”的大气环流模式模拟研究

通过２种大气环流模式（ＧＣＭ）的数值模拟，研究了大气对于赤道东太平洋海温（ＳＳＴ）异常外强迫的“记忆”问题。结果表明，大气对外强迫的“记忆”比传统意义的“记忆”要长得多，这是因为外强迫通过影响大气内部动力过程而激发产生了低频振荡（即大气低频遥响应），使得外强迫的影响可持续相当长的时间，大气对外强迫的“记忆”也就变得相当长。

重庆两场森林火灾蔓延特征的数值模拟

为了深入认识同时段内发生的两场森林火灾蔓延特征以及大气、地形等对不同林火行为的影响,进而为多起林火扑灭火工作提供科学支撑,选取2022年8月17日发生在涪陵两场森林火灾,利用高分辨率地理信息、植被数据和气象数据对两场林火行为进行分析研究,同时运用林火大气耦合WRF-Fire(Weather Research and Forecasting Model with Fire Module)模式进行数值模拟。研究发现:①受深厚高压控制,两场林火是在持续高温、干燥背景下发生的,气象干旱等级达到重旱,火险气象等级高。②模式模拟风向风速变化与实况较为一致,基本体现出火场风向和风速突变,表明WRF-Fire模式可以较准确地再现火场蔓延情况。③基于林火蔓延特征时间和空间变化可将大梁山林火发展分为6个阶段、北山坪林火分为4个阶段,造成直线距离相隔4.4 km两个火场蔓延发展程度不同的原因在于地形差异造成的局地风场差异。

欧亚地形对不同季节大气环流影响的数值模拟研究

利用气候模式F-GOALS的大气谱分量SAMIL,设计了有、无欧亚地形的对比试验.通过分析其高度差异、流场差异、降水差异和温度差异得到欧亚地形对不同季节大气环流影响的特征.结果表明,欧亚地形对大气环流和气候的影响随季节变化而变化,基本可分为冬季型(11月～次年4月),夏季型(6～9月)及转化型(5月,10月),在中高纬高低层呈相当正压结构.冬季型高度差异以35°N和100°E为界,在北面呈西高东低,南面呈西低东高.夏季型在西太平洋地区为北高南低,在大陆上空为上正下负.850hPa流场差异场的冬季型在西太平洋北/南部为气旋式/反气旋式环流,在大陆上以'青藏高原(TP)偶极流型'为主要特征;夏季的副热带以环绕青藏高原的气旋性环流和西太平洋的反气旋环流为主要特征.地形强迫的冬半年'TP偶极型'加强了冬季西伯利亚冷空气活动,形成了江南的春雨和华南的早汛期降水.地形强迫的夏季流型形成了孟加拉湾-青藏高原中东部的强降水差异,使东亚降水向北伸展,并引起亚洲降水分布的调整.

大气环流的年代际变化 Ⅱ.GCM数值模拟研究

类似大气环流模式比较计划（ＡＭＩＰ）的数值模拟，将实际观测的海表水温（ＳＳＴ）资料引入模式进行４０多年的数值积分，得到长时间的大气环流模拟结果。分析数值模拟结果发现，无论是大气中的主要涛动和遥相关型，还是重要大气环流系统都极为清楚地存在着年代际变化特征，包括１０～２０年准周期振荡和可能的３０年以上的准周期振荡；而且上述主要环流系统的形势及其年代际变化大都与实际观测资料所给出的结果相一致。顺便分析中国东部气候的模拟结果，年代际变化特征（包括６０年代的气候突变）也很清楚，并同大气环流变化配合十分合理。结果也表明，同研究季节和年际变化一样，大气环流模式（ＡＧＣＭ）数值模拟也是研究大气环流和气候年代际变化的有效方法。

欧亚积雪异常分布对冬季大气环流的影响 II.数值模拟

基于观测分析的结果 ,采用NCARCCM2模式 ,设计了三组数值试验方案 ,研究了积雪的异常分布对冬季大气环流的影响及其可能的物理过程。结果表明 ,数值模拟与观测分析所得结果一致 ,冬季积雪的异常分布 ,通过积雪的辐射冷却效应 ,可以改变地表的热状况以及地表对大气加热的异常 ,引起大气温度、位势高度场的调整 ,激发冬季大气EUP遥相关型 。

北极海冰的厚度和面积变化对大气环流影响的数值模拟

文中利用中国科学院大气物理研究所设计的两层大气环流模式 ,模拟研究了北极海冰厚度和面积变化对大气环流的影响 ,尤其是对东亚区域气候变化的影响。模式中海冰厚度处理趋于合理分布 ,导致东亚冬、夏季风偏强 ,使冬季西伯利亚高压和冰岛低压的模拟结果更趋合理 ;另一方面 ,海冰厚度变化可以激发出跨越欧亚大陆的行星波传播 ,在低纬度地区 ,该行星波由西太平洋向东太平洋地区传播 ;海冰厚度变化对低纬度地区的对流活动也有影响。冬季北极巴伦支海海冰变化对后期大气环流也有显著的影响。数值模拟结果表明 :冬季巴伦支海海冰偏多 (少 )时 ,春季 (4～ 6月 )北太平洋中部海平面气压升高 (降低 ) ,阿留申低压减弱 (加深 ) ,有利于春季白令海海冰偏少 (多 ) ;而夏季 ,亚洲大陆热低压加深 (减弱 ) ,5 0 0 h Pa西太平洋副热带高压位置偏北 (南 )、强度偏强 (弱 ) ,东亚夏季风易偏强 (弱 )。

大气季节内振荡的耦合模式数值模拟

分析 ＧＯＡＬＳ／ ＬＡＳＧ海气耦合模式 １０年积分 ２００ ｈＰａ纬向风场的逐日输出结果，引用１９８０～１９８９年期间逐日的 ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ再分析资料作为实测对照，结果显示该耦合模式抓住了热带大气低频振荡（ＩＯ）的基本时空分布特征，模拟ＩＯ的强度较多数大气模式强而接近真实，但空间一致性仍不清晰，典型周期不够显著。ＮＣＥＰ资料与耦合模式都反映模拟ＩＯ的季节变化与其年际变化有关，模拟较强ＩＯ的年份表现ＩＯ的季节变化特征也较真实。模拟ＩＯ的年际变化与热带东太平洋的ＳＳＴ呈明显的负相关变化。ＳＳＴ暖异常的年份，ＩＯ活动较弱。ＩＯ变化滞后于ＳＳＴ异常６０天左右的相关性最显著。对比单独积分ＧＯＡＬＳ／ ＬＡＳＧ的大气模式的结果，发现二者的主要差别在于耦合模式再现 ＩＯ的季节性特征更真实，反映了海气耦合对ＩＯ变化的调制作用。利用海气耦合模式，理解ＩＯ对流活动与上层海洋的相互作用过程，是真实描述ＩＯ必要的手段。

夏季赤道中东太平洋海温和北极海冰异常对大气环流影响的数值模拟

利用菱形截断１５波的９层全球大气环流谱模式设计了若干数值试验，分别研究了赤道中东太平洋海温偏暖、北极不同区域海冰偏多以及海温偏暖同时海冰偏多对夏季北半球大气环流的影响，结果表明北极海冰偏多和赤道中东太平洋海温偏暖，对夏季北半球大气环流具有同等效应，海冰和赤道海温任何一方的变异均可显著影响大气环流，其中亚洲－北美型和欧亚型遥相关是极冰和赤道海温影响北半球夏季大气环流异常的主要动力学途径。本文结果再一次证实了赤道和极地之间的热力差是决定大气环流的最基本因子。

南极地区冰雪消失对全球大气环流和气候影响的数值模拟

本文利用全球大气环流模式通过数值模拟研究了北半球夏季南极地区冰雪覆盖的消失对大气环流和全球气候影响的过程。结果表明南极冰雪消失不仅影响南半球大气环流异常,而且通过引起热带环流异常如增强东亚季风环流和减弱Walker环流等引起北半球大气环流和我国夏季气候的异常。南极冰雪覆盖的消失将给全球气候带来严重后果。文中也对南极冰雪气候效应的动力学机制进行了讨论。

大气呼吸模式激光推进的机理分析及数值模拟

就大气呼吸模式的推进机理作了较为系统的分析和研究,导出了考虑反射面几何约束的冲量及冲量耦合系数的近似解析表达式。在数值模拟方面,采用前期点爆炸自模拟解和后期高分辨率PPM格式相结合的新方法,计算了固定的抛物面反射镜聚焦入射平行激光击穿空气形成的高温等离子体流场及其对反射面产生的推动作用。结果表明,推进效应(飞行器获得的推力、总冲量、冲量耦合系数等)与反射面的几何参数和入射激光强度密切相关。83J的激光单脉冲能量算例得到的冲量耦合系数为246μN·s/J,略高于同种工况下W.O.Schall等实验得到的耦合系数。

全球二维大气化学模式和大气化学成分的数值模拟

建立了一个全球二维纬向平均化学模式，模式包括了从９０°Ｓ到９０°Ｎ，从地面到２０ｋｍ高度的大气。模式中应用的流场来自根据加热率计算得到的剩余环流。模式化学部分包括３４种大气成分、１０４个化学反应和光化学反应、其中，甲烷、一氧化碳和氮氧化物排放分为季节性和非季节性排放源，并将其参数化为时间和纬度的函数再应用到模式中去。按１９９０年的甲烷、一氧化碳和氮氧化物的的排放水平模拟得到了多种大气组成的分布，模拟结果与观侧有较好的一致性。由于模式考虑了一氧化碳的季节变化，模拟得到的ＯＨ自由基分布更为合理。模式的建立为今后进一步研究大气微量成分的全球循环过程及其长期变化提供了有效的手段。

全球海温异常作用下的低层大气环流和降水异常的数值模拟

通过在ＩＡＰＡＧＣＭ中加进太平洋和印度洋海温异常的数值模拟，证实了实况月平均８５０ｈＰａ上的异常环流特征：ＥｌＮｉｎｏ海温位相时低纬太平洋低层大气出现异常的西风气流以及在东南亚沿海出现向赤道的异常气流；而在ＬａＮｉｎａ位相时，低纬太平洋低层大气出现异常的东风气流和在东南亚沿海出现离赤道的异常气流。若在模式中仅引入太平洋的海温异常或在模式中去掉地形以后，模拟的低纬低层异常气流与上述结果有所不同。

分块地形坐标大气环流模式框架的计算稳定性及数值试验

用数值试验方法讨论了分块地形η坐标大气环流模式动力框架的计算稳定性;采用实际初始场,该框架能够长期稳定地积分。在积分前100d内总有效能量变化很小,总质量守恒、各物理量场的数值和波形都得到很好保持,这表明该框架稳定性好。在分析了该框架的积分结果后可知其合乎物理事实,与IAP2.0的动力框架相比,能更好地反映出大地形的环流形势,这说明有大地形时采用分块地形η坐标要较σ坐标好。另外,还对青藏高原等大地形的纯机械强迫作了数值试验,得到了地形强迫平均槽脊的分布特征,给出了地形纯机械强迫造成的准定常行星波的图像。这些工作表明采用分块地形η坐标处理大地形是合理可行的。

基于三次插值函数算法的时间积分方案与二阶时空余差数值模式——以原始大气运动方程与理想全球模拟个例为例

从大气运动原始方程和欧拉算符出发,用泰勒级数展开,给出二阶时空微商余项预报方程。进而讨论用三次插值函数——双三次曲面拟合求上游点的准拉格朗日时间积分方案与相应的二阶时空余差数值模式——"双三次模式"。则双三次模式是通过实现各个大气物理量场的二阶可导,从而可对预报方程做空间非线性("三次")时间离散积分,成为"双三次曲面拟合——时间步积分——双三次曲面拟合——……"一种新算法数值模式。讨论双三次数值模式的数学基础:三次插值函数及其数值分析极性定律用于数值模式。指出:双三次模式和谱模式都具有数学"收敛性";而Coons双三次曲面具有对变量场拟合二阶可导"最优性";和Hermite双三次曲面片具有对网格变量场二阶可导运算"等价性"。又指出:有限差分模式的中央差近似斜率和曲率,分别是三次样条斜率和曲率作"三点平滑"。双三次模式适合采用原始大气运动方程,适合采用准拉格朗日时间积分方案,并给出一个理想全球模拟个例。因大气运动本质上是非线性的,理论上可按变量场双三次曲面曲率判断,以采用符合物理诠释的局域或单点平滑,以保持模式时间积分稳定性。且未来容易实现全球多重/时变套网格双三次数值模式。

不同地转速度下的冬季大气环流及气候异常的数值模拟

利用ＩＡＰ二层全球大气环流模式，进行改变地球自转速度下冬季大气环流及气候异常的数值模拟。其中试验１：设２５ｈ／ｄ（３５０ｄ／ａ）；试验２：设２３ｈ／ｄ（３８１ｄ／ａ）；控制运行：２４ｈ／ｄ（３６５ｄ／ａ）。联系从古至今地球自转逐渐减慢的情况，主要讨论地转减慢对冬季大气环流和气候的影响。结果表明，地球自转速度减慢以后，能使西风急流加强，南极附近增温。

东亚季风经向环流数值模拟及结果分析 Ⅱ.模式性能检测及个例分析

局地经向环流诊断模式性能检验及对 １９９４年 ５月１日世界时 １２时东亚季风区局地平均经向环流 的模拟分析，分析所用的是经中科院大气物理研究所处理过的ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ再分析逐日资料．结果表明， 在现行资料条件下模拟达到了预期的效果，证明该模式对局地经圈环流模拟性能良好.在此基础上，根据线性方程的叠加原理，进一步诊断分析方程中各强迫项对经向环流所起的作用．对１９９４年５月１日世界时 １２时东亚季风区局地平均经向环流而言，模拟出的各项的作用与对天气实况进行理论上的定性分析结果是相吻合的．在东亚季风区的经向环流形成过程中，温度平流及绝热加热的作用相当显著．非绝热加热的作 用在本文中没有作确切地比较，因其计算受到水汽资料精度和各层辐射资料缺乏的限制．另外，对流中的 云物理过程也暂时未加以考虑．

臭氧对夏季大气环流影响的数值模拟

利用球带ｐ－σ坐标系模式，模拟了臭氧对夏季大气环流的作用。结果表明，臭氧作用引入模式后，大气高层环流特征得到显著改善，臭氧使高层大气的加热率增大；对低层大气，虽然臭氧的加热作用很小，但可通过改变其他加热场分量的分布和量值，从而改变总加热率， 使低层大气环流同样发生变化。

平流层和下垫面热状况对大气环流影响的研究和数值模拟

近年来世界范围的干旱、水灾、酷热和严寒接连不断地发生,使得人们对大气环流异常的物理机制,气候异常的原因,长期天气过程的物理基础等问题给予了越来越多的重视。海气相互作用是影响大气运动的主要过程之一;平流层的热状况对对流层大气环流也起着重要作用。从1986年3月起到1989年底我们开展了平流层和下垫面状况对大气环流影响的研究和数值模拟实验工作。