青藏高原积雪对陆面过程热量输送的影响研究

利用1979-2016年中国区域长时间序列逐日雪深资料,分析了青藏高原积雪深度与积雪日数的分布及变化特征,并将积雪期划分为三个阶段(积累期、鼎盛期和消融期),结合ERA-Interim月平均再分析资料,分析了积雪与地表热状况(气温、地表和土壤温度)和能量输送量(地表净短波辐射、地表净长波辐射、感热通量、潜热通量、地表热通量和土壤热通量)的相关关系,初步探讨了积雪在高原陆面过程中的作用。结果表明:研究时间范围内青藏高原积雪(深度和日数)主要呈减少趋势,仅在黄河源区及高原边缘地区为增加趋势,积雪鼎盛阶段(12月)的减少趋势最显著;高原积雪对地表主要起降温作用,深层土壤温度对积雪的响应存在滞后性,积雪的减少抑制了土壤向上的热量输送进而不利于冻土的发育;高原积雪与地表感热和地表热通量主要呈现负相关关系,潜热通量与积雪也呈负相关特征但比感热通量的相关性小。由于ERA-Interim资料对高原积雪深度的描述与本研究使用的卫星遥感积雪深度存在较大偏差(包括空间分布、气候倾向率、年际变化以及绝对大小等),导致本研究中积雪与地表热状况和热通量的相关度不高,需要通过陆面模式模拟做进一步探讨。

冬季北太平洋西部上层海洋的热量输送

用海气界面净热量收支和1950－1979年表层水温资料，计算了冬季北太平洋西部上层海洋热通量散度场，指出冬季北太平洋西部黑潮将大量低纬暖水输送到中高纬度海域，在30－35°N最大；亲潮将极地冷水沿千岛群岛向南输送，在45－50°N最大；两者在40°N附近相遇，混合减弱后沿纬向东传。同时用EOF分析方法对热通量散度距平场分型，前3个主要型分别为：黑潮亲潮偶合型、北太平洋海流型和冷平流优势型。最后还揭示了第一主要型与北太平洋副热带高压之间有意义的相关关系。

大气边界层热量输送的非局地多尺度湍流理论及试验研究

该文在大气边界层多尺度湍流理论和湍流穿越理论的基础上,建立了大气边界层感热通量的非局地多尺度湍流计算方法,并选用1998年5～8月份第二次青藏高原大气科学试验(TIPEX)的大气边界层综合观测基地昌都站观测资料,分别用感热通量的非局地多尺度湍流计算方法和经典相似理论计算感热通量。对计算结果的对比分析表明,用感热通量的非局地多尺度湍流计算方法能计算出感热通量的逆梯度输送,也能计算出青藏高原近中性层结条件下明显的感热通量。此外,多尺度湍流理论还有待进一步发展完善,提高感热通量的计算精度。

全球增暖背景下大气经向热量输送气候变化特征

基于1979—2019年ERA5月平均资料,采用信息流和线性回归分析大气经向热量输送(Atmospheric heat transpont, AHT)线性趋势,并讨论全球增暖和Hadley环流对AHT的影响程度。结果表明:AHT在南北半球各纬度带及不同季节表现出不同的变化特征:6—8月,15°N—65°N和35°S—60°S分别呈现向北输送减弱和向南输送增强的趋势,12—2月,5°N—15°S和15°N—40°S分别呈现向北输送增强和向南输送减弱的趋势,表明从夏半球向冬半球的AHT净通量有增加的趋势。信息流显示,经向不均匀增暖是北半球夏季向极AHT减弱的原因。南半球冬季,Hadley环流边界南移导致潜热在副热带的辐散中心南移,感热在副热带的辐散中心南移与环流边界南移相互反馈。北半球春(秋)季,感热向赤道辐合增强(减弱)与Hadley环流增强(减弱)相互反馈。南半球春季,Hadley环流增强导致位能向副热带辐合增强,南半球秋季,Hadley环流增强导致潜热向赤道辐合增强。

水球世界气候态与经向热量输送的数值模拟试验

利用完全耦合的气候模式(FOAM),通过两组理想的水球试验,研究水球气候系统中的平均气候态和经向热量输送。两组水球试验分别是Aqua和Ridge,前者整个星球完全被水覆盖,没有任何陆地,后者与前者的唯一区别是从南极到北极有一道连续的地脊。相比于现实世界,水球世界的气候更加温暖,极地几乎没有海冰。北半球的经向温度梯度较现实世界弱,导致北半球的大气经向热量输送较小。这些差别主要来源于海陆分布改变造成的行星反照率的改变,而云量的增加部分抵消了这种改变。尽管在两个水球试验中海洋环流和平均温度场差别很大,但大气平均气候态差别不大。不同于Ridge,在Aqua中赤道区域出现"反"哈德雷环流,使得低纬度大气向赤道方向输送热量。尽管水球世界的海洋环流与现实世界相比发生了巨大改变,但总的经向热量输送及其在大气和海洋之间的分配依然保持稳定。中小尺度的涡旋和扩散引起的经向热量输送部分抵消了大尺度环流引起的经向热量输送,尤其在中纬度起着重要作用。

总蒸发模式中土壤热量输送的计算

本文研究了土壤-植物-大气系统中水汽输送模式.从在总蒸发模式中的使用效果出发,介绍了计算土壤表面温度的一些模式.数值试验表明,为了再现总蒸发在生长季内的变化,可以利用各种各样确定土壤表面温度的办法,在此情况下,各种方法中任何一个都不具有明显的优势.文中列出了用标准农业气象资料计算的结果,并把这些结果与多年草地、冬小麦地上总蒸发量变化的观测资料、土壤湿度剖面进行了比较.

估计变动气候中大气和海洋经向热量输送

气候系统准平衡态的维持决定于大气-海洋的经向热量输送.由于全球海陆分布南北半球严重不对称,海洋向极热量输送关于赤道也是非对称的.然而,全球热量输送的一个最显著特征就是大气-海洋总经向热量输送关于赤道反对称.这暗示着大气经向热量输送会弥补海洋热量输送的非对称性,同时也说明大气与海洋热量输送之间存在着某种约束关系.对这一基本问题的深入研究有可能揭示一些气候系统的关键约束因素,减少复杂气候系统的自由度或不确定性,使得人们能以更简洁的方式理解气候系统及其变化.在变动气候背景下,大气-海洋经向热量输送的变化以及这二者之间可能存在的"Bjerknes补偿"关系的研究,是目前气候变化研究领域前沿课题之一."Bjerknes补偿"所暗示的大气-海洋经向热量输送的协同变化揭示了海气系统的一个耦合方式,将极大加深人们对复杂气候系统变化的理解.

降水强迫对戈壁局地气候系统水、热输送的影响

用黑河实验中化音站（戈壁）加强期的湍流脉动场资料对降水强迫影响戈壁局地气候系统水、热输送的过程进行了系统分析。结果表明：降水强迫会使戈壁局地气候系统出现暂时的不平衡状态，要重新回到平衡状态需要通过物质和能量的重新调配来实现。该过程可划分为４个阶段，各个阶段间的感热、潜热和水汽通量均有较大差异。从近地层水、热输送特征看，受降水强迫后非平衡状态的张弛时段大约为４ｄ。在整个张弛期间，地表接收到的降水约有２／３通过地表蒸发后输送到大气。

中高纬瞬变涡旋活动对我国东部夏季降水的影响

基于1981—2020年日本气象厅(Japanese Meteorological Agency,JMA)再分析资料JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)以及美国国家气候中心(Climate Prediction Center,CPC)卫星降水资料,分析了瞬变涡旋活动特征及其对我国东部夏季降水异常的影响,并对其可能机制展开讨论。研究表明,蒙古国至我国东北和华北地区既是瞬变涡旋活动的活跃区域,也是其输送的大值区域,其中瞬变涡旋对热量和水汽的经向输送占主导地位,是中高纬热量和水汽的重要来源。根据瞬变涡旋经向热量和水汽输送变率的强度确定了瞬变热量和水汽输送的关键区域,分别为(45°~60°N,100°~130°E)和(35°~50°N,100°~120°E),并定义了瞬变热量和水汽指数,其与我国东部夏季降水异常的回归结果表明,瞬变涡旋活动对我国东部夏季降水存在显著影响。中高纬天气尺度瞬变涡旋对热量、水汽和动量的输送异常,通过波流相互作用过程,对平均流形成了反馈,导致季节平均环流、水汽分布和水汽输送的异常,从而在热力、动力和水汽条件的共同作用下引起降水异常。

定量研究地球轨道参数和温室气体浓度变化对中全新世气候的影响

依据最新的古气候耦合模式比较计划(PMIP4)协议,利用完全耦合的气候模式CESM1.0,研究中全新世与工业革命前气候的差异,量化地球轨道参数(ORB)和温室气体(GHG)对中全新世气候变化的影响。3个模拟试验结果表明,与工业革命前相比,中全新世北半球高纬度地区气候偏温,全球其他地区气候偏冷,北半球大部分地区更湿润,南半球则较为干燥;ORB导致全球中高纬度地区升温,GHG在降低全球气温和减少中高纬度地区降水方面发挥作用;这种差异引起大气和海洋环流的变化,导致地球经向热量输送的差异;就总经向热量输送的变化范围而言,ORB对气候的影响大约是GHG的5倍。研究结果对深入了解中全新世气候及其对不同外部强迫的响应有积极意义。

基于GPS PPP的高时空分辨率ZTD/PW精度评估及气象学应用

水汽与各种天气现象息息相关,在全球水循环、地球-大气系统能量平衡及不同纬度间热量输送中都起着关键作用,理解水汽时空分布对大气科学研究具有重要的意义。地基GPS具有全天候工作、高时空分辨率及低成本等优点,在科学研究与实际应用中备受青睐。论文开展了基于PPP的高时空分辨率GPS对流层延迟(ZTD)与大气可降水量(PW)计算和应用研究,主要内容与结论如下。

Investigating the effect of the Tibetan Plateau on the ITCZ using a coupled Earth system model

本文利用耦合地球气候系统模式研究了青藏高原对热带辐合带(ITCZ)的影响.我们研究发现热带大西洋ITCZ的位置对青藏高原存在与否有明显的敏感性.与目前真实情况相比,移除青藏高原会导致北半球海面降温,南半球海面升温.这种海面温度变化在大西洋表现得尤为明显,导致热带大西洋最大海温中心向南移动,从而迫使大气对流中心向南移动,即表现为ITCZ的南移.相应地,夏季热带大气Hadley环流的上升支也发生明显南移.北(南)半球海洋变冷(变暖)这种态势要求增强跨赤道向北的大气经向热量输送,从而维持各个半球的能量平衡,而这需要ITCZ位置的南移才能实现.本文研究表明,青藏高原的存在在现今ITCZ气候态的形成中可能扮演了重要角色.

合成气制低碳烯烃产品分离技术探讨

提出了一种利用气体水合法分离合成气制低碳烯烃产品混合气的方法,并对采用鼓泡床水合反应器中出现的补水、移热和温度调控等问题进行了讨论,并给出了解决问题的方法,探讨了采用气体水合法分离合成气制低碳烯烃产品混合气的可行性。

大型热泵的工业应用实践

热泵已成为新建筑供暖系统的首选,在区域供暖中也很常见--然而,在商业和工业领域,情况却有所不同。在这些领域中,热泵仍然很少被利用。热泵是一种清洁高效的热量输送装置,在商业和工业领域也存在一些令人印象深刻的最佳实践案例。

北半球变暖比南半球激烈

1北半球与南半球的温差 早在16世纪就有人认为北半球平均温度要高于南半球,这种观点在20世纪初基本得到了证实[1]。3个现代观测序列给出来的1961—1990年北半球与南半球的平均温差分别为1.2℃（CRU[2]）、1.4℃（NCEP[3]）和1.5℃（ERA-40[4]）。因此,北半球平均温度高于南半球已经成为一个确凿无疑的气候特征。

赤道不稳定波对海气相互作用影响的数值模拟分析

赤道不稳定波（tropical instability waves）存在于热带东太平洋赤道附近,通常于每年的春末夏初出现,以约0.6 m/s速度向西传播,波周期为20-40天左右,波长约为1000-2000 km。本文利用一个全球高分辨率海气耦合模式对赤道不稳定波在赤道附近的热量输送进行分析,表明赤道不稳定波产生指向赤道的热通量,从而部分抵消了热带东太平洋地区由Ekman辐散和温度平流导致的强冷却效应,维持热带地区的热量平衡。其对赤道冷舌区的增暖作用可以消除和减弱气候模式中热带东太平洋地区的系统性冷偏差,能使冷舌的强度和分布得到合理的改善,对气候模式的改进和发展具有潜在贡献。赤道不稳定波还可以改变赤道海洋上空低层大气层结稳定度,导致近地层强的风场辐合辐散,并进一步影响大气混合层的温度、风场等气象要素。模拟分析结果还表明,赤道不稳定波对大气强迫产生二次响应,改变赤道上空逆温层的垂直位移和逆温强度。研究赤道不稳定波对热带海洋气候及其海气相互作用机理的理解具有重要意义。

热带太平洋和印度洋热源对大气影响的季节变化特征

本文利用1970—1979年COADS2°×2°格点月平均资料,计算了30°S—30°N热带太平洋和印度洋洋面上的有效长波辐射、感热和潜热通量以及它们的季节变化和年变化。结果指出:在冬季半球热带海洋外侧有大量的长波辐射、感热和潜热向大气输送,输送通量的季节变化大;热带太平洋地区西北部热通量的季节变化最大,赤道洋面地区热通量的年变化最小,潜热是洋面上热量输送的最大项,季节变化也最大;感热的输送量虽不及有效长波辐射,但其季节变化与有效长波辐射的变化相当;赤道地区是有效长波辐射和潜热通量的低值区,暖池地区是有效长波辐射的低值中心,靠近秘鲁海域的东南赤道太平洋是感热通量的负值区;热带太平洋西北部和阿拉伯海、孟加拉湾地区的热通量及年、季变化与亚洲季风有密切的关系,同时对我国和南亚地区的气候有重要的影响。

黄土高原半干旱雨养农田空气动力和热力参数分析

利用甘肃省定西干旱气象与生态环境试验基地2003年夏季加强观测期间的资料,计算动量粗燥长度、热量粗糙长度和热量输送附加阻抗,结合卫星反演的差值植被指数Indv和表面温度Ts将其推广到中国西北区东部,可用于计算非均匀地表能量通量。

关于太阳系外行星的宜居性

愈来愈多的太阳系外行星的发现激发了人们对发现太阳系外生命的热情期待。在诸多决定生命存在的因素中,液态水的存在是一个关键性的因素。因此,确定一颗太阳系外行星是否宜居,其首要条件是该行星的表面温度是否能够保证液态水的长期存在。简要介绍位于红矮星宜居带内的行星的宜居性研究进展。由于潮汐锁相作用,该类行星的一面永远面对恒星,较为温暖;而另一面永远背对恒星,极端寒冷。极低的温度有可能导致大气成分和水分完全冻结在背阳面,并导致行星不适宜生命存在。在此,讨论大气和海洋环流能否输送足够多的热量到背阳面,并加热背阳面,从而避免大气和水分的完全冻结。最后,根据地球大气和海洋环流以及热量输送的知识对这些问题加以阐述。

干、湿大气环流模式中地表增温的经向分布及其机制

使用耦合了平板海洋的三维大气环流模式,探究理想条件下极地增温放大现象的产生机制。实验中关闭海冰和云的辐射效应,固定地表反照率,并将海洋经向热量输送设置为零。通过控制地表蒸发的有无,模拟湿大气和干大气两种情形。模拟结果显示,CO2浓度加倍后,湿大气环流模式中存在极地增温放大的现象,而干大气环流模式中不存在这种现象。在干大气环流模式中,地表增温幅度基本上不随纬度变化,即均匀增温。湿大气环流模式中,CO2浓度加倍导致的直接辐射强迫和水汽反馈导致的辐射效应都是热带比极地更强,唯一能够解释湿大气中极地增温放大原因的是从赤道向极地的大气能量传输增强。在干大气环流模式中,从赤道向极地的热量输送及其变化比湿大气弱很多,因此无法支持极地增温放大现象。干大气中的均匀增温是CO2的直接辐射强迫和普朗克效应相互竞争的结果。研究结果表明,与水汽相关的经向热量输送是地球极地增温放大的关键因素,而在基本上没有水汽的火星上,可能不会出现极地增温放大现象。