第12章 地球系统模式开发100年

今天的全球地球系统模式起源于对流层天气系统的简单区域模式。过去的一个世纪,模式的物理现实性稳步提升,而模式的范围已扩大到包括全球对流层和平流层、海洋、含植被陆面和陆地冰盖。本章大致按时间顺序概述了成就今天模式的许多概念和技术的深远进步。为简洁起见,我们省略了对化学和生物地球化学,以及陆地冰盖作用的讨论。

土壤湿度的时间变化性及其对气候的影响

本文应用大气环流模式研究了土壤湿度的时间变化性及其与大气之间的相互作用。我们发现,用模式算出的土壤湿度时间序列中包含很大的低频方差。土壤湿度的长时间尺度异常很像土壤层对降水强迫白噪声的红噪声响应。文中还讨论了土壤湿度的时间变化性对于可能蒸发与降水的依赖性。

一个用阶梯山脉坐标表示的大气环流模式:模式的描述及其对中期预报的有效性

阶梯山脉或η垂直坐标已成为消除在沿陡坡面计算气压梯度力时出现的数值误差而建议的一种解决方法。这篇文章的主要目的是描述采用η坐标而设计的全球大气环流模式的发展，并检验该模式对中期预报的能力。首先，给出极地边界和极地滤波的处理。为了检验极地处理，给出了用浅水波方程得到的数值结果；其次，还把各种物理过程参数化引入多层η坐标模式。为了证实该模式有效，给出了几个１月份个例的数值积分。η坐标所列方程与随地形起伏的σ坐标所列方程很相似，允许用其中一种垂直坐标试验模式。于是，在同样的物理过程参数化下，我们用η坐标大气环流模式和σ坐标的大气环流模式进行了比较。另外，还与σ坐标的谱模式作了比较。还就模式的有效性，用几种不同的水平分辨率，４种观测的初始状态作了１０天积分。对相对低的分辨率的模式，预报结果稍微有利于谱模式和σ坐标模式。然而，采用较高分辨率，η坐标模式预报技巧评分与σ坐标模式结果不再有明显的差别。给出的其它结果还证实了η坐标在陡峭地形附近的优势以及与地表边界层处理有关的η坐标的潜在缺陷。

第6章 认识大气环流100年进步

对过去一个世纪我们认识大气环流的一些进展进行了描述,最先给出20世纪前半叶一些关键进步的总结,而文章重点集中于世纪中期开始的在斜压不稳定和准地转动力学上取得的突破。除了斜压不稳定,涉及的主题还包括:静止锋理论、两层模式的作用、涡旋热通量尺度参数、大尺度涡旋动量通量的精细化、Eliassen-Palm通量和变形欧拉平均公式、风暴路径结构和哈德来环流控制等。

厄尔尼诺期间热带温室效应的变化

利用实测晴空射出长波辐射和海表温度研究了１９８５年前期冷拉尼娜到１９８７年晚期厄尔尼诺期间热带温室效应的变化情况。尽管从冷到暖的状态变化中，逐月资料的比较可能得出温室罩作用在减弱，但从４年的观测记录整体考虑，热带平均温室罩有２Ｗ／ｍ２的明显增加，同时热带平均海表温度增温０．４Ｋ。将这种实际观测到的增加与ＧＣＭ模拟的ＥＮＳＯ期间晴空温室效应的变化进行了比较。在ＥＮＳＯ期间，很明显与ＳＳＴ的重新分布有关的动力变化叠加在ＳＳＴ驱动的温室罩变化之上。若能保证ＧＣＭ具有预测温室罩动力和热力变化的能力，那么，ＧＣＭ模拟也能成功地再现这种特征。

温室增暖研究的早期发展——气候模型的出现

继 Arhenius、Callendar及其他科学家的开拓性工作之后,气候模型作为温室增暖研究的一种颇具前途的工具出现了。本世纪60年代初期,一维、辐射-对流平衡模型技开发出来,这是构建以后的三维气候模型的第一步。该模型同时考虑了地表与大气间的辐射及对流热交换,因而克服了早期表面辐射热量平衡方法在估计温室增暖的量值时所遇到的困难。70年代,一个与具有沼泽湿表面特征的理想化海洋相耦合的三维大气通用环流模型(GCM被用来研究温室增暖。尽管通用环流模型作了很大程度的简化,但它确能有效地解释控制全球变暖的物理机制,而且是应用更加综合的耦合海-气通用环流模型来解决这一问题的敲门砖。

海洋-大气耦合模型对大气二氧化碳增加的响应

本文研究一个气候模型对大气CO_2每年增加1%的响应。该模型是耦合海洋-大气-陆面系统的大气环流模型,具有全球计算域,进行了地理上的修匀,并包含了日射的季节变化。模拟得到的海面增温在北大西洋北部和南半球的绕极海区非常缓慢,在这些海区水体的垂直混合可以达到很深的深度,深层水的交换速度也较快。为将这一工作深入下去,我们研究了过去几百年间该耦合模型对大气CO_2浓度增至2倍和4倍时的瞬时响应。在整个500年实验期间,当CO_2增至2倍时,全球平均地面气温增加3.5C,当CO_2增至4倍时升高7C。在后一项实验中,所研究的海洋的热力结构和动力特征都经历了剧烈的变化,例如,模型所选取的海洋大多数都发生了温盐环流的终止,斜温层也显著变深,在北大西洋,这些变化尤其明显。这些变化阻碍了深层海水的交换,如果这些变化实际发生,将对海洋-大气耦合系统的碳循环和生物地球化学过程产生深远影响。