大气中CO_2含量增加对中国气候的影响的数值模拟研究

作者用大气物理所全球大气环流模式耦合混合层海洋模式模拟了大气中CO_2含量增加一倍后对全球气候的影响,本文集中讨论对中国气候的影响。初步结果表明:中国气温增高幅度在南方和东北较大,夏季增温较冬季增温大;降水变化较为复杂,季节差异也很大,总的讲是东北大部、河套一带及云南、广西降水减少;土壤湿度在大部分国土上是变小的,这可能会引起严重的农业和生态负效应。

赤道以外热带大气中30—50天振荡的一个动力学研究

本文的动力学分析和模式大气的计算结果表明,在积云对流加热的反馈作用下,热带大气可以产生一种CISK-Rossby型波动。这种波与经典的热带Rossby波不同,它既可以向西也能向东移动,而且在热带大气通常的加热情况下其相速度同热带30—50天振荡的活动相一致。同时,CISK-Rossby型波动具有频散特性,其能量频散可以说明30—50天大气振荡的二维Rossby波列特征。因此可以认为,CISK-Rossby型波动是赤道以外热带大气30—50天振荡的主要激发和驱动机制。

LASG—REM对1994年中国汛期降水的实时预报试验

ＬＡＳＧ－ＲＥＭ对１９９４年我国汛期降水连续实时的预报试验结果再次表明了该模式对２４小时短期降水有很强的预报能力。本文给出了该模式从６月上旬到７月下旬连续５０天的降水实时数值预报试验的ＴＳ（ＴｈｒｅａｔＳｃｏｒｅ）技术评分以及发生在６、７、８月份主要降水过程的预报和根据大部分气象站观测降水量分析的２４小时降水量等值线的比较。从６月上旬到７月下旬，ＬＡＳＧ－ＲＥＭ连续５０天的实时降水数值预报试验的ＴＳ技术评分（模式范围）平均为：雨区范围（２４小时降水大于１ｍｍ）预报的ＴＳ值为５６％；２４小时降水大于１０ｍｍ、２５ｍｍ和５０ｍｍ的ＴＳ值分别为３６％、２３％和１５％，较１９９３年的ＴＳ评分有明显的提高。模式对１９９４年造成华南、华北严重洪涝灾害的暴雨都有很好的预报。由于模式中采用了保形水汽平流方案，在整个试验期间的水汽平流计算都未出现负水汽现象。初步的比较试验结果表明，模式中对地形的有效处理和给出较合适的水汽凝结参数对模式成功预报是重要的。

大气动力学方程组的半拉格朗日计算方案的数学研究

通过对大气动力学方程组的半拉格朗日方案的数学分析 ,得出主要结论如下 :( 1)说明了Robert的半拉格朗日方案并不是绝对稳定的 ,通过特征线理论和双曲拟线性方程组解的理论 ,进一步说明了Robert理论的不正确。 ( 2 )通过分析右端项沿轨道积分 ,给出了一个关于半拉格朗日方案成立的判据 ,该判据与CLF相仿。 ( 3)根据浅水方程特征理论 ,发现半拉格朗日方案应包括沿轨道反向积分 (大气中慢过程 )和沿特征锥积分 (大气中快过程 ) ,而已有的方案仅含前一类。因此 ,今后有必要研究后一类的半拉格朗日方案并研究这两类过程之间的相互作用的计算问题。( 4)即使研究沿轨道反向积分问题 ,其特征跟原方程组解直接有关 ,因此 ,不仅仅是一个常微分方程组的问题。而大气动力学方程组的经典解一般仅在小范围成立 ,并且一维、二维和三维间断均会出现 ,故大范围反向积分特征线一般是不可能的。

大气对外强迫低频遥响应的数值模拟 Ⅰ:对赤道东太平洋SSTA的响应

本文通过在IAP-GCM上实现的数值模拟,研究了大气对赤道东太平洋地区暖SSTA的响应,着重讨论了大气遥响应的性质和演变过程. 数值模拟清楚地表明,大气对异常外源的响应主要是一种具有30—60天周期的低频遥响应.分析不同地区和不同季节这种强迫响应的30—60天低频振荡的结构及活动,可以清楚看到它与大气中实际存在着的30—60天振荡极为相似.因此也可以认为,大气对海温异常的强迫遥响应是激发产生全球大气30—60天振荡的重要机制.

准两年振荡及其对东亚大气环流和气候的影响

通过多年资料分析,本文研究了平流层准两年振荡(QBO)的演变特征及其对东亚及西太平洋地区大气环流和气候变化的影响.结果表明,平流层QBO的演变特征是:东风向西风转换最早出现在印度洋赤道地区;西风向东风转换最早出现在美洲和西太平洋赤道地区.中国东部降水量、气温以及西太平洋副高和东亚急流都有准两年周期变化,并同平流层QBO有密切关系;平流层QBO对西太平洋台风活动也有一定影响,QBO的西风位相期西太平洋台风偏少.另外,ENSO对于平流层QBO有明显影响,一般在ENSO发生之后,QBO的西风位相期持续时间缩短.

关于亚洲夏季风爆发及北半球季节突变的物理机理的诊断分析:Ⅱ青藏高原及邻近地区地表感热加热的作用

本文是系列文章的第二篇，首先分析了１９８９年亚洲夏季风爆发时期青藏高原及邻近地区地表感热通量和大气温度场季节变化的基本特征，着重讨论了春季高原地表感热加热和亚洲季风爆发的联系，然后分析了１９８０～１９８９年１０ａ南海季风爆发的气候学特征。上述工作表明，在春末初夏过渡季节，高原上空大气温度变化出现阶段性的跃升，并同亚洲夏季风阶段性的爆发有很好的对应关系。高原地表感热通量的持续增大导致了对流层高层局地反气旋式扰动环流的出现，使南亚反气旋北进的过程明显受到高原局地热力环流的调制，而热带东风急流入口区所产生的强烈的高层辐散，提供了有利于热带季风对流在南海地区首先爆发的动力学条件。此外，从５月份至６月中下旬，青藏高原、伊朗—阿富汗上空强大暖中心相继建立的结果，直接导致了热带地区上空大气南北温度梯度的反向依次在南海—孟加拉湾东部和阿拉伯海—印度次大陆由东向西相继建立，从而决定了亚洲季风建立的过程在不同地区爆发的时间不同。

大气对外强迫低频遥响应的数值模拟——Ⅱ:对欧亚中高纬“寒潮”异常的响应

本文通过用IAP GCM所作的数值模拟研究了欧亚大陆中高纬度地区的外强迫在全球大气中激发的响应.结果清楚表明,同赤道地区的热源强迫一样,中高纬度地区的外强迫也可以在全球大气中产生低频遥响应;通过低频波列EAP,欧亚大陆中高纬度地区的寒潮异常可以对赤道中西太平洋地区的大气运动及全球大气环流有重要影响.对30—60天振荡的强迫激发来讲,地球大气的气候基本态是极为重要的,热带大气对于全球大气的低频振荡活动具有尤为突出的作用.

9000年前古气候的数值模拟研究

本文用大气物理所的全球大气环流模式模拟了9000年前一月份和七月份的古气候.得出:北半球夏季由于地球轨道参数的变化引起的比现在多7％的太阳辐射使得温度升高了,尤其是高纬地区,海陆对比的加强又增强了季风,季风区域降水增加了;而冬季因为太阳辐射在北半球减少了7％,温度变低了.这些结果与现有的古气候证据相一致,并与其他模拟结果进行了较详细的比较,还作了进一步的讨论.

华北地区汛期降水的一个分析研究

通过历史资料的分析,本文首先指出华北地区的汛期降水量存在着不同时间尺度的低频变化,其中以准两年周期振荡和周期约为16年的振荡比较明显,而且前者同平流层QBO有一定关系。另外,在汛期多雨年,华北降水量有明显季节内(30—60天)振荡;而在汛期少雨年,降水量的30—60天振荡却不太清楚。 ENSO对华北的汛期降水有重要影响,El Nino年华北汛期雨量平均偏少,仅El Nino年华北汛期平均雨量偏多。El Nino年所出现的大气环流异常是造成华北汛期降水量变化的重要原因。关于高纬度和极区环流对华北汛期降水量的影响也进行了初步探讨。

冬季中国海涡旋和逆风海流的数值实验

用一个正压太平洋区域模式做了些数值实验，考察了黑潮、海底地形和岛屿对中国海海流，特别是对南海暖流的影响。计算结果表明：在南海暖流和一些涡旋的形成机制当中，中国海的大陆架地形起着主要的作用。黑潮在巴士海峡的分支或入侵对南海暖流有着重要的影响，但并不是南海暖流得以形成的根本原因。另外，关于冬季南海暖流的驱动机制和水的来源问题，根据数值试验得到的一些结果也做了一些初步分析。

基于模式约束三维变分技术的连续循环同化试验研究

由于模式约束三维变分同化技术中考虑了模式的动力和物理过程,因此能保证各物理量间的平衡关系,从而滤除由于观测资料引入导致的高频波动,减小模式与初始场的协调时间。由于能在较短时间调整到稳定状态,采用模式约束三维变分同化进行连续循环同化可用较少的计算量达到同化多时次的多种观测资料的目的。该研究利用模式约束三维变分技术,针对2006年"桑美"台风个例,进行了连续循环同化卫星云导风、QuikSCAT海面风、Bogus海平面气压的试验。在台风数值预报中往往需要使用经验构造的台风信息(如Bogus海平面气压,Bogus风场等),该研究采用了模式约束三维变分同化技术同化Bogus海平面气压。由于模式约束三维变分同化技术充分考虑了各物理量间的约束,因此通过同化Bogus海平面气压也调整了初始场中相应的高度场、温度场、风场等变量,使得初始场中的台风涡旋具有较强的协调性,提高了对台风的模拟能力。采用AVN模式6小时间隔的分析场作为侧边界,2006年8月8日20时的分析场作为初估场,文中对8月8日20时到9日05时"桑美"台风的观测资料进行了连续循环同化。采用连续循环同化后台风路径的模拟精度得到了显著提高,对台风降水结构等的模拟也得到了改善。

大气中的季节内振荡

本文依据最新的分析研究结果,系统地讨论了大气中的季节内(30—60天)振荡。内容包括大气季节内振荡的全球分布特征;热带大气30—60天振荡的基本特征;中高纬度大气30—60天振荡;热带和中高纬度大气30—60天振荡的相互影响;以及大气季节内振荡的动力学机制。 本文不仅对热带大气30—60天振荡提出了一些新的研究结果,特别是关于中高纬度大气30—60天振荡的讨论,以及关于热带和中高纬度大气30—60天振荡主要通过低频波列相互联系和相互影响的研究,将使我们对大气季节内振荡有比较全面的认识。

30—60天大气振荡的全球特征

利用ECMWF格点资料,分析研究了大气季节内(30—60天)振荡的全球特征。30—60天振荡动能的分布表明高纬度地区要比赤道地区大得多。说明那里有较突出的30—60天振荡。中高纬度地区的30—60天振荡与热带有明显不同,垂直结构为正压模态,以纬向2—4波为主,多为向酉传播。30—60天振荡存在明显的低频遥相关,北半球主要为欧亚—太平洋(EAP)型和PNA型,南半球主要有澳洲—南非(ASA)型和环南美(RSA)型,并且在全球范围构成南北半球相互衔接的低频波列,即EAP-ASA波列和PNA-RSA波列。南北半球30—60天大气振荡有明显的相互影响,本文研究了南北半球30—60天振荡相互影响的3种主要过程。

大气水汽的输送和收支及其对副热带干旱的影响

本文利用1979年9月至1984年8月欧洲中期天气预报中心(ECMWF)每日四次的十三层分析资料,研究不同尺度的大气运动对水汽输送和收支的贡献。指出Hadley环流对水汽从副热带向赤道输送和从冬半球向夏半球的输送中起着决定性作用。热带行星波则把水汽从热带输向副热带。在中高纬的水汽向极输送中,天气尺度的波动比行星尺度的波动更重要。在南半球,天气尺度的波动支配着水汽的输送过程。分析和数值试验表明,副热带干旱受到nadley环流和热带行星波异常的强烈影响。

地球流体力学数值方法的若干研究

本文简要综述了三十多年来中科院大气物理所发展的一些地球流体力学数值方法及有关问题的研究。其中包括用物理观点和数学分析相结合的方法阐述造成计算紊乱和计算不稳定的机理 ;论证计算稳定性与算子非负性和能量守恒性之间的密切关系 ;对国际上流行的瞬时能量守恒的格式找到非线性计算不稳定的特解 ;设计出一批内部协调并且具有完全平方守恒性的差分格式 (包括隐式的、显式的和高精度的 ) ;发展了多种经济省时算法等等。

大气平衡态的动力特征——Ⅱ:大气的振荡机制和稳定平衡态的吸引机制

本文研究强迫耗散系统的时间积分特征。从各态出发的积分最终都跌入吸引盆。由于能量和角动量的约束,大气向稳定平衡态的跌入成为非随机的、确定的物理过程。由于山脉矩和摩擦矩的相互调整,大气向高能级跌入时伴有次临界的、周期为2—3天的高频次振荡;向低能级跌入时伴有跨临界的、周期为1—2周的低频主振荡。振荡的频率受地形的影响明显。研究还指出,所谓“突变”,实质上是由于大气的能级出现季节性变化,大气状态从一个吸引域转移到另一个吸引域,角动量平衡重新调整的伴随现象。

大气平衡态的动力特征——Ⅰ:多平衡态的共面和非共面性质

本文设计了一个有地形、强迫源和摩擦耗散的球面正压低阶模型来研究大气平衡态的动力特征。在相空间中,存在各平衡态共存的非线性作用曲面、角动量平面和强迫耗散球面。多平衡态的共面特征反映着大气运动的全局行为。指出大气运动的非线性特征只为多平衡态的存在提供可能性,但不提供必然性。动能和位涡拟能的分析表明,不同平衡态处在不同的能级,具有不同的拟能态,在相空间上位于不同的能量球面上。了解各态间的动力差异有助于理解大气运动向定常态收敛和产生振荡的物理原因。这将在第Ⅱ部份深入讨论。

发展与不发展南海热带低压的数值研究

本文利用广东热带所的数值预报模式和ECMWF的格点资料,对两个南海低压进行了对比数值分析。其中一个低压在24小时内发展为台风,而另一个不发展。分析发现,二者初始场的温、湿、风、压结构都存在着显著差异。最为明显的是,发展者低层有明显的暖心结构和深厚的高湿层,使得条件不稳定层深厚;而不发展者暖心在高层明显,低层无暖心,而且,中低层湿度较小,所以条件不稳定层较浅薄。两个低压的不同发展趋势都得到了很好的数值模拟结果。利用模式输出结果的对比分析,讨论了南海热带气旋发展与不发展的最基本物理过程及其作用。表明对流层中低层的深厚高温层的存在及相应的温度结构和风场所导致的较强的对流加热的维持和加强,对低压的发展极为重要。

黑潮和南海北部海流相互关联的数值模拟研究

根据北太平洋环流区域性模式的计算结果研究了黑潮和南海北部上层海流的相互关联问题。计算结果表明:在巴士海峡南部一年中大部分时间都有一部分黑潮水流入南海,其中一部分在南海呈一反气旋式弯曲,然后在巴士海峡北部又流回到黑潮主干;另一部分与南海北部的一个气旋式涡旋的北翼,一起向西流动,有时可以一直流到南海的内部海域。6月份南海北部并不存在气旋式涡旋,在巴士海峡南部进入南海的水,只呈反气旋式流动,从巴士海峡北部又流回太平洋,并不存在一直向西流动的海流。除9,10月份以外,在其它月份里都有一个和高海面起伏对应的脊通过巴士海峡伸入南海,一部分海水沿脊的等值线流动,使流动路径呈反气旋式弯曲。在9和10月份,由于黑潮的流轴已经向东北推移,没有海面高度脊伸入南海,也不存在呈反气旋式流动的海流。从巴士海峡进入南海的水全部向西一直流到海南岛以东,并汇入向南流动的沿岸流。计算结果还显示出,没有黑潮的分支沿台湾西南海岸向北流入台湾海峡。计算结果与以往的一些中外学者的研究结果一致,并且部分被海流观测结果所验证。