摘要：针对我国陡峭地形数值预报难题,本文在国际先进WRF(Weather Research and Forecasting)模式动力框架中引入阶梯地形垂直坐标,以期为改进复杂地形区域数值天气预报提供模式发展可选方案。设计气柱质量变换方法,实现阶梯地形和追随地形两种垂直坐标下动力方程组的形式一致,从而简化方程组离散及程序实现的复杂过程。阶梯地形的构造借鉴了AREM(Advanced Regional Eta-coordinate Model)的设计思路,即首先构造参考大气,而后定义阶梯地形网格特征量,最后进行阶梯地形表达。在Eta坐标下的WRF动力框架搭建完成后,采用山脉波理想试验和实例试验对新动力框架的正确性和有效性进行了检验。结果表明:由于阶梯地形固有的孤立分布特征,可造成不同台阶处气流的分离,从而使得阶梯地形在较粗垂直分辨率情形下,不能很好模拟山脉波;但如果垂直分层足够精细,或模拟时间足够长,可通过减弱气流分离现象或调整气流分布状态,对地形波进行有效刻画。

摘要：为研究近期21年(1989—2009年)北极地区海冰变化原因,本文利用欧洲中期天气预报中心ERA-Interim数据集资料和美国麻省理工学院MITgcm全球海冰-海洋耦合模式开展了不同大气强迫条件下海冰变化的数值模拟研究.研究工作中共设计了6个数值试验,除1个试验全部采用1989—2009年每日4个时次的大气强迫场外,其余5个试验各有一种大气强迫(地表气温、地表大气比湿、向下短波辐射通量、向下长波辐射通量和地表风)采用1989年月平均结果.分析了各模拟试验结果中3月和9月北极地区海冰面积的年际变化特征及最小二乘拟合意义下的线性变化趋势,并以ERA-Interim结果为参照标准对各模拟试验结果进行了对比和检验,以说明不同大气强迫量变率对海冰变化的作用.结果表明:地表气温变率和向下长波辐射通量变率是造成海冰面积减少的主要原因;向下短波辐射通量变率对海冰面积变化影响几乎可以忽略;地表大气比湿变率对海冰面积线性变化趋势影响较小,但对海冰面积年际变化特征有调制作用;地表风变率对海冰季节变化、海冰面积线性变化趋势及年际变化特征均有明显影响,说明提高大气风应力精度是改善海冰数值模拟结果的重要手段.

摘要：物理过程参数化方案的不确定性是目前气候系统模式不确定性的重要来源之一.随着模式内在复杂度攀升,模拟场景多样化,参数化方案中基于先验的和人工的物理参数选取方法已经逐步成为限制模式模拟能力的瓶颈之一.为此,本文设计并提出了初选与寻优相结合的两步法参数优化方案.初选阶段用全因子采样方法对不确定参数空间进行初始敏感性分析,估计最优解所在区域;寻优步采用单纯型下山法,基于初选阶段确定的参数组合快速寻优.将两步法应用于中国科学院大气物理研究所(英文缩写:IAP)大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(英文缩写:LASG)格点大气模式第2版:GAMIL2,选取其深对流方案和云量方案中的3个重要参数开展寻优,优化以综合减小模式降水、风场、温度、湿度、位势高度以及辐射通量的误差为目标.这些变量用GAMIL2标准版本标准化后形成单一的目标.结果显示,优化后的目标函数值比GAMIL2标准版本改进了7.5%.机理分析表明,调优后的参数优化了大气中的水汽凝结作用,进而减少模式的湿度偏差,改进云量的模拟效果;同时水汽凝结作用的变化通过大气内部动力和热力相互作用及响应影响温度、位势高度和风场的模拟.

摘要：利用LASG格点大气环流模式GAMIL1.1.0(Grid-point Atmospheric Model of IAP LASG,Version1.1.0),按照国际CLIVAR计划设计的"20世纪气候模拟"试验方案,模拟研究了包括观测海温、自然驱动和人类活动在内的各种外强迫因子对20世纪全球变暖的综合影响,发现上述外强迫因子在年际、年代际尺度上,对地表气温的演变起重要作用,20世纪30年代和自70年代开始的增暖,均是由外强迫所致.在除欧亚和北美大陆的部分区域外,外强迫对两次变暖期间的区域温度变化也有重要影响.大气内部噪音的影响,在变冷期比变暖期要强.

摘要：研究了一个全球气候的非线性模型.利用摄动理论和方法,构造了相关问题解的渐近展开式,该问题解的渐近展开式具有较高的近似度.摄动渐近方法是一个解析方法,得到的解还能够继续进行解析运算.

摘要：一个既真实又简化、且适用于湿润与干旱、冻土与非冻土和均质与非均质多种情景下的通用土壤水热传输耦合模式对于陆面过程的模型发展研究至关重要.研究首先通过量级估计和模型数值模拟结果的分析,发展了简化且精度较好的土壤水热传输耦合统一模型.为了克服该模型计算过程中由于需预估冰水相变速率项产生的误差造成的不确定性,进一步对该简化的统一土壤模式进行变量变换,以土壤总焓和土壤水总质量替代温度和体积含水量作为方程预报量,建立了新的通用土壤模型统一体系,并设计了一套行之有效、省时的数值计算方案.此模型既可用于一般情况下的裸土,也可用于较为难处理的非均质土、冻融土壤和干旱土壤等.与观测结果相比,改进后的统一土壤模型能很好地模拟出在湿润与干旱、冻土与非冻土和均质与非均质土壤中的水热传输过程.且由于它的简化,也适应当今陆面过程模式发展的需要.

摘要：应用消息传递接口函数库(MPI)并行程序设计技术开发了中尺度暴雨数值预报模式AREM(Ad-vanced Regional Eta-coordinate Model)的并行版本,并在3种计算机系统平台下进行了加速比测试,结果显示出较高的并行效率和较好的可扩展性。建立并行版本后,模式高分辨率版本能够满足时效性要求。通过采用并行模式的高低分辨率版本对一个暴雨个例进行模拟表明,高分辨并行版本的模拟结果与观测更为接近,并具有较好的预报时效性。

摘要：AREM(Advanced Regional Eta-coordinate Model)对中国暴雨、台风等中尺度天气系统的模拟、预报能力突出。但是伴随模式分辨率的提高,制约该模式发展的一个问题日渐突出,即"静力平衡近似"的约束。本文通过对原静力平衡系统进行修正,引入高阶订正参数定义第三运动方程来构建该模式的非静力动力框架。我们基于Euler原始方程组,有效结合原静力平衡模式的标准层结扣除及IAP(Institute of Atmospheric Physics)变换方法,推导出了球面余纬坐标下的非静力框架,并在E网格和η坐标下进行了时空离散。采用时间两部分离技术进行积分运算以提高计算效率,并通过"追赶法"结合迭代法计算声波。此框架可方便地继承静力平衡框架的特点,最大限度地保留静力平衡框架的优势。理论推导和数值试验表明,当非静力框架退化为静力平衡框架后,方程形式及其模拟结果一致。在文章第二部分将通过理想和实例试验检验非静力模式性能。

摘要：利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的格点大气环流模式(GAMIL)1.0版设计了两组数值模拟实验来研究两种不同的对流参数化方案对辐射能量收支的影响。这两种对流参数化方案分别是:Zhang and McFarlance/Hack方案(简称ZM)和Tiedtke/Nordeng方案(简称TN)。对应的数值模拟实验分别取名为EX_ZM和EX_TN。通过对实验结果的分析表明:在对流过程中,EX_ZM允许深对流和浅对流同时发生,因此两种对流同时在模式低层消耗了更多的水汽,释放了更多的潜热,引起了更大的增温;EX_TN每次只允许一种对流发生,也就避免了不同类型的对流在同一层同时消耗水汽的现象。因此对流过后,EX_ZM的环境空气相对湿度较小,而EX_TN周围空气的相对湿度较大,有利于低云云量的生成和大尺度的凝结,因此EX_TN模拟的低云云量偏多,低层的云水含量偏高,模式低层的云光学厚度偏大,这就使得EX_TN中更多的太阳短波辐射通量被云反射掉,严重低估了模式对短波波段的辐射通量的模拟。此外,不同的对流参数化方案通过改变云的长波发射率和降水,进而影响了模式对长波波段的辐射通量、感热和潜热通量的模拟。

摘要：世界气候研究计划(WCRP)于2003年支持开展云反馈模式比较计划(CFMIP)。目前已经开展到第三阶段(CFMIP-3)。相比前两阶段的试验,CFMIP-3试验设计更加丰富、具体,除增加CMIP6DECK和Historical试验的观测模拟器(COSP)输出外,还围绕着回答7个云反馈相关的科学问题,设计了Tier-1(必做)和Tier-2(可选)两类试验。CFMIP将气候模拟、观测研究和过程模拟等几个研究方向更紧密地联系在一起,并为理解和模拟云及其辐射反馈的气候贡献提供更深刻的认识和分析手段。