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间歇湍流的分数阶动力学

物理学报 2014年第7期63卷 202-205页

作者：刘式达付遵涛刘式适北京大学物理学院大气与海洋科学系气候与海-气实验室北京100871

间歇湍流意味着湍流涡旋并不充满空间,其维数介于2和3之间.湍流扩散为超扩散,且概率密度分布具有长尾特征.本文将流体力学的Navier-Stokes(NS)方程中的黏性项用分数阶的拉普拉斯算子表达.分析表明,分数阶拉普拉斯的阶数α和间歇湍流的维... 详细信息

间歇湍流意味着湍流涡旋并不充满空间,其维数介于2和3之间.湍流扩散为超扩散,且概率密度分布具有长尾特征.本文将流体力学的Navier-Stokes(NS)方程中的黏性项用分数阶的拉普拉斯算子表达.分析表明,分数阶拉普拉斯的阶数α和间歇湍流的维数D相联系.对于均匀各向同性的Kolmogorov湍流α=2,即用整数阶NS方程描述.而对于间歇性湍流,一定用分数阶的NS方程来描述.对于Kolmogorov湍流,扩散方差正比于t3,即Richardson扩散.而对于间歇性湍流,扩散方差要比Richardson扩散更强.

关键词：间歇湍流分数阶维数扩散

从北极高压、南极低压到南北极间的三维异宿轨道

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物理学报 2014年第21期63卷 225-228页

作者：刘式达付遵涛刘式适北京大学物理学院大气与海洋科学系气候与海-气实验室北京100871

本文利用球坐标系(λ,φ,r)中的球面地转风关系,说明当等压线形成最简单的纬向分布时,此时南极是低压,北极是高压.但是,当在地转风关系中加入摩擦力后,则南北极由闭合涡旋变成螺旋涡旋,且两极之间形成一条球面上的三维异宿轨道.

关键词：北极高压南极低压摩擦力异宿轨道

间歇湍流的分形特征——分数维及分数阶导数的应用

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地球物理学报 2014年第9期57卷 2751-2755页

作者：刘式达付遵涛刘式适北京大学物理学院大气与海洋科学系气候与海-气实验室北京100871

分数维由Mandelbrot创立已有30年,分数阶导数在1695年由L'Hospital提出已有400年的历史.本文用物理学中的间歇湍流问题说明分数维及分数阶导数的物理意义.由于间歇湍流涡旋不完全充满空间,所以其维数为2 详细信息

分数维由Mandelbrot创立已有30年,分数阶导数在1695年由L'Hospital提出已有400年的历史.本文用物理学中的间歇湍流问题说明分数维及分数阶导数的物理意义.由于间歇湍流涡旋不完全充满空间,所以其维数为2

关键词：分数阶导数分数维间歇湍流扩散

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戈壁地区夏季碳和水热循环及其湍流特征

地球物理学报 2013年第8期56卷 2574-2582页

作者：赵子龙张宏升康凌北京大学物理学院大气与海洋科学系气候与海气实验室北京100871 北京大学环境科学与工程学院北京100871

本文利用2006年夏季大气边界层观测资料,采用涡动相关法分析了我国西北地区戈壁下垫面碳收支及水热循环的规律和特征,并分析了大气湍流特征.结果表明:夏季白天的CO2湍流通量呈逆输送特征,即CO2白天向下输送,夜间向上输送,平均数值为-0.1... 详细信息

本文利用2006年夏季大气边界层观测资料,采用涡动相关法分析了我国西北地区戈壁下垫面碳收支及水热循环的规律和特征,并分析了大气湍流特征.结果表明:夏季白天的CO2湍流通量呈逆输送特征,即CO2白天向下输送,夜间向上输送,平均数值为-0.199mg·m-2·s-1,整体上表现为碳汇;戈壁地区湿度小,其数值受水平来流的影响较大,日变化特征不明显;温度的归一化标准差与稳定度参数的关系满足Monin-Obukhov Similarity(MOS)理论;温度和CO2的能谱相似;互谱uc与uθ,wc与wθ相似;水汽和CO2的输送主要受水平方向湍流的影响.

关键词：湍流输送谱特征碳通量戈壁地区

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始新世大洋环流模拟的模式依赖性

第四纪研究 2023年第4期43卷 952-964页

作者：张彧瑞朱广坤覃国金胡永云近海海洋环境科学国家重点实验室厦门大学海洋与地球学院福建厦门361102 北京大学物理学院大气与海洋科学系北京100871

随着模式的复杂化和多元化发展,国际上不仅组织了现代气候模拟的模式比较计划,也开展了古气候模拟的比较计划。在模式比较计划中,如何有效处理模式间的差异和剔除模式依赖性已成为重要问题。本项研究基于国际深时多模式比较计划(DeepMIP... 详细信息

随着模式的复杂化和多元化发展,国际上不仅组织了现代气候模拟的模式比较计划,也开展了古气候模拟的比较计划。在模式比较计划中,如何有效处理模式间的差异和剔除模式依赖性已成为重要问题。本项研究基于国际深时多模式比较计划(DeepMIP)中的始新世大洋环流模拟结果,选取pCO_(2)倍增试验、模式参数化、古地理边界条件这3个案例,深入分析模式依赖性如何影响古气候模拟结果和模式之间差异性,归纳和总结古气候模拟研究中模式依赖性产生的可能原因。结果显示,部分模式的关键变量对驱动因子响应过于敏感、模式参数化方案过于简单、模式中对古地理边界条件表达的欠准确性均可导致模式依赖性的产生以及模式之间显著差异。这表明在分析数值模式结果时,需要参考多模式结果,并特别关注模拟结果变化的各个环节,从而减少模式依赖性的干扰,增加模拟结果的准确性,以便于更加准确认识气候环境演变过程。

关键词：大洋环流气候敏感性气候模式依赖性气候模式参数化海洋通道形态

华北地区冬小麦田水热、二氧化碳和甲烷湍流输送特征的实验研究

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地球物理学报 2016年第4期59卷 1235-1248页

作者：葛红星张宏升罗帆蔡旭晖宋宇康凌霍庆北京大学物理学院大气与海洋科学系气候与海气实验室北京100871 北京大学环境科学与工程学院环境科学系北京100871

本文利用2012年4月30日至5月10日华北地区大气湍流实验资料,分析了冬小麦田下垫面温度、湿度、二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的湍流统计和输送特征,利用涡旋相关法计算的CH4通量值确定了松弛涡旋累积(REA)法计算CH4通量的经验系数.结果表明... 详细信息

本文利用2012年4月30日至5月10日华北地区大气湍流实验资料,分析了冬小麦田下垫面温度、湿度、二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的湍流统计和输送特征,利用涡旋相关法计算的CH4通量值确定了松弛涡旋累积(REA)法计算CH4通量的经验系数.结果表明,不稳定层结下,温度、湿度、CO2和CH4的归一化标准差随稳定度参数z/L的关系满足-1/3幂次关系.热量、水汽和CO2水平方向的湍流输送和垂直方向的比值与稳定度参数z/L存在一定的相关关系,但CH4没有类似特征.实验期间,感热通量数值较低,潜热通量较高;CO2在夜间表现出微弱的向上输送,其余时段为向下输送,可以认为实验站所在地区是碳汇;CH4的湍流输送整体为向下输送,无明显的日变化规律,可以认为是CH4汇.利用松弛涡旋累积法获取CO2和CH4通量的参数取值分别为0.61和0.30.

关键词：湍流输送二氧化碳甲烷松弛涡旋累积(REA)法华北地区

不同分辨率下青藏高原对大西洋经向翻转流影响的耦合模式研究

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北京大学学报（自然科学版） 2021年第1期57卷 121-131页

作者：邵星杨海军李洋姜睿姚杰杨千姿北京大学气候与海-气实验室北京大学物理学院大气与海洋科学系北京100871

利用耦合地球系统模式CESM1.0,探究不同分辨率下青藏高原对大西洋经向翻转流(AMOC)的影响。对比有青藏高原地形与无青藏高原地形的试验,发现移除青藏高原后AMOC的变化与模式分辨率有关,不同分辨率下AMOC的变化不一致,低分辨率试验中AMO... 详细信息

利用耦合地球系统模式CESM1.0,探究不同分辨率下青藏高原对大西洋经向翻转流(AMOC)的影响。对比有青藏高原地形与无青藏高原地形的试验,发现移除青藏高原后AMOC的变化与模式分辨率有关,不同分辨率下AMOC的变化不一致,低分辨率试验中AMOC强度降低89%,高分辨率试验中仅降低13%。产生这种差异的原因是,不同分辨率下对深水形成有重要贡献的混合层潜沉位置和强度的变化显著不同:低分辨率试验主要位于格陵兰海?冰岛海?挪威海(GIN),高分辨率试验主要位于拉布拉多海,移除青藏高原后,高、低分辨率试验中潜沉均减弱,但低分辨率试验中减弱幅度大于高分辨率试验,高分辨率试验中位于拉布拉多海的潜沉强度减弱最明显,低分辨率试验中所有海域的潜沉强度均减弱,GIN海域尤其明显。模拟结果与观测风场数据以及北大西洋深水形成最新观测结果的对比表明,在所研究海域,低分辨率耦合模式的模拟结果更接近观测值。

关键词：青藏高原大西洋经向翻转流(AMOC) 潜沉模式分辨率

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古气候中的沙尘变化及其气候影响

地学前缘 2022年第5期29卷 285-299页

作者：刘永岗张铭林琪凡刘鹏胡永云北京大学物理学院大气与海洋科学系北京100871 深海圈层与地球系统前沿科学中心/海底科学与探测技术教育部重点实验室/中国海洋大学海洋地球科学学院山东青岛266100

大气中的沙尘通过对太阳光的吸收和散射对地表温度产生影响,进而对大气环流和降水等也产生影响,但是在地球的不同历史时期尤其是深时地球大气中的沙尘量如何变化以及如何影响气候还有很多不清楚的地方。本文通过模式模拟对地球上4个不... 详细信息

大气中的沙尘通过对太阳光的吸收和散射对地表温度产生影响,进而对大气环流和降水等也产生影响,但是在地球的不同历史时期尤其是深时地球大气中的沙尘量如何变化以及如何影响气候还有很多不清楚的地方。本文通过模式模拟对地球上4个不同时期的沙尘变化及其气候影响进行了研究,这4个时期分别是陆地植被还没有出现的前寒武时期、有植被且全球气温较高的盘古超大陆时期、大陆分布接近现代但气候较寒冷的末次盛冰期和气候较温暖的中全新世。在前寒武时期,由于陆地起沙面积大,大气中的沙尘含量可以达到现代地球的近10倍,使得全球地表温度下降也有近10℃。在盘古超大陆时期,由于在副热带的陆地面积比现代稍大,因此大气沙尘量也比现代稍大,对全球平均温度的影响很小。在末次盛冰期,由于寒冷干燥,沙尘量是现代的约两倍,但是它对全球有强烈的增温作用,如果没有沙尘,全球温度可能降低约2.5℃。在中全新世,观测显示全球沙尘量比现代少很多,模拟显示,采用现代沙尘和把沙尘全部去掉对全球平均温度的影响可以忽略,但是大西洋经向翻转流有显著变化。

关键词：沙尘古气候植被大西洋经向翻转流超大陆

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植被变化对西北地区陆气耦合强度的影响

地球物理学报 2015年第1期58卷 47-62页

作者：赵靖川刘树华北京大学物理学院大气与海洋科学系北京100871

西北地区地处欧亚大陆腹地,生态系统对于气候变化和人为影响十分敏感,同时该区也是湿润的东亚季风区与干燥的中亚干旱区的过渡区域,陆气相互作用比较强烈.本文对西北地区植被变化对当地的陆气耦合强度及其与之相关的地表水文过程的影响... 详细信息

西北地区地处欧亚大陆腹地,生态系统对于气候变化和人为影响十分敏感,同时该区也是湿润的东亚季风区与干燥的中亚干旱区的过渡区域,陆气相互作用比较强烈.本文对西北地区植被变化对当地的陆气耦合强度及其与之相关的地表水文过程的影响进行了分析研究,并且找出适于增加植被以缓解西北地区荒漠化趋势的最具成效的地区.本文利用美国国家大气科学研究中心（NCAR,National Center for Atmospheric Research）研制的通用大气模式CAM3（Community Atmosphere Model Version 3）对西北地区植被变化的影响进了数值模拟.本文共设计了三个试验,使用正常地表植被覆盖的参考试验,地表下垫面变为裸土的去植被试验和植被增加的生态环境好转试验.首先,本文对西北地区植被变化对于当地降水量、地表水分盈余量、径流量、地表土壤含水量等地表水文变量的影响进行了分析研究.然后对西北地区植被变化对当地的陆气耦合强度的影响进了分析研究,陆气耦合强度是衡量局地陆气相互作用强弱程度的一个新标准,基于计算年降水量与蒸散量的协方差与降水量方差之比而得到.它利用观测数据或模式输出数据,计算起来简便容易,物理意义明确清晰,陆气相互作用越强烈的地区,其陆气耦合强度也越高.最后,本文计算了一个蒸散-水汽通量散度指数来衡量植被变化对局地蒸散与大气水汽通量散度的影响,其在一定程度上反应了植被变化对局地陆气相互作用和大尺度大气环流输送作用的影响,也可以视为一个评估人为生态环境工程效果的指标.西北地区陆气耦合强度由东南向西北递增.去植被之后,西北地区降水与蒸发普遍减少,其中在东南部区域,地表径流增加约10-40mm,渗流量与地表土壤含水量分别减少约40-80mm和5-20mm3·mm-3,陆气耦合强度上升,这有可能导致水土流失,不利于当地植被的恢复.生态环境好转之后,内陆地区降水与蒸发明显增加,但地表盈余水分有所减少,主要原因是蒸散量相较于降水量增加的更多.其中在沙漠戈壁区边缘的新疆南部与内蒙西部,渗流量与地表土壤含水量分别上升约5-20mm和5-20mm3·mm-3,陆气耦合强度降低,蒸散-水汽通量散度指数较高,这可能主要是由于植被变化对局地陆气相互作用的改变而造成的.植被对于西北地区地表水文过程有着明显的影响,植被的存在能加速西北地区地表水文循环过程,减小陆面蒸散的变化,降低陆气耦合强度.在有限的人力与财力条件下,集中力量在在沙漠戈壁区边缘的新疆南部与内蒙西部适当种植灌木与青草并防止过度放牧,能有效降低当地陆气耦合强度,缓解西北地区荒漠化加剧的趋势.本文下一步还需考虑如模式地表植被数据与真实情况的差异性,海洋因素变化对于植被变化的反馈,以及进行集合实验来增加研究结果的可靠性.

关键词：西北地区植被变化陆气耦合强度水文变量数值模拟