中国物理海洋学研究70年：发展历程、学术成就概览

本文概略评述新中国成立70年来物理海洋学各分支研究领域的发展历程和若干学术成就。中国物理海洋学研究起步于海浪、潮汐、近海环流与水团,以及以风暴潮为主的海洋气象灾害的研究。随着国力的增强,研究领域不断拓展,涌现了大量具有广泛影响力的研究成果,其中包括:提出了被国际广泛采用的"普遍风浪谱"和"涌浪谱",发展了第三代海浪数值模式;提出了"准调和分析方法"和"潮汐潮流永久预报"等潮汐潮流的分析和预报方法;发现并命名了"棉兰老潜流",揭示了东海黑潮的多核结构及其多尺度变异机理等,系统描述了太平洋西边界流系;提出了印度尼西亚贯穿流的南海分支(或称南海贯穿流);不断完善了中国近海陆架环流系统,在南海环流、黑潮及其分支、台湾暖流、闽浙沿岸流、黄海冷水团环流、黄海暖流、渤海环流,以及陆架波方面均取得了深刻的认识;从大气桥和海洋桥两个方面对太平洋–印度洋–大西洋洋际相互作用进行了系统的总结;发展了浅海水团的研究方法,基本摸清了中国近海水团的分布和消长特征与机制,在大洋和极地水团分布及运动研究方面也做出了重要贡献;阐明了南海中尺度涡的宏观特征和生成机制,揭示了中尺度涡的三维结构,定量评估了其全球物质与能量输运能力;基本摸清了中国近海海洋锋的空间分布和季节变化特征,提出了地形、正压不稳定和斜压不稳定等锋面动力学机制;构建了"南海内波潜标观测网",实现了对内波生成–演变–消亡全过程机理的系统认识;发展了湍流的剪切不稳定理论,提出了海流"边缘不稳定"的概念,开发了海洋湍流模式,提出了湍流混合参数化的新方法等;在海洋内部混合机制和能量来源方面取得了新的认识,并阐述了混合对海洋深层环流、营养物质输运等过程的影响;研发了全球浪–潮–流耦合模式,推出一系列海洋与气候模式;发展了可同化主要海洋观测数据的海洋数据同化系统和用于ENSO预报的耦合同化系统;建立了达到国际水准的非地转(水槽/水池)和地转(旋转平台)物理模型实验平台;发展了ENSO预报的误差分析方法,建立了海洋和气候系统年代际变化的理论体系,揭示了中深层海洋对全球气候变化的响应;初步建成了中国近海海洋观测网;持续开展南北极调查研究;建立了台风、风暴潮、巨浪和海啸的业务化预报系统,为中国气象减灾提供保障;突破了国外的海洋技术封锁,研发了万米水深的深水水听器和海洋光学特性系列测量仪器;建立了溢油、危险化学品漂移扩散等预测模型,为伴随海洋资源开发所带来的风险事故的应急处理和预警预报提供科学支撑。文中引用的大量学术成果文献(每位第一作者优选不超过3篇)显示,经过70年的发展,中国物理海洋学研究培养了一支实力雄厚的科研队伍,这是最宝贵的成果。这支队伍必将成为中国物理海洋学研究攀登新高峰的主力军

WEPP模型坡面版在黄土丘陵沟壑区的适用性评价——以坡长因子为例

利用安塞试验站1985—1992年的气象观测数据和野外坡长径流小区径流量和土壤侵蚀量监测资料,评价了WEPP模型在黄土丘陵沟壑区不同坡长条件下的适用性。结果表明,在10,20,30和40m这4个坡长条件下,WEPP模型对次降雨、年平均和多年平均径流量的模拟结果略差;而WEPP模型对次降雨和年平均土壤侵蚀量模拟结果较好,无论是模拟值在不同坡长之间的差值,还是模拟值随坡长变化趋势均与实测值接近。WEPP模型对次降雨和年平均径流量模拟的Nash-Sutcliffe有效性ME分别为0.915和0.879;对次降雨和年平均土壤侵蚀量模拟的Nash-Sutcliffe有效性ME分别为0.853和0.758。WEPP对多年平均径流量和侵蚀量的模拟效果可满足要求。I30对WEPP模型模拟次降雨径流量有重要影响,当I30大于0.92mm/min,模型模拟误差较大。WEPP模型对次降雨土壤侵蚀量的模拟与PI30密切相关,当PI30大于129mm2/min时,模型模拟误差较大。∑PI30对WEPP模型模拟年平均径流量和侵蚀量有重要影响,当∑PI30大于150mm2/min时,模拟精度明显下降,且∑PI30对径流模拟的影响明显大于对..

Assessing the Applicability of CLIGEN Non-precipitation Parameters on Loess Tableland

许多基于物理机制的水文和作物模型需要日序列气象数据来驱动,CLIGEN是为WEPP等模型产生气候输入文件的天气发生器,可以产生10个日序列气象变量来满足这种需要,但是其在中国的适用性需要进行评估。研究的目标是利用黄土高原陕西长武1957~2001年的气象数据评估CLIGEN产生非降水要素(最高温度、最低温度、露点温度、太阳辐射和风速)的能力。结果表明,CLIGEN对最高温度、最低温度和露点温度的模拟效果较好,对太阳辐射和极端气候事件的模拟效果较差,对风速的模拟效果最差。相关性检验表明CLIGEN很好地保持了气象要素的季节性,这对模拟农业生产是非常重要的;但是没有保留气象要素逐日的自相关和互相关性,进而导致产生的温度变化不符合连续渐变的规律

Studying the methods for rasterizing meteorological variables in the Loess Plateau

【目的】以黄土高原地区为例,对温度和降水量2种气象要素的栅格化方法进行研究,为非气象站点所在地区或宏观大尺度区域气象要素数据的获取提供参考。【方法】以直接插值法为对照,运用多元线性回归法和趋势面分析法,对分布于黄土高原及其周边地区127个气象站点1971-2000年的月平均温度和降水量与3种宏观地理因子(经度、纬度、海拔高度)之间分别建立回归关系,并在此基础上结合数字高程模型(DEM)和反距离权重法(IDW),对研究区2种气象要素数据进行栅格化,并选用8个气象站点对栅格化结果进行检测。【结果】在对检验站点月平均温度的模拟中,直接插值法的平均绝对误差(MAE)大于1.0℃,而多元线性回归法和趋势面分析法的MAE值分别为0.485~0.776和0.242~0.509℃,多元线性回归法和趋势面分析法明显优于直接插值法,而趋势面分析法较多元线性回归法更优;但在检验站点月平均降水量的模拟中,3种栅格化方法在模拟精度上并无明显差别。3种宏观地理因子中,海拔高度是影响黄土高原地区温度空间分布最主要的因素,而纬度则对研究区范围内降水量的空间分布影响最大。【结论】将宏观地理因子作为参数纳入到温度空间分布模型的构建当中,可以有效...【Objective】 With the aim to provide some clues in acquiring meteorological information for those ungauged or large-scale regions,this study took the Loess Plateau as the target area,which involved two types of meteorological variables-temperature and precipitation-to search proper methods for rasterization of meteorological data.【Method】 Here,multiple linear regression(MLR) and trend surface analysis(TSA) methods were employed to build regression relationships between the measured meteorological data and ma..

CLIGEN非降水参数在黄土高原的适应性评估

天气生成器(CLIGEN)可以产生以日为时间单元的天气数据,从而广泛应用于土壤侵蚀和作物生长模拟模型,其模拟结果的优劣直接影响这些模型的输出结果。利用散布黄土高原的12个标准气象站点长时间序列的气候数据评估CLIGEN模拟非降水参数(温度、太阳辐射、风速)的能力。结果表明:CLIGEN能较好的模拟日最高温度;对日最低温度与露点温度的模拟次之;模型对太阳辐射和风速的模拟较差,特别是对风速的模拟,模拟值要显著的高于实测值。CLIGEN模拟的温度日较差、第1天最高温度与第2天最低温度之差、第2天最高温度与第1天最低温度之差的均值和标准差普遍偏高,但均值的误差较小,而标准差被过高模拟;模型在产生气候数据时,没有保持逐日渐变性和连续性。CLIGEN能够较好的模拟最高温度与最低温度的季节连续性与相关性;而过高的模拟了太阳辐射的季节相关性以及温度与太阳辐射的季节互相关性;同时,模型没有模拟出各气象要素自身及其之间的逐日相关性

Downscaling GCMs output to assess the potential changes of field erosion in the Loess Tableland

已经确认的极端降水事件增多等气候变化趋势,可能对黄土高原的土壤侵蚀造成重要影响。使用一种简单有效的转换函数法和天气发生器CLIGEN(CLImate GENerator),解集4种GCMs(General Circulation Models)在3种排放情景下的时空尺度建立气候变化情景,结合WEPP(Water Erosion Prediction Project)模型评估2010-2039年气候变化对黄土高塬沟壑区长武农田土壤侵蚀的潜在影响。结果表明,较1957-2005年,长武2010-2039年的年均降水量可能变化-2.6%-17.4%,年均降水方差是当前的0.984-1.389倍,降水量增多且暴雨次数增加的概率较大;最高和最低温度分别升高0.6-2.6℃和0.6-1.7℃,方差分别是当前值的0.748-1.155和0.736-1.387倍,方差增大的概率较大。受气候变化影响,2010-2039年径流普遍增长10%-130%,土壤侵蚀变化-5%-195%,侵蚀加剧的可能性极大;但保护性耕作可有效减少径流和侵蚀,是农田生态系统适应未来气候变化的有效措施

解集GCM输出模拟黄土塬区土壤水分平衡的潜在变化

壤水分平衡对气候变化存在着响应,在全球变化的大背景下,研究土壤水分的可能变化是气候变化影响评估中非常重要的一项内容。目标是利用经验统计方法解集GCM网格逐月的降水和温度数据,并使用建立的气候变化情景作为WEPP的输入文件评估黄土高原王东沟流域2010～2039年土壤水分平衡(土壤水分、蒸发、渗漏和蒸腾)的可能变化。结果表明,3种情景预测2010～2039年王东沟流域年均降水可能增长1.8%～17.5%,年最高温度和最低温度分别可能增长0.5～0.9℃和2.0～2.3℃。作物蒸腾变化主要在4～6月份,土壤蒸发变化主要发生在7～9月份;作物蒸腾年均变化-5%～19%,土壤水分年均变化-4%～4%,土壤蒸发年均变化-7%～7%,均为A2a减少,B2a和GGal增大;A2a的土壤水分渗漏增长最大,GGal次之,B2a基本不变。这些结果表明气候变化及其导致的作物生长变化对土壤水分平衡存在重要的影响

The impacts of future climate change on water resources in the Heihe Watershed on the Loess Plateau

气候变化对黄土高原的水资源有重要影响,对其影响进行评估可以为区域发展提供重要的决策依据。基于分布式水文模型SWAT和4种全球环流模式的各3种排放情景,评估了2010～2039年黄土高塬沟壑区黑河流域水资源对气候变化的潜在响应。结果表明,黑河流域2010～2039年的年均降水变化-2.3%～7.8%,年均最高和最低温度分别升高0.7～2.2℃和1.2～2.8℃,年均径流量变化-19.8%～37.0%,1.2m剖面年均土壤水分含量变化-5.5%～17.2%,年均蒸散量普遍增长0.1%～5.9%;水文气象变量变化趋势复杂,但T检验表明年降水、径流、土壤水分和蒸散增长的概率较大。对于季节变化,降水可能在12～7月份和9月份增长,8月份和10～11月份减少;径流在4～7月份和9～10月份增加,11～3月份和8月份减少;土壤水分在各月都增长;蒸散11～6月份普遍增长,7～10月份减少的可能性较大。未来气候将发生显著变化并对水资源有重要影响,需采取必要的措施来减缓其不利影响