布朗运动理论及其在复杂气候系统研究中的应用

文章将从非平衡态统计物理发展和应用的角度,介绍德国科学家哈塞尔曼荣获2021年诺贝尔物理学奖的研究工作——基于布朗运动理论,建立了描述气象(天气)影响气候长期演化的随机气候学模型,并建立了寻求影响气候主因的最优指纹方法,从而能够分辨出人类活动和自然界局部改变对气候这一复杂系统的影响。哈塞尔曼的工作本质上是理论物理在实际复杂系统领域的成功应用,他采用的基础物理方法——布朗运动理论是我国杰出女物理学家王明贞和其导师乌伦贝克在20世纪40年代基于爱因斯坦的工作发展起来的[1,2]。文章将介绍布朗运动理论的发展及其相关的非平衡统计物理思想的当代发展,以展示哈塞尔曼如何把相关的物理理论巧妙地用于气候长期预测的实际应用研究：(1)建立了快变的局部“气象”变量涨落通过耗散涨落关系影响缓变的整体气候变量的基础理论;(2)通过最优指纹方法,寻找局部“噪音”和外驱动力影响气候演化的关键要素。     

一种新的大气折射率剖面模型构建方法

针对现有大气折射率剖面模型中干项简化模型较多、使用中难以取舍和湿项简化模型精度较低等问题,利用某台站实测探空数据,对现有几种大气折射率剖面模型的精度进行了分析。在此基础上,基于小波聚类和EOF(经验正交函数)分析方法,构建了一个能够考虑天气特征的大气折射率剖面改进模型,并利用实测数据对其精度进行了验证。结果表明:改进模型拟合精度较现有模型精度有明显改进。其中,干项模型能够充分考虑台站本地气候特征,精度更高;湿项模型将天气类型细分为四类,比现有模型精度最大提高了约6个折射率单位。同时,改进模型天气类型划分方法较容易被非气象专业人员理解,便于此模型推广应用。     

农谚与光学现象

日常生活中有很多关于气象方面的农谚，如“朝霞雨，晚霞晴”、“朝虹雨滴滴，晚虹晒破皮”、“日晕风，月晕雨”……．农谚是人们千百年来对气候现象的总结，其实质是大气中的一些光学现象，如霞、虹、晕、华等，各种不同的光学现象显示出大气中不同的物理性质，预示未来天气的变化．     

系留气球内囊气体加热除冰雪的模拟研究

冰霜和雨雪是影响系留气球系统露天安全系留的关键因素,为增强系留气球在寒冷气候和雨雪天气下的除冰融雪能力,论述了一种阵地式系留气球内囊气体循环加热的地面除冰雪方法.通过建立不同大气温度、风速和不同积雪速度下内囊气体与球体表面积雪的换热模型,计算了典型冰雪天气和恶劣冰雪天气下的需用加热功率,模拟分析了不同气象条件下内囊气体...     

基于卷积神经网络与特征融合的天气识别方法

在太阳能热水器及太阳能电池等太阳能发电领域,下雨、下雪、阴天等气候因素将严重影响发电效果,而太阳能随动系统工作也必须消耗能量,所以迅速判断当前的天气状况,并设计自适应的开关随动系统极其重要。当天气状况为阴雨或者雪天时,系统应当关闭从而减少能耗。鉴于传统的天气识别方法效率低、准确度差、计算量大的问题,在公开的天气图像基础上创建了一个具有多种类别的天气分类集,并提供了一种基于卷积神经网络与特征融合的天气图像识别技术。通过采用传统方式获取图像的颜色、纹理、形状3种特征作为整个模型的底层特征,在原本的VGG16(visual geometry group-16)模型基础上进行了改进,从而提取图像的深层特征,最后将底层特征与深层特征融合起来在Softmax上进行输出,总识别率达到94%。     

全球气候变化中的物理问题

全球气候变化是一个复杂的科学问题,它涉及到气候系统或地球系统的变化,不但需要考虑它们所包含的这些系统内各部分本身的变化,以及它们之间复杂的相互作用,而且还需考虑物理与地球生物化学等许多过程,文章主要讨论全球气候变化中的物理问题,主要有三个方面:(1)辐射传输和全球辐射平衡:不论是由于自然的原因或人类活动(如太阳活动与火山爆发以及温室气体排放增加导致的温室效应加强)一旦破坏全球的辐射平衡,则会引起气候变化,这是气候变化的主要原因与驱动力;(2)大气波动和气候变化的内部变率:除上述外强迫的作用外,气候变化还可由气候系统内部的变率引起,这包括大气内部变率和耦合气候变率,它们主要是通过产生各种大气的波动而实现的,其中最重要的是罗斯贝(Rossby)波.它们的传播和不稳定发展是造成气候变化的另一个原因;(3)气候系统的混沌性质和可预报性:数值预报模式的预报结果对初始场很敏感,即初始场的微小误差可导致完全不同的预报结果,同时模式中物理过程描述的真实程度也影响预报的结果,大气的这种混沌性质限制了天气的可预报性在2周以内,但气候预测由于明显受外强迫的作用,可使大气的混沌时效延长到月、季、年、几十年甚至上百年,为了减少由初始场误差和模式不完善而造成的预报误差,目前气候预报足采用多初值和多模式的集合预报方法,因而气候预测实际上是一种概率预报.     

蔽日黄沙迥不同 神奇静电匿其中——漫话沙尘中的静电现象

<正>沙尘对人类的危害主要体现在沙尘天气。沙尘天气,是指大量沙或尘被风吹起并随气流进入空中造成大气浑浊的现象。按照能见度(人眼能见的最远距离)大小可分为浮尘(能见度小于10 km)、扬沙(能见度在1~10 km)、沙尘暴(能见度小于1 km)和强沙尘暴(能见度小于500 m)四类。图1展示了国内两城市遭强沙尘暴袭击场景。沙尘天气的危害极其严重,如降低空气质量,毁坏公共设施和农田,影响交通及人类生命安全,导致呼吸系统疾病暴发;影响太     

大气光现象与天气谚语

天气谚语是以成语或歌谣形式在民间流传的能够预示未来天气变化的经验辞语，它因果关系明确、语句简炼，是中国民间所特有的一笔宝贵文化财富．许多天气谚语与大气中的光现象密切相关，蕴藏了丰富的物理道理．在大力倡导素质教育的今天，引导学生运用物理知识分析天气谚语是一种有益的尝试．     

基于2008年1月中国南方低温雨雪冰冻事件10-30天延伸期稳定分量的研究

对北半球1978-2007年1月6日-2月4日逐日500 hPa高度场资料带通滤波,得到10-30 d 时间尺度分量,结合经验正交函数分解方法(empirical orthogonal function, EOF)提取出气候态基底.同样滤波北半球2008年1月冰冻雨雪事件的逐日实况资料,并将其投影到气候态基底上,利用各贡献率作为考察该EOF分量对原场的影响指标. 从10-30 d延伸期预报的角度提取稳定分量进行诊断分析,探讨影响此次天气过程的主要因素.通过贡献率分析方法把10-30 d延伸期稳定分量划分为气候态稳定分量和异常型稳定分量两个部分.结果表明:气候态稳定分量在我国南方2008年1月冰冻雨雪事件中占主体地位,异常型稳定分量相当于在气候态稳定分量的基础上叠加的扰动值, 但异常型稳定分量在本次过程中的作用不能忽视,甚至起到关键性的作用, 并且与实况距平在太平洋地区整体环流形势有较好的对应.这些结论加深了对10-30 d 时间尺度可预报性的认识,为10-30 d延伸期预报提供了一种新的思路和解决问题的途径.     

基于2013年8月中国中东部地区持续高温的延伸期稳定分量提取及改进研究

基于2013年8月中国中东部地区持续高温及其减弱过程, 利用美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心逐日平均的500 hPa高度场、风场再分析资料和美国国家海洋和大气管理局的海温重建扩展资料进行分析, 通过前期海温强迫相似年的选取方法以及带通滤波和经验正交函数分解等方法提取出10–30 d的稳定分量, 并通过对稳定分量的诊断分析探究了这次持续高温及其减弱过程的维持机制. 研究发现: 通过选取与个例前期海温强迫最相似的30年来代替常规的气候态30 年(1981–2010 年), 所提取的气候态稳定分量所占的比重变化不大, 稍有减弱, 而异常型稳定分量占的比重显著性提高, 且其所刻画的影响异常事件的天气系统强度及稳定性明显提高, 能够更加清晰地显示延伸期天气过程的维持机制. 这表明在提取稳定分量时考虑前期的海温强迫作用是非常有必要的. 同时, 通过对延伸期稳定分量的分析, 表明此次持续高温及减退过程主要受到北极涛动、亚洲大陆中高纬纬向环流形势和西太平洋副热带高压(西太副高)强度、位置的共同影响.     

兰州地区夜间光强起伏特性实验

在兰州地区夜间进行了链路长为610m的激光传输实验,研究了晴、阴、沙尘、雨夹雪天气下光强起伏的统计特性.采用闪烁法测量了不同天气下的大气折射率结构常数C_n~2,分析其最大值、最小值、均值和标准差,得到实验期间C_n~2值的范围为1.06×10~(-15) m~(-2/3)~1.05×10~(-13) m~(-2/3),均属于中等湍流;而且晴天和雨夹雪天气下C_n~2值以及起伏程度均大于阴天和沙尘天的值.同时,利用实测光强值分析了Rytov方差,结果表明:晴、雨夹雪、沙尘天气下光强起伏大部分时间属于弱起伏,有小部分时间跨入中等起伏区,而阴天下光强起伏均属于弱起伏,且晴天和雨夹雪天气下光强起伏大于阴天和沙尘天.通过对光强频数分布进行对数正态、Gamma-Gamma和指数威布尔非线性拟合,不同天气下光强起伏概率分布最为接近指数威布尔分布,其拟合优度均大于0.989 95,而在弱到中等起伏区,Gamma-Gamma分布拟合效果优于对数正态分布.     

20世纪后30年中国西北西部降水年代际变化机理分析

在全球气候变暖背景下1980年代中期中国西北西部气候发生了年代际突变,降水明显增加且主要是极端降水的贡献. 本文用欧洲中期预报中心再分析资料ERA-40计算了瞬变涡动、环流、水汽输送及其散度等的年代际变化并进行了分解分析. 结果表明, 1987年后大气环流年代际变化形成"东高西低"环流背景场,西风带向该区的水汽输送增加, 水汽辐合增强,其中主要是定常波水汽输送的贡献, 其结果是造成该区及周边空气水汽含量上升, 有利于降水或极端降水的增加. 夏季该区瞬变涡动增强且造成水汽辐合, 增加了降水天气出现的频率; 冬季瞬变涡动减弱, 天气过程减少, 说明降雪增加的原因应该是空气水汽含量增加, 导致降雪强度增加. 因此该区降水的增加即有中高纬度大气变暖变湿的贡献,也有瞬变涡动的动力作用. 未来西北西部降水的趋势主要取决于瞬变涡动与大气水汽含量变化的竞争．     

2009年11月冰冻雨雪事件10—30d延伸期稳定分量提取及分析

针对2009年11月冰冻雨雪事件,通过经验正交函数分解等方法提取10—30 d稳定分量,并第一次运用计算贡献率和相似系数判定等手段把稳定分量进一步客观地分离成气候态稳定分量和异常型稳定分量.将气候态稳定分量与低通滤波分量合成气候背景场.研究发现:气候背景场环流形势持续时间较长,随时间变化缓慢,主要提供了事件发生的气候背景,指示大尺度环流调配置和调整;气候背景场空间活动范围较大,能较好地刻画永久半永久性大气活动中心变化情况,且在垂直各层有稳定一致的配置关系;异常型稳定分量重点体现了环流相对异常特征,与2009年11月冰冻雨雪事件有较好的对应关系.在气候背景场提供确定的环流大背景下,异常型稳定分量表征了对应天气系统的相对强弱变化.     

利用高阶矩检测近2000年来气候极端异常的研究

基于标准化后的高分辨率气候代用资料，应用高阶矩分析方法检测近2000年来气候极端异常演变特征；同时结合滤波方法进行具有物理背景的层次分离，进而研究了各时间层次气候极端异常变化信息及其贡献.结果表明：1) 在100年以上的时间层次上，可能存在千年左右的气候变化振荡周期，而且20世纪是近2000年来气候极端异常现象最为活跃的时段，可能对应于气候极端异常现象活跃期.2)对于20—60年这一时间层次，公元300—1100年间气候极端异常现象比较明显，而公元1100—1980年间相对比较缓和；该层次对20世纪的气候异常没有显著贡献.世纪以上和20—60年时间层次均揭示出在近2000年的气候变化中，公元1100年前后可能是一个气候极端异常现象演变的关键转折时期.3)在年际尺度上(小于20年)，北京石花洞石笋微层厚度时间序列中发生气候极端异常现象的年份与出现E1 Ni?o事件和La Ni?a事件的年份有非常好的对应关系(仅讨论公元1960—1980年).4)高阶矩分析方法对于检测气候极端异常分布及演变规律有较好的应用前景. 关键词： 高阶矩 气候异常 极端事件 层次     

基于遥感观测的折射指数光谱特性反演大气气溶胶中沙尘组分含量

矿物沙尘是气溶胶的重要化学组分,对气候和环境都有重要影响。本文基于2010年的北京AERONET站点的气溶胶产品资料,分析了复折射指数在440～1 020nm范围内的变化特性,发现实部(n)在各个波段的取值差异不大;而虚部(k)由于受到矿物沙尘吸收的影响从440到670nm呈现出明显下降的趋势。据此,将k(440nm)与其他波段的值分开考虑,增加了一维信息量,从而能将目前基于复折射指数反演气溶胶化学组成的三组分模型(水、黑碳、硫酸铵)扩展为包含矿物沙尘的四组分模型,解决了以往在粗粒子较多时无法进行化学成分反演的难题。针对北京沙尘、灰霾、晴朗三种典型天气进行了气溶胶中沙尘组分的反演试验,获得的体积比例分别为88%,37%和48%,与基于气溶胶粒子体积谱分布计算的粗粒子比例的相对大小具有很好的一致性。     

比较水和砂的比热容--模拟二种典型气候的对比演示

比热容概念的教学中，几乎任何教材、任何教师都会列举二种典型气候——海洋性气候和大陆性气候的形成原因：水的比热容比砂石大得多．如果能人为地建造这么二种微型的气候环境，现场模拟演示这二种气候特征及其形成原因，显然会增进学生对比热容概念的理解和学习兴趣，同时增加环保意识．我们对此作了初步探索，抛砖于此。     

基于临界慢化现象的气候突变前兆信号的初步研究

近年来,临界慢化现象在揭示复杂动力系统是否趋于临界性灾变方面展示了重要潜力.基于临界慢化的理念,研究了气候突变的早期预警信号.针对20世纪70年代末80年代初的气候突变,对全国月平均温度资料和太平洋年代际振荡(PDO)指数进行分析,分别计算了表征临界慢化现象的方差和自相关系数.结果表明,气候发生突变前,全国月平均温度和PDO指数都存在明显的临界慢化现象,这表明临界慢化现象可能是气候突变发生前的一个早期信号.将临界慢化理论用于气候突变前兆信号的研究,对深入认识气候突变和捕捉气候突变前兆信号都具有重要的现实意义和科学价值.     

古诗与气象气候

中国诗歌源远流长，博大精深，内容涉及气象、气候知识的为数不少．其中借气象、气候景观表达真情实感最为亮丽，或热情奔放、直抒胸臆，或诙谐、暗喻，有浓郁的生活色彩．     

记录古气候的同位素温度计

地球的年龄大约是46亿年,原始生命三叶虫出现于距今57亿年前.此后,地球经历了三次气候相对寒冷的大冰期,它们分别始于57亿年、28亿年和300万年前,每次持续几百万年.今天的地球正处于第三次大冰期,而人类时代基本上与第三次大冰期相吻合.南斯拉夫数学天文学家米兰柯维奇(Ｍ.Ｍｉｌａｎｋｏｖｉｔｃｈ)于1914年发表了关于地球轨道运动与气候关系的理论.他认为,由于(1)地球自转轴相对于公转轨道平面倾角的变化;(2)自转轴的进动;(3)公转椭圆轨道偏心率的变化,地球气候会有相应的周期变化,振荡的周期分别是41万年、25万年和10万年.起初,米兰柯维…     

基于Lorenz系统的数值天气转折期预报理论探索

以Lorenz系统为研究对象,对数值天气转折期预报中的动力学特征进行了理论研究,通过对Lorenz系统平衡点稳定性的讨论,得到了区分准稳定区域和准不稳定区域的分界曲面,由此标定出准稳定区域和准不稳定区域.在准稳定区域,Lorenz曲线保持相对稳定,能够在该平衡点周围周期运动;在准不稳定区域,Lorenz曲线可能会从这个平衡点周围跃过分界曲面而进入另外一个平衡点周围,即发生突变,这是Lorenz系统的一个重要动力学特征;对数值天气转折期预报与气候突变检测、预测给出一种新理论和新方法.