大气科学数值模拟.pdfVIP

58v01．6No．5 新学科 ·新发现 ·新技术 pI．199 大气科学数值模拟 李崇银 (中国科学院大气物理研究所 100029) 关键词 ：大气科学 模式 数值模拟 大气科学研究大气运动规律和各种大气物理及化学现象 。相当时期以来，大气科学同其他 环境科学一样，是在观测、收集并分析资料基础上总结其规律和提出理论。i殖着科学的发展和 技术的进步 ，一方面是对大气运动和变化的有关物理和化学过程有了更深入的认识，出现了新 的理论 {同时，计算数学和计算机技术的发展提供了定量地研究大气运动的必要条件。这样 ，便 形成了一个以电子计算机为重要工具、以流体动力学和其他科学为理论基础的对大气运动和 演变进行定量计算的现代新学科一大气科学数值模拟 。这门新学科类似于物理学和化学中的 实验研究．既可 以大规模地检验有关规律的已有认识和理论，叉可以通过模拟发现新的规律和 确立新的理论。另外，大气科学数值模拟还可 以为实际应用提供定量的可靠依据，例如数值天 气预报和大气环境监测等。 目前 ，大气科学数值模拟已成为各种学科 中数值模拟研究最成熟、最发达而叉最富有成果 的分支之一。世界上历代巨型电子计算机都一直最先用于大气科学的数值模拟 ．而大气科学数 值模拟的发展又推动着计算机技术的发展 。近十多年问，世界上主要发达国家都已相继建立了 大气科学数值模拟中 Lt,或 以数值模拟为主的大气科学研究中心。在美国有地球流体动力学实 验室 (GFDL)国家大气科学研究中心 (NcAR)以及哥达德宇航中心的大气科学部；在欧洲有欧 共体支持的欧洲中期天气预报中心(EcMwF)，专门从事中长期数值天气预报同题和气候模拟 研究；在苏联科学院的计算数学部，也是专 门从事大气、海洋和环境及其相互作用的数值模拟 的研究所。中国科学院大气物理研究所的大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室 (LASG)，正是为适应我国大气科学和地球流体力学数值模拟研究的需要而建立的。其 目的在 于通过理论分析和数值模拟，研究地球流体 (大气、海洋)宏观演变及其控制理论 f揭露环境系 统和气候系统的大范围异常现象及其变化规律 }研究合理利用 自然资源 (主要是气候和环境) 以及保护和改造环境的科学决策 目前，大气科学的数值模拟可 以分为以下六类 ： 1、大气环流、气候形成及变化的数值模拟 国内外利用大气环流模式(GCM)不仅已成功地模拟出了地球上的气候带，各个季节的平 均环流和气候形势；而且较好模拟出了诸如季风爆发和大气环流季节性 突变等现象。有_篼大气 对外强迫 (大尺度地形和热源)的响应问题也进行了一系列模拟研究，对于认识大气环流和气 候变化有重要意义。同大气环流持续性异常有关的大气低频变化也正通过数值模拟进行深入 收稿 日期：l991年 4月 3日 Vo1．6No．5 地球科学进展 Sep．，199159 研究 “温室效应”是 际上极为重视的问题 ，数值模拟对此 问题 已进行了极为有效的研究，不仅 肯定了CO2等温摩气体含 增加对气候的可能影响及程度，还提出了一定的对策方案。为了进 一 步搞清气候变化的规律，大气与海洋相互作用 、大气与陆面状况 (冰雪及植被复盖等)相互作 用以及云和辐射相互作用等重要问题 ，虽然 已进行了有成效的研究，大量数值模拟有待进一步 发展。另外，有关古气候的研究、气候预{jl4研究和试验，更是离不开数值模拟 。 2、数值天气预报及 中长期天气过程的数值模拟 求解描写天气变化过程的流体力学方程组来预报天气的所谓数值预报，开始于 5O年代 ， 它既是大量数值模拟试验研究的结果，又大大推动了大气数值模拟的发展。目前，短期天气形 势的数值预报，其准确度 已优于预报员的预报 f5—1O天的逐 日中期数值预报业务正在研究建 立之中。 为了进一步提高预报准确率和延长预报时效，很有必要对中长期天气过程的机理作更深 入的理论研究和数值模拟 。这里有两个极为突出的问题，其一是阻塞形势的建立 、维持和崩溃， 其二是大气环流的突变。前者 已从波流相互作用及弧立波和偶极子等方面进行了理论研究，后 者也已提出丁大气多重平衡态及其转换的非线性理论。 3、强对