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全新世不同时期夏季西风急流与东亚夏季风的协同演变及其对中国降水格局的影响

中国科学:地球科学 2025年第4期55卷 1136-1151页

作者：刘雅雯严蜜刘健王苏民刘征宇宁亮王子怡南京师范大学地理科学学院虚拟地理环境教育部重点实验室/“地理环境变化与区域应对”国家级重点实验室培育建设点/江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心南京210023 南京师范大学数学科学学院江苏省大规模复杂系统数值模拟重点实验室南京210023 中国科学院南京地理与湖泊研究所南京210008 Department of Geography The Ohio State UniversityColumbus OH 43210USA

东亚副热带高空西风急流(EASWJ)和东亚夏季风(EASM)的相互作用通常被认为是中国降水格局演变的重要动力因素.本文利用末次盛冰期以来的瞬变积分气候模拟试验结果(TraCE-21ka),通过多元经验正交函数分析方法(MVEOF),探究了全新世早、中... 详细信息

东亚副热带高空西风急流(EASWJ)和东亚夏季风(EASM)的相互作用通常被认为是中国降水格局演变的重要动力因素.本文利用末次盛冰期以来的瞬变积分气候模拟试验结果(TraCE-21ka),通过多元经验正交函数分析方法(MVEOF),探究了全新世早、中、晚三个时期EASWJ和EASM的协同演变及其对中国降水格局的影响.结果表明,在不同时期,MVEOF第一模态均显示EASWJ和EASM以强度的反相变化关系为主,但是晚全新世急流轴较宽,且倾斜程度较大.在二者协同演变形成的次级环流影响下,在早、中全新世中国呈现东部两极型(“南涝北旱”或“南旱北涝”)-北方两极型(“西湿东干”或“西干东湿”)的降水格局;而晚全新世呈现全区一致型降水格局.该模态在中、晚全新世以趋势变化为主.MVEOF第二模态显示,当早全新世EASWJ东移、急流轴缩短时,对应EASM减弱,中国呈现东部两极型-北方一致型降水格局;中全新世当EASWJ北移,EASM增强时,与之对应的中国降水格局同样为东部两极型-北方两极型,但华北湿润程度较小,反之亦然;晚全新世EASWJ和EASM强度在温带反相,在副热带同相变化,可导致中国降水出现东部三极型-北方两极型分布格局.该模态在中、晚全新世以百年振荡为主.上述EASWJ-EASM关系影响下的降水格局与降水重建结果较好对应,可为降水重建结果提供相应的动力机制解释.

关键词：全新世高空西风急流东亚夏季风协同变化降水格局

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风应力对水流运动及摩阻特性的影响

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水动力学研究与进展（A辑） 2015年第4期30卷 452-459页

作者：张卓宋志尧郭飞张东南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室南京210023 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心南京210023 大规模复杂系统数值模拟江苏省重点实验室南京210023

该文采用三维数值模型研究风应力对水流运动和摩阻特性的影响。首先通过试验数据验证了数值模型对风生流结果的合理性;然后通过平底水槽的数值试验,研究了风应力的变化,尤其是在风向顺流和风向逆流条件下,对于定常水流涡黏系数分布、流... 详细信息

该文采用三维数值模型研究风应力对水流运动和摩阻特性的影响。首先通过试验数据验证了数值模型对风生流结果的合理性;然后通过平底水槽的数值试验,研究了风应力的变化,尤其是在风向顺流和风向逆流条件下,对于定常水流涡黏系数分布、流速分布、雷诺切应力分布以及底部摩阻的影响。发现传统使用广泛的涡黏系数抛物线分布在风向顺流条件下基本与紊流模型结果吻合,而在风向逆流条件下,尤其是风应力较小情况下,抛物线分布与紊流模型结果有相当的偏差。流速分布则和传统双对数分布基本吻合,但须考虑风生流和定常流之间的相互作用,而不能简单看成两者间的线性叠加。雷诺切应力基本符合线性分布。底部摩阻受风生底流的影响,在平底条件下,风向顺流会减小底部摩阻,而风向逆流则会增加底部摩阻;但在非平底条件下,只有在较深处规律和平底类似,而在较浅处,风向顺流也会增加底部摩阻。

关键词：风生流摩阻涡黏系数流速分布

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江苏近海潮流湍流切应力研究

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海洋与湖沼 2015年第5期46卷 995-1000页

作者：张卓宋志尧南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室南京210023 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心南京210023 江苏省大规模复杂系统数值模拟重点实验室南京210023

潮流的流速分布和湍流切应力的分布密切相关。为了研究潮流湍流切应力的特征和变化规律,本文从潮流运动方程推导出随潮流呈周期性变化的湍流切应力随深度的分布表达式。从江苏近海现场实测流速剖面中计算得到一个潮周期内的湍流切应力... 详细信息

潮流的流速分布和湍流切应力的分布密切相关。为了研究潮流湍流切应力的特征和变化规律,本文从潮流运动方程推导出随潮流呈周期性变化的湍流切应力随深度的分布表达式。从江苏近海现场实测流速剖面中计算得到一个潮周期内的湍流切应力的变化过程。通过将实测值与本文理论解的比较发现,计算值能很好地反映出实测值的变化特征,尤其是能正确地反映潮流在加速和减速过程中,湍流切应力偏离线性分布呈现上凹和下凹的现象,以及只有在加减速转换的时候切应力才呈现线性分布的特点。最后,通过分析湍流切应力振幅及相位沿水深的变化情况,认为反映潮流周期、涡粘性和水深之间关系的参数Ri是决定湍流切应力弯曲程度及分布形态的重要参数。对于近海潮流,水深是影响湍流切应力偏离线性程度的主要因素。

关键词：潮流湍流切应力流速剖面潮流加速

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全新世亚洲季风百年-千年尺度变化的模拟研究进展

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地学前缘 2022年第5期29卷 342-354页

作者：孙炜毅刘健严蜜宁亮南京师范大学地理科学学院虚拟地理环境教育部重点实验室/江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点/江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心江苏南京210023 南京师范大学数学科学学院江苏省大规模复杂系统数值模拟重点实验室江苏南京210023 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋-气候-同位素模拟开放工作室山东青岛266237

气候重建工作的深入开展极大地促进了全新世亚洲季风变化的研究,然而当前重建结果对亚洲季风的演变特征和机理存在很大争议,开展古气候模拟对理解全新世亚洲季风演变的时空特征和成因机制具有重要意义。为此,本文主要从气候模式模拟的... 详细信息

气候重建工作的深入开展极大地促进了全新世亚洲季风变化的研究,然而当前重建结果对亚洲季风的演变特征和机理存在很大争议,开展古气候模拟对理解全新世亚洲季风演变的时空特征和成因机制具有重要意义。为此,本文主要从气候模式模拟的角度回顾全新世亚洲季风百年-千年尺度变化的模拟研究工作,并将从外强迫和气候系统内部变率这两个角度对机制进行探讨。主要有以下进展:全新世瞬变模拟试验结果反映早全新世以来亚洲季风降水呈下降趋势,这主要受到地球轨道参数的影响,并通过改变海陆热力差异和半球间温度梯度来影响亚洲季风降水。在百年尺度弱季风事件上,模拟的8.2 ka BP时期的亚洲季风弱事件主要是由冰川融水触发,引起大西洋经向翻转环流AMOC减弱并通过大气遥相关导致季风降水减少;而4.2 ka BP时期模式模拟的亚洲弱季风事件主要是受内部变率所主导而并非外强迫因子影响。亚洲季风百年尺度变化的模拟研究主要集中在过去2 000年时段,中世纪气候异常期季风明显增强,而在小冰期逐渐减弱,太阳辐射和火山活动是影响其变化的主导因子,它们通过影响海陆热力差异、印—太海温变化来影响季风变化。

关键词：亚洲季风全新世古气候模拟百年-千年尺度外强迫因子内部变率

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基于Laplace方程的球面正交曲线格网生成方法

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地理与地理信息科学 2016年第1期32卷 18-23页

作者：卢付强宋志尧雷梦玲丁凯孟南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室江苏南京210023 南京师范大学大规模复杂系统数值模拟江苏省重点实验室江苏南京210023 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心江苏南京210023

为克服基于传统经纬度格网的全球海洋及大气数值模式产生的极点问题,同时顾及全球格网编码便捷及信息查询,该文将立方体球心投影的格网经球极投影转换到二维平面区域,再应用Laplace方程数值求解生成正交曲线格网;然后采用球极逆投影,得... 详细信息

为克服基于传统经纬度格网的全球海洋及大气数值模式产生的极点问题,同时顾及全球格网编码便捷及信息查询,该文将立方体球心投影的格网经球极投影转换到二维平面区域,再应用Laplace方程数值求解生成正交曲线格网;然后采用球极逆投影,得到球面上一种新的正交曲线格网。通过与等角球心投影、保角变换两种球面格网生成方法的结果相比较,从格网两边的长度、单元的面积、正交性等指标进行统计分析,对所生成格网的质量进行评价。结果表明,等角球心投影法生成的格网单元大小较均匀,但正交性不理想;Laplace方程法生成的正交曲线格网稍优于保角变换法,可作为应用有限差分方法和有限体积方法的全球海洋及大气大尺度数值模拟的基础格网。

关键词： Laplace方程球极投影正交曲线格网 Neumann正交化

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西江感潮河道(马口—磨刀门)的潮波传播特征研究

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热带海洋学报 2023年第4期42卷 47-62页

作者：武家兴王浩丞张璐张卓陈鹏李玉婷南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室江苏南京210023 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心江苏南京210023 江苏省大规模复杂系统数值模拟重点实验室江苏南京210023

基于2015—2017年梧州站逐日流量时间序列,应用一维、二维耦合数值模型,并考虑曼宁系数的洪枯季变化,模拟了西江感潮河道(马口—磨刀门)潮位的时空变化,研究了潮波从河口向河道上游传播过程中的潮波变形特征、潮位极值点的时空分布以及... 详细信息

基于2015—2017年梧州站逐日流量时间序列,应用一维、二维耦合数值模型,并考虑曼宁系数的洪枯季变化,模拟了西江感潮河道(马口—磨刀门)潮位的时空变化,研究了潮波从河口向河道上游传播过程中的潮波变形特征、潮位极值点的时空分布以及潮差的沿程衰减特征。结果表明,河道水位受径流影响有明显的洪枯季特征;日均水位呈现大小潮期间的半月周期变化,半月变化沿河道上溯逐渐增大,说明外海潮波以一种半月低频分潮的形式向河道上游传播;受径流影响,潮汐不对称特征越往上游越明显,涨潮历时和落潮历时的差异往上游递增。各个水文站的极值潮位受径流影响往上游呈递增趋势,且在外海潮汐的作用下多发生在大潮期间。河道内潮差从下游往上游呈递减趋势,季节差异显著,下游的灯笼山和三灶站有明显的半年周期特征。

关键词：潮波传播径潮作用极值潮位潮差

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过去2000年北半球不同纬度温度对火山活动的响应

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科学通报 2021年第24期66卷 3194-3204页

作者：孙炜毅刘健高超超陈敏南京师范大学地理科学学院虚拟地理环境教育部重点实验室/江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点/江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心南京210023 南京师范大学数学科学学院江苏省大规模复杂系统数值模拟重点实验室南京210023 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋-气候-同位素模拟开放工作室青岛266237 浙江大学环境与资源学院杭州310058 江苏省测绘工程院南京210013

火山活动是影响气候变率的重要外强迫因子,研究火山喷发对气候的影响有助于提高对温度变化的提前预警,也对未来地球工程计划具有指示意义.然而,目前仍不清楚不同纬度的火山喷发影响北半球不同纬度温度变化的特征、敏感性和影响机理.本... 详细信息

火山活动是影响气候变率的重要外强迫因子,研究火山喷发对气候的影响有助于提高对温度变化的提前预警,也对未来地球工程计划具有指示意义.然而,目前仍不清楚不同纬度的火山喷发影响北半球不同纬度温度变化的特征、敏感性和影响机理.本研究基于通用地球系统模式完成了涵盖过去2000年的火山活动敏感性试验,并挑选出大于5 Tg的21个北半球火山(NHV)、31个热带火山(TRV)和18个南半球火山(SHV)喷发事件,分别探究了这三类火山喷发对北半球低、中和高纬度温度变化的影响.研究发现:TRV的总喷发强度是NHV和SHV的1.9和3.3倍,喷发后对各纬度的降温影响最强.然而,换算为相同喷发强度下,在火山喷发后第1~24月, TRV和NHV对北半球低纬度降温效率相近(约-1℃/100 Tg),而SHV贡献相对较弱;NHV对北半球中、高纬度降温效率最强(-1.9和-2.3℃/100 Tg),约是TRV的2倍,而SHV则没有显著影响.具体的影响机理是:不同纬度的火山喷发均通过阻挡大气顶层短波辐射的直接作用造成北半球低、中纬度的降温.在高纬度地区, NHV和TRV在第1~24月通过减弱短波辐射造成地表降温,引起海冰扩张,从而触发海冰-反照率正反馈机制加强夏、秋季降温;而在第25~48月火山气溶胶大量衰退,高纬度降温则来自于中高纬度海洋向北热输送的减少这一间接作用使海冰-反照率机制得以维持的影响,且海洋向北热输送的减弱对NHV更为敏感,约为TRV的2倍.

关键词：火山活动地球系统模式温度变化敏感性影响机理

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中世纪暖期南北半球气候变化特征与成因的模拟对比

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地理研究 2016年第9期35卷 1659-1671页

作者：刘斌刘健王志远虚拟地理环境教育部重点实验室江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点南京师范大学地理科学学院南京210023 江苏省大规模复杂系统数值模拟重点实验室南京师范大学数学科学学院南京210023 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心南京210023

利用通用地球系统模式CESM过去1500年气候模拟试验结果,对比分析中世纪暖期南、北半球气候变化特征及成因,对认识南、北半球暖期气候变化规律及其与外强迫变化的关系有重要科学意义。结果表明:中世纪暖期全球及南、北半球总体是变暖的,... 详细信息

利用通用地球系统模式CESM过去1500年气候模拟试验结果,对比分析中世纪暖期南、北半球气候变化特征及成因,对认识南、北半球暖期气候变化规律及其与外强迫变化的关系有重要科学意义。结果表明:中世纪暖期全球及南、北半球总体是变暖的,但仍存在峰谷变化,高纬地区增温幅度大于低纬地区,北半球中世纪暖期比南半球更为明显,其距平变幅也大于南半球。全球降水距平基本为正,南、北半球降水变幅基本相当,降水变化显著区域集中于低纬地区。太阳辐射是影响中世纪暖期全球及半球气温变化最显著的因素,火山活动对北半球气温变化也有较显著的影响。从全球尺度来看,降水由太阳辐射和火山活动共同影响,其中太阳辐射影响最为显著,但从半球尺度来看,火山活动是影响半球降水的重要因素。

关键词：中世纪暖期气候模拟北半球南半球气候变化

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过去2000年东亚夏季风降水百年际变化特征及成因的模拟研究

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地球科学进展 2015年第7期30卷 780-790页

作者：孙炜毅刘健王志远南京师范大学地理科学学院虚拟地理环境教育部重点实验室江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心江苏南京210023 江苏省大规模复杂系统数值模拟重点实验室南京师范大学科学计算中心江苏南京210023

利用地球系统模式CESM过去2 000年气候模拟试验结果,探讨了在百年尺度上东亚夏季风降水的时空变化特征及其成因,对于认识百年尺度气候变化规律、区分外强迫因子对东亚季风的影响有着重要的科学意义。研究表明:1东亚夏季风降水与温度基... 详细信息

利用地球系统模式CESM过去2 000年气候模拟试验结果,探讨了在百年尺度上东亚夏季风降水的时空变化特征及其成因,对于认识百年尺度气候变化规律、区分外强迫因子对东亚季风的影响有着重要的科学意义。研究表明:1东亚夏季风降水与温度基本同相变化,降水存在准100年、准150年和准200年周期。2降水标准化EOF第一模态为由北向南"负—正—负—正"的条带状空间分布,而EOF第二模态基本为全区一致的分布型态。3东亚夏季风降水准100年周期主要受太阳辐射、火山活动和气候系统内部变率的共同影响;准150年周期主要受太阳辐射的影响;准200年周期主要受太阳辐射和火山活动的影响。东亚夏季风降水在温带地区主要受温室气体和土地利用/覆盖的影响;在副热带地区主要受太阳辐射和火山活动的影响;在热带地区主要受太阳辐射、火山活动和气候系统内部变率的影响。

关键词：过去2000年气候模拟东亚夏季风外强迫因子百年尺度

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斜压作用对河口落潮水流剖面的影响

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水运工程 2019年第7期 38-43,92页

作者：陈鹏张卓宋志尧李玉婷南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室江苏南京210023 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心江苏南京210023 大规模复杂系统数值模拟江苏省重点实验室江苏南京210023

在咸淡水混合的河口由于水体密度在空间不均匀分布,水流受到斜压影响,其流速分布经常会偏离传统的对数分布。而常用的密度流分布基于常涡黏系数假定,无法用于瞬时流速剖面的拟合。基于水动力方程,得出考虑斜压影响下的湍流切应力分布,... 详细信息

在咸淡水混合的河口由于水体密度在空间不均匀分布,水流受到斜压影响,其流速分布经常会偏离传统的对数分布。而常用的密度流分布基于常涡黏系数假定,无法用于瞬时流速剖面的拟合。基于水动力方程,得出考虑斜压影响下的湍流切应力分布,分析发现在斜压影响下的湍流切应力呈抛物线分布。在此基础上应用Prandtl混合长理论,提出考虑河口斜压影响的落潮水流流速剖面。通过比较数值模拟结果与实测资料,发现本文公式能很好地校正斜压引起流速剖面对于传统对数分布的偏差,提高拟合精度,得到更趋于合理的拟合参数。

关键词：斜压流速分布河口对数分布摩阻流速

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