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2016年  第40卷  第1期

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序言
黄荣辉
2016, 40(1): 1-1. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2016.20160101
摘要:
清平乐·颂叶笃正先生百年华诞
李崇银
2016, 40(1): 2-2.
摘要:
从Rossby波能量频散理论到准定常行星波动力学研究的发展
黄荣辉, 皇甫静亮, 刘永, 杜振彩, 陈国森, 陈文, 陆日宇
2016, 40(1): 3-21. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1503.14298
摘要:
本文是为纪念叶笃正院士诞辰百周年和他对大气动力学发展的重大贡献而撰写的.叶先生在20世纪40年代所提出的罗斯贝波能量频散理论不仅至今仍广泛应用于天气预报,而且开创了准定常行星波动力学的研究.在罗斯贝波频散理论的启迪和引领下,行星波动力学和大气环流异常遥相关的研究取得重要进展.特别是关于准定常行星波在二维和三维球面大气的传播特征以及北半球夏季大气环流异常的EAP(East Asia-Pacific)型和"丝绸之路(Silk Road)"型遥相关及其机理已做出系统的研究,本文简要地回顾这些研究.并且,本文还回顾了在叶先生所提出罗斯贝波能量频散理论的引领下,近年来我们关于东亚冬、夏季风和我国气候灾害的年际和年代际变化的内动力学机理研究所取得的进展.
青藏高原和亚洲夏季风动力学研究的新进展
吴国雄, 何编, 刘屹岷, 包庆, 任荣彩, 刘伯奇
2016, 40(1): 22-32. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1504.15129
摘要:
亚洲夏季风环流受海陆和伊朗高原—青藏高原大地形的热力作用调控.亚洲季风所释放的巨大潜热又对大气环流形成反馈.这种相互反馈过程十分复杂,揭示其物理过程对理解气候变化格局的形成和变化以及提高天气预报及气候预测的准确率十分重要.夏季北半球副热带对流层上层环流的主要特征是存在庞大的南亚高压(SAH)以及强大的对流层上层温度暖中心(UTTM).本文介绍了温度—加热垂直梯度(T-QZ)理论的发展,并用以揭示SAH和UTTM的形成机制.指出沿副热带欧亚大陆东部的季风对流潜热加热及其中西部的表面感热加热和高层长波辐射冷却是导致SAH和UTTM在南亚上空发展的原因.文中还介绍了Gill模型用于上部对流层研究的局限性及解决的办法.
全球变暖减缓期陆地地表气温变化特征和CMIP5多模式的未来情景预估
何金海, 詹丰兴, 祁莉, 王迪
2016, 40(1): 33-45. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1409.14217
摘要:
2000年后全球气温的增温率显著下降,全球进入变暖减缓期.本文基于CRU(Climatic Research Unit) 观测资料,分析讨论了2000年后全球及欧亚中高纬度地区全球变暖的减缓特征,评估了CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)试验多模式对全球变暖减缓的模拟及未来气温变化预估.结果表明,2000年后全球陆地平均地面气温的增温率大幅下降至0.14℃ (10 a)-1,仅为1976~1999年加速期增温率的一半.全球陆地13个区域中有9个地区的增温率小于2000年前,4个地区甚至出现了降温.其中以欧亚中高纬地区最为特殊.加速期(1976~1999年)增温率达到0.50℃ (10 a)-1,为全球陆地最大,2000年后陡降至-0.17℃ (10 a)-1,为全球最强降温区,为全球变暖的减缓贡献了49.13%.并且具有显著的季节依赖,减缓期冬季增温率下降了-2.68℃ (10 a)-1,而秋季升高了0.86℃ (10 a)-1,呈现反位相变化特征.CMIP5多模式计划中仅BCC-CSM1.1在RCP2.6情景下和MRI-ESM1模式在RCP8.5下的模拟较好地预估了全球及欧亚中高纬地区在2000年后增温率的下降以及欧亚中高纬秋、冬温度的反位相变化特征.BCC-CSM1.1在RCP2.6情景下预估欧亚中高纬地区2012年后温度距平保持在1.2℃左右,2020年后跃至2℃附近振荡.而MRI-ESM1在RCP8.5情景下预估的欧亚中高纬度温度在2030年前一直维持几乎为零的增温率,之后迅速升高.
晨昏轨道微波温度计资料同化对降水定量预报的影响及其对三轨卫星系统的意义
邹晓蕾, 秦正坤, 翁富忠
2016, 40(1): 46-62. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1508.15137
摘要:
极轨卫星的高级微波温度计(Advanced Microwave Sounding Unit-A,简称AMSU-A)辐射资料对提高降水定量预报的水平有重要作用.但是极轨卫星的轨道特征导致乘载其上的微波温度计资料在区域同化系统中存在严重缺测.本研究重点分析了晨昏轨道卫星上微波温度计资料同化对墨西哥湾沿岸定量降水预报的重要影响.研究选取了早晨星NOAA-15、上午星MetOp-A和下午星NOAA-18,利用美国NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的业务同化系GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)资料同化系统,进行了加和不加NOAA-15 AMSU-A资料的两组资料同化和预报试验,来阐明晨昏轨道卫星上微波温度计资料同化对墨西哥湾沿岸降水预报的重要影响.试验结果分析表明如果仅同化NOAA-18和MetOp-A资料,在协调世界时00:00和12:00的同化时间,在墨西哥湾和美国西部大陆就是卫星观测资料缺测区,而早晨星NOAA-15资料正好可以填补这个资料空缺.模式预报也表明,同化NOAA-15的AMSU-A资料可以对墨西哥湾降水有持续的正影响.这一研究证明了保持有搭载着AMSU-A或者相似仪器的早晨星,对区域降水预报的重要性.由于目前NOAA-15是唯一的一颗正在运行的、已远超过其正常运行期的早晨星,通过技术手段维持NOAA-15的AMSU-A仪器更超长期运行也就特别重要.
南海夏季风爆发早晚的经向环流异常的机理研究
温之平, 吴乃庚, 陈桂兴
2016, 40(1): 63-77. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1508.15204
摘要:
南海夏季风爆发与东亚地区的局地经向环流密切相关.本文利用线性局地经向环流诊断模式,定量诊断分析了1979~2003年5月1~15日的局地经向环流及其在夏季风爆发早晚年的差异,分析找出了在该关键时段对经向环流异常有正贡献的主要因子,从而确立影响季风爆发的相应天气过程及贡献机制.结果表明,在季风爆发早年期间,局地经向环流异常呈现为"Hadley环流"形态:上升运动(下沉运动)影响南海中北部(江淮地区),低空非地转南风(北风)影响南海中南部(华南和江南地区).季风爆发晚年的情况则与季风爆发早年相反.对造成经向环流异常的各个因子进行定量分析发现,经向分布不均匀的潜热加热的贡献作用最大,其次是温度平流和西风动量输送过程,与越赤道气流有关的边界效应则对南海中南部的低空南风有一定贡献.相应的天气学分析表明,季风爆发偏早年的副热带高空急流强度偏强且位置偏南,其动量输送过程导致对流层上层出现非地转南风、急流轴南侧(北侧)的华南(华北)地区出现高空辐散(辐合)和低层辐合上升(辐散下沉).与此同时,中纬度西风带扰动的南下和副热带高压脊从南海地区的撤出,中低层温度平流导致华中地区冷却和南海中北部增暖,进一步加强低纬地区上升、中纬地区下沉的经向环流异常.华南地区异常的非地转北风与南海中南部异常的非地转南风,显著加强了南海中北部的低空水汽辐合和对流潜热释放,从而激发出强烈上升运动.由此可见,中低纬天气系统配置能有效调节中国东部及南海地区的潜热加热和冷暖平流的南北分布,从而引起与季风爆发对应的局地经向环流的显著变化.
关于《大气环流的若干基本问题》
吕建华
2016, 40(1): 78-85. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1505.15140
摘要:
本文简要回顾了《大气环流的若干基本问题》的主要内容.以书中部分内容为例,通过和近期大气环流理论的进展相联系,指出叶笃正和朱抱真在书中表达的主要观点,如对大型涡旋在经圈环流中的第一性作用及其作为联系大气环流各主要成员和物理量输送中心环节的认识,对大型涡旋涡度输送在急流形成和维持中作用的强调,以及对大气环流成员和过程的内在统一性的认识等等,能为后来的理论进展所证实,或者和后来的理论互为补充.两位作者对大气环流物理本质和整体图像的深刻理解对大气环流理论的进一步发展以及理解气候变化的基本动力学依然具有现实的意义.
区域海气耦合模式FROALS的发展及其应用
周天军, 邹立维, 韩振宇, 刘博, 姚隽琛
2016, 40(1): 86-101. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1508.15153
摘要:
区域海气耦合模式是研究局地海气相互作用过程影响气候变率的重要平台,也是对全球气候模式进行"动力降尺度"的重要工具.本文介绍了LASG(State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics)/IAP(Institute of Atmospheric Physics)发展的区域海气耦合模式FROALS(Flexible Regional Ocean-Atmosphere-Land System model),并总结了过去五年围绕该区域海气耦合模式开展的研究工 作.FROALS的特点之一是有两个完全不同的大气模式分量和海洋模式分量选项,可以适应不同的模拟研究需 求.针对区域海气耦合模式在西北太平洋地区的模拟偏差,通过分步骤考察不同大气模式分量和不同海洋模式分量对模式模拟性能的影响,指出大气模式是导致区域海气耦合偏差的主要分量.通过改进对流触发的相对湿度阈值标准,有效地改善了此前区域海气耦合模式在亚洲季风区普遍出现的"模拟海温冷偏差".改进的FROALS对西北太平洋地区的大气和海洋环境有较好的模拟能力,合理地再现了西北太平洋地区表层洋流气候态和年际变率.较之非耦合模式,考虑区域海气耦合过程后,改进了东亚和南亚地区的降水和热带气旋潜势年际变率的模拟.最后,针对东亚—西北太平洋地区,利用FROALS对IAP/LASG全球气候模式模拟和预估的结果进行了动力降尺 度,得到了东亚区域50 km高分辨率区域气候变化信息.分析显示,FROALS模拟得到的东亚区域气候较之全球气候模式和非耦合区域气候模式结果具有明显的"增值",显示出区域海气耦合模式在该区域良好的应用前景.
基于云亮温和降水回波顶高度分类的夏季青藏高原降水研究
傅云飞, 潘晓, 刘国胜, 李锐, 仲雷
2016, 40(1): 102-120. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1507.15165
摘要:
本文利用热带测雨卫星(TRMM, Tropical Rain Measuring Mission)第七版逐日逐轨测雨雷达(PR, Precipitation Radar)及可见光和红外扫描仪(VIRS, Visible and Infrared Scanner)的融合数据集,研究了夏季青藏高原上降水类型的特征.统计结果表明第七版PR降水回波强度及降水率廓线资料(2A25)仍旧误判青藏高原上以层云降水为主(比例高达85%);以云顶相态定义的青藏高原降水类型统计表明,冰相云顶和冰水混合相云顶的降水分别占43%和56%;以降水回波顶高度定义的降水类型统计表明,深厚弱对流降水和浅薄降水分别占77%和22%,而深厚强对流降水仅占1%.空间分布的统计表明,冰相云顶降水和冰水混合相云顶降水的频次和强度自高原西部向高原东部和东南部增加,其降水回波顶高度自高原西、中部向东部降低.深厚强对流降水和浅薄降水的频次由西向东增加,而深厚弱对流降水频次分布是西少、北少、南多,高原南部比北部的深厚弱对流降水频次高出近1倍;深厚弱对流降水和浅薄降水的平均强度也表现了自高原西部、中部向东部的增大,而其降水回波顶高度分布则相反.总体上,夏季青藏高原降水频次和强度自西向东增多和增大,而云顶和降水回波顶高度则相反.
热带印度洋海温海盆一致模的变化规律及其对东亚夏季气候影响的回顾
黄刚, 胡开明, 屈侠, 陶炜晨, 姚帅磊, 赵桂洁, 姜文萍
2016, 40(1): 121-130. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1505.15143
摘要:
近十几年,热带印度洋对全球气候的作用越来越受到关注.本文从热带印度洋气候态特征、海温海盆一致模的变化规律以及对东亚夏季气候的影响方面回顾了这些研究工作,并且对这些研究以及存在的不足做了系统的总结.
青藏高原夏季地面热源的气候特征及其对高原低涡生成的影响
李国平, 卢会国, 黄楚惠, 范瑜越, 张博
2016, 40(1): 131-141. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1504.15125
摘要:
根据NCEP/DOE再分析资料的地面感热通量和潜热通量以及MICAPS天气图资料识别的高原低涡资料集,研究了近30年来青藏高原夏季地面热源和高原低涡生成频数的气候学特征,分析了高原地面加热与低涡生成频数的时间相关性及其物理成因.得到如下认知:夏季高原地面感热通量的气候均值为58 W m-2,近30年地面感热总体呈微弱的减小趋势.其中在1980年代初期和21世纪前10年的大部分时段,地面感热呈增大趋势,而中间时段呈波动式下降.地面感热具有准3年为主的周期振荡,1996年前后是其开始减弱的突变点.高原夏季地面潜热通量的气候均值为62 W m-2,近30年呈波动状变化并伴有增大趋势.地面潜热的周期振荡以准4年为主,地面潜热增大的突变始于2004年前后.夏季高原地面热源的气候均值为120 W m-2,其中地面感热与地面潜热对地面热源的贡献在夏季大致相当.地面热源总体呈幅度不大的减弱趋势,其中1980年代到1990年代末偏强,21世纪前6年明显偏弱,随后又转为偏强.地面热源亦呈准3年为主的周期振荡并在1997年前后发生由强转弱的突变.根据MICAPS天气图资料的识别和统计,近30来夏季高原低涡的生成频数整体呈现一定程度的线性减少趋势,低涡高发期主要集中在1980年代到1990年代中后期.低涡生成频数有准7年为主的周期振荡现象,自1990年代中期开始的低涡生成频数的减少态势在1998年前后发生了突变.夏季高原低涡生成频数与同期高原地面感热呈高度正相关,与地面潜热呈一定程度的负相关,但与同期地面热源仍呈较显著的正相关.因此,在气候尺度上,高原地面热源偏强特别是地面感热偏强的时期,对应高原低涡的多发期.本研究从气候统计的时间相关性角度揭示了高原地面加热作用对催生高原低涡乃至高原对流活动的重要性.
植被对干旱趋势的影响
刘永强
2016, 40(1): 142-156. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1508.15146
摘要:
历史干旱事件的观测和数值研究表明,植被可通过地—气水分、能量和其他通量交换影响和反馈干旱.本研究旨在了解气候变化情形下植被对干旱趋势的影响和机制.应用美国大陆七个动力气候降尺度区域气候变化情景,计算和分析了现在和未来的干旱指数、空间分布和季节变化.通过比较同一气候区两种植被类型区域干旱强度和频率理解植被的影响.集成分析结果表明,未来美国干旱很可能增加,其中大平原中部所有季节都很显著,而东南和西南地区夏秋更为显著.植被对干旱趋势的影响和气候区有关.在温暖和潮湿/干燥气候区,林地(草地)未来干旱强度和频率的增幅大于对应的农田(荒漠)区域,因此植被可以放大未来干旱的风险.相反,在寒冷和潮湿气候区,林地(草地)区域未来干旱强度和频率增幅较小,表明植被放大未来干旱的作用可能只在某些气候情形下出现.这种植被对未来干旱影响的复杂性和对气候区的依赖性对气候模式提供可靠的干旱模拟和预测及森林管理部门制定适应和减缓气候变化的策略提出了新的挑战.
2004年与2006年7~9月西北太平洋上空大尺度环流场与天气尺度波动的差别及其对热带气旋生成的影响
冯涛, 黄荣辉, 杨修群, 沈新勇, 胡开明
2016, 40(1): 157-175. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1505.14162
摘要:
2004年和2006年是西北太平洋热带气旋(TC)活动具有明显差别的两年,2004年TC的生成位置主要位于西北太平洋的中东部上空,而2006年的TC主要生成在西北太平洋西部与中国南海.本文利用JTWC(Joint Typhoon Warning Center)热带气旋最佳路径数据、NCEP-DOE AMIP-II再分析资料和NOAA的OLR资料分析并比较了2004年与2006年7~9月西北太平洋上空大尺度环境要素场及天气尺度波动对TC生成的作用.分析结果表明:2004年7~9月与2006年7~9月西北太平洋上空季风槽的平均位置没有明显的区别,但是形态有着显著的差异.2004年季风槽的槽线不明显,在西北太平洋中部呈现一显著的气旋式环流;而2006年季风槽的槽线非常明显,槽线南北两侧呈现平直的水平气流,具有明显的水平切变特征.2004年和2006年对流层低层的相对涡度、高层辐散和垂直风切变具有明显的纬向分布差异,这是这两年TC生成的位置具有明显差异的重要原因之 一.并且,本文还分析对比了2004年以及2006年7~9月西北太平洋上空3~8 d周期的天气尺度波动的活 动,其结果表明:2004年和2006年TC的生成大多数与天气尺度波列的活动有关.2004年的天气尺度波列强度比较强,其活动的位置位于西北太平洋中、东侧上空;而2006年西北太平洋上空的天气尺度波列相对较弱,主要活动于中国南海和西北太平洋西部.纬向基本气流的切变与辐合所引起的瞬变扰动动能倾向的水平分布差异是天气尺度波动活动具有以上差异的重要原因.因此,西北太平洋大尺度环境场与天气尺度波动活动的区别共同造成了2004年7~9月的TC生成位置偏东、而2006年7~9月TC的生成位置偏西.
FGOALS模式4个版本太平洋年代际气候变率模拟的比较
张雅乐, 俞永强
2016, 40(1): 176-190. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1411.14161
摘要:
本文选用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG/IAP)发展的全球海洋—大气—陆面气候系统模式(FGOALS)的4个版本g2.0、s2.0、g1.1和g1,利用模式的长时间积分结果,结合观测、再分析资料比较、评估模式对太平洋年代际变率的模拟能力,并通过对海气相互作用及其海洋动力过程分析,探讨了模式中太平洋年代际振荡形成机制.研究发现,FGOALS 模式g2.0和s2.0版本对太平洋年代际振荡(PDO/IPO)的模拟能力优于 g1.1和g1.模式中太平洋年代际变率的正反馈过程与Bjerknes(1969)提出的海气相互作用正反馈机制有关,其负反馈则主要与海洋内部动力过程有关.太平洋异常经向热量输送将热带与中纬度海洋联系在一起,可以抑制正反馈作用,但无法使得年代际振荡变化位相发生反转;FGOALS模式中,热带海表温度(SST)暖距平信号通过大气桥影响热带外大气环流,在海气作用下,热带与热带外海洋次表层分别以Kelvin 波和Rossby 波的形式传播,使得冷暖位相反转,4个版本均能再现这种负反馈机制.但不同版本Rossby波所处的纬度不同,太平洋SST异常年代际变化信号最明显的范围越宽,则由此激发的Rossby 波便更为偏北,纬度越高Rossby 波西传的时间也越长,PDO/IPO的周期与其SST异常的经向尺度密切相关.
关于气候变化对社会经济系统影响的机理和途径的探讨
丑洁明, 董文杰, 延晓冬
2016, 40(1): 191-200. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1507.15131
摘要:
本文基于考虑气候变化影响应与经济系统的特征时空尺度相匹配的观点,讨论了气候变化对经济系统影响的途径.认为:气候变化是年代际尺度的气温变化,直接影响的是冰冻圈、海平面、水资源、陆面状况、生态系统、微生物、人体健康等七个领域;觉察不到日变化、季节变化、年际变化而呈现出年代际变化的事物才是受全球变暖影响的事物;由于时间尺度不匹配,经济系统几乎不会受气候变化的直接影响;就间接影响而言,全球变暖导致的极端气候事件加剧和人类为应对与适应气候变化的积极响应,对经济系统的影响要显著得多.
夏季中国华北与印度降水之间的关联及其成因分析
林大伟, 布和朝鲁, 谢作威
2016, 40(1): 201-214. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1503.14339
摘要:
本文基于1951~2012年的再分析资料以及站点观测资料,针对中国华北夏季降水和印度夏季风降水的协同变化(正相关)关系,利用集合经验模态分解法(EEMD)对两个降水序列进行时间尺度分解,并在年际尺度上分别考察了对两者正相关关系形成的有利和不利环流形势.结果表明,印度夏季风降水和华北夏季降水序列的较好正相关关系主要来自周期为2~3年的年际尺度分量,两者在该时间尺度上的相关系数为0.34,达到99%的信度水平.在年际尺度上,与印度夏季风降水异常有关的对流层中高层环半球遥相关型(CGT)波列能够衔接伊朗高原和环渤海地区上空的同位相环流异常(反气旋式或气旋式),从而有利于华北夏季降水和印度夏季风降水之间的协同变化.然而,这一协同变化关系并不总是成立.当伊朗高原上空异常中心的位置偏西时,CGT波列无法形成.这时,即使印度夏季风降水出现显著异常,华北地区却易受东亚—太平洋型或西太平洋型遥相关型的影响而其降水形势可能与印度夏季风降水形势相反.这些结论有助于进一步理解印度夏季风降水与华北夏季降水的正相关关系,从而对华北夏季降水的预测具有参考意义.
华北汛期降水分离时间尺度降尺度预测模型的改进
阮成卿, 李建平
2016, 40(1): 215-226. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1503.14317
摘要:
本文采用偏相关预报因子挑选法和条件降尺度法,对已有的华北汛期(7~8月)降水时间尺度分离(TSD)降尺度模型进行了改进.利用偏相关法,找到一个新的影响华北汛期降水年际分量的前期预报因子,即6月北大西洋—欧亚遥相关(AEAT).该因子将扰动信号储存于北大西洋三极子结构,并在7~8月释放出来影响下游贝加尔湖低压系统的发展,从而影响华北汛期降水.利用6月Niño3指数和AEAT指数,本文建立了条件TSD统计降尺度模型,即按照预报因子的强度进行逐年分类,对于每个分类设计相应的预报模型,从而避免信息较弱因子的干扰.条件TSD降尺度方法显著改善了华北汛期降水的预测技巧,在独立检验阶段,预报降水与观测降水的相关系数由原模型的0.61提高到0.77,符号一致率从70%提高到87%.