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2018年  第42卷  第3期

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前言
2018, 42(3): 447-447.
摘要(1359)
摘要:
浪花和飞沫水滴在海面大风边界层中的垂直传输
曾庆存, 程雪玲, 吴琳
2018, 42(3): 448-462. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1803.17288
摘要(1675) HTML (6) PDF (3831KB)(1533)
摘要:
对我们在南海海域建立的大气边界层观测站的资料进行分析表明,在冷涌和热带气旋(包括强台风)过境的大风期间,在边界层底层10 min平均的水平风速u基本不随高度而变,甚至大都伴随有明显的上升气流w。而且风场脉动中含有强相干性的阵风扰动( v g,频率位于1/60~1/600 Hz频段),以及近于随机性的高频湍流脉动( v t,频率大于1/60 Hz),它们的特性以及w都可以很好地用水平风速u来参数化表示。取实测的(uw)和脉动 v '= v g+ v t,或取实测的u与参数化的 v gv tw,应用拉格朗日随机模式作数值模拟,结果表明:由破头浪发射出来的浪花和飞沫水滴(半径rp为10~500 μm)有相当大的一部分可以飞离大气底层而进入100 m高以上的大气中,继而对进入大气中的海盐气溶胶通量有重要贡献,不可以被忽略。在水滴的垂直传输过程中,阵风扰动起了极重要的作用,而在w>0且较显著时w更起重要作用。我们对上扬率(可上升至100 m以上高度的水滴数与由海面发射出的水滴数之比)作出了初步的参数化公式,有很高的精度,主要的参量是无量纲量u2/(rqg),其中rpg分别是水滴半径和重力加速度。
平流层大气动力学及其与对流层大气相互作用的研究:进展与问题
黄荣辉, 陈文, 魏科, 王林, 皇甫静亮
2018, 42(3): 463-487. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1802.17250
摘要(2087) HTML (5) PDF (5412KB)(2743)
摘要:
本文综述了近年来关于平流层大气动力学及其与对流层大气相互作用动力过程的研究进展,特别是回顾了近年来关于平流层大气环流和行星波动力学、热带平流层大气波动及其与基本气流相互作用、平流层大气环流变异对对流层环流和气候变异的影响及其动力过程、平流层大气数值模拟以及在全球变暖背景下平流层大气的长期演变趋势预估等的研究进展。最近的研究揭示了大气准定常行星波传播波导的振荡现象、重力波在热带平流层准两年振荡和全球物质输送中的作用、平流层长期的变冷趋势变化、平流层在对流层天气和气候变化中的作用等现象,表明了平流层大气动力学研究的重要性。平流层大气动力学的深入研究,以及对数值模式中平流层模拟性能的提高,最终都会推动整个大气科学和气候变化研究的进一步发展。
青藏高原感热气泵影响亚洲夏季风的机制
吴国雄, 刘屹岷, 何编, 包庆, 王子谦
2018, 42(3): 488-504. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1801.17279
摘要(2270) HTML (10) PDF (18592KB)(1670)
摘要:
本文回顾了二十年来关于青藏高原感热驱动气泵(TP-SHAP)及其影响亚洲夏季风的研究进展,并从能量(θ)、位涡—加热(PV–Q)、和角动量守恒(AMC)的不同角度阐述其影响机制。指出高原斜坡上的表面感热加热改变了移向高原的大气质块的能量从而出现垂直抽吸的重要性。强调了高原加热产生的位涡强迫在近地层制造了强度大范围广的、环绕高原的气旋式环流,把丰沛的水汽从海洋输运到大陆,为季风对流降水提供充足的水汽条件。证明高原加热还通过改变其上空的温、压场的结构从而制造出高原上空近对流层顶的绝对涡度和位涡的最小值,在角动量平衡约束下,在亚洲季风区激发出与Hadley环流反向的季风经圈环流,从而为季风发生发展提供了大范围上升运动的背景。文中还对近年来有关青藏高原影响亚洲夏季风机制的讨论进行概述,并展望了未来的研究方向。
热带太平洋-印度洋海温联合模及其气候影响
李崇银, 黎鑫, 杨辉, 潘静, 李刚
2018, 42(3): 505-523. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1712.17253
摘要(1683) HTML (5) PDF (16838KB)(1312)
摘要:
本文基于观测资料和LICOM2.0模拟结果的分析研究,简要介绍讨论了太平洋—印度洋海温(异常)联合模(PIOAM)的存在、特征、演变及其影响等问题。热带太平洋—印度洋区域乃至全球范围的海表温度异常(SSTA)资料进行EOF分解,都清楚表明其第一分量在热带太平洋—印度洋的空间形态与太平洋—印度洋海温(异常)联合模(PIOAM)非常相似,说明PIOAM是热带太平洋—印度洋实实在在存在的一种海温异常模态。对应PIOAM的正、负位相,热带印度洋和西太平洋地区的夏季(JJA)850 hPa距平风场有近乎相反的异常流场形势;对流层低层的Walker环流支和亚洲夏季风都出现了不同特征的(近乎相反)异常;在PIOAM正(负)位相将使得100 hPa的南亚高压位置偏东(西)。对热带太平洋和印度洋温跃层曲面上的海温异常(为了方便将其称为SOTA)进行EOF分解,发现其第一模态也是一个三极子模态,即当赤道中西印度洋大部分海域与赤道中东太平洋大部分海域偏暖(偏冷)时,赤道东印度洋和赤道西太平洋大部分海域则偏冷(偏暖);它与太平洋—印度洋表层的PIOAM十分类似,也表明PIOAM在海洋次表层也是存在的。高分辨海洋环流模式LICOM2.0的模拟结果,无论是对太平洋—印度洋表层还是次表层的PIOAM的特征和演变都刻画得很好,这从另一个角度进一步说明PIOAM是热带太平洋—印度洋实际存在的一种海温变化模态。PIOAM正、负位相不仅对亚洲及西太平洋地区的天气气候有非常不一样的影响(不少地方有反向的特征),还会对南北美洲和非洲一些地区产生不同影响;而且其影响与单独的厄尔尼诺(El Niño)及印度洋偶极子(IOD)都不尽相同。
季风亚洲区域集成研究国际计划(MAIRS)10年回顾
符淙斌, MANTONMichael
2018, 42(3): 524-532. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1711.17240
摘要(1559) HTML (1) PDF (1147KB)(1882)
摘要:
季风亚洲区域集成研究(Monsoon Asia Integrated Regional Study,简称MAIRS)是国际全球变化研究计划(GEC)和地球系统科学联盟(ESSP)的一个子计划,是全球变化邻域第一个由中国科学家提出,并组织实施的国际计划,历时10余年。MAIRS明确提出:不同于过去和正在进行的任何一个关于季风的研究计划,MAIRS研究的主题是人类与季风系统的相互作用。本文从四个方面回顾了这个计划的历程:(1)2003~2006年的可行性研究。包括区域集成研究概念的提出、亚洲区域全球变化研究的快速评估、以及在此基础上确定MAIRS的总体科学目标和起草MAIRS的科学计划。(2)2006年正式发布的MAIRS科学计划的主要内容。包括季风亚洲区域面临的环境变化和研究挑战、集成研究的科学问题、四个最脆弱区域的确定以及计划执行的方法和手段等。(3)2006~2016年MAIRS计划的执行情况。包括组织结构、科学活动、研究项目和成果、以及国际合作网络的建立。(4)MAIRS的国际影响和未来发展。MAIRS与未来地球国际计划(Future Earth)。
论东亚夏季风的特征、驱动力与年代际变化
丁一汇, 司东, 柳艳菊, 王遵娅, 李怡, 赵亮, 宋亚芳
2018, 42(3): 533-558. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1712.17261
摘要(1859) HTML (5) PDF (12121KB)(1994)
摘要:
本文是以新的资料和研究结果对东亚夏季风的基本特征、驱动力和年代际变化所作的重新分析与评估。内容包括四个部分:(1)东亚夏季风的基本特征;(2)东亚夏季风的驱动力;(3)东亚夏季风的年代际变率与原因;(4)东亚夏季风与全球季风的关系。结果表明:东亚夏季风是亚洲夏季风的一个重要有机部分,主要由来源于热带的季风气流组成,并随季节由南向北呈阶段性推进,它是形成夏季东亚天气与气候的主要环流和降水系统。驱动夏季风的主要强迫有三部分:外部强迫、耦合强迫与内部变率,其中人类活动引起的外强迫(气候变暖、城市化、气溶胶增加等)是新出现的外强迫,它正不断改变着东亚夏季风的特征与演变趋势。海洋与陆面耦合强迫作为自然因子是引起东亚夏季风年际和年代际变化的主要原因,其中太平洋年代尺度振荡(PDO)与北大西洋多年代尺度振荡(AMO)的协同作用是造成东亚夏季风30~40年周期振荡的主要原因。1960年代以后,东亚夏季风经历了强—弱—强的年代际变化,相应的中国东部夏季降水型出现了“北多南少”向“南涝北旱”以及“北方渐增”的转变。最近的研究表明,上述东亚夏季风年代际变化与整个亚非夏季风系统的变化趋势是一致的。在本世纪主要受气候变暖的影响,夏季风雨带将持续北移,中国北方和西部地区出现持续性多雨的格局。最后本文指出,亚非夏季风系统相比于其他区域季风系统更适合全球季风的概念。
沙尘和生物气溶胶的环境和气候效应
石广玉, 檀赛春, 陈彬
2018, 42(3): 559-569. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1803.17280
摘要(1669) HTML (1) PDF (356KB)(1924)
摘要:
沙尘气溶胶对海洋生态系统的影响及其气候与环境效应,以及生物气溶胶对人类健康的影响及其气候效应是近年来大气气溶胶研究的热点问题。沙尘气溶胶和生物气溶胶之间有很强的联系,沙尘可作为空气中微生物的载体,沙尘气溶胶影响海洋生态系统之后又会影响海洋上空生物气溶胶的产生。本文回顾了国内外沙尘气溶胶对太平洋海域生态系统影响的研究进展,以及生物气溶胶的研究历史和气候效应,特别是中国科学院大气物理研究所十多年来的有关工作。
季风与ENSO的选择性相互作用:年循环和春季预报障碍的影响
杨崧, 邓开强, 段晚锁
2018, 42(3): 570-589. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1712.17241
摘要(1571) HTML (3) PDF (13699KB)(1437)
摘要:
本文主要基于对Webster and Yang(1992)一文的回顾,讨论了年循环在季风和ENSO相互作用中的作用、春季预报障碍(SPB)、Webster-Yang指数(WYI)、以及亚洲夏季风的前期讯号等内容。亚洲季风和ENSO作为全球天气和气候变率的主要来源,它们之间的相互作用存在明显的年变化和季节“锁相”特征:在北半球秋冬季,亚洲季风对流活动最弱,此时ENSO的信号最强;但是到了北半球春季,亚洲季风对流快速爆发,而此时的ENSO信号却迅速衰减。亚洲季风和ENSO位相的错位变化使得热带海—气系统的不稳定性在北半球春季达到最大,此时任意一个微小的扰动都容易快速增长,最终导致基于ENSO的预报技巧减小。亚洲夏季风环流本质上可以看成是大气对副热带地区潜热加热的低频罗斯贝波响应,它具有很强的垂直风切变,这是WYI定义的物理基础。WYI数值越大,代表垂直东风切变越大,即亚洲季风环流增强,反之亦然。利用WYI与前期大气环流场、欧亚雪盖、土壤湿度等物理量进行回归分析,结果表明:当亚洲夏季风增强时,前期冬季和春季,在北印度洋和亚洲副热带地区上空出现东风异常,同时在更高纬度地区伴随出现西风的异常;此外,副热带地区如印度次大陆、中南半岛和东亚的土壤湿度增大;中纬度地区尤其是青藏高原中西部的积雪密度明显减小。这些前期讯号的发现有助于我们构建动力统计模型,进而提高对亚洲夏季风的季节预报水平。
基于卫星降水和WRF预报降水的“6.18”门头沟泥石流事件的回报检验研究
何爽爽, 汪君, 王会军
2018, 42(3): 590-606. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1804.18148
摘要(1412) HTML (12) PDF (2827KB)(1462)
摘要:
2017年6月18日北京门头沟地区突发泥石流,造成6人伤亡。短时强降水是这起事件的主要诱发因素,但常规气象观测并没有很好地观测到此次降水过程,可见降水数据的准确性对于滑坡泥石流的实时预警及预报至关重要。近年来,卫星遥感估算降水发展迅速,WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式关于降水的预报技巧也逐渐提高。本文以自动站降水资料为参考,首先利用定性方法和泰勒图、TS(Threat Score)评分等定量的方法比较了CMORPH(CPC MORPHing technique)、GPM(Global Precipitation Measurement)和PERSIANN-CCS(Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information using Artificial Neural Networks-Cloud Classification System)三种卫星降水资料以及不同起报时间的WRF预报降水对此次降水过程的表现能力,然后利用降水数据驱动滑坡泥石流统计预报模型,对此次事件进行了回报,分析不同降水数据在模型中的实际应用效果,最终为滑坡泥石流实时预警和预报系统的构建提供参考。结果表明,三种卫星降水资料基本上能反映出此次降水过程东北—西南向的带状空间分布形态,其中,CMORPH与自动站资料的空间相关性最好,命中率也最高,但对降水量有一定的高估,GPM对平均降水量的时间变化有较好的反映,体现了卫星降水在观测较少地区的良好利用价值,PERSIANN-CCS的表现则相对差些。WRF模式能预报出此次降水的带状空间分布特征,但降水中心的位置与实际有所偏差;此外,预报的最大降水量的峰值出现时间比实际上晚。由于此次降水的强局地性,只有空间分辨率均匀且质量相对较好的CMORPH卫星降水驱动模型可以回报出此次事件,而自动站点资料由于空间分布不均,则没有回报出此次事件,这表明了卫星降水在滑坡泥石流实时预警系统的构建中具有一定的优势。WRF模式降水驱动模型可以提前做出预警,虽然预报的事件发生时间与实际相比偏晚3~5 h,但WRF可以较好地预报72 h内的降水,因而可以延长灾害的可预见期。WRF模式预报降水的时间和空间精度都需要进一步提高,但是仍具有很好的参考意义。
大气污染资料同化与应用综述
朱江, 唐晓, 王自发, 吴林
2018, 42(3): 607-620. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1802.17260
摘要(1978) HTML (4) PDF (377KB)(2182)
摘要:
我国正面临以高浓度臭氧和细颗粒物为典型特征的大气复合污染问题,对其进行模拟和预报是有效应对大气污染的关键。大气复合污染预报的不确定性来源复杂,同时存在化学非线性的影响,各种模式输入不确定性对模拟预报影响的时空差异较大,从而导致很多不确定性约束方法难以确定关键的不确定性因子而进行有针对性的约束和订正。利用资料同化方法融合模式、多源观测等信息,减小模式输入数据的不确定性成为提升大气污染模拟预报精度的关键。本文将简要介绍大气污染资料同化相关的模式不确定性、同化算法以及污染物浓度场同化、源反演研究上的进展,探讨大气污染资料同化面临的主要挑战和发展趋势。
大气气溶胶的卫星遥感及其在气候和环境研究中的应用
陈洪滨, 范学花, 夏祥鳌
2018, 42(3): 621-633. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1801.17272
摘要(1590) HTML (7) PDF (530KB)(2440)
摘要:
卫星遥感可以获得全球范围的大气气溶胶光学特性,目前国内外已有多颗卫星观测能够提供气溶胶特性的资料。本文综述性介绍国内外卫星遥感气溶胶特性方面的研究进展和成果,并讨论了卫星遥感资料在气候和环境研究领域中的应用。主要内容包括:极轨/静止卫星平台搭载的被动遥感传感器及其反演气溶胶特性的方法;星载激光雷达获取气溶胶光学特性的方法;国内外正在研发的新一代卫星主、被动气溶胶遥感探测器;卫星气溶胶产品在气溶胶辐射强迫、气候效应、大尺度污染输送、区域空气质量监测等研究中的应用。
全球大气运动应遵循的拓扑定理
刘式达
2018, 42(3): 634-639. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1712.17188
摘要(1133) HTML (4) PDF (724KB)(1434)
摘要:
地面天气图上的等压线斑图是空间压力曲面的廓线。全球压力曲面是凸凹不平的球面。压力曲面的峰、谷和通道(pass)对应于天气图上的高压中心、低压中心和鞍点(saddle;两个高压或两个低压间的通道)。尽管空间压力曲面的凸凹不平的位置随时间变化,相应的天气图上的高低压位置也不断变化,天气也随之变化,但是全球压力曲面的欧拉示性数(Euler characteristic)却是一个拓扑不变数,这个不变量就是球面的欧拉示性数为2。拓扑学的莫尔斯(Morse)定理,用大气学科的语言讲就是天气图上的(高压数目)+(低压数目)-(鞍点数目)=2。若将其推广到任何闭合曲面、任何奇点,则广义上称为庞加莱(Poincare)-霍普夫(Hopf)定理。显然,这个定理对天气预报有重大意义。本文列出了经向流、纬向流、单圈环流和三圈环流等例子。广大气象学工作者不但要知道大气运动应遵守流体力学的纳维-司托克斯(Navier-Stokes)方程,还要知道全球大气运动要遵循拓扑上的庞加莱-霍普夫定理。
不同类型ENSO对东亚季风的影响和机理研究进展
陈文, 丁硕毅, 冯娟, 陈尚锋, 薛旭, 周群
2018, 42(3): 640-655. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1801.17248
摘要(1824) HTML (9) PDF (3296KB)(1848)
摘要:
近十几年来有关热带太平洋存在不同类型的增暖型的研究成为热点课题,其中主要依据海温的空间形态将厄尔尼诺与南方涛动(ENSO)分为两类:一类为传统的东太平洋型ENSO,另一类为中太平洋型ENSO。该两类ENSO的形成机制、演变过程均有不同,产生的气候影响也有差异。本文简要回顾了国内外有关不同类型ENSO及其气候影响的研究进展,特别综述了近年来关于两类ENSO事件对东亚夏季风、东亚冬季风以及东亚冬夏季风关联的影响和机理方面的主要研究进展。文中侧重讨论了年际和年代际时间尺度上ENSO事件对东亚季风的影响,并提出了今后在该领域一些需要进一步研究的科学问题。
冬季大范围持续性极端低温事件与欧亚大陆大型斜脊斜槽系统研究进展
布和朝鲁, 彭京备, 谢作威, 纪立人
2018, 42(3): 656-676. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1712.17249
摘要(1593) HTML (9) PDF (16239KB)(1176)
摘要:
本文总结了近年来关于我国冬季大范围持续性极端低温事件(EPECE)及其对应的欧亚大陆大型斜脊斜槽系统的研究成果。EPECE和普通寒潮是冬季影响我国的两类不同时间尺度大型冷空气活动,对它们的异同点进行梳理和深入理解是非常必要的。最新研究进展可概括为如下:(1)基于极端低温站点的范围和极端低温过程的持续性特点,客观界定了我国冬季EPECE。近年来的研究表明,欧亚大陆大型斜脊斜槽系统是冬季EPECE形成和维持的主要关键环流系统。同时,鉴于大型斜脊斜槽系统的重要应用意义,建立了客观识别方法。(2)从前兆信号、环流演变、阻塞高压和反气旋式波破碎活动的角度,揭示了EPECE和普通寒潮事件之间的关键区别。全国类EPECE的发生具有一周之前的前兆信号,而普通寒潮并不存在这么早的前兆信号。EPECE以从乌拉尔山到东北亚的广阔区域的阻塞高压活动为关键特征,而普通寒潮则主要以区域性阻塞高压为其主要特征。这两类事件对应的阻塞高压活动的差异可由天气尺度波破碎活动的差异加以解释。(3)最新的研究解释了大型斜脊斜槽系统形成和维持的动力学机理。基本流场对位涡扰动的正压作用是大型斜脊斜槽系统的形成和维持最重要的动力学机制。基本流场通过变形场作功和线性平流使大型扰动维持和向下游发展。与阻塞高压不同,非线性作用并非大型斜脊斜槽系统维持的主要原因。
粒子滤波同化在厄尔尼诺-南方涛动目标观测中的应用
段晚锁, 封凡, 侯美夷
2018, 42(3): 677-695. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1711.17264
摘要(995) HTML (2) PDF (6695KB)(1141)
摘要:
针对粒子滤波—目标观测方法的局限性,提出了能够克服该局限性的新目标观测方法,并将其应用于厄尔尼诺—南方涛动可预报性研究,揭示了东太平洋型厄尔尼诺事件和中太平洋型厄尔尼诺事件的目标观测敏感区。通过同化该敏感区的目标观测,显著减小了两类厄尔尼诺事件的预报不确定性,验证了新方法揭示的目标观测敏感区在改进厄尔尼诺预报技巧中具有更加重要的作用。
RegCM4模式对雄安及周边区域气候变化的集合预估
吴婕, 高学杰, 徐影
2018, 42(3): 696-705. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1712.17244
摘要(1551) HTML (2) PDF (10280KB)(1228)
摘要:
基于CSIRO-Mk3-6-0、EC-EARTH、HadGEM2-ES和MPI-ESM-MR共4个全球气候模式,分别驱动区域气候模式RegCM4,所进行的RCP4.5(典型浓度路径)中等排放情景下25 km较高水平分辨率东亚区域21世纪气候变化模拟结果,针对雄安新区及周边区域,在对当代(1986~2005)气候进行检验的基础上,进行了该区域未来气候变化的多模拟集合预估,并给出了模拟间的差别。结果表明:RegCM4可以较好地模拟出分析区域当代平均气温和降水的分布及年内月循环变化特征;对与气温相关的极端气候事件指数,日最高气温最高值(TXx)和日最低气温最低值(TNn),以及和降水相关的指数日最大降水量(RX1day)也有较好的模拟能力。雄安及周边区域未来平均气温、TXx和TNn将不断上升,高温热浪事件在增加的同时,低温事件将减少。未来分析区域平均降水量有所增加;而RX1day的增加更明显,且模拟间的一致性较好,不确定性相对较低,暴雨和洪涝事件的频率和强度均将增大。同时由于气温升高导致的潜在蒸发量相对于降水更大的增加,将使得区域水资源相对不足的现象加重。
编后记
2018, 42(3): 706-706.
摘要(1239)
摘要:
目录
2018, 42(3): 707-708.
摘要(1041)
摘要: