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2018年  第42卷  第4期

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南海—热带西北太平洋地区季节内尺度海气变化关系
吴仁广, 曹西, 陈樟
2018, 42(4): 707-728. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1712.17210
摘要(1536) HTML (4) PDF (11265KB)(1097)
摘要:
本文系统地回顾了作者近年来关于南海-热带西北太平洋地区大气和海洋季节内尺度变化关系方面的主要研究成果。文中对10~20天和30~60天两种季节内振荡海气变化关系的不同以及冬、夏季间的差异进行了系统地比较。相比较而言,大气中10~20天振荡所占比例大于30~60天振荡,海表温度30~60天的振荡在南海和西北太平洋副热带地区比10~20天振荡的贡献大,而在低纬度西太平洋地区10~20天振荡与30~60天振荡贡献相近或稍大。在北半球夏季,10~20天低频振荡的分布呈西南—东北走向,由赤道西太平洋地区向西北偏西方向传播,而30~60天低频振荡则以东西向分布为主,表现为由南向北的传播特征。在北半球冬季,10~20天和30~60天两种低频振荡的水平结构类似,均表现为西南—东北走向;同时,南海地区季节内变化信号表现出明显的向南传播的独特特征,并与东亚冬季风的季节内变化密切相关。北半球夏季,南海—菲律宾海地区10~20天低频振荡强度在厄尔尼诺发展年得到加强,而30~60天低频振荡强度则在拉尼娜衰减年得以加强。分析还指出,热带西北太平洋地区夏季热带辐合带附近的季节内变化,尤其是10~20天尺度变化,对季节平均海表温度异常有显著的反馈作用。
全球变暖背景下中国东部气候变迁及其对物候的影响
蔡榕硕, 付迪
2018, 42(4): 729-740. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1801.17236
摘要(1328) HTML (1) PDF (9942KB)(1407)
摘要:
鉴于我国东部地区对全球气候变化的高度敏感性,本文应用1960~2014年的CRU和HadISST等全球地表(地球表面的简称,包括陆地和海洋表面,下同)温度再分析资料,采用地理等温线和春、秋季(代表月地表温度)时间的变迁速度等指标,分析了全球和中国东部地区的气候变化速度以及春、秋季物候的变化。结果显示:(1)自1960年以来,全球地表温度呈现十分清晰的上升趋势,其中,北半球(陆地)比南半球(海洋)变暖更显著,地理等温线向两极方向迁移;(2)南、北半球的春(秋)季明显提前(滞后);(3)中国东部地表温度呈快速上升趋势,陆地升温虽普遍快于海洋,但东部海域升温快于相邻的陆地,地理等温线总体向北迁移,海域的春、秋季物候变化较陆地显著;(4)中国东部生物物候受气候变化影响明显,海域地理等温线的北移受到沿岸地形的抑制,海洋生物适应气候变化的能力受到限制,海洋生态系统及生物多样性将面临气候变化带来的显著风险。
江淮流域持续性强降水过程的多尺度物理模型
孙建华, 卫捷, 傅慎明, 张元春, 汪汇洁
2018, 42(4): 741-754. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1803.17246
摘要(1420) HTML (8) PDF (10083KB)(1088)
摘要:
本文对江淮流域持续性暴雨事件(PHREs)的多尺度物理模型和能量转换特征以及青藏高原东部对流系统东移影响下游地区降水的研究成果进行了总结。从欧亚大陆Rossby波列能量频散的角度揭示了江淮流域PHREs中纬度系统槽脊稳定的机制,定量分析了冷暖空气的源地和输送路径,提出了江南型和江北型PHREs的多尺度物理模型。从天气尺度和次天气尺度之间的能量转换角度呈现了不同尺度系统相互作用的物理图像,指出背景场的能量供给是直接触发暴雨的次天气尺度系统维持的最重要因子,尤其是在对流层的低层,动能的降尺度级串(即能量由背景场传递给次天气尺度系统)最强。研究表明青藏高原东部对流系统东移影响江淮流域的降水是一系列天气系统配合和活跃的结果,主要由青藏高原和四川盆地、二级地形和东部平原之间的热力环流、西南涡、二级地形以东中尺度涡旋和对流系统的共同影响。除了本文总结的内容,还有一些影响PHREs的因子值得深入研究,多尺度相互作用中的Rossby波源及其波列如何影响天气系统,中尺度系统对其背景场的能量反馈等。
青藏高原冬春积雪和地表热源影响亚洲夏季风的研究进展
段安民, 肖志祥, 王子谦
2018, 42(4): 755-766. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1801.17247
摘要(1284) HTML (4) PDF (5488KB)(1649)
摘要:
青藏高原冬春积雪和地表热源的气候效应是青藏高原气候动力学的两个重要内容。大量资料分析和数值试验研究均表明这两个因子对亚洲季风有一定的预测意义,本文对此做了比较系统的回顾和总结,并进一步比较了青藏高原积雪和地表热源影响东亚和南亚夏季降水的异同。结果表明,东亚夏季降水在年际和年代际尺度上均存在"三极型"和"南北反相"型的空间分布特征,高原春季地表热源在年代际和年际尺度上主要影响东亚夏季降水"三极型"模态;在年代际尺度上它是中国东部出现"南涝北旱"格局的重要原因,而高原冬季积雪的作用相反。另一方面,高原冬季积雪在年际和年代际尺度上对印度夏季风降水的预测效果均要优于高原地表热源。无论是空间分布还是时间演变特征,高原冬季积雪与春季地表热源整体上均无统计意义上的显著联系。不断完善高原地面观测网和改进模式在高原地区的模拟性能,将是进一步深入理解高原积雪和地表热源影响亚洲季风物理过程和机制的关键所在。
实验室模拟研究大气二次有机气溶胶的形成
徐永福, 贾龙
2018, 42(4): 767-785. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1805.17251
摘要(1402) HTML (2) PDF (589KB)(1988)
摘要:
二次有机气溶胶(SOA)是大气中重要的气溶胶组分,主要由挥发性有机物(VOCs)经化学转化形成,对天气、气候、大气环境和人体健康有重要影响,但至今其确切的化学成分和形成机制还十分不清楚。研究SOA的方法主要采用实验室单个物种或多物种的化学过程的模拟研究,野外实际大气的SOA化学成分、源汇和多尺度分析的观测研究,以及大气中SOA形成的数值模拟的回报和预报研究。实验室研究是对SOA形成过程中获取基础数据和推究SOA生成机制的最主要手段。在过去的几十年中,特别是近五年,SOA的研究取得了较大的进展,其中包括SOA前体物、SOA形成机制及影响因子的进一步理解。本文就这些方面展开了概要性的综述,重点强调了我国研究人员所做的研究工作。在采用实验室烟雾箱系统模拟研究SOA方面,首先简述了烟雾系统的发展以及表征,讨论了跟烟雾箱箱体相关的壁效应问题,重点综述了萜烯类、芳香烃类、小分子类等化学物种转化形成SOA的研究进展。在采用流动管和其他反应器类模拟研究SOA方面,重点讨论了挥发性有机物在颗粒物表面或在液相中所形成的SOA的主要化学成分及其可能的作用。
北极海冰融化影响东亚冬季天气和气候的研究进展以及学术争论焦点问题
武炳义
2018, 42(4): 786-805. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1804.17262
摘要(1832) HTML (2) PDF (13251KB)(1707)
摘要:
北极历来是影响东亚冬季天气、气候的关键区域之一。北极表面增暖要比全球平均快2~3倍,即所谓北极的放大效应。随着全球增暖的持续以及北极海冰的持续融化,北极的生态环境正在发生显著的变化,进而可能对北半球中、低纬度的天气、气候产生影响。本文概述了有关北极海冰融化影响冬季东亚天气、气候的主要研究进展,特别是自2000年以来,北极海冰异常偏少影响东亚冬季气候变率以及极端严寒事件的可能途径、存在的科学问题,以及学术界的争论焦点。秋、冬季节是北极海冰快速形成时期,此时北极海冰对大气环流的影响要强于大气对海冰的影响。近二十年来的研究结果表明,北极海冰异常偏少,不仅影响北冰洋局地的气温和降水变化,而且通过复杂的相互作用和反馈过程,对北半球中、低纬度的天气、气候产生影响。北极海冰通过以下两个可能机制来影响东亚冬季的天气、气候:(1)北极海冰的负反馈机制;(2)由海冰异常偏少引起的平流层-对流层相互作用机制。秋、冬季节北极海冰持续异常偏少,特别是,巴伦支海-喀拉海海冰异常偏少,既可以加强冬季西伯利亚高压(东亚冬季风偏强),也可以导致冬季风偏弱。导致海冰影响不确定性的部分原因是:(1)夏季北极大气环流状态影响北极海冰异常偏少对冬季大气环流的反馈效果;(2)冬季大气环流对北极海冰异常偏少响应的位置、强度不同造成的。秋、冬季节北极海冰持续异常偏少,在适宜的条件下(例如,前期夏季北极大气环流的热力和动力条件,有利于加强北极海冰偏少对冬季大气的反馈作用),可以激发出有利于冬季亚洲大陆极端严寒过程的大气环流异常。目前学术界争论焦点主要集中在以下两个方面:(1)关于北极增暖、北极海冰融化对中纬度区域影响的争论;(2)关于1980年代后期以来,冬季欧亚大陆表面气温呈现降温趋势的原因。目前,有关北极海冰融化影响冬季欧亚大陆次季节变化以及极端天气、气候事件的过程和机制,我们认知非常有限,亟需开展深入细致的研究。
降尺度方法在东亚气候预测中的应用
孙建奇, 马洁华, 陈活泼, 汪君, 于恩涛, 田宝强
2018, 42(4): 806-822. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1801.17266
摘要(1025) HTML (8) PDF (1171KB)(1324)
摘要:
东亚气候变异十分复杂,全球动力预测系统对该地气候异常的预测能力偏低,如何进一步提高东亚地区气候异常的预测水平是一个非常重要的科学和现实需求问题。为此,近些年一系列的动力和统计降尺度方法得以发展。本文主要回顾了这些降尺度方法在东亚气候预测研究和实时预测中的应用。首先,文中简要介绍了我国目前应用于实时预测的全球动力预测系统及其性能,这是开展降尺度的科学和技术基础;在此基础上,从区域模式物理过程参数化方案的评估与遴选、区域模式在东亚气候预测中的应用两个方面,对于动力降尺度方法的发展和应用做了回顾;在统计降尺度的综述中,本文主要关注了东亚夏季汛期和冬季气候异常的预测,特别是针对东亚冬季气候异常,本文中提出了新的高效的统计与动力相结合的预测方法。最后,展望了短期气候预测需要进一步深入研究的科学和技术问题。
大气边界层物理研究进展(2012~2017年)
刘辉志, 王雷, 杜群
2018, 42(4): 823-832. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1802.17274
摘要(1844) HTML (7) PDF (2301KB)(1554)
摘要:
本文总结了2012~2017年中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室大气边界层物理研究的最新进展,主要包括不同下垫面(城市、青藏高原、草原、沙漠、湖泊、海洋等)大气边界层观测实验、大气湍流和阵风相干结构的理论研究以及大气数值模拟的参数化改进等,同时对未来几年内大气边界层物理的发展方向做了展望。
我国暴雨形成机理及预报方法研究进展
高守亭, 周玉淑, 冉令坤
2018, 42(4): 833-846. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1802.17277
摘要(1537) HTML (4) PDF (414KB)(1784)
摘要:
本文分别从华南前汛期暴雨、江淮流域梅雨锋暴雨、华北和东北暴雨以及暴雨预报方法等方面回顾了我国近年来在三大主要雨带的观测、数值模拟、动力机理及诊断分析和预报方法方面取得的进展,指出了华南前汛期暴雨、江淮梅雨锋暴雨及华北东北暴雨研究取得的新认识,认为华南前汛期暴雨的形成机理主要是发生在低空南风向北推进过程中,由海岸线及地形抬升而产生位势不稳定造成强上升运动,以及由于南风低空急流向北发展时产生急流前部的辐合而发生流线分叉使低层低涡发展,促进垂直运动加强或使正涡度集中促使垂直运动发展而造成暴雨;江淮暴雨生成机制主要与对称不稳定、涡度场变化及β中尺度对流线有关;而华北东北暴雨过程中的非均匀饱和引起的局部湿度集中特点较为明显,中高层干冷空气入侵引起的不稳定和动量下传及高空中尺度急流增强引发的高层局地辐散增强对暴雨发生有重要作用。目前,新型探测资料已经用到暴雨研究和预报中,具有自主知识产权的GRAPES-MESO和GRAPES-GFS系统已经实现业务化,并在集合数值预报方面取得显著进步,且动力因子暴雨预报方法在很多省市气象台得到推广应用。虽然暴雨机理研究和预报已经取得以上诸方面的长足进步,但是也还存在不少问题,需要加强基于观测的暴雨中尺度系统的理论研究、数值模式动力框架和物理过程描述的改进、资料同化理论技术的发展及人工智能技术如何用到大气科学的研究和业务应用等,以期在我国暴雨中尺度系统的三维精细结构、发生发展机理和预报理论和方法研究方面取得更大进步。
基于CloudSat/CALIPSO卫星资料的青藏高原云辐射及降水的研究进展
刘屹岷, 燕亚菲, 吕建华, 刘肖林
2018, 42(4): 847-858. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1805.17281
摘要(1118) HTML (5) PDF (14085KB)(1285)
摘要:
青藏高原上空的云及其相关联的降水和辐射影响了高原上空非绝热加热的空间结构。2006年卫星发射升空的CloudSat/CALIPSO卫星提供了定量的、完整的云垂直结构信息。本文回顾了国内外基于该资料进行的青藏高原上云宏观和微观结构特征,云与降水相关性,云辐射效应以及模式中的云-辐射问题方面的研究。指出抬升的青藏高原上水汽较少,限制了高原上云的垂直高度,对云层厚度和层数有显著压缩作用。在云量及其季节变化上,单层云的相对贡献大于亚洲季风区的其他区域;夏季对流云比较浅薄,积云发生频率最高,云内滴谱较宽;降水云以积云和卷云为主,云对总降水的贡献随着云层数增多而减小,降水增强时高层冰粒子的密集度趋于紧密;夏季青藏高原地区云的净辐射效应在8 km高度存在一个厚度仅1 km左右但较强的辐射冷却层,而在其下(4~7 km高度之间)为强的辐射加热层。最后展望了未来需要进一步开展的研究。
中国南方夏季降水的年代际变率主模态特征及机理研究
李维京, 刘景鹏, 任宏利, 左金清
2018, 42(4): 859-876. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1802.17283
摘要:
在气候变暖背景下,中国南方夏季降水存在明显的年代际变化特征。本文利用1920~2014年的逐月降水,以分析南方夏季降水年代际变率主模态为切入点,以研究南方夏季降水年代际变率空间分布型的年代际变化特征为重点,进一步研究了印度洋、北太平洋及北大西洋海温的年代际变率对南方夏季降水主模态年代际变率的可能影响机制。得到的主要结论包括:(1)指出中国南方夏季降水年代际变率的两个主模态为全区一致型和东西反相型降水模态。两个主导模态在1971/1972年发生了显著的年代际转变,在1925~1971年的第一主模态为东西反相型降水;在1972~2009年的第一主模态为一致型降水。不同主模态对应的海温异常关键区也在1971/1972年发生了相应的年代际变化。(2)揭示了全区一致型和东西反相型降水模态对应的环流场异常特征。一致多(少)型降水对应着中国南海及西北太平洋低空的反气旋(气旋)性异常,有(不)利于水汽自南海向南方地区输送。而贝加尔湖东侧低空的反气旋(气旋)性异常,有(不)利于冷空气向南方输送,并与来自南海地区的水汽在南方地区辐合,有利于南方地区降水一致偏多(少)。东多西少(西多东少)型降水对应着中国东南地区高空的正(负)异常中心,有利于高空辐散(辐合)及异常的上升(下沉)运动,其与南方地区东部低空的气旋(反气旋)性异常共同作用,有利于东部降水偏多(偏少)。与此同时,低空中南半岛反气旋(气旋)性异常及菲律宾地区反气旋(气旋)性异常,不(有)利于水汽自孟加拉湾及南海地区输送向南方地区西部,有利于形成东多西少(西多东少)的降水型。(3)揭示了印度洋海温、北太平洋海温和北大西洋海温协同影响南方地区东西反相型降水和一致型降水的机制。
任意正交曲线坐标系下的海洋模式动力框架的发展与评估
俞永强, 唐绍磊, 刘海龙, 林鹏飞, 李晓兰
2018, 42(4): 877-889. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1805.17284
摘要(1565) HTML (0) PDF (4718KB)(1086)
摘要:
本文发展了一个可以适用于任意水平正交曲线坐标系的海洋模式动力框架,并将其应用于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发展的气候系统海洋模式LICOM2.0(LASG/IAP Climate system Ocean Model,version2.0)。在经纬网格坐标系下,新的动力框架与LICOM2.0原有的动力框架模拟结果完全一致。基于新的动力框架,海洋模式可采用能够准确描述北冰洋地形的三极网格,克服了LICOM2.0经纬网格版本必须将北极点处理为孤岛的缺陷,从而显著改进了模式对于北冰洋环流和北大西洋经圈翻转流函数(AMOC)的模拟能力。此外,引进三极网格还可以避免模式网格距随纬度增加而急剧减小带来的计算不稳定,在LICOM2.0的三极网格版本中,模式不需要采用任何空间滤波方案仍然能够保证计算的稳定性,从而与LICOM2.0的经纬网格版本相比,极大地提高了模式的并行效率,这一点在当水平分辨率提高到0.1度时表现得尤为明显,海洋模式的并行加速比可以从经纬网格版本的5.8左右提高到三极网格版本的15.0左右。
木星大气探测综述
魏强, 胡永云
2018, 42(4): 890-901. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1803.17295
摘要(1230) HTML (4) PDF (4264KB)(868)
摘要:
我国计划在2030年发射木星探测飞船,相关工程技术、科学目标论证的前期准备工作已经开始。为了更好地规划我国木星探测的科学目标,我们在本文系统地总结了美欧在过去几十年所进行的历次木星探测项目及其大气探测成果。到目前为止,已成功发射的有关木星的探测飞船共有9次,其中7次为飞越探测(飞船在飞越木星时顺带进行了木星的探测),另外2次为专门探测(专门为了探测木星而发射的飞船),分别为伽利略号和朱诺号飞船。这些飞船携带了大量的探测仪器,对木星大气的动力、物理和化学性质,磁层、电离层和内部结构等进行了综合探测。我们在本文中将主要集中在木星大气探测方面,对7次飞越探测做简要的介绍,对两次专门的探测进行详细介绍,并对一部分尚未解决的科学问题进行简单讨论。
东亚夏季风变化机理的模拟和未来变化的预估:成绩和问题、机遇和挑战
周天军, 吴波, 郭准, 何超, 邹立维, 陈晓龙, 张丽霞, 满文敏, 李普曦, 李东欢, 姚隽琛, 黄昕, 张文霞, 左萌, 陆静文, 孙宁
2018, 42(4): 902-934. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1802.17306
摘要(1972) HTML (3) PDF (20508KB)(1382)
摘要:
东亚夏季风对于我国东部气候具有重要影响,呈现出多种时间尺度的变化特征。在理解东亚夏季风过去和当前的变化机理、预测和预估其未来变化等方面,气候系统模式发挥着不可替代的作用。但是当前的气候模式在东亚夏季风的模拟上尚存在诸多不足,这使得其模拟结果存在不确定性,既制约了我们对过去和当前季风变化机理的准确理解,又降低了未来预测预估结果的可信度。关于造成季风模拟偏差的原因,既涉及模式本身的性能问题,又与模拟系统的构建、强迫资料的误差、乃至我们当前对季风变化规律自身的认知水平有关。本文以时间尺度为序,从气候态、日变化、年际变率、年代际变率、长期气候变化和未来预估等季风学界关注的热点问题角度,本着总结成绩、归纳问题、寻找机遇、面对挑战的目的,从七个方面系统总结了当前气候模式的水平,归纳了其主要偏差特征,讨论了影响模式性能的可能因素。内容涉及模式分辨率和地形效应、对流和云辐射效应的作用、与季风相关的热带海气相互作用关键过程、内部变率(太平洋年代际振荡)、自然变率(太阳辐照度变化和火山气溶胶强迫)和人为辐射强迫(人为温室气体和气溶胶排放)对季风变化的不同影响、热力和动力过程及气候敏感度对季风环流(副高)和降水预估不确定性的影响等。最后从优化参数、实现场地观测和过程模拟的协同、发展高分辨和对流解析模式等角度,讨论了提升东亚夏季风模拟能力的技术途径。
夏季东亚高空副热带西风急流季节内异常的环流特征及前兆信号
张庆云, 宣守丽, 孙淑清
2018, 42(4): 935-950. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1803.18107
摘要:
位于东亚中纬度上空的东亚高空副热带西风急流是东亚季风环流系统中的重要成员,我国夏季降水雨带的季节内变化受东亚高空副热带西风急流位置季节内异常变化影响。根据1979~2008年中国降水资料、NCEP/NCAR再分析资料以及NOAA ERSST V3月平均海表温度资料,利用统计分析和物理量诊断方法对夏季东亚高空副热带西风急流位置季节内异常的东亚大气环流特征及外强迫信号的物理过程进行了探讨。研究指出:6月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受欧亚大陆中高纬东传的Rossby波列位相变化影响,春季北大西洋海温异常是欧亚大陆中高纬度Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号;7月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受西太平洋热带向副热带传播的Rossby波列位相变化影响,春季西太平洋热带海温异常是西太平洋热带向副热带传播的Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号;8月东亚高空副热带西风急流位置异常主要受南亚大陆向东亚大陆热带、副热带传播的Rossby波列位相变化影响,春季印度洋海温异常是南亚大陆向东亚大陆热带、副热带传播的Rossby波列位相变化的最显著的外强迫信号。
关于我国北方干旱化及其转折性变化
马柱国, 符淙斌, 杨庆, 郑子彦, 吕美霞, 李明星, 段亚雯, 陈亮
2018, 42(4): 951-961. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1802.18110
摘要(1199) HTML (5) PDF (4623KB)(1436)
摘要:
过去半个世纪,中国经历了北方的"西湿东干"和东部的"南涝北旱"的降水分布格局。近十几年来,这种降水长期变化的分布格局是维持还是发生了变化?针对这个问题,本文基于年降水观测数据、自矫正的帕尔默干旱指数scPDSI、地表湿润指数SWI及GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)卫星数据反演的陆地水储量(TWS)对中国区域干旱化问题进行了再分析。结果表明,近16年(2001~2016年),中国东部地区(100°E以东)"南涝北旱"的格局正在发生显著的变化,长江上中游及江淮流域已转为显著的干旱化趋势,而华北地区的降水已转为增加趋势,东部"南旱北涝"的格局基本形成;北方过去的"西湿东干"也转变为"西干东湿"的空间分布特征。显然,中国区域的降水格局在2001年后发生了明显的年代尺度转折性变化,两种常用干旱指数scPDSI和SWI的分析也证明了这一点。但GRACE的陆地水储量(TWS)的分析却显示,最近16年来,中国东部"南涝北旱"的格局仍未发生变化,北方大部分地区仍然处于干旱化的时段,且有加剧的趋势,其原因有待于进一步研究。
编后记
2018, 42(4): 962-962.
摘要(764) HTML (2)
摘要:
目录
2018, 42(4): 963-964.
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