2021年 第26卷 第5期
2021, 26(5): 471-481.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2020.19156
摘要:
秦皇岛地处河北省东北部，是环渤海重要的港口城市，在近几年京津冀地区减排效果较好的情况下，于2019年1月出现了多次持续细颗粒物（PM2.5）污染过程。因此本文利用耦合了数值源解析模块ISAM（Integrated Source Apportionment Method）的区域空气质量模式RAMS-CMAQ（Regional Atmospheric Modeling System–Community Multiscale Air Quality），对2019年1月秦皇岛地区PM2.5进行模拟，并将PM2.5质量浓度高于（低于）75 μg m－3的时段划分为污染（清洁）时段，分别探讨了两个时段本地排放源对秦皇岛市PM2.5质量浓度的贡献情况，并且进一步探讨了秦皇岛各区县及外地排放源对秦皇岛市4个国控环境监测站点（第一关站、北戴河站、市监测站、建设大厦站）PM2.5质量浓度的区域传输特征。结果表明，秦皇岛地区PM2.5质量浓度整体呈“南高北低”式分布。清洁时段，PM2.5质量浓度受本地贡献较大，青龙县、卢龙县大部分地区贡献为40%～50%，海港区、抚宁区、北戴河区、第一关区及昌黎县大部分地区贡献在60%以上；4个国控环境监测站点受跨界输送贡献占34.7%～41.6%。污染时段，秦皇岛市本地贡献相对于清洁时段整体下降10%左右，当地大气污染受到跨界区域传输影响增加；而在4个国控站中，北戴河站、第一关站受到跨界输送贡献分别下降1.0%和2.3%；市监测站、建设大厦站受到跨界输送贡献分别上升2.9%和2.0%。
秦皇岛地处河北省东北部，是环渤海重要的港口城市，在近几年京津冀地区减排效果较好的情况下，于2019年1月出现了多次持续细颗粒物（PM2.5）污染过程。因此本文利用耦合了数值源解析模块ISAM（Integrated Source Apportionment Method）的区域空气质量模式RAMS-CMAQ（Regional Atmospheric Modeling System–Community Multiscale Air Quality），对2019年1月秦皇岛地区PM2.5进行模拟，并将PM2.5质量浓度高于（低于）75 μg m－3的时段划分为污染（清洁）时段，分别探讨了两个时段本地排放源对秦皇岛市PM2.5质量浓度的贡献情况，并且进一步探讨了秦皇岛各区县及外地排放源对秦皇岛市4个国控环境监测站点（第一关站、北戴河站、市监测站、建设大厦站）PM2.5质量浓度的区域传输特征。结果表明，秦皇岛地区PM2.5质量浓度整体呈“南高北低”式分布。清洁时段，PM2.5质量浓度受本地贡献较大，青龙县、卢龙县大部分地区贡献为40%～50%，海港区、抚宁区、北戴河区、第一关区及昌黎县大部分地区贡献在60%以上；4个国控环境监测站点受跨界输送贡献占34.7%～41.6%。污染时段，秦皇岛市本地贡献相对于清洁时段整体下降10%左右，当地大气污染受到跨界区域传输影响增加；而在4个国控站中，北戴河站、第一关站受到跨界输送贡献分别下降1.0%和2.3%；市监测站、建设大厦站受到跨界输送贡献分别上升2.9%和2.0%。
2021, 26(5): 482-492.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.20046
摘要:
基于CMIP5多模式中的历史情景与全球变暖情景资料以及观测海温数据，利用EOF分析，回归分析、功率谱分析等方法对北太平洋区域冬季海—气耦合系统进行了研究，进而分析了全球变暖背景下太平洋年代际振荡（PDO）时空特征的变化。通过对比观测资料中1934年前后的PDO时空特征，发现在全球变暖的背景下，PDO强度得到加强，PDO模态的频率向高频移动（周期变短）；再用泰勒图分析方法和功率谱分析方法评估13个CMIP5模式对20世纪太平洋年代际振荡（PDO）的模拟能力；在此基础上，选取评估良好以上的9种模式对比分析不同增暖情景下的PDO时空特征变化，发现模式中PDO对全球变暖的响应与观测结果基本一致。
基于CMIP5多模式中的历史情景与全球变暖情景资料以及观测海温数据，利用EOF分析，回归分析、功率谱分析等方法对北太平洋区域冬季海—气耦合系统进行了研究，进而分析了全球变暖背景下太平洋年代际振荡（PDO）时空特征的变化。通过对比观测资料中1934年前后的PDO时空特征，发现在全球变暖的背景下，PDO强度得到加强，PDO模态的频率向高频移动（周期变短）；再用泰勒图分析方法和功率谱分析方法评估13个CMIP5模式对20世纪太平洋年代际振荡（PDO）的模拟能力；在此基础上，选取评估良好以上的9种模式对比分析不同增暖情景下的PDO时空特征变化，发现模式中PDO对全球变暖的响应与观测结果基本一致。
2021, 26(5): 493-508.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2020.20052
摘要:
利用中国北方季风区46站盛夏降水观测资料，采用经验正交函数分解（EOF）、合成分析和相关分析等方法，将盛夏北方季风区划分为4类雨型：A型全区一致偏多、B型全区一致偏少、C型华北偏多东北偏少和D型华北偏少东北偏多，并对比分析了四类雨型同期大气环流和前期至同期海温演变特征的差异，以探讨其形成机制及前期预测信号。结果表明：四类雨型对应的东亚大气环流和海温演变具有明显的差异。A型年：东亚副热带西风急流（西风急流）和西太平洋副热带高压（西太副高）位置偏北，东亚夏季风偏强，欧亚中高纬以纬向环流为主，北方季风区低层辐合、高层辐散，冷暖空气在北方季风区辐合；从前冬至夏季，赤道中东太平洋类似于东部型La Niña发展年的海温异常分布，北大西洋海温三极子模态（NAT）负位相逐渐形成；B型年则基本相反。C（D）型年：西风急流异常偏北（略偏南），西太副高偏西（东）偏北，华北盛行西南（西北）风，东北盛行东北（东南）风，华北地区对流层低层辐合（辐散）高层辐散（辐合），东北地区对流层低层辐散（辐合）高层辐合（辐散），东北冷涡较弱（活跃）；从前冬至夏季，赤道中东太平洋和印度洋逐渐由暖海温向冷海温转变（El Niño分布形态逐渐形成）。
利用中国北方季风区46站盛夏降水观测资料，采用经验正交函数分解（EOF）、合成分析和相关分析等方法，将盛夏北方季风区划分为4类雨型：A型全区一致偏多、B型全区一致偏少、C型华北偏多东北偏少和D型华北偏少东北偏多，并对比分析了四类雨型同期大气环流和前期至同期海温演变特征的差异，以探讨其形成机制及前期预测信号。结果表明：四类雨型对应的东亚大气环流和海温演变具有明显的差异。A型年：东亚副热带西风急流（西风急流）和西太平洋副热带高压（西太副高）位置偏北，东亚夏季风偏强，欧亚中高纬以纬向环流为主，北方季风区低层辐合、高层辐散，冷暖空气在北方季风区辐合；从前冬至夏季，赤道中东太平洋类似于东部型La Niña发展年的海温异常分布，北大西洋海温三极子模态（NAT）负位相逐渐形成；B型年则基本相反。C（D）型年：西风急流异常偏北（略偏南），西太副高偏西（东）偏北，华北盛行西南（西北）风，东北盛行东北（东南）风，华北地区对流层低层辐合（辐散）高层辐散（辐合），东北地区对流层低层辐散（辐合）高层辐合（辐散），东北冷涡较弱（活跃）；从前冬至夏季，赤道中东太平洋和印度洋逐渐由暖海温向冷海温转变（El Niño分布形态逐渐形成）。
2021, 26(5): 509-518.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.20103
摘要:
为了理解行星反照率时空变化规律及成因，基于CERES数据对全球行星反照率的大气（主要为云与气溶胶等）和地表贡献进行了分解，通过Theil-Sen+Mann-Kendall方法得到了2001～2018年全球行星反照率及其大气和地表贡献的时空变化趋势，并基于回归分析方法对典型区域的变化趋势进行了初步解释。研究结果表明：1）在中低纬度区域行星反照率的大气贡献占主导地位，而在高纬度区域地表贡献相对升高，呈现纬向差异大于经向变化的模式；2）全球行星反照率呈现−0.0002/a（p<0.05）的变化趋势，地表贡献和大气贡献呈现−0.00015/a（p<0.05）与–0.00004/a（p<0.05）的变化趋势；3）大气贡献在火地岛西南洋面等区域呈现显著的增长趋势，而在南极洲东部等区域呈现显著的降低趋势；地表贡献在北冰洋等区域呈现显著的降低趋势，而在南极洲东部等区域呈现显著的升高趋势，并且可以基于云覆盖、积雪覆盖和NDVI等参量的变化有效解释典型区域的行星反照率变化。
为了理解行星反照率时空变化规律及成因，基于CERES数据对全球行星反照率的大气（主要为云与气溶胶等）和地表贡献进行了分解，通过Theil-Sen+Mann-Kendall方法得到了2001～2018年全球行星反照率及其大气和地表贡献的时空变化趋势，并基于回归分析方法对典型区域的变化趋势进行了初步解释。研究结果表明：1）在中低纬度区域行星反照率的大气贡献占主导地位，而在高纬度区域地表贡献相对升高，呈现纬向差异大于经向变化的模式；2）全球行星反照率呈现−0.0002/a（p<0.05）的变化趋势，地表贡献和大气贡献呈现−0.00015/a（p<0.05）与–0.00004/a（p<0.05）的变化趋势；3）大气贡献在火地岛西南洋面等区域呈现显著的增长趋势，而在南极洲东部等区域呈现显著的降低趋势；地表贡献在北冰洋等区域呈现显著的降低趋势，而在南极洲东部等区域呈现显著的升高趋势，并且可以基于云覆盖、积雪覆盖和NDVI等参量的变化有效解释典型区域的行星反照率变化。
2021, 26(5): 519-531.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.20118
摘要:
利用中国气象局MICAPS地面、高空等常规观测资料及欧洲中心ERA-Interim的0.25°（纬度）×0.25°（经度）逐6 h再分析资料，对2015年11月5日至7日影响北京、河北的一次降雪过程的环流形势和动热力物理量进行了诊断分析，揭示了降雪特征及其形成原因。环流形势分析发现，此次降雪是在高空两槽一脊叠加短波槽活动天气背景下的“回流型”降雪。500 hPa有西伯利亚脊的发展和内蒙古地区气旋性涡旋及其向南发展出的弱槽，使得偏北冷空气与西南暖气流在河北地区相遇，伴随低层700 hPa的低涡发展，造成了此次降雪天气。500 hPa多小槽波动东移，使得雨雪天气维持较长时间；700 hPa受偏南暖湿气流影响，850 hPa为偏东风，地面高压底部偏东风配合倒槽，有较好的上升运动和水汽输送条件；高湿的大气环境条件和低层水汽辐合及抬升为降雪发生提供了充沛的水汽；高低空急流的形成，与散度场、涡度场和垂直速度场的高低空耦合配置，为降雪天气的发生创造了动力条件。
利用中国气象局MICAPS地面、高空等常规观测资料及欧洲中心ERA-Interim的0.25°（纬度）×0.25°（经度）逐6 h再分析资料，对2015年11月5日至7日影响北京、河北的一次降雪过程的环流形势和动热力物理量进行了诊断分析，揭示了降雪特征及其形成原因。环流形势分析发现，此次降雪是在高空两槽一脊叠加短波槽活动天气背景下的“回流型”降雪。500 hPa有西伯利亚脊的发展和内蒙古地区气旋性涡旋及其向南发展出的弱槽，使得偏北冷空气与西南暖气流在河北地区相遇，伴随低层700 hPa的低涡发展，造成了此次降雪天气。500 hPa多小槽波动东移，使得雨雪天气维持较长时间；700 hPa受偏南暖湿气流影响，850 hPa为偏东风，地面高压底部偏东风配合倒槽，有较好的上升运动和水汽输送条件；高湿的大气环境条件和低层水汽辐合及抬升为降雪发生提供了充沛的水汽；高低空急流的形成，与散度场、涡度场和垂直速度场的高低空耦合配置，为降雪天气的发生创造了动力条件。
2021, 26(5): 532-540.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.20119
摘要:
利用1950～2019年ERA5再分析数据，分析了极端干旱区边界层高度（Boundary Layer Height, BLH）和气候干湿因子（干燥度指数，Aridity Index, AI）的时空变化特征及相互关系。结果表明：BLH年均值为695 m，呈现东高西低的分布特点，BLH在东部升高、西部降低。AI均值为0.03，以塔里木盆地、中心戈壁等地为低值中心向四周递增，AI在东部减小、西部增大。时间变化上，1950～1964年、1965～1993年、2010～2019年，BLH波动降低，AI波动增大，1993～2009年 BLH抬升、AI减小。不同下垫面不同时段两者变化80%的年份呈反位相；两者基本为负相关，其中西部绿洲下垫面相关性最强，相关系数达到－0.79。随着东部BLH的抬升、西部BLH的降低，AI显示70年来极端干旱区的范围整体有向东移动的趋势。
利用1950～2019年ERA5再分析数据，分析了极端干旱区边界层高度（Boundary Layer Height, BLH）和气候干湿因子（干燥度指数，Aridity Index, AI）的时空变化特征及相互关系。结果表明：BLH年均值为695 m，呈现东高西低的分布特点，BLH在东部升高、西部降低。AI均值为0.03，以塔里木盆地、中心戈壁等地为低值中心向四周递增，AI在东部减小、西部增大。时间变化上，1950～1964年、1965～1993年、2010～2019年，BLH波动降低，AI波动增大，1993～2009年 BLH抬升、AI减小。不同下垫面不同时段两者变化80%的年份呈反位相；两者基本为负相关，其中西部绿洲下垫面相关性最强，相关系数达到－0.79。随着东部BLH的抬升、西部BLH的降低，AI显示70年来极端干旱区的范围整体有向东移动的趋势。
2021, 26(5): 541-555.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.20137
摘要:
采用20世纪再分析版本2c数据集的云水量逐月再分析数据，通过数理统计方法，分析了1960～2014年全球、海洋和陆地上空云水量的分布和变化特征及其与水汽通量的关系。结果表明：1）全球云水量空间分布不均，海洋高于陆地且比例约为4﹕3，中低纬海洋、陆地上空云水量变化趋势分别为0.07 g m−2 (10 a)−1和−0.04 g m−2 (10 a)−1，季节性差异主要体现于夏季在热带辐合带和南半球海洋高，冬季在北半球海洋和南半球陆地高。2）对比六大洲发现，云水量最高的南美洲有最快增加趋势，为0.46 g m−2 (10 a)−1，同时云水量最低的非洲有最快降低趋势，为−0.59 g m−2 (10 a)−1。3）中低层整层水汽通量散度场的辐合、辐散区和云水量的高、低值区相对应，云水量与水汽通量散度变化呈负相关（相关系数为−0.44），负相关关系在赤道附近的低纬地区显著。本文揭示了在全球变暖背景下，大气中云水量分布和变化的时空格局，为模式参数化和未来气候预估提供参考。
采用20世纪再分析版本2c数据集的云水量逐月再分析数据，通过数理统计方法，分析了1960～2014年全球、海洋和陆地上空云水量的分布和变化特征及其与水汽通量的关系。结果表明：1）全球云水量空间分布不均，海洋高于陆地且比例约为4﹕3，中低纬海洋、陆地上空云水量变化趋势分别为0.07 g m−2 (10 a)−1和−0.04 g m−2 (10 a)−1，季节性差异主要体现于夏季在热带辐合带和南半球海洋高，冬季在北半球海洋和南半球陆地高。2）对比六大洲发现，云水量最高的南美洲有最快增加趋势，为0.46 g m−2 (10 a)−1，同时云水量最低的非洲有最快降低趋势，为−0.59 g m−2 (10 a)−1。3）中低层整层水汽通量散度场的辐合、辐散区和云水量的高、低值区相对应，云水量与水汽通量散度变化呈负相关（相关系数为−0.44），负相关关系在赤道附近的低纬地区显著。本文揭示了在全球变暖背景下，大气中云水量分布和变化的时空格局，为模式参数化和未来气候预估提供参考。
2021, 26(5): 556-568.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.20144
摘要:
针对海河流域东北冷涡降水样本，应用海河流域加密自动站降水资料及欧洲中期天气预报中心（ECMCWF）降水预报资料，利用滑动相关分析方法建立重组预报序列，基于加密自动站24 h累积降水量及重组24 h降水预报序列的Gamma累积概率分布曲线，采用预报—实况概率匹配方法建立1～3日的短期订正模型并进行试报检验。结果表明：欧洲中心数值模式对于海河流域东北冷涡降水的预报较实况偏慢；概率匹配法主要通过订正降水量级来改善预报结果，订正后降水预报对于小雨、大雨、暴雨预报的TS（Threat Score）评分技巧均有提升，尤其对于大雨和暴雨及以上量级预报，订正后预报量级及预报落区大小均与实况更加接近，订正效果显著。东北冷涡降水对流性强，模式预报能力弱，而订正后预报能有效提高此类强降水的预报技能，具有较好的应用价值。
针对海河流域东北冷涡降水样本，应用海河流域加密自动站降水资料及欧洲中期天气预报中心（ECMCWF）降水预报资料，利用滑动相关分析方法建立重组预报序列，基于加密自动站24 h累积降水量及重组24 h降水预报序列的Gamma累积概率分布曲线，采用预报—实况概率匹配方法建立1～3日的短期订正模型并进行试报检验。结果表明：欧洲中心数值模式对于海河流域东北冷涡降水的预报较实况偏慢；概率匹配法主要通过订正降水量级来改善预报结果，订正后降水预报对于小雨、大雨、暴雨预报的TS（Threat Score）评分技巧均有提升，尤其对于大雨和暴雨及以上量级预报，订正后预报量级及预报落区大小均与实况更加接近，订正效果显著。东北冷涡降水对流性强，模式预报能力弱，而订正后预报能有效提高此类强降水的预报技能，具有较好的应用价值。
2021, 26(5): 569-582.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.20149
摘要:
选取中国东部季风区长春、北京、武汉和广州市4个代表性城市，利用2012年9月至2014年8月和2016年1月至2017年12月共4年高密度自动站气温资料，比较了南北不同纬度带城市热岛效应（Urban Heat Island, UHI）强度的时空特征。结果表明：1）长春、北京、武汉和广州市建城区年平均UHII分别为0.96°C、1.06°C、0.91°C和0.78°C，北方城市秋、冬季多呈静稳和逆温天气，加上人为热释放量高于其他季节，UHII明显高于春夏季；而南方城市秋季“秋高气爽”，利于热岛的发生发展，冬季和夏季UHII次之，且季节间差异较小；2）4个城市热岛形成机制是一致的，均表现为夜间高于白天，清晨和午后UHII分别开始下降和上升；武汉市内水体较多，UHII日内波动幅度最大，广州市四季温和，UHII波动幅度最小；3）与南方城市比较，北方城市秋、冬季夜间高值时段长，白天低值时段短。本文揭示的南北不同气候带城市热岛强度差异，对于城市规划和城市运行管理具有实际意义。
选取中国东部季风区长春、北京、武汉和广州市4个代表性城市，利用2012年9月至2014年8月和2016年1月至2017年12月共4年高密度自动站气温资料，比较了南北不同纬度带城市热岛效应（Urban Heat Island, UHI）强度的时空特征。结果表明：1）长春、北京、武汉和广州市建城区年平均UHII分别为0.96°C、1.06°C、0.91°C和0.78°C，北方城市秋、冬季多呈静稳和逆温天气，加上人为热释放量高于其他季节，UHII明显高于春夏季；而南方城市秋季“秋高气爽”，利于热岛的发生发展，冬季和夏季UHII次之，且季节间差异较小；2）4个城市热岛形成机制是一致的，均表现为夜间高于白天，清晨和午后UHII分别开始下降和上升；武汉市内水体较多，UHII日内波动幅度最大，广州市四季温和，UHII波动幅度最小；3）与南方城市比较，北方城市秋、冬季夜间高值时段长，白天低值时段短。本文揭示的南北不同气候带城市热岛强度差异，对于城市规划和城市运行管理具有实际意义。
2021, 26(5): 583-590.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21041
摘要:
为探索上海地区单季晚稻生长期内降水量分配对产量的影响。采用降水集中度（Precipitation Concentration Degree, PCD）和集中期（Precipitation Concentration Period, PCP）研究1971～2015年单季晚稻全生育期内降水非均匀分布特征，运用趋势分析法研究单季晚稻全生育期降水分配情况及各生育期降水量与产量之间的关系，基于CMIP5全球气候模式情景下降水预估资料，估算2020～2045年上海地区单季晚稻生长期降水量对气象产量影响变化。结果表明：近45年单季晚稻生长季PCD变化趋势不显著，降水分布不均匀， PCP主要集中在7月27日至9月11日，即孕穗期和抽穗期；在分蘖期的降水量占全生育期总量的29.9%，孕穗期占26.2%，抽穗期占7.1%，成熟期占10.8%，分蘖期和孕穗期降水占全生育期的1/2以上；孕穗期降水量与单季晚稻气象产量的负相关关系达显著水平（p＜0.05）；未来30年内降水量对单季晚稻气象产量的负效应略大于正效应，即减产作用大于增产作用。未来气候变化情景下单季晚稻生长期内降水量的变化对产量有影响，应制定相应的适应措施。
为探索上海地区单季晚稻生长期内降水量分配对产量的影响。采用降水集中度（Precipitation Concentration Degree, PCD）和集中期（Precipitation Concentration Period, PCP）研究1971～2015年单季晚稻全生育期内降水非均匀分布特征，运用趋势分析法研究单季晚稻全生育期降水分配情况及各生育期降水量与产量之间的关系，基于CMIP5全球气候模式情景下降水预估资料，估算2020～2045年上海地区单季晚稻生长期降水量对气象产量影响变化。结果表明：近45年单季晚稻生长季PCD变化趋势不显著，降水分布不均匀， PCP主要集中在7月27日至9月11日，即孕穗期和抽穗期；在分蘖期的降水量占全生育期总量的29.9%，孕穗期占26.2%，抽穗期占7.1%，成熟期占10.8%，分蘖期和孕穗期降水占全生育期的1/2以上；孕穗期降水量与单季晚稻气象产量的负相关关系达显著水平（p＜0.05）；未来30年内降水量对单季晚稻气象产量的负效应略大于正效应，即减产作用大于增产作用。未来气候变化情景下单季晚稻生长期内降水量的变化对产量有影响，应制定相应的适应措施。
