2023年 第28卷 第2期
2023, 28(2): 117-130.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.21134
摘要:
地球系统模式结果表明大气CO2浓度的快速增加是气候变化重要的原因之一。卫星资料分析结果表明，大气CO2浓度并非均一的，而是有明显的区域差异，以人类活动为主的碳排放会影响这一区域差异。这种空间差异如何影响区域地表气温对CO2的敏感度，需要进一步深入系统的研究，利用地球系统模式BNU-ESM（Earth System Model of Beijing Normal University）进行数值模拟，并与观测数据进行比较，结果表明：在试验模拟结果2°C阈值内，非均匀CO2浓度试验的CO2浓度增加阈值范围小于均匀CO2浓度试验结果，偏少约为4.3 ppm（106）。在区域尺度上，中国地表气温对CO2敏感度普遍低于美国、欧洲以及北半球平均水平，这表明CO2浓度空间差异对地表气温的敏感度的影响存在明显区域差异，很可能是CO2浓度辐射效应与气候系统反馈过程的共同作用结果，这需要进一步研究。非均匀CO2浓度对地表气温敏感度影响将会对碳中和目标下未来碳汇潜力精准估算提供科学支持。
地球系统模式结果表明大气CO2浓度的快速增加是气候变化重要的原因之一。卫星资料分析结果表明，大气CO2浓度并非均一的，而是有明显的区域差异，以人类活动为主的碳排放会影响这一区域差异。这种空间差异如何影响区域地表气温对CO2的敏感度，需要进一步深入系统的研究，利用地球系统模式BNU-ESM（Earth System Model of Beijing Normal University）进行数值模拟，并与观测数据进行比较，结果表明：在试验模拟结果2°C阈值内，非均匀CO2浓度试验的CO2浓度增加阈值范围小于均匀CO2浓度试验结果，偏少约为4.3 ppm（106）。在区域尺度上，中国地表气温对CO2敏感度普遍低于美国、欧洲以及北半球平均水平，这表明CO2浓度空间差异对地表气温的敏感度的影响存在明显区域差异，很可能是CO2浓度辐射效应与气候系统反馈过程的共同作用结果，这需要进一步研究。非均匀CO2浓度对地表气温敏感度影响将会对碳中和目标下未来碳汇潜力精准估算提供科学支持。
2023, 28(2): 131-142.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.21155
摘要:
利用我国160站降水观测资料、NCEP/NCAR再分析资料以及英国哈德莱中心的海表面温度资料，分析了华南冬季（12月至次年2月）降水年际变化的大气环流特征以及对前期海面温度（Sea Surface Temperature, SST）异常的响应。结果表明，东亚高空急流异常偏南（偏北），东亚大槽减弱（增强），天气瞬变扰动和南支槽加强（减弱），来自孟加拉湾和南海的西南风在华南形成异常辐合（辐散），从而有利于该地区降水异常偏多（偏少）。ENSO型SST异常不能完全解释华南降水异常年南支槽和低层环流特征，进一步研究表明，导致华南降水异常的南支槽和低层风场变化与热带印度洋和赤道西太平洋SST异常关系更为密切。由前期热带印度洋和赤道西太平洋构建的SST指数和华南冬季降水相关达到0.44，两者相关系数在SST指数超前1个月时达到最大，对华南冬季降水具有一定潜在预报意义。
利用我国160站降水观测资料、NCEP/NCAR再分析资料以及英国哈德莱中心的海表面温度资料，分析了华南冬季（12月至次年2月）降水年际变化的大气环流特征以及对前期海面温度（Sea Surface Temperature, SST）异常的响应。结果表明，东亚高空急流异常偏南（偏北），东亚大槽减弱（增强），天气瞬变扰动和南支槽加强（减弱），来自孟加拉湾和南海的西南风在华南形成异常辐合（辐散），从而有利于该地区降水异常偏多（偏少）。ENSO型SST异常不能完全解释华南降水异常年南支槽和低层环流特征，进一步研究表明，导致华南降水异常的南支槽和低层风场变化与热带印度洋和赤道西太平洋SST异常关系更为密切。由前期热带印度洋和赤道西太平洋构建的SST指数和华南冬季降水相关达到0.44，两者相关系数在SST指数超前1个月时达到最大，对华南冬季降水具有一定潜在预报意义。
2023, 28(2): 143-159.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21156
摘要:
分析了海洋性大陆地区季节内对流活动对北半球冬季中国东南地区降水的影响。根据这些对流活动是否具有东传特征，进一步将它们分为连续东传的MJO（Madden-Julian Oscillation）对流事件和准静止的非MJO对流事件。结果表明，这两类季节内对流活动对中国降水的影响存在明显差异。MJO对流对中国降水影响的空间范围较大，并且降水在MJO东传过程中呈现连续南传特征；非MJO对流的影响范围较小，并且其影响的关键区域随时间由北向南跳变。当对流在海洋性大陆地区处于活跃（抑制）位相时，MJO对流会导致中国东南地区降水呈现南正北负（南负北正）的偶极型分布，而非MJO对流仅仅会导致广东和福建一带降水偏少（偏多）。当对流在海洋性大陆地区由抑制（活跃）位相向活跃（抑制）位相转换时，MJO对流会引起中国东南大部分地区降水偏多（偏少），非MJO对流则引起江西北部、福建西北和浙江西部一带降水偏少（偏多）。水汽通量诊断结果表明，两类对流事件影响中国降水都主要受到季节内尺度风场异常的调控。具体来说，季节内尺度上低层经向风的差异，进而导致其经向梯度对水汽的输送存在明显差异，最终导致两类不同的季节内对流对中国东南地区降水的影响存在差异。
分析了海洋性大陆地区季节内对流活动对北半球冬季中国东南地区降水的影响。根据这些对流活动是否具有东传特征，进一步将它们分为连续东传的MJO（Madden-Julian Oscillation）对流事件和准静止的非MJO对流事件。结果表明，这两类季节内对流活动对中国降水的影响存在明显差异。MJO对流对中国降水影响的空间范围较大，并且降水在MJO东传过程中呈现连续南传特征；非MJO对流的影响范围较小，并且其影响的关键区域随时间由北向南跳变。当对流在海洋性大陆地区处于活跃（抑制）位相时，MJO对流会导致中国东南地区降水呈现南正北负（南负北正）的偶极型分布，而非MJO对流仅仅会导致广东和福建一带降水偏少（偏多）。当对流在海洋性大陆地区由抑制（活跃）位相向活跃（抑制）位相转换时，MJO对流会引起中国东南大部分地区降水偏多（偏少），非MJO对流则引起江西北部、福建西北和浙江西部一带降水偏少（偏多）。水汽通量诊断结果表明，两类对流事件影响中国降水都主要受到季节内尺度风场异常的调控。具体来说，季节内尺度上低层经向风的差异，进而导致其经向梯度对水汽的输送存在明显差异，最终导致两类不同的季节内对流对中国东南地区降水的影响存在差异。
2023, 28(2): 160-172.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.22057
摘要:
利用中国气象局2014年发布的《华南汛期监测业务规定》与《梅雨监测业务规定》中华南前汛期开汛和长江中下游入梅日期资料，对1961～2021年我国南方地区雨季进程的年际变化进行了客观划分，划分为4种类型：偏早型（前汛期和入梅均偏早）、偏晚型（前汛期和入梅均偏晚）、前早后晚型（前汛期偏早而入梅偏晚）、前晚后早型（前汛期偏晚而入梅偏早）。不同雨季进程相联系的东亚大气环流异常、我国中东部春季和梅雨期降水异常分布均存在明显的差异。偏早型年，3月底至5月初西风急流强度偏强且第一次北跳偏早，6月副高北跳明显，菲律宾附近维持反气旋性环流异常；偏晚型年与偏早型年环流形势相反。前早后晚型年，西风急流前期偏强后期偏弱，菲律宾附近前期为反气旋性环流异常，后期转为气旋性环流异常且副高位置异常偏南；前晚后早型年与前早后晚型年环流形势相反。南方地区雨季进程与热带海温演变之间的关系并不显著，不同雨季进程与ENSO演变的关系较复杂。
利用中国气象局2014年发布的《华南汛期监测业务规定》与《梅雨监测业务规定》中华南前汛期开汛和长江中下游入梅日期资料，对1961～2021年我国南方地区雨季进程的年际变化进行了客观划分，划分为4种类型：偏早型（前汛期和入梅均偏早）、偏晚型（前汛期和入梅均偏晚）、前早后晚型（前汛期偏早而入梅偏晚）、前晚后早型（前汛期偏晚而入梅偏早）。不同雨季进程相联系的东亚大气环流异常、我国中东部春季和梅雨期降水异常分布均存在明显的差异。偏早型年，3月底至5月初西风急流强度偏强且第一次北跳偏早，6月副高北跳明显，菲律宾附近维持反气旋性环流异常；偏晚型年与偏早型年环流形势相反。前早后晚型年，西风急流前期偏强后期偏弱，菲律宾附近前期为反气旋性环流异常，后期转为气旋性环流异常且副高位置异常偏南；前晚后早型年与前早后晚型年环流形势相反。南方地区雨季进程与热带海温演变之间的关系并不显著，不同雨季进程与ENSO演变的关系较复杂。
2023, 28(2): 173-182.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.21164
摘要:
对改进湿位涡倾向方程做了理论分析和讨论，并通过一次台风过程做了验证，所得主要结论有：该方程可分解为干、湿分量倾向方程。在无摩擦和干绝热情况下，改进湿位涡的干分量具有保守性，该方程即为Ertel位涡倾向方程。在某些中小尺度天气系统中，湿物质梯度项对改进湿位涡的个别变化会有较明显影响，故该倾向方程更适用于该天气系统的诊断分析。利用改进湿位涡分解得到的干、湿位涡倾向方程，可得到显含湿物质梯度项的升级虚位涡方程、升级湿位涡方程，而这使得位涡诊断更加精细。本文对各类位涡倾向方程中凝结加热的作用做了分析，发现Ertel位涡倾向方程存在高估凝结加热的情况，使用改进湿位涡倾向方程对其进行部分凝结潜热扣除，应该有较好的诊断效果。改进湿位涡倾向方程减去经典湿位涡倾向方程后的结果能够合理反映凝结加热的作用，故用于梅雨锋暴雨和热带气旋等以凝结加热为主的天气系会有更佳的诊断效果。
对改进湿位涡倾向方程做了理论分析和讨论，并通过一次台风过程做了验证，所得主要结论有：该方程可分解为干、湿分量倾向方程。在无摩擦和干绝热情况下，改进湿位涡的干分量具有保守性，该方程即为Ertel位涡倾向方程。在某些中小尺度天气系统中，湿物质梯度项对改进湿位涡的个别变化会有较明显影响，故该倾向方程更适用于该天气系统的诊断分析。利用改进湿位涡分解得到的干、湿位涡倾向方程，可得到显含湿物质梯度项的升级虚位涡方程、升级湿位涡方程，而这使得位涡诊断更加精细。本文对各类位涡倾向方程中凝结加热的作用做了分析，发现Ertel位涡倾向方程存在高估凝结加热的情况，使用改进湿位涡倾向方程对其进行部分凝结潜热扣除，应该有较好的诊断效果。改进湿位涡倾向方程减去经典湿位涡倾向方程后的结果能够合理反映凝结加热的作用，故用于梅雨锋暴雨和热带气旋等以凝结加热为主的天气系会有更佳的诊断效果。
2023, 28(2): 183-194.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.21186
摘要:
在我国当前臭氧和颗粒物复合污染的局面下，位于西北地区的宁夏回族自治区近年来夏季臭氧区域性污染突出，浓度高值区主要分布在银川都市圈（银川市、石嘴山市和吴忠市）。因此利用区域空气质量模式系统RAMS-CMAQ对2019年夏季6月银川都市圈臭氧污染问题开展数值模拟，定量探讨区域传输及垂直输送对O3浓度的贡献，为有效控制当地臭氧污染提供科学依据。结果表明：2019年6月银川都市圈O3浓度北高、中部低，与前体物的分布特征并不完全一致，表明O3的非线性效应以及背景O3传输潜在的贡献。水平方向上，银川都市圈本地排放源对近地面O3的贡献大都在20%～30%，仅灵武达40%以上，外界传输贡献均在30%以上。其中银川本地贡献较弱，相邻区域间存在输送影响，一定程度上减弱了该地区的本地贡献。此外，在夏季整体偏南风的影响下O3有较为明显的由南向北的输送作用。垂直方向上，郊区、城市和工业代表性站点O3浓度的变化趋势基本一致，各过程量贡献有所差异。夜晚O3光化学损耗工业站最大，城市站、郊区站次之，均在近地面最强。白天城市站和工业站O3主要在边界层中上层光化学生成，连同夜间残留层中的O3向地面垂直输送、周围水平输送，同时自由大气还有少量O3向下夹卷到边界层中；郊区站在整个边界层内均有臭氧光化学生成，近地面生成最强，而输送作用相对较弱。
在我国当前臭氧和颗粒物复合污染的局面下，位于西北地区的宁夏回族自治区近年来夏季臭氧区域性污染突出，浓度高值区主要分布在银川都市圈（银川市、石嘴山市和吴忠市）。因此利用区域空气质量模式系统RAMS-CMAQ对2019年夏季6月银川都市圈臭氧污染问题开展数值模拟，定量探讨区域传输及垂直输送对O3浓度的贡献，为有效控制当地臭氧污染提供科学依据。结果表明：2019年6月银川都市圈O3浓度北高、中部低，与前体物的分布特征并不完全一致，表明O3的非线性效应以及背景O3传输潜在的贡献。水平方向上，银川都市圈本地排放源对近地面O3的贡献大都在20%～30%，仅灵武达40%以上，外界传输贡献均在30%以上。其中银川本地贡献较弱，相邻区域间存在输送影响，一定程度上减弱了该地区的本地贡献。此外，在夏季整体偏南风的影响下O3有较为明显的由南向北的输送作用。垂直方向上，郊区、城市和工业代表性站点O3浓度的变化趋势基本一致，各过程量贡献有所差异。夜晚O3光化学损耗工业站最大，城市站、郊区站次之，均在近地面最强。白天城市站和工业站O3主要在边界层中上层光化学生成，连同夜间残留层中的O3向地面垂直输送、周围水平输送，同时自由大气还有少量O3向下夹卷到边界层中；郊区站在整个边界层内均有臭氧光化学生成，近地面生成最强，而输送作用相对较弱。
2023, 28(2): 195-206.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.22011
摘要:
利用MERRA-2再分析气象变量（降雪量、降水量、地表风速、相对湿度、2 m气温、日最高气温）和加拿大火险天气指数，通过逐步回归方法构建1997～2020年间北极不同关键区内气象因子与野火碳排放量之间的关系，在此基础上解析北极地区2019～2020年野火极端事件的主导气象因子。结果显示在北极的3个关键区中，野火排放的主导因子都是火险指数之一的粗腐殖质湿度码（Duff Moisture Code, DMC）。2019～2020年北极地区850 hPa位势高度异常偏高，带来极端升高的日最高温和显著减少的降水，共同导致异常偏高的DMC值并促进了野火极端事件的爆发。这一结果表明高温和干旱等气候异常对于目前频发的北极野火有较强的促进作用。
利用MERRA-2再分析气象变量（降雪量、降水量、地表风速、相对湿度、2 m气温、日最高气温）和加拿大火险天气指数，通过逐步回归方法构建1997～2020年间北极不同关键区内气象因子与野火碳排放量之间的关系，在此基础上解析北极地区2019～2020年野火极端事件的主导气象因子。结果显示在北极的3个关键区中，野火排放的主导因子都是火险指数之一的粗腐殖质湿度码（Duff Moisture Code, DMC）。2019～2020年北极地区850 hPa位势高度异常偏高，带来极端升高的日最高温和显著减少的降水，共同导致异常偏高的DMC值并促进了野火极端事件的爆发。这一结果表明高温和干旱等气候异常对于目前频发的北极野火有较强的促进作用。
2023, 28(2): 207-215.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.22025
摘要:
针对平坦地形和山地地形，通过两次外场测量，研究了激光雷达在湍流测量的精度，并分析讨论了误差的可能来源。结果表明，在平坦地形下，激光雷达与测风塔在风速、湍流动能、湍流强度的相关系数分别为0.995、0.908、0.904，拟合结果分别为y=1.003x+0.241、y=1.192x+0.091、y=1.140x+0.006；在山地地形下，二者的相关系数分别为0.999、0.917、0.900，拟合结果分别为y=0.949x+0.119、y=1.606x+0.167、y=1.131x+0.031。在平坦地形下，激光雷达高估风速2.71%，高估湍流动能28.3%，高估湍流强度17%；在山地地形下，激光雷达低估风速3.91%，高估湍流动能77.3%，高估湍流强度17.85%。本文采用了IEC61400-50-3标准中建议的方法验证了激光光束的湍流测量，激光束对湍流测量精度较高，湍流强度的相关系数为0.93，拟合公式为y=1.003x−0.003。山地地形对于激光雷达风速、湍流均有影响，高估湍流动能和湍流强度，低估风速。
针对平坦地形和山地地形，通过两次外场测量，研究了激光雷达在湍流测量的精度，并分析讨论了误差的可能来源。结果表明，在平坦地形下，激光雷达与测风塔在风速、湍流动能、湍流强度的相关系数分别为0.995、0.908、0.904，拟合结果分别为y=1.003x+0.241、y=1.192x+0.091、y=1.140x+0.006；在山地地形下，二者的相关系数分别为0.999、0.917、0.900，拟合结果分别为y=0.949x+0.119、y=1.606x+0.167、y=1.131x+0.031。在平坦地形下，激光雷达高估风速2.71%，高估湍流动能28.3%，高估湍流强度17%；在山地地形下，激光雷达低估风速3.91%，高估湍流动能77.3%，高估湍流强度17.85%。本文采用了IEC61400-50-3标准中建议的方法验证了激光光束的湍流测量，激光束对湍流测量精度较高，湍流强度的相关系数为0.93，拟合公式为y=1.003x−0.003。山地地形对于激光雷达风速、湍流均有影响，高估湍流动能和湍流强度，低估风速。
2023, 28(2): 216-228.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.22053
摘要:
利用江苏南京长三角大气过程与环境变化国家野外科学观测研究站（SORPES）的多要素集成观测数据，分析了2018年11月27日至12月3日期间在远距离沙尘输送和本地人为排放的综合影响下，大气混合污染对该地区地表微气象要素及能量平衡特征的影响。在此基础上，利用合成分析对比了南京地区秋冬季不同污染状况下地表气象要素和能量分配的响应特征。结果表明，污染天的日间气温比清洁天下降约1℃，而夜间气温升高达2℃。污染天向下/向上短波辐射通量减少的幅度高达清洁天同比的48.8%和55.2%，而夜间向下/向上长波辐射通量增幅则达到清洁天的15%和5.1%。清洁天日间净辐射较污染天高出45.6%，日间地表感热通量较污染天高出75.5%，而地表潜热通量的差异相对较小。污染天夜间平均波文比大于清洁天，表明夜间感热交换更强烈。该研究有助于深入认识长三角城市群区不同来源、不同性质的大气污染物对地表能量平衡和局地气象要素的影响过程和机制，为城市群区空气污染与气象条件的相互作用以及空气质量预报和相应的防治对策提供科学依据。
利用江苏南京长三角大气过程与环境变化国家野外科学观测研究站（SORPES）的多要素集成观测数据，分析了2018年11月27日至12月3日期间在远距离沙尘输送和本地人为排放的综合影响下，大气混合污染对该地区地表微气象要素及能量平衡特征的影响。在此基础上，利用合成分析对比了南京地区秋冬季不同污染状况下地表气象要素和能量分配的响应特征。结果表明，污染天的日间气温比清洁天下降约1℃，而夜间气温升高达2℃。污染天向下/向上短波辐射通量减少的幅度高达清洁天同比的48.8%和55.2%，而夜间向下/向上长波辐射通量增幅则达到清洁天的15%和5.1%。清洁天日间净辐射较污染天高出45.6%，日间地表感热通量较污染天高出75.5%，而地表潜热通量的差异相对较小。污染天夜间平均波文比大于清洁天，表明夜间感热交换更强烈。该研究有助于深入认识长三角城市群区不同来源、不同性质的大气污染物对地表能量平衡和局地气象要素的影响过程和机制，为城市群区空气污染与气象条件的相互作用以及空气质量预报和相应的防治对策提供科学依据。
