2023年 第28卷 第3期
2023, 28(3): 229-241.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.21050
摘要:
我国新一代静止气象卫星首颗卫星风云四号先进成像仪AGRI（Advanced Geosynchronous Radiation Imager）具有更多的观测波段、更高的光谱分辨率和更高的时空分辨率，能够以较小的卫星天顶角获取完整的青藏高原观测图像，但尚未开发利用青藏高原地区的风云四号卫星云产品开展相关研究。本文基于FY-4A/AGRI提供的青藏高原地区像元级云图像，研究分析夏季青藏高原地区云分布及其日变化的特征和规律。研究发现高原南部和东南部区域云出现频率远高于高原其他地区；高原地区云频具有明显的昼夜变化，最高云频发生在12:00（当地时间，下同），最低云频出现在04:00；高原南部地区云频具有日出后增长速度最快、增长幅度最大、最先达到最高值的特征；当高原云频在当地正午达到最大值时，极高云频沿主要山脉分布，具有明显的地形依赖特征；云顶最大频率高度超过12 km的区域集中在雅鲁藏布江河谷及其北侧，念青唐古拉山脉附近，以及横断山脉东界以西地区；云顶最大频率高度日变化与云频的日变化存在显著不同。本文同时就青藏高原复杂地形对云分布和日变化的强烈影响进行了讨论。
我国新一代静止气象卫星首颗卫星风云四号先进成像仪AGRI（Advanced Geosynchronous Radiation Imager）具有更多的观测波段、更高的光谱分辨率和更高的时空分辨率，能够以较小的卫星天顶角获取完整的青藏高原观测图像，但尚未开发利用青藏高原地区的风云四号卫星云产品开展相关研究。本文基于FY-4A/AGRI提供的青藏高原地区像元级云图像，研究分析夏季青藏高原地区云分布及其日变化的特征和规律。研究发现高原南部和东南部区域云出现频率远高于高原其他地区；高原地区云频具有明显的昼夜变化，最高云频发生在12:00（当地时间，下同），最低云频出现在04:00；高原南部地区云频具有日出后增长速度最快、增长幅度最大、最先达到最高值的特征；当高原云频在当地正午达到最大值时，极高云频沿主要山脉分布，具有明显的地形依赖特征；云顶最大频率高度超过12 km的区域集中在雅鲁藏布江河谷及其北侧，念青唐古拉山脉附近，以及横断山脉东界以西地区；云顶最大频率高度日变化与云频的日变化存在显著不同。本文同时就青藏高原复杂地形对云分布和日变化的强烈影响进行了讨论。
2023, 28(3): 242-250.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.21160
摘要:
基于2014～2021年Landsat 8 TIRS卫星遥感影像数据，分别采用劈窗算法（SWA）和大气校正法（ARC）反演了深圳市地表辐射温度，并利用地面站点监测数据对反演结果进行了验证，探讨了该期间深圳城市热岛效应的时空分布特征及其影响因素。研究结果表明，这两种算法反演的地表温度（TSWA、 TARC）与地面站点监测气温（TM）都存在显著线性相关（TSWA = 1.01×TM+2.65，TARC = 0.85×TM+5.51，p ＜ 0.01），但劈窗算法更接近地面站点监测数据。在2014～2021年间深圳城市热岛面积（HI＞0.01）未观察到显著增加的趋势（p=0.94）。深圳市城市热岛分布与城市发展格局关系密切，城市规划用地类型对城市热岛效应有显著影响。生态水域和生态绿地缓解了城市热岛效应，而交通道路和工业仓储等城市用地强化了城市热岛的形成，并且城市路网的分布和密度对城市热岛的形成有强显著性影响（p=0.003）。
基于2014～2021年Landsat 8 TIRS卫星遥感影像数据，分别采用劈窗算法（SWA）和大气校正法（ARC）反演了深圳市地表辐射温度，并利用地面站点监测数据对反演结果进行了验证，探讨了该期间深圳城市热岛效应的时空分布特征及其影响因素。研究结果表明，这两种算法反演的地表温度（TSWA、 TARC）与地面站点监测气温（TM）都存在显著线性相关（TSWA = 1.01×TM+2.65，TARC = 0.85×TM+5.51，p ＜ 0.01），但劈窗算法更接近地面站点监测数据。在2014～2021年间深圳城市热岛面积（HI＞0.01）未观察到显著增加的趋势（p=0.94）。深圳市城市热岛分布与城市发展格局关系密切，城市规划用地类型对城市热岛效应有显著影响。生态水域和生态绿地缓解了城市热岛效应，而交通道路和工业仓储等城市用地强化了城市热岛的形成，并且城市路网的分布和密度对城市热岛的形成有强显著性影响（p=0.003）。
2023, 28(3): 251-262.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.21078
摘要:
在联合区域气候降尺度试验CORDEX（Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment）的框架下，使用全球气候模式MPI-ESM-MR（简称MPI）的模拟结果，驱动区域气候模式RegCM4（Regional Climate Mode version 4），开展了在中等温室气体排放路径RCP4.5下的东南亚区域21世纪气候变化预估试验。试验中模式的水平分辨率为25 km×25 km，积分时间为1981～2099年。模式对东南亚区域当代（1986～2005年）气候的模拟结果表明：MPI与RegCM4对这一区域年平均气温、降水的空间分布特征均具有较好的模拟能力；相比于全球模式，高分辨率的RegCM4提供了空间分布上更为精细的气候信息，但其模拟的气温存在系统性冷偏差，对降水的模拟则普遍偏多。对未来气候变化的预估显示，MPI与RegCM4预估的未来气温均一致表现为增加，至21世纪末期（2081～2099年），预估的区域年平均气温升高幅度分别为1.8°C和1.7°C。二者对降水的预估则存在较大差异，MPI预估的年平均降水有不同程度增加，而RegCM4则出现减少现象，特别是在海洋大陆地区。两者预估的21世纪末期区域年平均降水变化分别5%（90 mm）和−6%（−147 mm）。RegCM4对极端温度指数的预估结果表明：未来东南亚地区高温热浪事件将持续增多，极端冷事件相应减少；在海洋大陆地区，降水强度和连续无雨日数出现同时增加现象，表明该地区洪涝和干旱风险未来均将增大。
在联合区域气候降尺度试验CORDEX（Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment）的框架下，使用全球气候模式MPI-ESM-MR（简称MPI）的模拟结果，驱动区域气候模式RegCM4（Regional Climate Mode version 4），开展了在中等温室气体排放路径RCP4.5下的东南亚区域21世纪气候变化预估试验。试验中模式的水平分辨率为25 km×25 km，积分时间为1981～2099年。模式对东南亚区域当代（1986～2005年）气候的模拟结果表明：MPI与RegCM4对这一区域年平均气温、降水的空间分布特征均具有较好的模拟能力；相比于全球模式，高分辨率的RegCM4提供了空间分布上更为精细的气候信息，但其模拟的气温存在系统性冷偏差，对降水的模拟则普遍偏多。对未来气候变化的预估显示，MPI与RegCM4预估的未来气温均一致表现为增加，至21世纪末期（2081～2099年），预估的区域年平均气温升高幅度分别为1.8°C和1.7°C。二者对降水的预估则存在较大差异，MPI预估的年平均降水有不同程度增加，而RegCM4则出现减少现象，特别是在海洋大陆地区。两者预估的21世纪末期区域年平均降水变化分别5%（90 mm）和−6%（−147 mm）。RegCM4对极端温度指数的预估结果表明：未来东南亚地区高温热浪事件将持续增多，极端冷事件相应减少；在海洋大陆地区，降水强度和连续无雨日数出现同时增加现象，表明该地区洪涝和干旱风险未来均将增大。
2023, 28(3): 263-274.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.21119
摘要:
利用ENVISAT卫星搭载的迈克尔逊干涉仪和Aqua卫星搭载的AIRS探测仪观测到的大气NH3浓度数据以及全球大气化学—气候模式EMAC模拟的NH3浓度结果，分析了2008～2011年6～9月亚洲地区大气NH3的空间分布特征。结果显示，夏季时近地面NH3浓度最高值出现在印度北部，同时紧邻印度北部的孟加拉湾存在深对流，凭借青藏高原的高海拔地势，此深对流可以将寿命较短的NH3输送到上对流层和下平流层（Upper Troposphere and Lower Stratosphere, UTLS），所以在青藏高原上空出现了NH3的向上输送柱，即青藏高原是NH3向上输送的主要通道。亚洲夏季风反气旋的位置主导着NH3在UTLS区域的空间分布，反气旋内持续存在NH3高浓度中心，NH3高浓度中心位置与反气旋中心位置对应良好，会出现一个或两个NH3高浓度中心，说明反气旋内环流形式的变化对反气旋内NH3分布特征有重要影响。
利用ENVISAT卫星搭载的迈克尔逊干涉仪和Aqua卫星搭载的AIRS探测仪观测到的大气NH3浓度数据以及全球大气化学—气候模式EMAC模拟的NH3浓度结果，分析了2008～2011年6～9月亚洲地区大气NH3的空间分布特征。结果显示，夏季时近地面NH3浓度最高值出现在印度北部，同时紧邻印度北部的孟加拉湾存在深对流，凭借青藏高原的高海拔地势，此深对流可以将寿命较短的NH3输送到上对流层和下平流层（Upper Troposphere and Lower Stratosphere, UTLS），所以在青藏高原上空出现了NH3的向上输送柱，即青藏高原是NH3向上输送的主要通道。亚洲夏季风反气旋的位置主导着NH3在UTLS区域的空间分布，反气旋内持续存在NH3高浓度中心，NH3高浓度中心位置与反气旋中心位置对应良好，会出现一个或两个NH3高浓度中心，说明反气旋内环流形式的变化对反气旋内NH3分布特征有重要影响。
2023, 28(3): 275-285.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.21188
摘要:
近十多年来云南地区多次发生极端的季节性连续干旱，尤其是夏季、秋季的连续干旱会加重传统冬、春季节干旱的危害，给当地经济和社会活动造成了严重的影响。本文基于 1970～2019 年云南省气象局 120 站降水数据及 NCEP 海平面气压场数据，从降水持续性异常指数出发，分析了云南夏、秋季节连续干旱事件发生的演变特征，进而探究了该区域夏秋连续干旱事件与前期 4 月海平面气压的可能联系，以期能够在极端干旱的预报中提供帮助。研究结果表明：（1）云南夏秋降水持续性异常的主要特征为全省一致的偏多或偏少；（2）云南夏秋连续干旱事件发生前期表现为3个区域海平面气压异常的组合，分别为北大西洋、北印度洋和中太平洋海平面气压异常；（3）由前期 4 月上述关键信号构建的组合信号指数，能够较好地表征云南夏季、秋季的降水连续异常，是具有意义的潜在前期预报信号。
近十多年来云南地区多次发生极端的季节性连续干旱，尤其是夏季、秋季的连续干旱会加重传统冬、春季节干旱的危害，给当地经济和社会活动造成了严重的影响。本文基于 1970～2019 年云南省气象局 120 站降水数据及 NCEP 海平面气压场数据，从降水持续性异常指数出发，分析了云南夏、秋季节连续干旱事件发生的演变特征，进而探究了该区域夏秋连续干旱事件与前期 4 月海平面气压的可能联系，以期能够在极端干旱的预报中提供帮助。研究结果表明：（1）云南夏秋降水持续性异常的主要特征为全省一致的偏多或偏少；（2）云南夏秋连续干旱事件发生前期表现为3个区域海平面气压异常的组合，分别为北大西洋、北印度洋和中太平洋海平面气压异常；（3）由前期 4 月上述关键信号构建的组合信号指数，能够较好地表征云南夏季、秋季的降水连续异常，是具有意义的潜在前期预报信号。
2023, 28(3): 286-302.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.22021
摘要:
基于最新的第六次国际耦合模式比较计划 （CMIP6）14个耦合模式的数值模拟结果，预估研究了中等强迫情景（SSP2-4.5）和高强迫情景（SSP5-8.5）两种共享社会经济路径下21世纪中后期中亚极端降水事件的时空分布特征及其与区域气候增暖之间的关系。结果显示，大多数CMIP6模式基本能够模拟出历史观测降水气候态（1979～2018年）的空间分布特征，但在中亚西南及东南部偏干，北部及中南部偏湿。与历史基准期（1981～2010年）相比，21世纪末期（2071～2100年）中亚强降水强度在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下分别增加0.54 mm/10 a和2.4 mm/10 a，而强降水发生频率则分别增加了5%～27%和6%～210%，尤其是中南部高海拔山区增加的幅度更大。预估结果的信噪比显示，天山以北的中亚东北部区域的极端降水强度及其发生频率的预估结果具有更高的可信度。气候变暖对未来中亚极端降水事件的发生频次具有明显的调控作用，在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，当气温每升高1 K时，极端强降水事件的发生频次在分别增加约7 d和9 d，而最大连续无降水日数则分别增加约3 d和6 d。
基于最新的第六次国际耦合模式比较计划 （CMIP6）14个耦合模式的数值模拟结果，预估研究了中等强迫情景（SSP2-4.5）和高强迫情景（SSP5-8.5）两种共享社会经济路径下21世纪中后期中亚极端降水事件的时空分布特征及其与区域气候增暖之间的关系。结果显示，大多数CMIP6模式基本能够模拟出历史观测降水气候态（1979～2018年）的空间分布特征，但在中亚西南及东南部偏干，北部及中南部偏湿。与历史基准期（1981～2010年）相比，21世纪末期（2071～2100年）中亚强降水强度在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下分别增加0.54 mm/10 a和2.4 mm/10 a，而强降水发生频率则分别增加了5%～27%和6%～210%，尤其是中南部高海拔山区增加的幅度更大。预估结果的信噪比显示，天山以北的中亚东北部区域的极端降水强度及其发生频率的预估结果具有更高的可信度。气候变暖对未来中亚极端降水事件的发生频次具有明显的调控作用，在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，当气温每升高1 K时，极端强降水事件的发生频次在分别增加约7 d和9 d，而最大连续无降水日数则分别增加约3 d和6 d。
2023, 28(3): 303-314.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.22005
摘要:
基于绝热气泡模式的模拟结果，研究了垂直速度、气溶胶数浓度和气溶胶的化学成分对云光学厚度的影响。模拟结果不仅能够很好地再现气溶胶第一间接辐射效应，且发现云光学厚度与垂直速度间的正相关性。当云中液态水含量不变时，垂直速度与气溶胶数浓度的增加导致云滴数浓度的增加和云滴有效半径的减小，进而使云滴总表面积增加、云的反照率增强。然而垂直速度与气溶胶数浓度的迅速增加导致云滴数浓度的增速与云滴有效半径的减速同时减缓，进而使云滴总表面积增速减缓、云的反照率增速减缓，云的光学厚度增速减缓。此外，当气溶胶数浓度粒径谱分布相同时，其化学成分分别为有机碳、硫酸铵、海盐时所对应形成云滴的有效半径依次减小、总表面积依次增加，所以云的光学厚度依次增加。该研究结果阐明了以上因素对云光学厚度的影响机理，有利于加深对气溶胶第一间接效应的理论认识。
基于绝热气泡模式的模拟结果，研究了垂直速度、气溶胶数浓度和气溶胶的化学成分对云光学厚度的影响。模拟结果不仅能够很好地再现气溶胶第一间接辐射效应，且发现云光学厚度与垂直速度间的正相关性。当云中液态水含量不变时，垂直速度与气溶胶数浓度的增加导致云滴数浓度的增加和云滴有效半径的减小，进而使云滴总表面积增加、云的反照率增强。然而垂直速度与气溶胶数浓度的迅速增加导致云滴数浓度的增速与云滴有效半径的减速同时减缓，进而使云滴总表面积增速减缓、云的反照率增速减缓，云的光学厚度增速减缓。此外，当气溶胶数浓度粒径谱分布相同时，其化学成分分别为有机碳、硫酸铵、海盐时所对应形成云滴的有效半径依次减小、总表面积依次增加，所以云的光学厚度依次增加。该研究结果阐明了以上因素对云光学厚度的影响机理，有利于加深对气溶胶第一间接效应的理论认识。
2023, 28(3): 315-326.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.22040
摘要:
近年云南春季的大气污染问题凸显，成为打赢蓝天保卫战的关键阻力。本文基于地面监测和卫星遥感数据，分析了2018～2021年春季云南空气质量变化，并研究了气象要素和境外生物质燃烧对空气质量的影响。结果显示，近4年全省春季污染物超标262 d（含6 d重污染），占全年91.3%，滇南高达96.8%；污染集中在3月中旬至4月中旬，2019年污染最重，2021年次之，但优天减少良天增加明显，2020年尽管污染物浓度最低，但发生6 d重污染；空间分布表现为滇南远高于滇中和滇北，且西双版纳最高，占总超标天数的27%，但臭氧（O3）滇西南和滇中最高，以普洱为首；超标天的首要污染物仍以PM2.5为主，但2018和2019年O3占比略高于PM2.5。总体PM2.5和O3存在显著的正协同效应，高臭氧促进PM2.5二次生成。PM2.5和O3污染发生都与西南风和少降水密切相关，叠加中高温、中低湿加剧O3污染发生，叠加中高温度和湿度易导致PM2.5超标；叠加中高温度和中等湿度,易形成O3和PM2.5协同污染；2019年污染最重的气象成因是高温少雨。云南污染与东南亚当天及1～3 d前的火点数均存在显著正相关，且PM2.5和O3分别与2 d前和1 d前的火点相关最强。总体而言，在西南季风主导的不利气象条件下，以中南半岛的缅甸为主的境外生物质燃烧是云南空气污染的重要来源，加剧污染的二次生成。因此，云南春季污染控制重点为，构建完善的跨境大气污染防控机制，在不利气象条件下加强对境外生物质燃烧的提前预警。
近年云南春季的大气污染问题凸显，成为打赢蓝天保卫战的关键阻力。本文基于地面监测和卫星遥感数据，分析了2018～2021年春季云南空气质量变化，并研究了气象要素和境外生物质燃烧对空气质量的影响。结果显示，近4年全省春季污染物超标262 d（含6 d重污染），占全年91.3%，滇南高达96.8%；污染集中在3月中旬至4月中旬，2019年污染最重，2021年次之，但优天减少良天增加明显，2020年尽管污染物浓度最低，但发生6 d重污染；空间分布表现为滇南远高于滇中和滇北，且西双版纳最高，占总超标天数的27%，但臭氧（O3）滇西南和滇中最高，以普洱为首；超标天的首要污染物仍以PM2.5为主，但2018和2019年O3占比略高于PM2.5。总体PM2.5和O3存在显著的正协同效应，高臭氧促进PM2.5二次生成。PM2.5和O3污染发生都与西南风和少降水密切相关，叠加中高温、中低湿加剧O3污染发生，叠加中高温度和湿度易导致PM2.5超标；叠加中高温度和中等湿度,易形成O3和PM2.5协同污染；2019年污染最重的气象成因是高温少雨。云南污染与东南亚当天及1～3 d前的火点数均存在显著正相关，且PM2.5和O3分别与2 d前和1 d前的火点相关最强。总体而言，在西南季风主导的不利气象条件下，以中南半岛的缅甸为主的境外生物质燃烧是云南空气污染的重要来源，加剧污染的二次生成。因此，云南春季污染控制重点为，构建完善的跨境大气污染防控机制，在不利气象条件下加强对境外生物质燃烧的提前预警。
2023, 28(3): 327-342.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.22071
摘要:
流域尺度的降水短期气候预测水平对流域的防灾减灾具有重要价值。为了进一步提高中国科学院大气物理研究所新一代大气环流模式IAP AGCM 4.1在淮河和长江流域夏季降水预测效果，利用旋转经验正交分解（Rotated Empirical Orthogonal Function, REOF）方法对两个流域夏季降水区域特征进行分析的基础上，建立了一个适用于流域的分区经验正交分解（Empirical Orthogonal Function, EOF）订正方案，并利用IAP AGCM 4.1气候预测系统在两个流域的夏季降水共30年（1981～2010年）的集合回报试验结果进行了订正试验。结果表明分区订正方法明显改进了模式对淮河流域的夏季降水预测水平，淮河流域的流域平均相关系数从0.03提高到了0.22。对长江流域的季度降水预报也有显著的改进效果，平均相关系数从−0.05提高到0.24。分区订正结果明显优于流域整体订正方案，证明了基于REOF分析确定降水具有强局地性特征的订正区域，能够很好地提高EOF订正方法的效果稳定性，这对其他流域降水预测的订正研究具有很好的借鉴意义。
流域尺度的降水短期气候预测水平对流域的防灾减灾具有重要价值。为了进一步提高中国科学院大气物理研究所新一代大气环流模式IAP AGCM 4.1在淮河和长江流域夏季降水预测效果，利用旋转经验正交分解（Rotated Empirical Orthogonal Function, REOF）方法对两个流域夏季降水区域特征进行分析的基础上，建立了一个适用于流域的分区经验正交分解（Empirical Orthogonal Function, EOF）订正方案，并利用IAP AGCM 4.1气候预测系统在两个流域的夏季降水共30年（1981～2010年）的集合回报试验结果进行了订正试验。结果表明分区订正方法明显改进了模式对淮河流域的夏季降水预测水平，淮河流域的流域平均相关系数从0.03提高到了0.22。对长江流域的季度降水预报也有显著的改进效果，平均相关系数从−0.05提高到0.24。分区订正结果明显优于流域整体订正方案，证明了基于REOF分析确定降水具有强局地性特征的订正区域，能够很好地提高EOF订正方法的效果稳定性，这对其他流域降水预测的订正研究具有很好的借鉴意义。
