摘要:本文利用1958～2000年ERA-40再分析每日资料和我国516台站降水资料以及EOF方法, 分析了我国东部季风区夏季降水异常主模态的年代际变化特征及其与东亚上空水汽输送通量时空变化的关系。分析结果表明了我国东部季风区夏季降水的时空变化存在两种主模态: 第1主模态不仅显示出明显的准两年周期振荡的年际变化特征且也有明显的年代际变化, 在空间上具有经向三极子型分布; 第2主模态显示出明显的年代际变化特征, 且在空间上具有经向偶极子型分布。这表明了这两主模态有明显的年代际变化, 在1958～1977年期间我国东部夏季降水异常分布为从南到北 “＋－＋” 经向三极子型分布, 而在1978～1992年期间降水异常出现了与1958～1977年相反的分布, 为从南到北 “－＋－” 经向三极子型分布。然而, 在1993～1998年期间, 由于第2主模态的作用增大, 我国东部夏季降水异常为从南到北经向三极子型与 “＋－” 偶极子型模态的结合, 这使华南夏季降水明显增加。并且, 分析结果还表明: 这两主模态的年代际变化与东亚上空夏季水汽输送通量的时空变化密切相关, 它不仅与东亚和西北太平洋上空似如东亚/太平洋型 (EAP型) 遥相关波列分布的夏季水汽输送通量异常年代际变化有关, 而且与欧亚上空中高纬度西风带似如欧亚型 (EU型) 遥相关波列的夏季水汽输送通量异常年代际变化密切相关。

摘要:使用一个太平洋海盆尺度环流模式模拟氚的分布, 并分别采用二阶中央差 (CD)、 通量修正输送法 (FCT)、 分段抛物线法 (PPM)、 多维正定平流输送法 (MPDATA) 及二阶矩法 (SOM) 计算流场对氚的平流输送, 通过结果比较考察算法间的差异。模拟试验设定为完整物理过程情形 (CASE1) 及仅含平流、 对流情形 (CASE2)。CASE1中, 不同试验模拟的高低纬间氚沿等位密度面的分布特征基本一致。但CD结果在赤道、 副热带次表层特征以下深度出现了负值, 影响了侧向通风输送的计算, 致使120°W次表层深度的氚偏多。负值也使得CD结果中125°W断面200 m以下的氚分布不合理, 而FCT、 PPM、 MPDATA及SOM则不存在负值的影响, 但在125°W上体现出垂直方向的数值耗散差异。CASE2中, 除CD试验出现严重失真外, 其他算法的结果均在合理的数值范围内。但在西边界延伸流及南极绕流区域, FCT、 PPM、 MPDATA及SOM在数值耗散及稳定性上存在差异。综合看来, PPM及SOM在数值稳定性上均优于FCT、 MPDATA, 计算解相对较光滑。相比PPM, SOM引入的数值耗散更弱, 易于模拟出合理的强梯度特征, 但SOM计算速度慢, 因此在考察海洋示踪物的长时间输送演变过程上PPM更具优势。

摘要:本文对中国160站站网上1960～2010年夏季 (6～8月) 气温距平场序列进行了站网均匀化订正, 对订正前、 后的气温距平场序列作了EOF分析。结果表明: (1) 订正后的前3个典型场高绝对值区均衡分布在三北 (东北、 华北、 西北) 地区、 青藏高原和长江中下游地区, 与夏季气温均方差场高值区位置基本一致; 订正前的前3个特征向量高绝对值区主要位于95°E以东区域, 与均方差场的高值区差异大; 故订正后气温距平场序列EOF分析的空间特征更为合理。 (2) 订正前后资料的第一时间系数存在显著相关, 但订正后前2个时间系数的线性分量、 年代际分量方差贡献明显增大; 故订正使有价值的异常信息集中于最主要的模态。 (3) 订正后资料EOF分析前2个典型场和时间系数中的线性分量可以给出中国最近51年夏季主要强增暖区、 降温区的分布; 其年代际分量与分析期间中国强年代际变化分布区域的一致性也优于订正前的EOF分析结果。上述结果证明, 站网均匀化订正明显改进了中国夏季气温异常的EOF分析结果。

摘要:在气候态上, 7月底东亚高空西风急流中心突然从40°N北跳到45°N以北。逐年统计分析显示此次急流北跳存在两类典型方式: 急流北侧西风强度增强引起的北跳 (第一类) 和急流中心西风强度的减弱引起的北跳 (第二类)。本文基于1958年到2002年的NCEP/NCAR再分析资料, 采用波活动通量诊断这两类典型北跳相应的动力过程, 进一步探讨了其北跳的物理机制。在第一类急流北跳过程中, 对流层高层远东高纬度地区形成的低压槽和中纬度南亚高压向东亚地区的伸展导致两者之间的鄂霍次克海上空位势高度经向梯度加强, 从而西风增强, 东亚高空西风急流北进; 进一步的动力诊断分析结果表明, 其中远东高纬度地区的低压槽是由源于西欧和北大西洋上空的波活动通量沿着欧亚大陆北部地区传播到远东地区形成负位势高度异常所致, 而南亚高压向东亚地区的延伸主要和热带西北太平洋强降水激发的 “太平洋—日本 (PJ) ” 波列导致东亚地区形成正位势高度异常有关。第二类急流北跳主要受到沿着亚洲副热带西风急流传播的波活动影响: 东传的波活动在东亚地区累积形成高压脊, 导致东亚地区位势高度经向梯度减弱, 东亚高空西风急流减弱北跳。

摘要:本文选取2008年西藏羊八井地区与2009年东北大兴安岭地区快、 慢天线闪电电场变化仪观测资料, 对云闪起始阶段和地闪预击穿阶段亚微秒电场变化波形特征进行了统计分析, 发现, 无论是云闪还是地闪, 初始阶段快电场变化波形均表现为一系列脉冲形式, 且以归一化幅值小于0.5、 脉冲宽度小于等于10 μs的窄脉冲为主; 同低海拔地区相比, 高原地区地闪预击穿阶段脉冲总数相对较高, 窄脉冲所占比例相对较低, 幅值可与首次回击峰值相比拟的双极性大脉冲的发生比例较低。在统计的基础上, 对产生双极性脉冲的物理机制进行了分析, 发现较大的电流传输速度和电流衰减长度, 是导致双极性大脉冲波形幅值远大于其它脉冲的主要原因。

摘要:本文研究了层云降水加热对于激发热带大气季节内振荡 (Madden-Julian oscillation, 简称MJO) 所起到的作用。将层云加热作用引入到非线性的CISK (Conditional　Instability of Second Kind)-Kelvin波方程组, 并分别利用截谱方法和四阶Runge-Kutta方法对该方程组进行了简化和数值求解, 结果发现, 单纯的层云加热同积云加热一样也可以激发出MJO。如果考虑两者共同的作用, 相比于仅考虑积云的情况, 能够在很大程度上扩大加热强度的取值范围, 从而使热带大气更容易发生MJO。层云作用的引入还使得波动多以波群传播, 波动形式更规律, 周期性也更显著。

摘要:本文利用风场标准化季节变率指数来探讨不同地转速度或自转周期下, 全球季风的水平和垂直分布特征以及其随自转周期的不同而发生的规律性变化, 同时探讨了经、 纬向风的季节反向对季风区显著分布的影响。此外, 定义一个新的表征季节变化相对大小的指数来探讨不同自转周期下, 风场季节变化相对于地球自转周期条件下的强度的相对大小。结果表明, 在水平方向上, 经典的季风区随着自转周期的变化而有所不同; 相对实际地球大气而言, 在快转条件下, 风场季节变率指数显著区在纬圈上呈带状分布, 且随自转周期增大, 其范围有逐渐减小的趋势; 而在慢转条件下, 则呈现区域片状甚至经向带状分布, 且随自转周期增大, 其范围有逐渐增大的趋势。在垂直方向上, 在快转条件下, 近地面的风场季节变率指数显著区分布比较凌乱, 而慢转条件下, 则分布比较规则, 主要集中在赤道及副热带地区上空, 且北半球分布范围更广泛。100 hPa高度以下和500 hPa高度之上, 风场季节变率指数显著区主要分布在南、 北纬30°之间, 其南北宽度和高值中心的强度随自转周期的改变存在一个规律性变化; 100 hPa高度以上, 在相对快转条件下, 风场季节变率指数显著区呈南北对称分布, 且主要分布在赤道及副热带地区上空, 高值中心强度随自转周期规律性变化, 而相对慢转条件下, 显著区范围显著减小甚至消失。此外, 在相对快转条件下, 纬向东、 西风带的季节反向是造成风场季节变率指数显著分布的直接原因, 而相对慢转条件下, 尤其是对流层中上层100 hPa高度以下, 经向风的季节反向是造成风场季节变率指数显著分布的主要原因。另外, 在相对快转条件下, 风场季节变化相对大小的高值区主要分布在热带赤道上空的整层大气, 而相对慢转条件下, 其高值区广泛分布, 且随着自转周期逐渐增大, 在100 hPa高度之上高值区逐渐向南北极缩小甚至消失。

摘要:本文在改进了大气环流模式NCAR CAM3.1中的土壤冻融过程参数化的基础上, 模拟研究了改进的冻土过程对东亚气候模拟的影响。模拟结果分析表明, 改进冻融过程参数化后, 冬季欧亚大陆上大部分地区大气对地表的加热偏强, 而夏季地表对大气的加热偏强, 尤其是青藏高原对大气的加热作用显著增强。东亚气候对冻土过程参数化方案非常敏感, 冬、 夏两季地表气温都有显著的变化。在模式中合理考虑土壤冻融过程后, 模拟的冬季西伯利亚高压增强, 东亚大槽位置偏西; 东亚夏季风增强, 副热带高压增强西伸和偏北, 造成华北和长江中下游降水偏多, 华南降水偏少。此结果对改进气候模式对东亚气候模拟能力有重要意义。

摘要:利用2008年多种台站观测和再分析资料, 通过相关分析和合成分析, 详细讨论了青藏高原夏季风季节内变化及其与印度夏季风和东亚夏季风降水之间的关系。结果表明: 2008年高原夏季风爆发偏早, 降水偏多, 季风活动有明显的季节内振荡特征、 其准双周振荡特征与东亚夏季风指数和印度全区降水振荡周期相似。高原夏季风强 (弱) 时, 印度全区及我国华北地区容易出现降水偏少 (多)。高原夏季风偏强通常对应低层印缅槽偏东偏北, 槽前水汽输送有利于高原东南部降水产生, 而印度大陆受高压脊控制, 为季风中断期。东亚低空西南风急流和中层西太平洋副热带高压位置偏东偏南, 东亚季风降水主要发生在华东地区, 南亚高压偏西偏弱; 高原季风偏弱时, 西太平洋副高西伸北抬, 低空西南风急流偏西偏北, 来自低纬的西南风水汽输送和源于西太平洋的副热带高压南侧的东南风水汽输送共同作用, 有利于华北地区的降水偏多, 同时南亚高压偏东偏强。高原夏季风的季节内变化与印度夏季风和东亚夏季风呈显著反相关关系, 其对应的大气非绝热加热的空间分布对南亚高压东西振荡有重要作用。

摘要:选取湖南典型红壤双季稻田为研究对象, 采用静态箱—气相色谱法对不施肥对照(CK)、 常规施化肥(NPK)、 新鲜稻草与化肥配施(RS+NPK1)、 菌渣与化肥配施(MR+NPK1)、 新鲜牛粪与化肥配施(CD+NPK2)和沼渣与化肥配施(BD+NPK2)等6个处理的CH4和N2O排放通量进行为期一年的观测(早稻、晚稻和休闲期), 研究排放特征与驱动因素。结果表明, 不同处理的CH4排放均表现出“早稻生长期少, 晚稻生长期多, 休闲期弱” 的特点, 而N2O排放主要发生在水稻生长期内(78 %以上), 休闲期内排放较少。NPK的CH4排放比CK增加了35%, 差异不显著 (P>0.05, P是拒绝原假设的犯错概率)。有机无机配施处理中, RS+NPK1和CD+NPK2的CH4全年累计排放量分别是MR+NPK1和BD+NPK2的2.44和2.45倍(P<0.05), 但后者的N2O全年累计排放量分别比前者提高了59%和102 %(P>0.05)。与单施化肥相比, 有机无机配施使稻田氮肥N2O－N直接排放系数降低45%～80%。相关环境因素分析表明, 水、热变化是驱动稻田CH4排放季节变化的主要因素。本研究未发现水分变化与N2O排放通量之间存在直接联系, 而且CH4和N2O在排放时间上不存在消长关系。CH4和N2O的整体温室效应表明, CH4是当地双季稻田的主要温室气体。采用腐熟后的菌渣和沼渣代替新鲜的稻草和牛粪还田可以使稻田CH4排放量降低约60%, CH4和N2O的整体温室效应降低约50%, 而稻谷产量保持不变。

摘要:采用NCEP/NCAR全球高度场和地面气压资料, 研究了北太平洋负关联中心由低层到高层的空间分布, 以及与其有较强关联的异常关联中心的特征。结果表明, 各高度场中与北太平洋关联比较显著的中心比较一致, 主要分布在三个区域: 赤道中太平洋和白令海峡的负关联中心, 以及北美大陆东南部的正关联中心。三个区域内格点对北太平洋的综合作用表现为: 北太平洋区域在各层次高度场都存在明显的负关联中心, 体现出了一定正压结构特征, 并且中心的位置随着高度的增高在经向上有东移的特征, 在纬向上的移动则并不规则。就三个异常关联中心而言, 对北太平洋区域影响最显著的区域在700 hPa、 500 hPa和200 hPa高度场都是位于赤道中太平洋的负关联中心, 在地面气压场中则是位于白令海峡的负关联中心。最先影响北太平洋区域的在地面气压和700 hPa高度场是位于北美大陆东南部的正关联中心, 在500 hPa和200 hPa高度场是位于赤道中太平洋的负关联中心, 因此, 在不同高度场, 对于北太平洋首要关注的影响区域应区别对待。

摘要:本文采用合成及相关分析的方法, 应用55年中国降水资料、 美国NOAA海表温度资料以及NCEP/NCAR再分析资料, 研究了ENSO事件对我国云南及其邻近地区春末初夏降水的影响及物理机理。研究结果表明: (1) 在El Niño (La Niña) 年, 云南大部分地区4～5月降水偏少 (多), 东部地区相关信号尤其明显; (2) 大气环流分析显示在El Niño (La Niña) 年, 对流层低层阿拉伯海及孟加拉湾为东 (西) 风异常, 孟加拉湾出现明显的反气旋 (气旋) 式环流异常, 同时西北太平洋副热带高压增强 (减弱); (3) 水汽输送分析表明, El Niño (La Niña) 年, 孟加拉湾对云南水汽输送减弱 (增强) 且该地区有显著的水汽辐散 (辐合); (4) 200 hPa高度场与云南降水指数相关分析说明云南春末初夏降水异常与印度洋—亚洲 (IA) 型遥相关的冬、 春转变有关, El Niño (La Niña) 年春末初夏大气环流不 (有) 利降水生成。以上事实表明, ENSO事件对云南春末初夏降水异常的影响与其对华南和江淮流域降水影响有明显的不同, 其中孟加拉湾气旋环流异常增强所导致的向云南地区的水汽输送的显著增加, 起着决定性的作用。

摘要:通过与ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project) 逐月辐射资料的比较, 本文从气候态和对ENSO响应的角度, 评估了国内的三个大气环流模式BCC AGCM、 IAP GAMIL和IAP SAMIL对云辐射强迫的模拟能力, 讨论了影响模拟结果不确定性的因素。分析表明, 三个模式均能较为合理地再现年平均长、 短波云辐射强迫及净云辐射强迫的空间分布型, 其与ISCCP资料年平均结果的空间相关系数, 均超过了1%水平的信度检验。定量比较表明, 除部分区域外, 模式模拟的云辐射强迫的强度与ISCCP资料相比存在显著差异, 尤以副热带大洋最为显著。三个模式模拟的云净辐射强迫在赤道外北太平洋、 热带东南和西南太平洋存在显著的偏差。分析表明, 造成上述模拟偏差的原因, 一是对流的模拟偏差, 二是云方案, 二者导致模式无法合理再现观测中的云量分布、 云垂直结构 (云高度、 云厚等) 和云光学属性, 最终导致云辐射强迫的模拟偏差。此外, 在年际变率方面, 模式基本模拟出ENSO期间云净辐射强迫 “东正西负” 的响应分布型, 但是BCC AGCM和IAP SAMIL在西太平洋的负响应偏强, 而IAP GAMIL的响应偏弱且中心位于赤道中太平洋。

摘要:利用WRF模式及模式模拟的资料, 开展了利用SVD-En3DVar (基于集合和SVD技术的三维变分同化方法) 方法同化雷达径向速度资料的试验。由于雷达观测经常出现大面积空缺, 同化时引入了一种局地化方法避免远距离虚假相关的影响。试验着重研究了不同的初始扰动样本产生方法以及不同的样本积分时间对同化结果的影响。提出了一种为预报集合提供初始扰动场的新方法, 这一方法将温度和比湿的伪随机扰动场当作观测增量, 通过3DVar (three-dimensional variational technique) 系统生成所有变量的初始扰动场。试验表明, 用这种方法给出的初始扰动样本各个变量间有较好的协调性, 积分后扰动不会快速衰减, 可以减少模式调整的时间, 达到缩短同化循环时间窗的目的。同化雷达径向风资料后对12小时内的温度, 湿度和水平风的预报都有所改进, 对降水的预报也有一定改进。

摘要:中尺度数值模拟结果特别是高影响天气的精细预报对近地层动量和热量通量极为敏感, 因此近地层湍流通量参数化方案一直是大气科学研究中一个十分重要的课题。以TOGA-COARE观测试验资料为基础, 本文将湍流通量参数化方案模块从天气研究预报 (WRF) 模式中提取出来, 与最新研发的湍流通量参数化方案 (即LGLC方案) 进行对比测试分析。结果表明, 由于算法本身的精确性且区分了热力粗糙度和动力粗糙度, LGLC得出的风应力、 感热通量、 潜热通量的模拟结果与WRF方案得出的结果相比, 普遍与真实值更接近, 特别是风应力和潜热通量的模拟结果相比WRF方案的模拟有了显著的提高。同时LGLC为非迭代方案, 相比WRF中的迭代方案能够节省可观的CPU时间。该离线测试结果为将来把LGLC方案放入模式中去进行在线测试, 奠定了基础。

摘要:本文利用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 (LASG) 发展的大气环流模式 (SAMIL), 采用Zhang-McFarlane (ZM) 和Tiedtke (TDK) 两种积云对流参数化方案, 讨论了积云对流参数化方案对热带降水年循环模态模拟的影响。结果表明, 两种积云对流参数化方案均能合理再现热带降水年循环模态的基本分布特征。SAMIL两种对流方案中热带太平洋地区的春秋非对称模态偏差较大, 印度季风以及北澳季风区季风模拟强度偏弱, 西北太平洋季风以及非洲季风、 美洲季风模态偏强。SAMIL两种参数化方案模拟的季风模态偏差主要来自于模式对北半球夏季西北太平洋降水的模拟。西北太平洋夏季, SAMIL两种参数化方案的对流层温度低层偏暖, 高层偏冷, 如此造成的对流不稳定是西北太平洋对流异常偏强, 降水偏多的原因之一, 同时模式中经向温度梯度模拟偏低, 直接影响到东亚副热带西风急流偏弱, 是急流出口区右侧的西北太平洋对流异常的动力条件。两种参数化方案的差异主要体现在ZM方案中的西北太平洋地区季风模态降水强于TDK方案, ZM方案低层比湿明显强于TDK方案与观测, 是ZM方案夏季西北太平洋季风降水强于TDK方案与观测的重要因子之一。西北太平洋地区温度和湿度场的改进是SAMIL后续发展过程中需要重点解决的问题之一。