近40年我国云、日照、温度及日较差的统计

近百年来的全球增暖可能与人类活动引起的大气微量成分浓度的增加有关,但目前人们对于气候系统内部的各种反馈机制尚无充分的认识。利用现有的气候记录分析不同要素变化间的关系将有助于深入了解气候变化的机制。云和辐射是形成气候的重要因素,云量增减会直接影响到达地面的日辐射,从而云与日照间存在紧密联系。Angell等人的研究表明在美国总云量和日照百分率两者年平均相关系数达—0.92,这意味这两者可互作检验对方资料是否合理的依据。本文用我国云和日照资料考查二者及其它们与温度、日较差等要素之间的关系,以及它们     

利用KAZR云雷达对SACOL站云宏观特性的研究

云是气候系统中最为重要的因子之一,对地气系统的辐射收支有显著影响.然而由于云在气候模式中的表征和反馈作用不能很好地被描述,因而也是造成气候预测存在较大不确定性的重要因子.兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL)于2013年7月引进了Ka-Band Zenith Radar(KAZR),在西北干旱区进行云的长期连续观测.本文利用云雷达观测数据,首先实现了目前ARM用于云检测的业务算法.在此基础上对2014年SACOL站上空云宏观特性进行统计,初步分析了云底、云顶和云厚的分布变化,结果表明:云底在1.5和5.5 km处出现频率最高,云顶发生频率在2.5和8.5 km处达到峰值;67%的云层厚度分布在2 km以内;月平均总云量的发生频率为44%~76%,低云、中云和高云的发生频率分别为13%,30%和34%;单层云、双层云和三层云占到云总数的98%,其中夏秋季节多层云发生频率较高;各个季节不同类型的云都具有一定的日变化特征;通过KAZR与Cloud Sat和CALIPSO卫星的观测比对,结果表明Cloud Sat对厚云的穿透性好,但无法探测到反射率因子低于?30 d BZ的弱云,CALIPSO对弱云最敏感,但信号受云滴粒子衰减较快,对于厚度较大的云探测的云底高度偏高.     

三参数冰相云微物理方案的构建及在单柱大气模式中的应用

云微物理的参数化对天气及气候的准确模拟至关重要,其中云粒子谱分布特征通过改变云演化发展和云辐射效应,必然进一步影响气候模拟.目前广泛使用的双参数云微物理方案,无法预报云粒子谱分布的谱形参数,阻碍了气候模式对云物理过程的准确描述.鉴于此,本文在单柱大气模式SCAM5.3(Single Column Atmosphere Model,Version 5.3)中增加雷达反射率因子的预报方程,构建了三参数冰相云微物理方案,实现了冰晶粒子谱分布谱形参数的预报.利用该模式,模拟了大气辐射观测计划在1997年夏季实施的为期29 d的观测个例(ARM97),分析了双、三参数方案对云量和辐射的模拟差异.结果表明:首先,三参数方案预报的冰晶粒子谱的谱形参数主要集中在0～4,峰值在2左右,至少有85%的μ都大于默认的0.其次,与双参数方案相比,三参数方案对云量的模拟更接近观测;利用辐射通量密度的观测值进行评估,发现无论是短波还是长波辐射通量密度,三参数方案的误差都比双参数方案小.最后,揭示了三参数方案对云量和辐射模拟效果的改进机理:主要是因为三参数方案减弱了冰晶到雪的自动转化过程,增强了冰晶凝华增长过程,从...     

近30年我国干湿状况变化的区域差异

以全国616个气象站点1971~2000年的气象数据为基础, 应用修正的FAO-Penman-Monteith最大可能蒸散模型, 计算近30年的最大可能蒸散和干湿指数; 分析降水量、最大可能蒸散和干湿指数的变化趋势及年代际距平变化, 研究我国近30年来干湿状况变化的区域差异. 结果表明, 各要素的变化趋势存在较大的区域差异, 年代际变化明显. 近30年来全国大部分地区年降水量呈增加趋势; 最大可能蒸散和干湿指数呈减少趋势. 说明我国大部分地区近30年来湿润程度有所增加, 在新疆北部和藏东川西滇北地区变化趋势显著. 我国地理环境复杂, 全国的平均状态掩盖了区域间的差异, 在研究气候变化及其影响时应分区域描述. 分析区域的干湿状况必须综合考虑水分的收支.     

北京及周边城市群落气溶胶影响域及其相关气候效应

用晴空、稳定天气条件下卫星遥感MODIS 反演气溶胶光学厚度资料, 结合地面观测PM10 浓度资料进行变分分析, 并利用卫星TOMS 反演气溶胶光学厚度资料和北京及周边各气象站观测日照时数、雾日数、低云量等气象要素资料进行统计分析, 探讨了北京及周边城市群落的气溶胶分布及其区域气候效应特征, 研究结果表明, 通过晴空、稳定天气条件MODIS 卫星遥感气溶胶反演指数结合地面实测场进行变分订正多样本合成分析, 亦可发现北京与南部周边“马蹄型”大地形“谷地”内类似“三角形”气溶胶高值区的分布特征图像. 上述气溶胶分布特征表明, 城市群落污染物大尺度迁移、扩散过程可构成更大空间尺度城市群落气溶胶相对持续稳定的特征分布. 北京及周边区域在区域特殊大地形影响背景下TOMS 卫星气溶胶反演指数高值区及其与晴空日照时数的区域相关分布均类似于上述 MODIS 气溶胶反演光学厚度变分场合成图像, 即大气气溶胶影响效应在北京及周边地区表现显著. 晴空日照时数与TOMS气溶胶指数两者负相关高值区域与20 世纪80~90 年代日照时数偏差负值显著区分布特征近似吻合, 且气溶胶指数与晴空日照时数的逐日变化呈互为反相关关系. 上述京津地区城市气溶胶影响高相关区偏于两城市南部周边范围; 其“重心”偏于京津城市群落南部, 主体大范围向南延伸, 构成类似偏心椭圆影响区, 即北京城市周边存在某种“半径”范围的气溶胶影响域. 此类气溶胶影响域内外, 日照时数、低云量和雾日数的年际变化趋势呈区域性显著差异. 城市群落下风方存在雾或低云量年代际增多趋势显著区, 上述现象可能与气溶胶影响域内城市群落污染扩散动力过程中区域性气流汇合流场局地气候特征相关, 此类局地动力特征可能导致城市群落下风方气溶胶影响的区域性“加剧”效应. 研究结果揭示出气溶胶影响域内低云量年代际变率显著区与城市“下游羽流区”局地风场结构的气     

全球变暖2℃情景下中国平均气候和极端气候事件变化预估

使用一个区域气候模式(RegCM3)在IPCC SRES A1B温室气体排放情景下对东亚地区进行的高分辨率数值模拟试验数据,就备受关注的相对于工业化革命前期全球变暖2℃阈值情景下中国平均气候和极端气候事件变化进行了预估研究.结果表明,届时中国年平均温度普遍上升而且幅度要高于同期全球平均值约0.6℃,增温总体上由南向北加强并在青藏高原地区有所放大,各季节变暖幅度相似但空间分布有一定差别;年平均降水相对于1986～2005年平均增加5.2%,季节降水增加4.2%～8.5%,除冬季降水在北方增加而在南方减少之外,年和其他季节平均降水主要表现为在中国西部和东南部增加而在两区域之间减少.极端暖性温度事件普遍增加,而极端冷性温度事件减少;中国区域年平均的连续5天最大降水量、降水强度、极端降水贡献率和大雨日数分别增加5.1mm,0.28mmd-1,6.6%和0.4d,而持续干期减少0.5d,其中大雨日数和持续干期变化存在较大的空间变率.     

中国冬季气候可预测性的跨季度集合数值预测研究

利用中国科学院大气物理研究所全球格点九层大气模式(IAP9L-AGCM), 从1969~1998每年秋季出发对冬季气候可预测性进行了系统性跨季度集合回报试验研究, 探讨了中国冬季季节平均气候异常的可预测性问题. 结果发现, 模式对冬季可预测能力在低纬大于高纬, 且在海洋上通常大于陆地, 后者以气温尤为明显; 对流层位势高度场的可预测区域随高度增加纬向分布变化不大, 但带状分布减弱, 日界线附近可预测程度明显降低. 分析的大气要素场中, 表面气温和位势高度场的可预测性最大, 降水的相对最小. 尤其是在LaNiña事件中, 中国乃至东亚地区冬季气候的可预测程度明显受ENSO信号的影响. 通过比较回报与实测表面气温的年际变化, 发现模式对我国东北及南方地区的冬季气温变化趋势有一定的预测能力.     

中国与北半球中高纬小雨事件的时空变化特征

基于站点逐日降水实测资料、英国气象局哈德莱中心(Hadley)的逐月高层探空气温资料和海表面温度资料、英国东英吉利大学气候研究中心(CRU)的逐月地面气温资料和NCEP/NCAR逐月再分析资料, 本文分析了1961～2010年夏半年和冬半年中国和北半球中高纬小雨事件的时空变化特征及其与大气层结稳定度、海表面温度和环流的关系. 对中国小雨事件的长期趋势分析的结果表明, 夏半年和冬半年东部小雨事件减少(3.0%/10 a), 西北地区小雨事件夏半年无明显的变化趋势, 而冬半年有增加的趋势(4.1%/10 a). 经验正交函数分解的结果表明, 夏半年和冬半年北半球中高纬小雨事件的前两模态的时间系数主要表现为长时间尺度的变化特征. 夏半年和冬半年第一模态主要表现为近50 a北美大陆、南欧和中国西北地区(夏半年除外)小雨事件有长期增加的趋势, 欧亚大陆大部分地区(包括中欧、东欧、北亚和中国东部)有长期减少的趋势. 夏半年的第二模态主要表现为1961至20世纪80年代早期北美大陆、 南欧和中国南方小雨事件增加, 而45°N以北的欧亚大陆大部分地区小雨事件减少, 20世纪80年代后期至2010年变化趋势逆转. 冬半年的第二模态主要表现为1961至20世纪80年代早期北美大陆、中国南方和华北小雨事件增加, 而40°N以北的欧亚大陆小雨事件减少, 20世纪80年代后期至2009年变化趋势逆转. 线性回归和相关分析的结果表明, 第一模态可能与全球增暖相联系的大气层结稳定度的长期变化趋势有关, 第二模态可能与AMO有关.     

RegCM4.0对一个全球模式20世纪气候变化试验的中国区域降尺度:温室气体和自然变率的贡献

近几十年来,中国区域气候经历了以变暖和东部降水呈现"南涝北旱"分布特征为主的变化.这里基于一个区域气候模式(Reg CM4.0)历史模拟和归因试验的对比,探讨了温室气体排放和自然变率分别对上述特征形成及各大水文流域气候变化成因的可能贡献.试验中Reg CM4.0的分辨率取为50 km,积分时间为1961~2005年,两个试验的驱动场分别来自于BCC_CSM1.1全球气候模式的历史试验和归因试验结果.分析结果表明,1961~2005年观测中出现的气候变暖现象,在所有流域均主要是由于人为温室气体排放引起的,在大部分流域自然变率亦有所贡献,中国区域平均的变暖中,人为温室气体排放所产生的作用达到80%.中国东部降水的"南涝北旱"分布变化,则可能主要是自然变率起了主导作用,人为温室气体排放在一定程度上减弱了这种变化的强度;中国西北地区的降水增加,可能主要源于人为温室气体排放的贡献,自然变率的作用与其相反,是导致降水减少的.同时指出,分析结果中关于气温的结论相对可靠性较高,降水的结论尚存在较大不确定性,未来需开展进一步的深入研究.     

全球陆地年降水场的长期变化(1948 ~ 2000年)

研究了1948-2000年全球陆地年降水场的长期变化,结果表明在1978年前后全球年降水量突变减少,平均每年减少0.54 mm.模糊聚类方法将36个纬圈的年平均降水量划分为6个纬带,研究了6个纬带的年降水量的长期变化.指出,除了北半球高纬度(60°-90°N)降水略微增加以外,各纬带的平均降水量都表现为减少,35°S-35°N的降水量减少最为显著.降水量减少最多的地区是热带,平均降水减少为0.98mm/a.划分了1948-2000年的全球旱涝年,指出旱涝年有明显的年代际变化.研究指出,在暖事件全球陆地平均降水量每年减少15.4 mm,而在冷事件年则增加14.4 mm.20世纪70年代末开始频繁发生的ENSO事件可能是全球年降水量减少的一个重要的原因.     

全球1.5和2℃温升时的气温和降水变化预估

基于新一代全球气候模式比较计划(CMIP5)的结果,评估了全球近地面气温和降水在不同温升时,主要包括1.5和2℃温升时的响应特征.多模式集合平均结果显示,RCP2.6,RCP4.5,RCP6.0和RCP8.5情景下,全球平均气温相对于工业化前升温1.5℃的时间出现在2036,2028,2033和2025年,升温2℃的时间在后3个情景为2049,2056和2039年,而RCP2.6情景在2100年前没有达到2℃温升(尽管有些单个的模式试验可以达到).全球平均气温到达不同温升的时间主要与不同排放路径上达到的辐射强迫和排放浓度有关.不同情景达到1.5℃(2℃)温升时的辐射强迫和CO_2当量浓度值相近,分别为2.9~3.0 W/m~2~(3.7~3.9 W/m~2)以及450.6~454.1 ppm(523.0~539.1 ppm).因此,基于不同组合的排放路径选择决定了温升阈值出现的时间,1.5℃温升目标的实现可能需要开发更低的排放路径组合.利用气候敏感度为指标对不同模式间差异的分析表明,一般而言,瞬时气候响应高(偏暖)的模式到达1.5和2℃温升的时间早,瞬时气候响应低(偏冷)的模式到达的时间晚,但其他因子也可能影响到达某个特定温升的时间.进一步对多模式集合的空间分布的研究显示,在达到同一温升值时,不同情景驱动下的全球气温和降水变化的分布基本不存在差异,说明在全球和区域尺度上,气温和降水的响应特征和高低排放情景的定义(基于2100年的辐射强迫)基本无关.由此对RCP8.5情景下每升温0.5℃的模式结果分析表明,随着排放和辐射强迫的增加,全球气温和降水基本呈现出高纬温度增幅大于低纬、陆地增温大于海洋、湿润的地方降水增多、干旱的地方降水减少等未来气候变暖的普遍特征.气温每增加0.5℃的区域响应特征基本不存在差异.这说明,在全球和区域尺度上,这些变化基本都是线性的.     

北方蒸散对气候变暖响应随降水类型转换特征

地表蒸散量是对全球气候变暖响应最显著的水分循环分量,但以往不同研究得出的气候变暖背景下各地地表蒸散量的变化趋势差异很大,有时甚至表现出相反的趋势.然而,对于地表蒸散对气候变暖响应的差异性具有怎样的规律以及是何原因造成了这种差异至今也并不完全清楚.为此,在对中国北方地区的蒸散量格点资料(FLUXNET)和全球陆面同化资料(GLDAS)进行观测试验验证的基础上,利用可靠性相对较高的蒸散量格点资料及以往研究常用的CRU和ERA-Interim气候格点资料,分析了我国北方不同降水气候空间类型时地表蒸散量对气温增加的响应特征.分析发现:地表蒸散量对气温升高的响应程度随降水气候类型不同变化比较明显,地表蒸散量的增温倾向率表现出随降水气候类型变化的显著转换特征.降水量在200~400 mm的气候区间时,正好是倾向率发生转折的气候敏感区间;在更湿润气候类型时,气候越湿润,地表蒸散量随气温升高增加的就越明显;而在更干燥气候类型时,气候越干燥,地表蒸散量反而随气温升高减少的越明显.地表蒸散量对气候变暖的这种响应特征在全球其他气候过渡比较明显的典型地区也有不同程度的表现.同时,就地表蒸散量对气候变暖的响应机制而言,主要有气温升高直接引起的潜在蒸散力增加与气温升高通过蒸散过程造成的土壤水分损失再反过来间接抑制蒸散这两个作用过程.前者在湿润地区起主导作用,导致蒸散增强;而后者在干燥地区主导作用,导致蒸散减弱.该研究结论对地表蒸散的气候变化响应特征有新认识,对改进全球水资源评估方法和干旱监测技术具有重要科学参考意义.     

全球变暖情景下南亚和东亚夏季风变化对海陆增温的不同响应

采用政府间气候变化专门委员会(IPCC)中等排放情景SRESA1B下的气候模式输出结果,本文研究了南亚和东亚夏季风对未来海陆增温的不同响应.分析表明,虽然未来青藏高原(TP)近地面增暖快于同高度的热带印度洋(TIO)和西太平洋(NWP)地区,但在对流层中高层,TP-TIO和TP-NWP地区的陆海热力差异都将减弱.在从年代际到长期变化的时间尺度,南亚夏季风环流主要与TP-TIO高层热力差异变化一致,而东亚夏季风环流则与TP-NWP地区低层热力差异变化联系更明显.而在年际时间尺度,南亚和东亚夏季风都与高层热力差异变化的相关更显著一些.进一步的分析显示,全球变暖导致的水汽增加及云量的变化可能引起高原和海洋上空出现增强的变暖,未来这些地区的温度变化在垂直结构上出现不均匀分布.由于最大的变暖中心都出现在海洋上,TP-TIO所在纬度带以及TP-NWP所在经度带的热力差异在高层出现负变化中心,高原高层的热力作用减弱.但在低层,由于高原陆地的增温,高原低层的热力作用仍然大于周围海洋.因此,在全球变暖背景下,亚洲地区热力状况的不同影响因子可能引起对流层高低层变暖分布的不一致,而不同时间尺度的变化则可能体现了人为因子和气候系统内...     

如何控制全球变暖?

把一种可控制的办法用于大气粒子中,来改变低层云的化学性质,以此来抑制或消弱全球变暖,是定量可行的吗?云体覆盖面积(或云量)微小变化的结果,类似于随着大气中CO_2浓度的增加大气对长波吸收增加的一样,可引起大气温度几摄氏度的变化,这个结果与目前计算的相一致.如今,人们认为气候变暖是由于大气中CO_2含量成倍增加而引起的.云体覆盖面积(C),液态水滴的移动路径(L),以及云体液滴相当半径(r)的相对微小变化可以导致气候的变化.据预测,当云体覆盖面积(C)增加15～20%,液态水滴移动路径(L)增加20～35%以及云体液滴相当半径(r)减小     

青藏高原外流区主要河流的径流变化

结合Mann-Kendall检验, 综合分析青藏高原外流区五条主要河流从1956~2000年的年平均径流量的变化过程, 揭示青藏高原河川径流总量总体没有增加, 但存在明显区域差异, 表现在黄河和长江(通天河)径流量呈现减少趋势, 东部雅砻江呈现增加趋势, 以及澜沧江和雅鲁藏布江的反相变化等方面. 对径流量的季节变化分析, 揭示气候变化对青藏高原河川径流的季节变化的影响比较显著, 春季(3~5月)径流量存在明显增加趋势, 特别在黄河上游1990s平均增加到18%以上. 结合北半球平均温度资料与流域内气候资料分析, 揭示青藏高原河川径流量并没有随着全球气温的增加而增加, 可能是由于流域内气温的升高导致了蒸发增加抵消了降水增加的水文效应所致.     

80年代全球气候突然变暖

由于气候变化对经济及社会有重大影响,因此受到国内外学者的广泛关注。过去100年来全球气候变暖是气候变化研究的热门话题之一。许多学者认为20世纪全球变暖,特别是80年代的全球变暖,可能是由于温室气体(如CO_2等)增加使温室效应加剧造成的。我们根据全球及中国的温度资料,对80年代气候的突然变暖进行专门的分析,这种分析将有助于对温室效应的检测。     

东亚夏季风年代际进退与中国和全球温度变化的联系

利用现代大气观测与中国东部历史旱涝记录等资料,提取中国东部区域干湿分布型变化的年代际信号并揭示了东亚夏季风年代际进退与中国和全球平均气温的可能联系.在东亚夏季风进退、中国东部干湿型分布和中国及全球平均气温变化的关系中,季风推进偏北时期对应中国东部"北湿南干"的气候分布格局,以及中国和全球年代际偏冷;反之对应中国东部"南湿北干"的气候分布格局,以及中国和全球年代际偏暖.在近千年东亚夏季风干湿型指数序列和去百年以上气候背景后的全球平均气温序列中,年代际主频振荡信号集中于60a左右.     

大气冰核浓度对冷云辐射特性的影响以及多年来冷云反照率的变化

采用时间跨度较长的PAL卫星资料,以北京地区为例,分析了冷云反照率和气溶胶浓度的相关关系.发现北京地区冷云反照率和气溶胶光学厚度之间存在比较好的正相关,并和地面能见度存在较好的反相关关系,说明冷云反照率很可能是受到冰核浓度变化的影响.另外,通过对北京地区冷云反照率从1982~1999年变化的分析,发现反照率呈现先增加后减小的趋势.整个中国地区冷云反照率的变化趋势表明,部分地区的冷云反照率出现了变化.由于冷云在全球气候系统中的重要性,这种变化最终会导致气候相应变化.     

过去2000年全球典型暖期的形成机制及其影响

通过对中国不同地区气候序列重建与暖期气候特征、气候驱动因子变化分析与典型暖期成因机制模拟诊断、暖期气候对中国社会经济的影响与人类适应、北半球温度变化及典型暖期协同特征等问题的研究,发现:(1)20世纪气候增暖在过去2000年中并非空前,但20世纪气候增暖在北半球几乎同步,而中世纪增暖在空间上则存在幅度和位相差异;这主要是因为20世纪全球增暖主要受温室气体增加驱动的"大气稳定机制"、而中世纪增暖主要受太阳短波辐射变化驱动的"海洋恒温机制"所致.(2)与2008年初中国南方"雨雪冰冻"相似的极端寒冷事件可能对温度年代际变化有早期预警意义,当前的"增暖停滞"可能是自然变率导致的气候由暖转冷的一个早期信号.(3)中国历史上的社会经济波动与气候变化之间存在"冷抑暖扬"的对应特征;但与暖期相伴的社会经济发展与人口膨胀也增加了对资源与环境的压力,使得在出现温度下降、降水减少等重大气候转折时,容易导致人地关系失衡、甚至触发社会危机.这些结果增进了对年代至百年尺度气候变化特征与机制的理解,也对我国适应未来气候变化具有参考价值.     

北极地区春季降水呈现固态向液态转变的态势

降水形态的变化可以影响地表的温度和反照率,对下垫面物质和能量平衡、陆地水文及生态系统均产生极大影响.基于美国阿拉斯加8站和加拿大11站日平均气温和固态、液态降水资料拟合的固-液态降水临界气温,辨析了1961~2010年环北极地区253个站点的降水形态时空变化特征.结果表明:60°N以北地区,降雨量占总降水量的比值(rainfall to total precipitation ratio,RPR)随纬度升高而减小.RPR气候平均态在夏季最高,秋季、春季次之,冬季最小.在不同季节,RPR变化趋势存在明显的区域差异.在春季,RPR变化趋势较为一致,在北极大部分地区(82.46%站点)呈增加趋势,且有22.37%站点通过显著性检验,表明北极大部分地区春季降水在过去50多年间呈现由固态向液态转变的趋势.使用95%置信区间上限和下限临界温度对降水形态进行划分和趋势分析,其结果与使用最优解的计算结果一致.在北极冰雪开始消融的春夏季节转换期(3~7月),阿拉斯加、中西伯利亚和北欧部分地区存在明显的固态降水向液态降水转变的趋势,这一趋势可能正在对北极地-气相互作用施加着影响.