年度数值气候预测系统及其系统性评估

介绍了IAP年度数值气候预测系统,并通过1980～2000年年度集合后报试验,对该预测系统进行了系统性评估.就年度预测而言,夏季气候的可预报性在热带地区较高,热带外地区则较低;500 hPa高度场的可预报性呈带状分布,自热带往中高纬减低,降水场、海平面气压场和地表气温的可预报性则是海洋上高于陆地;在中国区域,可预报性同样以500 hPa高度场最高.相关分析还表明,IAP年度气候预测系统对我国夏季气温的预测能力相对要高于降水,且订正系统可显著提高年度气候预测的技巧.此外,比较年度与跨季度后报结果,发现夏季降水跨季度后报结果要略好于年度后报,且两者的主要差别是在中高纬度地区.     

利用气候模式能够预测西北太平洋台风活动的气候背景吗?

首先利用1948~2004年观测和再分析资料分析了西北太平洋(WNP)台风频次与夏季平均纬向风垂直风切变、外逸长波辐射以及对流层高、低空散度场之间的相关关系, 表明台风发生频次与三者在台风发生源区都存在密切关系, 因而对西北太平洋台风活动异常具有显著的预测意义. 然后, 利用中国科学院大气物理研究所的9层全球大气环流格点模式(IAP9L-AGCM)进行了34 a (1970~2003年)集合回报试验, 考察了该模式对台风源区纬向风垂直切变以及对流层低层散度场的预测能力. 结果表明, 前者回报结果与实测间的时间相关系数可达0.70, 后者回报结果与实测间的空间相关系数达0.62, 这说明模式对WNP台风活动中主要相关大尺度环境场具有较大的气候预测潜力, 从而有能力在一定程度上实现西北太平洋台风活动异常的实时气候预测.     

利用PRECIS分析SRES B2情景下中国区域的气候变化响应

利用Hadley气候预测与研究中心的区域气候模式系统PRECIS单向嵌套该中心全球海-气耦合气候模式HadCM3高分辨率的大气部分HadAM3P, 分析PRECIS对中国区域当代气候的模拟能力和SRES B2情景下2071~2100时段(2080s)相对于气候基准时段(1961~1990年)中国区域的气候变化响应. 气候基准时段的模拟结果与观测资料的对比分析表明: PRECIS能够很好地模拟中国区域地面气温的局地分布特征; 总体上讲, PRECIS对中国北方地区降水的模拟效果优于南方地区, 模拟的冬季降水型态分布较好, 而夏季降水对地形比较敏感, 东南沿海地区降水的模拟值偏低. 对SRES B2情景下相对于气候基准时段的气候变化响应分析表明: 2080s中国北方地区增温幅度明显大于南方, 西北和东北地区尤为显著, 其夏季平均气温增幅可达5℃以上; 中国大部分地区降水量呈增加趋势; 冬季华南地区降水量明显减少; 夏季东北和华北地区气温增幅大而降水量减少明显, 而长江以南地区降水量显著增加.     

我国海南上空中高层大气潮汐风场的首次观测分析

海南富克(19.5°N, 109.1°E)流星雷达是我国低纬地区第一台探测中高层大气风场的雷达. 利用该雷达观测的2009年春季近3个月的风场数据(2月1日至4月20日), 第一次给出了我国低纬地区80~100 km高度范围内大气周日潮汐、半日潮汐及平均风随时间、高度的变化情况. 分析结果表明: 在春季, 我国低纬上空中层顶区存在非常强烈的大气潮汐波, 并且大气周日潮的幅度明显大于半日潮, 周日潮幅度的最大值(约100 m/s)出现在经向风场中. 周日潮和半日潮的相位在垂直方向上向下传播. 与大气潮汐波线性理论模式GSWM02比较表明, 富克周日潮与模式有较好的一致, 而半日潮汐波与模式有较大的差异.     

我国未来冬季降水会增加吗?北极夏季无海冰情景时的模拟试验

近年来,我国冬季北方的暴雪经常发生,造成了很大的经济损失,也引起了广泛的关注.尤其引发一个重要科学问题:未来全球变暖情景下,我国冬季降水是否会显著增加从而导致北方的暴雪更多的发生.本文利用CMIP3模式在IPCCA1B情景下对未来气候的预测结果,得到北极夏季(September)无海冰时的一种情景,即"FreeArctic".利用相应的海温场和CO2含量驱动一个全球大气环流模式,来对北极夏季无海冰时的东亚各季节气候做出数值模拟.试验结果表明,此时的冬季(DJF)全球表面气温有显著的不同程度的升高,升温幅度最大的区域是在北极地区和亚洲、北美洲的高纬地区.西伯利亚高压、阿留申低压均减弱,东亚冬季风减弱.但是,由于来自北方的水汽输送的加强,我国冬季从南到北降水增多.由于增暖的协同作用,我国北方未来寒潮的概率有可能减少;北方部分地区降雪有可能增加,因为降雪的温度条件是基本满足的.     

通过瑞利激光雷达观测研究武汉上空中层大气(30~60 km)的稳定性

利用WIPM瑞利激光雷达大约一年的观测数据, 对武汉上空30~60 km高度段的中层大气的稳定性进行了初步研究. 通过激光雷达探测的中层大气温度分布, 计算了表征大气稳定性的参数浮力频率N², 发现30~60 km高度段的N²均大于零值, 但呈现出有规则的近似半年振荡, 表明武汉上空中层大气在全年均处于基本稳定的状态, 但其稳定程度在一年中随季节呈现出周期变化: 夏季和冬季大气的稳定性较差, 而春季和秋季大气稳定性较好.     

DEMETER 耦合气候模式对西北太平洋台风活动及其影响因子的预测效能

利用耦合气候模式实现一步法预测是气候预测的重要发展方向之一. 该研究基于欧洲多模式短期气候集合预测计划(DEMETER)6 个耦合气候模式1974~2001 年回报试验结果, 首先探讨了耦合气候模式对夏季(6~10 月)西北太平洋台风发生密切相关的6 个主要气候因子的预测性能, 在此基础上, 利用这6 个气候因子与台风发生频次的统计关系, 研究了耦合气候模式对西北太平洋台风频次变化的预测技巧. 结果显示, DEMETER 6 个耦合气候模式可以较好地预测影响台风频次的主要气候因子及台风频次本身的变化特征. 进一步的对比研究发现, 这种统计降尺度与耦合模式相结合的预测方法明显好于耦合气候模式的直接预测效能. 此外, 多模式集合平均表现出最优的预测性能. 可见, 采用多模式集合与统计降尺度相结合的预测方法可以大大提升耦合气候模式的预测技巧, 它将成为未来台风预测的重要方向.     

区域环境集成模拟系统RIEMS2.0对中国多年降水和气温模拟能力分析

区域环境集成模拟系统RIEMS2.0(regional integrated environment modeling system version 2.0)是由中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室在RIEMS1.0基础上开发的区域气候模式. 为了检验RIEMS2.0对长期气候及其变化的模拟能力, 比较1980～2007年共28 a降水和气温观测资料和模拟结果 (连续积分时间1979年1月1日至2007年12月31日), 并对比不同积云参数化方案对模拟结果的影响, 为模式的调试和应用提供依据. 全年降水和气温模拟结果表明RIEMS2.0能模拟出多年平均气候态降水和气温分布, 但是模拟的中心雨带偏强偏北、气温偏低; 模式能揭示不同子区域降水和气温的年变化和年际变化; 模拟的夏季气温偏差小于冬季, 除了冬季江淮和江南区外模式高估了其他子区域降水; 模式对半干旱区降水和气温模拟偏差较大; 模式能很好地模拟降水和气温距平分布; 不同积云参数化方案模拟的降水和气温分布基本一致, 但强度和分布有差别. 因此, RIEMS2.0对多年平均气候态及气候变化表现出较强的模拟能力, 并具有较好的稳定性.     

2011 年3 月日本福岛核泄漏物质输运扩散路径的情景模拟和预测

2011 年3 月受日本以东地震和海啸影响, 日本福岛核电站发生核物质泄漏. 本文提出泄漏物质自然输运的3 种通道: 大气快速输运通道、海洋表层慢速输运通道和海洋内部极慢速输运通道. 基于短期气候预测模式和海洋环流数值模式, 在理想假设条件下, 对核泄漏物质的输运扩散路径进行了情景模拟和预测. 结果显示: 若泄漏源设置在近地层992hPa, 10 d 后影响范围可达北美大部地区, 但浓度比所设置的源区浓度低约6 个量级, 15 d 后可影响到欧洲, 20 d 后前锋进入中国西部地区, 30 d 后则布满整个纬带; 若泄漏源在5 km 高度, 泄漏10 d 后影响范围可覆盖欧洲, 15 d 即可布满整个纬带; 若泄漏源在10 km 高度, 10 d后即可影响中国大部分区域. 核泄漏物质通过海洋表层通道向东输运则缓慢得多, 50 d 后到达150°E 左右, 且影响范围仅在一条狭窄条带内. 大气通道影响范围巨大, 甚至可到达赤道海域上空, 但核泄漏物质的浓度很快降低. 大气环流上游如北美和欧洲的大气质量监测结果对中国具有重要的参考价值.     

RegCM3对21世纪中国区域气候变化的高分辨率模拟

使用RegCM3区域气候模式,单向嵌套日本CCSR/NIES/FRCGC的MIROC3.2_hires全球模式输出结果,对中国及东亚地区进行了1951~2100年,在IPCCSRESA1B温室气体排放情景下,水平分辨率为25km的连续气候变化模拟试验.首先分析了区域模式对当代气候的模拟能力,结果表明,模式可较好地再现中国地区地面气温和降水的空间分布及数值.对未来21世纪中期和末期气候变化的模拟表明,未来平均气温将明显升高,且随时间推移,气温升高幅度增大,升温高值区集中在高纬度和高海拔(青藏高原)地区.21世纪中期,冬季降水除青藏高原外以增加为主,夏季降水在中国西部西北地区增加、青藏高原减少;东部地区降水变化呈正负相间的分布.21世纪末期,降水变化分布除个别地方外,和21世纪中期一致,但变化幅度增大.此外,将此模拟结果与以往RegCM3在另一个全球模式驱动下的结果进行了对比,以了解中国地区气候变化预估中的不确定性.     

近千年来南北半球气候变化模拟比较

依据全球海气耦合气候模式ECHO-G近千年积分的模拟结果, 对南、北半球气温及降水变化的相似性和差异性进行了分析, 并探讨了造成南、北半球气候变化异同性的可能原因. 结果表明: (1) 南、北半球平均气温在年际、年代际、百年际尺度上变化位相基本一致; 但从气候阶段转变的时间来看, 北半球年平均温度正负距平的转变明显提前于南半球; 从距平的振幅变化来看, 北半球明显大于南半球. (2) 对降水而言, 年代际及百年际尺度上的变化南、北半球基本同相, 而在年际尺度上的变化两者反相, 且年际及年代际的正相关主要体现在中、高纬地区, 年际负相关主要体现在低纬地区. (3) 中世纪暖期南、北半球的增暖幅度相差不大, 而现代暖期北半球的增暖幅度明显大于南半球; 现代暖期北半球高纬地区气温大幅上升, 而南半球高纬地区气温有所下降, 呈现出明显的反相变化特征, 这是中世纪暖期温室气体浓度保持在较低水平时所不具有的一个气候特征. 其机理有待进一步研究.     

武汉上空中层顶附近大气环流的流星雷达观测

利用2002年2~9月流星雷达的观测, 分析了武汉上空中层顶附近大气环流的特征. 在80 ~ 100 km高度范围内, 冬季纬向环流以西风为主, 在冬季环流向夏季环流转变的过程中, 3月到5月上旬中层顶附近出现纬向东风环流, 但在观测高度内, 5月中旬以后纬向环流基本上为西风. 经向环流主要吹向赤道, 峰值随时间向下移动, 7月份峰值达21 ms^-1. 将每月的平均风与HWM93模式进行比较, 观测得到的北风的值、西风的最大值以及西风转向高度等都明显与HWM93模式不同.     

北半球高空大气参数波动对临近空间飞行热环境的影响

真实的大气参数随时间和地理位置变化,而且有随机性的大气波动叠加,处于波动状态,造成高超飞行器大气层飞行面临的真实热环境,远比标准大气模型预测结果复杂得多.在70 km以上大气参数变化尤其复杂.本文利用美国TIMED卫星在2002~2010年8年间对北半球典型纬度地区上空85 km高度大气参数在典型月份期间内的实测统计结果,开展了大气参数分布特性对飞行器热环境具有代表性的驻点热流的影响研究.研究发现大气的波动对高超飞行的热环境有着重要和复杂的影响.同纬度地区4月或7月的热流会偏大,在同一季节,高纬度地区的热流分布往往会大于低纬度地区.在极端情况下,热流会比标准大气参数模型预测的热流高40%以上.     

中国月平均气温可预报性的时空特征及其年代际变化

利用中国1960~2011年资料比较完整的518站逐日气温观测资料,采用非线性局部Lyapunov指数(NLLE)和非线性误差增长理论,定量分析了中国区域月时间尺度平均气温可预报性期限(MTPL)的时空分布和年代际变化特征.分析发现:多年平均的MTPL空间分布存在明显的地域差异,总体来看,东北大部、云南西南部和西北地区东部为可预报性高值区,长江中下游地区及黄淮流域为可预报性低值区;MTPL在各月份的空间分布存在明显的季节变化,总体上表现为冬半年可预报性较低,而夏半年较高;MTPL还具有明显的年代际变化特征,就全国而言,从1970年以来,MTPL具有上升的趋势,在2000年前后出现下降的趋势,尤其是东北地区在1986年之后可预报性显著提高.西北、黄淮、东北MTPL的年代际变化可能与气温的持续性有关.进入21世纪,除南方地区外,大部分地区的MTPL有降低趋势.上述结果为进一步认识我国月尺度气温异常的机理奠定科学基础,并为提高月尺度气温预测能力提供参考.     

全球变暖背景下中国夏季表面气温与土壤湿度的年代际共变率

利用1961～2004年中国160站地面观测气温和降水月资料, 计算了自校正Palmer干旱指数 (PDSI)作为土壤湿度的代用资料. 首先使用中国40个站点的土壤湿度数据对PDSI进行可靠性验证, 结果表明自校正PDSI可以很好地表示土壤湿度的变化. 在此基础上, 分析了夏季土壤湿度和表面气温的变化趋势及两者的共变率. 分析结果显示, 在中国许多地区, 表面气温和土壤湿度之间存在着显著的年代际气候共变率和强的反馈作用, 这一年代际气候共变率与气候变暖紧密联系. 中国西北的东部, 华北和东北的夏季气候存在显著的由冷湿向暖干发展的年代际变化. 而在中国东南地区和西北西部, 气候发生了显著的由暖干向冷湿转变的年代际现象. 在过去20~30 a, 全球陆地的大部分地区都观测到显著的变暖, 而中国东南地区和西北西部则出现向冷湿发展的年代际变化, 这可能是需要在科学上引起特别关注的气候现象. 对于观测到的气候年代际共变率, 表面气温和土壤湿度的相互反馈作用起着一定的作用. 利用Palmer干旱模型研究发现表面气温的异常对土壤湿度具有显著的影响, 从而亦影响到表面气温和土壤湿度的年代际共变率. 在伴随着人类影响的全球变暖过程中, 中国气候出现年代际干旱或洪涝的可能性也相应增加, 本研究结果为此观点提供了真实的观测证据.     

冬季极赤温差年际变化及其与东亚气候异常的联系

利用美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料,定义了冬季极赤温差(temperature difference between polar and equatorial regions,TDPE)指数,分析了地面以上2 m处极赤温差指数(ITDPE-S)的年际变化及其与同期东亚冬季降水、气温的关系.结果表明:ITDPE-S可反映出全球变暖过程中北半球高纬地区冬季地面温度显著升高,且在年际时间尺度上存在4~8 a的周期变化.ITDPE-S与东亚冬季降水和气温存在很好的相关.当ITDPE-S偏高(偏低)时,中国东北、新疆、河西走廊、日本海以及南中国海到菲律宾岛地区冬季降水增加(减少),对应着中国华北到东北地区冬季平均气温降低(升高).进一步研究发现,ITDPE-S高值年,东亚中纬度地区异常水汽主要来自西北太平洋,低纬度地区降水异常时的水汽主要来自热带海洋上空.水平温度平流引起的异常降温可部分解释东亚中纬度地区冬季平均气温异常偏低.这些结果对深刻认识大气环流异常的形成机理及其影响具有重要意义.     

中国大陆冬夏季气候型年代际转折的区域结构特征

采用Tomé和Miranda2004年提出的气候变化趋势转折判别模型, 对1961~2000年中国160个气象站及各个分区的冬、夏季年代际气候型转折时空特征进行了综合分析. 研究发现冬、夏季气温和降水年代际趋势转折发生年份相近, 且转折后趋势一致的站点呈带状分布, 具有明显的区域性特征, 据此提出中国大陆气候型年代际转折存在显著区域性结构特征的观点. 研究结果表明, 20世纪80年代初期以后, 中国区域冬季气候总体趋于“暖湿”, 80年代末期为夏季气候向“暖湿”转型的突变时期, 即中国气候出现“暖湿”型转折的年份冬季比夏季更早. 通过冬、夏季气温、降水的年代际趋势转折区域性特征分析及分区检验结果, 可发现华北地区冬季气候显著“暖干”型趋势在20世纪70年代末期出现, 东北、华南、西南地区的冬季气候在20世纪80年代末期亦转为“暖干”型, 80年代初期为其余4个分区(江淮、高原东部、西北地区东、西部)冬季气候转变为“暖湿”型趋势的转折时期. 东北、华北地区以及西北地区东部在20世纪80年代末期以后夏季气候均趋于“暖干”型, 西南和高原东部地区在70年代中期以后出现“暖湿”型趋势, 江淮地区和西北地区西部“暖湿”型趋势开始的时间则在80年代初期, 华南地区较为特殊, 其夏季气候在1984年以后出现了“冷湿”型趋势.     

中国区域土壤湿度变化的时空特征模拟研究

建立基于气象台站观测资料的陆面模式(CLM3.5)大气驱动场(ObsFC), 驱动CLM3.5 模拟了中国区域1951~2008 年的土壤湿度变化. 其结果与站点观测和遥感反演及不同陆面模式模拟的土壤湿度比较检验表明CLM3.5/ObsFC 合理再现了中国区域土壤湿度的时空特征和长期变化趋势, 并且基于观测资料建立的大气驱动场在一定程度上能够提高CLM3.5 模拟土壤湿度的准确度. 土壤湿度模拟分析显示中国区域土壤湿度空间分布具有由东南向西北逐渐减小的总体特征和干湿相间分布的带状结构. 土壤湿度的低值区主要分布在新疆南部和内蒙古西部地区, 高值区主要分布在东北平原、江淮地区和长江流域. 土壤湿度的长期变化, 干旱和湿润地区湿度呈增加趋势, 干旱区20 世纪70 年代中期至90 年代中期变化最为强烈, 湿润区除1970 前后和2003 年之后变化较明显外, 整个序列比较稳定; 半干旱地区呈减小的趋势, 且20 世纪90 年代以后下降趋势更加明显. 1951~2008 年干旱、半干旱和湿润典型区平均体积百分比土壤湿度分别变化了2.35, -1.26 和0.08. 不同区域土壤湿度变化趋势和强度有明显差异,变化最显著的区域主要分布在35°N 以北的干旱、半干旱区.     

IAP/LASG气候系统模式FGOALS_gl预测的海表面温度年代际尺度的演变

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)发展的耦合气候系统模式FGOALS_gl,进行了年代际气候回报和预测试验.首先,采用"Incremental Analysis Updates"(IAU)方案同化海洋客观分析资料的三维温度和盐度场,完成对耦合模式海洋分量的初始化.然后,用国际耦合模式比较计划的"20世纪气候模拟试验"20C3M给定的太阳常数、温室气体和硫酸盐气溶胶强迫耦合模式,进行年代际回报试验;在回报试验的基础上,再继续进行对A1B排放情景下的21世纪初20年的预测试验.把回报试验的结果与单纯的20C3M试验的结果进行比较,发现回报试验对热带中东太平洋和中纬度东北太平洋等区域海表面温度(SST)的年代际变率的模拟技巧远高于20C3M试验的结果.这表明,海洋初始化过程能够有效地提高耦合模式对年代际变率较大区域的预测技巧.预测试验表明,目前热带中东太平洋SST已经达到年代际振荡负位相的谷值,之后10～15年将逐渐增暖.同时,预测试验预测的2000～2010年全球平均表面温度的增暖速度显著落后于A1B情景试验的结果,之后则超过A1B试验.     

青藏高原极端天气气候变化及其环境效应*

 青藏高原气候变化敏感性强、幅度大,而极端天气气候变化是高原生态、环境变化的重要驱动因素。过去几十年高原气温增暖幅度明显大于全国平均值,高原绝大部分地区极端高温事件频次显著上升、极端低温事件频次显著下降,并伴随有风速和地表感热加热等气候要素的显著变化。高原极端天气气候事件以及相应的地表和大气热源变化会对高原周边区域天气气候产生重要影响。高原冬春季积雪、春季感热强度以及夏季高原低涡东移发展是东亚夏季风异常和旱涝灾害预报的重要指标,可影响到其下游地区的大气环流和中国东部的天气气候异常。为构建稳固的青藏高原生态屏障,深化对高原极端天气气候环境事件及其对周边区域气候变化影响的研究,建议国家加强高原上对流层-下平流层水汽和微量成分输送过程与机制的研究,加强高原湿地及其对周边区域气候环境变化的影响研究,以及加大投入灾害卫星监测和灾害预警系统的能力建设。