第三极西风和季风主导流域源区降水呈现不同梯度特征

利用位于第三极东南部受季风主导的长江、黄河、澜沧江、怒江上游和雅鲁藏布江流域,以及位于西部受西风主导的叶尔羌河、印度河、阿姆河和锡尔河上游流域源区256个气象站的降水数据,分析了各流域降水随海拔变化的梯度关系;基于ERA5数据,通过分析水汽含量、对流有效势能和抬升凝结高度与各流域内海拔的变化关系,探讨了不同气候系统主导的流域呈现不同梯度特征的原因;通过水文模型模拟径流反向验证降水梯度校正方法在推算高海拔山区降水时的可行性.结果表明:(1)位于季风区的长江上游、黄河上游、澜沧江、怒江和雅鲁藏布江流域降水随海拔增加而降低(17～128 mm/100 m),地形效应仅在小尺度呈现;西风主导的叶尔羌河、印度河、阿姆河和锡尔河上游流域降水随海拔增加而增加(5～64 mm/100 m),地形效应明显.(2) ERA5与气象站观测降水数据在不同流域源区表现出一致的降水梯度特征.季风区流域降水随海拔增加而减少,主要由水汽含量随海拔增加而减少所致,地形效应在局地尺度依然有所反映;西风区流域降水随海拔增加而增加,主要受抬升凝结高度降低和对流有效势能增加的影响.(3)陆面水文模型反向验证结果表明,在降水地形效应明显的流域,对低海拔站点降水进行地形校正是提高通过降水变率推算高海拔区域降水可靠性、提高水文模拟精度的一个有效途径.研究结果对第三极流域高海拔山区降水数据的地形校正有参考价值;对第二次青藏高原综合科学考察中降水观测的选点有指导意义.     

全球热带海洋地区降水季节变化的TRMM卫星观测

基于2007~2012年TRMM卫星上搭载的降水雷达提供的雷达反射率因子、降水率、降水类型等产品,结合ECMWF提供的再分析数据资料,分析了全球热带海洋地区平均降水率、400 h Pa垂直速度、850 h Pa相对湿度和下对流层稳定度的时空分布特征.根据400 h Pa垂直速度的季节差异确定了4个子研究区及相应对比季节,给出了对比季节内浅对流单体、层云、对流云3种降水系统降水量、降水面积、降水强度以及垂直结构上的差异.结果表明:(1)热带海洋地区平均降水率与400 h Pa上升速度在时空分布上存在一个显著的正相关,即400 h Pa上升速度越强的地区平均降水率越大;(2)4个子研究区内层云降水对区域累积降水面积贡献率最大(年均值均超过50%),对流云降水次之(约30%),而对流云降水对区域累积降水量贡献率最大(约65%),层云降水次之(约25%);(3)400 h Pa上升速度较强时,4个子研究区中3类降水系统的累积降水面积、累积降水量都有所增加,但降水强度以及降水系统垂直结构的变化存在差异,其中对流云降水强度一致增大且其垂直结构上的发展更旺盛;(4)对流云降水系统的雨顶高度、雷达反射率重心以及30 d BZ回波顶高随着400 h Pa上升速度的增强以及850 h Pa相对湿度的增加而迅速抬升,同时随着下对流层稳定度的降低有所抬升,但变化率较小.说明影响对流降水系统垂直结构的主要气象条件是400 h Pa上升速度和850 h Pa相对湿度.     

夏季青藏高原与其东部平原的热力差异对中国降水的影响

亚洲东部存在二级热力差, 即高原-平原和大陆-海洋的热力差. 现有研究中讨论大陆-海洋热力差异变化对中国东部地区降水影响的工作很多, 而讨论高原与其东部平原热力差异对中国夏季降水影响的工作很少. 为此, 本文利用1951~2007年NCEP再分析资料和中国160站降水资料, 以500 hPa高原地区(27.5°~40°N, 80°~100°E)平均温度和平原地区(27.5°~40°N, 110°~120°E)平均温度之差近似表示高原和平原的热力差, 并将其作为东亚副热带地区高原和平原热力差指数, 探讨夏季高原-平原热力差异与东亚大气环流和中国降水的关系. 诊断分析和数值模拟结果表明：夏季高原-平原热力差异变化和中国西部90°~110°E地区夏季降水有显著相关. 高原-平原温差的高指数年表示高原-平原温差加大, 高原上空的热低压加强, 西北太平洋副热带高压位置偏南, 这往往对应着90°~110°E地区的南涝北旱, 低指数年则反之. 近57年来, 高原-大陆温差指数变化表现出显著的上升趋势和波动特点, 与此相应, 中国90°~110°E地区也经历了由北涝南旱向南涝北旱变化的过程. 这些结果为加深认识亚洲东部特殊地理环境造成的二级热力差异对中国夏季降水年代际变化的影响也具有参考意义.     

近30年青藏高原中东部大气热源变化趋势:观测与再分析资料对比

利用青藏高原(以下简称高原)中东部71个气象台站常规观测资料,2套卫星辐射资料,以及3套再分析资料,定量计算了1980～2008年高原中东部上空大气热源变化趋势.研究表明:高原感热减弱趋势仍在持续,尤其是春季感热减弱趋势最为显著.感热的这种变化主要由风速的持续减弱所决定,值得注意的是,近5年地气温差变化趋势由过去的减小转为增大.2套卫星辐射资料计算所得高原中东部大气柱净辐射通量变化趋势有明显差异.利用3套再分析资料通过倒算法计算高原中东部大气视热源变化趋势也不尽相同,其中2套基本一致,均呈减弱趋势,且其中1个的变化幅度明显偏强;而另一套为明显上升趋势,与观测相反.精确计算高原热源变化趋势仍很困难,特别是利用再分析资料估计高原热源变化趋势存在很大不确定性.     

中国大气降水中δ18O的空间分布

许多研究已经证明大气降水中δ¹⁸O的变化主要和瑞利分馏过程中水汽凝结的热动力学有 关, 而导致温度降低水汽凝结的主要地理因素是海拔和纬度. BW模型认为大气降水中的δ¹⁸O作为纬度和海拔的函数可以通过模拟获得, 这为缺乏同位素观测地区的研究提供了必要的数据. 利用BW模型, 结合我国现有的55个站点降水和冰芯中δ¹⁸O的资料, 建立了我国降水中δ¹⁸O与纬度和海拔定量关系的模型: δ¹⁸Oppt= -0.0176LAT2 + 1.1195LAT-0.0016ALT-23.7553. 在此基础上, 利用地理信息系统分析软件ArcGIS, 综合了纬度、海拔以及水汽源地和水汽循环过程等影响因素产生了较高分辨率的中国降水中δ¹⁸O的空间分布图. 从一个新的研究方法揭示了我国大气降水中d 18O的空间分布特征, 为古气候与稳定同位素水文研究提供了重要资料.     

青藏高原大气氧含量影响因素及其贡献率分析

已有工作认为,近地表空气中氧气相对含量在不同海拔上无明显变化.然而,对采集自青藏高原的数据利用主成分分析发现, 500 hPa的大气温度(500 hPa-T)、地表植被盖度及海拔对氧气相对和绝对含量都产生一定的影响.就氧气相对含量而言,植被盖度的方差解释率为33.1%, 500 hPa-T和海拔的方差解释率分别为28.5%和3.9%,总方差解释率为65.5%;通过理想气体状态方程计算得到氧气绝对含量,发现海拔对其方差解释率为45.9%,植被盖度和500h Pa-T分别为18.5%和14.5%,总方差解释率为78.9%.认识高海拔地区氧气相对和绝对含量与其对应的植被及气象要素间的关系,不仅对改善居住及生活在高海拔地区人类和家畜的健康具有重要指导作用,也对加深理解全球变化背景下高海拔地区的环境风险有重要的理论与实践意义.     

青藏高原那曲地区夏季对流云结构及雨滴谱分布日变化特征

青藏高原对于我国大气水循环、生态环境、灾害天气产生及气候变化等均具有重要作用和影响.为进一步揭示青藏高原气象和大气物理过程,我国启动了第三次青藏高原科学试验-边界层与对流层观测(2014~2017年)重大研究项目,其中云降水物理观测试验采用了包括C波段连续波雷达、Ka波段毫米波云雷达、地面雨滴谱仪、激光云高仪等目前先进的观测仪器.本文利用2014年7月1日~8月31日期间在西藏那曲的观测数据,结合FY-2E卫星的TBB资料,分析研究了青藏高原夏季(7~8月)对流云及其降水过程和雨滴谱分布特征.研究结果表明,观测试验期间青藏高原对流活动主要集中在高原东南部和中部地区,其降水过程存在准两周的周期性;由于高原的加热效应,对流云和降水过程有着显著的日变化特征,对流活动在11:00(当地时间)由局地热对流发展,经合并增长在17:00~18:00达到最强,入夜后降水过程开始偏平流性并持续至6:00,之后逐渐消散,上午对流活动较少.高原对流云平均云顶高度为11.5 km左右(海拔高度),最大云顶高可超过19 km;平均云底高度6.88 km.降水过程主要表现为短时阵性降水,持续时间基本小于1 h,平均降水强度在1.2 mm/h左右.另外,研究发现高原雨滴谱分布相对于同纬度和季节的平原地区较宽,导致高原对流易产生降水.Γ分布相对于M-P分布更适用于对高原上的雨滴谱分布进行拟合.     

台风麦莎(Matsa)的波状降水特征研究

采用地面加密观测资料、中国风云2号卫星黑体亮度温度(TBB)资料以及NCEP1° × 1°再分析资料, 分析2005年8月登陆中国的台风Matsa大范围暴雨带的结构特征, 研究台风激发的大气波动、大气三维结构及其与台风雨带的关系. 采用观测实事、诊断分析与大气波动理论, 探讨这类台风引起的远距离暴雨带的形成机理. 结果表明: (ⅰ) Matsa雨带具有显著的波状分布特征和远距离传播特征. (ⅱ) 雨带从台风中心向北绵延达2000 km, 波长约500~1000 km, 波动周期12~24 h. (ⅲ) Matsa雨带分布的波状结构与台风周围大气的三维结构特征, 包括扰动涡度散度场、垂直运动场和水汽通量散度场等相应的波动变化特征有密切关系. (ⅳ) 观测实事和理论分析结果表明, Matsa北向传播的大型雨带分布特征与大气惯性波与大气重力内波的混合波特征有关. (ⅴ) 只有在适当的大气层结与合适的重力波垂直波数条件下, 台风扰动才能激发此类远距离传播的波动, 并形成大范围的波状雨带.     

夏季青藏高原大气热源与东亚大气热源及环流的关系

利用1971~2000年NCEP/NCAR versionⅠ逐日再分析资料, 通过倒算法计算出大气热源资料集, 并采用相关分析和综合对比分析相结合的方法研究了夏季青藏高原大气热源(Q₁TP)对大范围大气热源及相应大气环流的影响, 结果表明: 夏季青藏高原大气热源(Q₁TP)可以在东亚大陆和西太平洋间激发出一支沿海岸向东北方向传播到达白令海峡-北极的热源波列, 这支波列可能会影响到北美地区. 另外, 当夏季高原东部热源偏强(弱)时, 南亚高压偏东(西)偏南(北), 西太平洋副热带高压偏西(东)偏南(北), 年际变化上南亚高压和西太平洋副热带高压在东西方向上存在“相向而行, 背向而去”的关系, 而高原东部的热源强迫似乎是其一种热力解释.     

祁连山七一冰川积雪和大气降水中的氢氧稳定同位素变化

报道祁连山七一冰川夏季降水和冰川表层积雪中氢氧稳定同位素的观测资料, 并分析其与气象要素的关系. 在事件尺度上, 七一冰川夏季降水中δ¹⁸O的变化不存在温度效应, 但显示出明显的降水量效应. 水汽输送过程追踪与降水及降水中稳定同位素对比研究显示, 这种降水量效应既反映了水汽来源的差异, 与季风活动相关, 也与云中水汽冷却程度、水滴在降落过程中的蒸发及和周围水汽的交换相关. 由于冬季降水极少, 积雪剖面主要体现夏、春、秋三季的降水状况. 夏季降水的δ¹⁸O值低, 而春、秋季降水的δ¹⁸O高. 夏季降水的大气水线为δD= 7.6 δ¹⁸O + 13.3, 与祁连山南麓德令哈的大气水线相近. 积雪的大气水线为δD = 10.4 δ¹⁸O + 41.4, 显示出异常高的斜率和截距. 积雪剖面的过量氘(d)值与δ¹⁸O存在明显的正相关, 说明从春到夏, 随着降水同位素比率的降低, d值降低, 反之, 从初秋至早春, d值增加, 从而导致大气水线的高斜率和高截距. d的变化指示春秋季水汽可能来源于附近的内陆蒸发或干燥的西风气流在经过相对温暖的水体时的快速蒸发, 而夏季水汽则由季风带来. 同时, 这也表明季风的影响范围可达祁连山西段.     

喜马拉雅山中段达索普最新粒雪芯高分辨率化学记录

分析了2006年8月钻取的16.8 m达索普粒雪芯δ¹⁸O和主要离子浓度记录的季节变化与年际变化. 分析发现, 达索普粒雪芯中δ¹⁸O和地壳源离子组分(Ca²⁺和Mg²⁺)浓度的显著季节变化为粒雪芯定年和季风、非季风层位的划分提供了依据. 该粒雪芯高分辨、多参数化学数据详细记录了1991年以来喜马拉雅山中段高海拔地区降雪化学特征, 该地降水化学主要受地壳源组分和人类污染源组分的影响, 海盐组分贡献相对较小. 研究表明达索普粒雪芯主要离子浓度的季节差异主要受盛行气团性质、区域大气环流形式及降水的季节变换所控制, 同时粒雪芯年积累量是控制离子沉积通量变化的重要因子.     

青藏高原高海拔地区C4植物的发现

通过对青藏高原地区27°42′~40°57′N, 88°93′~103°24′E, 海拔2210~5050 m范围内采集的植物进行碳同位素分析, 发现其中2种藜科和6种禾本科植物是C₄植物. 11个地点的4种C₄植物海拔超过了3800 m, 其中6个地点的3种C₄植物(白草Pennisetum centrasiaticum, 云南野古草Arundinella yunnanensis和固沙草Orinus thoroldii)分布在海拔4000 m以上, 最高可达4520 m. 分析认为在大气低CO₂分压背景下, 强光照提供的充足能量使C₄植物能忍耐更低的温度, 以及青藏高原南部降雨集中于高温季节的有利条件, 可能是C₄植物生长在高海拔地区的重要原因.     

纬向海陆热力差异的季节转换与东亚副热带季风环流

通过分析气候平均场上对流层中层温度的纬向偏差, 其演变特征表明由春入夏高原东侧我国东部大陆的迅速增温及青藏高原的春季加热, 东亚大陆和西太平洋纬向海陆热力差异的季节转换最早发生在副热带, 且强度最强; 与其相伴随的对流层低层冬季盛行偏北风转变为夏季偏南风, 对流降水也同时出现. 这可能标志着东亚副热带夏季风的建立. 因此提出亚洲大陆(含青藏高原)与西太平洋之间的纬向热力差异在太阳辐射季节背景下所形成的季节循环可能是东亚副热带季风自身独立存在的推动力.     

中国金丝猴物种瘦素基因(Leptin)分子进化研究

灵长目疣猴亚科金丝猴属(Rhinopithecus)包括4个种, 即滇金丝猴(R. bieti)、黔金丝猴(R. brelichi)、川金丝猴(R. roxellana)和越南金丝猴(R. avunculus). 除越南金丝猴外, 其他3个种都分布于中国地区6大主要山脉的高海拔地区(>2000 m), 是目前已知栖息地海拔分布最高的非人类灵长类动物. 与其他疣猴亚科相比, 中国金丝猴物种有更好的适应于高海拔地区低温缺氧环境的能力, 是研究动物对极端环境适应性进化机制的绝佳模型. 然而, 迄今为止, 从分子水平上对它们或者其他非人类灵长类的高海拔适应研究却非常缺乏. 瘦蛋白(Leptin)是一类由脂肪细胞分泌的细胞因子类激素. 它可以通过增加能量的释放、基础代谢率和非颤拌性产热来增强动物适应寒冷环境的耐受能力, 在适应高海拔低温缺氧环境中的能量平衡方面起重要作用. 本研究测定并比较了滇金丝猴、川金丝猴和低海拔物种越南金丝猴以及其他疣猴亚科物种的Leptin基因序列, 探讨了Leptin基因在非人类灵长类高海拔适应性进化中的作用. 结果显示, 在7个所研究的疣猴亚科物种中, 序列之间没有发现氨基酸替换, 表明高海拔金丝猴和其他疣猴亚科物种相比, 在Leptin基因进化模式上一致. 与以前在高原鼠兔中发现Leptin基因存在适应性进化模式的结果不同, 本研究表明Leptin基因在同样高海拔生存的中国金丝猴物种中并没有起到同样重要的作用. 因此, 在鼠兔Leptin基因中所表现出来的适应性进化模式并不普遍存在于所有高海拔动物中, 至少在中国金丝猴物种中. 研究提示, 通过研究与能量代谢相关的其他核基因可能会为进一步揭示中国金丝猴属如何适应高海拔寒冷缺氧的极端环境分子机制提供重要信息.     

索马里和澳大利亚越赤道气流的协同变化与我国夏季降水型

利用美国国家环境预报中心-国家大气研究中心(NCEP/NCAR)逐月再分析资料,结合我国国家气候中心提供的160站月平均降水资料(1970~2012年),在以前工作基础上,进一步讨论了索马里与澳大利亚北部低空越赤道气流的协同变化与我国夏季降水异常型的联系.结果表明:该二支越赤道气流的反相关协同变化(seesaw)与我国西南-东北走向的降水异常型密切相关.当索马里越赤道气流偏强(偏弱)而澳大利亚北部越赤道气流较弱(较强)时,我国夏季降水型呈西南-东北走向,即长江上游和中游、黄河流域以及华北大部分地区降水偏多(偏少).这种联系的产生同西太平洋副热带高压位置变化有关,在各月份的表现不尽相同.对应索马里越赤道气流增强和澳大利亚越赤道气流减弱,7月副高西伸,8月副高位置偏北.由于这种越赤道气流间的反相关关系从5月开始出现,在整个夏季有很好的持续性,所以它对我国夏季西南-东北走向的降水异常型具有预测意义.     

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.     

春季北极涛动对南海气候的影响

利用1979~2013年月降水量和NCEP再分析大气环流资料,分析了春季(3~5月)北极涛动对南海气候变率的可能影响.结果表明,春季南海多气候要素主导模态的时间系数与同期北极涛动指数相关系数达?0.4,超过95%的信度水平,二者反位相的特征在年际尺度上更加明显.当北极涛动指数为正异常时,西太平洋副热带高压减弱,热带西太平洋有异常气旋式环流,南海地区偏南风减弱,南海大部分地区降水增多,北部到华南地区降水减少,北极涛动指数为负异常时情况则相反.北极涛动可由两条途径影响南海地区气候,一是通过青藏高原南侧西风急流的波列,二是通过北太平洋西风急流区南北侧的偶极型环流异常.南海地区环流和气候的异常与这两条途径的相对强弱和配置有关,当高原南侧波列异常偏强同时北太平洋偶极型异常偏弱时,二者共同作用可增强西太平洋副热带高压和南海地区异常反气旋环流,导致降水的显著减少.当北极涛动指数为正异常时,北太平洋偶极型南支的气旋还可触发热带地区海气相互作用间接影响南海气候.     

长江流域汛期降水年代际和年际尺度变化影响因子的差异

长江流域汛期(6和7月)降水量的变化, 不仅具有年际变化特征, 而且具有明显的年代际变化特征. 自上世纪90年代以来, 中国长江流域汛期的降水明显增多, 表明在年代际尺度上, 长江流域汛期的降水进入了一个丰沛期. 研究表明, 近年来长江流域汛期降水具有高基本态和高变化率的特征, 它是由影响年代际变化的因子及年际变化的因子共同作用结果. 利用NCAR/NCEP资料分别对这两种时间长度的大气环流进行了分析和诊断, 发现影响年代际变化的因子和年际变化的因子是不同的. 因此要预测长江流域汛期的降水量变化, 必须将年代际变化和年际变化这两种时间尺度进行分离, 清楚地认识控制或影响各时间尺度的物理因素.     

海河流域大气降水中稳定同位素的时空变化

利用海河流域2012年7月~2013年1月7个观测站点大气降水中的δD和δ18O数据,研究了流域降水稳定同位素的时空变化特征.结果表明流域降水稳定同位素季节变化具有明显的空间差异,南部站点降水稳定同位素值季风期(7~9月)相对贫化,非季风期相对富集;而流域北部站点则相反.这种季节上的空间差异主要反映了不同水汽来源和气候要素的控制,季风期间,受海洋水汽(d8.4‰)影响,流域降水中稳定同位素值普遍较低,而非季风期间由于大陆水汽(d14.1‰)影响,其降水中同位素以高值为特征;在日和月时间尺度上,降水中稳定同位素变化在流域南部地区(除惠民站外)表现出显著的降水量效应,而在北部地区则表现为显著的温度效应.流域降水易受到云底二次蒸发的影响,特别是在季风期间,受其影响,流域大气水线的斜率和截距显著降低.     

东亚副热带西风急流偏差与中国东部雨带季节变化的模拟

通过分析NCAR-CCM3气候模式的15年模拟结果, 从东亚副热带急流和中国东部雨带季节变化关系的角度, 了解该模式对东亚地区雨带位置、强度和季节变化模拟不合理的可能原因. 对比模拟得到的和观测的夏季降水分布发现, CCM3模拟的东亚地区降水分布除了降水中心位置和雨量数值明显不合理之外, 雨带位置的季节变化也与实际不一致. 分析雨带位置与200 hPa东亚副热带急流的关系发现, CCM3模拟的急流中心位于河套以北的40°N附近地区, 与NCEP再分析资料相比, CCM3模拟的东亚副热带急流中心位置偏东, 强度偏强. 相关分析表明, CCM3模拟的强降水中心地区的降水量与200 hPa纬向风在中国的河套及其附近地区具有显著的正相关关系, 因此, CCM3模拟得到的与实际不一致的偏西偏北的强降水中心与200 hPa上的东亚副热带急流位置和强度不合理可能具有密切关系, 而东亚副热带急流位置和强度与对流层低层南北向的温度梯度以及青藏高原东南部的较大的感热通量加热有关. 因此, 在东亚地区模式性能尤其是降水的模拟性能改进方面, 除了对模式物理过程做改进的同时, 对青藏高原附近地区的地面加热场和与此相联系的东亚副热带西风急流位置和强度模拟的合理性方面也需要引起足够的重视.