协调大集合模拟下全球海表面温度对北极对流层早冬增暖的影响

本文使用六个不同的最新大气模式进行了协调数值集合实验,评估和量化了全球海表面温度(SST)对1982-2014年冬季早期北极变暖的影响.本研究设计了两组实验:在第一组(EXP1)中,将OISSTv2逐日变化的海冰密集度和SST数据作为下边界强迫场;在第二组(EXP2)中,将逐日变化的SST数据替换为逐日气候态.结果表明:(1)EXP1的多模式集合总体平均值显示0.4℃/10年的近地表(约850 hPa)升温趋势,为再分析数据结果中升温趋势的80％.(2)在这六个模式中,模拟的变暖趋势均很强,幅度为0.36-0.50℃/10年.(3)全球海表温度可以解释北极对流层中低层EXP1的大部分模拟的变暖趋势,占再分析数据结果的58％.(4)再分析数据结果中,北极上空的对流层上层变暖(约200 hPa)不是由强迫信号而可能是由自然气候变率引起的.本文还探索了影响北极初冬变暖的可能源区,并讨论了该研究的局限性.     

北极平流层冬季早期变暖的GCM模拟研究

观测表明北极平流层自20世纪70年代末以来在冬季早期 (11～12月) 存在变暖的趋势。为了验证该趋势是否是由于海面温度 (SST) 升高造成的, 我们使用观测的全球SST强迫一个全球大气环流模式 (AGCM)。集合模拟的结果表明, 在SST强迫下, 北极平流层呈现统计显著的变暖趋势, 极地对流层也有相对较弱的变暖趋势, 但统计显著性较低。通过对模拟的位势高度进行经验正交函数 (EOF) 分析, 我们发现北半球位势高度第一模态 (EOF1) 的空间结构非常类似于北极涛动 (AO) 或北半球环状模 (NAM), 其平流层主分量时间序列在冬季早期呈现统计显著的负趋势。与负的AO趋势相对应的是, 对流层高纬度和平流层中高纬度波动增强, 说明极区变暖是由于波动增强产生的极区绝热加热增强造成的。另外, 模拟的结果还表明北极平流层不仅在冬季早期出现变暖的趋势, 在冬季晚期 (2～3月) 北极平流层低层也出现弱的变暖趋势。SST强迫导致北极平流层冬季变暖不利于异相臭氧化学反应的发生, 这对极地平流层臭氧恢复有着重要意义。     

不同海温强迫的月动力延伸集合预报试验

利用全球谱模式T106L19和增长模繁殖法（BGM）建立了月动力延伸集合预报系统,基于气候海表面温度（SST）和预测海表面温度,设计了三组集合预报试验,一组为气候SST作为模式下边界条件的集合预报试验（CSST试验）,另一组为预测SST作为模式的下边界条件的集合预报试验（FSST试验）,第三组为前两组试验的集合预报结果之和（AVE30试验）,对两种海温强迫分别进行了48个月的试验,并对预报结果进行了检验和分析。结果表明：相对于单一的控制预报,不管是CSST试验还是FSST试验,利用BGM方法制作的初值集合预报能显著提高月平均环流的预报技巧,集合预报对PNA区域的预报技巧改进显著,特别是预测SST强迫有正的贡献;同时考虑初值和边值不确定性影响的集合预报试验（AVE30试验）,其全球预报技巧不仅高于控制预报,也分别高于FSST试验和CSST试验,这说明要提高月延伸预报技巧,必须同时考虑初值和边值的影响;大气对SST强迫的响应在模式积分10天开始显著,SST对第二旬和第三旬的作用直接影响月平均环流的预报效果,而SST对第二旬和第三旬预报的影响不仅与SST本身变化有关,还与初值有关,不同的初值其作用不同;集合预报对我国夏季月平均温度分布具有较强预报能力,采用预报海温强迫的预报结果,总体上优于气候海温强迫的结果。     

吉林地区对流层温度变化特征分析

利用吉林地区高空探测站长春、延吉、临江1960-2009年地面至100 hPa高度标准等压面(共8层)温度资料,通过线性趋势分析方法,对吉林地区地面到100 hPa高度各标准等压面温度的变化进行分析。结果表明:在全球变暖背景下,吉林地区对流层年温度在700 hPa高度以下是上升趋势,400 hPa高度以上温度趋势是下降的。各季温度趋势变化各有不同,秋季和冬季在400 hPa高度以下温度趋势是升温的;春季和夏季700 hPa高度以下温度趋势是上升的,且温度趋势上升的幅度明显小于秋、冬季。城市规模的不同,温度上升趋势也不相同,大城市长春的升温幅度高于中、小城市的升温幅度;在各标准层中长春升温达到的高度高于中、小城市。     

中国周边海域海面温度日变化对区域气候的影响

利用区域气候模式,分别以逐时海面温度(sea surface temperature, SST)数据及逐日SST数据作为模式的海表温度进行强迫,开展了1991～2010年共计20年的数值模拟,探讨SST日变化对中国区域气候变化的影响。对比结果表明,两组试验均能合理地再现中国区域气候的主要气候态特征。同时发现,两组试验模拟的气候特征在我国沿海区域以及近海洋面上存在明显差异:考虑SST日变化之后,2 m气温和感热通量差异呈现夏季(冬季)升高(降低)为主的趋势;潜热通量则与之相反;低层风场差异在夏季以海洋吹向大陆的东南风为主,冬季则以陆面吹向海洋的西北风差异为主;另外,水汽输送差异呈气旋式(反气旋式)时,降水出现正差异(负差异)。SST日变化对上述气候因子的影响在夏季更为显著。     

全球变暖背景下对流性降水变化特征及影响 因子分析

根据NCEP/NCAR逐日、逐月温度资料和相对湿度资料,及长江中下游60个气象站逐日降水资料,采用趋势分析、突变检验等方法,研究了近60年来全球和北半球地表温度变化趋势,分析了温度增加前后,夏季(6～8月)对流性降水的变化特征及其部分影响因子.结果表明:近60年来,北半球年平均及夏季平均地面温度为增暖趋势,1998年为增暖突变年份;变暖后,长江中下游地区夏季对流性降水事件的发生频率呈增多趋势且强度增强;全球增暖后,对流层中、高层水汽含量呈下降趋势,对流层低层水汽含量呈上升趋势;热含量除个别月份外,在700、850、1000 hPa均有明显增长;大气中不稳定性也显著增强.这些与对流性降水事件发生频率的增加和强度的增强有很好的对应关系,说明全球变暖导致的大气中水汽含量变化、湿空气热含量增加和不稳定性增强对对流性降水事件可能有重要影响.     

基于微波探测资料的全球大气亮温长期变化趋势研究

本文使用1978—2013年美国大气海洋局NOAA研发的STAR V3.0版本的MSU/AMSUA逐月亮温格点数据,引入集合经验模式分解(EEMD)方法,研究了高空大气亮温的非线性变化趋势,尤其注重亮温气候趋势的时间演变特征,并与传统线性回归(CLR)方法做了对比研究。结果表明,在全球对流层增温、平流层降温的大背景下,基于EEMD的亮温非线性趋势演变特征表现为:近10 a对流层中、高层全球平均增暖趋势放缓,甚至出现轻微的降温趋势;北半球对流层增暖首先出现在北极,随后向低纬度方向延伸。北极对流层增暖向上影响高层大气,最高可以扩展到平流层低层。南半球对流层中低纬度地区受北半球大气影响也出现增温。另外,近10 a南极地区出现显著的独立增温现象。平流层变冷北半球最早从中纬度地区开始发生,变冷逐渐增强的同时向极地和低纬度两侧扩张。南极上空平流层大气早期也出现显著变冷,然而随着2000年以后南极大范围增暖,平流层变冷逐渐转移到中低纬地区。     

高被引论文选编

正"北极涛动/ENSO"主题来源数据库:SCI-E和CAJD,检索时段:2014—2015年目前的北极放大效应和中纬度极端天气——Recent Arctic amplification and extreme mid-latitude weather.Nature Geoscience,2014,Vol.7,No.9.北极放大效应,是指近几十年北极的变暖趋势比全球平均变暖趋势的两倍还要多。快速的北极变暖已经导致北极海冰和春季雪覆盖的大量消融,这种消融幅度比气候模式的模     

西沙海域近百年SST上升速率估算

根据西沙海洋(环境监测)站的海面温度(SST)历史资料、1900—2016年Had ISST数据集中西沙海域1°×1°网格SST和其他气温历史资料,比较该海域不同气候基准期SST的差值,采用回归分析方法估算近100年、近56年SST的变化速率,探讨该海域SST变化与全球气候变暖的关系。结果表明:1)20世纪70年代以来西沙海域海洋站的SST基准值比Had ISST 1°×1°网格SST高0.13~0.19℃;2)1961—2016年西沙海域SST、南海区SST、华南沿岸SST与广东省年平均气温的上升速率在0.016~0.017℃/年之间;3)近100年西沙海域SST上升率为0.011℃/年,略高于同时期全球气候变暖速率(0.009℃/年)。     

Climate Change over China with a 2°C Global Warming

相对于工业化革命前期,全球年平均地表气温上升2℃的时间和相应的气候变化受到了广泛关注,特别是包括欧盟成员国在内的许多国家和国际组织已经将避免2℃全球变暖作为温室气体减排的首要目标.为此,本文作者基于16个气候模式在20世纪气候模拟试验和SRES B1、A1B和A2温室气体和气溶胶排放情景下的数值模拟试验结果,采用多模式集合方法预估研究了2℃全球变暖发生的时间、对应的大气中主要温室气体浓度以及中国气候变化情况.根据模式集合平均结果,三种排放情景下2℃全球变暖分别发生在2064年、2046年和2049年,大气二氧化碳当量浓度分别为625 ppm、645 ppm和669 ppm(1 ppm=10-6).对应着2℃全球变暖,中国气候变暖幅度明显更大.从空间分布形势上看,变暖从南向北加强,在青藏高原地区存在一个升温大值区;就整体而言,中国区域平均的年平均地表气温上升2.7～2.9℃,冬季升温幅度(3.1～3.2℃)要较其他季节更大.年平均降水量在华南大部分地区减少0～5％,而在其余地区增加0～20％,中国区域年平均降水增加3.4％～4.4％,各季节增加量在0.5％～6.6％之间.     

南极气候变化的季节特征

利用1962～1993年南极16站地面至30hPa10个标准层上月平均温度、南极臭氧总量以及2800MHz太阳通量资料,采用最大熵功率谱方法,研究了各季中月南极诸高度气候的线性趋势变化、熵谱特征及其可能原因。结果显示:南极平流层气温(臭氧总量)在各月均呈变冷(减少)趋势,10月100hPa气温(臭氧总量)10年的变率最大达-1.8℃(-14.8%).南极对流层气温(2800MHz太阳通量)在各月均呈显著增暖(增强)趋势,1月500hPa气温(太阳通量)10年的变率高达0.4℃(22.1个单位).各月太阳通量均呈显著的3年及9～10年甚低频-年代际周期变化。而对流层850～500hPa气温变化熵谱仅在7月具有相应的特征,南极对流层顶气温在各季中月均无显著的趋势变化及周期性变化。提出南极春季臭氧的显著减少及夏季太阳通量的增强是平流层显著变冷及对流层变暖的重要原因;南极夏季对流层显著增暖导致南极大陆边缘部分冰雪消融,可能是近年来全球海平面升高的重要原因之一。     

对流层增暖热带放大现象：基于FGOALS-g3的模拟研究

热带地区的湿绝热过程会放大地表的增暖幅度,在约200 hPa高度上产生增暖峰值,该现象被称为“热带对流层放大”。热带对流层放大是气候变化的显著特征之一,是检验气候模式性能的重要指标。本文基于RSS4.0卫星数据和ERA5.1再分析资料,系统分析了FGOALS-g3模式对气温变化特别是热带对流层放大的模拟能力,并通过新旧版本模式（FGOALS-g3与FGOALS-g2）的比较指出了新版本模式模拟技巧的提升;通过比较FGOALS-g3历史模拟试验与GAMIL3单独大气模式AMIP试验结果,研究了海气耦合过程对模拟结果的影响。结果表明,FGOALS-g3能够合理再现观测中的全球对流层显著增温趋势,但模拟的增温趋势偏强,这与气候系统内部变率以及两代气候系统模式所使用的历史气候外强迫差异有关。其对于观测中热带平均增温廓线以及热带对流层放大的空间分布均表现出良好的模拟性能,模拟的热带对流层放大现象的量值大小存在正偏差,与模拟的对流层低层温度变化偏强有关。FGOALS-g3较FGOALS-g2在性能上有一定提升,主要表现为增加了对于火山气溶胶强迫的响应,并在热带对流层放大的空间分布及平均气温趋势廓线...     

Changes in polar amplification in response to increasing warming in CMIP6

由于全球变暖,极地地区的气候经历了明显的变暖放大.在本项研究中,我们根据CMIP6模式的三种变暖情景(SSP1-2,6,SSP2-4.5和SSP5-8.5)下,极地放大变化对各个反馈机制(包括普朗克,温度递减率,云,水蒸气,反照率反馈,CO2强迫,海洋热吸收和大气热传输)的响应进行了分析.结果表明,通过用“辐射核”方法量化不同反馈机制对地表温度的增温贡献,北极放大(AA)强于南极放大(ANA),由温度递减率反馈主导,其次是反照率和普朗克反馈.此外,海洋的热吸收导致冬季比夏季有更强的极地变暖.在冬季,温度递减率反馈主导了AA大于ANA.AA和ANA的模式间差异随着全球变暖的增强而减小.     

Possible contribution of Arctic sea ice decline to intense warming over Siberia in June

西伯利亚地区异常的升温可能会给生态系统带来灾难性的影响.本文从气候角度分析西伯利亚地区初夏升温的特征以及北极海冰减小的可能贡献.观测和再分析资料表明,1979-2020年间西伯利亚地区6月地表气温有很强的升温趋势(0.9℃/10年),明显高于同纬度地区平均的升温趋势(0.46℃/10年).升温从地表延伸至300hPa左...     

2℃全球变暖背景下中国未来气候变化预估

相对于工业化革命前期, 全球年平均地表气温上升2℃的时间和相应的气候变化受到了广泛关注, 特别是包括欧盟成员国在内的许多国家和国际组织已经将避免2℃全球变暖作为温室气体减排的首要目标。为此, 本文作者基于16个气候模式在20世纪气候模拟试验和SRES B1、A1B和A2温室气体和气溶胶排放情景下的数值模拟试验结果, 采用多模式集合方法预估研究了2℃全球变暖发生的时间、对应的大气中主要温室气体浓度以及中国气候变化情况。根据模式集合平均结果, 三种排放情景下2℃全球变暖分别发生在2064年、2046年和2049年, 大气二氧化碳当量浓度分别为625 ppm、645 ppm和669 ppm (1 ppm=10-6)。对应着2℃全球变暖, 中国气候变暖幅度明显更大。从空间分布形势上看, 变暖从南向北加强, 在青藏高原地区存在一个升温大值区; 就整体而言, 中国区域平均的年平均地表气温上升2.7～2.9℃, 冬季升温幅度 (3.1～3.2℃) 要较其他季节更大。年平均降水量在华南大部分地区减少0～5%, 而在其余地区增加0～20%, 中国区域年平均降水增加3.4%～4.4%, 各季节增加量在0.5%～6.6%之间。     

南极对流层-平流层下部气候变化特征及其原因

利用南极16站30余年地面至30hPa10层月平均气温距平序列资料,采用最大熵功率谱方法,研究了南极对流层至平流层下部气候变化的长期趋势和周期性特征,并讨论了平流层(对流层)气候变化与南极臭氧总量(南半球500hPa环流)变化之间的联系。指出:南极气温具有明显的长期趋势和周期性变化;平流层下部显着变冷、对流层增暖,变化最大层高度在100、700hPa,最大降冷速率远大于增暖速率,气层稳定度趋于减弱;30、50hPa气温具有准两年周期,100hPa上下具有显着的年周期,对流层是以3.5年甚低频周期为主;对流层顶气温无显着趋势变化和周期性变化;南极最大臭氧层高度显着变冷与近15年来臭氧层损耗有关。南半球对流层中部极涡及绕极气流减弱是南极对流层气候变暖的直接原因。     

探空资料中的人为误差对中国温度长期变化趋势的影响

利用1958～2005年探空温度序列, 通过质量控制、均一化处理和序列缺测率分析, 探讨了探空资料中人为误差对中国高空气温变化趋势的影响。中国探空温度序列存在明显的间断点, 72%的序列包含2～4个间断点。相应的订正总体上降低了1958年以来平流层低层降温和对流层升温趋势, 如700 hPa和100 hPa平均趋势值分别降低0.12 K/10 a和0.04 K/10 a。缺测率是气温区域平均趋势估算的重要参数, 30%作为最大缺测率是中国探空温度序列适宜的取样标准。提高取样标准 (台站数减少) 使1958～2005年间对流层上层和平流层下层的降温趋势减弱。中国高空气温变化趋势与全球或北半球大体一致, 但也有不同特点: 500 hPa以下大气趋于升温, 以上则趋于降温, 最大降温趋势位于对流上部的300 hPa, 而且各气候区间区域差异性十分明显。     

Projected changes in the western North Pacific subtropical high under six global warming targets

西北太平洋副热带高压(简称西太副高)是影响东亚夏季天气气候的关键环流系统。本文利用CMIP5的历史气候模拟试验和RCP8.5路径下的未来气候变化预估试验数据,采用扰动位势高度,流函数等多种变量描述西太副高,分析了西太副高在6个全球变暖阈值(1.5℃, 2.0℃, 2.5℃,3.0℃, 3.5℃和4.0℃)下相对于当代气候的变化情况。在对流层中层(500 h Pa),西太副高在1.5℃阈值下几乎没有变化,而在2.0℃阈值下迅速减弱并东退约2.5°。当升温大于2.5℃时,西太副高呈线性减弱趋势,在4.0℃阈值下将东退约6.0°。在对流层低层(850 h Pa),西太副高在1.5℃阈值下增强西伸,但在升温到2.0℃的过程中变化不大。当变暖达到4.0℃阈值时,西太副高将西伸约2.0°。     

宁夏春季沙尘暴与北极海冰之间的遥相关关系

根据宁夏沙尘暴发生次数资料、北极海冰密集度资料和NCEP／NCAR再分析500hPa、850hPa高度场、风场资料，得出了宁夏春季沙尘暴发生次数的变化规律及其与北极海冰面积之间的年代际和年际相关关系，发现宁夏春季沙尘暴发生次数与欧亚大陆北部的喀拉海、巴伦支海和格陵兰海冰面积之间存在较显著的年代际、年际相关关系。通过合成和相关分析知，宁夏春季沙尘暴偏多、偏少状况有明显不同的环流背景场，秋季格陵兰海冰异常变化通过影响其后一段时间的大气环流背景场，从而对宁夏沙尘暴产生影响。初步得出当格陵兰海秋季海冰面积增大(减小)，次年春季蒙古至西伯利亚一带500hPa、850hPa高压场降低(升高)，风场有明显的气旋性(反气旋性)特点，在宁夏至新疆一带西风明显偏强(偏弱)，说明冷空气活动次数偏多(少)，对应宁夏春季沙尘暴发生次数偏多(少)。通过海冰将全球气候变暖和宁夏(我国北方)沙尘暴总减少趋势联系起来，初次提出在环境总体恶化情况下，我国沙尘暴发生次数总体趋于减少，很可能是全球气候变暖所致。     

冬季北半球平流层季节内振荡与对流层季节内振荡的关系

通过平流层大气ISO与对流层大气ISO的比较分析,发现在中高纬地区平流层大气ISO与对流层大气ISO有着许多相同点.北半球冬半年平流层大气环流主要低频模态也可认为是北极涛动(AO),其空间分布的主要特征为; 高纬度地区与中低纬度地区为反位相变化,北极地区附近具有最大的变化值; 其季节内振荡的正位相对应于AO增强,负位相对应于AO减弱.北半球冬半年平流层100 hPa 和70 hPa 位势高度场的低频遥相关分析表明,北极地区(概指北纬60°N以北)和北半球其他大部分地区呈负相关,北极涛动扮演了非常重要的角色.同时,北半球冬半年平流层的主要低频波列是从欧亚大陆中部到西北太平洋,并且由纬向型低频波列(欧亚大陆-西伯利亚-太平洋)和经向型低频波列(欧亚大陆-北极-太平洋)共同构成.平流层30 hPa 和对流层500 hPa 上经过带通滤波(15～90 d)位势高度场的EOF第一主分量的形势有十分类似的特征,它们对应的时间系数序列有显著的延迟相关关系.因此可以认为,北半球平流层大气ISO的变化要先于对流层大气,在滞后35 d 左右其相关系数达到最大.大气环流模式(SAMIL)的数值模拟试验结果也表明,平流层的低频扰动可以在14 d 之后便在对流层500 hPa上激发出低频响应,其谱峰在30 d 左右.这进一步表明,通过大气季节内振荡,平流层的异常可以影响到对流层.