太阳准周期变化对北半球夏季平流层加热率的影响

采用1979—2013年6—8月欧洲中期数值预报中心ERA-Interim逐月再分析资料和2004—2010年6—8月美国国家大气和海洋管理局太阳光谱辐照度资料,利用北京气候中心大气辐射模式,计算了北半球平流层夏季臭氧加热率(Ozone Heating Rate,OHR)和净加热率(Net Heating Rate,NHR),分析了太阳准11 a变化中太阳活动强年与弱年纬向平均OHR(NHR)的差异,并讨论了差异形成的原因。结果表明:太阳活动强年比弱年的紫外辐射明显要强,导致OHR、NHR整层增强,且随高度增加而增加;臭氧浓度在平流层下层较小,在平流层上层较大,该变化导致OHR、NHR有类似的变化型,且稍向高处偏移;OHR、NHR在平流层上层的变化,由紫外辐射和臭氧共同作用,其他地区均为臭氧起主要作用。     

青藏高原春季不同地区臭氧和大气温度变化趋势的差异性

利用1979—2018年太阳后向散射紫外辐射计SBUV(/2)星下点臭氧遥感资料,结合ERA-Interim和MERRA-2大气温度再分析资料,考察青藏高原区域内拉萨和共和两地春季臭氧和大气温度变化趋势的差异性。结果表明拉萨和共和两个地区的臭氧和大气温度逆转趋势均发生于1999年。对比2008年以来青藏高原整体臭氧总量变化速率（4.5 DU/(10 a)),拉萨臭氧总量变化更快,为5.9 DU/(10 a),共和相对较慢,仅为3.7 DU/(10 a);同时,1999年以来拉萨和共和春季下平流层（100~30 hPa）大气温度分别以0.5~1.4℃/(10 a)和0.01~0.9℃/(10 a)速率增加,上对流层(250~175 hPa)大气温度分别以0.2~1.5℃/(10 a)和0.2~1.2℃/(10 a)速率降低。与2008年以来高原整体大气温度变化相比较,均慢于高原下平流层（125~70 hPa) 1~2℃/(10 a)的增温速率,快于高原上对流层（225~175 hPa）0.4~1.1℃/(10 a)的降温速率。两地臭氧与大气温度的相关系数和回归系数计算结果表明,拉萨和共和两个地区1999年以来春季臭氧恢复速率的不同是导致两地同期下平流层-上对流层温度逆转速率差异的重要因子之一。     

梅雨异常年份东半球中低纬能量诊断

本文利用1980—1983年间ECMWF的逐日格点资料,计算了梅雨异常的旱(1981)、涝(1983)年间东半球中、低纬的大气能量并进行了分析和诊断,指出:能量随时间的变化具有中期振荡的特征,尤其是总能量在对流层中的振荡具有整层同位相的特点;在旱涝年间,无论是梅雨的前期还是同期,反映在能量的大小和变化特征上都有明显的不同;并且,梅雨前期的能量大小及其变化的差别可为梅雨旱涝的中长期预报提供一些信息。      

太阳活动11年周期变化对南海夏季风爆发的可能影响

利用1948—2017年再分析资料以及反映太阳周期活动的太阳黑子数资料,研究了太阳活动11年周期变化对南海夏季风爆发早晚的可能影响及相关的物理过程,发现太阳黑子数与南海夏季风建立日期之间存在显著的正相关关系,即太阳活动偏强（弱）年南海夏季风爆发偏晚（早）。对相关大气环流特征进行合成分析表明,太阳活动峰值（谷值）年,5月菲律宾附近上空往往出现异常反气旋（气旋）,西太平洋副热带高压偏强、西伸（偏弱、东撤）。一方面,这与赤道以南海洋性大陆的对流活动异常以及与之相联系的局地经向环流密切相关,另一方面,热带印度洋-西太平洋沿赤道的纬向Walker环流异常对此也有一定贡献。进一步的研究揭示出太阳活动影响南海夏季风爆发的信号最初很可能来源于平流层温度的响应,随着太阳辐射增强,春季前期整个南半球对流层下层-平流层上层一致偏暖,温度梯度的变化削弱了对流层的平均经圈环流,导致大气质量的重新分布,引起低层出现负的南极涛动（AAO）型分布,在南半球中纬度地区形成气旋性环流异常,造成索马里越赤道气流建立偏晚,进而有利于南海夏季风爆发的推迟。      

亚洲冬季风对强外辐射强迫变化的响应

本文采用NCAR气候系统模式CSM1.4研究了冬季风对强外辐射强迫变化的响应,其中外辐射强迫直接由太阳常数的变化而引入。结果表明：随太阳常数的增加,局地的增温幅度变化很大,中高纬地区比低纬地区增暖幅度强,这在太阳常数增加较大的试验中表现更为明显;随太阳常数增大越大,大气温度升高越高,对流层有强烈增温,对流层高层尤为显著,平流层中上层有降温现象;随太阳常数增大,亚洲冬季风系统的响应越强,系统强度增强明显,但形式不同,500hPa随纬度增高增强幅度变大,100hPa随纬度增高增强幅度变小。     

近6a东北地区大气臭氧总量变化特征及其与气温的关系

利用TOMS大气臭氧总量格点资料分析了东北地区近6a(1996年8月—2002年7月)臭氧的分布特征、季节变化、变化趋势及其对气温变化的影响,并与1979—1992年的变化情况作了对比分析。结果表明:东北地区处于北半球大气臭氧高值中心的边缘,臭氧总量呈随纬度增加的分布形式,近6a区域年均值为361Du;冬春季总量较大、夏秋季较小,其中8月最小,3月最大;1979—1992年臭氧存在明显的下降趋势(冬季最为显著),下降趋势高纬大于低纬,近6a整个区域没有系统性下降趋势;1979—1992年对流层中下部显著变暖、对流层上层和平流层低层显著变冷,且变暖率与变冷率均随纬度增高而加大,而近6a气温变幅很小,这与臭氧变化趋势基本对应,表明臭氧的辐射加热是影响平流层低层、对流层高层温度场的重要因素,同时它对对流层低层气温的影响值得进一步关注。     

江淮梅雨长期变化对太阳活动因子的响应分析

利用美国国家海洋大气局(NOAA)地球物理数据中心(NGDC)1954-2005年太阳黑子数资料,把太阳活动作为地球气候的外强迫因子,采用小波分析和交叉小波分析方法,研究了太阳黑子数与江淮梅雨特征量及西太平洋副热带高压指数的关系。结果表明:太阳活动与江淮梅雨的相关性存在南北差异,北部呈现正相关而南部呈现负相关,且正负相关性在时间序列上保持不变;江淮南部梅雨量与太阳黑子数有稳定的11年共振周期及0.5~1年的相位滞后;西太平洋副热带高压指数与太阳黑子数也有较好的相关关系,说明太阳活动影响地球气候可能存在太阳活动—西太平洋副热带高压—江淮梅雨这样一条过程链。     

亚洲冬季风对强外辐射强迫变化的响应

本文采用NCAR气候系统模式CSM 1.4研究了冬季风对强外辐射强迫变化的响应,其中外辐射强迫直接由太阳常数的变化而引入。结果表明:随太阳常数的增加,局地的增温幅度变化很大,中高纬地区比低纬地区增暖幅度强,这在太阳常数增加较大的试验中表现更为明显;随太阳常数增大越大,大气温度升高越高,对流层有强烈增温,对流层高层尤为显著,平流层中上层有降温现象;随太阳常数增大,亚洲冬季风系统的响应越强,系统强度增强明显,但形式不同,500 hPa随纬度增高增强幅度变大,100 hPa随纬度增高增强幅度变小。      

近6 a东北地区大气臭氧总量变化特征及其与气温的关系

利用TOMS大气臭氧总量格点资料分析了东北地区近6a(1996年8月-2002年7月)臭氧的分布特征、季节变化、变化趋势及其对气温变化的影响，并与1979—1992年的变化情况作了对比分析。结果表明：东北地区处于北半球大气臭氧高值中心的边缘，臭氧总量呈随纬度增加的分布形式，近6a区域年均值为361Du；冬春季总量较大、夏秋季较小，其中8月最小，3月最大；1979—1992年臭氧存在明显的下降趋势(冬季最为显著)，下降趋势高纬大于低纬，近6a整个区域没有系统性下降趋势；1979—1992年对流层中下部显著变暖、对流层上层和平流层低层显著变冷，且变暖率与变冷率均随纬度增高而加大，而近6a气温变幅很小，这与臭氧变化趋势基本对应，表明臭氧的辐射加热是影响平流层低层、对流层高层温度场的重要因素，同时它对对流层低层气温的影响值得进一步关注。     

全球气温趋势和近期中国气候灾害的成因分析和展望

全球气温演变趋势和近期中国气候灾害有一定的联系;分析表明:1998年以来全球气温基本稳定仅有小幅波动,并未呈现如IPCC(2007)所预言的那样快速升温,而2005年以来太阳活动的异常状况可能标志它今后的长期减弱趋势;因此本文首先归纳太阳活动影响气候研究的最新进展,发现其对气候的影响绝非限于大气顶上太阳总幅照(TSI)的微小变化,而会通过平流层臭氧对更大变幅的紫外辐射的的吸收,加热作用触发平流层-对流层的大气环流变化,结合热带-副热带海洋混合层对太阳输入能量的积累,TSI 0.1%的变化会在地球气候系统中产生放大效应,这突出表现在东太平洋热带-副热带海域海-气作用的响应,ENSO位相相应变化及北极/北大西洋涛动指数的响应,大量的观测研究结果支持上述论点;近年来太阳活动低值期北半球冬季中高纬和中国均遭受异常冷害侵袭即是明证,初步揭示出以夏季东太平洋副高强度指数首先反映的地球气候系统对太阳活动响应的一系列气候过程;对今后10 a全球气温趋势也作了初步展望。     

高分辨率GRAPES-GFS的动能谱及其转折特征分析

大量观测数据的计算表明,在对流层高层和平流层低层,大气动能谱在大尺度的斜率近似为k^-3,到中尺度转换为近似k^-5/3,动能谱的斜率及其转折特征可作为大气运动的基本规律检验数值模式。利用这一特征对GRAPES-GFS全球中期数值预报模式产品进行了检验评估。采用0.25°分辨率GRAPES-GFS模式2013年5月的预报场,分析了模式动能谱的垂直分布及动能谱的辐散分量和旋转分量。结果表明:在对流层高层和平流层低层(225—10 hPa),模式的动能谱曲线能较好地再现大气动能谱从大尺度过渡到中尺度的斜率转折特征,特别是在100 hPa附近动能谱的转折特征比较明显,但是动能谱斜率的绝对值较通常的观测结果(k^-3和k^-5/3)偏大;在大尺度范围,旋转分量在总动能谱中占优,随着波数的增大(尺度的减小)辐散分量逐渐与旋转分量相当甚至超过旋转分量。基于条件极值的思想提出一种计算转折点(拐点)的新方法,该方法能够较准确地计算出动能谱曲线拐点的位置,而且拐点位置随高度的变化与辐散和旋转分量谱交点位置随高度的变化一致。此外,还计算了辐散分量谱的斜率,发现其在中尺度范围内非常接近k^-5/3, 验证了其对总动能谱转折过程中的关键作用。综上,GRAPES-GFS模式能够准确地再现大气动能谱由大尺度到中尺度的斜率转折特征;与旋转分量相比,模式对动能谱辐散分量的描述更为准确,而且模式对旋转分量的较大误差导致了总动能谱的斜率绝对值偏大。     

南半球环流与西太平洋副热带高压和台风群中期活动的关系

通过对南北半球环流6年资料的分析,发现在北半球夏季5～8月,南半球中纬西风指数、低纬西风指数、赤道气压指标与北半球西太平洋副热带高压和台风群的中期活动均有较好的关系。在台风群活跃的年份,台风群生成阶段前后,环流变化由南半球中纬先开始,随后南半球低纬和赤道地区环流也出现变化,赤道气压指标到达低值,此后,北半球西太平洋副热带高压的特征产生一系列的变化,上述南北半球环流系统变化的传播过程为准二周周期。     

热带太平洋经向风异常年际变化与海温异常的关系

运用奇异谱分析（SSA）方法对热带太平洋海温和经向风进行周期分析，结果表明太平洋海气系统存在准4年、准2年和年代际尺度的变化周期，其中准4年的变率最大。不同区域的风场，在不同时间尺度上与海温异常联系的紧密程度不同，位相的演变也有差异。文中还讨论了在准4年与准2年分量之间因风场的不同而导致的海温异常的差异。     

梅汛期南亚高压活动的谱特征分析——波能密度谱

本文是应用100hPa北半球高度场格点资料,选取2003-2005年6-7月南亚高压季节性东进、北移的15个过程,其中包括这3年中在入、出梅期间500 hPa副热带高压有响应的季节性北移个例.计算了40 °N的波谱物理量-1～7波的方差比和波能密度,分析其西风带长波-超长波的调整和南亚高压的东进、北移的相关,并从波能密度的演变特征来识别何种长波波动对南亚高压的季节性变化具有最大的贡献.从而得出100hPa 40 °N的超长波的调整是南亚高压季节性东进、北移的环流背景,而西风带4～6波的长波槽波能密度的激增是诱发南亚高压季节性演变的最大贡献者.     

陇东塬区不同量级降水的气候变化特征

利用西峰站1951～2010年逐日降水观测资料,根据划分的雨量级别分析了近60a来陇东塬区西峰年降水量及分级降水雨量谱的气候变化特点,并利用累积距平法和Mann—Kendall方法对气候突变进行分析检测。结果表明,近60a西峰的年降水量有明显的下降趋势,其中小雨、中雨、大雨均为正贡献,暴雨为负贡献。而1986—2010年期间年降水有弱的上升,主要是大雨级的雨量增大、雨日增多和雨强增强所致;进一步分析得出,上述变化仍属于年际变化范畴,因此不能说突变已经发生,但有上升迹象。     

中国地表热源与南方涛动的相关分析

利用地表热源的气候学计算方程，建立了中国４７个站地表热源的时间序列，分析了中国地表热源的多年变化规律，进而又分析了中国地表热源与南方涛动指数间的交叉谱，指出中国地表热源与南方涛动指数之间各地都在９年，３年的准周期上有显著相关。这表明中国各地地表热源与南方涛动指数的联系，可能存在某种共同的物理过程。     

半隐式半拉格朗日动力框架的动能谱分析

大量的观测事实表明自由大气动能谱与波数之间满足如下关系:在大尺度区域满足E∝k-3关系,过渡到中尺度区域表现为E∝k-5/3关系.数值模式动能谱是测量模式动力框架的耗散的直接度量,而耗散对模式的性能有着重要影响,因此动能谱是研究和评估模式动力框架的非常规的有效方法.文中使用基于半隐式半拉格朗日动力框架的全球/区域一体化模式GRAPES进行数值模拟试验,然后计算GRAPES模式的动能谱并与实际观测得到的大气动能谱比较,得到GRAPES模式能够很好地复制出实际大气动能谱的分布特征,包括从大尺度区域的E∝k-3关系向中尺度的E∝k-5/3关系的过渡特征.并且发现GRAPES模式存在最大有效时间步长,当时间步长小于最大有效时间步长时,模式动能谱随时间步长增大而逐渐衰减;当时间步长大于最大有效时间步长时,模式动能谱随时间步长增大而虚假增长.同时通过与实际大气动能谱比较,发现模式动能谱在5Δx波长附近开始明显衰减,因此将5Δx波长定义为GRAPES模式的最高有效分辨尺度;当空间分辨率提高与时间步长等相协调时,中小尺度模式动能谱向中小尺度延伸而更接近实际大气动能谱;当空间分辨率提高与时间步长等不相协调时,中小尺度模式动能谱存在较大误差,相应的大尺度模式动能谱亦存在较大误差.此外,时间步长对模式spin up过程有着重要的影响,较小时间步长时,spin up过程能够很好发展出合理的动能谱结构,在物理空间上表现为模式能够在spin up时间内生成和发展出合理的中小尺度系统;而较大时间步长时,spin up过程很难发展出合理的动能谱结构,在物理空间上表现为模式未能在spin up时间内生成和发展出合理的中小尺度系统.最后,GRAPES模式动能谱与WRF模式动能谱具有一致性,GRAPES全球中期模式能够完美地模拟出大尺度的E∝k-3动能谱特征.综上所述,本文通过研究GRAPES模式动力框架的动能谱得到了一些有意义的结果,为进一步研究、完善、优化和应用模式提供了科学的指导,可见动能谱是评估模式动力框架的有效方法.     

印度洋偶极子与热带太平洋海洋表面温度异常多时间尺度相互作用初析

本文利用交叉谱方法, 将印度洋偶极子 (简称IOD) 与ENSO的相关关系分解到不同的时间尺度上来分析, 进而通过对海气耦合过程的初步分析, 讨论了不同时间尺度上IOD与ENSO的相互作用。结果表明, IOD与ENSO在准1～2年、 准3年、 准4年等三个时间尺度上存在显著相关, 同时, IOD还存在一个独立于ENSO的模态, 主要表现在准8个月时间尺度上。从海气相互作用的角度看, 在与ENSO相关的三个特征时间尺度上, IOD年际变率主要通过引发热带印度洋纬向风异常并且东传到太平洋, 从而引起热带中东太平洋海温的年际变率。与ENSO相对独立的IOD模态则没有类似的纬向风异常东传过程。此外, 在上述四个不同时间尺度上, 产生IOD变率的印度洋海气耦合过程不尽相同, 各具特点。     

氟利昂C2Cl2F4分子的光谱及解离动力学研究

采用密度泛函B3LYP理论对氟利昂C₂Cl₂F₄ (F-114)在6-31G++(d,p)基组水平上进行分子结构优化、红外光谱计算,理论计算所得结果与实验结果基本吻合.此外又通过从头算CIS方法计算了C₂Cl₂F₄及其离子的低激发态,将所得分子低激发态的键长、键角及二面角等参数进行了对比分析,并得到了C₂Cl₂F₄分子的UV-Vis光谱和分子前线轨道,最后对C₂Cl₂F₄⁺离子的低激发态光解离动力学进行了分析.     

黄山雨滴下落过程滴谱变化特征

利用2011—2012年4—10月安徽省黄山山顶和山底两个站点同时采集的雨滴谱数据,共选取17个降水个例,将17个降水个例分为对流云降水和层云降水,对不同高度和不同云系降水雨滴谱特征分析得出以下结论:对于不同云系的降水,山顶平均雨滴数浓度大于山底,平均峰值直径和平均质量半数直径在下落过程中均增加,平均雨强和平均雷达反射率因子变化幅度较小。不同云系的雨滴在下落过程中,雨滴谱谱宽变化较小,但雨滴谱均从M-P (Marshall-Palmer) 分布转向了Gamma分布。降水粒子在下落过程中,大部分通道的数浓度均出现损失,最大损失超过50%,随着粒子尺度增加损失逐渐减少,大粒子数浓度在降落时有所增加,增加幅度为10%左右,降水粒子的碰并和蒸发过程很可能是造成降水粒子下落过程中滴谱变化的两个主要原因。