1961—2017年南极冰盖近地面风时空变化研究

基于19个人工气象站1961—2017年风速风向实测数据对南极冰盖近地面风速时空变化和风向进行了分析。结果表明：近50年来,南极冰盖近地面各季节平均风速和年平均风速变化的空间模式基本一致。东南极0°~120° E沿海地区风速呈显著上升趋势;南极半岛气象站风速变化趋势各异,且变化速率相差甚大,但从区域平均结果来看,南极半岛年和季节平均风速均呈上升趋势。这与近几十来局地气温、气压变化及南半球环状模趋向于正位相发展有关。东南极受下降风和绕极东风影响,大部分地区盛行偏南风或偏东风,且频率较高风向稳定;而受天气活动影响,南极半岛风向复杂,主风向频率低,风向多变。     

区域气候模式在中国西北地区气温和降水长时间序列模拟的误差分析

气温和降水微小的变化都可能引起中国西北地区脆弱生态环境空间格局剧烈变化.由于西北地区气象站点分布稀疏,站点观测结果难于完全代表西北地区复杂地貌的气象要素空间分布格局.区域气候模式模拟可以弥补现有观测资料的不足,但模式模拟存在的误差,往往制约着西北区域气候变化评估工作.本文在CN05格点数据和站点数据基础上,从空间格局、极值模拟等方面对高分辨率WRF模式数据气温和降水模拟精度进行评估,假定偏差恒定基础上,使用分类回归树模型建立偏差预测模型.结果表明:CN05数据和WRF模式多年年平均气温和多年平均年降水数据空间格局基本一致,但WRF模式结果空间格局更加细致.WRF模式结果在山区和湖泊地区降水偏高估,气温和降水距平在新疆地区相对于其他地区变化较为一致;95%分位数的降水在甘肃和新疆地区模拟结果好于宁夏、青海和陕西;5%和95%分位数气温,WRF模式大部分站点表现为暖偏差,而CN05数据表现为冷偏差;不同的地貌单元区域气温和降水的偏差时间序列存在一定的相关性.在西北五省区气温和降水的分类树模型中,由于高程和地形复杂度对偏差预测模型影响较大,无法在整个西北地区建立统一的误差预测模型.     

基于Polar WRF的南极Dome A极端低温事件分析

南极作为地球的寒极, 其最高点Dome A地区于2013年8月1日气温达到-93.0 ℃的极低值。利用Polar Weather Research and Forecasting （Polar WRF） 3.8.1模式, 对发生在南极Dome A地区的3次极端低温事件进行数值模拟分析。通过与自动气象站实测数据对比验证, 模拟效果较为理想。结果表明： 印度洋和大西洋交界区域的高压加强, 其高压脊开始向南极内陆延伸, 导致Dome A地区气压升高, 使得该地区天气晴好, 云量极低, 为极端低温事件发生奠定基础; 同时, 南极中心冷涡加强, 长时间的冷平流和稳定的逆温层为Dome A地区提供了足够的降温条件, 并且加强了夜间辐射降温效应, 稳定的垂直场、 极低的向下长波辐射使得Dome A地区的极端低温事件得以维持。     

中国南极气象考察与全球变化研究

利用中国南极长城气象站和中山气象台常规气象观测及与气象有关的科学考察资料 ,对中国南极气象台站的气候和大气环境特征及其对全球变化的响应进行了研究。研究结果表明 ,南极和邻近地区气候变化存在着时间、空间上的多样性。中国南极长城站和中山站正好处于南极半岛和东南极两个不同的气候区。近 10余年来 ,当位于南极半岛地区的长城站显著增温时 ,位于东南极的中山站恰有较明显的降温趋势。南极地区的温度变化趋势与全球平均变化有较大差异。这种变化和差异很难简单地用全球温室效应来解释。近 7年来 ,中山站地区的大气臭氧总量有减少趋势 ,与全球大气臭氧总量变化趋势相同。在南极地区 ,进一步加强国际合作 ,继续监测包括近地面温度在内的大气要素的变化 ,积极获取代用资料 ,仍是全球变化研究的重要内容之一。     

念青唐古拉山拉弄冰川气象要素变化特征

利用在念青唐古拉山拉弄冰川垭口架设的自动气象站观测资料,分析了2006年9月1日至2007年8月31日的气温、气压、相对湿度和风等气象要素的日和季节变化特征.结果表明:拉弄冰川垭口气温日变化呈现升温快降温慢的特点,年平均气温为-8.1℃,最冷月为2月,最暖月为7月,其温度分别为-17.6℃和0.7℃;相对湿度日变化呈单峰单谷型,年平均相对湿度为53.4%,8月最大1月最小;气压日变化呈双峰双谷型,年均气压值为497.1hPa,9月值最大2月值最小,其气压分别为501.9hPa和489.9hPa;冬春季的风速日变化比夏秋季大,年均风速为4.2m.s-1,1月最大8月最小,其风速分别为7.5m.s-1和2.5m.s-1,全年盛行以偏南风和偏北风为主,约占全年盛行风向频率的75.2%.     

基于WRF驱动的CLM模型对青藏高原地区陆面过程模拟研究

NCAR-CLM是目前国际上发展较为完善的陆面过程模型.鉴于大多数研究利用气象站点的数据驱动CLM模型, 尝试将WRF气候模型的模拟结果作为驱动CLM的面上强迫场数据来对青藏高原陆面能量特征进行模拟研究.对WRF气候模型模拟的输出结果与青藏高原气象站观测数据进行比较分析表明, WRF模拟输出的气温和向下短波辐射数值与观测值的相关系数大于0.92(p >0.05), 气压和比湿的R²在0.80以上(p >0.05), 降雨和风速的模拟性能不稳定, 但WRF模拟输出的强迫场也可以作为CLM模型的驱动数据. CLM模拟的地表温度、 感热和潜热通量与青藏高原气象站观测的地表温度以及涡度通量数据验证分析表明, 虽然CLM对地表温度的模拟在合理范围内, 但模拟与观测值还是有较大偏差, 潜热和感热之间的相关系数分别为0.87和0.68(p >0.05), 表明CLM的模拟结果在单点上是可靠的.据此, 在此模拟结果基础上分析了青藏高原地区的陆面能量时空分布特征.     

NCEP/NCAR再分析气温在南极中山站-Dome A考察断面的适用性研究

以东南极冰盖边缘地带LGB69、冰盖内陆Eagle、冰盖顶点Dome A自动气象站2005—2006年记录的日平均气温为基础,辅以南极大陆边缘中山站2005年的连续气温资料,根据4个站点的海拔、气温、气压和地形,选择最接近气象站观测点的气压层,通过改进的9格点反距离加权内插法,分析NCEP/NCAR再分析气温在该断面的适用性.结果表明:NCEP/NCAR再分析气温与中山站、LGB69站、Eagle站和Dome A站实际观测值之间的相关系数分别高达0.624、0.648、0.744和0.705(p0.001,n≥365),能够反映本地区气温的年变化和季节变化.但与实测值相比,再分析资料具有气温普遍偏高、年温差和标准偏差偏小、春夏季适用性强而秋冬季适用性差等特点.此外,从南极冰盖边缘至内陆,再分析气温误差有增大的趋势.     

南极海冰和陆架冰的时空变化动态

利用美国冰中心和雪冰中心提供的海冰资料和我国南极考察现场的海冰观测资料, 对南极海冰的长期变化进行了研究.结果表明: 20世纪70年代后期是多冰期; 80年代是少冰期; 90年代南极海冰属于上升趋势, 后期偏多; 区域性变化差别大, 东南极海冰偏多, 西南极海冰即南极半岛两侧特别是威德尔海(Weddell Sea)区和别林斯高晋海(Bellingshausen Sea)的冰明显偏少.东南极和西南极海冰的变化趋势总是反相的.90年代后期普里兹湾的海冰明显偏多, 南极大陆陆架冰外缘线总体没有明显的收缩, 有崩解也有再生的自然变化现象.西南极威德尔海的龙尼冰架(Ronne Ice Shelf)和罗斯海冰架(Ross Ice Shelf)东部崩解和收缩趋势明显, 东南极的冰架也有崩解和收缩, 但没有西南极明显.陆架冰崩解向海洋输送的冰山对全球海平面升高有一定的影响.目前, 南极冰盖断裂崩解形成的冰山, 向海洋输入的水量可使全球海平面上升约14 mm.南极海冰没有随着全球气候温暖化而明显减少, 而是按照东南极和西南极反相的变化规律进行周期性的变化、调整和制约.     

CryoSat DEM与多种南极DEM的对比分析

南极洲被巨厚冰雪覆盖,地质构造以南极横断山脉为界,总体分为东南极地盾和西南极活动带。数字高程模型(DEM)是研究南极冰盖变化的基础数据之一。通过多期次数字高程模型相比较获得高程的变化信息,是分析南极冰盖厚度变化和物质平衡的重要手段。然而不同类型DEM之间存的平面误差和垂直误差影响分析结果的精度。首先利用配准消除DEM间的水平误差,然后计算并按坡度提取CryoSat DEM与其他DEM的平均高程差和标准差,最后分析高程差的时空变化特征。通过分析发现,DEM之间存在不同的平面误差。其中TanDEM_X DEM与CryoSat DEM的高程平面偏差最小,而ICESat DEM与CryoSat DEM的高程平面偏差最大。在垂直方向上,0°～1°的坡度范围内,CryoSat DEM与TanDEM_X DEM的平均高程差在3.5～5.5 m之间,标准差小于18.0 m; CryoSat DEM和Bamber 1km DEM的平均高程差在-2.5～+1.0 m之间,标准差小于24.2 m; CryoSat DEM与ICESat DEM的平均高程差在-25.0～-1.0 m之间,标准差小于47.2 m; CryoSat DEM与RAMPv2 DEM的平均高程差在1.3～3.2 m之间,标准差小于45.6 m。通过研究发现南极冰盖内部高程增加,但西南极冰盖和东南极冰盖高程均在降低,且西南极降低明显,同时南极边缘地区高程降低明显。本研究为全球变化研究和南极物质平衡研究提供了重要参考。     

WRF模式制备的气象驱动数据在新疆喀依尔特斯河流域的验证

随着寒区水文模拟研究的深入,空间分布式模型的快速发展,迫切需求高分辨率的气象驱动数据.研究基于WRF模式动力降尺度和Micromet统计降尺度方法,制备了阿尔泰山额尔齐斯河源区喀依尔特斯河流域春季1 km分辨率气象驱动数据,并利用地面观测资料从小时尺度上对其进行了验证,为该流域春季分布式融雪径流模型做充分准备.结果表明:小时尺度上2 m气温、2 m相对湿度、10 m风速、地表接收的短波辐射和长波辐射的平均绝对误差MBE分别为0.43℃、-2.9%、3.7 m·s~(-1)、28.2 W·m~(-2)和-36.2 W·m~(-2),其平均均方根误差RMSE分别为3.81℃、18.2%、4.8 m·s~(-1)、163.5W·m~(-2)和52 W·m~(-2),与实测对比拟合的R~2分别为0.84、0.32、0.03、0.7和0.3.在小时尺度上,2 m温度和地表接收短波辐射的模拟结果比较理想,可以用于高时间分辨率水文模拟.     

南极中山站极昼期间气象要素变化特征

利用中山站1989-2011年极昼期间的气温、气压、风、降水等高质量的地面气象观测资料, 对中山站极昼期间气象要素基本气候特征和变化趋势进行了统计与分析, 研究了极昼期间天气特征. 结果表明: 极昼期间年平均气温为-0.6 ℃, 呈缓慢下降趋势, 其变化速率为-0.2 ℃·(10a)^-1;年平均风速为5.4 m·s^-1, 变化速率为-0.5 m·s^-1·(10a)^-1;共出现降水日数459 d, 占极昼期间总日数的33.3%;年平均日照时数为763.8 h, 日照时数呈上升趋势, 变化速率为26.8 h·(10a) ^-1. 研究结果有助于了解和研究南极中山站气候概况, 对中山站度夏科学考察工作有重要的参考价值.     

东南极LGB69冰芯1712-2001年气温变化记录的初步研究

南极冰芯记录着过去气温、降水等气候环境参数以及影响其变化的太阳活动、火山作用等各种因子变化,是研究古气候、古环境变化及其影响机制的良好载体.东南极LGB69冰芯高分辨率的地球化学分析表明:①该冰芯的水当量年平均积累率高达259 mm/a,利用δ18O和Na+季节性变化和火山喷发标志层,通过数年层的方法确定其沉积时间为290 a(1712-2001年)±2 a;②该冰芯δ18O与邻近的戴维斯站气温距平5年滑动平均值(1968-2001年)之间具有良好的正相关关系,是有效的气温代用指标,1712-2001年该地区气温是一个波动变暖的过程,划分为4个阶段,小冰期结束于1914年,20世纪5年滑动平均气温距平年平均值较小冰期末次冷阶段升高0.30C;③Morlet小波分析表明,1712-2001年该冰芯δ18O(气温)和积累率(降水量)均存在约11年、约22年和约60年的共同周期,多重时间周期的嵌套表明其对气候变化非常敏感.上述研究结果为进一步重建南极气候冷暖、降水序列变化,以及研究太阳活动、火山作用等因子对气候变化影响的内在规律奠定了基础.     

大气、海洋与固体地球的能量交换

通过对南极气温资料、南极臭氧资料、环南极海冰资料、太平洋海温资料、地球自转速度变化资料、厄尔尼诺和拉尼娜资料的模拟验证，发现厄尔尼诺事件发生与德雷克海峡海冰减少在时间上有一一对应关系。南极半岛海冰减少是太平洋环流速度减慢的原因，德雷克海峡的海冰起重要作用。大气、海洋与固体地球的角动量交换在南、北半球有不同的形式。强震起源于海平面振荡。     

青藏高原融冻过程中能量和水分循环的模拟研究

采用与先进陆面模式耦合的区域气候模式WRF V3.1,利用NCEP/DOE再分析资料作为驱动场,对青藏高原东北部1 998年5-7月进行模拟.首先,对模拟区降水、感热和潜热通量的空间分布进行了检验,结果表明WRF模式能够合理且较好的模拟出高原东北部降水、感热和潜热通量的空间分布状况.通过对融冻过程中土壤温、湿度及水文要...     

基于台风气压模型的沿海天文潮与风暴潮耦合数值模拟试验研究

结合4种台风气压模式,采用改进的超浅台风风暴潮联合模型对辽宁沿海天文潮与风暴潮进行数值模拟试验。试验结果表明:在4种台风气压模式下,高桥模式或捷氏模式误差相对较小,在台风路径预报中有最大风速信息时可以直接运用以上两种模式进行台风增水影响;相比于传统算法,改进后的沿海天文潮与风暴潮耦合数值模型模拟的台风增水相对误差小于30%的保证率提高29%,达到规定的台风增水预报的精度要求。研究成果对于沿海地区防洪决策具有重要的参考价值。     

考虑冻融锋面移动过程的多年冻土水热模拟

活动层内部的冻融锋面是冻融过程中冻结土层与融化土层的分界面,其上下土层的水热参数有着显著差异。在陆面过程模式中准确描述冻融锋面的移动过程将有助于提高其对多年冻土水热过程的模拟能力。本研究首先将Noah-MP陆面过程模式的模拟深度扩展到20 m,并将原模式的4层土层增加到19层土层,同时引入前人的有机质方案和植被根系方案,然后在此基础上,通过耦合Stefan方法以加强模式对冻融锋面的模拟能力,进而探究耦合Stefan方法的Noah-MP模式对西大滩多年冻土站点水热过程的模拟效果。研究中设置了不耦合Stefan方法的CTL控制试验和耦合Stefan方法的STE对照试验来分别模拟西大滩多年冻土站点2012年0～20 m的土壤温度与土壤液态含水量,模拟结果用站点0～3.2 m内10个深度的日均土壤温度、土壤液态水含量监测数据以及3 m、6 m和10 m的年均地温监测数据来做验证。研究结果表明,由土壤温度模拟值插值得到的冻融锋面(0℃等温线)有明显阶梯状特征,最大冻融深度与实测相比偏大。耦合Stefan方法增强了Noah-MP模式模拟冻融锋面的能力,使得模式能够基于Stefan方法较好地模拟出冻...     

东南极普里兹带多期变质作用及其对罗迪尼亚和冈瓦纳超大陆重建的启示

东南极普里兹带是一条经受格林维尔期和泛非期高级构造热事件影响的多相变质带,其构造演化过程与罗迪尼亚和冈瓦纳超大陆的形成密切相关.新的岩石学和年代学资料表明,普里兹带中的格林维尔期高级变质作用是区域性的,并经历了>970Ma和930～900Ma两个演化阶段(期),变质条件达到相对高温高压的麻粒岩相.格林维尔期造山作用起始于活动大陆边缘或岛弧环境下的岩浆增生,最后发展到陆陆碰撞,从而使印度、东南极西陆块和非洲的卡拉哈里克拉通拼合在一起,构成了罗迪尼亚超大陆的重要组成部分之一.普里兹带中的泛非期高级变质作用并不象前人认为的那样只发生在中低压麻粒岩相条件下,而是达到高压麻粒岩相,并具有近等温减压的顺时针P-T演化轨迹.格林维尔期变质先驱的普遍存在说明泛非期碰撞造山事件主要叠加在印度-南极陆块东缘的基底杂岩之上,所以其主缝合线的位置应该在现今普里兹带的东南方向,并可能向南极内陆延伸到甘布尔采夫冰下山脉.对不同类型岩石的精细定年揭示,普里兹带中泛非期造山作用过程从570Ma一直持续到490Ma,这与东非造山带的晚期碰撞阶段大致相吻合.因此,冈瓦纳超大陆的最后拼合可能是通过西冈瓦纳、印度-南极陆块和澳大利亚-南极陆块等三个陆块的近于同期碰撞来完成的.     

中国第一代再分析产品CRA Interim气温在东南极中山站 - Dome A断面的适用性分析

2017年中国气象局发布中国第一代全球大气和陆面再分析产品（以下简称“中国再分析产品”）CRA Interim, 通过对比CRA Interim气温资料与中国在南极考察区域中山站 - Dome A断面气象站实测2 m气温、 欧洲中期数值预报中心再分析产品（以下简称“欧洲再分析产品”）ERA Interim和ERA5相应的气温资料, 分析了CRA Interim气温在东南极中山站 - Dome A断面的适用性。结果表明： 三种再分析产品均能反映研究区域的气温变化, 均具有一定适用性, 但是都存在一定偏差且适用性存在区域差异和季节差异。CRA Interim、 ERA Interim、 ERA5对中山站 - Dome A断面气温的解释方差分别为81.3%、 87.1%、 87.2%。中国与欧洲再分析产品对日均值与最低温的反演都呈现负偏差, CRA Interim对最高温的反演表现为负偏差（-1.8 ℃）, 欧洲再分析产品则表现为正偏差（ERA Interim和ERA5偏差分别为0.5 ℃和0.8 ℃）。中国与欧洲再分析产品在位于冰盖边缘的中山站适用性最好, 位于冰盖内陆的Dome A次之, 对Eagle站气温的反演偏差较大。三种再分析产品对冬季气温反演最差, ERA Interim对秋季气温反演最好, CRA Interim和ERA5对夏季气温反演最好。CRA Interim、 ERA Interim、 ERA5对极端低温事件发生时最低温的解释方差分别为46.1%、 76.9%、 87.3%, 对极端高温事件发生时最高温的解释方差分别为59.9%、 65.1%、 73.6%, 极端事件发生时ERA5对极端气温的反演更为准确。2016年9月3日 - 13日极端低温事件主要受冷高压的影响, 7月25日 - 8月6日极端高温事件主要受暖低压和暖舌的影响。CRA Interim能够反演东南极中山站 - Dome A断面的气温及极端气温事件的变化, 但对风场尤其是中山站风场的反演不准确。与欧洲再分析产品相比, CRA Interim在中山站 - Dome A断面的适用性较低, 三种再分析产品中ERA5更适于南极极端天气与气候的研究。     

太平洋环流速度减慢的原因

对南极气温资料、环南极海冰资料、太平洋海温资料、厄尔尼诺和拉尼娜资料的模拟验证，发现厄尔尼诺事件发生与德雷克海峡海冰减少在时间上有对应关系。南极半岛海冰减少是太平洋环流速度减慢的原因，德雷克海峡的海冰起重要作用。这一综合检验结果给出以日食—厄尔尼诺系数预测厄尔尼诺事件的有效性和准确性。两年周期的太平洋海温振荡使日食与厄尔尼诺之间存在12～24个月的位相差。     

珠江流域大尺度陆面水文耦合模式的构建及应用

以珠江流域为研究对象,通过更新陆面水文模式所需的下垫面参数数据库,建立适合于珠江流域的大尺度陆面水文耦合模式系统,并利用该模式开展了1963~2006年流域水文水循环过程的数值模拟,通过与实测流量比较,系统考察了陆面水文耦合模型对珠江流域水循环各分量的模拟性能。分析结果表明,该陆面水文耦合模式对珠江流域年平均各水循环要素具有良好的模拟能力;模式对珠江流域干流主要控制水文站的月平均流量也有较高的模拟精度,模式模拟的水量平衡系数均接近1,相关系数均高于0.84,IOA相似度系数均高于0.9;相对而言,模式对流量峰值的模拟能力还有待提高。