2017年“海棠”台风影响辽宁不同区域极端暴雨成因分析

利用常规观测、NCEP FNL、葵花8号卫星、GNSS反演大气可降水量、智能网格实况产品等资料,分析2017年“海棠”台风造成辽宁西部朝阳地区和东南部岫岩县的极端暴雨成因。结果表明：辽宁西部和东南半岛均出现区域性的极端特大暴雨,岫岩县小时雨强更大,最大雨强达到113 mm·h^-1,对流性降水特征明显。两个区域暴雨过程均受到热带、副热带、西风带系统共同作用,狭长型“海棠”台风沿着副热带高压西侧逐渐北上,并且与西风带短波槽相互作用,导致辽宁西部出现强降水,随后加强的涡旋系统后侧干冷空气与低空暖湿水汽输送带相互作用,导致岫岩县出现极端暴雨过程。热带台风“奥鹿”对副热带高压南落东退起到阻挡作用。两个区域均具有来自于南海的水汽通道,另外东南半岛也受到了“奥鹿”台风北侧水汽输送的影响。朝阳市和岫岩县大气可降水量值长时间接近65 mm和70 mm,异常指数最高达到3.0和2.5,表明此次暴雨水汽条件的极端性。辽宁西部降水期间动力不稳定更强,辐合层由地面伸展到500 hPa,而东南半岛降水期间上干下湿的水汽分布以及更强的冷暖空气交汇,有利于产生对流性降水。两个区域均受到多个中尺度云团的共同影响,朝阳地区初期降水由中γ尺度辐合线触发,后期台风在北上过程中与高空槽后部的干冷空气相互作用,形成的暖锋云系以及冷锋云系导致朝阳地区出现持续性强降水;加强的涡旋后部干空气侵入到暖湿水汽输送带中,配合岫岩县山区地面辐合线稳定不动,不断有积云触发并且直接影响岫岩县,导致岫岩县产生极端对流性暴雨。     

2016年全球重大天气气候事件及其成因

2016年全球主要温室气体浓度持续上升,地表温度相比工业化时代之前水平偏高1.1℃,成为有气象记录以来的最热年。受全球变暖影响,北极海冰全年处于较低水平,格陵兰冰盖和南极海冰的消融程度明显增强;海洋温度升高致使全球海平面上升和海洋环境变化。在超强厄尔尼诺事件背景下,受大气环流异常影响,全球降水空间分布不均,年初多地旱情持续发展,造成粮食和水资源危机;年内暴雨洪涝、高温热浪、寒流暴雪和热带气旋等各类极端天气气候事件频繁发生,在世界各地造成了严重人口伤亡和社会经济损失。本文总结了2016年全球重大天气气候事件及其影响,并重点分析了中国长江流域降水异常偏多及美国高温热浪天气两个典型事件的形成原因。分析表明,夏季西太平洋副热带高压偏西偏强,致使西南低空急流作为水汽通道将低纬暖湿气流向长江流域输送,配合同期亚洲东北部的高空槽引导高纬冷空气南下,冷暖气团的共同作用导致了中国长江流域强降水事件频发、汛情严重;北美副热带高压在美国境内一段时期内的稳定停滞以及低纬水汽输送条件偏差,是7月美国中东部地区高温热浪天气事件发生的主要原因。     

七月大气环流对南极海冰异常的响应

本文用一个全球大气九层谱模式，模拟了七月份南极两个不同海区海冰区异常对大气环流的影响。主要讨论了大气环流对南极海冰异常存在的局地性的及全球性的响应。细致分析了二个区域极冰异常导致的南北半球低频波列分布的差异，以及它们对热带区域及亚洲季风区降水、越赤道气流的不同影响。最后则依据我们的模拟结果，讨论了南极海冰异常影响全球大气环流的动力学机制。     

华南后汛期降雨与南极海冰变异和南半球大气环流异常的关系

利用１９７３～１９８９年南极海冰北界资料研究海冰变异对华南不同区域后汛期降雨的影响,认为：华南后汛期降雨与南极海冰和南半球大气环流间存在遥相关显著性。分析海冰与南半球大气环流、副高、热带气旋、南亚高压等系统间的相关关系表明,海冰变异是通过影响这些系统,而对后汛期降雨产生影响作用的。其中上年９月罗斯海海冰、７月全南极海冰和威德尔海海冰的作用更明显。当年１月低纬气旋数和前期南美深对流区强弱与广西后汛期降雨关系显著。     

华南后汛期降雨与南极海冰变异和南半球大气环流异常的关系

利用１９７３￣１９８９年南极海冰北界资料研究海冰变异对华南不同区域后汛期降雨的影响。认为,华南后汛期降雨与南极海冰和南半球大气环流间存在遥相关显著性。分析海洋与南半球大气环流,副高、热带气旋、南亚高压等系统间的相关关系表明,海冰变异是通过影响这些系统,而对后汛期降雨产生影响作用的,其中上年９月罗斯海海冰、７月全南极海冰和威德尔海海冰的作用更明显,当年１月低纬气旋烽和前期南美深对流区强弱与广西后汛期     

中国近30年有/无大气河伴随的登陆台风气候学特征对比分析

利用JRA55再分析资料和近30年台风资料,采用动态合成分析方法对1986—2015年有/无大气河伴随的登陆台风大尺度环流和水汽场特征进行了合成分析,以探讨大气河对登陆台风演变的影响,主要结论如下:30年内登陆中国大陆的台风中,有大气河伴随和无大气河伴随的大约各占50%,平均陆上维持时间前者（38 h）长于后者（22.5 h）。有大气河伴随的台风登陆后,台风与副热带高压间的等高线密集,台风在中纬度槽前移动过程中有逐渐向斜压锋区靠近的趋势,而无大气河伴随的台风登陆后,台风与副热带高压间的等高线稀疏,也无长波槽靠近;有大气河伴随的台风登陆后,仍然与西南风低空急流和超低空急流水汽输送通道相连,台风涡旋区大风核伸展高度高,而无大气河伴随的台风登陆后与强水汽通道断开;登陆台风是水汽汇的一个高值中心,夏季印度季风环流和南海夏季风是向台风输送水汽的主要通道。有大气河伴随的台风,水汽输送速度的大小和辐合的强度明显大于无大气河伴随的台风,且其水汽辐合呈准对称结构,而无大气河伴随的台风其水汽辐合呈不对称结构,北侧的冷性强水汽输送会加速台风的填塞;有大气河伴随的台风登陆后,其南边界一直维持较强的水汽输送,台风区域总的水汽收入减小缓慢,而无大气河伴随的台风登陆后,台风区域总的水汽收入迅速减小;从垂直分布来看,有大气河伴随的台风在登陆后48 h内,其低层气旋式环流结构较完整,4个边界均有净的水汽输入,随着高度升高结构趋于松散。而无大气河伴随的台风在登陆24 h后其气旋式环流结构已不完整。      

FGOALS_gg1.1极地气候模拟

对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发展的气候系统模式FGOALS_g1.1的极地气候模拟现状进行了较为全面的评估.结果表明,FGOALS_g1.1对南北极海冰的主要分布特征、季节变化和年代际变化趋势具有一定的模拟能力.但也注意到,与观测相比,模式存在以下几方面的问题:(1)模拟的海冰总面积北极偏多,而南极偏少.北极,北大西洋海冰全年明显偏多;夏季,西伯利亚沿海海冰偏多,而波弗特海海冰偏少.南极,威德尔海和罗斯海冬季海冰偏少.南北极海冰边缘都存在异常的较大范围密集度很小的碎冰区,夏季尤为显著.(2)海冰流速在南北极海冰边缘和南极大陆沿岸附近较大.北极,模式没能模拟出波弗特涡流,并且由于模式网格中北极点的处理问题,造成其附近错误的海冰流场及厚度分布.这些海冰偏差与模式模拟的大气和海洋状况有着密切的联系.进一步分析表明,FGOALS_g1.1模拟的冰岛低压和南极绕极西风带明显偏弱,其通过大气环流和海表面风应力影响向极地的热量输送,在很大程度上导致上述的海冰偏差.此外,耦合模式中大气-海冰-海洋的相互作用可以放大子模式中的偏差.     

北半球冬季极端低温事件变化及其与秋季海冰的联系

利用欧洲中期天气预报中心逐日的地面气温数据以及美国国家冰雪数据中心逐月的海冰密集度数据,并通过气候百分位法统计了逐月的极端低温事件日数,分析了1979-2016年冬季(12月至次年2月)北半球的极端低温事件与秋季(9-11月)北极海冰变化之间的关系,并挑选了典型年份探讨了秋季北极海冰对极端低温事件可能存在的影响机理。结果表明,北半球冬季极端低温事件与秋季关键海区(波弗特海、楚科奇海、巴伦支海和喀拉海)的海冰面积变化密切相关,其中亚洲北部区域冬季的极端低温事件与秋季关键海区的海冰面积有显著负相关关系,而青藏高原区域、非洲北部区域和北美东北部区域冬季的极端低温事件与秋季关键海区的海冰面积有显著正相关关系。通过对典型年份冬季北半球极端低温事件极度异常时的大气环流进行分析后发现,当秋季关键海区海冰异常偏少时,冬季西伯利亚高压偏强,其东部偏北风加强,使得欧亚大陆北部的气温偏低,极端低温事件偏多;冬季冰岛低压偏强,其南部的西南风加强,将低纬度温暖的空气带到了非洲北部区域,使其冬季气温偏高,极端低温事件偏少;高层异常反气旋主要位于格陵兰岛附近,其下沉气流不利于形成极端低温天气而导致北美东北部区域极端低温事件偏少。     

FGOALS_g1.1极地气候模拟

对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发展的气候 系统模式FGOALS-g1.1的极地气候模拟现状进行了较为全面的评估。结果表明,FGOALS- g1.1对南北极海冰的主要分布特征、季节变化和年代际变化趋势具有一定的模拟能力。但也 注意到,与观测相比,模式存在以下几方面的问题：(1) 模拟的海冰总面积北极偏多,而南 极偏少。北极,北大西洋海冰全年明显偏多;夏季,西伯利亚沿海海冰偏多,而波弗特海 海冰偏少。南极,威德尔海和罗斯海冬季海冰偏少。南北极海冰边缘都存在异常的较大范 围密集度很小的碎冰区,夏季尤为显著。(2) 海冰流速在南北极海冰边缘和南极大陆沿岸附 近较大。北极,模式没能模拟出波弗特涡流,并且由于模式网格中北极点的处理问题,造成 其附近错误的海冰流场及厚度分布。这些海冰偏差与模式模拟的大气和海洋状况有着密切的 联系。进一步分析表明,FGOALS-g1.1模拟的冰岛低压和南极绕极西风带明显偏弱, 其通过大气环流和海表面风应力影响向极地的热量输送,在很大程度上导致上述的海冰偏差 。此外,耦合模式中大气-海冰-海洋的相互作用可以放大子模式中的偏差。     

一次“大气河”背景下东北冷涡暴雨的诊断分析

利用FNL再分析资料、NCEP GDAS资料和观测降水资料,应用HYSPLIT轨迹追踪模式,对2016年7月25日一次东北冷涡暴雨过程的天气形势背景、大气河在暴雨过程中的作用及其在暴雨前后的演变特征以及暴雨水汽来源进行了诊断分析。结果表明,此次暴雨发生在有利的天气形势背景下,东北冷涡、鄂海阻高、日本以东的低压、高低空急流是这次过程的主要影响系统。暴雨过程中有两条源于西太平洋的大气河,一条经我国南海区域向北继而向东北延伸,核心水汽通量极强,另一条经东海、黄海向北输送,两条大气河的湿层均十分深厚。通过大气河的输送作用,热带地区的暖湿水汽直接输送到中纬度地区,为此次暴雨的产生和维持提供了良好的水汽条件。南来的暖湿气流与东北冷涡环流的偏北干冷气流汇合,在暴雨区附近产生了强烈上升运动,是此次暴雨的主要动力抬升机制。水汽轨迹追踪表明此次暴雨的水汽源地主要有西太平洋、南海、孟加拉湾和欧亚大陆,低层水汽主要由偏南大气河输送,中层水汽主要来自于西南大气河。     

Sensitivity of open-water ice growth and ice concentration evolution in a coupled atmosphere-ocean-sea ice model

A coupled atmosphere-ocean-sea ice model is applied to investigate to what degree the area-thickness distribution of new ice formed in open water affects the ice and ocean properties. Two sensitivity experiments are performed which modify the horizontal-to-vertical aspect ratio of open-water ice growth. The resulting changes in the Arctic sea-ice concentration strongly affect the surface albedo, the ocean heat release to the atmosphere, and the sea-ice production. The changes are further amplified through a positive feedback mechanism among the Arctic sea ice, the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC), and the surface air temperature in the Arctic, as the Fram Strait sea ice import influences the freshwater budget in the North Atlantic Ocean. Anomalies in sea-ice transport lead to changes in sea surface properties of the North Atlantic and the strength of AMOC. For the Southern Ocean, the most pronounced change is a warming along the Antarctic Circumpolar Current (ACC), owing to the interhemispheric bipolar seasaw linked to AMOC weakening. Another insight of this study lies on the improvement of our climate model. The ocean component FESOM is a newly developed ocean-sea ice model with an unstructured mesh and multi-resolution. We find that the subpolar sea-ice boundary in the Northern Hemisphere can be improved by tuning the process of open-water ice growth, which strongly influences the sea ice concentration in the marginal ice zone, the North Atlantic circulation, salinity and Arctic sea ice volume. Since the distribution of new ice on open water relies on many uncertain parameters and the knowledge of the detailed processes is currently too crude, it is a challenge to implement the processes realistically into models. Based on our sensitivity experiments, we conclude a pronounced uncertainty related to open-water sea ice growth which could significantly affect the climate system sensitivity.     

Variations of sea ice temperature from CHINARE 2003 and its application on sea ice model evaluation

Variation of vertical profiles of sea ice temperature and adjacent atmosphere and ocean temperatures were measured by ice drifting buoys deployed in the northeast Chukchi Sea as part of the 2003 Chinese Arctic Research Expedition.The buoy observations (September 2003 to February 2005) show that the cooling of the ice began in late September,propagated down through the ice,reaching the bottom of the ice in December,and continued throughout the winter.In winter 2003/04,some obvious warmings were observed in the upper portion of the ice in response to major warmings in the overlying atmosphere associated with the periodicity of storms in the northeast Chukchi Sea.It is found that the melt season at the buoy site in 2004 was about 15% longer than normal.The buoy observed vertical ice temperature profiles were used as a diagnostic for sea ice model evaluation.The results show that the simulated ice temperature profiles have large discrepancies as compared with the observations.     

适应极地快速变化海冰模式的研发与挑战

极地海冰是地球气候系统的重要组成部分,也是气候环境变化的指示器和放大器.极地海冰复杂的多尺度物理过程和极地观测资料的匮乏,给海冰模式的研发带来了巨大的挑战.在过去的半个多世纪中,大气-海冰-海洋的复杂相互作用和冰内物理过程在海冰模式中的数学描述取得了重大的进展,但海冰模式对一些重要物理过程的描述仍很不完善,尤其是近年来...     

全球多源海冰密集度融合资料研制试验

为了发展一套全球多源海冰密集度逐日融合资料,以欧洲气象卫星应用组织（EUMETSAT）海洋海冰应用中心（OSI SAF）海冰密集度数据、中国国家卫星气象中心（NSMC）的MWRI和VIRR全球海冰密集度数据、美国国家冰雪数据中心（NSIDC）的NISE海冰密集度数据、美国国家冰中心（NIC）的IMS北半球海冰数据为观测数据源,以ERA-Interim模式数据为背景场,采用以下方案开展融合试验。首先,对各数据源资料进行质量控制;其次,以OSI SAF海冰密集度数据为基准,采用概率密度函数（PDF）匹配方法订正其他卫星资料的系统误差;然后,根据订正后的误差生成超级观测场;最后,利用STMAS方法将超级观测场和作为背景场的ERA-Interim海冰密集度数据进行融合,生成全球逐日0.25°分辨率海冰密集度融合试验数据。通过与国际广泛使用的OISST、OSTIA海冰密集度数据对比,评估融合试验产品的质量。结果表明:融合方案中的PDF方法通过调整非基准资料的概率密度分布,实现非基准资料和基准资料概率密度分布一致,从而使3种海冰密集度卫星资料系统误差均显著减小;STMAS方法能够将超级观测场和背景场进行有效融合,生成融合试验产品;风云卫星数据的使用提高了融合数据生产的自主可控能力;同时,融合方案考虑了卫星数据源的时效性、获取的稳定性等因素。融合产品与OISST和OSTIA海冰密集度数据的空间分布在南、北极均高度吻合,相关系数均超过0.985,与OISST和OSTIA的偏差分别为?1.170%和0.276%,融合试验产品整体偏差介于两种资料之间,反映了试验产品系统误差较小的良好特性。可见,融合方案能够满足实时业务需要,融合试验产品具有较高的质量。      

Greenland Ice Sheet Contribution to Future Global Sea Level Rise based on CMIP5 Models简

Sea level rise （SLR） is one of the major socioeconomic risks associated with global warming. Mass losses from the Greenland ice sheet （GrIS） will be partially responsible for future SLR, although there are large uncertainties in modeled climate and ice sheet behavior. We used the ice sheet model SICOPOLIS （Simulation COde for POLythermal Ice Sheets） driven by climate projections from 20 models in the fifth phase of the Coupled Model Intercomparison Project （CMIP5） to estimate the GrlS contribution to global SLR. Based on the outputs of the 20 models, it is estimated that the GrIS will contribute 0-16 （0-27） cm to global SLR by 2100 under the Representative Concentration Pathways （RCP） 4.5 （RCP 8.5） scenarios. The projected SLR increases further to 7-22 （7-33） cm with 2~basal sliding included. In response to the results of the multimodel ensemble mean, the ice sheet model projects a global SLR of 3 cm and 7 cm （10 cm and 13 cm with 2~basal sliding） under the RCP 4.5 and RCP 8.5 scenarios, respectively. In addition, our results suggest that the uncertainty in future sea level projection caused by the large spread in climate projections could be reduced with model-evaluation and the selective use of model outputs.     

冰晶增长对热量收支的影响

使用二维云分辨模式研究冰晶增长过程(云水到冰晶的冻结增长和通过水汽凝华冰晶到雪的增长)对热量收支的影响。采用4种冰晶增长参数化方案模拟了热带到中纬度地区的4个降水个例。研究发现:(1)高冰核浓度的ZENG方案和SHEN方案引起对流层中上层辐射加热增多,这与它们模拟的冰晶在对流层中上层增多有关。(2)高冰核浓度的ZENG方案导致模拟区域—平均的局地温度变化在对流层上层出现异常减小值,这与它在热带个例中导致垂直热量通量辐合减少和在中纬度个例中导致潜热加热减少有关。(3)尽管高冰核浓度的ZENG方案引起质量加权平均的辐射加热增多,但是它在热带个例中引起地表感热通量减少和在中纬度个例中引起潜热加热减少,最终导致4种参数化方案计算的模拟区域—质量加权平均的局地温度变化基本一致。     

Arctic sea ice and Eurasian climate: A review

The Arctic plays a fundamental role in the climate system and has shown significant climate change in recent decades,including the Arctic warming and decline of Arctic sea-ice extent and thickness. In contrast to the Arctic warming and reduction of Arctic sea ice, Europe, East Asia and North America have experienced anomalously cold conditions, with record snowfall during recent years. In this paper, we review current understanding of the sea-ice impacts on the Eurasian climate.Paleo, observational and modelling studies are covered to summarize several major themes, including: the variability of Arctic sea ice and its controls; the likely causes and apparent impacts of the Arctic sea-ice decline during the satellite era,as well as past and projected future impacts and trends; the links and feedback mechanisms between the Arctic sea ice and the Arctic Oscillation/North Atlantic Oscillation, the recent Eurasian cooling, winter atmospheric circulation, summer precipitation in East Asia, spring snowfall over Eurasia, East Asian winter monsoon, and midlatitude extreme weather; and the remote climate response(e.g., atmospheric circulation, air temperature) to changes in Arctic sea ice. We conclude with a brief summary and suggestions for future research.     

BCC_CSM北极海冰模拟性能的改进对东亚冬季气候模拟的影响

国家气候中心气候系统模式(BCC_CSM)将美国Los Alamos国家实验室发展的海冰模式CICE5.0替代原有的海冰模式SIS,形成一个新版本耦合模式,很好地提高了模式对北极海冰和北极气候的模拟能力.在此基础上,本文评估新耦合模式对1985-2014年东亚冬季气候的模拟性能,检验北极海冰模拟性能的改进对东亚冬季气候...     

江苏省冰粒过程的天气特征和预报着眼点探讨

利用常规气象观测资料、微波辐射计资料和FNL再分析资料对2016年3月8日和2015年2月27日江苏省两次冰粒过程进行了对比分析,研究结果表明:(1)两次过程均是在后倾槽系统和东路冷空气的影响下产生的,环流形势为冰粒的产生提供了有利的大尺度条件;(2)在临近冰粒形成前,融化层和冻结层形成,而干层的形成时间要明显早于融化层和冻结层;(3)偏北的冷气流与偏南的暖气流随时间和空间分布不同导致温度平流分布不同,进而导致融化层和冻结层产生;(4)干层的形成主要是由于湿度平流随高度的分布差异造成的,水滴在干层中的蒸发吸热作用促进冻结层产生和维持。     

我国不同背景地区大气冰核浓度特征及参数化

为深入了解我国不同背景地区大气冰核浓度特征,本文通过在我国不同地区进行大气冰核及气溶胶的采样观测。研究发现：观测期间,黄山光明顶的冰核浓度数值均值为2.208 L^-1;南京地区的冰核浓度数值均值为7.16 L^-1;泰山山顶的冰核浓度数值均值为3.455 L^-1;泰山山底的冰核浓度数值均值为4.818 L^-1;新疆地区无沙尘天气冰核浓度数值均值为11.27 L^-1;新疆有沙尘天气冰核浓度数值均值为51.812 5 L^-1。研究给出了不同背景地区的大气冰核浓度的温度谱和湿度谱的分布。同时,研究发现,冰核数浓度与粒径大于0.5μm的气溶胶粒子数浓度的相关性较高,也就是气溶胶粒子中大颗粒所占比例越高,冰核数浓度越高。此外,还建立了基于活化温度、过饱和度以及大于0.5μm气溶胶粒子数浓度的冰核参数化方案,它们可以分别适用于沙漠地表,相对清洁的背景区域和人为污染较多的城市背景。