陆面水文—气候耦合模拟研究进展

陆面水文过程是全球/区域气候模式十分重要而又十分薄弱的环节。本文通过科学文献计量法,分析了陆面水文—气候耦合研究的发展状况及研究热点和趋势,并进一步对研究中存在的问题和挑战进行综述和探讨。现有多数气候模式中的陆面模式主要基于一维垂向结构设计,缺乏对流域尺度水文过程的精细描述,尤其缺乏下垫面人类活动影响的描述。因此,为了科学认识水文过程与气候变化的相互反馈作用机制,大量研究主要通过耦合流域水文模型与气候模式,研究不同时空尺度下水文过程变化的气候反馈效应。陆面过程模式中水文过程的改进和大尺度水文模型发展为陆面水文—气候耦合模拟奠定基础,在此基础上,陆面水文—气候耦合研究正从传统的单向耦合研究逐步发展为考虑气候—水文反馈的双向耦合研究。然而,双向耦合研究远未成熟,其问题集中表现为陆面水文—气候模型耦合过程如何匹配并提高系统稳定性、研制有效的尺度转换方案、完善参数化方案并评估参数不确定性、研制有效参数移植方法并提高模型适用性以及高分辨率甚至超分辨率模拟等方面,逐步解决上述问题并提高模拟精度是未来水文—气候耦合模拟研究的重要发展方向。     

黄土高原不同气候区裸地水、热特征对比

为了更好地理解陆地表面水、热通量的空间差异,利用2009年和2010年1月黄土高原陆面过程观测试验（LOPEX）的陆面过程资料,对比分析了不同气候区主要地表水、热通量特征。结果表明：半干旱区的定西在近地层气象要素、土壤湿度、动量通量、地表能量及CO2通量等主要陆面特征物理量与半湿润区的平凉、庆阳差异明显;气候背景相接近的平凉、庆阳的主要陆面特征量比较接近。虽然地形、地势、海拔、下垫面影响因子也是影响陆面特征的重要因素,但是气候背景差异愈明显,陆面特征差异也愈大,即一个地区的气候背景是陆面过程特征的主要决定因子,对陆面特征产生综合影响,而地形、地貌只对一个或几个陆面物理量有影响。     

气候变化对南极冰面湖的影响研究:以埃默里和拉森A冰架为例

冰面湖作为区域气候变化的灵敏指示器,对研究全球气候变化背景下南极冰冻圈的稳定性具有重要意义。本文基于2000—2019年区域气象数据、LandsatETM+/OLI影像与LIMA(LandsatImageMosaicof Antarctica)镶嵌影像,选取东南极的埃默里冰架和西南极的拉森A冰架作为研究区,采用归一化水体指数(Normalized Difference Water Index, NDWI)提取冰面湖面积信息,对冰面湖面积与气象数据开展遥相关分析,探索冰面湖与区域气候变化的联系。结果表明:埃默里冰面湖总面积较为稳定并有减小趋势,拉森A冰面湖总面积则呈增加趋势;冰面湖与气温和海温之间存在正向反馈特征;两个冰架区域的反馈特征规律明显不同,埃默里冰面湖面积受气温影响显著,但受海温影响并不明显,而拉森A冰面湖则对海温变化敏感,其面积与海温变化趋势一致。     

近30年北极海冰异常变化趋势

在过去30年间,北极气候发生了前所未有的异常变化,北极海冰变化更是经历了令人瞩目的、从平缓到突变的缩减过程,因此,北冰洋及其海冰的研究得到广泛的重视。综述当前国内外有关北极海冰快速变化的研究工作,对这些大气的现场观测和卫星遥感资料的分析,以及一些全球和区域气候模拟的结果,基本上一致地指出了近3O年来北极海冰的快速衰减趋势,尤其是夏季北极海冰正以每lO年超过10％的变化幅度快速减少。从海冰的基本物理特征、与大气海洋相互作用的物理过程、及其对全球和北极气候变化的响应和反馈机制,研究形成这种快速变化的因子--海表面气温增暖,太平洋与大西洋人流的热盐性质变化,以及大气环流模态的影响等。     

北极科学考察计划简介

北极是全球变化最敏感的地区之一。由于全球变暖,北冰洋在最近几十年发生了明显的异常变化,对全球和我国气候都产生了重要影响。深入、持续地研究北极的海洋与海冰过程,探讨海洋与海冰变异对全球以及我国气候的影响成为当务之急。2007—2008国际极地年期间,在北冰洋中心区以及北极太平洋和大西洋扇区等关键海区,依托“雪龙”号破冰考察船,组织2008和2009年两个夏季航次的多国联合考察,参加其他国家的航次考察,系统观测海洋、海冰和大气变化,研究北极海洋和海冰快速变化对我国及全球气候系统的影响。1目的意义我国是北半球国家,处于中纬度地…     

全球及区域模式中陆面过程的地表植被覆盖分类方法

全球和区域尺度上陆面生态系统与气候密切相关。全球和区域模式的发展对于我们认识气候与陆地生态的变化起到重要作用。在这些模型中,植被覆盖是影响大气-植被间热量、水分和CO2等交换的重要陆面参数。在分析了陆地植被覆盖分类原理基础上,介绍了目前全球不同植被覆盖分类方案,包括基于地基观测的植被分布、基于生物气候特征的分类方案（如：Holdridge的方案）;特别近年来陆面过程试验表明,各种遥感数据源（如：NOAA—AVHRR,EOS—MODIS,Landsat—TM）等为我们提供了有利的工具来监测全球植被动态,完善植被分类,并且采用高时空分辨率的全球土地覆盖状况特征,在不同时空尺度揭示植被-大气相互作用。本文分析了代表性的3种基于卫星遥感技术的陆面植被分类方案,分别是BATS（18类）、SIB（9类）、SIB2（12类）和BIOME—BGC（31类）陆地模式的植被覆盖分类方案．最后分析了目前可用于全球植被覆盖分类的新的遥感数据库。     

黄土高原地区土地覆盖变化对气候的反馈作用数值模拟

区域尺度土地覆盖变化是自然变化和人类活动共同驱动的结果,同时又对区域气候环境产生反馈。利用欧洲中值数值预报中心（ECMWF） ERA-Interim再分析资料,驱动RegCM4.5区域气候模式,进行了两个时间段（1980-2014、2005-2014）的数值模拟试验。以1：250 000土地利用图为基础,结合植被图、土壤图制作具有高精度、极强现势性的土地覆盖资料,区域模式中陆面过程模式采用BATS,模拟了现实的土地覆盖改变对气候要素的影响,分析了黄土高原地区土地覆盖变化对气候的反馈作用。结果表明：（1） RegCM4.5不但能够较好描述黄土高原气温、降水的时间空间分布特征,也能够模拟土地覆盖变化对黄土高原局地气候变化的反馈。（2）不同土地覆盖变化特征对气候反馈作用不同,荒漠化会引起局部地区气温升高和降水减少,并通过正反馈机制,致使自然植被生长发育受阻;水域旱化会导致夏季气温升高和降水增加,从而加剧干旱洪涝灾害风险;草地覆盖增加会导致春夏季降水量与气温的降低,秋冬季降水量与气温升高。（3）土地覆盖变化对气温与降水的影响在夏季较强。该研究可促进对黄土高原生态治理环境效应的理解,也能深化对土地利用-气候变化之间互馈作用的过程认识,并为区域生态建设对策选择提供参考。     

南极海冰的时空变化特征

依据Hadley中心提供的全球海冰密集度格点资料 ,利用诊断分析方法 ,对近 35年来南极海冰的时空变化特征进行了研究。研究表明 ,在南极地区 ,海冰平均北界和海冰总面积的变化基本一致 ,可以用海冰北界来研究南极海冰的时空变化特征。南极海冰最多和最少期分别出现在 9月和 2月 ;威德尔海和罗斯海地区海冰最多、变化最大 ,南极半岛地区海冰最少 ,变化也小 ;近 35年来环南极地区的海冰有明显的减少趋势。南极海冰变化的时空多样性十分明显 ,存在着 5个变化不同的区域 ,其中有两个区域近 35年来海冰范围扩大 ,面积增加 ,而另三个区域则海冰范围缩小 ,面积减少。不同区域的海冰都存在着较明显的 2- 3年和 5- 7年主振荡周期。南极海冰时空变化特征的研究对进一步认识南极地区海 冰 气相互作用的物理过程 ,讨论南极海冰变异与大气环流和天气气候的关系有重要意义     

宁夏春季典型沙尘暴年环流特征量分析

利用近1960-2000年宁夏春季沙尘暴发生次数及常规气象与环流特征量、海温等资料, 首先分析得出了宁夏近41a来沙尘暴发生频次的变化规律; 其次通过对宁夏典型沙尘暴多、少年气候特征对比分析, 发现沙尘暴多、少年前期气象要素及环流特征量存在明显差异: 沙尘暴少(多)发年前一年夏季及前一年夏季到当年春季累积降水量偏多(少); 冬春季冷空气活动次数偏少(多); 前期及同期北半球极涡面积偏小(大)、强度偏弱(强); 冬季东亚大槽位置偏东(西)、强度偏弱(强); 前一年春季北太平洋海温距平场表现为厄尔尼诺遥相关分布型(反厄尔尼诺遥相关分布型)。依据作用机理, 提出了在西北地区生态环境局部治理、整体恶化背景下, 宁夏春季沙尘暴发生频次减少, 主要是东亚环流调整、冬季风减弱所致, 同时还形成了宁夏春季沙尘暴短期气候趋势预测概念模型。     

中国干旱半干旱区气候异常影响机理研究进展

干旱半干旱区占中国陆地面积一半以上,生态环境脆弱,对全球气候变化和人类活动的响应敏感,极端气候事件呈多发、强发态势。该区域的气候异常不仅受到大气内部变率的调制,还受海温、海冰和积雪等下垫面影响,这些物理因子对干旱半干旱区气候异常起关键性作用。文章系统性地回顾和梳理了这些物理因子对中国干旱半干旱区气候异常影响的研究。研究表明：大气遥相关作为气候异常的内部影响因子,其位相转变造成的环流异常会通过调控急流位置、行星波活动、阻塞强度、槽脊位置等造成干旱半干旱区气候异常;而海温则通过影响季风强度、沃克（Walker）环流强度、西太平洋副热带高压位置及激发大气罗斯贝（Rossby）波响应等方式对干旱半干旱区气候异常产生影响;积雪通过反照率效应和水文效应,改变地表辐射、土壤温湿度等下垫面热力状况,进而通过非绝热加热或改变大气斜压性等方式对干旱半干旱区气温和降水产生显著作用。文章在总结已有研究进展的基础上,指出不同因子之间的协同作用机制以及各因子对中国干旱半干旱区气候异常的贡献仍有待进一步研究。     

The coupled characteristics of the physical process between sea ice of two poles and Tibetan land surface

In order to discuss the characteristics of sea ice change of strong signal area on Antarctic and Arctic and the correlation between the thermal state on the land surface of Tibetan Plateau and the atmosphere circulation of North Hemisphere or the climate changes in China, and to study the feedback mechanism among “three-pole” factors, the earlier stage “three-pole” strong signal characteristics by using statistic methods such as teleconnection,which affect the regional climate changes in China and East Asia. The cross-correlation feature and coupling effect between ice caps of North and South pole and water-thermal state on Tibetan Plateau surface are discussed as well. The contribution of three-pole's earlier stage factors to China's summer climate change and the influence of its dynamic structure are compared here. The formation mechanisms of global climate change and regional climate change of China are investigated from the aspect of qualitative correlation mode of global sea-land-air-ice.     

The research of Polar sea ice and its role in climate change

As an important part of global climate system,the Polar sea ice is ef fecting on global climate changes through ocean surface radiation balance,mass balance,energy balance as well as the circulating of sea water temperature and salinity.Sea ice research has a centuries-old history.The many correlative sea ice projects were established through the extensive international cooperation d uring the period from the primary research of intensity and the bearing capacity of sea ice to the development of sea/ice/air coupled model.Based on these rese arches,the sea ice variety was combined with the global climate change.All res earch about sea ice includes:the physical properties and processes of sea ice a nd its snow cover,the ecosystem of sea ice regions,sea ice and upper snow albe do,mass balance of sea ice regions,sea ice and climate coupled model.The simu lation suggests that the both of the area and volume of polar sea ice would be r educed in next century.With the developing of the sea ice research,more scient ific issues are mentioned.Such as the interaction between sea ice and the other factors of global climate system,the seasonal and regional distribution of pol ar sea ice thickness,polar sea ice boundary and area variety trends,the growth and melt as well as their influencing factors,the role of the polynya and the sea/air interactions.We should give the best solutions to all of the issues in future sea ice studying.     

北半球积雪/海冰面积与温度相关性的差异分析

积雪和海冰的时空变化对区域以及全球的气候、水文具有重要影响。基于雪冰数据和NCEP再分析气温数据,利用MK检验、滞后分析等方法,分析了积雪、海冰的时空变化特征及其与温度的相关特征。结果表明：1979-2013年,北半球积雪区、北极圈的年均温度呈显著上升的趋势,而积雪面积和海冰面积呈显著下降的趋势。在大部分地区,积雪覆盖频率随着温度的上升呈显著减少的趋势,但在中国长江中下游、青藏高原等局部地区,积雪覆盖频率随着温度的上升呈显著增加趋势。在大部分的近陆地海域,海冰覆盖频率随着温度的上升呈显著下降趋势。超前时间1~2个月的温度与海冰面积的负相关性最高。超前1~4个月的温度与积雪面积的负相关性最高。温度对海冰的影响时间比对积雪的影响时间长1~2个月。温度变化对海冰和积雪的影响存在一致性,但积雪和海冰对温度的响应时间存在差异,具有空间变异性。     

1979—2013年南大洋海冰变化特征及与典型气候变化因子的相关性分析

全球气候变化导致的南大洋海冰变化已引起广泛关注,基于近35年来该区域海冰覆盖范围的时空变化规律,运用Pearson相关和聚类分析等方法,探讨多元厄尔尼诺指数（MEI）、海洋尼诺指数（ONI）以及臭氧空洞面积气候变化因素与海冰覆盖范围的关系。南大洋海冰呈1.1%（±0.6%）小幅度增长,近5年印度洋海域海冰增长最快。1—6月别林斯高晋/阿蒙森海域、6—9月和11月威德尔海域海冰的多年变化趋势均为负增长。在南大洋5大片区中海冰与气候变化因子的关系不同,其中ONI影响别林斯高晋/阿蒙森、威德尔、印度洋、罗斯海海域;MEI主要影响印度洋和罗斯海海域;臭氧空洞主要影响罗斯海和威德尔海域。海冰变化对气候变化的响应存在不同程度的滞后性。     

北极海冰消融情景下环北极国家利益争端的动态博弈建模技术

以气温升高为主要特征的全球气候变化,致使北极海冰持续融化,北极地区丰富的资源、便捷的航行通道、重要的战略地位以及军事价值逐渐凸显出来。北冰洋沿岸的美国、俄罗斯、加拿大、丹麦和挪威等国家纷纷加入到北极利益争夺的行列中。为模拟和评估环北极国家在利益追逐中的合作与冲突行为的演化,基于博弈论思想,构建了环北极五国博弈的动态争端模型,提出了物质收益、惩罚损失和名誉收益等三个机制,综合考虑了气候变化、物质收益、国家关系与国家威望、国际法律法规等因素对环北极五国行为的综合影响。针对当前环北极各国在北极问题上的合作与争端开展了动态博弈建模,并对北极海冰完全消融情景时环北极各国在多种不同合作模式下的争端情况进行了模拟预估与实验仿真。     

15万年以来极地冰芯、黄土、深海沉积的对比研究与全球变化

由极地冰芯记录、中纬黄土记录和深海沉积记录的对比可得，１５万年以来全球变化的基本框架为：末次间冰期，从距今１４万年开始到约１２．５万年达鼎盛，可分为五个阶段，即冰芯中三次高温期夹两次低温期；黄土中三层古土壤夹两层黄土；深海沉积中三次高海面夹两次低海面。末次冰期，距今８万年到１万年，可分为三个阶段，早、晚冰段和中间的间冰段。早、晚冰段盛期气候寒冷程度相当，但晚冰段最低温持续期更长，造成海面比早期更低。中间的间冰段，至少可分为７个亚段，即４次暖期（４次弱成土古土壤）夹３次冷期。全新世与末次间冰期对比，总体气候变化较平缓。在上述基本框架中，近几年发现，在末次冰期存在许多短周期、高频快速变化事件。这些事件，温度变化幅度达７℃，变化速率为几年到几十年，对应的环境变化速率可能更快。这些事件的引发机理目前还不清楚，有待进一步研究。     

基于CryoSat-2测高数据的北极格陵兰海海冰干舷高提取研究

北极是全球气候和环境变化的驱动器之一,获取北极海冰的时空特征和变化规律对研究北极以及全球气候变化意义重大。格陵兰海是北极海冰剧烈变化的区域之一,采用CryoSat-2的雷达测高数据,获取了格陵兰海的海冰干舷高分布,并利用波弗特环流计划(BGEP)仰视声呐(ULS)数据进行了验证。研究结果表明,格陵兰海海冰干舷高和分布范围存在明显的季节性变化特征,具体体现在格陵兰海海冰从10月份进入冻结期开始,海冰分布范围不断扩张,海冰干舷高也逐渐增大,2月份平均干舷高达到最大(0.2 m),之后格陵兰海海冰开始消融,覆盖范围不断内缩,9月海冰干舷高降至最小(0.13 m)。     

南极海冰与我国夏季天气的关系

南极各区海冰变化不同,这种不同的变化必然对各区局地大气环流产生不同的影响,进而可能对全球气候系统产生不同的作用。本文利用Hadley中心提供的1968年1月-2002年12月全球海冰密集度格点资料,结合中央气象台的北半球500hPa、100hPa高度场资料以及中国160站降水、温度资料,利用诊断分析方法,分别对南极Ross海区和Weddell海区海冰与我国夏季天气的关系进行了研究。研究表明,南极Ross海区和Weddell海区海冰对我国夏季天气均具有指示意义。Ross海区是影响我国夏季东北地区降水的海冰关键区,若该区上一年9月海冰偏多,则来年6月我国东北降水偏少;Weddell海区是影响我国夏季东北温度的海冰关键区,若该区上一年9月海冰偏多,则来年6月我国东北温度偏低。     

基于多时序遥感数据的中山站附近地区海冰监测及雪龙船航迹特点分析

极地海冰是全球气候系统的重要组成部分,具有一定的季节和年际变化,它对极地科学考察有着重要影响。本文利用MODIS L1B级数据,经监督分类提取冰雪二值图并计算海冰面积,分析2000—2014年中山站附近地区的海冰的季节性和年际变化;结合Landsat影像及雪龙船航迹数据,分析2007—2012年雪龙船到达中山站的航迹特点,为极地科学考察提供参考。研究结果表明,2000—2014年中山站附近地区海冰年际变化规律大体一致,且在每年8月至次年3月有明显的季节性变化规律——海冰面积在9月底10月初达到最大值,在2月中下旬达到最小值;雪龙船到达中山站时间为该地区海冰融化的初期,其航迹特点与海冰分布密切相关。