我国夏季风过渡区陆-气相互作用研究的新进展

中国夏季风过渡区是全球陆-气相互作用强盛区域之一，也是极端天气灾害频发且易造成严重经济损失的区域，对过渡区陆-气相互作用的进一步认识将有助于提升该区域防灾减灾能力。以近年来中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室为平台开展的夏季风过渡区相关项目群取得的研究成果为基础，对过渡区陆-气相互作用时空分布规律、陆面水分收支对夏季风响应新特征、边界层时空变化特征及发展机制、季风与陆-气相互作用对区域气候影响、陆-气相互作用对作物产量影响以及多因子和多尺度动力学粗糙度参数化方案等方面的新进展进行系统总结，并根据夏季风过渡区陆-气作用研究的发展趋势，提出今后应在侧重加强陆-气交换多循环过程对夏季风年循环响应规律研究基础上，探讨陆-气相互作用对夏季风的多尺度动态响应，建立地表过程和大气边界层关键物理量的气候动力学关系，以改进和提升区域气候模式模拟水平。该工作对推动我国陆-气耦合过程的研究具有重要意义。     

复杂条件陆-气相互作用研究领域有关科学问题探讨

实际大气都是在复杂条件之下,所以复杂条件带来的问题已成为陆-气相互作用研究领域面临的最大科学挑战,严重制约了该领域研究成果在解决实际天气气候问题中的应用。在概要总结近年来中国复杂条件陆-气作用研究领域进展的基础上,对复杂条件下陆-气相互作用有关的科学问题进行了探讨。从陆面过程和大气边界层这两个陆-气相互作用的关键环节分析了影响陆-气相互作用复杂条件的机制,归纳了复杂条件下陆-气相互作用研究领域面临的关键科学问题。同时,以复杂下垫面陆面过程和非均匀大气边界层问题为重点讨论了突破复杂条件陆-气相互作用关键科学问题的基本思路,并对进一步开展复杂条件陆-气相互作用研究提出了初步的科学建议。      

基于多源陆面通量数据相融合的新资料及其在中国夏季风影响过渡区的应用

夏季风影响过渡区是陆面能量交换与区域气候相互作用显著的热点区域。然而,目前缺乏适用于该区域的高精度长期通量数据集,这限制了陆面水热交换与气候相互作用的研究。如何融合目前已有的多源通量资料进行重构建以及应用显得十分必要。本研究综合包括中国北方协同观测试验和中国通量网的多种下垫面通量观测以及多种格点资料,试图重构中国夏季风影响过渡区的陆面能量通量数据集。在筛选具有优良下垫面代表性站点并考察模拟和观测散点分布规律的基础上,利用多元回归模型构建了一套适用于夏季风影响过渡区并且受观测资料约束的月平均感热、潜热和净辐射数据集。交叉验证结果表明构建的数据集相对于几种原始格点数据集精度有一定提高,最大程度上消除了原始格点资料的系统偏差。进一步分析表明在地表能量平衡分量中,陆面湍流通量对夏季风的响应更为显著,并且夏季风影响过渡区陆面湍流热通量对夏季风持续时间呈现对数分布的年际变化规律;当夏季风处于低持续影响状态时陆面湍流热通量年际变化更为显著,偏弱的夏季风系统可能导致陆面过程对气候变化更强的影响。本文基于多源通量数据融合构建的新数据集可以为气候变化研究提供数据支撑,同时增加了对陆面过程与季风系统相互作用的认识。     

2004年南海夏季风的爆发及中南半岛陆面过程的可能影响Ⅰ:诊断分析

南海夏季风的爆发受高原、海洋(海-气相互作用)、冷空气和陆地(陆面过程或陆-气相互作用)等多种因素的影响,其中中南半岛由于是连接南海夏季风和印度、孟加拉湾季风的关键区,而且孟加拉湾不仅是亚洲最早爆发夏季风的地区,又是副热带高压最早断裂的地区.因此它的陆面过程对南海夏季风的影响是不可忽视的.文章从2004年南海夏季风爆发前后的环流和降水分析其活动特征,并进一步研究中南半岛陆面过程对南海夏季风的爆发日期和强度的影响.2004年南海夏季风于5月19日爆发,利用NCEP再分析资料及地面站点降水资料对这次季风爆发前后的环流形势和降水分布进行分析,结果表明强对流活动由孟加拉湾移到中南半岛,引起中南半岛的降水增大,导致陆面过程发生改变(包含土壤湿度,感热、潜热通量,向上长波辐射),最终使得中南半岛-南海之间的低层气温差出现符号逆转,为南海夏季风的爆发提供了必要的条件.此外,中南半岛-南海低层气温差同南海夏季风的活跃程度有密切的联系.通常负的温差出现后不久,南海夏季风即进入活跃期或非活跃期,正的温差出现之后则常常是南海夏季风的中断期.     

城市化环境大气污染模型动力学问题

城市化环境大气污染动力学问题是城市环境大气污染形成机理及其治理原理研究中核心理论问题,该文从城市化环境大气污染各类复杂的交叉影响因素角度,初步描述了城市环境大气多尺度相互作用;城市建筑群及其周边地形影响;下垫面及陆面过程对城市环境大气动力结构形成的影响效应;城市环境水-土-气污染形成的多圈层相互作用等问题.并且综合分析探讨了城市环境大气污染的动力学特征及其影响作用.通过理论问题的讨论,给出了本项目开展的BECAPEX现场观测试验的设计实施和城市污染"大锅盖"特征结构研究的科学问题.     

2004年南海夏季风的爆发及中南半岛陆面过程的可能影响 I： 诊断分析

南海夏季风的爆发受高原、海洋(海气相互作用)、冷空气和陆地(陆面过程或陆气相互作用)等多种因素的影响,其中中南半岛由于是连接南海夏季风和印度、孟加拉湾季风的关键区,而且孟加拉湾不仅是亚洲最早爆发夏季风的地区,又是副热带高压最早断裂的地区。因此它的陆面过程对南海夏季风的影响是不可忽视的。文章从2004年南海夏季风爆发前后的环流和降水分析其活动特征,并进一步研究中南半岛陆面过程对南海夏季风的爆发日期和强度的影响。2004年南海夏季风于5月19日爆发,利用NCEP再分析资料及地面站点降水资料对这次季风爆发前后的环流形势和降水分布进行分析,结果表明:强对流活动由孟加拉湾移到中南半岛,引起中南半岛的降水增大,导致陆面过程发生改变(包含土壤湿度,感热、潜热通量,向上长波辐射),最终使得中南半岛—南海之间的低层气温差出现符号逆转,为南海夏季风的爆发提供了必要的条件。此外,中南半岛—南海低层气温差同南海夏季风的活跃程度有密切的联系。通常负的温差出现后不久,南海夏季风即进入活跃期或非活跃期,正的温差出现之后则常常是南海夏季风的中断期。     

一个植被模式的检验和它在陆气相互作用中的应用

简要介绍了一个植被模式（Simplified Simple Biosphere Model）的发展过程及其在气候研究中的作用。许多观测资料被用来检验和标定这个模式。文中着重介绍了俄罗斯土壤湿度资料和非洲的HAPEX-Sahel观测资料如何帮助我们改进模式和对陆面过程的机制的认识,对观测误差的影响也作了讨论。在地气相互作用中,着重讨论了东亚地气作用的特征。在文中介绍的两个东亚地区的试验中,尽管地面的异常被假设在东亚的两个不同的地区,但都对夏季风传输途径上的降水有很大影响。最后用一个区域模式对陆面模式在预测试验中的应用作了简介。初步的结果显示,这将是一个有很大发展潜力的新领域。     

陆面水文过程研究进展

本文回顾了近年来中国科学院大气物理研究所在陆面水文过程的观测、模式发展以及陆气相互作用研究等方面所取得的重要研究成果。首先概述了近年来在中国区域所开展的陆气相互作用野外观测试验,通过资料分析揭示了国际上现有陆面模式对干旱／半干旱地区陆气相互作用模拟的偏差,指出典型干旱／半干旱区陆面过程参数修正的必要性;随后重点描述了陆面过程模式中积雪覆盖度和冻土参数化方案的发展,中国区域土壤湿度的时空分布特征及其对区域气候的影响,以及中国区域大尺度水文模式的研制和应用等;最后给出了陆面水文过程研究的趋势和发展方向的展望。     

新书架

正《陆-气相互作用对东亚气候的影响》张井勇,吴凌云著该书从简要回顾陆-气相互作用的基本过程、陆面过程模式的发展进程及陆面反馈对气候影响的研究进展开始,系统介绍了陆-气相互作用对东亚气候影响的最新研究成果。全书共分为五个部分:陆-气相互作用的基本过程及其对气候的反馈作用;土壤湿度-大气相互作用对东亚气候的影响;土壤温度-大气相互作用对东亚气候的影响;植被-大气相互作用对东亚气候的影响;绿洲效应对局地气候的影响。本书     

中国区域陆气耦合强度的时空分布特征

使用陆气耦合强度来表征陆面状态对降水、气温或大气其他物理过程的影响程度,可以辨识陆气相互作用的热点地区,加深对陆气相互作用和气候系统的认识。利用ERA5再分析资料,结合Pearson相关系数、Kendall’s Tau相关系数及土壤湿度-潜热通量、潜热通量-抬升凝结高度的陆气耦合指数对中国区域陆气耦合强度进行定量分析。结果表明:(1)我国北方干旱半干旱区土壤湿度增大导致潜热通量增加,为降水提供了所需的水汽条件;潜热通量增大导致感热通量减小,温度降低,对边界层的驱动减弱,不利于气团的抬升凝结,该区域是我国陆气相互作用的热点地区。(2)我国陆气耦合强度存在显著的季节性差异。干旱半干旱区陆气耦合强度在春夏季较强,秋冬季较弱。西南地区春季土壤湿度较低,有显著的陆气相互作用。     

由非季风区向季风区过渡过程中大气边界层结构的变化分析

利用中国西北中部具有代表性的非季风区、夏季风影响过渡区和季风区的7个高空站的2013年夏季晴天07时、13时、19时（北京时）的大气边界层资料,通过分析大气边界层位温、比湿、风速的垂直结构,发现大气边界层结构及厚度在不同区域的分布特征:稳定边界层厚度、残余层顶高度和对流边界层厚度从非季风区、夏季风影响过渡区至季风区出现阶梯性大幅降低,从非季风区至夏季风影响过渡区,以及从夏季风影响过渡区至季风区,对流边界层厚度降幅依次为25.6%和81.8%,稳定边界层厚度降幅依次为58.3%和41.8%;在稳定边界层条件下,可观察到低空急流的存在,非季风区低空急流出现高度明显高于夏季风影响过渡区和季风区,且非季风区的低空急流风速也明显大于夏季风影响过渡区和季风区。通过分析与大气边界层发展最为密切的陆面热力因素在不同气候区的分布,净辐射值、日地-气温差最大值以及感热通量值在非季风区大于夏季风影响过渡区和季风区,从陆面热力过程为非季风区大气边界层厚度大于夏季风影响过渡区和季风区提供了理论依据。     

Regional Features and Seasonality of Land–Atmosphere Coupling over Eastern China

Land-atmosphere coupling is a key process of the climate system, and various coupling mechanisms have been proposed before based on observational and numerical analyses. The impact of soil moisture(SM) on evapotranspiration(ET) and further surface temperature(ST) is an important aspect of such coupling. Using ERA-Interim data and CLM4.0 offline simulation results, this study further explores the relationships between SM/ST and ET to better understand the complex nature of the land-atmosphere coupling(i.e., spatial and seasonal variations) in eastern China, a typical monsoon area. It is found that two diagnostics of land-atmosphere coupling(i.e., SM-ET correlation and ST-ET correlation) are highly dependent on the climatology of SM and ST. By combining the SM-ET and ST-ET relationships, two "hot spots" of land-atmosphere coupling over eastern China are identified: Southwest China and North China. In Southwest China, ST is relatively high throughout the year, but SM is lowest in spring, resulting in a strong coupling in spring. However, in North China, SM is relatively low throughout the year, but ST is highest in summer, which leads to the strongest coupling in summer. Our results emphasize the dependence of land-atmosphere coupling on the seasonal evolution of climatic conditions and have implications for future studies related to land surface feedbacks.     

区域海气耦合模式对1998年5～8月东亚近海海况的模拟研究

采用区域海气耦合模式对1998年5～8月东亚近海海况进行了模拟研究。耦合模式模拟出了黑潮海流及其右侧的大尺度反气旋式涡旋,对南海表层海流的模拟也与实际基本相符,并模拟出了南海海流受季风影响较大的特点。模式也模拟出了伴随西南季风爆发及推进而发生的海温突增及暖水区北推过程。这为进行区域气候变化与区域海气相互作用问题的研究开辟了一条新途径。     

Mechanisms of monsoon-Southern Oscillation coupling: insights from GCM experiments

 The relative roles of internal atmospheric dynamics, land surface evaporation and sea surface temperature (SST) forcings on the coupling between the Asian monsoon (AM) and the Southern Oscillation (SO) are investigated in a series of GCM experiments. Results confirm previous studies indicating that the characteristic large-scale pattern of the SO is due primarily to SST anomaly (SSTA) forcing. The AM circulation anomalies are coupled to the SO via a characteristic upper level circulation couplet over the equatorial central Pacific. This couplet acts as a radiating node for teleconnection signals originating from the AM region to the extratropics. Generally, a weak AM is associated with warm SST over the eastern equatorial Pacific, concomitant with the negative phase of the SO, i.e., low (high) surface pressure over Tahiti (Darwin). The reverse holds for strong AM. Two wavetrains associated with the AM fluctuation have been identified: one arcing over northeastern Asia via the Aleutians to North American, and another emanating from northwestern Europe, via Siberia to northern India. Internal dynamics appear to underpin the origin of these wavetrains, which are strongly tempered by SSTA forcing and to a lesser degree by interactive land processes. Regionally, land-atmosphere interaction seems to have the strongest impact over East Asia/Indochina and the adjacent oceanic region of the South China Sea. Here, land-atmosphere interaction is responsible for the enhancement of a subseasonal scale see-saw oscillation in precipitation between land and the adjacent oceans. A local land-atmosphere feedback mechanism involving strong coupling between the hydrologic and energy cycles is identified. It is suggested that the interaction among precipitation, moisture convergence and land surface turbulent heat fluxes and radiation processes play key roles in determining the fast (subseasonal and shorter scales) response of the AM. On these time scales, the occurrences of cool/wet and hot/dry states associated with the precipitation seesaw appear to be chaotic. However, the preferred occurrence of a given state and the abrupt transition between states are dependent on the large-scale circulation and radiation forcings induced by the SO. One of the more provocative findings here is that effects of land-atmosphere interaction do not seem to alter the basic planetary scale features of the AM-SO system. As a result, the interannual variability of the coupled AM-SO is relatively small in the absence of anomalous SST forcing. Yet, the local effect of land-atmosphere interaction on AM is quite pronounced and dependent upon the large-scale forcings related to SO. Received: 18 November 1997 / Accepted: 07 April 1998     

登陆台风与环境因子相互作用对暴雨的影响研究综述

综述登陆台风造成的暴雨强度和范围不仅受台风强度、范围及结构等的影响,还与环境场密切相关。对低空急流、中纬度西风槽及冷空气、季风、大陆高压、台风周围的残涡或小涡、下垫面以及边界层输送等环境因子,与登陆台风相互作用影响暴雨的机理进行了系统全面的综述,并对该领域内存在的问题作了初步讨论。     

南亚地区季风与邻近海域海温相互影响的初步研究

文中利用简化的海 气耦合模式及低谱方法和多平衡态理论 ,讨论了南亚地区冬夏季风与邻近海域海温季节变化之间的相互影响。结果表明 :(1)冬季风较强时 ,冬季海温较低 ,翌年夏季海温也较低 ;反之亦然。夏季风较强时 ,夏季海温较高 ;反之亦然。夏季风强弱对冬季海温的影响不明显。 (2 )海 气相互作用使南亚冬季风和夏季风都加强。海温经向梯度使冬季风加强 ,而夏季风减弱。     

“结合法”表示的下垫温非均匀对夏季风气候影响的数值试验

用能较好表示陆面非均匀性且计算高效省时的"结合法"(马赛克法及统计-动力法解析表达型两者的结合),在区域气候模式RegCM2中BATSle方案内考虑下垫面附近各种温度、各种湿度的非均匀性,选用1991年夏季梅雨期实测资料,进行了模拟试验.与Giorgi针对暖季温度非均匀的单点独立试验结论不同,应用较线性概率密度函数(PDF)计算效率更高的余弦函数型PDF,发现总体上大气对陆面温度非均匀的响应是敏感的;与Giorgi结论类似,气候场对陆面湿度非均匀更为敏感,且其变化较有规律.可见,对夏季风气候的模拟能力可通过适当的温湿非均匀表示来提高.此外,其他结果也显示出单点独立试验的局限性,要反映陆气相互作用,耦合模式试验非常必要.     

A NUMERICAL EXPERIMENT STUDY FOR INFLUENCE OF THE TRANSITION ZONE MIGRATION ON SUMMER DROUGHT IN NORTH CHINA*

In this paper,the summer climate of 1991 is taken as a case to study the influence of the transition zone migration on summer drought in North China by using the regional climate model (RegCM2).The results show that the transition zone migrates inland,the summer monsoon rainband of 1991 also moves inland.The intensive rainband in the Changjiang River Valley during the Meiyu period moves north.The precipitation in North China increases and the surface air temperature decreases.As a consequence,it results in a good circle between ecosystem and climate.The transition zone migration changes flux transfers between land and atmosphere,and excites secondary circulation or circulation cells around it.All those are closely related with the variation of precipitation.