沙尘和生物气溶胶的环境和气候效应

沙尘气溶胶对海洋生态系统的影响及其气候与环境效应,以及生物气溶胶对人类健康的影响及其气候效应是近年来大气气溶胶研究的热点问题。沙尘气溶胶和生物气溶胶之间有很强的联系,沙尘可作为空气中微生物的载体,沙尘气溶胶影响海洋生态系统之后又会影响海洋上空生物气溶胶的产生。本文回顾了国内外沙尘气溶胶对太平洋海域生态系统影响的研究进展,以及生物气溶胶的研究历史和气候效应,特别是中国科学院大气物理研究所十多年来的有关工作。     

大气气溶胶中的铁及其溶解度研究综述

生物活性铁(Fe) 进入生物地球化学循环中能够调节碳循环,影响海洋初级生产力,间接影响全球气候变化。决定 Fe生物可利用度的关键因子是可溶Fe含量,其中大气气溶胶的长距离传输是上层海洋获取生物可利用Fe的重要来源。近年来,对气溶胶中的Fe及溶解度的研究取得了重要进展,包括对不同区域Fe质量浓度和溶解度的观测以及对Fe溶解度影响因素的讨论。基于以上研究成果,汇总了近二十年全球部分陆地和海洋站点观测所得的不同粒径气溶胶颗粒物中的Fe质量浓度及其溶解度数据;重点介绍了气溶胶沉降入海洋前影响Fe溶解度的主要因素,包括Fe的来源、大气物理过程以及大气化学和传输混合过程等,并就各影响因素间的关联及相对重要性展开讨论;对未来气溶胶 Fe的研究方向和方法提出建议。     

海洋的变化及其对生态系统和人类社会的影响、风险及应对

IPCC《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告》评估了全球和区域海洋的气候变化及其对生态系统和人类社会的影响、风险及应对措施。结果表明,近几十年来,海洋的物理和化学性质发生了明显变化,如升温、酸化、脱氧和营养盐减少等气候致灾因子（事件）的危害（险）性不断加剧（高信度）。这种变化正在影响从上层到底层的海洋生态系统和人类社会的可持续发展,如海洋初级生产力的下降、物种地理分布的变迁、渔业资源潜在渔获量的下降以及食品供应的减少（高信度）。在气候变化与非气候人为干扰因素的综合影响下,随着温室气体排放的增加（从RCP2.6到RCP8.5情景）,到21世纪末,几乎所有类型的海洋和海岸带生态系统将处于高或很高的风险水平（高信度);其中,暖水珊瑚礁生态系统尤其严重,如果全球升温1.5℃和2℃,将分别消失70%~90%和99%以上（很高信度）。然而,当前多种减缓气候变化的海洋应对措施的作用较小,有的可能带来生态危险,而许多降低气候风险的海洋适应措施的作用也很有限,特别是在RCP8.5情景下的作用更小;未来海洋生态系统的风险水平在RCP2.6情景下均低于RCP8.5情景（很高信度)。因此,这凸显了减缓气候变化尤其是减缓和适应气候变化综合治理的重要性。     

北太平洋冬季上层海温异常的NPGO模态

利用较高分辨率的全球海洋同化分析系统(SODA)资料, 对冬季北太平洋上层的海温异常做了整层经验正交函数(EOF)分析, 并主要讨论了第二模态的结果。该模态空间结构与经典的北太平洋涡旋振荡(NPGO)一致, 且时间系数与NPGO指数也吻合, 故北太平洋上层海温异常EOF第二模态可称为NPGO模态。这说明NPGO现象不单纯反映在海表面温度异常上, 在上层海温中该现象也存在。在该模态空间场上, 水深100 m以上25°N～30°N的副热带处, 沿纬圈从120°E向东延伸至中东太平洋均为海温正异常带, 其北面则为负异常带, 两者构成双带系统;其中在170°W附近分别有正、负异常大值区, 中心构成南北偶极子;在本州岛以东海域, 从海表直到海洋上层底则有小范围的海温强异常。该模态空间结构的形成与大气NPO模态关系密切, 并与中纬度西风大值带上的风应力异常有关, 是造成NPGO的直接原因。该模态表现出明显的准13年年代际变化, 且对其进行5年滑动平均后发现, 从20世纪70年代中期以来, 该序列的振幅越来越大, 1976/1977年和1988/1989年的两次气候年代际突变均处该序列峰值处。引入了冬季北太平洋上层海温异常的NPGO指数, 其能更好反映海洋上层的NPGO现象及其年代际变化。     

海洋环流模式对平流方案与分辨率的敏感性

文中将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(LASG)发展的准全球海洋环流模式(LICOM),从水平分辨率、垂直分辨率、平流方案3个方面分别采用不同的方案,进行组合试验,研究这些因素对于海洋环流(特别是热带海洋)的重要影响.8组试验表明,水平分辨率的提高,对于流场的改进有显著作用,能够使流场达到与实际非常接近的强度;调整的垂直分辨率,上层海洋的加密,能够使热带太平洋上层海洋的模拟改进;引入的两步保形平流方案,能够使得热带太平洋海温的模拟有所改进,这种改进的效果在低分辨率的情况下,尤为明显.同时,8组试验也一致地表现出等温线的密集程度比实际情况稀疏,这反映了模式在物理过程,特别是混合过程的描述方面,还有值得改进的地方.     

西北太平洋上层槽及其与台风强度变化的关系

本文利用1976—1985年200hPa热带天气图和台风资料,分析了西北太平洋地区热带对流层上层槽的建立和破坏过程及其与台风强度变化的关系。指出了西北太平洋热带地区上层槽的建立主要与西风槽切断冷涡并入和中太平洋上层槽中的气旋西移有关,而上层槽的破坏主要与赤道高压同副高打通和副热带西风气流向南扩张或热带东风气流向北扩张有关;当台风上空位于上层槽南侧3个纬距以南时,有利于台风加强,而当台风上空位于上层槽南侧3个纬距以北时,有利于台风减弱。     

中国首次北极科学考察取得丰硕成果

中国首次北极科学考察队,乘“雪龙号”科学考察船,自１９９９年７月１日从上海启航,至９月９日返回上海靠港为止,历时７１天。本次北极科学考察的主要内容是进行北冰洋的海、气、冰相互作用综合研究,具体的科学目标有三个：一是探讨北极在全球变化中的作用和对中国气候的影响,二是了解北冰洋与北太平洋水团交换对北太平洋环流的变异影响,三是了解北冰洋临近海域生态系统与生物资源对中国渔业发展的影响。共有来自海洋、生物、大气、地质、海冰等近１０个学科的１２４名科学家参加了本次科学考察,其中来自大气、海洋、海冰等多学科的…     

气候变化与海洋生态系统：影响、适应和脆弱性——IPCC AR6 WGⅡ报告之解读

IPCC第六次评估报告(AR6)第二工作组报告第三章开展了气候变化对海洋的影响和风险,以及生态系统及其服务功能、脆弱性和适应评估。AR6明确指出,人为气候变化已经并将继续显著地改变全球和区域海洋的气候影响驱动因子,包括海温升高、海平面上升、海洋酸化和缺氧,以及营养盐浓度变化等海洋物理和化学因子。例如,20世纪80年代以来全球海洋热浪发生的频率已增加了1倍,到21世纪末期可能增加4～8倍。气候影响驱动因子的变化已经对海洋和海岸带生态系统造成了广泛而深远的影响:1)海洋变暖使得海洋物种自1950年代以来以(59.2±15.5) km/(10 a)的速率向极地方向迁移,导致热带海域生物量减少,中纬度海区热带化,极地和亚极地海区浮游植物生长期提前;2)频繁发生的海洋热浪事件已经接近甚至超过了某些海洋生物的耐受极限或其气候临界点,如暖水珊瑚的大规模白化、死亡,海草和大型海藻的大面积消失;3)海洋变暖、缺氧和酸化使得河口区生物群落结构改变,赤潮等有害藻华事件频发,近海和大洋浮游植物生物量和初级生产力下降;4)海平面上升导致海岸带红树林、盐沼和海草床等生态系统的退化;5)未来全球海洋生态系统面临的风险将不断加剧,尤其是在热带和北冰洋海区。其中,当全球升温1.5℃时(最快到21世纪40年代,SSP5-8.5情景),暖水珊瑚礁预计将减少70％～90％;当升温2℃时,几乎所有的(>99％)暖水珊瑚礁将会消失。目前人类社会采取的一些措施(如建立海洋保护区和红树林生态修复)已越来越不能应对日益增长的气候风险,迫切需要发展变革性的行动措施,推动海洋生态系统恢复力的发展,并需尽快采取强有力的减排措施以减缓全球变暖的影响。     

全球海洋大气耦合环流模式中的ENSO特征对气候背景态改变的敏感性

文中利用一个高分辨率全球海-气耦合环流模式设计两组长期积分试验,揭示了在不同气候背景态下热带太平洋年际变化特征及模式ENSO循环控制机理的差异。通过分析海表温度、上层海洋热容量和低层风场异常的年际变化特征及其和赤道中东太平洋海表温度异常的关系,揭示了基于不同气候背景场的ENSO循环的不同演变过程。结果表明:ENSO年际变率特征(包括振幅、频率等)对气候背景态相当敏感,在不同的背景场下ENSO循环的控制模态可以明显不同。试验表明,当热带太平洋东冷西暖的背景热力梯度接近多年气候平均时,模式ENSO循环表现为所谓的“时滞振子”模态控制,而随着东西向背景热力梯度显著减小,ENSO循环则可以表现为驻波模态控制。研究结果为认识年代际背景变化影响年际ENSO循环的机理提供了一种启示。     

北太平洋冬季年代际尺度海气相互作用

为了更深了解北太平洋年代际尺度海气相互作用,本文通过对湍流热通量和SST的相关关系进行了研究。当热通量和SSTA正相关时,代表海洋影响大气,而当二者相关系数为负时,表示大气强迫海洋。将整个北太平洋SSTA求平均和把北太平洋分成3个区域求SSTA平均,分别对热通量和SST的关系进行研究。结果表明,北太平洋冬季年代际尺度上的海气相互作用主要表现为海洋强迫大气,而在日本附近海域以及北太平洋中东部,海洋对大气的强迫作用最明显,因此这两个区域是北太平洋冬季年代际尺度上海气相互作用的关键区。     

一个简单的热带海-气耦合系统中短期气候振荡的数值试验

用一个包括了湍流热交换、凝结、蒸发、辐射冷却、云量对辐射调节及海水上翻等各种物理过程在内的简单海-气耦合模式,进行了长期的数值积分。结果表明,热带海温异常通过热力过程影响大气的垂直环流,这种效应首先是局地的,以后这种影响会扩展到中纬度,而反过来,大气又对海洋产生动力影响,使海温发生变化。在只考虑上层海洋的情况下,试验表明在这一耦合系统中,存在着短期气候振荡,并且在赤道中太平洋和赤道东太平洋之间大尺度海表温度异常存在着落后相关。     

FGOALS耦合模式两个版本的海洋热吸收与气候敏感度的关系研究

海洋在气候变暖过程中的重要性通常用海洋热吸收来衡量,热吸收的大小影响全球变暖的幅度。本文利用FGOALS-g2、FGOALS-s2（以下分别缩写为g2、s2）两个耦合模式的CO₂浓度以每年1%速率增长（1pctCO₂）试验,评估和分析海洋热吸收与气候敏感度的关系。结果表明:进入海洋净热通量（s2模式大于g2模式）会使得s2模式的海洋热吸收总体比g2模式大;更为重要的是,由于s2模式中的海洋热吸收主要集中在上层,使得耦合模式s2中的瞬态气候响应（TCR,或称气候敏感度）比g2大。当CO₂浓度加倍时,在两个耦合模式中,海洋热吸收的空间分布呈现显著性的差异,s2模式中上层热吸收明显比深层大,上层热吸收主要位于太平洋和印度洋,而g2模式中上层和深层热吸收差别较小,深层主要位于大西洋和北冰洋。进一步研究表明,海洋热吸收分布特征与两个耦合模式海洋环流变化有关。在g2模式中北大西洋经圈翻转环流（AMOC）强度强且深度大,在CO₂浓度加倍时,AMOC减弱小,这样AMOC可将热量带到海洋的深层,增加海洋深层热吸收。而在s2模式中,平均AMOC弱且浅,在CO₂浓度加倍时,AMOC减弱明显,热量不易到达深层,主要集中在海洋上层,对气候敏感度影响更快且更强。海洋环流导致热吸收及其空间差异同时影响到气候敏感度的差异。因此,探讨海洋热吸收与气候敏感度之间的关系,利于明确气候敏感度不确定性的来源。     

有关副热带太平洋对ENSO影响研究的综述

ENSO（El Niño-Southern Oscillation）的发生发展既受到来自热带西太平洋纬向海气过程的影响,也受到来自副热带太平洋经向海气过程的影响。本文概述了副热带太平洋海气异常影响ENSO研究方面的科学背景及研究进展,综述了前人提出的副热带太平洋大气海洋异常通过经向风应力以及北太平洋/南太平洋经向模态,影响ENSO发展演变的途径及相关物理机制,总结了近些年观测资料分析及数值模拟研究工作所提出的新观点,并讨论了相关研究中的学术分歧及有待进一步研究的问题。     

亚洲夏季风的年际和年代际变化及其未来预测

本文是对我们近五年在亚洲夏季风年代际与年际变率及其未来预测方面研究的一个综述.主要包括下列三个问题:(1)根据123年中国夏季降水资料和印度学者的分析,检测出亚洲夏季风具有明显的年代际尺度减弱,这种年代际变化使中国东部(包括东亚)和南亚夏季降水的格局在过去60年中发生了明显变化.在东亚,从1970年代后期开始,主要异常雨带有不断南移的趋势,结果造成了南涝北旱的降水分布,这主要受到60～80年年代际振荡的影响.青藏高原前冬和春季积雪的年代际减少与热带中东太平洋海表温度的年代际增加是东亚降水型改变的主要原因,这是通过减弱亚洲地区夏季海陆温差与夏季风强度而实现的.未来亚洲夏季风的预测表明,东亚夏季风和南亚夏季风对气候变暖有十分不同的响应.东亚夏季风在本世纪将增强,雨带北推,尤其在2040年代之后;而南亚夏季风环流将继续减弱.这种不同的变化是由于两者对高低层海陆热力差异的不同响应造成.(2)年际尺度的变率在亚洲夏季风区主要表现为2年与4～7年的振荡.本文着重分析了2年振荡(TBO)形成的过程、机理及其对东亚降水的影响.对TBO-海洋机理进行了具体的改进,说明了东亚夏季风降水深受TBO影响的原因,尤其是阐明了长江型(YRV) TBO和淮河型(HRV) TBO的特征及其形成的循环过程.(3)在总结亚洲夏季风时期遥相关型的基础上,本文提出了季节内和年际尺度的低空遥相关型:即西北太平洋季风的遥相关型与印度“南支”和“北支”遥相关型.它们基本上反映了沿低空夏季风强风速带Rossby波群速度传播的结果.据此可以根据西北太平洋和印度夏季风的变化分别预测中国梅雨和华北雨季来临和降水异常.最后研究还表明,在本世纪亚洲夏季风可能更显著地受到人类活动造成的全球变暖的影响,未来的亚洲夏季风活动是人类排放的CO2引起的全球变暖与自然变化(海洋和陆面过程(积雪))共同作用的结果.     

西北太平洋热带气旋频数变化特征及其与海表温度关系的进一步研究

根据西北太平洋56年(1949—2004年)热带气旋系列资料,分析了不同级别的热带气旋频数多年变化的统计特征及其与太平洋海表温度(SST)的关系。结果表明: 西北太平洋热带气旋频数主要的变化特征是年际和年代际变化,不同等级的热带气旋频数变化特征存在差异,但就变化趋势而言随时间减少,均无明显因全球增暖导致的热带气旋增加的现象。对不同海区分别讨论SST对热带气旋的影响,从存在的超前滞后相关发现赤道东太平洋SST负异常会引起更多的热带气旋频数,而且强度越大的热带气旋受到海温的影响越早;更多的热带气旋频数又会引起西北太平洋的SST负异常,热带气旋强度越大产生负异常的周期越短;北太平洋中部的SST与热带气旋的频数存在较好的正相关关系。这些关系体现了热带气旋强涡旋风场导致局地海洋上层混合作用和太平洋海气耦合经向模态对热带气旋的影响。     

冬季菲律宾周围对流活动与北太平洋风暴轴联系的数值模拟

通过利用IAP 2-L AGCM进行的数值模拟,进一步揭示了冬季菲律宾周围对流活动异常对北太平洋风暴轴变化的影响及其二者联系的物理机制和物理过程。结果表明:当菲律宾周围对流活动增强时,在500 hPa等压面图上强迫产生一个自赤道西太平洋开始,经我国东部、堪察加半岛、白令海,到美国西海岸的异常波列;位于西太平洋的经向三圈环流增强,位置北移;在风暴轴的西半部和东端斜压性增强;从而导致了北太平洋风暴轴增强、北抬、东伸。     

IPCC第五次评估报告对跨区域影响的新认识

IPCC第五次评估报告（AR5）第二工作组（WGII）报告认为,气候变化对世界上大部分区域的自然和人类系统的影响将进一步加剧,其对非洲最大的影响预计发生在半干旱的环境,增加现有的水资源可利用量和农业系统的压力;气候变化已导致北欧地区的谷物产量增加而南欧地区的产量降低,未来的变化将增加欧洲的灌溉需求;在亚洲的许多地区,气候变化将导致农业生产率下降;气候、大气CO₂和海洋酸化的进一步变化预计将对大洋洲的水资源、海岸生态系统、基础设施、健康、农业和生物多样性产生实质性的影响;在北美,许多带来风险的气候压迫力的频率和强度将在未来几十年增加;中美洲和南美洲许多国家的持续高水平贫困导致了对气候变率和变化的高脆弱性;在北极,气候变化与非气候相关驱动在确定的物理、生物和社会经济风险上交互作用,变化率可能超过了社会系统适应的速率;在气候和非气候因素的影响下,小岛屿具有高度的脆弱性,同时,气候变暖将增加海洋生态系统的风险。     

一个大洋环流模式和相应的海气耦合模式的评估Ⅰ.热带太平洋年平均状态

评估了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体动力学数值模拟国家重点实验室海洋环流模式L30T63和海气耦合模式FGCM-0模拟的热带太平洋年平均状态,资料取自L30T63由观测的大气强迫驱动的Control试验、由NCAR CCM3大气强迫驱动的Spinup试验、以及相应的海气耦合模式FGCM-0.主要的结论是:(1)在"准确"的海表强迫下,Control模拟的海面温度和温跃层与观测结果相当接近,模式的固有误差是赤道冷舌过分西伸和东南太平洋温跃层偏浅.(2)Spinup能模拟出合理的热带太平洋上层海洋环流,但存在两个问题,即:暖池区海面温度显著偏高、沿赤道的梯度过大;赤道温跃层偏浅、东西向坡度偏小,它们分别与CCM3提供的海表短波辐射通量和风应力的系统误差有关.这两个问题很可能是海气耦合模式FGCM-0运行初期误差迅速发展的重要原因.(3)FGCM-0模拟的赤道暖池区上层100 m的平均温度比观测低3℃.分析表明FGCM-0夸大了暖池区海洋动力过程的降温作用,使得模拟的"暖池"在一定程度上具有冷舌的属性.FGCM-0模拟的热带南太平洋温跃层比观测结果偏浅数十米到100 m,以致赤道两侧的上层海洋温度分布趋于对称,成为"double ITCZ"现象在上层海洋中的表现.风应力旋度的系统误差和垂直混合随深度衰减过快是温跃层偏浅的两个可能原因;FGCM-0中与北太平洋中高纬地区深厚冷偏差相关的经圈环流也有利于热带温跃层误差的维持.     

《气象学报》第65卷2007年总目次

第1期论文赤道两层海洋模式中基本流的切变不稳定……………………………性巢纪平高新全冯立成(1)ENSO暖冷事件下东亚冬季风的区域气候模……………………拟何溪澄李巧萍丁一汇等(1 8)北方两次不同类型降雪过程的微物理模拟研……………………究孙晶王鹏云李想等(2 9)华北地区未来30年气候变化趋势模拟研…………………………究柳艳香吴统文郭裕福等(4 5)北太平洋冬季海-气耦合的主模态及其与瞬变扰动异常的联………系任雪娟杨修群韩博(5 2)GPCP与中国台站观测降水的气候特征比……………………………较自勇许吟隆傅云飞(6 3)OLR与长江…     

冬季黑潮延伸体海区海洋锋强度变化及其与北太平洋风暴轴的关系

利用英国哈德莱中心（Hadley Center）1949~2014年表层海温资料,将黑潮延伸体海区海温经向梯度的大值区域的平均值定义为黑潮延伸体及其北部海洋锋强度指数（KEFI）,利用数据分析方法研究了各季节KEFI的变化特征及其与北太平洋风暴轴的关系。分析表明,各季节的KEFI存在明显的年际和年代际变化特征,同时在冬季与北太平洋瞬时方差有显著正相关,两者在风暴轴主体位置的相关性最为显著,并且这种相关性在KEFI超前一个月时就所显现,同时对后期风暴轴也有一定影响,即冬季黑潮延伸体海区海洋锋的强度会影响风暴轴区域瞬时方差的变化。之后主要分析了这种影响的可能机制,发现在冬季KEFI高值年,由于海洋锋两侧的热量输送差异更加明显,导致海洋锋附近的近表面气温经向梯度增强,维持了近表面的斜压性,促进涡动热量的向极输送和海洋锋南侧的向上输送,有利于瞬时涡旋的发展。另外大尺度环流场与冬季黑潮延伸体海洋锋也有关系,具体表现为,在海洋锋强年,阿留申低压加深,副热带高压略有加强,对应的对流层低层位势高度场在40°N以北有负变高,以南有正变高,同时高空极锋急流加强,副热带西风急流减弱加宽北抬,海洋锋偏弱年的变化则相反。因此,冬季黑潮延伸体及其北部的海洋锋主要通过两侧海表热量输送差异不断产生气温梯度,进而维持斜压性以促进上层风暴轴的发展。