青藏高原沙漠化对东亚沙尘气溶胶的敏感性模拟分析

为了认识青藏高原严重沙漠化将产生的沙尘气溶胶及其影响,利用全球气溶胶气候模式CAM3.1对青藏高原沙漠化进行了敏感性模拟试验,进而探讨了高原沙漠对东亚大气气溶胶的最大可能贡献。结果表明,青藏高原上潜在的起沙源区主要分布在临近柴达木盆地的高原西部、藏南地区以及青南高原;高原起沙量春季最大,秋季次之,冬季第三,夏季最小。沙漠化的高原除了显著增加了高原上大气沙尘气溶胶的浓度,也显著增加了中国中西部地区近地面大气边界层的沙尘气溶胶浓度,远距离传输至中国中西部地区、东伸到达中国东海岸,甚至朝鲜半岛、日本直至太平洋上空对流层中部的沙尘气溶胶浓度同样增加明显。青藏高原沙源在近源区(即青藏高原及周边地区)的高贡献主要在低层,而在远源区(如日本岛南部海域及中太平洋区域)的贡献主要在高层。高原沙尘气溶胶极易被扬升到西风带,成为全球最高效率的沙尘远程传输源地。青藏高原沙漠化可能使其成为全球重要的沙尘气溶胶源地。     

全边界层选用相似理论对O3、NOx浓度及沉降的影响

将广泛应用于东亚地区的LLA(Lurmann Lloyd Atkinson)化学机制耦合到欧拉型区域空气质量模式(RAQM),并考虑区域污染物长期模拟研究中降水随时间变化的非均匀性,讨论了湍流参数化过程中相似理论在近地层和全边界层的应用对湍流垂直扩散系数(Kz)与干沉降速度(V),O3与NOx浓度的影响。结果表明,全边界层应用相似理论明显低估了Kz值,近地层50m处Kz值被低估20%以上,750m处其值被低估约70%;O3、NOx的干沉降速度在日本东部与南部海域被低估了10%以上,在朝鲜半岛东部和西部海域模拟值普遍偏高。Kz和干沉降速度的不同直接影响污染物的浓度和沉降量分布。Kz值的被低估对NOx浓度有明显影响,在近地层50m处NOx浓度最大可增加约30%,整个边界层中NOx平均浓度除台湾省东北海域外普遍增加5%~20%。O3浓度则受干沉降作用的影响较大。虽然近地层、全边界层分别应用相似理论都较好地模拟了O3与NOx峰值浓度出现的时间,但相似理论应用于全边界层会引起较大的误差。即使是大区域、长期空气质量模拟研究,也建议相似理论仅应用于近地层,且模式第一层高度应设置在常通量层内。     

西北太平洋风速垂直切变异常对热带气旋活动年际变化的影响

应用中国《台风年鉴》资料、欧洲中心40年月平均再分析资料和NOAA的逐月海温资料,研究了西北太平洋(5°—30°N,110°E—180°)风速垂直切变异常对热带气旋(TC)活动年际变化的影响。研究发现,西北太平洋所有TC、风暴以上级别的TC(TSTY,即达到热带风暴级别及以上的所有TC)和所有台风(WTY,包括台风、强台风和超强台风)年频数与西北太平洋风速垂直切变都显著负相关。西北太平洋风速垂直切变大小对生成源地在南海(5°—30°N,110°—120°E)TC和西北太平洋西部海域(5°—30°N,120°—150°E)TC的影响较小,而对西北太平洋东部海域(5°—30°N,150°E—180°)生成的TC影响最大:即西北太平洋风速垂直切变负异常年,有利于西北太平洋东部海域TC生成发展,使得负异常年较正异常年TC频数偏多和源地平均位置偏东;并且风速垂直切变的变化对TC频数和生成源地影响的显著性,随着TC强度的增加而增加。对TSTY生成环境场的进一步分析表明,西北太平洋风速垂直切变偏小年,季风槽偏强位置偏东,它的东端位于宽阔的太平洋洋面,与弱风速垂直切变区相配合,暖的海温加上低层强烈的正涡度和强烈辐合,且相应的高层有强的气流辐散区,这些环境场都有利于TSTY在主要源地尤其是西北太平洋东部海域生成,这是风速垂直切变偏小年TSTY偏多和生成源地偏东的重要原因。     

夏季西太平洋副热带高压的振荡

本文用1965年,1976—1985年夏季(6—8月)500hPa逐日西太平洋副热带高压脊线位置的复经验正交函数(CEOF)展开讨论了夏季西太平洋副热带高压的振荡特征。发现西太平洋副热带高压主要存在15—20d以及10d左右的振荡周期,它们一般都是从西太平洋的东部(180°E)向西部(110°E)传播的,其速度为5—7long./d。西太平洋副热带高压10d以下的短周期振荡一般自西(110°E)向东(180°E)传播。其东西部的振荡呈反位相。15—20d周期的振荡能量主要集中在西太平洋东、中部(150—170°E),而10d左右周期的振荡能量主要集中在西太平洋的西部(120一140°E)。一般6月下旬至7月中旬是西太平洋副热带高压的低振荡能量期,而7月中旬以后有一段高振荡能量期。     

青藏高原地面感热变化对西南地区旱涝影响

利用欧洲中心1979-2010年ERA-interim青藏高原地面感热资料与西南地区干湿指数,应用SVD方法与EOF分解对青藏高原地面感热在近32a的时空分布特征和高原地面感热与西南旱涝之间的相关关系进行分析,结果得出:青藏高原西部地面感热通量在近年来是显著增加的,而高原东部感热通量在减少,有明显的年际变化;西南地区夏季、秋季全区基本偏干,特别是秋季。前期高原东、西感热异常对春季、夏季和秋季西南全区特别是西南南部地区旱涝异常有很好的相关关系:当青藏高原中部地区和高原北部的春季地面感热增加(减少)而西部、高原主体北部地面感热减少(增加)时,春季西南地区东北部是偏湿(偏干)的趋势,西南部是偏干(偏湿)的趋势;当高原东部春季感热增强(减弱)时,夏季西南地区的四川北部、重庆市与云南南部异常偏湿(偏干);高原东部春季感热增加(减少),高原西部感热减少(增加)时,秋季西南地区主要偏湿(偏干)。青藏高原西部(78°E-81°E,30°N-36°N)、高原中部偏南的位置(88°E-95°E,28°N-35°N),为感热影响西南旱涝的关键区。这些研究对西南地区旱涝趋势有很好的预测作用。     

青藏高原地区深对流系统特征分析

基于2014-2018年3-9月GPM(Global Precipitation Measurement)的数据,对青藏高原地区的深对流系统的时空分布及降水特征进行研究,结果表明:青藏高原主体地区(25°～40°N,70°～105°E)的深对流系统主要集中分布在中部、东部和南部地区,对流强度与东亚季风区其他区域相比较小...     

Aerosol absorption optical depth of fine-mode mineral dust in eastern China

由气溶胶自动观测网(AERONET)反演的细模态气溶胶的吸收光学厚度(AAOD)通常被认为是黑碳气溶胶的AAOD,并且通过这种方法得到的黑碳AAOD已经被用在计算黑碳辐射强迫的研究中。但是这种方法是基于如下假设:直径小于1μm的细模态气溶胶和直径大于1μm的粗模态气溶胶对光的吸收主要分别归功于黑碳和沙尘。为了定量描述细模态沙尘气溶胶对全部细模态气溶胶的AAOD的贡献,我们利用地球系统交互模式(CESM)模拟了中国东部(104–122°E,29–41°N)细模态沙尘气溶胶的AAOD。其中,我们根据9个中国气象局大气观测网(CAWNET)站点观测的细模态沙尘地表浓度调整了模拟的细模态沙尘气溶胶的浓度。结果显示,模拟的中国东部年平均细模态沙尘气溶胶的AAOD的值为3.6×10-3,其中AAOD的最大和最小值分别出现在春季和冬季。细模态沙尘气溶胶对总的细模态气溶胶(细模态沙尘、黑碳和有机碳气溶胶的总和)的AAOD的贡献在春季、夏季、秋季和冬季分别为3.4%、25.2%、12.5%和14.9%,其年平均值为15.1%。这些结果显示当利用AERONET反演得到的细模态气溶胶的AAOD来计算中国东部BC气溶胶的辐射强迫时,去除细模态沙尘粒子的影响显得尤为重要。     

近10年东亚沙尘气溶胶时空分布与起尘通量的数值研究

利用一个耦合了沙尘模型的区域气候模式RegCM3和NCEP再分析资料,对近10年(2000-2009年)东亚地区沙尘气溶胶(直径≤20μm)时空分布特征和起尘通量进行了数值模拟。结果表明,(1)耦合模式能较好地模拟东亚地区沙尘气溶胶的时空分布特点。东亚地区沙尘气溶胶光学厚度、柱含量高值区主要位于塔克拉玛干沙漠和巴丹吉林沙漠。沙尘气溶胶柱含量的季节变化特征明显,春季最大,冬季次之,秋季最小。东亚地区110°E以东,沙尘主要以700hPa高度为中心向东传输。(2)东亚地区起沙源区主要位于塔克拉玛干沙漠、巴丹吉林沙漠、藏北沙漠化地区及蒙古国西南部,起沙强度存在明显的季节变化。2000-2009年东亚地区年平均起沙通量为1015.34mg.m-2.d-1,其中62.4%和2.3%分别通过干、湿过程重新沉降在东亚地区,其余35.3%被净释放进入大气或进行远距离传输。     

一次强沙尘天气过程及其对PM_(10)时空分布的影响

2017年5月3—6日内蒙古出现了一次强沙尘天气,内蒙古各城市AQI值达到500。利用常规气象资料和MICAPS资料,结合HYSPLIT(hybrid single particle lagrangian integrated trajectory)模式分析本次沙尘天气成因。利用PM_(10)小时监测值和AQI资料,从时空两方面评估沙尘天气对途经各城市PM_(10)质量浓度分布的影响程度。结果表明:地面受冷高压和蒙古气旋影响,冷锋快速东移,高空槽和低涡东移发展,使高空强冷空气南下东移,配合有利的层结条件和外来沙尘的长距离输送,导致沙尘天气爆发;沙尘天气对PM_(10)质量浓度的影响表现为前期主要影响西部和东部,中期对全区均有影响,后期主要对东部有影响。另外,中期为污染最严重时段。空间影响可划分为西部、中部、东部和通辽市4类,且从西到东、从北到南有一定的滞后性,滞后时间为1~10 h。     

北半球冬季110°—120°E垂直经向环流的年际变化及其与中国东部同期降水的关系

利用NCEP／NCAR再分析月平均风场资料和中国东部120个站的降水资料,分析了1951--2010年北半球冬季110°-120°E经向环流的气候特征,定义了北半球冬季110°-120°E低纬Hadley环流和中高纬气流强度指数,并分析了其强度的长期变化趋势以及对中国东部同期降水的影响。结果表明：（1）北半球冬季110°-120°E经向环流主要包括低纬Hadley环流和中高纬度从高层到低层较-致的偏北下沉气流。（2）北半球冬季110°-120°EHadley环流和中高纬气流强度有明显的年际和年代际变化,二者在长期变化趋势上表现-致,即在1990年以前呈约20a的振荡周期,且波动更大,而在1990年以后呈约10a的振荡周期,波动相对较小。（3）北半球冬季110°-120°E经向环流强度指数对中国东部同期降水的年际变率具有较高的解释率,二者在统计上呈显著的负相关关系。北半球冬季110°-120°EHadley环流强度和中国东部同期降水相关程度大值区集中在江南、华南及江淮地区,中高纬气流强度和中国东部同期降水相关程度大值区集中在西北、江淮及江南地区。（4）东亚地区冬季经向环流异常的显著差异主要表现在中高纬度反向的异常气流和中低纬度反向异常环流圈的变化。强（弱）经向风年,北半球中高纬度从高层到低层为异常的偏北（南）气流,中低纬度对流层存在顺时针（逆时针）方向闭合的异常经向环流,对应中国东部降水显著减少（增多）。     

A Quick Report on a Dynamical Downscaling Simulation over China Using the Nested Model

This paper describes a dynamical downscaling simulation over China using the nested model system, which consists of the modified Weather Research and Forecasting Model (WRF) nested with the NCAR Community Atmosphere Model (CAM). Results show that dynamical downscaling is of great value in improving the model simulation of regional climatic characteristics. WRF simulates regional detailed temperature features better than CAM. With the spatial correlation coefficient between the observation and the simulation increasing from 0.54 for CAM to 0.79 for WRF, the improvement in precipitation simulation is more perceptible with WRF. Furthermore, the WRF simulation corrects the spatial bias of the precipitation in the CAM simulation.     

人为热排放的引入对北京地区精细模拟的改进

将人为热排放纳入到已耦合城市模块Urban Canopy Model(UCM)的中尺度气象模式Weather Research and Forecasting(WRF)中,探讨了人为热排放对于北京地区精细化模拟的重要意义,其影响主要体现在以下几个方面:1)可有效改善气象要素的模拟效果,特别是对于大气边界层高度的显著性改善,该变量是控制空气质量模式中污染物垂直扩散的关键因子;2)可较好地再现城区流场及温度场,使热岛强度和中心配置更接近实况;3)可明显改善数值模式对于污染物垂直分布特征的模拟。     

SIMULATION OF SUMMER CLIMATE IN CHINA DURING 1997 AND 1998 USING A REGIONAL AIR-SEA COUPLED MODEL

Using the regional air-sea coupled climate model RegCM3-POM,a series of numerical experiments are performed to simulate the summer climate in 1997 and 1998 with different coupling time steps.The results show that the coupled model has good performance on the simulation of the summer sea surface temperature(SST) in 1997 and 1998,and the simulation results of CPL1(with the coupling time step at 1 hour) are similar to those of CPL6(with the coupling time step at 6 hours).The coupled model can well simulate SST differences between 1997 and 1998.As for the simulation of the drought in 1997 and the flood in 1998,the results of CPL6 are more accurate.The coupled model can well simulate the drought in 1997 over North China,and compared with the results of the atmosphere model RegCM3,the simulation ability of the coupled model is improved.The coupling model has better ability in the simulation of the circulation in the middle and low levels,and the water vapor transportation in the coupling model is reasonable in both 1997 and 1998.RegCM3(an uncoupled model) cannot correctly simulate the transportation path differences between 1997 and 1998,but the coupled model can simulate the differences well.     

The simulation of SST, sea ice extents and ocean heat transports in a version of the Hadley Centre coupled model without flux adjustments

Results are presented from a new version of the Hadley Centre coupled model (HadCM3) that does not require flux adjustments to prevent large climate drifts in the simulation. The model has both an improved atmosphere and ocean component. In particular, the ocean has a 1.25° × 1.25° degree horizontal resolution and leads to a considerably improved simulation of ocean heat transports compared to earlier versions with a coarser resolution ocean component. The model does not have any spin up procedure prior to coupling and the simulation has been run for over 400 years starting from observed initial conditions. The sea surface temperature (SST) and sea ice simulation are shown to be stable and realistic. The trend in global mean SST is less than 0.009 °C per century. In part, the improved simulation is a consequence of a greater compatibility of the atmosphere and ocean model heat budgets. The atmospheric model surface heat and momentum budget are evaluated by comparing with climatological ship-based estimates. Similarly the ocean model simulation of poleward heat transports is compared with direct ship-based observations for a number of sections across the globe. Despite the limitations of the observed datasets, it is shown that the coupled model is able to reproduce many aspects of the observed heat budget. Received: 1 October 1998 / Accepted: 20 July 1999     

中尺度模式不同分辨率下大气多尺度特征模拟能力分析

本文利用不同水平分辨率下的中尺度大气数值模式ARPS (Advanced Regional Prediction System) 模拟我国内蒙古奈曼旗农牧交错带2001年7月23日18时至27日18时天气演变过程, 以研究中尺度模式水平分辨率提高对多种时空尺度天气过程, 尤其是更小时空尺度过程的模拟改进。为此, 本文提取不同分辨率下u、v、w、θ、p气象要素的模拟结果进行分析。秩和检验和方差分析表明, 模式分辨率提高对气象五要素的模拟具有一定的影响, 但对不同要素的影响程度有所不同, 其中, 对p、θ、w影响最大, 对u、v的影响次之, 对流层下部和边界层对分辨率最为敏感, 对流层中上部次之。谱分析和小波分析都表明分辨率的提高有利于再现大气运动的多尺度特征, 但在不同大气分层和不同模式变量中又有所不同。总的来说, 高层效果好于低层, 具有强周期变化规律的变量效果好于周期性弱的变量。     

区域海气耦合模式对中国夏季降水的模拟

以区域气候模式RegCM3和普林斯顿海洋模式POM为基础,建立了一个区域海气耦合模式,对1963-2002年中国夏季气候进行模拟,重点分析该耦合模式对中国夏季降水的模拟性能以及降水模拟改进的可能原因.结果表明:耦合模式对中国夏季雨带分布的模拟明显优于控制试验(单独的大气模式),对长江流域以及华南降水的模拟性能改进尤为明显,同时耦合模式能够更为真实地刻画中国东部地区汛期雨带的移动.对降水的年际变化分析发现,耦合模式模拟的1963-2002年中国夏季降水年际变率与观测吻合,模拟的夏季长江流域降水与观测降水相关系数达到0.48,模拟的华南夏季降水与观测的相关系数达到0.61,而控制试验结果与观测降水的相关系数均较小.对中国东部长江流域夏季降水与近海海温的相关分析表明,用给定海温驱动的大气模式,并不能正确模拟出中国东部夏季降水与海温的关系,而耦合模式能够较好地模拟出长江流域与孟加拉湾、南海以及黑潮区海温的关系,与GISST(全球海冰和海表温度)和观测降水相关关系一致.对水汽输送通量的分析发现,控制试验模拟的水汽输送路径与NCEP/NCAR再分析资料相比差别较大,耦合模式模拟的来自海洋上的水汽输送强度和路径与NCEP/NCAR再分析资料一致,提高了耦合模式对水汽输送的模拟能力,从而改善了模式对华南以及长江流域降水的模拟.     

区域和全球模式的嵌套技术 及其长期积分试验

将区域模式嵌入澳大利亚CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization）的全球模式中,并将其应用于区域模式的长期气候积分试验。模拟结果表明,当区域与全球模式嵌套时,边界吸收问题十分重要,由区域模式得到的高分辨率大尺度环流形式在边界上必须与全球模式提供的强迫一致,同时区域模式必须给出基于模式内部物理过程产生的高分辨信息。因此,在嵌套过程中,必须仔细考虑缓冲区的设置,使大尺度强迫与中尺度特征充分混合,既保持区域模式内外的一致性,又使区域内部中尺度强迫物理过程得到充分发展。将区域模式与澳大利亚CSIRO的9层21波三角形截断谱模式嵌套后,完成了连续3年的区域气候模式积分。模拟结果表明,由于区域模式较好地刻划了区域尺度的地形、下垫面和海岸线分布等的细节特征,模拟的区域气候特征比全球模式有较大的改进,尤其是对季风降水的模拟,区域模式明显改进了全球模式的模拟结果。     

作物发育模式重构及基于甘蔗的模拟检验

发育进程是作物的生理年龄,发育模式是作物生长模型的时间指针。但目前的发育模式只关注某时段（日）气象条件对作物发育的影响,其准确率也难以满足作物生长模拟的需求。根据作物发育速率不仅与气象条件有关、还与其所处发育期有关的理论假设,重构发育进程模式,并利用1980—2019年我国甘蔗发育实测数据进行模式适应性分析,比较传统模式与重构模式的模拟能力。结果表明:重构模式中,发育单位日序模式和温度日序模式对甘蔗发育进程的适应性均较好,尤其在后期温度不断降低的发育进程以及低温年型的模拟中,其适应能力明显优于传统模式。重构及传统模式模拟能力从强到弱依次为发育单位日序模式、温度日序模式、响应适应模式、发育单位模式、发育单位温度修正模式、热量单位模式,均方根误差计算的模拟能力值依次为4.3,3.9,3.7,3.3,3.0,2.8。     

一个对流边界层大涡模式的建立与调试

本文介绍一个适合于对流边界层的大涡模式的建立及其调试结果。该大涡模式建立过程中注重于计算的节省，同时也强调原理与方法的简单和合理性。模式的调试表明，对于平坦均一地形的情况，模拟可以获得合理的结果。调试同时显示了模式对较低水平分辨率的适用条件，以及模式应用于模拟较大水平范围问题的可能性。     

区域气候模式中侧边界地形缓冲区作用的数值试验

利用区域环境系统集成模式以1998年夏季为例,通过数值试验研究了侧边界地形缓冲区对区域气候模拟结果的影响。结果表明,设置侧边界地形缓冲区使模拟场和观测的均方根误差都有所减小,区域平均中尺度动能也减小,从而有利于维持区域模式长期积分的稳定性。设置地形缓冲区并不改变模拟降水分布格局,但对主要降水区各降水时段降水强度的模拟有不同程度的改进。