中全新世时期中国地区水循环因子变化的模拟研究

利用全球气候模式CAEM3嵌套区域模式MM5模拟了现代和中全新世时的气候,从模拟结果可以发现中全新世有效降水变化中心随季节变化,最大的有效降水增加出现在夏季东北地区和内蒙古东部,最大值超过3 mm/d;同时,黄河与长江之间区域降水减少,最大变化超过2 mm/d.中国北方地区云量增加,同时,中国东部的长江流域云量减少.高云量变化较小,低云量变化最大,最大变化超过2成.夏季,对应着黄河与长江之间区域的云量减少,这个区域的温度升高最大.从水汽的变化可以看到长江流域地区水汽减少,相对湿度也减少,这与云量的变化一致;华南地区水汽的变化与季节有关;东北地区水汽增加,相对湿度增大,对应云量的增加和降水增多.从结果可以发现相对湿度最大的变化超过15%,不是一个常数.有些地区温度升高,但是水汽却减少.但是,在LGM的温度降低的区域,水汽一致减少.这说明温度降低水汽对应减少,但温度升高不一定对应水汽增加.这与全球尺度水汽相对湿度基本保持常数的结果不同.中全新世时,长江流域除春季外变得干燥、少雨和高温,东北和内蒙古东部变得多雨和潮湿.     

近二十年全球变暖背景下东亚地区云量变化特征分析

利用ISCCP的D2云气候资料集，采用趋势分析方法得到了东亚地区1984—2006年各种不同种类云量的变化趋势，并重点分析了全球变暖背景下气温与不同云量变化之间的关系。结果表明：近20年东亚地区总云量和高、低云量呈现波动减少趋势，减少量分别为2.24%、1.65%和1.68%，中云量呈增加趋势，增加量为1.07%；且云量变化存在较大的区域差异。温室效应所导致的东亚地区气温改变和水汽含量变化，是导致云量分布变化的重要原因，在青藏高原、孟加拉湾及热带辐合带区域的气温与高云存在显著负相关，与中、低云存在正相关，而在西太平洋、日本以东以北洋面的气温与低云呈显著负相关，与高云呈正相关。     

基于ISCCP观测的云量全球分布及其在NCEP再分析场中的指示

国际卫星云气候计划(ISCCP)已经积累了20多年的持续云观测资料,提供了迄今为止最具权威的全球尺度云量信息,为全面认识全球尺度云气候特征提供了有利条件.利用长期稳定的ISCCP D2云量资料,文中系统地分析了全球尺度总云量以及高、中、低云云量的空间分布特征.结果表明,全球总云量均值为66.5(单位:%),其中洋面71.6.陆面55.9.全球云量分布极不均衡,且海陆差异显著,洋面局部云量最高可达90,而包括南极大陆在内的所有陆面区域多为云量低值中心.高云和低云全球分布形式存在明显差异,其中陆面以高云为主,洋面低云相对较多.低云集中分布于太平洋东南部和东北部的近海岸地区以及南半球洋面,热带辐合带、南太平洋辐合带等大尺度强对流活动区内高云数量占优势.特别,在气候平均态上分离低云和高云区,并结合对NCEP再分析资料所提供环流背景场的分析,研究发现两类云所对应的垂直和水平风场具有明显的差异.高云区从低空到对流层顶为一致的强下降运动,低云区的中高层被上升气流所控制但近地面一般存在弱的上升运动.反映在水平辐散场上,两类云对应的辐散度在垂直方向上变化趋势相反,其中低云对应的典型背景场为低层辐散高空辐合.进一步考虑水汽因素,600与850 hPa水汽通量散度差对低云(负差异)和高云(正差异)的云量空间分布有较好的指示意义.     

基于CERES卫星资料分析中国近15 a云量变化

利用2001年1月至2015年12月Aqua/CERES卫星产品SYN云量资料,采用趋势分析法、小波分析法分析近15 a我国总云量及中低云、中高云和高云的气候场特征及其与气象要素的相关性。结果表明:总云量整体由东南向西北带状递减,最高值位于西南地区,可达80%以上,最低值位于塔里木盆地及蒙古高原西部地区,可低于30%。高云的高值区主要集中在高海拔区域,中高云分布与高云类似,中低云与总云量分布类似。除中低云外,总云量及不同高度的云量均在夏季达到最高值,且其区域特性显著。近15 a来总云量年际变化整体呈下降趋势,趋势系数为-0. 15%·a-1,主要受较低层云量减少的影响,高云则呈现一定的增加趋势。青藏高原上空不同高度云量变化趋势较其他地区显著,并以减少趋势为主。不同高度的云量季节变化差异较大,总云量在春季和冬季变化较大,高云、中高云的季节变化较小,中低云在春季和夏季变化较大。不同高度的云量均存在2～3 a较短的震荡周期。不同类型云量均受到相对湿度的影响,近期地表温度的增加与高云增加、低云减少相关,高云与降水的相关性更高。     

内蒙古地区云量时空分布及变化趋势分析

利用1983年7月至2001年9月ISCCP云气候资料集D2资料集内蒙古区域云资料和内蒙古地区117个地面观测站的多年月平均气温、降水资料,采用趋势分析方法分析了内蒙古地区总云量和高、中、低云量的时空分布和多年变化趋势,以及温度和降水的多年变化趋势。结果表明：内蒙古地区总云量、低云量、中云量呈白西向东逐渐增多,高云量自西南向东北逐渐减少的空间分布特征;19年来东部地区总云量呈增加趋势,中、西部地区总云量呈减少趋势,温度的升高可能是云量变化的原因之一,内蒙古东北部云量和降水量变化趋势一致。     

热带地区云量日变化的气候特征

利用国际卫星云气候计划（ISCCP）1984—2003年共20年云量资料,统计分析了热带地区的云量日变化特征,研究结果表明,云量峰值时间和变化幅度在全球的分布都较为均匀,而海陆差异明显。高云和低云在变化机制上相对独立,其云量日变化并非同步。全球云量日变化由4类基本形式组成,分别为洋面高云型、陆面高云型、洋面低云型和陆面低云型。高云日变化与地表辐射加热状况密切相关,其形式在洋面和陆面类似,均为早晨出现云量最小值而午后到达云量峰值。相比于洋面,陆面高云的峰值在夜间持续时间较长,可发展至更为稳定深厚的云系。低云多在局地5时附近出现云量峰值,18时左右达到云量极小值,其中陆面低云在12时出现第二峰值。     

MM5对末次盛冰期中国气候的模拟研究Ⅱ:海陆分布、植被和大尺度环流背景变化的影响

利用全球模式CCM3嵌套区域模式MM5的方法研究了末次盛冰期海陆分布、植被和大尺度环流背景场变化对末次盛冰期气候变化的作用。模式结果表明:与现代相比,末次盛冰期东亚地区海陆分布发生的变化造成这一地区冬季减温,夏季增温,这个变化对中国东部近海地区的温度和降水产生明显的影响,尤其是对降水的影响。它使得中国东部地区降水减少,由此造成的降水减少占末次盛冰期降水减少的25%—50%。海陆分布的变化对内陆和中国西部地区影响很小。末次盛冰期中国东部地区植被发生了明显的变化,温带和寒带植物南移,热带植物的覆盖范围减少。中国东部地区植被的巨大变化对温度产生了影响,使该地区冬季增温,夏季减温,年平均温度变化不大。末次盛冰期全球气候发生巨大的变化,即大尺度环流背景场变化。它使得中国地区的温度和降水产生显著变化,这个变化造成中国地区温度降低,并且决定了温度变化的主要分布和变化特征,东北地区是中国末次盛冰期降温最大的地区,青藏高原的降温超过同纬度的东部地区等。同时,大尺度背景场的变化还控制着降水的变化,末次盛冰期中国西部地区和东北地区降水的变化几乎完全是背景场变化引起的,其对华北和华东地区降水的影响大约为50%—75%。综合我们研究的影响末次盛冰期中国地区气候变化的因子,按影响程度由大到小排序为:大尺度环流背景场、海陆分布变化、植被变化、CO2浓度变化和地球轨道参数变化。     

我国对末次冰期冰盛期东亚区域气候模拟的研究

末次冰期冰盛期（或称为末次盛冰期）,为第四纪更新世最后一个冰期的鼎盛时期,该时期的气候与当代气候迥然不同。近年来,中国科研工作者已就末次冰期冰盛期东亚区域气候开展了一些数值模拟工作。结果表明：该时期中国大陆地表气温降低,中东部地区降水显著减少,东亚冬季风增强、夏季风显著减弱。在国际古气候模拟比较计划（PMIP）标准试验的基础上,进一步指出东亚植被的反馈作用、青藏高原可能冰川的反馈作用、以及西太平洋表面温度的作用能够引起额外的气候效应,可在一定程度上改进PMIP标准试验的模拟效果。     

不同分辨率BCC_AGCM模式对东亚区域垂直云量的模拟

基于ISCCP(International Satellite Cloud Climatology Project)和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)资料分析了BCC_AGCM2.1(Beijing Climate Center_Atmospheric General Circulation Model 2.1)和BCC_AGCM2.2模拟的云在东亚的垂直分布特点,并探讨了误差来源。两个模式大体上模拟出了总云量的分布形势,较好地模拟出了垂直方向上云量大值带随地形的变化特点,但模拟的总云量偏少。AGCM2.2模拟的云量整体上小于AGCM2.1,除复杂地形外AGCM2.2没有体现出高分辨率的优势。模式对中国东部环流场的模拟效果差导致模拟的云量偏少,尤其是AGCM2.2。模拟的对流层高层相对湿度明显偏大导致高层云量偏大。模式在近海面模拟的相对湿度偏小,四川盆地及周围地区冷季模拟的水汽含量偏少,因而模拟的云量偏少。模式云量对相对湿度的响应能力较好,模拟出了云量对垂直速度和稳定度的响应,但地区差异不明显。模式的云参数化方案中云与相对湿度的关系系数需要调整,应更利于云的生成。     

利用CFSR资料分析近30年全球云量分布及变化

在利用MODIS卫星的云产品资料对CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析资料云产品质量进行检验评估的基础上,采用CFSR资料对1979—2009年全球总云量及低、中、高云量的平均分布及其随纬度的变化进行了分析;用经验模态分解(EMD)方法分析了近30年全球云量的变化趋势,结果表明:(1)全球近30年平均总云量约为59%,全球总云量及低云量、中云量都有明显的纬向分布特征,全球总云量有3个峰值带和3个低值带。(2)低云量的海陆分布差异较明显,陆地上的低云量明显低于海洋上的,除了两个极圈附近,南半球各纬度的低云量都比北半球相应纬度上的都要多;高云量的高值、低值中心均集中在赤道附近到南、北半球30°之间的中低纬度,并且低值中心主要分布在大洋的东部。(3)总云量的总变化趋势为增长,具体表现为随时间呈现先略减少后大幅增加趋势,其突变点大致在1993年,在1993年之后,总云量显著增多。低云量和高云量均呈现增长趋势,中云量则相反,呈减少趋势。低云量增幅最明显,接近2%,中、高云量则增减幅度较小。     

Simulations of Hydrological Cycle Changes Between the LGM and the Present Day over China

Based on the International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) data in 1983–2006,it is found that there is a high value center of high cloud amount over the Tibetan Plateau (TP),while there is a high value center of middle cloud amount over the Sichuan Basin extending to the coastal area of southeastern China along the same latitude,and a low one over the TP.The present day (PD) and Last Glacial Maximum (LGM) climates are simulated by using the NCAR Community Climate Model (CCM3) nested with a regio...     

Validation of components of the water cycle in the ECHAM4 general circulation model based on the Newtonian relaxation technique: a case study of an intense winter cyclone

The representation of a simulated synoptic-scale weather system is compared with observations. To force the model to the observed state, the so-called Newtonian relaxation technique (nudging) is applied to relax vorticity, divergence, temperature, and the logarithm of surface pressure to the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) reanalysis fields. The development of an extraordinary strong cyclone along the East Coast of the USA during 12–14 March 1993 was chosen as the case study. The synoptic-scale features were well represented in the model simulation. However, systematic differences to observations of the International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) occurred. The model underestimated clouds in lower and middle levels of the troposphere. Low-level clouds were mainly underestimated behind the cold front of the developing cyclone, while the underestimation of mid-level clouds seems to be a more general feature. The reason for the latter is the fact that the relative humidity has to exceed a critical threshold before clouds can develop. In contrast, thin upper-level cirrus clouds in pre-frontal regions were systematically overestimated by the model. Therefore, we investigated the effects of changed physical parameterizations with two sensitivity studies. In the PCI experiment, the standard cloud scheme operated in ECHAM4 was replaced by a more sophisticated one which defines separate prognostic equations for cloud liquid water and cloud ice. The second experiment, RHCRIT, changed the profile of the critical relative humidity threshold for the development of clouds in the standard scheme. Both experiments showed positive changes in the representation of clouds during the development of the cyclone as compared to the ISCCP. PCI clearly reduced the upper-level cloud amounts by intensifying the precipitation flux in the middle troposphere. The changed condensation threshold in the RHCRIT experiment led to a sharper represented cold front and a better represented cloudiness on its rear side as compared to the PCI and the CONTROL simulations.     

On the vertical extent of atmospheric feedbacks

This study addresses the question: what vertical regions contribute the most to water vapor, surface temperature, lapse rate and cloud fraction feedback strengths in a general circulation model? Multi-level offline radiation perturbation calculations are used to diagnose the feedback contribution from each model level. As a first step, to locate regions of maximum radiative sensitivity to climate changes, the top of atmosphere radiative impact for each feedback is explored for each process by means of idealized parameter perturbations on top of a control (1?×?CO₂) model climate. As a second step, the actual feedbacks themselves are calculated using the changes modelled from a 2?×?CO₂ experiment. The impact of clouds on water vapor and lapse rate feedbacks is also isolated using `clear sky' calculations. Considering the idealized changes, it is found that the radiative sensitivity to water vapor changes is a maximum in the tropical lower troposphere. The sensitivity to temperature changes has both upper and lower tropospheric maxima. The sensitivity to idealized cloud changes is positive (warming) for upper level cloud increases but negative (cooling) for lower level increases, due to competing long and shortwave effects. Considering the actual feedbacks, it is found that water vapor feedback is a maximum in the tropical upper troposphere, due to the large relative increases in specific humidity which occur there. The actual lapse rate feedback changes sign with latitude and is a maximum (negative) again in the tropical upper troposphere. Cloud feedbacks reflect the general decrease in low- to mid-level low-latitude cloud, with an increase in the very highest cloud. This produces a net positive (negative) shortwave (longwave) cloud feedback. The role of clouds in the strength of the water vapor and lapse rate feedbacks is also discussed.     

HORIZONTAL AND VERTICAL DISTRIBUTIONS OF CLOUD COVER OVER EASTERN CHINA AND THE EAST CHINA SEA

Based on data from satellite and surface observations,the horizontal and vertical distributions of clouds over eastern China and the East China Sea are examined.Three maximum centers of cloud cover are clearly visible in the horizontal distribution of total cloud cover.Two of these maxima occur over land.As the clouds mainly originate from the climbing airflows in the southern and eastern slopes of the Tibetan Plateau,they can be classified as dynamic clouds.The third center of cloud cover is over the sea.As the clouds mainly form from the evaporation of the warm Kuroshio Current,they can be categorized as thermodynamic clouds.Although the movement of the cloud centers reflect the seasonal variation of the Asian summer monsoon,cloud fractions of six cloud types that are distinct from the total cloud cover show individual horizontal patterns and seasonal variations.In their vertical distribution,cloud cover over the land and sea exhibits different patterns in winter but similar patterns in summer.In cold seasons,limited by divergent westerlies in the middle troposphere,mid-level clouds prevail over the leeside of the Tibetan Plateau.At the same time,suppressed by strong downdraft of the western Pacific subtropical high,low clouds dominate over the ocean.In warm seasons both continental and marine clouds can penetrate upward into the upper troposphere because they are subject to similar unstable stratification conditions.     

两种探空仪观测湿度垂直分布及其应用比较

对2010年8月在云南腾冲利用芬兰Vaisala RS80和低温霜点仪 (Cryogenic Frostpoint Hygrometer,CFH) 两种探空仪测量大气湿度的垂直分布进行对比分析,同时比较它们白天和夜间测量误差的差别,并对国产GTS1,RS80和CFH共3种探空仪测量水汽总量与地基GPS遥测结果进行比较。结果表明:RS80湿度测值在整个对流层比CFH测值偏干 (23.7±18.5)%;因太阳辐射白天RS80偏干较夜间更明显,比夜间偏干 (13.5±14.8)%。而在对流层上层向平流层过渡区域内RS80湿度数据基本无效。CFH在低温、低湿环境下对湿度能有效测量,但在湿度较高的对流层低层测值偏高,导致比较中CFH水汽总量平均比GPS遥测的水汽总量偏高 (4.3±2.0) mm (样本数为11),而RS80,GTS1与GPS的水汽总量差别分别是 (0.2±1.4) mm (样本数为12), (-0.2±2.2) mm (样本数为43)。地基GPS遥测的水汽总量对对流层上层至平流层的水汽变化不敏感。由于RS80测量相对湿度在高空偏低,通过RS80相对湿度测值来确定中、高云结果是偏低的,特别是对6000 m以上的高云判别上,RS80相对湿度的探测几乎很难甄别到云的存在。     

BCC_AGCM2.1对中国东部地区云辐射特征模拟的偏差分析

通过与观测及再分析资料的对比,评估了中国国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM 2.1对中国东部地区云辐射特征的模拟性能,并着重分析了模拟偏差的原因.在云辐射特征的基本气候态模拟方面,模式能大致再现中国东部中纬度层状云大值带,以及层状云冷季多、暖季少的季节特征,模拟的短波云辐射强迫也具有与观测相对应的季节变化特征.在云辐射强迫和地面温度相互影响过程的模拟方面,模式也能模拟出与观测相近的相互作用过程,即地面温度降低伴随着层状云云量增多以及负的净云辐射强迫加强,升温时层状云云量减少和净云辐射强迫减弱.但模式模拟的大陆层状云云量系统性偏少(尤其在冷季),使得模式在该处的短波云辐射强迫明显偏弱.初步分析表明,造成层状云模拟差异的主要原因是在中国西南地区对流层低层模式模拟的偏南气流明显偏弱以及陆-气潜热通量偏小.偏南气流偏弱导致低层散度和垂直运动条件不利于中层云的形成.同时偏南气流偏弱也不利于向西南地区的水汽输送,再加上模式模拟地表向上潜热通量偏小,这二者都使得模式模拟中国西南区域对流层低层的水汽含量严重偏少,相对湿度偏低,同样不利于层状云生成和发展.水汽偏少进一步导致在冷异常情况下青藏高原下游云辐射-地表温度反馈模拟偏弱,即呈现冷异常时,水汽条件偏弱限制了云量增加,弱化了进一步降低温度的反馈过程.     

Cloud processes associated with past and future climate changes

 To investigate the cloud response during cold and warm periods, we have performed simulations of the Last Glacial Maximum (LGM-21ky BP) and of double CO₂ concentration using the LMD AGCM model. We observe that the thermal characteristics of these two climates are opposite, but the cloud response is more complex and does not display the same symmetry When doubling the CO₂, the warming of the troposphere and the cooling of the stratosphere are clearly linked with a reduction in low-level clouds and an increase of high-level clouds associated with relative humidity changes. For the LGM, the cloud response is more complex. In the inter tropical region, we show that the Hadley cell is reinforced during LGM (+20%) whereas it is reduced (−10%) for the double CO₂ experiments. The most important feature is that we observe an enlarged Hadley cell for LGM climate which strongly modifies the atmospheric dynamics and water transport. For LGM conditions, the cloud response is then mostly driven by these dynamical changes at low latitudes though at high latitudes the thermal changes explain a large part of the cloud response. Two different versions of the model, using different parametrizations for the precipitation show that cloud feedbacks may act differently for cold and warm climates; and that the cloud response may be more complex that previously expected, but also indicate that the details of these effects are model dependent.     

中国西北地区云时空分布特征的初步分析

利用国际卫星云气候计划（ISCCP）获取的1983年7月－1993年12月的月平均云资料，分析了西北地区云的分布特片和季节变化，发现西北地区的云量与地形有很好的一致性；塔里木盆地是云量最少的地区，而且以云层较薄的积云和高云为主，在天山，昆仑山，祁连山一带，存在着云量的极大值区，其中云层较厚，水汽含量较高的层云，雨层云，深对流云占了很大的比例，值得注意的一点是，云的这种时空分布特征具有明显的地域性和稳定性，有利于开展人工增雨工作。