包含水分循环和海冰物理过程的气候模式及气候因子对海冰变化的影响

鉴于水分循环和海冰过程是气候变化研究中两个比较薄弱的环节，而在以往的一些气候模式中往往简化甚至忽略了其中之一，给气候变化的研究带来了一定的不确定性。因此本文设计了一个包含详细水分循环海冰物理过程的二维气候模式，在模拟出极地海冰面积和季节循环基础上，详细研究了存在大气，海洋，海冰以及水份循环中的各种气候因素对海冰季节循环的影响，得到了一些比较有意义的结论：（１）当大气中感热潜热输送加强时，海冰面积减     

淮河流域能量与水分循环试验和研究

淮河流域能量与水分循环试验和研究是国家自然科学基金“九五”重大项目之一,也是中日国际合作研究项目。该项目的实施主要是利用在以淮河流域为中心的广大区域内开展外场观测试验所获得的气象、水文、雷达、卫星遥感等加密观测和特殊观测资料,进一步了解东亚季风区（主要是江淮梅雨区）中尺度降水系统的能量与水循环过程,建立区域气候一水文数值模式及四维资料同化系统,提高梅雨的气候模拟能力。淮河流域能量与水分循环外场观测试验按照项目计划于1998年5月1日正式开始,8月对日结束（部分水文观测项目到9月15日）,历时4个月,圆满地完成了观测任务。其中地面、探空、雷达、卫星、水文及多种特殊观测项目进行了加密观测,成功地观测到江淮及淮河流域地区梅雨爆发前后、梅雨期间以及第二次人梅不同天气条件下的重要降水天气系统和过程,捕捉到季风雨带北移和南撤的气候背景条件下,影响江淮和淮河流域的几次强降水天气过程与水文过程,尤其是多尺度梅雨云系条件下的中-β和中-γ尺度能量与水循环过程,为今后的研究工作奠定了基础,达到了项目的预期目标。     

包含详细水分循环和海冰物理过程的一维。气候模式与气候系统内反馈机制的研究

紧于水分循环和海冰物理过程是气候变化研究中两个比较薄弱的环节，而在以往的一些气候模式中往往简化甚至忽略了其中之一，给气候变化的研究带来了一定的不确定性。因此，我们设计了包含详细水分循环和海冰物理过程的一维气候模式，着重研究了存在，气候系统内部的反馈机制，得到以下几点结论：（１）无论在地表还是在大气中，水汽反馈和冰雪反照率反馈均为很强的正反馈，前者比后者要强一些，冰雪反照率反馈在极区比其它地区强一些。（２）降水过程无论在地表还是在大气中均表现为负反馈。（３）在大气中，蒸发过程表现为很强的正反馈；在地表，蒸发过程在中低纬度表现为很强的负反馈，而在高纬度却表现为正反馈。（４）大气中的潜热输送无论在大气中还是在地表均表现为正反馈，共正反馈效应通过放大水汽的温室效应体现出来。（５）大气中的感热输送无论在大气中还是在地表均表现为较弱的负反馈，其负反馈作用通过抑制冰雪反照率反馈而表现出来。（６）不同反馈之间的合成不是两者简单地线性相加，而是以一种北线性方式相互作用。     

包含详细水分循环和海冰物理过程的一维气候模式与气候系统内反馈机制的研究

鉴于水分循环和海冰物理过程是气候变化研究中两个比较薄弱的环节，而在以往的一些气候模式中往往简化甚至忽略了其中之一，给气候变化的研究带来了一定的不确定性。因此，我们设计了包含详细水分循环和海冰物理过程的一维气候模式，着重研究了存在气候系统内部的反馈机制，得到以下几点结论:（1）无论在地表还是在大气中，水汽反馈和冰雪反照率反馈均为很强的正反馈，前者比后者要强一些，冰雪反照率反馈在极区比其它地区强一些。（2）降水过程无论在地表还是在大气中均表现为负反馈。（3）在大气中，蒸发过程表现为很强的正反馈；在地表，蒸发过程在中低纬度表现为很强的负反馈，而在高纬度却表现为正反馈。（4）大气中的潜热输送无论在大气中还是在地表均表现为正反馈，其正反馈效应通过放大水汽的温室效应体现出来。(5)大气中的感热输送无论在大气中还是在地表均表现为较弱的负反馈，其负反馈作用通过抑制冰雪反照率反馈而表现出来。（6）不同反馈之间的合成不是两者简单地线性相加，而是以一种非线性方式相互作用。     

新书架

《气候变化与青藏高原大气水分循环》该书从青藏高原气候变化趋于暖湿化的视角出发,综合论述了气候变化对青藏高原大气水分循环机制产生的重要影响;提出了青藏高原特殊的大气水分循环结构及其概念模型;分析了影响青藏高原大气水分循环变化的驱动和调制因素;剖析了青藏高原水汽输送的变化特征及其对气候变化产生的响应;归纳总结出在气候变暖背景下,青藏高原冰川、湖泊、冻土、湿地对气候变化的响应及其对该地区水资源与生态系统的影响;提出了进行青藏高原多圈层综合观测的设计思路和实施方案,为系统地认识和理解多圈层过程总体效应提供了科学数据。另外,本书还给出了气候变暖背景下青藏高原区域气候和水资源未来趋势预估。在上述综合分析基础上,提出了一系列具有战略性意义的青藏高原气候变化应对决策建议。本书可为青藏高原科学考察和研究提供理论依据,可供大气科学工作者及相关院校师生参考。     

气候变暖条件下水文循环变化检测与归因研究的几点认识

气候变化检测与归因的实践指南(GPGP)综合了4种检测归因方法,它囊括了目前研究这一因果链采用的不同途径。自1990年政府间气候变化专门委员会(IPCC)第一次评估报告以来,气候变化的检测与归因从气温升高和其他系统或变量变化趋势的研究开始,经历了从全球、半球、海洋与陆地、七大洲乃至区域尺度的细化进程。人为气候变化的指纹检测与归因方法已普遍用于全球大尺度水文循环要素——纬度带平均降水、强降水、径流、比湿、水汽含量等时空型态变化的研究,个别地也应用到流域尺度,如以冰雪融水补给为主的河流的天然流量、积雪和最低温度变化的研究。对于以降水为主,且受人类活动干扰较大的流域,观测的水文循环要素变化的检测与归因,大多数聚焦于观测的气候要素及非气候变量对其的影响,而不回答变化是自然的还是人为强迫引起的。这种方法要求高质量长系列的观测数据、先进的统计检验技术以及物理基础好的水文模型。对于水文循环要素对气候变化敏感的流域,若观测数据满足要求,则采用正规的检测与归因方法或最优指纹法识别外强迫及驱动因子的影响研究,将具有重要科学意义和发展前景。     

CMIP6二氧化碳移除模式比较计划（CDRMIP）概况与评述

地球工程是指通过人工方法在大规模尺度上干预气候系统,使地球气候降温的一种手段。CO₂移除是地球工程的主要途径之一。文中概述了CO₂移除地球工程的科学背景、各种CO₂移除方法的利弊、大尺度应用CO₂移除方法可能产生的气候效应和风险,以及CO₂移除方案在未来气候情景研究中的现状。在第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）框架下开展的CO₂移除模式比较计划（CDRMIP),为深入研究CO₂移除地球工程减缓气候变化的效能和气候系统对其的响应提供了统一试验方案和平台。CDRMIP的开展,对地球工程和气候变化研究具有重要的促进作用。     

气候变化对水文循环的影响

水文循环是地球上海洋、陆地和大气之间相互作用中最活跃且最重要的枢纽,受气候变化影响最为显著。本文回顾了气候变化对全球水文循环的影响,并对20世纪60年代以来中国降水、蒸散发、地表径流及大气水汽含量等陆地水文循环要素变化进行了评估。气候变暖使得全球水文循环加强,观测数据表明自1970年以来,全球对流层和地表水汽含量呈现增加趋势,但由于监测网络在空间覆盖和时间响应的限制,热带水汽增加与环流减弱之间相互影响,使得气候变化对区域水文循环的影响不确定性较大。在全球气候变化背景下,中国水文循环符合全球水循环变化的特征,又表现出更为复杂的区域特征,各个流域间空间差异增大。大气水汽含量在80年代后呈现上升的趋势;60年代以来,中国降水平均态虽然无明显变化但空间差异显著增加,实际蒸散发平均值微弱增加,空间差异增大,地表径流空间差异增大,某些流域呈现减少趋势。21世纪以来,由蒸散发再凝结形成的降水量增加,大气内循环活跃程度加大。     

当代气候研究计划

就气候系统问题，国际上与气候及其变化有关的重要科学计划、尤其是气候变化及可预报性研究（CLIVAR）计划，作了简要介绍，同时还就气候预测问题作了讨论。     

我国西北干燥区地面气象站观测环境代表性思考

气候观测环境代表性和观测资料质量是开展大尺度气候变化监测和研究的前提。为了解我国干燥区气象观测环境变化和台站代表性，作者对河西走廊和北疆九个国家级气象站观测环境开展了调研。本文介绍了调研了解到的情况，并结合先前研究结果，从气候变化监测和研究的视角，讨论了西北干燥区地面观测站代表性问题。目前我国西北地区气象站地面观测，对于干燥区的城市和绿洲区域气候及其变化，具有较高的代表性，但对更广大的荒漠和半荒漠背景气候及其变化，代表性仍显不足。作者发现，早先研究中指出的北疆等地区城镇站地面气温序列负向城市化影响，应与观测场周围局地甚至区域尺度绿洲扩大有直接联系，较难反映绿洲以外干燥区地带性气温变化。针对地面观测环境调研所发现的问题，文章最后提出了几点建议，希望对未来国家基准气候站网设计和建设提供一定参考。     

GRAPES_GFS中三维参考大气的研究：参考态构造和实际预报试验

GRAPES_GFS（Global Regional Assimilation and PrEdiction System, Global Forecast System）采用基于等温大气构造的一维参考大气,前期的研究工作已在GRAPES_GFS的动力框架中引入了三维参考大气,并通过一系列理想试验检验了新方法的正确性以及计算精度。本部分研究工作,主要针对实际资料的预报试验,对比分析了不同三维参考态给定方法的优劣,并采用气候平均法,进行夏季两个月的四维变分循环预报试验。检验结果显示,使用三维参考大气后,模式的综合预报性能得到了提升,对流层高度场、温度场的预报偏差有所减小,长期积分过程中模式质量损失较为严重的问题也得到了明显的缓解。另外,通过动能谱的对比也可以看到使用三维参考大气后,模式在高层的能量耗散明显较小,能谱变化与观测更加吻合。      

Relative contribution of feedback processes to Arctic amplification of temperature change in MIROC GCM

The finding that surface warming over the Arctic exceeds that over the rest of the world under global warming is a robust feature among general circulation models (GCMs). While various mechanisms have been proposed, quantifying their relative contributions is an important task in order to understand model behavior. Here we apply a recently proposed feedback analysis technique to an atmosphere–ocean GCM under two and four times CO₂ concentrations which approximately lead to seasonally and annually sea ice-free climates. The contribution of feedbacks to Arctic temperature change is investigated. The surface warming in the Arctic is contributed by albedo, water vapour and large-scale condensation feedbacks and reduced by the evaporative cooling feedback. The surface warming contrast between the Arctic and the global averages (AA) is maintained by albedo and evaporative cooling feedbacks. The latter contributes to AA predominantly by cooling the low latitudes more than the Arctic. Latent heat transport into the Arctic increases and hence evaporative cooling plus large-scale condensation feedback contributes positively to AA. On the other hand, dry-static energy transport into the Arctic decreases and hence dynamical heating feedback contributes negatively to AA. An important contribution is thus made via changes in hydrological cycle and not via the ‘dry’ heat transport process. A larger response near the surface than aloft in the Arctic is maintained by the albedo, water vapour, and dynamical heating feedbacks, in which the albedo and water vapour feedbacks contribute through warming the surface more than aloft, and the dynamical heating feedback contributes by cooling aloft more than the surface. In our experiments, ocean and sea ice dynamics play a secondary role. It is shown that a different level of CO₂ increase introduces a latitudinal and seasonal difference into the feedbacks.     

A study of rainfall-runoff response in a catchment using TOPMODEL

The simplicity of Topography-based hydrological model (TOPMODEL), as a way of reflecting the topographic controls on soil water storage and runoff generation, has become more attractive and more popular for land surface process study since digital elevation models (DEMs) have become widely available. In this paper, the effect of the topography index on soil water storage distribution, which is the key to TOPMODEL, is explained. Then a simple water cycle model for estimating other components of the surface water cycle is developed, which is implemented into the TOPMODEL to integrate the water cycle of the catchment. Using the output of a DEM from 100 m×100 m resolution data and a single flow direction algorithm, the index distribution function is calculated for a catchment (around 2500 km2 )in the upper reaches of the Yangtze River under different channel initiation thresholds. Finally, the daily and monthly rainfall-runoff response from 1960 to 1987 for the catchment is simulated with the TOPMODEL coup     

2001～2010年中国区域土地利用/覆盖变化对陆面过程影响的模拟研究

基于2001年和2010年中分辨率成像光谱仪MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）土地覆盖数据,利用公共陆面模式（Community Land Model, CLM）模拟真实的土地利用/覆盖变化（Land Use/Cover Change, LUCC）对地表能量平衡和水分循环过程的影响。研究表明:1）在2001～2010年,中国LUCC最明显的区域位于干旱半干旱区过渡带、半干旱半湿润区过渡带和南方地区;中国区域荒漠减少0.92%,草地减少0.01%,农田增加0.77%,森林增加2.86%,植被覆盖度整体增加。2）在2001年和2010年两种土地利用/覆盖背景下,LUCC使大部分地区感热通量增加,植被蒸腾、蒸发潜热通量增加,土壤表面蒸发潜热通量减小。3）LUCC使大部分地区地表径流减小;中国西北东部、华北和东北地区土壤湿度减小,其他地区土壤湿度增加,仅干旱半干旱过渡带上的土壤湿度发生了显著变化。4）当典型过渡带区域由荒漠变为草地后,感热通量增加1.11 W m?2,潜热通量增加0.14 W m?2;冠层蒸腾和蒸发分别增加0.039 mm d?1、0.009 mm d?1。土壤湿度平均减小0.01 m3 m?3,且随深度增加变干更明显,这是由于根系吸收了较多深层土壤水分,以满足植被显著增加的蒸腾而产生的结果。当草地变为灌木时,其能量通量和水分循环的变化与上述结果类似。     

GRAPES NOAH-LSM陆面模式水文过程的改进及试验研究

土壤含水量的计算影响着陆面过程的能量平衡和水量平衡,是陆面模式的核心计算要素之一。目前,GRAPES_Meso模式采用的NOAH-LSM(Noah-Land Surface Model)陆面模式既不能有效地表达径流产源面积的变动情况,也不能完整描述水文循环过程。本次试验针对以上问题对其进行了改进:(1)加入蓄水容量曲线,考虑网格内产流面积的变化及土壤含水量的不均匀性;(2)加入汇流模式,以考虑水平二维水分再分配,提高模式对径流和流量模拟能力。选取2008年8月至9月降水进行模拟试验,研究陆面水循环过程对近地面气象要素的影响。结果表明:改进后的模式模拟土壤湿度、2 m温度等近地面气象要素更接近观测值,并最终对降水量以及降水落区也产生了一定的影响。     

雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值模式预报系统中的同化应用研究

以业务应用为目标,开展雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值预报系统中的同化应用研究。采用雷达反射率间接同化方法同化北方雷达反射率拼图观测资料,重点关注其对降水、湿度、温度及风的预报能力影响。首先,基于2017年8月雷达拼图观测资料批量同化和对比试验,对雷达拼图资料同化应用效果进行定量评估,结果表明雷达拼图资料同化虽然加大了地面风场预报误差,但在降水预报和湿度、温度预报等方面有明显的改善作用。其次,选择在业务中预报难度较大的强降水个例开展分析研究,分析表明:（1）同化雷达拼图观测资料有效提高了模式降水预报性能,临近降水发生的循环起报时次预报效果更好;（2）对于短时间多次强降水过程发生的预报,循环同化雷达拼图资料可及时弥补模式中由于前次降水导致的水汽、能量等消耗及热/动力条件削弱,持续支持降水系统发展。最后,通过考察雷达反射率的不同同化方案,发现同化反演水凝物或者估计水汽均能改善模式降水预报性能,但是同化估计水汽对降水预报性能的改善更为明显,联合使用两方案能同时对水凝物分布、热力场等进行调整,可提高模式降水预报性能。      

Moisture recycling and the maximum of precipitation in spring in the Iberian Peninsula

In the semiarid interior of the Iberian Peninsula, the topographic insulation from the surrounding seas promotes the role of internal sources of moisture and water recycling in the rainfall regime. In inland Iberia, the annual cycle of precipitation often has a distinctive peak in the springtime, when evapotranspiration (ET) is the highest, in contrast to the coastal areas, where it is more closely related to the external moisture availability and synoptic forcing, with a maximum in winter-autumn and a pronounced minimum in the summer. In this work we investigate the role of land surface water fluxes in the intensification of the hydrological cycle in the Iberian spring. We used data from 5 km resolution WRF-ARW model simulations over the Iberian Peninsula for eleven months of May (2000–2010). To bring out the effect of ET fluxes, we conducted experiments where ET water over land was removed from the system. Our findings indicate that the impact of ET on precipitation is on average very large (37 % increase). The impact is particularly strong in the interior north and northeast areas where the observed annual rainfall cycle has a peak in May, suggesting that the role of surface water fluxes is very important there. To investigate whether this role is as a water source or to amplify precipitation dynamics, we computed the recycling ratio analytically from the model data. In addition, we developed a procedure to quantify the amplification impact by comparing the recycling ratio and the relative change in precipitation between control and experiments with ET removed. Results show that the role of surface water fluxes on precipitation depends on large-scale forcing and moisture advection. When the synoptic forcing and moisture advection are strong, such as in fronts associated to Atlantic storms, the impact of ET fluxes is small. When there is potential for convection, as is commonly the case of late spring in the Iberian Peninsula, ET fluxes have a significant impact. Surface moisture fluxes moisten the boundary layer and increase moist static energy, strengthening convective processes, and their role goes from being a primary water source for precipitation (recycling) to have mostly an amplification effect as external moisture availability increases. Our findings show that for the eleven simulated May cases over the Iberian Peninsula, the role of ET fluxes in activating recycling is important and explains 27–58 % of their total impact on precipitation, depending on the method used to calculate the recycling ratio. This indicates that the complementary effect of ET on amplifying rainfall from external sources of moisture is comparable in magnitude to the recycling mechanism and important as well.     

登陆热带气旋研究的进展

随着大气探测技术的发展 ,登陆热带气旋研究已经成为热带气旋研究中一个新的领域。新的探测技术能初步揭示出热带气旋登陆过程中发生的多种改变。近年来 ,国内外科学家实施了一系列外场科学试验 (Fieldscientificexperi ments) ,对登陆热带气旋进行探测和研究 ,旨在提高预报的准确率。登陆热带气旋研究内容包括 :海岸和内陆山脉地形影响 ,结构和强度变化 ,登陆热带气旋的暴雨强度和分布 ,大风强度和分布 ,风暴潮强度和范围 ,登陆热带气旋在陆上的维持机制 ,陆地涡旋的路径和入海加强 ,边界层结构 ,陆面过程和能量交换 ,变性过程等。研究采用外场科学试验与数值模拟相结合的方法。模拟或预报模式中使用同化资料尤其是卫星同化资料来构造初值场 ,取得较好结果。登陆热带气旋的研究目前正在展开 ,并取得了一些重要结果。研究表明 ,潜热释放和斜压位能释放是近海或登陆热带气旋加强或维持的两种主要能源。这两种能量可分别从水汽输送和热带气旋与中纬度环流的相互作用中获得。另外 ,陆面饱和湿地或水面的潜热输送、热带气旋与中尺度涡旋或热带云团的合并以及高空流出气流强辐散也对其加强和维持有利。世界气象组织的热带气象研究计划 (TMRP)正在组织对这一领域的总结和下一步的研究计划。这项研究将对预报和     

青藏高原能量和水循环试验研究--GAME/Tibet与CAMP/Tibet研究进展

“全球能量水循环之亚洲季风青藏高原试验研究”(GAME/Tibet)和“全球协调加强观测计划(CEOP)亚澳季风之青藏高原试验研究”(CAMP/Tibet)的加强期观测和长期观测已经进行了8年多,并取得了大量的珍贵资料和一系列研究成果。本文首先介绍了GAME/Tibet和CAMP/Tibet试验的科学目标、研究内容、试验区概况、仪器设置、观测时间及资料采集的情况,然后介绍了这两个试验在地气相互作用的观测研究、观测与卫星遥感资料相结合估算区域陆面过程参数和对青藏高原陆面过程的数值模拟及藏北高原降水的时空变化等方面的研究进展,同时指出了目前试验研究中所存在的问题并提出了解决问题的途经。     

Global and Regional Impacts of Vegetation on the Hydrological Cycle and Energy Budget as Represented by the Community Atmosphere Model （CAM3）

The effects of vegetation and its seasonal variation on energy and the hydrological cycle were examined using a state-of-the-art Community Atmosphere Model （CAM3）. Three 15-year numerical experiments were completed： the first with realistic vegetation characteristics varying monthly （VEG run）, the second without vegetation over land （NOVEG run）, and the third with the vegetation characteristics held at their annual mean values （VEGMEAN run）. In these models, the hydrological cycle and land surface energy budget were widely affected by vegetation. Globaland annual-mean evapotranspiration significantly increased compared with the NOVEG by 11.8% in the VEG run run, while runoff decreased by 13.2% when the realistic vegetation is incorporated. Vegetation plays different roles in different regions. In tropical Asia, vegetation-induced cooling of the land surface plays a crucial role in decreasing tropical precipitation. In middle latitudes and the Amazon region, however, the vegetation-induced increase of evapotranspiration plays a more important role in increasing precipitation. The seasonal variation of vegetation also shows clear influences on the hydrological cycle and energy budget. In the boreal mid-high latitudes where vegetation shows a strong seasonal cycle, evapotranspiration and precipitation are higher in the summer in the VEG run than in the VEGMEAN run.