北半球高纬地区年际尺度循环过程中的气-海-冰相互作用关系

基于一个全球气-海-冰耦合模式数值模拟结果,对北半球高纬度地区年际尺度的气-海-冰相互作用进行了分析。在所使用的全球气-海-冰耦合模式中,大气环流模式和陆面过程模式来自国家气候中心,海洋环流模式和海冰模式来自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。采用一种逐日通量距平耦合方案实现次网格尺度海冰非均匀条件下大气环流模式和海洋环流模式在高纬地区的耦合。只对50 a模拟结果中的后30 a结果进行了分析。在分析中,首先对滤波后的北半球高纬度地区海平面气压、表面大气温度、海表面温度、海冰密集度及海表面感热通量的标准化距平做联合复经验正交函数分解,取第一模进行重建,然后讨论了在一个循环周期(约4 a)中北半球高纬度地区气-海-冰的作用关系。结果表明:(1)当北大西洋涛动处于正位相时,格陵兰海出现南风异常,使表面大气温度升高,海洋失去感热通量减少,海洋表面温度升高,海冰密集度减小;当北大西洋涛动处于负位相时,格陵兰海出现北风异常,使表面大气温度降低,海洋失去感热通量增多,海洋表面温度降低,海冰密集度增加。巴伦支海变化特点与格陵兰海相似,但在时间上并不完全一致。(2)多年平均而言,北冰洋内部靠近极点区域为冷中心。当北冰洋内部为低压异常时,因异常中心偏向太平洋一侧,使北冰洋内部靠近太平洋部分为暖平流异常,靠近大西洋一侧为冷平流异常。伴随着暖、冷平流异常,这两侧分别出现暖异常和冷异常,海表面给大气的感热通量分别偏少和偏多,上述海区海表面温度分别偏高和偏低,海冰密集度分别偏小和偏大。当北冰洋内部为高压异常时特点正好与上述相反。由上述分析结果可知,在海洋、大气年际循环中,大尺度大气环流变率起主导作用,海洋表面温度和海冰密集度变化主要是对大气环流变化的响应。     

一个冰气相互作用数值模拟结果的可能统计解释

基于一个全球海-冰-气耦合模式的数值模拟结果,选取冬季格陵兰海海表面温度(SST)、海冰密集度、海表面感热通量等物理量以及3个相关区域海平面气压分别作经验正交函数展开,取第一模时间系数作相关分析。结果表明,上一年海冰密集度偏大(小)与来年的SST偏低(高)相联系,但二者同期相关性最大。当海气热通量交换变化超前一年时,其与SST相关性最大。模式最低层大气温度与海洋表面热通量之间的同时相关性最大,冬季模式最低层气温偏高(低)与海洋表面失去的感热、潜热通量偏少(多)相联系。气温、比湿都和冰岛低压区及格陵兰海的海平面气压相关性最强,冰岛低压气压偏低(高)与模式最低层气温和比湿偏高(低)相联系。所以,在海-冰-气年际尺度的相互作用中,主要关系是大气环流调整造成大气中云量和低层气温、湿度变化,进而影响海气界面上的通量交换,造成SST的变化。SST变化决定着海冰范围及海冰密集度的变化,但海冰变化时通过相变潜热的释放或吸收反过来对SST变化有较明显影响。     

东西伯利亚——波弗特海海冰多年代际变率及其与大西洋多年代际振荡的联系

基于哈得来中心（Hadley Centre）逐月的海表温度、海冰密集度资料以及美国国家环境预报中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）的大气环流再分析资料,分析了1950—2020年秋季（8—10月）东西伯利亚—波弗特海（East Siberian-Beaufort,EsCB）海冰年代际变化的时空特征,并阐述了大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,AMO）对EsCB海冰年代际变率的可能调制作用。结果表明,EsCB是秋季北极海冰年代际变化最主要的区域,该区海冰密集度年代际变率可占其异常总方差的40%以上。进一步研究发现,AMO对秋季EsCB海冰存在明显的调制作用,在AMO正位相,北大西洋正海温异常激发向极传播的大气罗斯贝波列,有利于北极中部出现高压异常,相应的大气绝热下沉运动使得对流层低层出现明显的升温,从而有利于EsCB海冰的融化。与此同时,地表升温和EsCB海冰消融会引起局地云量的增多、大气向下长波辐射增大,这反过来又使得地表气温升高,这种地表气温-云-长波辐射的正反馈过程有利于年代际海冰信号的长时间维持。耦合模式的北大西洋“起搏...     

北极海冰及其与气象要素年际关系的年代际变化

利用Hadley海冰密集度资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了北极海冰融冰量及其与大气变量年际关系的年代际变化。结果表明,北极海冰存在显著的年代际变化,且有较强的区域性。东西伯利亚海和波弗特海海冰融冰量的平均值变大且方差增大,格陵兰岛以东洋面海冰融冰量的量值和变率均在减弱。对3个不同气候时段内北极海冰融冰量进行EOF分解,前两个模态均在3个气候时段发生显著的年代际变化,东西伯利亚海海冰融冰量的增加与EOF第一模态年代际变化相关,而EOF第二模态则明显造成了波弗特海海冰的年代际消融。并且,与之相应的大气环流也出现了明显的年代际变化,它们与AO/NAO的年际关系也存在年代际转折,融冰量第二模态与AO的年际关系更为紧密,1960—1990年第二模态与AO的相关系数仅为0.186,而1980—2010年相关系数已升高至0.367。整个北冰洋的海冰融冰量与AO的年际关系也出现了年代际增强,尤其是东西伯利亚地区海冰融冰量与AO的年际关系发生了年代际增强,1980—2010年两者相关达到了0.4以上。而波弗特海融冰量与AO相关系数变化较大,1960—1990年其的相关系数高达-0.488,1980年后却减少至0.161。然而AO却未发生明显的年代际变化。造成北极海冰融冰量及其与大气变量年际关系发生年代际变化的主要因子之一是波弗特高压,其年代际减弱使得极区向东西伯利亚海和波弗特海的海冰输送减弱,导致这两个区域海冰减少,使得AO与北极海冰的年际关系发生了年代际转折。     

北半球海-冰-气系统的10年振荡及其振源初探

采用最大熵谱方法分析了1953～1990年间冬季喀拉海、巴伦支海海冰面积指数、西伯利亚高压强度指数、东亚冬季风强度指数的变化周期,并把冬季喀拉海、巴伦支海海冰面积变化与春夏各季节副热带高压的特征量指数（包括面积指数、强度指数）变化进行了比较。研究发现在海冰-大气气候系统中,明显存在10年尺度周期性变化;冬季喀拉海、巴伦支海海冰面积变化与西伯利亚高压强度指数、东亚冬季风强度指数均呈现相反的变化趋势,海冰偏多（少）则西伯利亚高压偏弱（强）、东亚冬季风也偏弱（强）;冬季海冰面积变化与春夏各季节副热带高压的范围、强度均呈现相同的变化趋势,并且海冰变化要超前0～1年;复经验正交分析表明大气10年尺度周期性变化的振荡源分布均与某一海区（洋区）有关,大气10年尺度变化是对海洋（海冰）变化的响应。     

喀拉海和巴伦支海海冰对中高纬异常纬向环流暨中国东部重霾天气形成的作用

采用1981年1月—2017年2月国家气象信息中心雾、霾数据集资料、同期NCEP/NCAR再分析资料以及哈德来中心的海冰资料,分析了秋冬季喀拉海和巴伦支海海冰变化与东亚冬季风暨中国东部冬季雾和霾日数变化特征之间的关系。研究结果表明,喀拉海和巴伦支海海冰对亚洲区中高纬纬向环流有重要影响,秋季海冰异常偏少是冬季亚洲区中高纬异常纬向环流形成的诱因之一。该地区秋季海冰偏少年,冬季亚洲中高纬地区纬向环流异常偏强,东亚大槽偏弱,影响我国东部地区的东亚冬季风减弱,这为大气污染物在水平方向上的聚集提供了有利条件,同时在海冰偏少年,对流层从中层向下均为正温度距平,与地表温差减小,不利于对流发展,使得大气的状况变得更加稳定,不利于大气污染物在垂直方向上的扩散,水平和垂直方向上的共同作用导致中国东部地区易发生霾天气过程。虽然喀拉海和巴伦支海海冰是影响中国东部地区冬季霾过程发生的重要因子之一,但其对冬季中国东部雾天气发生日数多寡的影响并不显著。亚洲区纬向环流指数相比经向环流指数更能反映中国东部地区冬季雾-霾日数的变化,冬季亚洲中高纬纬向环流越强,中国东部地区雾-霾日数越多。     

FGOALS_gg1.1极地气候模拟

对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发展的气候系统模式FGOALS_g1.1的极地气候模拟现状进行了较为全面的评估.结果表明,FGOALS_g1.1对南北极海冰的主要分布特征、季节变化和年代际变化趋势具有一定的模拟能力.但也注意到,与观测相比,模式存在以下几方面的问题:(1)模拟的海冰总面积北极偏多,而南极偏少.北极,北大西洋海冰全年明显偏多;夏季,西伯利亚沿海海冰偏多,而波弗特海海冰偏少.南极,威德尔海和罗斯海冬季海冰偏少.南北极海冰边缘都存在异常的较大范围密集度很小的碎冰区,夏季尤为显著.(2)海冰流速在南北极海冰边缘和南极大陆沿岸附近较大.北极,模式没能模拟出波弗特涡流,并且由于模式网格中北极点的处理问题,造成其附近错误的海冰流场及厚度分布.这些海冰偏差与模式模拟的大气和海洋状况有着密切的联系.进一步分析表明,FGOALS_g1.1模拟的冰岛低压和南极绕极西风带明显偏弱,其通过大气环流和海表面风应力影响向极地的热量输送,在很大程度上导致上述的海冰偏差.此外,耦合模式中大气-海冰-海洋的相互作用可以放大子模式中的偏差.     

冬季鄂霍次克海海冰对北太平洋风暴轴年际变化的影响

利用北极海冰密集度资料和NCEP/NCAR再分析资料,运用统计方法讨论了冬季鄂霍次克海及其邻近海区海冰异常与同期北太平洋风暴轴的联系.结果发现:冬季鄂霍次克海西南部海区海冰面积异常与北太平洋海温异常共同作用对北太平洋风暴轴在西北-东南方向的伸缩及强度的年际变化有重要影响;鄂霍次克海东北部及舍列霍夫海海区海冰面积异常与海温异常的共同作用主要影响风暴轴的南北位移和强弱.     

印度洋海气相互作用对热带夏季大气环流气候态的影响

利用分辨率较高的SINTEX-F(Scale INTeraction EXperiment-FRCGC) 海气耦合模式, 进行多组长时间积分模拟和理想试验, 分析研究热带印度洋海气耦合对夏季大气环流气候态的影响。主要结果有: (1) 热带印度洋海气相互作用使热带东印度洋产生明显的东风变化, 使热带中西太平洋赤道北部产生气旋性切变变化。 (2) 印度洋海气相互作用对大气环流气候态的影响绝大部分由于大气对海气相互作用的响应存在年际变化正负距平不对称性造成, 这种年际变化不对称性包括正偶极子与负偶极子的不对称、 海盆宽度正异常与海盆宽度负异常的不对称。 (3) 年际和季节内两种时间尺度海气相互作用对印度洋关键区大气环流平均态都有影响, 约各占60%、 40%; 季节内尺度海气相互作用对太平洋近赤道区大气环流平均态有重要影响; 年际尺度海气相互作用对太平洋赤道外地区大气环流平均态有重要影响。热带印度洋年际尺度、 季节内尺度海气相互作用对大气环流气候态的影响, 都存在年际变化以及年际变化正负距平不对称性。这两种尺度海气相互作用主要通过年际变化正负距平不对称性而对大气环流平均态产生影响。     

FGOALS_g1.1极地气候模拟

对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发展的气候 系统模式FGOALS-g1.1的极地气候模拟现状进行了较为全面的评估。结果表明,FGOALS- g1.1对南北极海冰的主要分布特征、季节变化和年代际变化趋势具有一定的模拟能力。但也 注意到,与观测相比,模式存在以下几方面的问题：(1) 模拟的海冰总面积北极偏多,而南 极偏少。北极,北大西洋海冰全年明显偏多;夏季,西伯利亚沿海海冰偏多,而波弗特海 海冰偏少。南极,威德尔海和罗斯海冬季海冰偏少。南北极海冰边缘都存在异常的较大范 围密集度很小的碎冰区,夏季尤为显著。(2) 海冰流速在南北极海冰边缘和南极大陆沿岸附 近较大。北极,模式没能模拟出波弗特涡流,并且由于模式网格中北极点的处理问题,造成 其附近错误的海冰流场及厚度分布。这些海冰偏差与模式模拟的大气和海洋状况有着密切的 联系。进一步分析表明,FGOALS-g1.1模拟的冰岛低压和南极绕极西风带明显偏弱, 其通过大气环流和海表面风应力影响向极地的热量输送,在很大程度上导致上述的海冰偏差 。此外,耦合模式中大气-海冰-海洋的相互作用可以放大子模式中的偏差。     

渤海海冰数值模式的研究进展

根据渤海海冰冰情,从热力和动力两个方面综述了渤海海冰数值模式的研究进展。从热力参数方案和气候特点上,展望新一代渤海中小尺度短期海冰热力模式;从海冰动力模式中3种常用数值方法的主要特点和实际应用情况上,论述SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法在渤海海冰短期预报的发展前景。在此基础上,结合海洋气象的发展,讨论海冰短期预报的关键技术。将海冰数值预报模式与传统的中长期海冰统计预报有机地结合起来将是渤海海冰模式未来的发展方向。     

黄渤海一次持续性大雾过程的边界层特征及生消机理分析

利用常规气象观测资料、NCEP的FNL客观再分析资料和L波段雷达探测资料以及采用国家卫星气象中心多通道气象卫星监测数据和定性分析海雾的方法来处理卫星监测的海雾信息,探讨了2010年2月22—25日黄渤海大雾过程的边界层海气要素的特征、大雾成因及生消机理,结果表明:(1)这次大雾是产生在欧亚中高纬平直环流、大气层结稳定的气象条件下。南支槽前的西南气流与副热带高压西北侧及沿海高压脊后部的偏南气流汇合,形成一支跨越中低纬的偏南气流为海雾形成提供有利的水汽条件。(2)大雾的生消与海表温度、气海温差、空气稳定度和风场等气象、水文要素有密切关系;大雾期间,黄渤海气海温差在0~2℃;大气边界层至对流层下部均有逆温层和等温层,逆温层内的温差为6~8℃,垂直温度的变化是上层温度随时间增大高于低层,使逆温层加强并不断抬升,抑制空气垂直对流发展。近地层空气湿度较大,在200 m附近出现一个液态水含量达0.6 g·kg~(-1)大值区;850 hPa以下层均由2~4 m·s~(-1)的东北风随高度顺转成6~8 m·s~(-1)的西南风,为大雾形成和持续发展提供了有利条件。(3)大雾的湍流最大发展高度达到240 m,湍流混合作用可将中上层湿区水汽和雾滴带到近海面层,同时也有利于空气的降温,易达到饱和凝结而形成大雾。中低层持续弱暖平流把暖湿气流输送至冷海面上有利于近海面逆温层的建立和维持,海面辐射冷却作用激发平流形成大雾。     

黄渤海海雾数值预报系统及检验方法研究

基于PSU／NcAR的WRF模式2．2版本,优选模式微物理过程和边界层方案,开发了海雾诊断程序,并将该诊断程序耦合到WRF模式中,建立了黄渤海海雾数值预报系统,对2007年6月30至8月1日多个海雾过程进行了连续业务预报试验。结合常规沿海站点和卫星监测资料的特点研究设计了能见度数值预报多种检验方法。结果表明：海雾数值预报系统可较准确地诊断（预报）海上能见度,特别是对大雾预报有较好的指导作用,具有一定的应用价值。检验方法的设计是目前海洋气象观测资料匮乏的有益尝试,能有效地控制数值预报产品的质量。     

黄、渤海大风的次天气尺度环流特征及其应用

选取2008年12月出现在黄、渤海的一次大风过程,采用常规观测资料和NCEP全球再分析资料,对大风期间的次天气尺度特征及其与天气尺度系统之间的相互作用进行了诊断分析。结果表明,黄、渤海大风区的次天气尺度环流具有明显的波动特征,这种波动结构的维持与否和大风期间的天气尺度背景密切相关。黄、渤海位于高空槽前,波动结构维持,该区域从次天气尺度系统获得正涡度和动能,气旋发展,大风形成。中纬度斜压带东南移至黄、渤海上空,波动结构遭到破坏,消耗次天气尺度系统涡度,气旋减弱,但低层大气仍获得次天气尺度系统动能,大风维持。在与高空槽相互作用的过程中,虽然次天气尺度环流有不同的分布特征,但低层大气若获得次天气尺度动能,则有利于动能输入地区的风速增幅和大风持续,若消耗次天气尺度系统动能,大风停止。次天气尺度动能大值区主要在850hPa以下的低层。     

Temporal variability and spatial distribution of Sea Surface Temperatures in the Aegean Sea

Summary Sea Surface Temperature (SST) is a critical factor in the assessment of the climatic structure of a coastal region affected mainly by air temperature (AT). A regionalization of the Aegean Sea based on SST values measured at twenty-one representative stations is presented using a widely accepted clustering method. With this method, the Aegean Sea is divided into sub-regions with similar characteristics, on a seasonal basis.Principal Component Analysis (PCA) shows that SSTs oscillate simultaneously in the Aegean Sea and that the major part of the variance is concentrated in the first mode. Spectral analysis shows a high concentration of energy for periods of one year, as is expected. When the annual oscillation is filtered, two secondary peaks can be distinguished, one representing periods from two to three years and another representing periods from three to five years. The first peak is caused by the Quasi-Biennial Oscillation (QBO) and the second as a result of the Southern Oscillation (SO).Interannual variability of the SSTs, although present in the overall signal, seems to be low compared with the strong annual period signal.With 7 Figures     

黄渤海热带气旋检索系统

系统汇集了１８８４年以来国内所能收集到的比较完整的热带气旋历史资料，对一百多年来影响黄渤海的热带气旋进行诊断分析，建立了“黄渤海热带气旋检索系统”，为黄、渤海的热带气旋预报和研究、海上安全生产、运营调度、决策指挥及防灾服务。     

一次南海海雾微物理结构个例分析

本文利用2010年3月22～23日广东省湛江市一次海雾过程的雾滴谱和能见度资料,分析了海雾的微物理特征及微物理参量(数浓度、液态含水量和平均直径)之间的相关性,并讨论了影响海雾的主要物理过程。结果表明:湛江地区海雾的平均雾滴谱符合Junge分布;在海雾发展和成熟阶段,雾滴谱拓宽过程以及数浓度与平均直径的正相关关系表明本次海雾过程主要以雾滴活化和凝结增长过程为主;湍流过程的参与使得雾滴混合均匀,雾滴平均直径向3.5 μm附近集中,趋向平均化。同时湍流使雾体内部和外部空气交流,外部空气的凝结核核化,数浓度升高,凝结增长造成小雾滴变大。     

夏季黄、渤、日本海高压与华北暴雨的观测事实

本文利用1966—1987年夏季（6—8月）逐日500hPa环流图，把在30°—50°N、110°—140°E范围内出现的高压过程按其形成的性质分为五类，即西风带高压、高原高压、副热带高压、西风带高压与副热带高压联合和高原高压与副热带高压联合五类高压过程。分析了上述五类高压过程的时间和地理分布的气候特征，并指出盛夏（7—8月）华北地区，尤其是华北东部和东北南部地区出现的暴雨和大暴雨天气过程与这些稳定的高压形势有着极其密切的关系。     

春季黄海海雾WRF参数化方案敏感性研究

利用2005—2011年10次春季黄海海雾个例开展WRF模式参数化方案敏感性研究。结果表明:边界层方案对WRF模式雾区模拟结果起决定作用,而微物理方案影响较小,它主要影响海雾浓度和高度。边界层与微物理方案的最佳组合为YSU与Lin方案,最差为Mellor-Yamada与WSM5方案;Mellor-Yamada和QNSE方案模拟的近海面湍流过强,导致边界层过高,不利于海雾的发展与维持;而MYNN与YSU方案刻画的湍流强度与边界层高度合适,有利于海雾发展与维持。MYNN方案虽与YSU方案相当,但在大多数海雾个例中,后者明显优于前者,而在有些个例中却刚好相反。因此对于某一具体海雾个例而言,所用边界层方案仍需在它们之中选择最优者。这些信息可为黄海海雾WRF模式边界层与微物理方案的选择与改进提供参考。