一个基于耦合气候系统模式的气候预测系统的研制

基于美国通用气候系统模式CCSM4和自行设计的一套初始化方案,建立了一个全球气候预测系统(PCCSM4),并使用该预测系统对夏季气候进行了30年(1981~2010)系统性的超前一个月的集合回报试验.回报结果表明,PCCSM4基本可以把握观测中夏季(JJA)平均海表面温度(SST)、海平面气压(SLP)和降水的主要分布特征;PCCSM4对SST,尤其是赤道中东太平洋关键区SST具有较高的回报能力,30年的相关系数最高可达0.7;PCCSM4对500 hPa位势高度场、850hPa纬向风场和海平面气压场的回报性能高于降水;总的来看,热带地区的可预测性高于全球,更高于东亚地区;PCCSM4对于典型ENSO年的夏季气候和亚洲夏季风的年际变化具有较好的回报能力,经过进一步的检验和完善可以应用于全球和我国短期气候预测业务.     

外强迫因子变化在2003年夏季旱涝预测中的作用

利用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实验室研发的全球海洋－大气－陆面过程气候系统耦合模式（IAP/LASG GOALS 40），对比分析了考虑和不考虑气候的外强迫因子（太阳活动、温室气体及硫酸盐气溶胶）变化对2003年夏季中国区域的短期气候预测的影响.结果发现，由于外强迫因子变化的影响，模式模拟的中国区域2003年夏季降水距平的分布比不考虑这种变化时更接近实况，它有效地改善了无外强迫变化时模式模拟预测的中国区域降水不真实偏大的缺点，使一些地区的模拟降水量值减小，范围扩大，位置北抬.更重要的是，由于考虑了外强迫的变化，GOALS耦合模式很好地模拟出了2003年夏季淮河流域较大的降水正距平区，同时相应的500 hPa环流场的模拟也有较大的改进.     

基于年代际突变分量的东亚夏季降水动力-统计预报方案研究

基于1983~2011年CMAP降水数据分析,揭示东亚及其近海地区(简称东亚)的夏季降水距平在1999年前后由"+-+"型分布(由北至南)调整为"-+-"型分布,且这种年代际变化主要体现在EOF第3模态中;而在国家气候中心海气耦合模式(BCC_CGCM)回报和预报资料中,1999年前后则由"+-+-"分布型(由北至南)调整为"-+-+"型,即BCC_CGCM对降水年代际分布的预报与实况有较大差别.同时,结合EOF年代际突变分量给出了全球海温场与东亚夏季降水年代际变化有显著联系的关键海区,分析了BCC_CGCM对关键区海温的预报能力及对应的东亚夏季降水预报效果的差异,验证了基于关键区海温指数对改进模式预报结果的可能性.在此基础上,给出了基于年代际突变分量的东亚夏季降水动力-统计预报方案研究,并进行独立样本回报.结果表明,基于V区海温指数订正结果的距平相关系数(ACC)达到了0.25,距平符号一致率(ACR)达到61%,7个区域订正结果平均的ACC为0.03和ACR为51%,较BCC_CGCM模式结果的-0.01和49%均有一定的改进;且订正后1999年前后两个时段降水距平的空间分布和纬圈平均演变均体现了降水型由"+-+"向"-+-"调整的特征.因此,基于海温关键区指数的动力-统计相结合的预报方案能够增加模式对东亚夏季降水的季节预报结果中的年代际变化信息.     

应用九层全球大气格点模式进行跨季度短期气候预测系统性试验

利用中国科学院大气物理研究所9层大气环流模式（IAP9L AGCM）对夏季气候进行了30年（ 1970～1999年）集合回报试验,并采用统计学分析方法对跨季度夏季短期气候的可预测性问 题进行了初步探讨. 结果表明,该模式对对流层中、高层大气环流的预测能力强于低层,位 势高度场和表面气温的可预测性最大,而降水的可预测性则相对较小. 对流层中、高层位势 高度场的可预测性基本呈带状分布,越靠近赤道可预测性越高;而降水的可预测性基本局限 于赤道东太平洋及热带个别区域. 由此可见,降水的预测极为困难和复杂,订正系 统的研究和寻找新的预报物理因子非常重要.      

由精确震源机制推断的日本海岸地震带的局部应力集中:板内地震断层应力积累过程的意义

在日本西南的板内地区发现了最大主应力轴（σ1）方位角的空间变化。根据大量精确震源机制进行应力反演推测,沿日本海岸地震带的口。轴方位角取向为N110°E～N130°E,而在周边地区几乎为东西方向,即N90°E～N100°E。沿南海海沟内陆板块的地壳浅部广泛观测到东西方向的最大水平压应力。然而,在该地震带上仅观测到WNW-ESE方向的最大水平应力。用该地震带之下下地壳中的无震断层或延性断层带的形变解释了该地震带内及其周围应力场的这种空间变化。     

1998年中国特大洪涝时期的环流特征

研究了 1 998年我国特大洪涝的环流特征 ,长江流域洪涝年全国有两种降水分布型 :即长江流域大水全国降水偏多型及长江流域大水其南北降水偏少型 .进而 ,研究了这两类分布型的环流特征 ,并指出北半球 50 0hPa位势高度场有着显著的差异 .鄂霍茨克海高压的建立是长江流域多雨的重要条件 ,南海高压的强弱在全国降水分布型中起着重要的作用     

天山地震带强震活动特征

利用周边国家天山地震目录、中国天山地震目录及USGS地震目录,对天山地震带强震活动的时、空分布特征进行了分析讨论。结果表明,在研究时段内,天山地震带的强震在空间分布上有西强东弱、西密东疏且在40°〈φN〈42°范围出现强震的空白区并存在特殊的易发震地区。强震在南、北天山之间有往复迁移的特征,并在迁移的过程中有单发-双发-群发,但未出现过单发迁移后出现群发的过程。在时间分布上有较明显的周期特征及南、北天山交替发生的特征。在强度上,7级以上地震主要沿天山构造带分布,而6级地震不但有沿天山分布的还有沿斜切天山带的次级构造分布的,且6级以上地震出现高频地区,集中在东经77°±1°的天山地区。     

中国东部夏季降水准两年振荡空间分布及背景场特征

本文采用经验正交函数展开(EOF)及相关分析等方法,使用中国气象局整编的160站1951~2005年月平均降水资料和NCEP/NCAR再分析资料研究了中国东部夏季降水准两年周期振荡的空间模态及其大气环流背景场.结果表明:(1)中国地区降水季节性差异明显,夏季是主要的降水期并具有明显的准两年周期振荡(TBO)特征,中国东部地区是降水TBO方差变化最大的区域.(2)中国东部夏季降水TBO存在两个主要的空间模态,第1模态以27°N为界南北成反位相的变化关系,降水振幅较大;第2模态降水振幅相对较小,大值中心位于河套-华北地区.(3)形成中国东部夏季降水TBO的两个主要空间模态环流背景场明显不同.第1模态与西太平洋海温成正相关,与东太平洋海温成负相关.第2模态则主要与日本海附近的海温成正相关.当夏季降水TBO以江淮偏多时(第1模态),西太平洋海温偏高,东太平洋海温偏低,中国东部及沿海上空850 hPa有异常反气旋,500 hPa高度相关场东亚上空呈"正负正"波列特征,200 hPa南亚高压加强,西风急流位置偏南.当夏季降水TBO降水位置偏北时(第2模态),中国东部及沿海上空有异常气旋,200 hPa南亚高压偏弱,西风急流位置偏北.     

欧亚地区夏季大气环流年际变化的关键区及亚洲夏季风的关联信号

本文利用资料分析和数值模拟方法研究了欧亚地区夏季大气环流的相关性及其与亚洲夏季风的关联信号,以期为欧亚地区的气候变异及可预测性研究提供科学依据.结果表明:欧亚区域同期(JJA)500 hPa高度场年际变化的关键区包括热带区、中纬度的贝加尔湖和巴尔喀什湖之间以及欧洲地中海附近地区;表面气温的关键区主要位于热带海洋;海平面气压的关键区包括热带的海洋性大陆区域、印度洋和非洲大陆赤道附近部分区域、中高纬的贝加尔湖与巴尔喀什湖之间的地区.另外,夏季大气环流年际变化的春季关键区明显西移/南退,特别是表面气温(其西太平洋区不再是关键区).公用气候系统模式CCSM4.0的大气模式在给定海温年际变化的情况下对于上述大气环流相关场及其关键区的模拟基本合理,其中500 hPa高度场的模拟结果较好,海平面气压场的结果逊之;对于同期和前期的结果,模式都有夸大西太平洋海温影响的倾向.对于东亚夏季风指数与大气环流的同期年际变化信号而言,其空间分布基本表现为以30°N为界呈西南东北向的波列状分布;其春季前期信号中,30°N以南的显著区几乎都位于海洋,30°N以北主要位于欧洲、巴尔喀什湖与贝加尔湖之间的地区.南亚夏季风指数的前期显著相关区比同期明显西移/南退.总之,模式的模拟结果和观测结果相当吻合,但其同期模拟结果比前期的更好一些.这些结果说明:模式对于大气环流年际变化的耦合变化信息的刻画是基本合理的,这为利用气候模式进行有关可预测性研究和降尺度预测研究奠定了基础.     

南海海面高度和输运流函数: 全球 变网格模式结果

为了研究南海环流结构和变异及其与外部水域的关系, 我们建立了一个嵌套于全球大洋环流模式中的高分辨率中国近海环流数值模式. 给出模拟所得南海月平均以及年平均的海面高度和流函数分布, 与TOPEX/POSEIDON资料比较表明, 所得海面高度距平与观测十分一致. 基于这些结果, 讨论了南海的环流结构, 尤其是上层环流结构. 结果表明: 对于表层海水来说, 黑潮在冬、春和秋季均通过吕宋海峡入侵南海, 夏季则表层没有入侵. 但对于整个海水而言, 全年均有海水从太平洋通过吕宋海峡进入南海. 这一差异表明, 在夏季, 太平洋的海水是在次表层和中层入侵南海的.南海北部陆坡附近全年受气旋式环流控制. 夏季的南海南部反气旋流圈、越南东南离岸流和冬季的南海南部气旋流圈都得到了很好的再现. 南海海面高度和海面高度距平之间的差异明显. 表明, 在利用卫星高度计资料研究南海的上层环流时, 长期平均海面高度的空间分布有重要意义.     

近60年全球大气环流经向模态的气候变化

本文根据1948～2004年NCEP/NCAR 1000 hPa、500 hPa、100 hPa高度场逐月再分析资料，分析了近60年全球大气环流经向模态的气候变化. 结果表明：近60年来第一模态从低层到高层都表现出高纬与低纬地区之间明显的反向变化关系，且随时间有明显的增强趋势. 第一模态位相发生了相反的改变，低纬地区由负距平演变为正距平，高纬地区由正距平演变为负距平. 1000 hPa和500 hPa高度场上的南半球比北半球变化激烈，而100 hPa高度场上的北半球比南半球变化激烈. 第二模态在1000 hPa高度场上，主要表现为南极涛动（AAO）和北极涛动(AO)，且两涛动在年际、年代际尺度上表现出明显的负相关关系；在100 hPa高度场上，主要表现为南北半球高纬度地区之间的反向变化；500 hPa高度场是1000 hPa和100 hPa的一个过渡层次，主要表现出明显的南极涛动(AAO). 第二模态可能是南北半球中高纬环流相互作用的桥梁.     

CMIP5模式对东亚冬季风指数变化及其与冬季大气环流和气温关系的模拟评估

本文评估了44个CMIP5模式对东亚冬季风环流系统,特别是东亚冬季风指数及其对应的环流和气温特征的模拟能力.结果表明:CMIP5模式对地表气温和500 hPa位势高度场模拟效果最好,对200 hPa纬向风的模拟次之,而对海平面气压和850 hPa经向风的模拟相对较差.与单个模式相比,多模式集合(MME)的模拟能力要更优,其能够很好地再现西伯利亚高压、阿留申低压、东亚低层偏北风、中层东亚大槽、高层东亚西风急流以及地表气温的空间分布.不过,模拟的环流系统偏强,造成东亚地表气温总体偏低.对于东亚冬季风指数,分别选取基于300 hPa纬向风(I_(Jhun))、850 hPa风场(I_(Wang))、500 hPa位势高度(I_(Cui))、以及海平面气压(I_(Guo))定义的四个指数表征东亚冬季风强度.MME能很好地模拟I_(Cui)和I_(Wang)指数的长期变化,还能合理再现四个指数所指示的东亚冬季风环流和气温的变化特征:对应冬季风偏强年份,西伯利亚高压、阿留申低压、东亚沿岸低层北风、东亚大槽和高空西风急流加强,东亚大陆地表气温和极端低温降低,但变化的幅度比观测结果偏弱.     

夏季东北亚阻塞高压年际变化的一个物理机制

根据实际观测资料反演获得描述大气环流演变的空间谱函数后，从改进的高截断谱模式途径出发研究了夏季东北亚阻塞高压年际变化的物理机制.结果表明，前期外部热源强迫的空间分布大致为El Nio型分布时，外部热力强迫导致大气环流演变中波波相互作用主要表现为纬向2波的相互作用；波流相互作用主要表现为经向2波和3波与反映基本流中的经向1波的相互作用.这样使得500 hPa高度场上东北亚地区为一相对正异常区，为夏季东北亚阻塞的频繁发生提供了有利的大气环流背景.而前期外部热源强迫大致为La Nia型分布时，外部热力强迫则导致大气环流演变中波波相互作用主要表现为纬向1波的相互作用；波流相互作用主要表现为经向2波和4波与反映基本流中的经向2波的相互作用.从而使得500 hPa高度场上帆北亚地区出现相对负异常，抑制了夏季东北亚阻塞的发生.     

夏季南亚高压对流层中上层异常暖中心时空分布特征及其激发的大气波动

利用1979年1月至2016年12月ERA-interim月平均再分析资料和CAMP全球月降水资料,分析夏季（6—8月）南亚高压下方500 hPa到100 hPa暖中心的时空分布,从三维结构来揭示夏季南亚高压暖心特征.回归分析进一步探讨青藏高原上空暖中心对全球大气环流产生的可能影响.结果表明：南亚高压在150 hPa达到最强,这一层也是异常冷暖中心分界面,150 hPa以下有一强大异常暖中心,异常暖中心位于300 hPa附近,150 hPa以上为异常冷中心,中心位置位于70 hPa附近.异常暖中心从500 hPa向上逐渐向西向北倾斜,异常暖中心面积200 hPa达最大,150 hPa异常暖中心消失,100 hPa以上转变为异常冷中心.500~200 hPa异常暖中心表现出不断增暖的长期趋势（1979—2016）,100 hPa异常冷中心则表现出不断变冷的长期趋势（1979—2016）.去掉长期趋势的时间序列表现出明显的"准两年振荡"特征,异常暖中心位置在纬向上较稳定,在经向上表现出年际的"东西振荡".300 hPa异常暖中心是整个南亚高压的关键层.300 hPa异常暖中心对全球其他变量场进行回归分析.高度回归场表明,青藏高原上空异常暖中心在北半球中高纬度高度场上激发出3波的行星波,波特征在对流层中上层表现明显,波振幅随高度增高不断加强,在对流层中下层逐渐减弱并消失.纬向风回归场在对流层中上层表现出横跨南北半球的波列,这个波列在200 hPa振幅最大.经向风回归场在北半球中纬度（30°N—60°N）表现出7波型,说明南北能量交换频繁.降水回归场表明,东亚地区长江中下游至日本降水偏少,而其南北两侧降水偏多.     

四川长宁MS6.0地震区域构造应力场特征分析

2019年6月17日在四川宜宾市长宁县（28.34°N,104.90°E）发生M_S6.0地震,余震发育。本文利用区域测震台网的地震观测数据基于CAP方法计算了28°~29°N,104°~105°E范围内的14个M_S>3.0以上地震的震源机制解,结合全球矩心矩张量目录和部分前人研究结果中该区域的共27个震源机制解数据,应用MSATSI软件反演了研究区域的应力场。将研究区域按0.1°×0.1°划分成25个应力网格,最终得到9个网格的应力分布结果,大多数应力场方向稳定,根据主震所在应力网格点得到主震的断层类型为主逆冲型。本文研究成果为四川长宁地区的孕震机理、活动构造以及地震趋势判定提供了可靠的参考依据。     

变网格大气模式对1998年东亚夏季风异常的模拟研究

本文利用法国国家科研中心(CNRS)动力气象实验室(LMD)发展的可变网格的格点大气环流模式LMDZ4,对1998年东亚夏季降水进行了模拟,考查了变网格模式对东亚夏季降水的模拟性能.结果表明,模式在一定程度上能模拟出东亚夏季降水的极大值中心、夏季风雨带以及降水由东南向西北递减的空间分布特征.模式基本再现了1998年夏季两次雨带的进退特征,包括降水强度、雨带范围等,从而合理再现了1998年夏季江淮地区的"二度梅"现象.与观测相比,模拟的不足在于:在陡峭地形区附近存在虚假降水;江淮和华北地区以及四川盆地存在水汽输送的气旋式辐合偏差,同时高层环流辐散偏强,使得下层暖湿空气辐合上升、降水偏多;在东南地区存在反气旋式的水汽输送偏差,30°N以南地区降水偏少.对于1998年的"二度梅"现象,模拟偏差主要表现为长江中下游地区两次(特别是第二次)较强降水持续时间偏短,强降水范围偏小,而黄淮和华南地区却降水偏多.分析表明,模式对两次梅雨期降水的模拟偏差直接受环流形势模拟偏差的影响.LMDZ4区域模式版本的特点一是区域加密,二是加密区内预报场每10天向再分析资料恢复一次.敏感试验结果表明,LMDZ4加密区向强迫场的10天尺度恢复总体上有利于提高模式对华北降水的模拟能力,而对长江流域和华南降水的模拟具有不利影响.较之均匀网格模拟试验,加密试验由于在东亚的分辨率大大提高,对东亚夏季降水模拟效果更好.     

青藏高原区域构造应力场特征分析

利用区域测震台网的地震波形及震相数据基于CAP方法反演北纬26°~42°,东经90°~110°内的270个M_S>3.0以上地震的震源机制解;并结合GCMT目录和一些前人研究结果中该区域的共759个震源机制解数据,运用SATSI方法计算了研究区域的应力场。将研究区域按1°×1°网格化后得到了154个局部应力场分布结果,从结果上看,整个青藏高原的最大主压应力方向大致表现为顺时针且向右的旋转方式。该结果反映了青藏高原块体向NE和NNE挤压的过程中,分别在其北部和东部受到鄂尔多斯和阿拉善两个坚硬块体的阻挡,造成青藏块体增厚,块体之间物质的侧向流动。对研究区域应力型因子R值的研究显示青海祁连、甘东南区域、四川龙门山断裂带等沿青藏高原块体与阿拉善块体以及鄂尔多斯块体交界处相对应力值偏大,与近年来这些地区的地震活动性成正比。本文研究结果对比其他应力场研究结果、GPS研究结果、以及数值模拟结果具有很好的一致性,可为青藏高原地区的孕震机理、活动构造以及地震趋势判定提供可靠的参考依据。     

卫星遥感东经120°子午圈MLT典型温度结构：中间层顶统计分析

利用2002-2006年期间SABER／TIMED温度数据综合考察了中心位于120°E,宽度为30°子午圈（东经120°子午圈）内中间层和低热层（MLT）大气的平均热力状态．季节平均温度的分析结果说明该子午圈中平均温度与用相同数据集建立的纬圈平均温度之间表现出相当好的一致性,但是与国际参考大气CIRA-86温度之间则表现出显著的差异,而对MLT典型温度结构描述不同是导致70km高度以上出现这种显著差异（20K以上）的主要原因．进一步利用逐日数据开展温度梯度诊断确定了中间层顶的位置和温度,在此基础开展考察的结果显示,在夏季,与极区中间层顶高度一致（83km）的中间层顶稳定地伸展到中纬度（48°N）,而热带和赤道地区中间层顶稳定地维持在97km高度,形成了“两台阶”中间层顶结构．逐日分析结果还揭示了中纬度地区夏季中间层顶异常复杂的表现,结果表明在这里可以看到两种位于不同高度的中间层顶,第一种位于83km并且伴随异常低温,而另一种位于约100km高度．虽然基于当前分析结果并利用过去用于解释极区中间层顶“两模态”的理论对有关问题进行了探讨,但是全面理解夏季中纬度中间层顶的复杂表现还有待更深入的研究．     

积雪在El Nino影响东亚夏季气候异常中的作用

本文利用1948—2010年Global Land Data Assimilation System(GLDAS)NOAH陆面模式资料、GPCC月平均降水资料和NCAR/NCEP全球月平均再分析资料,采用滤波、距平合成和线性相关等方法,分析了El Nino成熟位相冬季欧亚大陆积雪异常的分布特征,研究了关键区积雪融化对后期春、夏季土壤湿度、土壤温度以及大气环流与降水的影响,揭示了El Nino事件通过关键区积雪储存其强迫信号并影响东亚夏季气候异常的机制和过程.主要结论如下:El Nino成熟阶段冬季伊朗高原、巴尔喀什湖东北部和青藏高原南麓区域是雪深异常的三个关键区,这些区域的雪深、雪融和土壤湿度有明显的正相关;这三个关键区雪深异常通过春季融雪将冬季El Nino信号传递给春、夏季局地土壤湿度,通过减少感热通量和增加潜热通量对大气环流产生影响;春末夏初伊朗高原土壤湿度异常对东亚夏季气候异常的影响最大,其引起的降水异常与El Nino次年夏季降水异常分布基本一致,春夏季青藏高原南麓和巴尔喀什湖附近土壤湿度也都明显增加,均会对中国华北降水增加有显著正贡献.总之,在利用El Nino事件研究和预测东亚夏季气候异常时,还应考虑关键区雪深异常对El Nino信号的存储和调制作用.     

1833年云南嵩明8级地震震中区地震密集特征分析

1833年云南省昆明市嵩明杨林地区发生了1次强烈地震,震级被定为8级,这也是迄今为止云南省震级最大的地震。本文选取该地震震中一带为研究区（24.7°～25.5°N,102.3°～103.3°E）,采用网格点密集值计算方法对研究区1966年以来仪器记录的地震进行了计算。根据地震密集等值线图确定研究区有2个地震密集区。通过不同的时窗分析了密集区内地震活动的时间分布特征。利用地震密集时空分布特征与历史强震间的关系,给出了1833年嵩明8级地震震中位置校正的建议。此外,还通过地震密集时空动态变化分析发现,21世纪以来研究区地震密集由NE逐渐向SW方向发展。该现象可能在一定程度上反映出区域应力的变化特征。