夏季风过渡区的陆-气相互作用：述评与展望

夏季风过渡区是受夏季风影响最敏感的区域之一,其陆-气相互作用对夏季风气候动力学过程响应明显,该区域的陆-气相互作用及其对夏季风活动的响应是一个值得关注的重要科学问题。分析了中国夏季风过渡区的形成及其基本特征,讨论了夏季风过渡区陆-气相互作用过程研究的主要关注点,初步推测了该地区陆-气相互作用对夏季风变化的响应机制。指出该地区陆-气相互作用研究包含了多重互馈机制、陆面水-热-生过程耦合、近地层到自由大气的多界面交换、季风多尺度作用和特殊的陆面水分循环等一系列重要科学问题。同时,总结归纳了该领域的主要研究进展和关键科学问题,提出了未来应该重点研究的7个方面,并初步给出了研究试验的基本思路。为未来系统深入研究夏季风过渡区陆-气相互作用及其对夏季风活动响应问题提供了科学指导。      

基于多源陆面通量数据相融合的新资料及其在中国夏季风影响过渡区的应用

夏季风影响过渡区是陆面能量交换与区域气候相互作用显著的热点区域。然而,目前缺乏适用于该区域的高精度长期通量数据集,这限制了陆面水热交换与气候相互作用的研究。如何融合目前已有的多源通量资料进行重构建以及应用显得十分必要。本研究综合包括中国北方协同观测试验和中国通量网的多种下垫面通量观测以及多种格点资料,试图重构中国夏季风影响过渡区的陆面能量通量数据集。在筛选具有优良下垫面代表性站点并考察模拟和观测散点分布规律的基础上,利用多元回归模型构建了一套适用于夏季风影响过渡区并且受观测资料约束的月平均感热、潜热和净辐射数据集。交叉验证结果表明构建的数据集相对于几种原始格点数据集精度有一定提高,最大程度上消除了原始格点资料的系统偏差。进一步分析表明在地表能量平衡分量中,陆面湍流通量对夏季风的响应更为显著,并且夏季风影响过渡区陆面湍流热通量对夏季风持续时间呈现对数分布的年际变化规律;当夏季风处于低持续影响状态时陆面湍流热通量年际变化更为显著,偏弱的夏季风系统可能导致陆面过程对气候变化更强的影响。本文基于多源通量数据融合构建的新数据集可以为气候变化研究提供数据支撑,同时增加了对陆面过程与季风系统相互作用的认识。     

由非季风区向季风区过渡过程中大气边界层结构的变化分析

利用中国西北中部具有代表性的非季风区、夏季风影响过渡区和季风区的7个高空站的2013年夏季晴天07时、13时、19时（北京时）的大气边界层资料,通过分析大气边界层位温、比湿、风速的垂直结构,发现大气边界层结构及厚度在不同区域的分布特征:稳定边界层厚度、残余层顶高度和对流边界层厚度从非季风区、夏季风影响过渡区至季风区出现阶梯性大幅降低,从非季风区至夏季风影响过渡区,以及从夏季风影响过渡区至季风区,对流边界层厚度降幅依次为25.6%和81.8%,稳定边界层厚度降幅依次为58.3%和41.8%;在稳定边界层条件下,可观察到低空急流的存在,非季风区低空急流出现高度明显高于夏季风影响过渡区和季风区,且非季风区的低空急流风速也明显大于夏季风影响过渡区和季风区。通过分析与大气边界层发展最为密切的陆面热力因素在不同气候区的分布,净辐射值、日地-气温差最大值以及感热通量值在非季风区大于夏季风影响过渡区和季风区,从陆面热力过程为非季风区大气边界层厚度大于夏季风影响过渡区和季风区提供了理论依据。     

区域气候模拟研究及其应用进展

区域气候模拟研究在过去十几年里取得了显著的进步。经过广泛的发展和不断的检验,区域气候模式现在已经成为气候研究和业务预报的重要工具。目前已经发表了很多令人鼓舞的结果,其中包括过去极端气候事件的模拟,当前气候发展演变和未来气候变化的预测,特别是对月和季节尺度气候的模拟与预测。通过对高分辨率和动力连续的区域气候模式结果的分析,人们对于周-季节时间尺度的各种物理过程,包括陆面和水文过程、边界层、云和降水、云-辐射相互作用的认识也在不断的深入。然而,区域气候是多尺度扰动(如中尺度、天气尺度、行星尺度扰动)和多圈层系统(如大气圈、生物圈、水圈、冰雪圈、陆面)相互作用的结果,同时物理过程本身具有不确定性,人们对一些复杂的物理过程,特别是土壤湿度作用以及云-气候反馈过程也缺乏深刻的理解,因此该领域的研究还面临着很多挑战。作者重点总结并评述了区域气候模式对现在和未来区域气候模拟、极端天气和气候事件模拟、物理过程研究、短期气候预测几方面应用的研究进展,最后讨论了区域气候模式发展在上述各方面,特别是周-次季节时间尺度区域天气和气候的模拟与预测所面临的挑战和应用前景。     

陆面水文过程研究进展

本文回顾了近年来中国科学院大气物理研究所在陆面水文过程的观测、模式发展以及陆气相互作用研究等方面所取得的重要研究成果。首先概述了近年来在中国区域所开展的陆气相互作用野外观测试验,通过资料分析揭示了国际上现有陆面模式对干旱／半干旱地区陆气相互作用模拟的偏差,指出典型干旱／半干旱区陆面过程参数修正的必要性;随后重点描述了陆面过程模式中积雪覆盖度和冻土参数化方案的发展,中国区域土壤湿度的时空分布特征及其对区域气候的影响,以及中国区域大尺度水文模式的研制和应用等;最后给出了陆面水文过程研究的趋势和发展方向的展望。     

复杂条件陆-气相互作用研究领域有关科学问题探讨

实际大气都是在复杂条件之下,所以复杂条件带来的问题已成为陆-气相互作用研究领域面临的最大科学挑战,严重制约了该领域研究成果在解决实际天气气候问题中的应用。在概要总结近年来中国复杂条件陆-气作用研究领域进展的基础上,对复杂条件下陆-气相互作用有关的科学问题进行了探讨。从陆面过程和大气边界层这两个陆-气相互作用的关键环节分析了影响陆-气相互作用复杂条件的机制,归纳了复杂条件下陆-气相互作用研究领域面临的关键科学问题。同时,以复杂下垫面陆面过程和非均匀大气边界层问题为重点讨论了突破复杂条件陆-气相互作用关键科学问题的基本思路,并对进一步开展复杂条件陆-气相互作用研究提出了初步的科学建议。      

陆面过程模式LPM—ZD及其对我国中东部地区陆面特征的模拟

该文利用陆面过程模式ＬＰＭ－ＺＤ和一套观测分析资料对我国中东部地区的陆面特征进行了模拟研究，模拟结果表明，模式ＬＰＭ－ＺＤ比较地模拟了该区域内不同类型植被和土壤的温，湿变量以及陆气间能量交换的日变化特征，能够合理地模拟我国中东部区域的陆面过程特点分布，很好地反映了我国南北方区域气候特点的差异和我国夏季风气候特点。     

陆面过程模式LPM-ZD及其对我国中东部地区陆面特征的模拟

该文利用陆面过程模式ＬＰＭ┐ＺＤ和一套观测分析资料对我国中东部地区的陆面特征进行了模拟研究．模拟结果表明：模式ＬＰＭ┐ＺＤ比较好地模拟了该区域内不同类型植被和土壤的温、湿变量以及陆气间通量交换的日变化特征；能够合理地模拟我国中东部区域的陆面过程特点分布，很好地反映了我国南北方区域气候特点的差异和我国夏季风气候特点     

半干旱区植被覆盖度对边界层气候热力影响的数值模拟

在陆－气相互作用的中小尺度系统研究中，水平非均匀下垫面的强迫作用是主要的物理过程。本文利用能量闭合二维陆面过程与大气边界层耦合模式，研究了我国西北半干旱地区（３８°Ｎ，１０５°Ｅ）夏季下垫面物理特征的变化对区域边界层气候的影响。结果表明：土壤湿度、植被覆盖度对局地环流和区域边界层气候的形成起着决定性的作用。模拟结果揭示了在半干旱地区大面积植树造林、提高植被覆盖度，可涵养土壤水分，改善局地生态环境，是人工持续改造干旱、半干旱荒漠地区局地气候的重要途径。     

边界层参数化方案对陆气相互作用影响的模拟研究

利用湍流动能闭合方法对区域气候模式RegCM3中的边界层参数化方案进行了改进,然后利用中国东部典型旱、涝年资料进行了改进效果对比试验,并着重分析了边界层参数化方案改进对陆气相互作用的影响,结果表明:采用湍流动能闭合方法可以更合理的描述边界层的高度及其日变化,较为真实地描述边界层的物理过程,使得陆—气间通量及大气各层垂直...     

荒漠绿洲边界层结构的数值模拟

陆-气相互作用和中小尺度天气系统的研究中,水平不均匀边界层和水平不均匀地表的强迫作用都是重要的物理过程.本文用已建立的陆面过程与大气边界层耦合模式(BLCM),较详细地研究了草地周围为荒漠(半沙漠)的地表植被不均匀而造成的边界层结构特征和局地环流及其昼夜变化.通过边界层顶影响自由大气不同尺度的运动.模式结果揭示出最强的上升和下沉运动是发生在荒漠-草地间动力和热力不连续的界面附近,且呈现出不对称性.     

陆面过程和大气边界层相互作用敏感性实验

文中建立了一个研究陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式。模拟了草原下垫面的土壤 环境物理、地面热量通量、蒸发、蒸散及大气边界层结构特征。并对主要的环境物理参数进 行了敏感性实验。结果表明，本模式能合理地模拟地表热量平衡、土壤体积含水量、植被蒸 发阻抗、地表水汽通量日变化和湍流交换系数、湍流动能、位温和比湿廓线等。该模式还可 进一步应用于研究城市陆面物理过程与大气边界层相互作用机制，及与中尺度大气模式耦合用于区域气候的研究。     

2004年南海夏季风的爆发及中南半岛陆面过程的可能影响Ⅰ:诊断分析

南海夏季风的爆发受高原、海洋(海-气相互作用)、冷空气和陆地(陆面过程或陆-气相互作用)等多种因素的影响,其中中南半岛由于是连接南海夏季风和印度、孟加拉湾季风的关键区,而且孟加拉湾不仅是亚洲最早爆发夏季风的地区,又是副热带高压最早断裂的地区.因此它的陆面过程对南海夏季风的影响是不可忽视的.文章从2004年南海夏季风爆发前后的环流和降水分析其活动特征,并进一步研究中南半岛陆面过程对南海夏季风的爆发日期和强度的影响.2004年南海夏季风于5月19日爆发,利用NCEP再分析资料及地面站点降水资料对这次季风爆发前后的环流形势和降水分布进行分析,结果表明强对流活动由孟加拉湾移到中南半岛,引起中南半岛的降水增大,导致陆面过程发生改变(包含土壤湿度,感热、潜热通量,向上长波辐射),最终使得中南半岛-南海之间的低层气温差出现符号逆转,为南海夏季风的爆发提供了必要的条件.此外,中南半岛-南海低层气温差同南海夏季风的活跃程度有密切的联系.通常负的温差出现后不久,南海夏季风即进入活跃期或非活跃期,正的温差出现之后则常常是南海夏季风的中断期.     

亚洲区域海—陆—气相互作用对全球和亚洲气候变化的作用研究进展

围绕全球变化研究国家重大研究计划项目“亚洲区域海—陆—气相互作用机理及其在全球变化中的作用”预定的总体研究内容和科学目标,项目执行两年多以来,取得了一系列阶段性科研成果.关于气候动力学方面,项目揭示了热带印度洋—西太平洋暖池的海温变化是全球热带气候年代际变化的重要驱动力,是全球尺度副热带干旱的重要调控器;发现热带东太平洋海温存在冷舌模态,它是一个海气耦合模态,阐明在全球变暖背景下其对ENSO型态变异的作用及影响东亚气候的机理;揭示了青藏高原热力强迫的异常特征及其气候效应;提出了水平非均匀基流中行星波传播的理论,研究了其在不同东亚夏季风背景下的传播特征.关于气候预测方法方面,提出了若干有物理基础的气候预测方法,如尺度分离的降尺度预测新方法、基于北大西洋涛动(NAO)-ENSO的东亚夏季风预测模型、基于南半球环状模的东亚气候预测模型等,为业务部门提供了重要参考.关于观测方面,项目在亚洲区域海气补充观测和海洋资料同化方面也取得突出进展,成功进行了南海18°N断面海洋综合观测,为形成我国第一条南海断面长期海气观测打下了基础.在国际合作方面,项目还继续推动和领导了“亚洲季风年”(AMY2007-2012)与“东亚气候模拟”国际计划,提升了我国在该领域的国际地位.     

全球变化背景下多尺度干旱过程及预测研究进展

干旱是一种周期性的气候异常,主要受气候自然变率驱动,具有发展缓慢、持续时间长、影响范围广等特征。然而,气候变化使得干旱不仅有增加趋势,其特征也在发生变化。例如,发展迅速的干旱,也称骤旱,近年来频繁发生。此外,人类活动通过改变陆地水循环,直接或间接地影响干旱过程。在全球变化背景下,干旱机制研究由海-陆-气相互作用影响气象干旱的气候动力学研究扩展到包含干旱传递过程机理认识、考虑区域尺度人类活动影响,面向农业、水利、生态等行业的农业干旱和水文干旱研究,为认识干旱可预报性、发展预测方法带来了新的挑战。本文将针对多尺度干旱过程及预测,讨论相关的研究进展及未来发展方向。     

Simulation of the regional climatic effect of irrigation over the Yellow River Basin

本文基于新设计的灌溉参数化方案,并将其耦合到区域气候模式WRF之中,利用此模式对黄河流域进行为期10年的区域气候模拟,结果显示引入灌溉之后将减小模拟的土壤湿度,感热和潜热的偏差。灌溉导致地表增加额外的水分,从而导致土壤湿度和蒸发增加,地面空气冷却,感热减小和潜热增加,同时导致行星边界层也发生变化。揭示了农业灌溉在区域气候研究中的重要性和增强对人类活动在调节陆-气-云相互作用的理解。     

中国区域陆气耦合强度的时空分布特征

使用陆气耦合强度来表征陆面状态对降水、气温或大气其他物理过程的影响程度,可以辨识陆气相互作用的热点地区,加深对陆气相互作用和气候系统的认识。利用ERA5再分析资料,结合Pearson相关系数、Kendall’s Tau相关系数及土壤湿度-潜热通量、潜热通量-抬升凝结高度的陆气耦合指数对中国区域陆气耦合强度进行定量分析。结果表明:(1)我国北方干旱半干旱区土壤湿度增大导致潜热通量增加,为降水提供了所需的水汽条件;潜热通量增大导致感热通量减小,温度降低,对边界层的驱动减弱,不利于气团的抬升凝结,该区域是我国陆气相互作用的热点地区。(2)我国陆气耦合强度存在显著的季节性差异。干旱半干旱区陆气耦合强度在春夏季较强,秋冬季较弱。西南地区春季土壤湿度较低,有显著的陆气相互作用。     

新书架

正《中亚气候变化调查研究》何清等编著该书介绍了中亚区域概况和中亚区域气候特征,中亚大气环流变化及其气候影响;基于树木年轮资料的中亚区域百年气候变化,中亚地区未来50年气候变化预估等。书中内容有助于科学地认识中亚干旱区的历史气候变化事实和未来气候变化趋势,气候时空演变规律及其区域差异以及区域气候变化对全球变化的响应等,是对全球变化研究的重要补充和完善,可为有关部门制定涉及中亚区域可持续发展及规     

城市化环境大气污染模型动力学问题

城市化环境大气污染动力学问题是城市环境大气污染形成机理及其治理原理研究中核心理论问题,该文从城市化环境大气污染各类复杂的交叉影响因素角度,初步描述了城市环境大气多尺度相互作用;城市建筑群及其周边地形影响;下垫面及陆面过程对城市环境大气动力结构形成的影响效应;城市环境水-土-气污染形成的多圈层相互作用等问题.并且综合分析探讨了城市环境大气污染的动力学特征及其影响作用.通过理论问题的讨论,给出了本项目开展的BECAPEX现场观测试验的设计实施和城市污染"大锅盖"特征结构研究的科学问题.     

年代际气候变化研究进展

概述了全球尺度、我国大范围区域及长江中下游梅雨的年代际气候变化的一些研究进展,重点介绍了近期我国气象工作者有关这方面研究的一些成果。指出:①全球尺度的大气、海洋及气温变化不仅存在明显的年际变化,而且年代际变化也十分显著;②受全球气候年代际变化的影响,中国气候也存在多时间尺度的变化特征,但气候的年代际变化特征与全球气候年代际变化有不同之处;③长江中下游梅雨气候变异不仅与海-气相互作用密切相关,而且海洋的年代际变化也是梅雨异常变化的重要气候背景;④年代际尺度变化在全球变暖改变区域气候特征的过程中的贡献、年代际气候变化的形成及作用机制,特别是长江中下游梅雨的年代际变化的成因和机制都是仍需继续加强研究的问题。