ENSO机理及其预测研究

资料分析研究表明ENSO(El Ni?o和La Ni?a)实际上是热带太平洋次表层海温距平的循环,而次表层海温距平的循环是赤道西太平洋异常纬向风所驱动的,赤道西太平洋的异常纬向风又主要由异常东亚冬季风所激发。因此可以将ENSO的机理视为主要是由东亚季风异常造成的赤道西太平洋异常纬向风所驱动的热带太平洋次表层海温距平的循环。同时分析还表明,热带西太平洋大气季节内振荡(ISO)的明显年际变化,作为一种外部强迫,对ENSO循环起着十分重要的作用;El Ni?o的发生同大气ISO的明显系统性东传有关。资料分析也表明,El Ni?o持续时间的长短与大气环流异常有密切关系。 用非线性最优化方法研究El Ni?o－南方涛动(ENSO)事件的可预报性问题,揭示了最容易发展成ENSO事件的初始距平模态,即条件非线性最优扰动(CNOP)型初始距平;找出能够导致显著春季可预报性障碍(SPB),且对ENSO预报结果有最大影响的一类初始误差——CNOP型初始误差,进而探讨耦合过程的非线性在SPB研究中的重要作用,提出了关于ENSO事件发生SPB的一种可能机制;用CNOP方法揭示了ENSO强度的不对称现象,探讨ENSO不对称性的年代际变化问题,提出ENSO不对称性年代际变化的一种机制;建立了关于ENSO可预报性的最大可预报时间下界、最大预报误差上界和最大允许初始误差下界的三类可预报性问题,分别从三个方面揭示ENSO事件的春季可预报性障碍现象,比较有效地量化了模式ENSO事件的可预报性。 利用中国科学院大气物理研究所地球流体力学数值模拟国家重点实验室的ENSO预测系统,研究了海洋资料同化在ENSO预测中的应用,该系统可以同时对温、盐剖面资料和卫星高度计资料进行同化。并且在模式中采用次表层上卷海温的非局地参数化方法,可有效地改进ENSO模拟水平。采用集合卡曼滤波(Ensemble Kalman Filter,EnKF)同化方法以及在集合资料同化中“平衡的”多变量模式误差扰动方法为集合预报提供更加精确和协调的初始场,ENSO预报技巧得到提高。     

超强El Ni?o事件的多样性及其对东亚夏季风降水的影响

利用1979—2017年美国国家海洋和大气管理局(NOAA)重建海温逐月资料(ERSST V5)、气候预报中心(CPC)的Ni?o3.4指数、NCEP/NCAR再分析风场资料以及CMAP降水资料,将1979—2017年Ni?o3.4指数超过2 ℃的El Ni?o事件,定义为超强El Ni?o事件。根据超强El Ni?o事件的定义,从近40年(1979—2017年)选取出三个超强El Ni?o事件(1982—1983年、1997—1998年和2015—2016年)。首先运用海温距平资料,分析超强El Ni?o事件的多样性特征,然后根据这三个超强El Ni?o事件发生年与次年的夏季降水距平,讨论东亚夏季风降水对超强El Ni?o事件多样性的响应差异。研究表明,即使是同为超强的El Ni?o事件,由于其不同的分布特征,东亚夏季风降水的响应场表现出明显的不同。在此基础上,从环流异常、850 hPa风场异常以及副高的变化等方面讨论了这两者之间的联系。      

东亚冬季风对ENSO事件的响应特征

基于美国NOAA在ENSO诊断分析中使用的海洋Ni?o指数 （Oceanic Ni?o Index, 简称ONI）,将1950～2005年冬季分成强El Ni?o、强La Ni?a、弱El Ni?o、弱La Ni?a和没有发生ENSO事件5类,用分类合成方法研究了冬季东亚大气环流对ENSO事件的响应。结果表明,在低纬度,大气环流对ENSO事件的响应具有较明显的准线性特征,即大气对海洋暖事件与冷事件的响应大致是反位相的,对弱ENSO事件的响应与强ENSO事件相似但强度较弱。中高纬度大气环流与ENSO事件也有一定的联系,但同等强度暖事件与冷事件下大气环流距平场上的系统分布没有呈现明显的反位相,表明大气对海温异常的响应是复杂的。强El Ni?o事件时大气的响应信号显著,主要表现在东亚中高纬西风气流增强, 亚洲北部地区气温偏高,距平风场上的切变线从长江中下游向东伸展,菲律宾海距平反气旋西北侧的偏南气流和南支槽前西南气流加强,其共同作用使南海和中国东南沿海出现显著的偏南风距平;强La Nia事件时,长江中下游向东伸展的脊线不明显,中国南方至南海处于偏北风距平区,但通过统计检验的范围减小;弱El Ni?o事件时,菲律宾海距平反气旋西北侧的西南气流偏东,与南支槽前西南气流分开,使得华南和南海的偏南风距平没有强El Ni?o时显著; 弱La Ni?a事件时,西风带纬向气流减弱,亚洲北部地区气温偏低。对ONI指数与亚洲北部温度指数（NTI）的散点图的分析显示,9个强El Ni?o冬季中有8年亚洲北部温度距平偏高,7个弱El Ni?o冬季中只有1年温度偏高;8个强La Ni?a冬季有4年温度偏低,12个弱La Ni?a冬季中有11年温度偏低;亚洲强暖冬和强冷冬的发生与ENSO事件的联系不紧密。     

冬季赤道太平洋不同类型海温异常表征指数的再构建

利用1963—2013年Hadley中心月平均海表温度资料,以及NCEP/NCAR再分析资料,根据两类厄尔尼诺事件发生时北半球冬季赤道太平洋地区海温异常的不同空间分布特征,即赤道中太平洋CP型和东太平洋EP型海温异常空间分布,从寻找与之相似的空间型角度出发,设计了一组新的海温异常指数I_(CP)和I_(EP)。与以往ENSO指数相比,新指数组I_(CP)和I_(EP)不仅表示了空间上相互独立的海温异常分布,而且在相同的研究时段内,因时间域上相互独立而能更好地表征和区分两类El Ni?o/La Ni?a事件。据此,采用该新指数组探讨了与中部型和东部型海温异常事件相关的热带太平洋的主要海气耦合特征。结果表明,与传统的东部型El Ni?o事件发生时最大暖海温中心位于赤道东太平洋地区不同,中部型El Ni?o事件,异常增暖中心位于赤道中太平洋。中部型时异常Walker环流的上升支向西偏移,异常降水集中于热带中太平洋,不似东部型时异常限定于赤道东太平洋地区。不论哪类事件,海洋性大陆均可受到影响,即CP或EP型El Ni?o发生时,海洋性大陆区域降水偏少。但比较而言,中部型ENSO对海洋性大陆区域的影响更大。     

El Ni?o和La Ni?a冬季增强型和减弱型及其对中国夏季旱涝的影响

根据El Ni?o和La Ni?a发生以后冬季赤道东太平洋海温距平的月际差定义了El Ni?o和La Ni?a冬季增强型和冬季减弱型, 讨论了El Ni?o和La Ni?a冬季增强型和减弱型冬、春、夏季大气环流、东亚季风及我国夏季降水和旱涝分布的特征.我国夏季降水和旱涝有明显差异的四种不同分布型可能与冬季所处ENSO循环的不同阶段以及大气环流和东亚季风对它的不同响应有关.提出了从El Ni?o和La Ni?a冬季不同型→大气环流和东亚季风→我国夏季降水和旱涝分布型的物理统计概念模型.     

热带太平洋海表能量收支平衡特征及其与两类ENSO事件的联系

利用月平均的HadISST海表温度、NCEP再分析资料、OAFlux海表面热通量及相关物理量资料、NCAR/NOAA云量场资料,分析了热带太平洋海表热通量的年际特征,并且进一步分析了传统El Ni?o和El Ni?o Modoki事件中湍流热通量的异常演变特征以及影响因子。在热带太平洋上,净热通量的年际变化最大振幅出现在赤道太平洋上,且主要取决于潜热通量和短波辐射通量的变化。本文还利用两类ENSO事件旺盛期海温指数对不同时期海面热通量场的偏回归分析,考察了热带太平洋海表面热通量与两类ENSO事件中海温的联系。两类海温指数对各时期热带太平洋净热通量的回归均表现为赤道太平洋上存在显著的负异常,在Ni?o3指数偏回归下的负异常范围和强度都较El Ni?o Modoki指数回归的要大,且更偏于赤道东太平洋,而旺盛期海温对同期赤道东太平洋上湍流热通量的影响最大。     

东亚冬季风年际变化的ENSO信息 I. 观测资料分析

利用1950～1989年40年的全球月平均资料,详细讨论了东亚冬季风的年际变化特征,分析结果表明东亚冬季风年际变化中包含有明显的ENSO信号,也就是说东亚冬季风活动与ENSO的发生有明显的关系,大多数El Ni?o事件爆发后东亚冬季风偏弱,而大多数La Ni?a爆发后东亚冬季风偏强。通过对这40年间的10次El Ni?o和7次La Ni?a事件的合成分析,结果表明El Ni?o冬半年东亚500 hPa位势高度为正距平、海平面气压为负距平,即东亚冬季风偏弱,阿留申及北美地区呈现出明显的类似PNA型的异常环流形势;La Ni?a冬半年东亚以至于北半球大气环流异常形势与El Ni?o的相反。同时资料分析也表明,在大多数El Ni?o（La Ni?a）爆发前东亚冬季风偏强（弱）。另外,功率谱分析结果表明,东亚冬季风有显著的3～5年和准2年的变化周期,这从另一方面说明了东亚冬季风的年际异常中包含有显著的ENSO信息。     

El Ni(~n)o和La Ni(~n)a冬季增强型和减弱型及其对中国夏季旱涝的影响

根据El Ni(~n)o和 La Ni(~n)a发生以后冬季赤道东太平洋海温距平的月际差定义了El Ni(~n)o和La Ni(~n)a冬季增强型和冬季减弱型,讨论了El Nio和La Nia冬季增强型和减弱型冬、春、夏季大气环流、东亚季风及我国夏季降水和旱涝分布的特征.我国夏季降水和旱涝有明显差异的四种不同分布型可能与冬季所处ENSO循环的不同阶段以及大气环流和东亚季风对它的不同响应有关.提出了从El Ni(~n)o和La Ni(~n)a冬季不同型→大气环流和东亚季风→我国夏季降水和旱涝分布型的物理统计概念模型.     

厄尔尼诺的发生与赤道西太平洋暖池次表层海温异常

通过资料分析研究了厄尔尼诺事件的爆发与西太平洋暖池次表层海温正异常的重要关系。结果表明，El Ni?o事件之前暖池次表层海温都有明显的持续升高；这种暖池次表层海温正距平的出现，尤其是它向赤道中东太平洋的传播对 El Ni?o事件的爆发有直接关系，是导致El Ni?o事件的重要原因。分析还表明，暖池次表层海温正距平的东移原因在于赤道西太平洋地区西风异常的发生和向东扩展。     

ENSO循环对东亚地区平流层臭氧分布的影响

采用NOAA提供的ONI(Oceanic Nio Index)指数资料与欧洲中心提供的臭氧再分析资料,以滞后相关为切入点,分析了ENSO循环对东亚地区平流层臭氧分布的影响,探讨了ENSO不同位相(El Nio、La Nia)对臭氧场的强迫影响程度,并且用ENSO对剩余环流的影响解释了平流层臭氧变化的动力机制。结果表明:(1)ENSO对东亚地区平流层臭氧的分布有明显的影响,在平流层30 h Pa和70 h Pa尤为显著,且滞后8个月时二者相关达到最大;(2)El Nio发生8个月后中纬度地区平流层30 h Pa的臭氧有所减少,而高纬度臭氧增加,70 h Pa则与之相反,同时在低纬度地区70 h Pa臭氧减少;La Nia反之;(3)Nio3.4区海温与滞后8个月臭氧的SVD分析结果也有类似的变化;(4)El Nio和La Nia的影响之间有显著的差异,在分别滞后于El Nio和La Nia事件8个月后平流层低层的臭氧含量差异可达-25%以上。(5)ENSO可以通过影响剩余环流的变化,进而影响臭氧分布发生以上的变化。     

承德市臭氧污染气象条件预报方法研究

利用2014-2016年承德市环境监测站和气象站的数据,分析了气象条件对承德市O₃-8h浓度的影响,探讨了臭氧污染气象条件的预报方法。结果表明：4-7月是承德市O₃-8h浓度较高的月份,O₃浓度的日变化特征为午后浓度高而夜间浓度低;O₃污染的天气形势为500 hPa受高压脊和偏西气流影响,850 hPa有强暖平流和20℃以上的高温,地面受低压前部和高压后部之间的偏南气流影响;有利于O₃-8h出现高浓度的气象因子为日平均气温大于23℃、日最高气温大于28℃、日平均海平面气压995-1007 hPa、日平均水汽压18-28 hPa、偏南风大于1 m·s^-1。利用气象因子综合评分建立臭氧污染指数,与O₃-8h浓度的相关系数高达0.7553,说明臭氧污染指数能较好地预报臭氧污染天气。     

影响春季热带太平洋地区海温变化的动力热力作用分析

厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）春季预报障碍是ENSO预测的一个难点问题,弄清影响春季热带太平洋地区海表温度（SST）变化的动力和热力作用对于理解ENSO关键区SST的异常变化及ENSO春季预报障碍成因非常重要。本文利用BCC-CSM2-MR数值模式,模拟产生一套1986～2017年间相互协调的逐月海表风应力、感热、潜热、长波和短波净辐射能量、海洋流场等观测代用数据。利用这些数据对影响海温变化的动力和热力作用及其相对重要性进行了诊断分析,结果表明:（1）与其他季节相比,春季Ni?o3.4区海洋表层温度（后文中用T_S表示）呈现出独特的先增暖后趋冷的不对称季节性转换特征,这一变化主要是由于影响T_S的大气风应力、海流以及能量净通量在春季均表现出明显的季节性转换过程。进一步的分析表明,热力作用对局地海温的季节性变化影响最为重要,水平平流输送以反向作用为主,其中经向平流输送起到了反向作用,不利于该区域T_S的季节性转变,纬向平流输送仅在春季转为弱的正贡献,浅层垂直平流输送对春季T_S变化的影响很小。（2）动力热力作用与T_S异常的变化倾向相关关系也表明,春季Ni?o3.4区热力作用与T_S异常变化呈现显著的正相关,纬向海流异常的输送项也表现为正相关,而经向海流输送项展现出由负相关向正相关转化的特征。（3）对Ni?o3.4区T_S变化的方差贡献分析结果表明,春季热力作用对T_S的异常变化的贡献达50%以上,相关系数超0.7,其次是纬向、经向平流项贡献,各占10%～20%左右,但两者作用相反,其他项贡献较小。     

污染源反演对重点城市群夏季O3模拟的改进效果评估

在嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS)的基础上,采用污染源反演方法优化以中国多尺度排放清单(MEIC)为主的先验排放清单中臭氧(O₃)前体物排放量估计。分析时段为2019年6～8月,重点评估了污染源反演对我国“2+26”城市、长三角、珠三角、成渝4个重点城市群O₃模拟的改进效果。评估结果表明,污染源反演获得的“2+26”城市、长三角、珠三角的氮氧化物(NO_x)排放速率整体低于先验清单的排放速率约0.6μg m_-2 s_-1,但反演的挥发性有机物(VOCs)排放速率在“2+26”城市整体上高于先验清单的排放速率约0.5μg m_-2 s_-1。利用反演的NO_x和VOCs排放量和NAQPMS模式对4个城市群O₃进行模拟,发现反演排放数据可以显著改进夏季O₃模拟性能,使得O₃日最大8小时平均值(MDA8-O₃)模拟的均方根误差(R...     

基于GRAPES-CMAQ的中山市空气质量预报系统预报效果评估

对基于GRAPES-CMAQ模式的广东省中山市空气质量预报系统2016年的AQI等级、首要污染物、PM_2.5和O₃浓度预报数据进行检验评估。预报系统对中山市全年的AQI等级24小时预报TS评分为0.66, TS评分在6—7月最高。当实况AQI等级为一级, TS为0.84, 当空气质量变差时, TS明显下降, 说明模式目前对空气重污染事件的预报能力不足。模式对中山市的主要污染物O₃、PM和NO₂的预报TS评分分别为0.21、0.24和0.24, 其中对O₃和NO₂的漏报率达到0.78和0.76, 而PM的空报率高达0.71。预报系统对PM_2.5的浓度预报总体略偏高, 相关系数为0.59, 但在霾污染较严重的月份中预报效果并不稳定。对O₃的预报全年相关系数达到0.7, 且在O₃污染较严重的7—11月, 相关系数均能达到0.5以上, 但这几个月的O₃预报浓度均比实况明显偏低。从气象预报入手分析预报系统对10月2—7日中山市一次连续O₃污染过程漏报的原因, 发现GRAPES模式对这段时间内整个珠三角地区日间降水的预报范围偏大, 强度偏强, 且预报的地面风速也比实况要偏大, 导致模拟O₃浓度比实况明显偏低。      

A New Index About the Walker Circulation

The Walker circulation (WC) has always been an important issue in atmospheric science research due to the association between the WC and tropical Pacific sea surface temperature (SST), and between the WC and ENSO events. In this paper, a new index-Omega index (OMGI) - is constructed for WC characterization based on the NCEP / NCAR reanalysis data of monthly mean vertical velocity in recent 70 years (1948-2017). Results show that the OMGI can accurately depict the variation characteristics of WC on seasonal, annual and decadal time-scales. There is a significant inverse correlation between the OMGI and equatorial eastern and central Pacific SST. Meanwhile, the peak of the OMGI appears ahead of the ENSO peak, and therefore is able to reflect the SST in the equatorial Pacific. Especially, in 35 ENSO events, the peak of the OMGI appears earlier than Ni?o 3.4 index for 19 times with 2.6 months ahead on average. In 16 El Ni?o events, the peak of the OMGI occurs ahead of the El Ni?o for 9 times with 4 months ahead on average. In 19 La Ni?a events, the OMGI peak arises 10 times earlier than the La Ni?a peak, with an average of 1.4 months ahead. OMGI shows obvious leading effect and stability over ENSO events with different strengths and types of single peak and multi peaks: the peak of the OMGI keeps about 2-3 months ahead of the ENSO. Compared with other WC indexes such as UWI and SPLI, OMGI has some advantages in the ability to describe WC changes and present the probability and thetime of prediction of ENSO event peaks.     

STUDY OF A COMPREHENSIVE MONITORING INDEX FOR TWO TYPES OF ENSO EVENTS

Some recent studies presented two existing types of ENSO events, one is the Eastern-Pacific(EP) type and the other the Central-Pacific(CP) type. This study examined the monitoring ability of several current operational ENSO indices. The results indicated that a single index could not distinguish the EP and CP in the historical ENSO events during 1950-2009. The Nio 3 index may only be suitable for monitoring the EP-type ENSO, while the Nio 4 index works only for the CP-type ENSO. In order to capture the occurrence of ENSO events and distinguish the type, we considered a new monitoring index group using Nio 3 and Nio 4 indices. Further analysis confirmed that this index group can monitor different types of historical ENSO events with different spatial distribution of sea surface temperature. It has a good performance in determining the characteristics of the ENSO events, including peak intensity, onset,decay, and mature phase.     

江苏省大气污染对儿童肺通气功能的短期效应研究

大气污染是影响儿童肺功能的重要因素,目前关联性研究证据大多来自发达国家且以细颗粒物影响为主。本研究旨在探讨大气污染物（PM_2.5、O₃）短期暴露对中国学龄儿童肺功能的影响。选择2014—2015年江苏省7个城市1081名3—5年级的儿童,对其进行肺通气功能的重复测量和问卷调查。采用线性混合效应模型分析大气污染物与肺功能的关系。研究结果显示,当日和不同累积滞后暴露在PM_2.5和O₃环境与肺功能指标存在明显的急性效应。当日PM_2.5和O₃浓度每升高10 μg/m3,肺通气功能分别降低8.8（95%置信区间（95%CI）:4.0—13.7） mL和21.1（95%CI:13.8—28.4） mL。累积滞后5 d的PM_2.5浓度对肺通气功能影响最大,累积滞后7 d的O₃浓度对肺通气功能影响最大。PM_2.5对男孩和有过敏史的儿童的肺通气功能影响更大。本研究提示,PM_2.5和O₃短期暴露对儿童肺功能存在影响,采取适当的个体防护措施具有重要意义。      

上海地区AQI变化特征及与气象因素的相关性

基于上海地区2012—2016年逐日PM_2.5、PM₁₀、CO、O₃、SO₂、NO₂的分指数（individual air quality index,IAQI）数据以及同期气象要素（风速、降水量、气温、相对湿度、总云量、低云量）、逆温数据和高空大气环流数据,分析了上海地区空气质量指数的时间变化特征和气候要素对空气质量的影响,并选取PM_2.5和O₃污染天气过程及其邻近的非污染天气过程,对比分析高空大气环流形势的差异。结果表明：上海地区出现PM_2.5、PM₁₀和NO₂污染天气在冬季最多,分别为31.4 d、10.0 d和14.8 d,而O₃污染天气在夏季最多（18.8 d）。风速和低云量是影响PM_2.5污染的重要气象因素,最大相关系数分别为-0.313和-0.261,O₃污染则与气温和日照时数密切相关,最大相关系数分别为0.449和0.363,PM_2.5、O₃污染的发生也与前一日以及当日出现逆等温天气存在较好的相关性。在PM_2.5污染天气过程,上海位于槽后高压前部,850 hPa有较强西北风,而非PM_2.5污染天气过程中上海位于高压后部,低层850 hPa为东南风。在O₃污染天气和非污染天气过程,中国东部长波射出辐射（Outgoing Longwave Radiation,OLR）分别为正、负距平,副热带高压控制下上海晴热少云,易引起O₃污染,反之上海上空云系多,不容易出现污染。     

京津冀及周边地区大气细颗粒物和臭氧对医院日门诊量的急性影响及季节性差异

探究京津冀及周边地区大气细颗粒物（PM_2.5）和臭氧（O₃）短期暴露对人群因病就诊的急性影响及其季节性差异,为区域性大气污染的协同治理提供流行病学证据。收集2013年1月1日—2018年12月31日京津冀及周边地区共14个城市100家医院门诊的日就诊量,以及大气PM_2.5和O₃日均浓度和气象因子数据,基于时间序列研究设计,采用二阶段统计分析策略（广义相加模型联合meta分析）,在控制气象因子和时间趋势等混杂因素的基础上构建双污染物模型,分析大气PM_2.5和O₃短期暴露对人群因病就诊的影响。研究期间,大气PM_2.5和O₃日均浓度平均分别为 72.2±56.8 μg/m3和 58.2±36.9 μg/m3,医院门诊就诊量达6257万人 · 次。双污染物模型结果显示,移动平均滞后0—1 d的PM_2.5和O₃暴露浓度每升高10 μg/m3,医院门诊就诊量分别增加0.25%（95%置信区间（95%CI）:0.20%—0.29%）和0.15%（95%CI:0.07%—0.22%）;拟合季节分层模型发现,冷季PM_2.5暴露对门诊就诊量的急性影响较强,而O₃相关效应则呈现出暖季较强的特征。京津冀及周边地区大气PM_2.5和O₃短期暴露均增大人群因病就诊的风险,提示应采取积极措施协同治理大气PM_2.5和O₃复合污染,同时重视污染物冷、暖季风险的差异。      

气象因子和海风对秦皇岛市臭氧污染的影响

利用2017年9月至2019年9月秦皇岛市环境监测站污染物浓度资料以及秦皇岛市国家基本气象站和浮标站的气象数据,统计分析了秦皇岛市O₃污染特征以及气象因子和海风对秦皇岛市O₃污染的影响。结果表明：秦皇岛市O₃污染月变化特征表现为以5—6月和9月最为严重,10—12月和1—2月则无O₃超标天气出现。O₃污染的日变化特征表现为单峰型分布,午后O₃浓度最高而清晨O₃浓度最低。有利于秦皇岛市出现O₃污染的气象条件为太阳辐射强度850—950 W·m^-2、日最高气温高于32℃、无降水和相对湿度50%—60%、受SW和SSW风影响。秦皇岛市海风以6—8月最多,出现频率达50%以上,海风多在上午08—10时开始出现,午后12—15时达到最大,傍晚以后减弱结束;5—6月和8—9月有海风日的O₃-8h平均浓度均高于无海风日,且5月、6月和9月有海风日的O₃-8h月平均浓度高达155—166 μg·m^-3,海陆风环流对秦皇岛市的O₃污染有加重的影响。