东亚地区一次切断低压引起的平流层、对流层交换数值模拟研究

用中尺度模式(MM5)模拟研究东亚地区(网格中心45°N,120°E)一次强切断低压过程(2000年4月8日～12日)引起的平流层、对流层交换.用Wei公式计算此次过程由平流层到对流层的净交换量为5.0×1014 kg,平均交换通量为-0.72×10-3 kg m-2 s-1.地面锋与高空锋的相互作用,在急流入口处和高空锋区出现对流层顶折叠,并引起平流层、对流层物质交换,其中空气的水平运动起主要作用.利用历史天气图统计东亚地区(20～70°N,80～180°E)切断低压的年平均个数为60,占北半球极区类型切断低压的52%.由此,推断东亚地区的平流层、对流层交换对整个北半球的平流层、对流层交换贡献很大.     

2000年北半球平流层、对流层质量交换的季节变化

用2000年NCEP资料,P坐标下Wei公式诊断北半球平流层、对流层交换的季节变化.主要结论:(1)热带西太平洋是物质由对流层向平流层输送的主要通道,并有明显的季节性东西移动.由于2000年赤道辐合带偏弱,因此秋季通量最大.(2)中高纬度地区同时存在向上、向下的通量,大尺度槽区伴随着平流层向下的输送.一年中冬春季向下的输送强,夏秋季较弱,其季节变化与大尺度环流的季节性变化一致.(3)东亚地区存在很强的平流层向下输送,且中心位置移动不大.只占北半球5.6%面积的东亚其年净交换量竟占北半球的29%,这说明东亚地区的平流层与对流层之间的质量交换对北半球平流层、对流层交换研究的重要性.     

不同季节内剩余环流时空结构转换及其演变特征的研究

利用ERA-Interim资料,采用改进的变形欧拉平均方法对1979—2011年剩余环流季节内时空结构转换及其演变特征进行了分析。结果表明:(1)150 hPa附近4—8月剩余环流上升中心发生了整体向北移动的趋势,而9月至次年2月则表现为整体向南的移动,并且6—8月和9—11月的移动较为明显,分别向北和向南移动了3.168°和2.277°。(2)对流层内的剩余质量输送显著增强,但是热带环流上升区以及穿越对流层顶进入平流层的输送存在着减弱的趋势。(3)两半球高纬度100 hPa附近从最低平流层向下输送的质量通量以及热带对流层顶附近向上输送的质量通量在各季节年代际变化中基本都是减弱的,仅在6—8月和9—11月北半球向下质量通量出现了增强。     

青藏高原及其邻近区域穿越对流层顶质量通量的时空演变特征

利用1958~2001年ECMWF资料, 根据Wei公式估算了青藏高原及其邻近区域穿越对流层顶的质量通量 (CTF), 分析了CTF的时空分布特征。分析结果表明: (1) CTF分布呈现纬向型, 在副热带西风急流北侧即对流层顶断裂带中存在东西向的TST (对流层向平流层输送)[CD*2]STT (平流层向对流层输送)[CD*2]TST的波列结构 (水平输送项决定), 而南侧分布决定于垂直输送项。 (2) 在80°E~105°E范围内, 冬春季节, 青藏高原南部及其以南区域为TST, 北部为STT; 夏秋季节, 整个区域几乎由TST所控制。西风急流南侧的CTF主要决定于垂直项, 而北侧主要决定于水平项, 再往北, 垂直项与水平项贡献相当。 (3) 青藏高原与孟加拉湾区域平均CTF在所有季节均为TST, 即有从对流层到平流层净的向上输送, 2月强度最大, 7月为另一个极大值; 两个极大值有不同的产生机制, 后者决定于垂直项, 而前者由水平项决定。 (4) 青藏高原 (及孟加拉湾) 区域年平均CTF在1958~2001年之间的变化趋势在1982年左右出现一个转折: 1982年之前, CTF为递减过程; 而之后CTF为相对较强的增长。上述结果表明: 尽管冬季高原上空为下沉气流, 但高原上空的水平输送项有很强的向上贡献, 这与丛春华等 (2003) 得出的STT不一致。但需要指出的是, 根据Wei公式计算的CTF, 〖JP2〗尤其在急流附近, 对资料中存在的误差十分敏感 (Gettleman等, 2000), 因此青藏高原主体上空在冬季是STT还是TST, 有待于进一步的分析研究。     

Calculation of stratosphere–troposphere exchange in East Asia cut-off lows:cases from the Lagrangian perspective

本文使用三维非绝热朗格朗日轨迹模式OFFLINE3,对春末夏初东亚地区的切断低压所主导的双向平流层-对流层交换(STE)进行定量计算。通过对10个东亚地区切断低压的识别、计算、分析,发现切断低压附近发生平流层向对流层质量通量(STT)与对流层向平流层质量通量(TST)量级相当,但是分布范围不同:STT出现在低压中心西南部,最大通量位置出现在低压中心东南,TST最大值出现在槽前,并且从低压中心向外STT与TST交替分布。从本文所取的切断低压个例而言,切断低压产生的STT质量通量量级为10-4 kg m-2 s-1,促成的STE的净输送方向为从平流层向对流层,量级为10-4 kg m-2 s-1,比全球平均STE质量通量大1–2个量级。     

北半球夏季对流层顶气压与气温的年(代)际变率与趋势分析

利用NCEP/NCAR再分析月平均资料,研究了1979—2002年夏季全球对流层顶气压和气温的分布特征与变化趋势。选取了夏季北半球对流层顶年(代)际变率最大区域来定义气压指数和气温指数。分析结果表明:(1)全球对流层顶气压和气温在北半球随纬度的增加而增大,在南半球随纬度先增大再减小,而在整个热带地区对流层顶气压和气温的分布则较为均匀。(2)全球平均的对流层顶气压和气温在分析时段内呈减小趋势,但在中高纬度地区对流层顶气压和气温存在大范围增大现象,表明二者的趋势并不是全球一致的。(3)对流层顶年(代)际变率最大值出现在北半球的中纬度地区和南半球的副热带及高纬度地区,最小值则出现在热带地区。气压指数和气温指数显示出准10年和准3～5年周期。     

青藏高原两类对流层顶频率的季节分布特征及其与同纬度地区的差异

基于1979~2014年ERA-Interim逐日再分析温度资料,依据温度递减率插值法,计算出北半球两类对流层顶(热带对流层顶和极地对流层顶)频率数据。对比分析了青藏高原与同纬度地区两类对流层顶频率在季节变化上的差异,并讨论了青藏高原两类对流层顶频率分布与高空温度的关系。结果表明:1)依据温度递减率插值法计算出的再分析两类对流层顶频率可以反映青藏高原两类对流层顶频率季节变化特征:热带对流层顶全年频率高,冷、暖季节差异不明显;极地对流层顶盛夏频率极低,冷、暖季节差异明显。与极地对流层顶频率相比,青藏高原热带对流层顶频率的可信度更高。2)青藏高原和同纬度地区热带(极地)对流层顶频率在暖季增加(减少),在冷季减少(增加)。相比同纬度地区,青藏高原热带(极地)对流层顶频率在冬季偏少(多),其他季节偏多(少)。青藏高原两类对流层顶频率等值线的梯度更大,表明青藏高原对流层顶更易断裂。3)青藏高原两类对流层顶频率与高空温度关系密切。青藏高原对流层中上层(平流层下部)温度升高(降低),有利于青藏高原热带对流层顶频率增加,极地对流层顶频率减少,反之亦然。     

青藏高原及附近区域穿越对流层顶的质量和臭氧通量研究

利用等熵坐标下的Wei公式对青藏高原及附近地区穿越动力学和热力学定义下对流层顶的质量和臭氧通量的时空分布变化进行了计算分析。结果表明,采用这两种定义下的对流层顶时,穿越对流层顶的质量和臭氧通量都表现出在热带纬度带为TST通量,到了副热带则转换为STT通量。由于热力学定义下的对流层顶位置稍高,造成了穿越热力学对流层顶的质量和臭氧通量变化幅度大于动力学对流层顶的情况。另外,还发现在所研究的区域穿越对流层顶质量和臭氧通量交换具有明显的年代际变化特征,在1958—2001年时段内交换是先减弱后增强。青藏高原南部及南侧地区向上的质量和臭氧输送经历了逐渐减弱过程,青藏高原北部地区向下的质量和臭氧通量交换也表现为逐渐减弱的过程,这些区域作为通量输送的通道作用是在减弱的。而接近青藏高原西北侧的塔里木盆地附近的向上输送则是逐渐加强的,表明这一区域交换通道作用在青藏高原及附近地区的质量和臭氧交换过程中起着越来越重要的作用。     

夏季风爆发前后中国区域对流层顶高度变化特征

利用2008—2014年全国高垂直分辨率的L波段探空资料,统计分析了东亚夏季风爆发前后我国不同区域对流层顶高度变化特征。研究表明:夏季风爆发后,对流层顶高值区向北推进,最大值位于青藏高原南部及其东南部地区;对流层顶高度的向南梯度和向东梯度大值区均由爆发前的30°~40°N北移至40°~50°N;受地面加热和垂直运动的影响,中国东北部和中东部在夏季风爆发后对流层升温,平流层-对流层过渡层降温,大气温度梯度增加,对流层顶上升,其中中国东北部在夏季风爆发前,大气温度廓线为双峰结构,易出现双对流层顶,第一对流层顶较低;中国南部整层大气温度廓线在夏季风爆发后略有增加,对流层顶有所下降。     

1979—2011年热带对流层顶高度线性趋势变化的因子贡献及其年际变率成因探讨

利用美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料分析了近30年(1979—2011年)热带(0~360 °E,20 °S~20 °N)对流层顶高度变化,结果显示其高度有明显的线性上升趋势,近30年气压下降了3.5 hPa。其中对流、臭氧和对流层温度的贡献分别为13.3%、27.26%和57.31%。在去除线性趋势后,热带对流层顶气压表现出了显著的年际变率,主要周期峰值为18.2、28.6和40个月。其中臭氧和热带对流层温度都对18.2个月的周期有贡献,而臭氧和热带对流层温度18.2个月的周期很可能是由北半球的季风环流引起的;28.6个月的周期主要源于臭氧总量的准两年周期变化,而后者是由热带平流层低层纬向风场的准两年振荡引起的;热带对流层顶气压40个月的周期似乎源于ENSO循环引起的对流层温度变化。      

太湖流域单季稻的甲烷排放研究

根据1994～1996年太湖流域单季稻的CH4排放的观测资料,分析了该地区稻田CH4排放的日变化的一些统计特征,对排放的季节变化和年际变化及相关因子对排放的影响进行了分析和研究。结果表明:太湖地区单季稻的CH4排放的特征值为0.07～0.11 g/(m2·d),而且存在巨大的年际变化,其中1995年的排放是1994年和1996年的5～7倍。与NH4HCO3相比,施用尿素使甲烷的排放增加10%～70%。晒田使CH4的排放减少,土壤的扰动则使CH4的排放增加。文中对CH4的排放与水稻的生长的关系及温度的变化对排放的影响也进行了讨论。     

西藏羊八井辐射观测初步分析

利用西藏羊八井2009年5月至2010年4月的辐射观测数据,统计了总辐射、紫外辐射、长波辐射、净辐射的日变化、月变化和季节变化,并分析了地表辐射超过太阳常数的发生频率及原因。结果表明,羊八井地区总辐射、紫外辐射、长波辐射、净辐射均表现出明显的日变化、月变化和季节变化特征;总辐射与地表短波反射辐射、总辐射与紫外辐射均表现出明显的正相关关系;大气逆辐射和地表长波辐射之间呈现出一定的的正相关关系。     

副热带高空急流各中心强度时间变化及分析

利用NCEP再分析资料,分析了中纬度地区的副热带高空急流各中心200 hPa上的强度的季节、年际和年代际的变化.结果表明,高空急流各中心位置的季节变化形态不一致,表征强度的各特征参数的季节特征虽都呈现冬强夏弱的主要特征,各中心的变化特点在于:东亚中心的急流面积和风速都有较大的变化;非洲中心面积变化小,但风速变化较大;而北美中心急流面积变化较大,风速变化较小.也有各自不同的变化形态和季节转换特征,四季的各急流中心的变化均不一致.急流各不同中心的各季节的强度特征参数发生年际和年代际变化的时期虽不尽相同,但大致都存在6~8 a的振荡周期.     

冬季北太平洋风暴轴和北大西洋风暴轴的协同变化及其与同期海气系统的空间耦合关系

基于1960~2014年NCEP/NCAR（美国环境预报中心和国家大气研究中心）的逐日再分析资料以及NCPC（美国气候预报中心）的海温资料和大气环流及海洋指数,通过风暴轴指数、经验证交分解（EOF）等方法,研究了冬季北半球北太平洋风暴轴（PST）和北大西洋风暴轴（AST）之间不同时间尺度下的协同变化特征,并利用回归和相关分析对风暴轴的年际和年代际协同变化特征与同期海气系统的空间耦合关系进行了探讨。主要结论概括如下:（1）从所定义的冬季北半球两大洋风暴轴的纬度、经度和强度指数来看:三个指数均存在明显的年际变化和年代际变化,其中年际分量的方差贡献远大于年代际分量;对于单个风暴轴来讲,无论是滤波方差场原始序列还是其年际分量和年代际分量序列,每个风暴轴各自的纬度指数和经度指数均呈显著正相关,表明每个风暴轴各自的南北位移和东西位移具有很好的协同性;虽然从原始序列来看,两个风暴轴之间各指数之间的相关关系均并不显著,但是对于年际分量序列和年代际分量序列,两个风暴轴之间均具有显著的协同性变化,其中,在年际尺度上,两者仅强度变化之间具有显著的正相关,而在年代际尺度上,AST的经度（纬度）变化与PST的强度（纬度及强度）变化均具有显著的负相关。（2）EOF结果表明,两个风暴轴之间协同变化的空间结构在年际尺度上反映的主要是强度的变化,第一模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱（增强）并伴随AST整体和PST东部均略有北抬（南压）,第二模态为两者强度在其气候平均位置附近同时减弱（增强）并仅伴随AST整体略有南压（北抬）;而在年代际尺度上,第一模态为AST整体偏北（南）中东部偏强（弱）与PST整体偏南（北）中东部偏弱（强）的反位相协同变化;第二模态为两个风暴轴的强度在其气候平均位置附近同时增强（减弱）的一致性协同变化。（3）进一步分析表明,两个风暴轴之间以不同模态协同变化时,与同期海温、遥相关型及环流异常等海气系统之间均呈现出很好的空间耦合关系,但具有不同的特点。     

我国近40年气温变化地域类型的研究

依据１９５１－１９９０年全国７０多个站点４０年的气温资料,采用相关分析和线性模拟的方法,从区域气候特征和气温变化趋势一致的角度,首先划分出气温变化的１０个地区再根据气温变化率进行分型,最后在此基础之上归并成３个气温变化区域,以进一步揭示我国气温变化的区域差异。     

青藏高原纳木错气象要素变化特征

依据中国科学院纳木错综合观测研究站设立的自动气象站和气象塔观测（30°46．44′N，90°59．31′E，4730ma．s．l．）资料，初步分析了2005年7月14日至2006年7月13日一年的气温、气压、相对湿度、降水和风等气象要素的季节和日变化特征。结果表明：纳木错站年平均气温为0℃，最冷月为12月，最热月为7月；全年降水量为281．8mm，多集中在5—10月；年平均相对湿度为52．6％，雨季和干季分明，全年夜雨率为78．6％；年平均气压值为571、2hPa，9月最大，1月最小；年平均风速为4m·S^-1，1月风速最大为6．1m·S^-1，上午风弱、午后风强；全年大风日数为53天，1月大风日数占全年的36％；全年盛行风处在东南至西风（135°--270°）之间，夏季有明显的湖陆风。     

华北干旱的多时间尺度组合预测模型

根据华北地区干旱具有显著的年代际和年际变化特性，该文提出了建立多时间尺度预测模型的新构想。利用奇异谱动力学重构的方法将干旱序列的年代际和年际时间尺度变化进行分离，然后分别建立两种时间尺度变化的预测模型，最后将两者进行组合。在建立年际变化预测模型时，使用信噪比的方法将前期大气和海温出现显著异常变化区域的强信号引进到预测模型中。1996~2002年跨季度的预测试验表明，这一建模方案可以较好地反映华北干旱的变化趋势，并具有一定的预测技巧。     

东北地区夏季干旱的年际—年代际变化特征

利用国家气候中心提供的1951—2012年160个标准站的逐月降水和温度资料,计算了表征东北地区干旱的SPEI指数,并对该指数进行EMSD分解,研究了东北地区干旱的年际—年代际变化特征。结果表明,东北地区夏季干旱年际—年代际变化特征明显,年际变化中具有显著的准2 a、准5 a和准7 a振荡周期;年代际变化中则具有显著的准17 a和22 a振荡周期。进一步分析发现,1975—1984年和1994—2008年为相对干旱阶段,其中1994—2008年旱情比较严重,1953—1975年、1984—1994年以及2009—2012年为相对湿润阶段。Mann-Kendal检验结果表明,东北地区夏季旱涝突变发生在1975年和1994年。     

北京不同区域表面气温的变化特征以及北京市观象台气温的代表性

利用北京地区14个观测站1990～2007年逐日和2004～2007年逐时的2 m气温观测资料,分析了北京城区、郊区、南部山区以及北部山区4个区域表面气温的年变化、季节变化以及春、夏、秋、冬4个季节的日变化特征,指出4个区域的气温变化特征具有明显的差异.在所有时间尺度上城区气温受城市热岛效应影响最大,表现为温度最高,郊区次之,南部山区较低,北部山区最低.1990～2007年4个区域的气温都表现出增温趋势,其中城区增温最明显,增温率明显大于其他区域.城区与其他区域气温的差异有明显的季节变化,城区与郊区、城区与北部山区气温的差异在冬季最大,夏季最小;城区与南部山区气温的差异在夏季最大,春季最小.在气温的日变化方面,城区气温在各个季节的日较差都是最小的,南部山区最大.通过比较作为北京代表站的北京市观象台的气温与4个区域的差异,发现观象台与城区气温在各个时间尺度上的差异都最小,与其他区域存在显著差异,北京市观象台气温主要代表了城区,对其他区域的代表性较差.     

南亚高压的年际和年代际变化

利用1958～1998年NCEP/NCAR再分析月平均100 hPa高度场和风场资料， 依据大气环流观测事实及天气学原理，较客观地定义了描述南亚高压活动的特征参数， 然后对南亚高压的年际及年代际变化特征进行了系统的诊断分析。发现北半球中低纬 100 hPa环流异常具有空间整体性和时间持续性，即北半球中低纬100 hPa环流同时加 强或同时减弱，并且其整体异常具有明显的年代际变化。南亚高压面积和强度的变化 存在3.8年的振荡周期，与ENSO的循环周期一致。南亚高压的中心和脊线在夏季较为稳 定，较大的年际差异出现在春季。高压面积和强度的年际变化最明显，并且面积大、 强度强的年份往往与El Niao年相对应。南亚高压的位置和强度还存 在明显的年代际变化，自1978年以后，冬半年南亚高压脊线南移，中心东移，面积增大， 强度增强，夏半年南亚高压的位置变化不很明显，但是面积和强度也增大增强。这种年代 际异常与低层大气系统及赤道太平洋海温的年代际异常一致。南亚高压强度距平与热带 海洋SSTA密切相关，与印度洋海区的同期相关最好。南亚高压强度异常对印度洋SSTA的 响应时间为0～5个月，对赤道中东太平洋SSTA的响应时间为4～6个月。南亚高压明显的 年际和年代际变化特征表明，可将南亚高压看作气候系统中大气子系统异常的强信号， 通过分析南亚高压的年际及年代际异常可以更直接地研究和预测区域气候异常。