近20年来中国极地大气科学研究进展

南极、北极和青藏高原是地球上的 3大气候敏感地区 ,是多个国际计划研究全球变化的关键地区。中国的南极和北极实地考察研究 ,分别始于 2 0世纪 80和 90年代 ,起步较晚 ,但近 2 0余年来有较大的进展。极地大气科学考察与研究是极地科学研究的重要组成部分。讫今为止 ,中国已组织了 2 0次南极考察和 3次北极考察 ,建立了中国南极长城站、中山站和北极黄河站等 3个常年科学考察站 ;进行了常规地面气象、Brewer大气臭氧、近地面物理、高层大气物理、冰雪和大气化学等观测 ,获得了较为系统的极地大气科学第一手资料 ;开展了有关极地与全球变化的研究 ,取得了新的进展。南极地区大气温度、臭氧和海冰的气候变化在时间和空间上都是多样的。南极地区的增暖主要发生在南极半岛地区 ,在南极大陆主体并不明显 ,近 10余年来还有降温趋势。中国南极长城站和中山站的观测资料也证实了这一点。此外 ,还揭示了南极半岛西侧和罗斯海外围的海冰变化具有“翘翘板”特征 ,由此定义的南极涛动指数可用来讨论南极海冰状况和海冰关键区的活动 ;用实地考察资料研究了极地不同下垫面的近地面物理和海 -冰 -气相互作用特征 ,给出了边界层特征参数 ;讨论了极地天气气候和大气环境特征及其对东亚大气环流和中国天气气候的影响 ;利用     

极地气象考察与全球变化研究

南极和北极是地球上的气候敏感地区，也是多个国际计划研究全球气候变化的关键地区。极地包含了大气、海洋、陆地、冰雪和生物等多圈层相互作用的全部过程，在全球气候的形成和变化中有重要的作用。极地大气科学考察与研究是极地科学研究的重要组成部分。到2006年底，中国自主组织了23次南极考察，2次北冰洋考察和3次北极站考察；建成了南极长城站、中山站和北极黄河站，并在南极冰盖设置了3个无人自动气象站；开展了有关极地大气科学与全球变化的研究。在南北极地区，进一步加强国际合作，继续监测包括近地面温度在内的大气要素的变化，提高极地气象业务水平；拓展极地气象业务和大气科学考察研究领域，积极获取气候代用资料；进一步量化和认识极地在全球变化中的作用，及其对中国天气气候和国民经济可持续发展的影响；建立完善极地大气科学研究体系，提高极地大气科学研究水平，仍是中国极地大气科学与全球变化研究的重要内容之一。     

近20年中国南极科学考察的气象业务进展

近20年来，中国南极科学考察的气象业务取得了长足进展。1985年在南极半岛建立了中国长城气象站；1989年在南极大陆建成了中国中山气象台；2001年与澳大利亚南极局合作在距中山站160km的南极冰盖上安置了LGB-69自动气象站(AWS)。在长城和中山两站开展了常规地面气象观测、站区天气预报服务、气象卫星高分辨率图像传输资料(HRPT)接收等业务；在中山站进行Brewer大气臭氧和紫外辐射(UV-B)等要素的观测；在赴南极考察的航渡期间进行气象观测和预报服务。南极常规气象业务已为研究南极在全球气候变化中的作用积累了丰富资料，为航渡和站区考察项目的实施提供的气象服务保障，为我国南极科学考察和研究事业作出了重要贡献。进一步提高南极气象业务水平，拓展气象业务和大气科学考察研究领域，是今后极地大气科学考察和研究的重要任务。     

极地大气科学考察研究与展望

本文包括四部分。第一部分是对中国科学院大气物理研究所1984年以来的极地大气科学考察研究工作概要地作了回顾;第二部分是中国科学院大气物理研究所近5年来在极地大气科学方面研究的主要进展;第三部分是对未来极地大气科学考察研究的重点问题的展望与建议;第四部分是结论与讨论。作者认为,未来极地大气科学考察研究的重点问题应该包括:(1)南极北极冰雪变化差异成因,(2)北极冰雪变化异常与我国气候变化关系,(3)南极冰雪变化与人类未来。     

南极臭氧洞的发现、研究和启示

回顾了南极臭氧洞的发现过程,评述了南极臭氧洞形成和发展的机制、以及南北极臭氧变化的差异,讨论了南极臭氧洞的发现和研究带来的启示。研究指出,目前只是在南极春季出现了臭氧洞,北极并没有出现过臭氧洞。在当前大气环境被污染的情况下,极地大气臭氧亏损的程度将更多地随大气环流,特别是极地涡旋中的低温状况而发生变化。     

参加中国第9次北极科学考察总结

北极对我国气候具有极其重要的影响,因此多年来中国气象科学研究院(以下简称“气科院”)坚持参与北极黄河站考察及北冰洋考察,布设气象和大气化学观测仪器,实地采集相关样品,并进行了大量有关研究。2018年是国际极地预报年(YOPP)的集中观测特别年,气科院专门设立了基本科研业务项目“极地预报年中国北极大气探测行动计划”专项,与国家海洋环境预报中心联合实施YOPP特别观测期的北极大气探空计划。     

北极多冰年和少冰年的大气环流差异

本文利用一个改进的海冰热力模式,取北极区大气和有关场的气候资料,模拟了1982年10月至1988年9月的北极海冰空间分布和季节变化的循环特征,较好地模拟出多冰年（1983,1987）和少冰年（1984,1986）。模拟结果与部分研究工作以及实况相比较,基本状况趋于一致。并且在此基础上进一步探讨了北极多冰年和少冰年的大气环境差异,可以看到多冰年的北极极涡偏西半球;少冰年的北极极涡基本是围绕极地。从而进一步影响多冰年和少冰年大气环流差异,特别是对亚洲环流的影响较大。     

开拓领域 , 推动业务 , 努力创新———纪念中国气象科学研究院成立50周年

中国气象科学研究院是中国气象局直属科研单位，是中国大气科学综合研究基地，其前身是成立于1956年的中央气象科学研究所。中国气象科学研究院成立50年来，始终面向中国气象事业的发展和国际大气科学前沿，在大气探测、中尺度气象学、气候学、极地和高原气象学、数值天气预报、农业气象学、大气化学与大气环境、云雾降水物理与人工影响天气、大气雷电等领域开展了广泛而深入的研究，并开展了东亚季风、台风、暴雨、高原气象、极地气象等方面的综合科学试验，取得了丰硕的研究成果，为中国气象科研与业务事业发展做出了重要贡献。     

北极海冰及其与气候变化的关系研究进展

简要介绍国内外关于北极海冰及其与气候变化的关系:北极海冰面积变化的时空分布特征,大气对北极海冰面积变化的影响,以及北极海冰面积异常与气候变化的关系。其中北极海冰面积异常与气候变化的关系研究主要是基于遥相关型、三大涛动、季风系统和冰-海-气耦合系统等几方面的研究。结果可供基层台站寻找影响当地区域气候变化的北极海冰“强信号”域。     

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。     

极区大气臭氧变化对中国气候影响的数值模拟

首先利用TOMS资料分析了南北极区大气臭氧总量的季节变化特征。结果表明 ,南北极区的臭氧减少都是春季下降最快 ,然后通过数值试验得到 ,极区大气臭氧减少将造成高低层温度差值分布大致相反 ,由于臭氧减少也将使我国的大气环流形势和降水分布特征发生改变。在我国的不同区域 ,各气象要素的变化也具有不同特征。     

南极大气科学若干问题的研究评述

极地气象是全球大气科学的重要组成部分。南、北极地区作为大气的两大冷源,对全球热量平衡起着重要作用,极地的大气环流对中低纬度地区的天气气候有很大影响,甚至可影响到南北半球大气的热量、动量、水汽和质量交换。有关这方面的研究工作愈来愈受     

南极臭氧洞的影响因子和变化趋势

利用卫星和台站观测的南极臭氧资料和NCEP/NCAR再分析资料,分析了南极臭氧近年来的变化特征和影响因子,探讨了南极臭氧洞期间中山站臭氧突变过程与大气动力的作用。结果显示,平流层氯和溴的卤化物当量（EESC）和平流层温度是影响南极臭氧洞面积的关键因子。臭氧总量与EESC和平流层温度均具有显著相关,表明两站虽然都位于臭氧洞边缘,EESC和平流层温度对臭氧总量的变化仍然可以起决定性的作用,同时也验证了EESC参数在东南极大陆沿岸具有适用性。 EESC的年代际变化与臭氧变化趋势相似,臭氧的年际变化与平流层温度关系密切。回归结果表明,2010年后臭氧洞面积逐渐减小,在2070年左右可能恢复到1980年前的水平,但其结果存在很大的不确定性。     

Estimation and Long-term Trend Analysis of Surface Solar Radiation in Antarctica: A Case Study of Zhongshan Station

Long-term,ground-based daily global solar radiation (DGSR) at Zhongshan Station in Antarctica can quantitatively reveal the basic characteristics of Earth’s surface radiation balance and validate satellite data for the Antarctic region.The fixed station was established in 1989,and conventional radiation observations started much later in 2008.In this study,a random forest (RF) model for estimating DGSR is developed using ground meteorological observation data,and a highprecision,long-term DGSR dataset is constructed.Then,the trend of DGSR from 1990 to 2019 at Zhongshan Station,Antarctica is analyzed.The RF model,which performs better than other models,shows a desirable performance of DGSR hindcast estimation with an R~2 of 0.984,root-mean-square error of 1.377 MJ m~(-2),and mean absolute error of 0.828 MJ m~(-2).The trend of DGSR annual anomalies increases during 1990–2004 and then begins to decrease after 2004.Note that the maximum value of annual anomalies occurs during approximately 2004/05 and is mainly related to the days with precipitation (especially those related to good weather during the polar day period) at this station.In addition to clouds and water vapor,bad weather conditions (such as snowfall,which can result in low visibility and then decreased sunshine duration and solar radiation) are the other major factors affecting solar radiation at this station.The high-precision,longterm estimated DGSR dataset enables further study and understanding of the role of Antarctica in global climate change and the interactions between snow,ice,and atmosphere.     

Atmospheric inversion strength over polar oceans in winter regulated by sea ice

Low-level temperature inversions are a common feature of the wintertime troposphere in the Arctic and Antarctic. Inversion strength plays an important role in regulating atmospheric processes including air pollution, ozone destruction, cloud formation, and negative longwave feedback mechanisms that shape polar climate response to anthropogenic forcing. The Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) instrument provides reliable measures of spatial patterns in mean wintertime inversion strength when compared with available radiosonde observations and reanalysis products. Here, we examine the influence of sea ice concentration on inversion strength in the Arctic and Antarctic. Correlation of inversion strength with mean annual sea ice concentration, likely a surrogate for the effective thermal conductivity of the wintertime ice pack, yields strong, linear relationships in the Arctic (r?=?0.88) and Antarctic (r?=?0.86). We find a substantially greater (stronger) linear relationship between sea ice concentration and surface air temperature than with temperature at 850?hPa, lending credence to the idea that sea ice controls inversion strength through modulation of surface heat fluxes. As such, declines in sea ice in either hemisphere may imply weaker mean inversions in the future. Comparison of mean inversion strength in AIRS and global climate models (GCMs) suggests that many GCMs poorly characterize mean inversion strength at high latitudes.     

近30年大气化学和大气环境研究回顾———纪念中国气象科学研究院成立50周年

概述了中国气象科学研究院 (简称气科院) 近30年来有关大气化学和大气环境研究成果。该院完成了国家自然科学基金重大项目和科技部973项目等一系列重要研究项目, 做出了许多具有重大创新性的成果:在青藏高原发现“臭氧低谷”, 这一重大发现列为当年中国10大科技成果之一; 首次把环境、生态、气候几个重要领域进行综合研究, 发现人类活动对环境造成的变化改变了生态环境状态, 最终对区域气候造成影响; 对北京市大气污染机理和调控原理进行了深入研究, 在三维立体观测基础上, 提出了点-面结合与统计-动力综合分析, 地面观测-卫星遥感分析方法及模式新技术等, 获取了解决大气环境领域关键技术难点的创新成果; 建立了全球第一个大陆大气本底基准观象台即瓦里关本底台, 开创了我国全球大气本底业务观测等。几十年来气科院大气化学研究工作几乎涵盖了当前大气化学所有重要领域及其前沿学科, 其中包括温室气体、臭氧和反应性气体、气溶胶、酸雨、模式的发展及应用、空气质量预报技术和环境评价等。气科院大气化学研究工作是和中国气象局大气成分监测站网建设密不可分的, 广大科研人员参加了诸如大气本底站网、酸雨站网、臭氧站网、沙尘暴站网等业务站网的建设, 与此同时也构建了大气化学科研平台。     

南极大陆沿岸地面臭氧损耗事件的研究

利用南极大陆沿岸中山站2008-2013年的地面臭氧连续观测数据和相关资料,对地面臭氧损耗事件（ODE）进行研究。结果显示,春季南极中山站常发生臭氧损耗事件。在该事件发生期间,气象要素有明显的突变过程,包括气温明显下降,风向由偏东风转变为偏北风,风速随之下降。来自海冰区的偏北风增多,风速很小,使臭氧浓度维持在较低水平。地面臭氧损耗事件主要与南极沿岸海冰区的活性溴（BrO）浓度有关。春季南极大陆沿岸海冰冻融过程中形成的冰间水道和冰间湖,在低温的作用下会再次冻结,形成薄冰和霜花。卫星资料能够观测到薄冰区释放的活化海盐溴高浓度区,活性溴与臭氧发生化学反应形成地面臭氧损耗事件。臭氧损耗现象是在未受到人为影响的自然状态下发生的,与中高纬度地区光化学反应导致臭氧消耗有所不同。