中国土壤热通量的时空分布特征研究

利用中国生态系统研究网络(CERN)的17个野外台站2004～2007年的实测土壤表层热通量资料,分析了土壤表层热通量的季节和空间变化规律。土壤热通量从2月份开始由负值转变为正值,9月份左右开始由正值转变为负值,在3～8月份土壤热通量的值都为正值,12月至次年1月土壤热通量都为负值。空间分布上,东北地区和西北地区季节变化明显,年变幅比较大,长江流域地区夏季增加幅度小,年变化幅度也比较小,青藏高原地区四季都相对为低值地区,年变幅比较小,总的空间变化趋势是春夏季北高南低,秋冬季节南高北低。土壤热通量年合计值在东北黑土地地区、西北荒漠地区、黄土高原陕北地区和四川盆地地区是高值区,长江流域下游和黄河流域中下游冲积而成的区域为负值区。研究结果为进一步研究土壤的生态环境形成和变化提供了参考依据。     

东亚季风湿润区水分收支的气候特征

采用1958-2007年NCEP/NCAR月平均再分析资料,分别从水汽通量、水汽通量散度以及区域内降水量与蒸发量差计算东亚季风湿润区的水分收支,分析其差异特征,结果表明:用不同方法计算的水分收支距平年际变化的相关系数分别为0.91,0.71和0.81,误差ε百分率分别为17.4%,44.1%和44%,其中利用水汽通量和散度计算得到的季风湿润区水分收支结果很接近。总体上看,整个区域全年表现为水分收入,春季和夏季的水分收入贡献最大,秋季和冬季贡献较小。在水汽经向输送中,南边界为主要的水汽输入区。从水汽输送计算的水分收支垂直分布来看,多年平均气候态下整个区域除850 hPa存在水分支出外,其余各层均为水分收入,3种方法计算的水分收支在4个季节的年际变化明显。     

南海夏季风爆发前后海-气界面热交换特征

文中利用 2 0 0 0与 2 0 0 2年二次南海海 气通量观测资料和同期西沙站资料 ,研究了南海夏季风爆发前后海洋表面热收支变化特征。研究表明 :南海夏季风爆发前后 ,影响海面热收支变化的主要分量是净短波辐射通量和潜热通量 ,在季风爆发前后不同阶段 ,二个分量的变化有不同表现形式 ,但不论二者如何变化 ,季风爆发与活跃期 ,海面热收入减小或为净支出 ;季风爆发前及中断期间 ,海面热收入逐渐增加 ;由于大的热惯性 ,海温变化落后于海面热收支的变化 ,海温的这种滞后效应通过影响潜热通量调节海面热收支的变化 ,又反过来影响自身的变化 ,形成短期振荡过程 ,这种振荡过程与季风的活跃、中断过程相对应。     

秋季水汽输送特征及其与云南降水的关系

利用云南122个测站1961-2008年秋季(9-11月)降水量和同期NOAA提供的月平均再分析资料,分析了秋季各月降水与水汽通量、水汽通量散度的分布,以及环流异常对降水的影响。结果表明:11月降水场与水汽通量场和水汽通量散度场耦合程度最高,10月次之,9月最小。在降水的空间分布型上,云南秋季降水与水汽通量输送、水汽通量散度的相关基本为一致的正相关;秋季降水量场与水汽通量场的时间变化趋势一致,水汽输送通量、水汽通量散度的变化直接影响降水的变化。云南秋季降水的多少主要是环流异常引起,当云南9月降水正异常时孟加拉湾季风偏强,副热带高压偏弱偏东,冷空气活跃,反之则出现负异常;当10月降水正异常时南支槽和西南季风活跃,影响云南的偏南暖湿气流强盛,反之则降水偏少;当11月南支槽和影响云南的冷空气活跃,云南降水偏多,反之则出现负异常。在水汽净收支方面,9月纬向的净收入最大,而10月纬向的净收入减弱,11月在西风带的控制之下,纬向净收支非常小。而经向上的水汽收支在9-11月有从支出到流入的转换。从云南正负异常年整层和低层水汽净收支看,除11月负异常年为水汽源外,其他都为水汽汇。用ERA-Interim再分析资料与20CR再分析资料计算的水汽误差较小,并且正负异常年水汽净收支变化一致。     

藏北高原地面加热场的季节变化

利用五道梁１９９３年９月～１９９５年８月的辐射收支资料，分析了该地区地面加热场的季节变化特征，结果表明：春，秋季地面加热场强度有明显的急增加减过程，正是加热场的这种突变引起了季节的明显转换，冬季地面积雪多的年从那面加热场强度较弱，第二年夏季加热场强度则较强；地面加热场强度的季节变化明显，夏季强，冬季弱；冬季地面积雪时间较长时，由于地表反射率增大，地中释放的土壤热通量较无雪时减少，可能造成该地区地面     

青藏高原深层土壤热通量的变化特征分析

青藏高原地表热状况不仅对局地天气和气候变化有重要影响,而且还在次季节到季节尺度上对周边特别是下游地区的短期气候变化产生影响,因此日益受到研究者的关注。土壤热扩散率和土壤热通量是决定土壤热状况的两个重要因素。不同于以往的研究,本文利用青藏高原地区1980—2001年39个气象站0.8 m和3.2 m的土壤温度资料,采用热传导对流法计算了0.8~3.2 m深层土壤热扩散率和土壤热通量,分析了它们的年变化和年际变化特征,并分析了深层土壤热通量和高原季风的相关关系,得到了一些有意义的结论。青藏高原深层土壤温度随深度的增加振幅减小、位相延迟;在1980—2001年间,土壤热扩散率的变化总体呈减小趋势;土壤深层热通量年变化与土壤表层热通量的年变化具有相反的相位;总热通量与对流热通量的变化具有相同的相位;深层土壤热通量月平均值在冬季为负值(定义热流向上为正),夏季土壤热通量都为正值。土壤热通量与高原冬季风指数的变化趋势相反,相关系数为-0.53;而与高原夏季风指数变化趋势一致,相关系数为0.58,都通过了95%的显著性检验。这些结论对于促使我们认识高原陆气相互作用是非常有意义的。     

西太平洋暖池热含量年际变化及其对东亚气候异常的影响

利用1980—2010年共31个冬季的GODAS海洋同化资料,以5～366 m次表层海温构造西太平洋暖池区域的热含量,分析了冬季西太平洋暖池次表层热含量的时空特征、持续性以及对其邻近区域的气候异常影响,结果表明:(1) 整体一致性分布是冬季西太暖池区次表层热含量年际变化的主导模态,其时间系数的年际振荡较好地代表了暖池区次表层热状况的年际异常。暖池区热含量的变化与ENSO事件联系密切,它能保持超前两季以上的显著自相关,持续性较赤道中东太平洋海温异常更为稳定。(2) 冬季暖池区热含量异常对后期春、夏季暖池热状况产生持续影响,相应的暖水体积变化导致暖水的经向输送及垂直交换,对后期春夏两季暖池及邻近区域尤其是菲律宾海的表层海温、海表热通量变化有较大影响。(3) 冬季暖池区热含量上升对应春季菲律宾海以东洋面OLR数值下降以及降水偏多,所引起的对流活动加热异常导致热带及副热带西北太平洋位势等压面抬升,进而对西太副高产生影响。之后,此区域相应的海表热通量交换加强,对流层低层形成强大的异常气旋,海气相互作用加强,加上对流加热异常,使得冬季暖池热含量异常与夏季副热带高压变化联系更加紧密。因此冬季暖池区热含量可作为春、夏季西太副高变化和西北太平洋夏季风强度的有效预测因子。      

不同土壤类型的热通量变化特征

利用2004—2007年中国科学院中国生态系统研究网络(CERN)生态站实测土壤热通量、辐射等资料,分析了不同土壤类型表层热通量的日变化和季节变化,以及不同土壤类型的热通量与总辐射、净辐射的关系。结果表明,由于导热率越大,热量传输就越快;热容量越小,热量传输也越快,造成土壤热通量的日较差和年较差较大,所以黄绵土和紫色土的表层热通量日较差最大(220～280 W.m-2),高寒草甸土和水稻土最小(55W.m-2);季节变化中土壤表层热通量的年较差变化范围在12～28W.m-2之间,灰漠土最大,为28W.m-2,热通量年较差从大到小依次为灰漠土、黄绵土、盐碱潮土、红壤土、紫色土、沼泽土、水稻土和高寒潮土,高寒潮土最小,为12W.m-2。不同土壤类型的热通量与总辐射、净辐射呈正相关关系,但不同土壤类型的土壤热通量在12:00(地方时)所占净辐射的比例各不相同,高寒草甸土最小,约为8%;黄绵土最大,为38%,多数土壤的热通量占净辐射的比例在15%～20%之间,这充分表明不同土壤类型表层热通量的传输存在很大差异。     

新疆东部黑戈壁地表辐射及能量收支演变特征

新疆东部黑戈壁作为气候恶劣、人迹罕至的生态脆弱区，具有丰富的太阳能资源。利用红柳河陆气相互作用观测站2019年4、7、9月观测资料，分析东疆黑戈壁地表辐射及能量收支演变特征。结果表明：（1）地表辐射及能量收支各分量日变化均为单峰型。就不同季节而言，太阳总辐射和净辐射为夏季>春季>秋季，反射短波辐射为春季>夏季>秋季，地表和大气长波辐射为夏季>秋季>春季。（2）能量收支各分量季节变化明显，感热通量为春季>夏季>秋季，潜热通量为夏季>秋季>春季，地表土壤热通量为秋季>夏季>春季；能量分配在不同季节均以感热为主，地表土壤热通量次之，潜热通量极其微弱。（3）地表反照率日变化均为“U”型，在不同季节表现为春季>秋季>夏季，依次为0.29、0.27、0.26。东疆黑戈壁地表反照率整体较高，这是下垫面为黑色砾石所致。     

增温停滞背景下黑潮与湾流区域潜热通量年代际趋势变化差异及其成因分析

本文使用美国伍兹霍尔海洋研究所发布的客观分析海气通量项目数据集及日本海洋科学技术中心的Ishii次表层温盐数据,利用经验正交函数分析方法、小扰动展开、线性回归、海水热力学方程2010等方法,主要研究在增温停滞背景（1979～2000年,升温阶段;2001～2013年,停滞阶段）下,北半球两支西边界流区域即黑潮及其延伸区域（简称黑潮区域）和墨西哥湾流区域（简称湾流区域）海表潜热通量的年代际趋势转变和影响因子,以及内部热含量的年代际变化。结果表明,两支西边界流在增温停滞背景下都发生了年代际尺度的趋势反转,而反转的时间节点以及前后的反转趋势都不相同:黑潮区域潜热通量年代际趋势于2001年左右由正转负;而湾流区域潜热通量年代际趋势于1993年左右由负转正。其影响因子在前后阶段也有不同:通过影响海表饱和比湿进而影响海气比湿差,海表温度是影响黑潮区域全时间段以及湾流区域1993～2013年时间段潜热通量变化的主要因素;而风速通过直接的影响以及对空气湿度的影响也会对潜热通量变化产生间接影响,主要在湾流区域的1979～1992年时间段体现。黑潮及湾流区域0～1000 m海水热含量的年代际变化同样存在差异:黑潮区域表层热含量年代际变化同混合层一致;湾流区域表层热含量年代际变化同深层相异,而表层以下的变化较为一致;两个区域的深层热含量变化都体现了增温停滞的现象,黑潮区域可能存在下层至上层的影响;而湾流区域可能存在上层至下层的影响。黑潮与湾流区域表面的差异可以归结为海洋与大气因素的影响差异,而内部热含量年代际变化的垂直差异可能归结为两区域的结构差异。增温停滞对两区域的变化影响显著,而区域的变化可能存在对增温停滞的反馈。     

On the subarctic North Atlantic cooling due to global warming

Various ocean reanalysis data reveal that the subarctic Atlantic sea surface temperature (SST) has been cooling during the twentieth century. A similar cooling pattern is found in the doubling CO₂ experiment obtained from the CMIP3 (coupled model intercomparison project third phase) compared to the pre-industrial experiment. Here, in order to investigate the main driver of this cooling, we perform the heat budget analysis on the subarctic Atlantic upper ocean temperature. The net surface heat flux associated with the increased concentration of greenhouse gases heats the subarctic ocean surface. In the most of models, the longwave radiation, latent heat flux, and sensible heat flux exert a warming effect, and the shortwave radiation exerts a cooling effect. On the other hand, the thermal advection by the meridional current reduces the subarctic upper ocean temperature in all models. This cold advection is attributed to the weakening of the meridional overturning circulation, which is related to the reduction in the ocean surface density. In particular, greater warming of the surface air than of the sea surface results in the reduction of surface evaporation and thereby enhanced freshening of the ocean surface water, while precipitation change was smaller than evaporation change. The thermal advections by both the wind-driven Ekman current and the density-driven geostrophic current contribute to cooling in most of the models, where the heat transport by the geostrophic current tends to be larger than that by the Ekman current.     

耦合海-气环流模式中双热带辐合带现象及其热收支分析

文中研究了耦合海-气环流模式中的双热带辐合带(Double ITCZ)现象,并对这一现象的成因从海洋热量收支的角度进行了初步分析。Double ITCZ现象是在热带太平洋赤道南北两侧各出现一条ITCZ的现象,这是耦合海-气环流模式中的较为普遍的一种异常现象,与实际气候中出现的Double ITCZ现象并非指同一问题。文中对比观测和模式结果,指出了Double ITCZ现象的主要特征,针对它的出现过程进行细致分析,再利用模式输出的热量收支各项进行统计,得到了从海洋热收支分析得到的海表温度变化原因。与观测到的正常模态相比,Double ITCZ是一个异常的模态,它的特征突出地表现为西太平洋暖池区的降温和东南太平洋10°S附近的升温。海洋热量收支分析表明,暖池区的降温主要是受到扩散的作用,而表层平流的异常增暖在决定异常辐合带区升温过程中占第一位的作用。     

A model study on oceanic processes during the Indian Ocean Dipole termination

In this study, the processes affecting the temperature variability over the Southeastern Tropical Indian Ocean (STIO) during 1958–2000, accomplishing the positive and negative Indian Ocean Dipole (IOD) events are analyzed. The upper ocean heat budget analysis of the STIO has been carried out to understand the oceanic process during the termination of the recent strongest IOD events. The three recent strongest positive IOD events (1961, 1994 and 1997) and a strong negative IOD event (1996) are considered for detailed analysis. The heat budget analysis revealed that the positive net-surface heat flux and vertical advection played dominant roles in the termination of 1997 IOD event, whereas horizontal and vertical advections are responsible for the termination of IOD events during 1961 and 1994. The anomalous negative surface heat flux and horizontal advection caused the dipole termination during the negative dipole year 1996. The findings are well supported by the analysis of anomaly correlation between model upper ocean heat content tendency and heat budget components. Significant intra-seasonal oscillations (ISOs) in sea surface temperature (SST) anomaly are seen during the initial phase of termination in the eastern equatorial Indian Ocean during 1961 and 1994 IOD events. The influence of ISOs in SST is not so evident during the IOD termination in 1997. It is found that the termination processes have started more than a month prior to the actual IOD termination.     

A NUMERICAL STUDY OF THE INFLUENCE OF SEA SURFACE TEMPERATURES WITH DIFFERENT TEMPORAL RESOLUTIONS ON TYPHOON DUJUAN OVER THE SOUTH CHINA SEA

Daily and weekly sea surface temperature data of Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) Microwave Imager and Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System sensors are used as forcing of the underlying sea surface in the mesoscale numerical model to simulate Typhoon Dujuan that moved across the South China Sea in 2003. The numerical results show that different SSTs near the typhoon center result in differences in the atmospheric wind field, indicating that the model has a fast and obvious response to SSTs. Different SST influences the intensity and track of Dujuan to some degree and has significant impacts on its precipitation and latent heat flux near the eye. The SST influence on Dujuan is mainly fulfilled by changing the latent heat flux between the ocean surface and the atmosphere above.     

BCC_CSM1.1对10年尺度全球及区域温度的预测研究

近期10～30年时间尺度的年代际预测是第五次耦合模式国际比较计划(CMIP5)重要内容之一。按照CMIP5试验要求, 国家气候中心利用气候系统模式BCC_CSM1.1完成并提交了年代际试验结果。本文评估了该模式年代际试验对10年尺度全球及区域地表温度的预测能力, 并通过与20世纪历史气候模拟试验的对比分析, 研究模式模拟对海洋初始观测状态的依赖程度。分析结果表明:(1)在有、无海洋初始化条件下, 模式均能模拟出1960～2005年间全球10年平均实测地表温度的变暖趋势, 但在有海洋初始化条件下, 可以明显减小BCC_CSM1.1模式模拟的全球升温趋势, 使得年代际试验比历史试验的结果更接近观测值。这一特点在观测资料相对丰富的南北纬50°以内地区更为显著。(2)在年代际试验预测前期, 通过Nudging方法, 利用SODA再分析海洋温度资料对模式进行初始化, 经过前期8～12月的协调后, 模式预测的第1年南北纬50°范围海洋、陆面的平均地表气温接近于观测值(CRUTEM3, HadSST2)。由于模式初值SODA再分析SST资料与HadSST2观测值存在明显的全球大洋系统暖偏差以及模式本身系统偏差的影响, 年代际试验模拟的地表气温在2～7年之内, 从观测SST状态逐渐恢复到模式系统本身状态。在同组Decadal试验中, 陆面和海洋恢复调整的时间长度几乎一致。(3) 从10年平均气候异常在区域尺度上的预报技巧来看, 有、无海洋初始同化对预测结果影响不大, 高预测技巧区主要分布在南半球印度洋中高纬度、热带西太平洋以及热带大西洋区域。(4)SST变化与下垫面热通量密切相关, 在热带和副热带海洋区域, 长波辐射和感热通量是影响10年时间尺度SST变化较大的物理量, 在中高纬度海洋, 洋面温度变化主要受潜热通量的影响相对较大。     

海洋环流对全球增暖趋势的调制：基于FGOALS-s2的数值模拟研究

在工业革命以来全球长期增暖趋势背景下,全球平均表面气温还同时表现出年代际变化特征,二者叠加在一起使得全球平均气温在某些年份增暖相对停滞(如1999～2008年)或者增暖相对较快(如1980～1998年).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国家重点实验室(LASG)发展的耦合气候模式FGOALS-s2历史气候和典型路径浓度(RCPs)模拟试验结果研究了可能造成全球增暖的年代际停滞及加速现象的原因,特别是海洋环流对全球变暖趋势的调制作用.该模式模拟的全球平均气温与观测类似,即在长期增暖趋势之上,还叠加了显著的年代际变化.对全球平均能量收支分析表明,模拟的气温年代际变化与大气顶净辐射通量无关,意味着年代际表面气温变化可能与能量在气候系统内部的重新分配有关.通过对全球增暖加速和停滞时期大气和海洋环流变化的合成分析及回归分析,发现全球表面气温与大部分海区海表温度(SST)均表现出几乎一致的变化特征.在增暖停滞时期,SST降低,更多热量进入海洋次表层和深层,使其温度增加;而在增暖加速时期,更多热量停留在表层,使得大部分海区SST显著增加,次表层海水和深海相对冷却.进一步分析表明,热带太平洋表层和次表层海温年代际变化主要是由于副热带—热带经圈环流(STC)的年代际变化所致,然后热带太平洋海温异常可以通过风应力和热通量强迫作用引起印度洋、大西洋海温的年代际变化.在此过程中,海洋环流变化起到了重要作用,例如印度尼西亚贯穿流(ITF)年代际异常对南印度洋次表层海温变化起到关键作用,而大西洋经圈翻转环流(AMOC)则能直接影响到北大西洋深层海温变化.     

The simulation of SST, sea ice extents and ocean heat transports in a version of the Hadley Centre coupled model without flux adjustments

Results are presented from a new version of the Hadley Centre coupled model (HadCM3) that does not require flux adjustments to prevent large climate drifts in the simulation. The model has both an improved atmosphere and ocean component. In particular, the ocean has a 1.25° × 1.25° degree horizontal resolution and leads to a considerably improved simulation of ocean heat transports compared to earlier versions with a coarser resolution ocean component. The model does not have any spin up procedure prior to coupling and the simulation has been run for over 400 years starting from observed initial conditions. The sea surface temperature (SST) and sea ice simulation are shown to be stable and realistic. The trend in global mean SST is less than 0.009 °C per century. In part, the improved simulation is a consequence of a greater compatibility of the atmosphere and ocean model heat budgets. The atmospheric model surface heat and momentum budget are evaluated by comparing with climatological ship-based estimates. Similarly the ocean model simulation of poleward heat transports is compared with direct ship-based observations for a number of sections across the globe. Despite the limitations of the observed datasets, it is shown that the coupled model is able to reproduce many aspects of the observed heat budget. Received: 1 October 1998 / Accepted: 20 July 1999     

A study on air–sea interaction on the simulated seasonal climate in an ocean–atmosphere coupled model

This study investigates the effects of air–sea interaction upon simulated tropical climatology, focusing on the boreal summer mean precipitation and the embedded intra-seasonal oscillation (ISO) signal. Both the daily coupling of ocean–atmosphere and the diurnal variation of sea surface temperature (SST) at every time step by accounting for the ocean mixed layer and surface-energy budget at the ocean surface are considered. The ocean–atmosphere coupled model component of the global/regional integrated model system has been utilized. Results from the coupled model show better precipitation climatology than those from the atmosphere-only model, through the inclusion of SST–cloudiness–precipitation feedback in the coupled system. Cooling the ocean surface in the coupled model is mainly responsible for the improved precipitation climatology, whereas neither the coupling itself nor the diurnal variation in the SST influences the simulated climatology. However, the inclusion of the diurnal cycle in the SST shows a distinct improvement of the simulated ISO signal, by either decreasing or increasing the magnitude of spectral powers, as compared to the simulation results that exclude the diurnal variation of the SST in coupled models.     

基于信息流理论的因果分析在辨析大西洋多年代际振荡物理机制中的应用

大西洋多年代际振荡（AMO）是指发生在北大西洋的海表温度（SST）冷暖异常多年代际（50～80年）振荡的现象。通常AMO被认为是受大西洋经向翻转环流（AMOC）及其对应的海洋动力过程（经向热量输运）的影响。近年来有观点认为,AMO是大气随机热力强迫的产物,大气主导了海气间的热量交换进而影响AMO。弄清AMO和北大西洋海表热通量的因果关系是辨析AMO动力和热力驱动机制的关键。本文利用基于信息流理论的因果分析方法,研究了1880年以来观测的AMO与北大西洋海表热通量间的因果关系。结果表明,在多年代际尺度上,从AMO到海表热通量的信息流要远大于二者相反方向的信息流,这说明AMO是北大西洋海表热通量异常的因,海洋主导了海气间的热量交换。大气随机热力强迫机制无法解释AMO与热通量两者因果分析的结果。对泛大西洋地区的陆地气温和AMO指数进行分析,进一步表明由于海洋主导了海气热量交换,AMO的海温异常加热/冷却控制了绝大多数地区气温的多年代际变化。利用海温驱动的大气环流模式的模拟结果验证了AMO的海温异常对周边陆地气温强迫作用。本文的结果为辨析AMO的动力和热力驱动机制提供了新线索,进一步表明AMO并非是大气随机热力强迫的产物,海洋环流可能是AMO的主要驱动因子。