冬季黑潮延伸体海域海洋涡旋影响局地大气强对流的研究

黑潮延伸体海区是冬季西北太平洋向大气加热的关键海区。前人研究表明活跃在黑潮延伸体海区的海洋涡旋会通过影响海表面温度而影响海面风。回顾了最近几年该海域海洋涡旋影响局地大气的研究成果,重点从船测探空资料、卫星观测资料和模式数值实验3个方面分析和比对了已有的研究成果,依据该海区海洋涡旋导致大气异常的地转适应理论,得到了如下新的科学推论:海洋涡旋上空大气运动较慢时,大气对海洋涡旋的响应表现以气压调整机制为主,海洋涡旋的影响常常被限制在大气边界层中;海洋涡旋上空大气的运动较快时,大气对暖(冷)涡的响应以垂直混合机制为主,海表面风速在暖(冷)水上加(减)速,海表面风强辐合出现在暖水的背景风下游一侧,并从暖水上空携带了大量水汽;通过水汽凝结与海面辐合上升之间的正反馈机制,为导致大气中出现强对流提供了必要条件。该推论将有利于进一步定量刻画海洋涡旋对大气的影响。     

基于中等复杂地球系统模式的全新世 气候突变事件模拟试验*

全新世暖湿气候背景下的代表性气候突变是发生在约8.2kaB.P. 和4.2kaB.P. 的气候突然变冷变干的事件。对于气候突变事件的出现,海洋环流被普遍认为是其中的关键环节。科学家们利用不同类型的气候模式进行过个例和机理模拟试验,但还未能对气候突变机理做出合理的解释。本研究使用一个中等复杂程度的地球系统模式EMIC ( Earth-system Models Intermediate Complexity) MPM-2,模拟研究了全新世气候背景下北大西洋区域,淡水强迫机制作用对温盐环流以及全球气候的可能影响、气候系统响应和恢复时间特征以及南北半球的差异。模拟结果表明海洋对北大西洋淡水通量异常的强度响应敏感,海洋环流对热量和盐份的输送与淡水通量异常强度之间的平衡决定了温盐环流能否对淡水强迫产生不可逆转变,当淡水通量异常达到某一阈值后可能引起海洋和气候平衡态的改变。同时还发现,在气候变化过程中,两次淡水通量异常对海洋和大气系统的强迫作用是不同的,首次淡水通量异常对气候平衡态的影响要远大于其后的淡水通量异常。模拟结果还表明,北大西洋海洋的异常状况可以通过海洋、大气等各圈层相互作用传递到不同圈层和空间区域,在南北半球出现不同的响应特征。上述模拟结果对于认识全新世气候变化特征、不同突变事件之间的关系及其对现代气候的可能影响具有启发意义。     

大气边界层数值模拟研究与未来展望

大气边界层作为连接下垫面和自由大气的重要桥梁,不仅影响局地的各种天气过程的发展和演变,而且在区域和全球的天气和气候变化中也扮演着关键角色。鉴于大气边界层自身的复杂性,对其数值模拟一直以来都是大气数值模拟研究中的热点和难点。通过归纳近几十年来大气边界层数值模式发展经历的3个阶段,梳理了干旱半干旱区、青藏高原地区和城市复杂下垫面3个陆地气候关键区边界层过程,以及海洋上特殊的台风边界层数值模拟研究取得的重要进展;总结出当前大气边界层数值模拟研究所面临的5个亟待解决的关键科学问题:云与边界层相互作用、边界层参数化、模式分辨率、边界层资料同化以及边界层发展机制。并明确了该领域未来需要在加强不同类型大气边界层过程的认识、边界层底和顶界面交换过程的理解、特殊地区边界层发展机制的解释、边界层参数化方案的改进、大涡模拟在边界层模拟中优势的充分发挥等5个方面开展重点研究,以期能为今后更系统地开展大气边界层数值模拟及相关研究提供参考依据。     

海洋涡旋在模态水形成与输运中的作用

模态水在全球气候变化中有着重要作用.但是由于缺乏海洋次表层的高分辨率观测,对空间尺度为百公里的海洋中尺度涡旋如何影响空间尺度大于千公里的模态水的认识仍然欠缺.为了解决这一科学难题,在科技部的支持下,实施了一次成功的海上观测试验.系统梳理了基于该观测数据所发表的有关涡旋影响模态水潜沉和输运的主要研究成果:①捕捉并揭示了中尺度涡导致混合层水潜沉的过程和动力机制;②发现了中尺度涡携带模态水迁移的新路径;③阐明了模态水多核结构的形成机制.研究结果揭示了黑潮延伸体海域中尺度涡旋影响大尺度模态水的物理本质,为该海域多时空尺度海洋—大气相互作用作出了一定的贡献.通过对该次观测试验结果的分析和总结,得到了如下新的科学推论:海洋次中尺度过程对模态水的形成和耗散也具有重要影响.     

中纬度海气相互作用研究进展

回顾了中纬度海气相互作用的研究现状,分析了长期以来该项研究进展缓慢的原因和近十几年来的研究成果,结果指出:中纬度海洋在全球气候变化中有着重要的作用;冬季中纬度海气相互作用的强信号是冷空气强度;中纬度海洋强暖流区海气能量交换异常对同期和后期(半年至一年)北半球范围内的大气环流型有重要影响;当冬季黑潮和湾流海域海洋对大气同时异常多或异常少加热时,易形成夏季长江中下游偏旱或偏涝的环流形势。最后还提出,深入研究中纬度海气能量系统异常对大气环流影响及其物理机制,是今后海气相互作用研究的重要内容,其结果将为短期气候预测提供理论依据。     

新生代构造抬升对地表化学风化和全球气候变化的影响

全球新生代构造抬升 ,特别是南亚喜马拉雅青藏高原和南美安底斯山脉和Altiplano高原在新生代的抬升对地表化学风化和全球气候变化产生了重要影响。它对地表化学风化的影响主要表现为引起造山带地区化学风化能力的提高 ;而它对全球气候变化的影响则主要表现在两个方面 ,一是直接的物理影响 ,即通过对大气和海洋循环的影响来对大气变化产生作用 ;一是通过对地表硅酸盐岩石的化学风化造成大气CO2 变化和全球温度的改变 ,从而对气候变化产生间接的生物化学效应。目前看来 ,新生代构造抬升造成的大气CO2 浓度减少是造成全球新生代气候变冷的重要原因。这已得到了近 10年来计算机大气环流模型 (GCMs)数值模拟和野外实验研究的支持 ,但在关于地表化学风化的主要控制因素 ,以及海洋Sr同位素是否可作为反映地表化学风化速率变化的替代性标志和气候变化反馈机制等方面 ,还需要作进一步研究。     

风电场对气候环境的影响研究进展

风电是发展最快的可再生能源之一,随着风能在全球范围内大规模发展,人们开始关注大规模风电场的部署及运行对生态环境和气候的影响。通过调研相关文献,总结归纳了风电场对气候和生态环境的影响:一方面风机的架设改变了原有空气动力学粗糙度高度,加强了下垫面对湍流的阻挡作用,直接影响边界层湍流运动,改变原有陆地表面和近地层大气之间的物质能量和水分交换的强弱程度和模式,影响大气环流和气候;另一方面由于风力涡轮机将一部分风动能转化为电能,产生风机尾流效应,改变了边界层中大尺度运动动能的收支模式与时空分布,导致大气各种通量(热量通量和水汽通量等)的变化,对温度、降水和风速等产生影响。通常情况下,风电场对近地面的增温或降温效应与大气的层结稳定性有关。尽管如此,在全球气候模式中的模拟结果表明,风电场对全球气候的平均影响很小,其影响远远小于温室气体排放引起的预期变化和自然气候的年际变化。风电几乎不排放二氧化碳和污染物,与其他传统能源相比,减少水资源消耗,同时可能破坏动物栖息地、鸟类碰撞和产生噪声视觉等一些消极生态影响,但是可以采取相应的一些措施来减缓这些不良影响。     

平流层和下垫面热状况对大气环流影响的研究和数值模拟

近年来世界范围的干旱、水灾、酷热和严寒接连不断地发生,使得人们对大气环流异常的物理机制,气候异常的原因,长期天气过程的物理基础等问题给予了越来越多的重视。海气相互作用是影响大气运动的主要过程之一;平流层的热状况对对流层大气环流也起着重要作用。从1986年3月起到1989年底我们开展了平流层和下垫面状况对大气环流影响的研究和数值模拟实验工作。研究工作主要集中在平流层臭氧的加热作用和海温异常两个方面对大     

青藏高原大气边界层结构及其发展机制研究

研究青藏高原大气边界层对于我们认识其地面的热量与水分收支状况,了解高原及其周边地区的天气和气候变化具有重要意义。然而,高原大气边界层观测资料的匮乏制约着青藏高原的天气与气候研究。首先,梳理了针对青藏高原大气边界层的大气科学试验情况;其次,归纳了青藏高原大气边界层的高度与风场结构、温度与湿度场结构的研究进展,并从热力学和大气动力学角度介绍了大气边界层的发展机制,在此基础上,对目前研究中存在的不足进行了探讨,指出青藏高原大气边界层的研究还处于揭示现象阶段,对发展机制的研究不够深入,对整个高原面上不同区域同一时间的联动研究较少。针对上述不足之处对未来的研究方向进行了展望。     

大气环流形势客观分型及其与中国降水的联系

大气环流异常是造成天气和气候变化的直接原因。以往对大气环流形势和中国降水关系的研究绝大部分是在对大气环流形势进行主观分型和进一步诊断的基础上来研究两者的联系。相对于对大气环流形势的主观分析,客观分型方法采用的指标更一致、标准更统一,能够得到较多的大气环流类型,目前得到了较为广泛的应用。利用欧洲中期数值天气预报中心提供的1979—2016年的再分析资料(ERA-Interim),通过选择逐日12UTC的海平面气压、可降水量和700 h Pa风速3个变量,应用倾斜旋转T模态主成分分析方法对中国区域内的大气环流进行了客观分型,并进一步分析了不同大气环流类型与中国区域降水之间的联系。结果表明,不同大气环流类型对中国区域降水趋势和降水量的影响不仅在空间上存在差异,而且在季节上也不尽相同。总体表现为大气环流类型对降水量大的区域和降水量多的月份影响较大,而对降水量小的区域和降水少的月份的影响较小。此外,与环流类型发生频次对中国降水的影响相比,大气环流类型发生频次不变的背景下降水强度变化对中国降水趋势的影响更加显著。     

超强台风Saomai(0608)加强成因分析及 海温影响的数值试验研究*

以严重影响我国的2006年8号超强台风Saomai为研究对象,首先从大尺度环流特征和物理量场对其登陆前强度不断加强成因作诊断分析,指出台风加强与副高的加强和南落、低空持续加强的水汽输送、高空流出气流的强辐散、台风移向垂直切变小值区和暖洋面密切相关。然后,利用中尺度数值模式MM5分析了海温高低对台风强度变化的影响,试验结果表明台风强度对海温十分敏感,海温改变可以引起台风强度的迅速变化,海温降低2℃将使台风最终减弱19hPa。边界层通量的分析表明,海温变化对台风强度的影响中潜热通量的作用是主要的,而感热输送的作用较小。就海温变化是否引起诸多台风强度影响因子分析发现,高海温使台风区域低空气旋式环流和高层辐散流出加强,导致低空更多的水汽向该区辐合,暖海面上空潮湿空气的辐合上升释放大量的凝结潜热为台风的发展加强提供了更多的水汽和能量。对比试验还表明,正位涡向下输送预示着台风将快速加强。另外,本次试验中海温变化对台风移动路径影响不明显, 因而对环境风的垂直切变影响较小。     

珠峰地区夏季大气边界层结构初步分析

利用中国科学院珠穆朗玛峰大气与环境综合观测研究站2007年7、 8月的部分无线电探空资料和风温廓线仪资料, 分析了珠峰地区夏季大气边界层结构. 结果表明: 珠峰地区夏季边界层高度日变化较大, 气温日变化明显. 下午和傍晚可能因为冰川风的存在, 多为偏南风, 风力相对较大. 珠峰地区风速时空变化较大, 特别是下午, 在上空大约1 800 m到2 300 m处风速多为随高度增大, 再往上又减小, 而且此处多为偏西风和偏东风. 这可能与大尺度的大气环流有关, 受地形和冰川影响相对小得多.     

深海底边界层动力特征及其沉积效应研究进展

深海底边界层动力特征直接调控深海沉积过程，属于深海科学最关键的能量和物质交换层。虽然根据有限的观测发现深海海底边界层动力特征受控于海洋多尺度运动，与深海底边界层理论结果存在较大差异，但深海底边界层多时空变化特征对深海沉积过程的影响仍缺少系统的定量研究。结合已有的理论、现场观测、水槽实验与数值模拟结果，针对以下要点进行回顾和总结：(1)深海底边界层流场的基本特征及湍流特性；(2)潮汐、内波、中尺度涡以及大尺度环流的深海底边界层动力特征及其沉积效应。可为进一步开展以深海底边界层动力观测为基础的深海沉积动力学研究提供参考。     

东亚地区Younger Dryas气候突变的数值模拟研究

YoungerDryas(YD)气候突变事件是近两万年中一次全球性的气候急剧变冷事件。文章试图在东亚地区YD事件的若干证据基础上,从海洋、冰盖和大气的热力学以及动力学角度出发,利用气候模拟方法就东亚地区YD气候突变的机制和一些成因假说进行敏感性试验。模拟结果表明,因淡水通量异常引起的海洋表面温度降低是YD形成的直接原因。海洋大气耦合作用对于YD传播强度及时间不同步具有重要作用。除北大西洋淡水通量异常的作用外,南半球海洋的淡水通量异常可能对东亚地区的YD事件有着更重要的贡献。海洋耦合大气环流模式模拟表明,东亚与欧洲降温具有不同步性,最大变化速率欧洲达到-0.122℃/a,东亚地区为-0.067℃/a。模拟结果与东亚地区YD时期的气候记录在特征上能够进行对比,反映了模拟试验的边界和强迫条件的设计接近东亚古气候状况,因而模拟结果对分析海洋、冰盖和大气的热力学以及动力学探讨揭示YD气候事件的物理机制和动力原因具有可靠的依据。     

亚洲三大高原感热变化及其对中国天气气候协同影响研究进展

青藏高原、伊朗高原和蒙古高原属于亚洲高海拔地区,3个高原热力作用对同期和后期中国天气气候有重要影响。首先,介绍了3个高原地表感热时空变化特征,结果表明在全球变暖的背景下,3个高原地表感热经历了明显的年际和年代际变化,基本都在20世纪末到21世纪初出现年代际转折,之后探讨了它们之间地表感热可能存在的联系。其次,归纳总结了3个高原春季和夏季地表热力状况对中国天气气候的影响研究进展,结果显示：青藏高原感热对高原低涡的生成、发展和东移有重要作用,在适当的背景环流下会给中国东部地区带来暴雨天气;青藏高原和伊朗高原的“感热气泵”为亚洲季风区提供有利的大尺度上升背景场,而且这2个高原的热力协同作用对中国南方夏季降水的贡献要大于二者的线性叠加;青藏高原、伊朗高原和蒙古高原地表加热激发的次级环流下沉支与中国北方暖干化关系密切,且3个高原感热异常会引起其上空大气环流异常,通过大气遥相关调节中国北方天气气候。最后,在此基础上讨论了现有研究的不足,并对未来关于青藏高原、伊朗高原和蒙古高原感热的天气气候效应的研究进行了展望。     

燕山地区下奥陶统竹叶状灰岩与中尺度涡沉积模式

20世纪中叶以来,海洋中尺度涡的发现与中大洋动力学实验(MOED)改变了此前对海洋深处海水相对平静的传统认识。由于发生中尺度涡的区域海水较深,难于观察,因此有关中尺度涡的讨论目前仅限于海洋物理及海洋生物学领域。根据燕山地区下奥陶统下部竹叶状灰岩地层单元向上变粗的沉积序列、序列内发育的变形层理、倒"V"字形裂口、岩层向下方折弯乃至断裂成藕节状等明显的重力变形和环形波痕等沉积构造,以及竹叶状砾石表面及胶结物中富含原生海绿石等特征,结合沉积动力学分析与水盆实验模拟,提出燕山地区广泛发育的竹叶状灰岩是由古海洋的中尺度涡所形成的深水碳酸盐岩沉积,并建立了竹叶状灰岩中尺度涡沉积模式。     

青藏高原冬春季积雪对亚洲夏季风降水影响的研究

青藏高原(以下简称高原)积雪具有明显的季节、年际和年代际变化特征, 是影响亚洲夏季风降水的重要因子之一. 高原冬春季积雪异常通过引起高原地表反射率、 温度和感热的变化, 以及春末融雪吸热和增加土壤湿度而影响大气环流的变化, 最终引起亚洲夏季风降水的变化. 从统计分析、 气候诊断和数值模拟实验对高原冬春季积雪对亚洲夏季风降水影响的研究进展做了概括评述, 探讨了其可能影响的物理机制, 并对今后研究方向进行展望.     

干旱区陆面过程和大气边界层研究进展

干旱区陆面过程和大气边界层不仅与气候、生态、水资源密切相关,而且影响我国气候格局和东亚大气环流,是一个十分重要的研究领域,近20多年已取得了比较系统的研究进展.从干旱区陆面热力和水分过程特征、干旱区大气边界层结构特征、干旱区陆面过程参数及其参数化公式、非均匀下垫面大气边界层理论、干旱城市大气边界层特征与污染机理等方面归纳总结了干旱区陆面过程和大气边界层领域取得的部分研究进展.并且,认为科学试验的代表性、复杂下垫面的影响、尺度转化、地表能量不平衡、极端天气过程的相互作用、水分过程的复杂性等问题是干旱区陆面过程和大气边界层研究领域的突出问题和未来研究重点.     

夏季青藏高原加热和环流场的日变化

通过使用NCEP/NCAR再分析资料，分析了夏季青藏高原地区非绝热加热场的日变化特征以及高原上空环流场的日变化特点。分析发现青藏高原及其邻近地区上空环流的日变化在欧亚地区大气环流系统中表现最为显著。环流日变化是被非绝热加热的日变化所驱动的，特别是被太阳辐射日变化所驱动。由于高原上空大气柱质量远小于低海拔的平原地区，故太阳辐射日变化引起的加热日变化可在高原地区产生更为显著的环流日变化。通过位涡方程的诊断证实，白天高原加热增强，可在大气上层制造大量负位涡并向周边地区辐散，使高原地区大气高层成为负涡源。而低层则是加热制造正位涡，并使周边地区向高原的辐合增强，摩擦耗散是低层抑制正位涡增长的主要因素。而夜间加热减弱使高原对局地环流的影响作用大为减弱。故而高原及其周边地区的局地环流也具有明显的日变化特征。     

水体稳定同位素在青藏高原大气环流研究中的应用

水体稳定同位素作为贯穿水循环的介质,是研究大气环流过程和传输路径的有效手段。介绍了水体稳定同位素技术在青藏高原大气环流研究中的应用,聚焦典型站点降水、河水和冰芯等水体稳定同位素的季节和空间变化特征,揭示了大气环流对地表水稳定同位素高程效应的显著影响,以及大气降水对地表水的主导;引入降水稳定同位素标准判断亚洲夏季风爆发时间;通过冰芯稳定同位素揭示了厄尔尼诺—南方涛动对整个青藏高原水循环的影响及其响应机制的区域差异。在未来的研究中,将加强跟地球系统模型的结合,关注水体稳定同位素在不同时间尺度的控制因子、突变过程以及激发机制,进而量化古气候替代指标中的稳定同位素变化、从较长的时间尺度上重建影响青藏高原的水汽来源的演变历史。同时关注过量氘等具有水汽来源诊断能力的参数,研究其与大尺度环流参数的相关性,从海表温度、蒸发等陆—气相互作用分析并将高原环流过程与全球环流过程紧密结合综合分析。