基于CESM气候模式的同化模拟实验

利用nudging方法将GODAS次表层海温资料同化到"通用地球系统模式"(CESM)中,并分析了同化后的海温、降水、海表面气压等海洋、气象要素。结果表明,同化后的模拟结果与GODAS、NCEP、GPCP等资料的结果较为一致,较好的再现了中低纬海洋和大气的平均特征和随时间演变的规律,NINO3指数的相关系数达到0.90。但模拟结果仍存在一些问题,如大西洋西边界流偏强,赤道辐合带降水偏多等。     

1990s年代际转型前后南海季风系统的季节变化

利用多变最经验正交分解(MV-EOF)等方法,研究了在季节变化尺度上南海季风系统的时空分布特征.结果表明:南海夏季风的爆发时间在1993-1994年前后存在显著的年代际转型,由爆发偏晚转变成爆发偏早.第一模态表现为冬夏反位相的年周期变化,但爆发早年夏季风持续时间略长于爆发晚年,空间上都反映了南海中央海盆区的夏季强降水和850 hPa上南海北部的气旋性环流异常,但夏季风爆发早年中国华南沿海降水加强而南海南部降水偏少.相应的大范围环流场上主要反映了南海夏季风爆发后进人盛夏时节亚太地区大范围的环流特征,南海夏季风爆发偏早年索马里越赤道气流偏强,东亚季风槽位置偏北,爆发偏晚年则相反.第二模态反映了南海季风系统春秋反位相的季节变化,且秋季的振幅更强,空间降水场上对应着秋季华南沿海和南海北部与南海中南部北旱南涝的跷跷板式分布,850 hPa风场上则主要表现为异常的东北季风,该模态时空特征表明南海夏季风爆发偏早年的秋季,冬季风建立也偏早,越南及周边地区的降水偏多.相应的大范嗣环流场上则主要反映了冬季风的环流特征,在南海夏季风爆发偏早年的秋季,菲律宾以东的热带对流减弱,PJ波列增强,爆发晚年则相反.     

1990s年代际转型前后南海季风系统的季节变化

利用多变量经验正交分解(MV-EOF)等方法,研究了在季节变化尺度上南海季风系统的时空分布特征。结果表明:南海夏季风的爆发时间在1993—1994年前后存在显著的年代际转型,由爆发偏晚转变成爆发偏早。第一模态表现为冬夏反位相的年周期变化,但爆发早年夏季风持续时间略长于爆发晚年,空间上都反映了南海中央海盆区的夏季强降水和850 hPa上南海北部的气旋性环流异常,但夏季风爆发早年中国华南沿海降水加强而南海南部降水偏少。相应的大范围环流场上主要反映了南海夏季风爆发后进入盛夏时节亚太地区大范围的环流特征,南海夏季风爆发偏早年索马里越赤道气流偏强,东亚季风槽位置偏北,爆发偏晚年则相反。第二模态反映了南海季风系统春秋反位相的季节变化,且秋季的振幅更强,空间降水场上对应着秋季华南沿海和南海北部与南海中南部北旱南涝的跷跷板式分布,850 hPa风场上则主要表现为异常的东北季风,该模态时空特征表明南海夏季风爆发偏早年的秋季,冬季风建立也偏早,越南及周边地区的降水偏多。相应的大范围环流场上则主要反映了冬季风的环流特征,在南海夏季风爆发偏早年的秋季,菲律宾以东的热带对流减弱,PJ波列增强,爆发晚年则相反。     

基于CESM气候模式的ENSO后报试验

基于美国国家大气研究中心(NCAR)开发的通用地球系统模式(CESM),本文设计了nudging次表层海温的同化方案,进行了后报实验。对1982-2011年后报结果的分析表明,通过nudging同化,模式对ENSO现象有一定的模拟和预报能力,对赤道太平洋SST、纬向风、降水等海洋、大气要素等的后报结果与GODAS和NCEP再分析资料较接近,可以较好地重现历次厄尔尼诺和拉尼娜事件中异常东传的过程,超前1、3、6个月时,模式预报的Nio3指数与CPC指数的相关性分别达到0.88、0.81、0.70。但模式同时也表现出一定的春季预报障碍,秋季起报的后报效果最好,春季最差。对1982/1983和1997/1999两个厄尔尼诺事件的分析表明,模式后报的纬向风、热通量、风应力等大气变量的响应较实际滞后,而海洋的变化与实际情况相似,这与我们的同化方案设置有关,即模式只同化了次表层海温,进而强迫大气的响应,从而导致大气的变化较滞后。     

海气耦合模式CESM1中热带印度洋SST模拟偏差的来源分析

热带海表温度(SST)模拟偏差是困扰海气耦合模式发展的经典问题之一,其原因仍不完全清晰。针对海气耦合模式CESM1(Community Earth System Model version 1)模拟的热带印度洋SST偏差,我设计了单独大气-陆面模式、单独海洋-海冰模式以及海气耦合模式等一系列数值实验。在此基础上,采用大气-陆面模式和海洋-海冰模式隐式(implicit)SST偏差的分析方法,诊断了CESM1模拟的热带印度洋SST偏差的来源,并分析了大气模式和海洋模式中影响热带印度洋上层海温模拟的主要因素。通过分析热带印度洋不同地区SST的模拟偏差来源,发现耦合模式CESM1中孟加拉湾SST模拟偏冷主要是由海洋-海冰模式中过强的垂直混合、平流作用等海洋动力偏差引起的。在阿拉伯海和赤道西印度洋,过多的潜热释放导致SST降低,大气-陆面模式模拟误差是这两个海域SST冷偏差的主要来源。对于赤道中印度洋,潜热通量偏差和垂直混合、平流作用等模拟误差共同影响上层海水温度,潜热释放偏少、海水垂直混合偏弱以及经向平流向南输送过多暖水使耦合模式模拟的赤道中印度洋SST出现暖偏差,而在赤道东印度洋,模拟的SST偏冷是由大气-陆面模式中短波辐射偏少和海洋-海冰模式中海水垂直混合过强引起的,潜热通量偏差影响较小。分析表明,耦合模式中海气相互作用只影响SST模拟偏差的大小,但不是引起SST偏差的根本原因。     

东亚夏季风对山东夏季降水的影响

对2种东亚夏季风指数进行了对比分析,选择1种能较好地表征山东夏季降水的夏季风指数。研究了山东旱涝年以及强弱季风年500hPa高度场、850hPa风场、热带洋区OLR场、西太平洋副热带高压等异常分布特征,并初步探讨了影响山东夏季降水的物理机制。结果表明,海陆热力差指数是1种较适合研究山东夏季降水的东亚夏季风指标。强（弱）指数年,南海．热带西太平洋地区对流活动较常年偏强（弱）,热带东太平洋地区对流活动偏弱（强）,walker环流偏强（弱）,北半球500hPa环流形势呈EAP（负EAP）遥相关型,副热带高压偏北偏强（偏南偏弱）,山东夏季以多雨（少雨）年份居多;春夏季南海．热带西太平洋地区对流活动与山东夏季降水之间存在着遥相关关系,两者遥相关的可能机制是热带强迫所激发的大尺度准定常Rossby波的传播。     

基于CESM预测系统对全球关键海区海温主要模态后报能力评估

基于HadISST、ERSST和OISST 3种再分析海表面温度数据集,对CESM1全球气候预测系统模拟的重点海域海温的主要模态进行了评估。结果表明,模式能够基本再现再分析资料表征的海表面温度异常时空特征,5个关键海区海表面温度异常EOF分析前两个模态,超前1个月的后报结果均有较高的可预报性。特别是热带太平洋第一模态（ENSO模态）,超前3个月的后报与再分析相关系数能够达到0.79,能够为ENSO的预报提供宝贵参考。模式不可避免的存在较多误差,空间上表现为海表面温度异常（SSTA）显著区域的范围以及位置的差异,特别值得注意的是热带印度洋SSTA第一模态存在一个伪印度洋偶极子模态,同时此海区也是3种再分析资料SSTA第一模态空间差异最大的区域;时间序列上均表现出异常高频信号和异常波动情况,误差的大小通常是由同化、超前1月后报、超前3月后报逐渐增大,体现出初始误差随着积分逐渐积累的特征。热带大西洋SSTA第一模态时间序列前5年的位相存在明显偏差,将其剔除后,其时间序列与再分析资料的相关性有实质性改善。     

基于CCSM3气候模式的同化模拟试验

基于美国NCAR及其他科学家合作发展的共同气候系统模式CCSM3,利用nudging方法开展了把15 m到465 m的次表层海温同化到该模式的研究。1980—2000年的同化试验结果表明,经过同化得到的模拟结果与实际较为一致,较好的再现了中低纬太平洋海洋和大气的平均特征和随时间演变的规律,但仍存在如海表温度偏高、降水偏强等问题。尤其是在大洋的东边界,陆地地形比较陡峭的地区,通常出现较大的偏差。     

2012 年南海夏季风爆发时间的确定

南海夏季风爆发的重要特征之一是标志着中国雨季的开始。准确预测南海夏季风的爆发时间对中国的降水预报具有 重要参考意义。目前国内外大多采用南海低层850 hPa 高度区域动力学和热力学方法来判断南海夏季风爆发时间,这种判断 方法具有普遍适用性,但在南海夏季风爆发期间,受台风（或热带低压系统） 和副热带高压异常位置的影响,利用低层区域 动力学和热力学方法来确定南海夏季风爆发时间似乎略显不足。综合大气环流方法和副热带高压异常变化特征分析等方法, 客观确定了2012年南海夏季风爆发时间,为2012 年我国汛期降水特点提供参考依据。最后简单回顾了采用印度洋海气热通 量预测南海夏季风爆发时间的可行性,为南海夏季风爆发时间的深入研究及其机理探讨提供了又一新的途径和方法。     

利用jason-1资料验证区域海气耦合模式模拟台风浪的有效性

本文基于中尺度大气模式MM5、区域海洋模式POM及第三代海浪模式WW3建立了综合考虑海气间动力、热力相互作用的区域海气耦合模式系统.利用耦合模式模拟中国南海的两次典型的台风过程,并利用iasotl-1卫星高度计资料验证耦合模式模拟台风浪的有效性.结果表明:耦合模式能够较好地模拟南海台风的移动和强度,但模拟台风系统略偏弱,耦合模式对正常路径台风的模拟效果优干转向型台风;耦合模式能够模拟出南海台风过程中海浪场的演变特征,模拟结果与iason实测值相关性较好,相对误差在可接受范围;区域海气耦合模式为台风等强天气过程中海洋、气象要素演变特征及海-气界面相互作用过程的研究开辟了一条有效途径.     

南海大气边界层高度的气候特征研究

利用1979—2020年逐时的ERA5再分析数据,研究了南海区域大气边界层高度的气候特征及其影响因子。结果表明：南海区域平均大气边界层高度为500～800 m,空间上呈中间高、四周低的分布特征。南海大气边界层高度具有显著的季节变化特征,总体按照冬季、秋季、夏季、春季依次递减,日变化较小,大部分区域边界层高度的日变化幅度小于300 m,日循环比较平缓。南海大气边界层高度显著的季节变化特征主要受海气温差、海表面风、感热通量、潜热通量和稳定度的共同影响。较大的海气温差和强风速使海表热通量增加,下垫面不稳定性增加,海气相互作用加强,湍流活动增强,导致秋冬季边界层高度较高。过去42 a南海区域年平均大气边界层高度显著增高,年平均增高率约为0.8 m/a,且边界层高度变化存在显著的季节差异。海表面温度升高、潜热通量增加以及稳定度减小有利于边界层的发展,可能是导致南海边界层高度增加的主要原因。     

北极冰异常对亚洲夏季风影响的数值模拟

本文利用菱形截断15波的9层全球大气环流谱模式研究了北极关键区域海冰面积异常对亚洲夏季风环流、降雨量及我国夏季天气气候的影响,结果表明,格陵兰海-巴伦支海极冰偏多,导致亚洲夏季风环流特别是东亚季风环流的增强、我国东南部降水偏多;东西伯利亚海-波弗特海极冰偏多,导致东亚夏季风环流减弱、我国东南部降水偏少,而印度半岛季风增强;该区极冰偏少引起相反的效应。文中对上述效应的可能动力学机制也进行了讨论。因此,北极冰是引起亚洲夏季风年际气候异常的重要原因之一。     

印度洋热通量变化及其对南海夏季风爆发的影响

采用卫星遥感资料反演出的海洋大气参数,应用通量算法(CORAER3.0),计算出了印度洋区域海气热通量,据此,分析研究了该区域海气热通量的年、年际和年代际变化特征。进而分析探讨了该区域热通量变化与南海夏季风爆发之间的联系。结果表明,北印度洋的热通量具有明显的季节变化特征,在一年四季最大热通量基本发生在阿拉伯海和孟加拉湾,但其量值具有明显的差异。特别是在南海季风爆发前后,其量值显著增大,4月份之前,平均潜热通量维持在110—120W/m2之间,4月份开始增大为130W/m2,5月份突然增大超过160W/m2。这种增大过程可能是影响南海夏季风或南亚夏季风爆发的关键。由分析可知,南海夏季风的爆发与北印度洋的热通量变化存在显著的相关关系,且它们均具有显著的年代际变化周期为16a。当3年前的5月份北印度洋区域海气潜热通量出现偏大(小)时,南海夏季风爆发时间会出现偏晚(早)的趋势。另外,为了预测南海夏季风爆发时间,建立了一个简单的回归方程,用来预测2012年南海夏季风爆发时间。预测结果表明,2012年南海夏季风爆发时间将会出现偏晚1—2候的趋势。     

南海夏季风爆发时期的大气环流变化特征

利用美国国家环境预报中心和气象研究中心的42年模式再分析资料,采用合成分析的方法,考察了南海夏季风爆发时期环流季节变化的特征.研究发现:尽管采用不同指标确定的南海夏季风爆发时间在有的年份差别很大,但各种不同指标对应的南海夏季风爆发时期大气环流的变化具有某些共同的特征.通过对各种指标确定夏季风爆发时间一致年份的大气环流特征分析表明,延伸到南海北岸附近地区的海上锋区对流加热和孟加拉湾北部陆地上的对流加热、沿东亚近海向西太平洋推进的冷空气是控制南海夏季风爆发的主要因素.对南海夏季风爆发早与爆发晚的年份的合成环流特征进一步表明:爆发早的年份,影响东亚附近海区的冷空气势力和南海南部的对流活动相对强,而爆发晚的年份,冷空气和南海南部的对流活动的影响要相对弱的多.日本本岛南部黑潮海区因冷空气激发的对流活动对南海夏季风的爆发也有重要的影响.     

一次局地大暴雨的地面观测资料同化预报试验研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3DVAR(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36 km、12 km、4 km三层嵌套网格进行逐3 h资料同化和快速更新循环预报,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了资料同化敏感性试验。试验结果表明,地面观测资料同化和快速更新循环对本次降水的预报起到了关键性作用。在快速更新循环预报时不同化地面观测资料,或同化全部观测资料进行冷启动预报,模式均不能预报出山东的降水。同化地面观测资料后,显著改进了模式降水落区预报。地面观测资料同化可以影响到700 hPa高度以上温压湿风要素的变化,从而改变了大气初始场的温湿结构,导致模式预报的700 h Pa附近高空大气湿度和热力不稳定增强,700 hPa以下低层风场更强,850 h Pa鲁中以南风速较无观测资料同化的偏强2～4 m·s-1,低层风场的动力作用触发高空的不稳定大气,降水出现在山东。     

北大西洋秋季“三极子”海温结构对冬季大气环流场的影响

利用NCEP再分析资料、Hadley中心的海表面温度(SST)资料等,从北大西洋秋季海表面温度异常(SSTA)变化入手,对其影响后期冬季大气环流场的机制进行了分析。研究结果如下:(1)北大西洋SST异常与大气环流异常之间存在着相互作用;(2)秋季北大西洋SSTA具有较好的持续性,"正负正"海温异常空间分布导致12月巴伦支海上空500hPa位势高度异常偏高;(3)异常环流形势对应的海表面风异常场(SSWA)通过阶段性风-蒸发-SST异常反馈机制(WES机制)利于海温异常分布的持续及对上空异常大气环流的反馈;(4)三极子海温结构中负异常海温自10月份开始有自西向东的移动,风作用下蒸发加大,伴随上升运动自欧洲西部爱尔兰群岛出现自西向东移动的降水正异常区,潜热释放有利于冬季巴伦支海上空的异常高压脊发展。研究表明,北大西洋秋季SSTA通过阶段性海气相互作用机制影响海洋温度分布和大气环流异常,对后期冬季中国东北部的气候变化产生影响。     

遥感资料同化对海表温度预报的影响

本文将AMSR-E卫星微波遥感海表温资料运用到渤黄东海海表面温度短期数值预报模式当中.数值预报模式利用伴随方法实现了预报模式的初值场优化.微波遥感海表温资料与海表面温度短期数值预报模式有机结合后的试验结果表明:将预报结果和船舶报资料进行比对时,将遥感资料引入到数据同化的结果要明显优于仅同化船舶报资料的结果,且均方差大部...     

亚洲夏季风对偶极子型人为气溶胶排放变化的响应特征与机理

利用第六次国际耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6, CMIP6）中的两组子试验,结合线性斜压模式模拟的结果,研究了近年来亚洲内部出现的东亚减少、南亚增加的偶极子型人为气溶胶排放变化调控亚洲夏季风响应的特征及物理机制。对东亚夏季风而言,在考虑海洋-大气耦合作用的气候系统总响应中,东亚夏季风环流和降水显著地加强;在不考虑海洋调控作用的大气直接响应过程中,东亚人为气溶胶排放减少导致的陆地升温使得海陆温差增大,进而通过引起东亚陆地上的气旋式环流异常加强东亚夏季风环流和降水。对南亚夏季风而言,其在偶极子型人为气溶胶强迫下呈现出更为复杂的变化特征。在大气直接响应过程中,人为气溶胶强迫引起的海陆热力差异变化导致南亚夏季风环流减弱、降水减少。在考虑海洋-大气耦合过程的总响应中,南亚夏季风环流表现出微弱增强,同时印度次大陆的南亚夏季风降水也出现增多的异常变化。这表明,局地和海洋-大气动力耦合过程在区域气候对人为气溶胶强迫的响应中扮演着非常重要的角色。此外,通过线性斜压模式发现,东亚和南亚局地的人为气溶胶强迫导致的大气加热场异常不仅能影响局地的夏季风环流,还可以通过引起大范围的表面气压异常进而调控整个亚洲夏季风环流的变化。     

7月北极海冰与翌年1月大气环流及亚洲中、高纬地区气温趋势的关系

本文主要通过相关统计分析,研究了7月各海区海冰与同期上空500hPa高度场的关系及其与后期翌年1月北半球500hPa大气环流的联系,对翌年1月亚洲中高纬地区气温趋势的可能影响在此也作了讨论。结果表明:7月北极海冰与其同期上空500hPa高度存在着较好的负相关关系。其中,尤以Ⅰ、Ⅱ海区负相关关系更好。在北极各海区中,以7月第Ⅲ海区海冰与后期翌年1月北半球500hPa大气环流联系较为密切。主要表现为,7月Ⅱ海区海冰M指数高(即冰情重)时,翌年1月北欧低槽及东亚大槽偏弱,并多伴随着乌拉尔山阻塞形势的破坏过程。7月Ⅱ海区海冰M指数低(即冰情轻)时,翌年1月北欧低槽及东亚大槽偏强,多伴随着乌拉尔山阻塞形势的建立过程。7月Ⅱ海区冰情重时,亚洲中、高纬地区1月气温多偏低,反之多偏高。     

东南印度洋海温变化对我国东部夏季降水的影响

利用区域气候模式RegCM3对东南印度样海温变化对我国夏季降水的影响进行了模拟研究,结果表明:热带东南印度洋海温异常通过影响东亚大气环流和105°E附近越赤道气流,对南海夏季风爆发产生影响。热带东南印度洋海温异常对我国夏季降水影响显著,特别是长江中下游及黄淮地区的降水,与东南印度洋海温分别呈现出正相关及负相关的关系。