我国重大气候灾害的形成机理和预测理论研究

国家重点基础研究发展计划项目“我国重大气候灾害的形成机理和预测理论的研究”把20世纪80年代以来我国所发生的旱涝重大气候灾害作为项目研究的切入点,从气候系统各圈层的变化及其相互作用,特别是从气候系统中海—陆—气各子系统的变化和相互作用及其对我国重大气候灾害的影响机理入手,对我国重大气候灾害进行了深入分析研究,提出了与我国旱涝重大气候灾害形成机理有关的“东亚气候系统”新理论,指出这个系统的时空变化特征及其对我国旱涝等重大气候灾害发生的重要作用;从东亚季风—西太平洋暖池—ENSO循环相互作用及机理的研究,提出了热带西太平洋对热带太平洋ENSO循环的热力和动力作用以及与亚洲季风的相互作用过程,指出了ENSO循环的不同阶段对于东亚季风和我国气候异常的不同影响及其机理;提出了高原热力适应理论,应用此理论揭示了高原热力变化对南亚高压东西振荡影响的物理过程。在上述理论研究的基础上提出了ENSO循环的数值预测模式和我国跨季度和年度气候异常的数值预测系统,研制了新一代气候耦合数值模型中的大气环流数值模式。通过这两个预测系统的研制使我国对ENSO事件预测水平有了较大提高,并成功地预测了我国1998—2003年夏季所发生的严重旱涝气候灾害。此外,成功地进行了我国西北干旱区陆—气相互作用观测试验,获取了许多有关我国典型干旱区陆—气相互作用有价值的科学数据,并得到许多原创性的科学结果,为开发大西北提供了可靠的气候环境资料。本项目的完成不仅为今后开展我国重大气候灾害的发生规律、成因与预测研究奠定了坚实的理论和数值模型基础,而且对于国家旱涝气候灾害预测水平的提高,减轻气候灾害造成的经济损失具有重要的经济和社会效益。     

十年际大气环流及东亚季风气候异常成因研究

十年际大气环流及东亚季风气候异常成因研究国家自然科学基金资助项目“十年际大气环流及东亚季风气候异常成因研究”（编号：４９４７５２６５）经过三年努力,已于１９９７年１２月圆满完成预定计划目标,取得了以下研究成果：（１）首次提出用气象序列与自然数序列之间...     

影响我国短期气候异常的关键区：亚印太交汇区

围绕国家重点基础研究发展计划项目“亚印太交汇区海气相互作用及其对我国短期气候的影响”,介绍了“亚印太交汇区”（AIPO）的概念,从气候系统多圈层相互作用的角度,阐述了研究AIPO区海气相互作用的科学意义;在分析国内外海气相互作用影响气候研究发展动态的基础上,指出AIPO区是影响我国短期气候的关键区;研究AIPO区海气相互作用对我国短期气候的影响也是国民经济发展需要亟待解决的重要课题。介绍了项目拟研究的关键科学问题,指出该项目的最终研究目标为：揭示AIPO季节到年际尺度的海气相互作用特征,从而提出该关键区海气相互作用影响我国短期气候异常的理论框架,为改进东亚季风的季度—年际变化预测提供理论和方法。     

全球大气季节内振荡对长江流域持续暴雨影响的研究进展

在引证论述大气季节内振荡(ISO)对暴雨(强降水)重要作用的基础上,概括性地回顾影响长江流域持续暴雨的大气ISO基本特征及其形成机制的主要成果。重点针对全球热带内外不同时间尺度的大气ISO的空间变化和年际变化与长江流域持续暴雨之间联系的研究工作进行总结评述,较为完整地总结长江流域夏季降水季节内变化的气候特征和全球不同空间和时间尺度的ISO对东亚副热带地区持续暴雨影响的已有认识,并结合2个半球的ISO与长江流域持续暴雨关系的研究现状,对未来暴雨(强降水)与不同时尺度ISO相互作用及其在10～30 d延伸期预报中的应用中有价值的科学问题和研究热点进行探讨,以期强调南半球ISO变化在全球和东亚副热带气候系统中的重要地位,提高夏季长江流域持续暴雨10～30 d延伸期预报和旱涝气候预测准确率。     

大气准定常行星波异常传播及其在平流层影响东亚冬季气候中的作用

东亚季风区同时受世界上最广阔的大洋和陆地的影响,这种行星尺度的海陆热力对比以及青藏高原大地形的作用,从而产生很强的行星尺度扰动,并且这种扰动具有准定常的性质。利用再分析资料研究了准定常行星波活动的变化对东亚地区冬季气候异常的影响,主要侧重于年际和季节内时间尺度上的变化。在年际时间尺度上,冬季行星波两支波导的变化存在反相关的振荡关系,这种年际振荡一方面影响了北半球环状模的位相,另外一方面导致了东亚地区的气候异常。当有异常强的低纬波导时,一般对应有西伯利亚高压的减弱和我国东北、华北地区的增温;反之当有异常弱的低纬波导时,我国东北和华北温度则普遍偏低。研究还表明,行星波传播的年际振荡与东亚地区气候异常的关系显著地受到热带平流层准两年周期振荡（QBO）的调制,只是当QBO处于东风位相时,行星波传播的年际振荡才与东亚气候异常有显著的关系。在季节内时间尺度上,准定常行星波的变化与平流层极涡的低频变化密切相关,并且这种平流层极涡的异常通过和行星波的相互作用,可以自上而下影响到对流层的短期气候;平流层极涡异常下传对对流层大气环流有明显的影响,并且这种影响在东亚地区非常显著。由于平流层变化通常维持时间长,并且平流层极涡异常下传领先于对流层,因此这为东亚冬季短期气候异常的预报提供了一个新的预报依据。     

东亚季风区近地面大气气溶胶中OCPs和PCBs纬度分布：以7Be为参照系

连续一年在北京、青岛、广州以每周3d的时间尺度同步采集近地面大气中气溶胶中7Be的测定数据以及在春、秋季节变换时期我国5个不同纬度城市大气气溶胶中7Be和典型持久性有机污染物（有机氯农药和多氯联苯1的同步观测数据,并对文献上发表的我国其他城市近地面大气中气溶胶中’Be年平均值数据进行了分析。通过对以上数据资料的总结和分析,观察到在东亚季风区近地表大气气溶胶中7Be浓度的年平均值呈现正态分布模式,并且在中纬度北纬40°N附近达到极大值。大气气溶胶中7Be在春、秋季节变换时期我国不同纬度城市的瞬时纬度分布仍呈现正态分布模式,但以30°N为最大值。在秋季大气颗粒相中HCHs和PCBs浓度最大值出现在30°N。气相中PCB-28所占百分比随纬度增高而增大,而颗粒相中PCB-28的纬度变化不大。蒸汽压较低的PCB-180在气相中的浓度基本上不随纬度变化,而颗粒相中PCB-180则基本上集中在纬度36。N左右,表明在东亚季风区大气中挥发性较低的POPs化合物具有某种纬度聚焦作用。以宇宙射线成因核素7Be作为大气环流的参照系,可以得出东亚季风区大气环流可影响持久性有机污染物纬度分布的结论。     

东亚水循环中水稳定同位素的GCM模拟和相互比较

利用引入稳定同位素循环的ECHAM4、GISS E和HadCM3模式的模拟,对东亚降水中年平均δD和过量氘d的空间分布以及大气水线（MWL）进行了分析.根据模拟的空间分布,降水同位素在很大程度上反映不同气团的地理背景以及它们之间的相互作用,模拟结果很好地再现了由GNIP实测资料得到的降水稳定同位素的纬度效应、大陆效应和...     

RegCM3在青藏高原地区的应用研究:积云参数化方案的敏感性

为检验区域气候模式RegCM3在青藏高原地区的模拟能力,选择青藏高原地区的两个气候异常年(1997年少雨年和1998年多雨年)进行模拟,选取夏季(6-8月)分析RegCM3对青藏高原地区气候异常的模拟能力;积云参数化方案敏感性研究分别对1997年和1998年夏季选取不同的积云参数化方案进行对比分析.结果显示:RegCM3能够模拟出青藏高原1997年少雨年和1998年的多雨年气温基本特征,但在地形起伏较大地区模拟的温度偏低,对降水基本特征的模拟欠佳;两种积云参数化方案中,与Grell方案对比,Anthes-Kuo方案中总降水量的数量模拟更接近观测,但就温度和降水模拟的相关性上,Grell方案优于Anthes-Kuo方案.将RegCM3应用于青藏高原地区进行气候模拟时,选择Grell积云参数化方案比Anthes-Kuo方案更为适宜.     

晚白垩世(80Ma)CO2浓度对东亚气候影响的数值模拟

利用美国国家大气研究中心(NCAR)的CCSM2.0全球气候系统模式,并结合重建的古地理资料,研究了晚白垩世(80Ma)东亚气候特征以及CO₂浓度变化对东亚气候的影响。模拟结果表明： 与现代气候比较,晚白垩纪时期的东亚大陆冬季风和夏季风都偏强,具有同步变化的特点,并且中高纬度年平均地表气温明显增加,而低纬度地区有所下降,年降水变化的区域性特征明显; 就年平均而言,在 30°～40°N 的内陆地区地面净失去水分、变干燥,而在低纬度、大陆东岸以及高纬度地区,地表获得水分、变湿润。晚白垩纪CO₂浓度变化对大气辐射和大气热状况的影响是复杂的; 降低CO₂浓度可以导致东亚地区气候显著变化,冬季东亚中纬度地区大陆降温比其附近的海洋大,太平洋中高纬度的低压系统加强,因而造成东亚冬季风偏强; 而在夏季,中纬度大陆地区降温幅度大于海洋,西太平洋副热带高压减弱,因而夏季风减弱。对应于较低的CO₂浓度,年降水量在东亚及其沿岸的中、低纬度大部分地区显著减少,在东亚高纬度的大陆和海洋上降水的减少幅度不大,而在 30°N 附近亚洲大陆中部和东部的一些地区降水有所增加; 总体上,地表水分收支在东亚大陆的东部都是以负值为主,地面净失去水分、变干燥,其中 30°N 以南的大陆沿岸最显著; 而在东亚大陆的内陆地区,水分收支差异以0～0.5mm/天的正值为主,东亚大陆的东部是以地面净得到水分、变潮湿为主。     

东亚干旱半干旱区水汽来源研究进展

气候增暖背景下,东亚干旱半干旱区降水发生了显著变化,水汽输送变化对该区域降水异常具有重要作用。回顾和梳理了近年来关于东亚干旱半干旱区的水汽来源的研究,重点关注外部水汽输送来源、季节差异以及局地蒸散发变化,讨论并展望了未来研究方向。现有研究表明,来自孟加拉湾—印度洋、南海、西太平洋和欧亚大陆陆地蒸散发的水汽分别通过南亚季风、南海季风、副热带季风和中纬度西风带传输至东亚干旱半干旱区,夏季以来自南海和西太平洋的水汽占主导,冬季基本取决于西风所携带的水汽含量。1979年以来,东亚干旱半干旱区年降水再循环率均呈现增加趋势,季节尺度夏季的再循环率高于冬季。未来主导东亚干旱半干旱区水汽输送特别是夏季水汽输送进而影响降水的源地以及路径需要进一步验证,量化外部输入水汽和内部蒸散发水汽相对贡献的研究或将成为未来研究热点,全球变暖背景下降水水汽来源变化仍需进行更为深入的研究探讨。     

台湾东北部海域海表温度季节与年际异常及其对历史气候重建的启示

SST（海洋表层温度,sea surface temperature）的季节与年际异常对于认识现代全球变暖、重建历史时期气候变化以及探讨气候变化机制具有重要意义,而台湾东北部海域SST季节与年际异常的研究却相对较少.为更好地理解现代全球变暖和历史气候变化,利用NOAA的全球海表温度最优插值资料、Hadley中心的全球海表温度数据以及MEI逐月指数,分析了现代全球变暖背景下台湾东北部海域SST季节与年际异常及其控制因素.季节尺度上,受东亚冬季风的影响,研究海区的冬季SST变化比夏季更为剧烈,冬季SST控制着该海域年均SST和SST季节性的变化.现代器测和古气候记录表明该现象在年际-百年尺度上可能一直存在.年际尺度上,SST异常与MEI指数存在显著的8个月滞后相关性,ENSO（厄尔尼诺—南方涛动,El Ni?o-Southern Oscillation）事件通过东亚冬季风来影响研究海域的SST变化.在历史气候重建中区分气候变化的多尺度性和替代指标的季节性、认识历史气候对ENSO及东亚冬季风的响应特征和机制,这将有助于进一步理解现代全球气候变暖的原因.      

青藏高原气候系统变化及其对东亚区域的影响与机制研究进展

青藏高原地区特殊的大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈等多圈层相互作用过程及其变化,不仅对青藏高原及其周边地区的气候格局和变化有重要影响,而且对东亚、北半球乃至全球的环流形势和异常产生深远影响。为此,全球变化研究重大科学研究计划于2010年9月启动了"青藏高原气候系统变化及其对东亚区域的影响与机制研究"项目,旨在开展青藏高原环境、地表过程、生态系统对全球变化的响应及其对周边地区人类生存环境影响的综合交叉研究,以揭示青藏高原气候系统变化及其对东亚区域的影响机制,提出前瞻性的应对气候变化与异常的策略,减少其导致的区域自然灾害的损失。项目实施近3年来,开展了青藏高原首次"星—机—地"综合立体协同观测试验和大规模地气相互作用综合观测试验。在遥感结合地面观测估算青藏高原地表特征参数和能量通量方法,高原地区上对流层和下平流层结构,高原季风与东亚季风和南亚季风之间的内在联系,中国及青藏高原地区太阳辐射和风速的年代际变化趋势,青藏高原春季感热源减弱及其对亚洲夏季风和中国东部降水的影响,以及极高海拔地区土地覆被格局等方面取得了一些突出进展。     

东亚夏季风水汽输送带及其对中国大暴雨与洪涝灾害的影响

东亚夏季风每年给中国东部地区带来充沛的降水，是中国水资源的主要来源，同时也常常给中国造成严重的洪涝灾害。东亚夏季风水汽输送的强度、影响范围和持续性在极端暴雨过程中起着关键的作用。这支夏季风气流的水汽输送带可称为东亚季风水汽输送带，与国际上近期提出的"大气河"概念相近，但又不完全相同。东亚夏季风水汽输送带是东亚夏季风最具地区性的特征，也是东亚地区夏季大暴雨和洪涝的制造者。本文根据近百年来的资料，综合评述了东亚夏季风水汽输送带的特征和形成原因，并以海河、黄河、淮河与长江近百年最强的5次持续大暴雨过程为例，分析了季风水汽输送带的重要作用。最后，提出气候变暖可以通过4个方面影响全球水循环，包括气候变暖后大气可容纳更多的水汽、大气环流发生变化、辐射强迫改变以及气溶胶影响的区域性等，这些变化都会对季风水汽输送带产生重要影响。     

东亚夏季风水汽输送带及其对中国大暴雨与洪涝灾害的影响

东亚夏季风每年给中国东部地区带来充沛的降水，是中国水资源的主要来源，同时也常常给中国造成严重的洪涝灾害。东亚夏季风水汽输送的强度、影响范围和持续性在极端暴雨过程中起着关键的作用。这支夏季风气流的水汽输送带可称为东亚季风水汽输送带，与国际上近期提出的"大气河"概念相近，但又不完全相同。东亚夏季风水汽输送带是东亚夏季风最具地区性的特征，也是东亚地区夏季大暴雨和洪涝的制造者。本文根据近百年来的资料，综合评述了东亚夏季风水汽输送带的特征和形成原因，并以海河、黄河、淮河与长江近百年最强的5次持续大暴雨过程为例，分析了季风水汽输送带的重要作用。最后，提出气候变暖可以通过4个方面影响全球水循环，包括气候变暖后大气可容纳更多的水汽、大气环流发生变化、辐射强迫改变以及气溶胶影响的区域性等，这些变化都会对季风水汽输送带产生重要影响。     

East Asian monsoon instability at the stage 5a/4 transition

The physics involved in the abrupt climate changes of the late Quaternary have eluded paleoclimatologists for many years. More paleoclimatic records characteristic of different elements of the global climate system are needed for better understanding of the cause-feedback relationships in the system. The East Asian monsoon is an important part of the global climate system and the mechanical links between the East Asian monsoon and other climatic elements around the world may hold a key to our knowledge of abrupt climate changes in East Asia and probably over a larger part of the globe. Previous studies have detected millennial-scale winter monsoon oscillations during the last glaciation and probably also during the last interglaciation in loess sequences across China. However, less attention has been paid to the abrupt summer monsoon changes and the stage 5a/ 4 transition, an important period for the evolution of the East Asian monsoon when the global climate shifted towards the last glaciation. Here we report on two loess sections from eastern China which were dated using a thermoluminescence (TL) technique. The pedogenic and other sediment parameters suggest that the summer monsoon experienced a two-step abrupt retreat at the stage 5a/4 transition. The variations in the proxies for the winter monsoon are synchronized with the summer monsoon proxies during this brief interval, implying a direct and immediate link between high latitude and low latitude mechanisms. These changes may be correlated with similar climatic oscillations observed in the North Atlantic, Europe and Antarctica, raising the possibility that the forcing factors that induced these changes are global in extent.     

Reconstruction of millennial-scale variations in the East Asian summer monsoon over the past 300 ka based on the total carbon content of sediment from Lake Biwa,Japan

The total carbon content analysis for Takashima-oki core extracted from Lake Biwa with time resolutions of approximately 150 years was used to reconstruct millennial-scale climate change in the East Asian monsoon region over the past 300 ka. The total carbon content of the Takashima-oki core is an indirect proxy for the East Asian summer monsoon, because the total carbon content reflects primary productivity within the lake, which is controlled by precipitation in the catchment area. Using these data, we clarify temporal variations in the East Asian summer monsoon prior to MIS 5, which were previously unresolved. The observed variations show a ∼1,500-year cycle that is also recorded by paleoclimate indices in the North Atlantic region. We propose that the East Asian summer monsoon underwent abrupt millennium-scale changes during interglacial stages such as MIS 5 and 7.     

Major changes in East Asian climate in the mid-Pliocene: Triggered by the uplift of the Tibetan Plateau or global cooling?

Since the mid-Pliocene, East Asian climates have experienced significant changes. One view suggests that significant uplift of the Tibetan Plateau during this period could have been responsible for these dramatic changes in the strength of the East Asian monsoon and for Asian interior aridification, while some other authors attribute these changes to the ongoing global cooling and rapid growth of the Arctic ice-sheet. Up to the present, which factor dominates the major changes of East Asian climate in the mid-Pliocene is still a contentious issue. This study presents an analysis of several climate proxies including grain-size, (CaO^* + Na₂O + MgO)/TiO₂ ratio, Na/Ka ratio and dust accumulation rates of the Xifeng Red Clay sequence in the eastern Chinese Loess Plateau and the Xihe Pliocene loess-soil sequence in West Qinling. They reveal that aridity in the continental interior and winter monsoon circulation both intensified, whereas the East Asian summer monsoon showed a weakening rather than intensifying trend since the mid-Pliocene. These changes are also supported by the other multi-proxy records from various regions in East Asia. Previous numerical modeling studies have demonstrated that uplift of the Tibetan Plateau would have simultaneously enhanced continental-scale summer and winter monsoon strength as well as central Asian aridity. The mid-Pliocene climate changes in East Asia are therefore unlikely to be a response to Plateau uplift. On the contrary, our recent modeling results give support to the view that ongoing cooling could have intensified both the aridity of the interior and the strength of the winter monsoon, but weakened the summer monsoon in East Asia.     

末次冰期东亚季风快速波动的模式与成因

通过对位于东亚季风区中东部与西部边缘的两个高分辨率黄土剖面记录的对比研究，发现它们不仅捕捉到了20个Dansgaard Oeschger事件与6个Heinrich事件，而且黄土记录与GRIP冰芯记录的这些快速气候波动基本上是同步的。暗示在整个末次冰期，东亚季风气候同样存在千年—百年尺度上的快速波动。所不同的是，西面的沙沟剖面对这些快速气候波动的反应比东面的王官剖面敏感。结合末次冰期中国黄土记录的先前研究结果，我们发现，自西向东Dansgaard Oeschger旋回的幅度逐渐变小，推测这主要是由西风与东亚夏季风共同作用所造成的。     

Intensification of the East Asian Monsoon in Southern China at about 300–400 kaBP Inferred from Eolian Deposits in the Middle-lower Reaches of the Yangtze River

In the East Asian monsoon region,eolian deposits widely distributed in the middle-lower reaches of the Yantgze River are among the best materials available for studies on Quaternary climate change in the subtropical zone of Southern China.Typical eolian deposits in this region include upper Xiashu Loess(XL) and underlying Vermiculated Red Soil(VRS) layers.In this paper,chronological and paleoclimatic studies are conducted on an eolian deposit sequence near Jiujiang(JJ) city in northern Jiangxi province.A magnetostratigraphic study,combined with optically stimulated luminescence(OSL) dating,is conducted on the JJ section and provides further evidence that eolian deposits in the middle-lower reaches of the Yangtze River have been formed since the late Early Pleistocene,and that the boundary age between the XL and VRS layers is about 300-400 kaBP.In grain-size records of the JJ section,the median grain-size and content of the 30 μm size fraction increase sharply after 300-400 kaBP,representing an East Asian winter monsoon intensification event.Further pollen analysis reveals differing pollen assemblages before and after 300-400 kaBP:there is an evident increase in plants adapted to grow in a warm humid environment after 300-400 kaBP,implying an increase in precipitation caused by intensification of the East Asian summer monsoon.Global ice volume and uplift of the Tibet Plateau(TP) are regarded as crucial factors influencing variations of the East Asian monsoon on a long-term scale.The deep-sea δ~(18)O record,which reflects variations in global ice volume,shows no obvious change after 300-400 kaBP.Moreover,the influence of global ice volume changes on the East Asian summer and winter monsoons is inverse;the global ice volume increase(decrease) implies a strengthened(weakened) winter monsoon and weakened(strengthened) summer monsoon.We therefore interpret the coupled intensifications of the East Asian summer and winter monsoons at about 300-400 kaBP to the uplift of the TP in the Middle Pleistocene.This climate event is also documented in eolian deposits from the southern margin of the Chinese Loess Plateau(CLP) and from the desert-loess transitional belt.However,it is not recorded in the loess-paleosol sequences from the central part of the CLP,thereby indicating differing climate responses to TP uplift in different regions,which requires further study.     

轨道尺度亚洲气候演化机理的数值模拟:历史与展望

轨道尺度亚洲气候演化是古气候热点问题之一,其变化过程和机理对理解当前全球变暖下亚洲气候变化具有重要参考意义。最近几十年,基于黄土、石笋、湖泊等载体的轨道尺度亚洲气候重建研究获得显著进展,气候演化历史的基本框架已被构建,不同区域和指标记录之间的差异暗示了气候演化机理的复杂性。数值模拟作为研究气候动力学的重要工具之一,在轨道尺度亚洲气候变化中也得到广泛应用和快速发展。基于此,本文尝试对最近十数年轨道尺度亚洲气候演化机理的数值模拟研究做一简单总结和梳理。目前的数值模拟尚未对地质记录给出的各种变化特征、区域差异等现象,尤其是东亚夏季风的黄土和石笋差异、季风和干旱气候的耦合关系等,给出合理解释。因此,在未来工作中亟须涵盖多轨道旋回的高分辨率瞬变试验,结合良好定年的重建记录,以期对轨道尺度亚洲气候变化机理获得更深入完整的认识。