热带太平洋外海气耦合作用对东亚夏季风年代际变化的可能影响

利用1950—2000年逐月观测的热带太平洋海表温度分别驱动NCAR CCM3全球大气环流模式以及该模式耦合SOM(Slab Ocean Model)混合层海洋模式进行长时间积分试验,将两组试验结果相减来研究热带太平洋外海气耦合作用对20世纪70年代中后期东亚夏季风年代际变化的可能影响.模拟结果表明:热带太平洋外的海气耦合作用使得孟加拉湾、南海附近存在反气旋环流异常,导致我国东部存在偏南风异常,从而引起东亚夏季风年代际增强.其中热带印度洋的年代际增暖对东亚夏季风年代际增强有一定影响.     

简单热带海气耦合模型中不同扰动形式的作用

在局地热平衡情况下,将物理量先用韦伯函数展开,然后去掉相应分量的滤波方 法,讨论了简单热带海气耦合模型中不同形式扰动的作用和贡献,结果表明,在热带海气耦合 系统中,大气准定常 Ｒｏｓｓｂｙ波和海洋 Ｒｏｓｓｂｙ波对于耦合系统贡献较大,它们决定着耦合系统 与耦合扰动的性质,而大气准定常Ｋｅｌｖｉｎ波和海洋Ｋｅｌｖｉｎ波对于耦合系统贡献相对较小．     

Hadley环流的年际和年代际变化特征及其与热带海温的关系

利用NCEP/NCAR再分析风场资料和NOAA海表温度(SST)资料,分析了冬、夏季Hadley环流的变化特征及其与热带海温在年际、年代际尺度上的关系. 结果表明,冬季北半球Hadley环流强度具有明显的年际和年代际变化,同时还呈现出明显的增强趋势. 伴随着Hadley环流的加强,环流中心位置南移,高度上升;夏季南半球Hadley环流变化主要表现为强、弱、强的年代际振动,没有明显的线性趋势. 研究还显示冬季Hadley环流与Nino3区SST正相关,这种相关性具有年代际变化特征. 年际尺度上,冬季北半球Hadley环流与Nino3区SST正相关;夏季南半球Hadley环流与Nino3区SST负相关,即当赤道中东太平洋SST异常偏暖(冷)时,冬、夏季Hadley环流变强(弱).     

简单热带海气耦合模型中不同扰动形式的作用

在局地热平衡情况下,将物理量先用韦伯函数展开,然后去掉相应分量的滤波方 法,讨论了简单热带海气耦合模型中不同形式扰动的作用和贡献,结果表明,在热带海气耦合 系统中,大气准定常 Ｒｏｓｓｂｙ波和海洋 Ｒｏｓｓｂｙ波对于耦合系统贡献较大,它们决定着耦合系统 与耦合扰动的性质,而大气准定常Ｋｅｌｖｉｎ波和海洋Ｋｅｌｖｉｎ波对于耦合系统贡献相对较小．     

青藏高原热状况和海温异常对亚洲季风季节转换年际变化的影响

本文根据季节转换前后副高脊面附近经向温度梯度变号的本质,利用相关分析和合成分析等方法研究了季节转换年际变化与外部影响因子的联系. 结果表明,冬春季青藏高原热状况和ENSO（El Nio/Southern Oscillation,厄尔尼诺/南方涛动）是决定亚洲季风区季节转换年际变化的主要因素. 当冬、春季海温呈现El Nio异常时,Walker环流减弱,于是西太平洋暖池区对流活动受到抑制,而赤道东太平洋对流活动加强则强迫赤道印度洋地区产生绝热下沉运动,使得印度洋地区大气偏暖,结果增大了南北向温度梯度,季节转换往往偏晚. 反之,季节转换偏早. 初春高原上空对流层中高层的气温异常对于判断季节转换迟早有很好的指示意义.     

影响东北初夏和盛夏降水年际变化的环流特征分析

东北地区是我国主要的粮食生产基地,而夏季是东北农作物的主要生长季,也是降水集中的季节,降水量的多少及其分布是影响东北地区粮食产量的重要因素之一.本文利用中国东北地区79个台站观测的月平均降水资料和ECMWF再分析资料,通过相关分析和回归分析,讨论了影响东北地区夏季5~8月降水年际变化的大尺度环流特征.结果发现：东北地区降水年际变化对应的环流异常在5,6月（初夏）和7,8月（盛夏）具有明显不同的特征;初夏降水异常以冷涡活动的影响为主,而盛夏则以东亚夏季风的影响为主.初夏,东北地区降水偏多年,东北地区西北部出现随高度向西倾斜的异常气旋性环流,东北地区冷涡活动频繁.盛夏,东北地区降水异常主要受到局地对流层高层东亚高空西风急流北移以及低层的西太平洋副热带高压西伸北进的影响.随着西太平洋副热带高压西北侧西南风异常的加强,向北输送到东北地区的水汽显著增多,东北地区盛夏降水偏多.此外,与7月份相比,8月东北降水除了受到夏季风的影响以外,还受到中高纬度东北亚阻塞高压的影响.     

El Nino演变不同阶段东亚大气环流年际异常型的数值模拟

给定1948～1999年逐月变化的全球观测的海表温度分布，使用全球大气环流模式（CCM3/NCAR）模拟了大气对海表温度变化的响应，利用SVD和合成检验方法，分析了El Nino发展阶段夏季、成熟阶段冬季以及衰亡阶段夏季东亚大气环流的年际异常型.结果表明：El Nino发展阶段夏季，中国东北、朝鲜半岛以及日本海附近为高度负异常中心，西太平洋副高偏弱、偏东，东亚夏季风增强；El Nino成熟阶段冬季，东亚大槽加强，东亚北部冬季风加强；El Nino衰亡阶段夏季，西太平洋副高偏强、偏南、西伸，东亚夏季风减弱；El Nino事件在其衰亡阶段夏季与东亚大气环流异常的关系最紧密，其次是成熟阶段冬季，最后是发展阶段夏季.模拟的El Nino演变不同阶段东亚大气环流年际异常型易于解释以往研究中观测分析揭示的由El Nino造成的我国东部气温和降水异常型.     

厄尔尼诺对东亚大气环流和中国降水年际变异的影响:西北太平洋异常反气旋的作用

就有关厄尔尼诺通过西北太平洋异常反气旋影响东亚大气环流和中国降水年际变异的研究进展作了系统回顾,说明了与厄尔尼诺相关联的西北太平洋异常反气旋的形成机理以及对东亚大气环流和中国降水影响的物理过程.厄尔尼诺盛期时,热带西太平洋对流异常减弱造成的冷却异常,激发出大气Rossby波响应,导致了西北太平洋异常反气旋的产生.而热带西太平洋对流异常冷却的持续、西北太平洋局地海气相互作用以及热带印度洋和大西洋海温异常的持续等多种因子,导致了西北太平洋异常反气旋从厄尔尼诺盛期时的冬季持续到次年夏季.西北太平洋异常反气旋不仅对中国降水产生同期影响,也对厄尔尼诺次年夏季的中国降水产生滞后影响,导致中国南方降水异常偏多.本文也指出东亚大气环流和中国降水在拉尼娜冬半年不存在与厄尔尼诺相反的显著异常,说明了厄尔尼诺和拉尼娜对冬半年东亚大气环流和中国降水具有不对称影响.文中还讨论了厄尔尼诺的多样性及其影响、影响西北太平洋异常反气旋持续性的各因子与中国夏季降水异常的联系,并提出了一些需要进一步研究的问题.     

同一孕震模式中不同的水位变化形态

基于应力场与含水层井水位的关系，以DD模式为例，用数值模拟的方法讨论了同一孕震模式下不同地震的井水位变化。研究表明，同一孕震模式下水位存在不同的前兆现象，这些前兆现象水位变化形态与观测井相对于孕震区的不同位置有密切关系。本文同时给出了DD模式下不同地点的水位前兆化特征。     

地球系统模式CESM1-BGC模拟的西北太平洋海气CO_2通量随季节演变的年际变率主导模态

海气CO_2通量的年际变率是气候学界关注的一个前沿问题.本文基于地球系统模式CESM1-BGC,采用季节依赖的经验正交函数分解(S-EOF)分析方法,研究了热带西北太平洋(0°~35°N,110°E~150°E)海气CO_2通量随季节演变的年际变率主导模态.结果表明,该年际主导模态对应厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)从发展到衰减的演变过程.在El Nio发展年的夏季和秋季,海水CO_2分压的贡献略大于交换系数的贡献(即风速的贡献),两者共同作用使得西北太平洋吸收的CO_2增多.在El Nio成熟位相的冬季,西北太平洋异常反气旋建立,其西北侧的异常西南风使得中国东南沿海及附近海域的风速减弱,从而降低交换系数,导致中国东南沿海及附近海域吸收的CO_2减少.随后的次年春季,西太平洋异常反气旋继续维持,但位置东移,西南风的异常减小了风蒸发进而增加了中国近海海水温度,从而引起海水CO_2分压增大,使得中国近海海域吸收的CO_2减少,这一影响超过了交换系数减少所带来的影响.     

秋季北极海冰与欧亚冬季气温在年代际和年际尺度上的不同联系

北极海冰的急剧消融在近年来欧亚大陆频发的低温事件中扮演着关键角色.秋季北极海冰的偏少对应着冬季欧亚大陆的低温天气,然而二者的联系在年代际和年际两种时间尺度上存在显著区别.本文运用1979—2012年哈德莱中心第一套海冰覆盖率(HadISST1)、欧洲中心(ERA_Interim)的2 m温度、风场、海平面气压场、高度场等资料,分别研究了年代际和年际时间尺度上前期秋季北极海冰与欧亚冬季气温的联系.结果表明,欧亚和北极地区(0°—160°E,15°N—90°N)的冬季气温具有显著的年代际和年际变化.在年代际尺度上,温度异常分布在21世纪初由北极冷-大陆暖转为北极暖-大陆冷.这一年代际转折与前期秋季整个北极地区的海冰年代际减少联系密切.秋季北极全区海冰年代际偏少对应冬季欧亚大陆中高纬地区的高压异常,有利于北大西洋的暖湿气流北上和北极的冷空气南侵,造成北极暖-大陆冷的温度分布;在年际时间尺度上,温度异常分布主要由第一模态的年际变化部分和第二模态组成,且第一模态包含的年际变率信号也存在显著的年代际变化.年际尺度上全区北极海冰对欧亚冬季气温的影响远不及位于北冰洋西南边缘的巴伦支海、喀拉海和拉普捷夫海西部(30°E—120°E,75°N—85°N)的关键区海冰影响显著.关键区内海冰的偏少会引发冬季的北大西洋涛动负位相,导致北大西洋吹往欧亚大陆的暖湿气流减弱和欧亚大陆中高纬地区的气温偏低.     

南极涛动的年际变化及其对东亚冬春季气候的影响

研究了南极涛动的年际变化及其对冬春两季东亚气候的影响, 结果表明, 南极涛动强年不利于东亚冬春两季冷空气的活动. 通过平均经圈环流分析发现, 在南极涛动异常年有从南极到北极分布的经向遥相关, 并且该遥相关具有正压的结构. 此遥相关冬季在欧亚地区显著, 春季在太平洋地区显著. 研究还表明, 南半球高纬的平均纬圈西风, 在冬季与欧亚西风有显著的正相关关系, 因而在一定程度上证实了冬季经向遥相关的存在; 在春季, 则与太平洋北美型遥相关有显著的反相关关系. 因此, 局地经向遥相关是冬、春两季中南北半球中高纬大气环流相互作用的一个可能途径.     

20世纪温度变化中自然变率和人为因素的影响:基于耦合气候模式的归因模拟

本文基于中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学国家重点实验室(LASG/IAP)发展的气候系统模式FGOALS_gl对近百年气温变化的模拟,讨论了自然变率和人为因素对20世纪全球变暖的相对贡献.数值试验结果表明,在自然和人为因子的共同强迫作用下,耦合模式能够合理再现20世纪全球平均气温随时间的演变;仅在自然因子作用下,模式不能再现1970年以后的全球变暖.自然因素对20世纪第一次变暖的作用是显著的,但温室气体是20世纪后期变暖的主要原因.在这一定性结论基础上,进一步对近百年变化中自然和人为因素的相对贡献做定量的归因分析,结果表明,除赤道中东太平洋和北大西洋外,人为因素对近百年的增暖起决定性作用.对全球、半球及大陆尺度而言,外强迫可以解释平均气温变化的70%以上,而内部变率贡献较小;但对于区域尺度而言,多数地区内部变率的贡献大于外强迫,区域尺度气温变化的机制较全球、半球尺度要复杂.对中国地区而言,20世纪早期的气温变化受自然变率影响,但20世纪后期的变暖主要是温室气体增加的结果.中国东部气温变化的空间分布表明,自然因素对近50年及近百年中国地区的变暖趋势贡献较小.在自然和人为因子共同作用下,模式能够再现近50年中国东部气温变化冬春两季增暖的特征、但没有模拟出夏季长江中下游地区及淮河流域的降温趋势;自然因子试验的结果表明,太阳活动对该区域的变冷有贡献,但模式无法再现该地区气温的季节变化特征.     

影响中国北方强降雪事件年际变化的典型环流背景和水汽收支特征分析

基于1961-2014年中国台站观测资料和NECP/NCAR再分析资料,对影响中国北方强降雪事件（日降雪量5 mm及以上,包括大到暴雪）年际变化的典型大尺度环流特征和水汽条件进行了综合分析.结果表明：中国北方强降雪事件主要集中在新疆北部和东北两个地区,而且强降雪日数和降雪量具有高度一致的年际变化特征.中国北方强降雪事件偏多时,对应北大西洋涛动（NAO）和北极涛动（AO）负位相;贝加尔湖上空维持异常低槽区,有利于冷空气的爆发南下;热带印度洋至热带西太平洋上空维持一条异常反气旋带,有利于暖湿气流向北输送;中国北方及以北区域高空为异常西风气流,提供有利的动力抬升条件,使得强降雪易于在中国北方发生;反之亦然.水汽收支分析显示,中国北方西边界和南边界水汽入流增强在强降雪偏多中起着主要贡献.异常西风水汽输送利于新疆北部大到暴雪偏多,异常西南风水汽输送则利于东北地区大到暴雪的发生.进一步研究揭示：与小雪相比,影响中国北方大到暴雪年际偏多的中高纬环流特征相类似,但环流经向度更大;而且大到暴雪与NAO和AO的关系更密切,并更多的受到来自中低纬地区的水汽输送影响.

     

索马里急流的年际变化及其对半球间水汽输送和东亚夏季降水的影响

利用美国国家环境预报中心和美国国家大气科学研究中 心（NCEP/NCAR）再分析月平均气候资料以及Xie和Arkin分析的月平均降水资料（1968～199 8年），针对索马里低空急流（SMJ）的年际变化及其对东亚夏季降水的影响问题展开了分析 研究. 结果揭示，SMJ作为最主要的越赤道气流，对两个半球间水汽输送起最关键的作用， 它把水汽从冬半球输送到夏半球. 夏季SMJ的年际变化有全球范围内的环流异常与之相联系 ，特别是东亚沿岸的波列状异常分布、南亚高压以及澳大利亚以南的偶极型异常分布；它 也同春季的北印度洋等海区的海温异常有密切关系. 研究还表明，春季SMJ的年际变化对东 亚夏季降水和大气环流有显著影响，由于SMJ影响的超前性，因此它在东亚夏季气候预测上 有重要意义.     

北极海冰与夏季欧亚遥相关型年际变化的联系及对我国夏季降水的影响

本文利用NCEP/NCAR等再分析资料和CAM3.1数值模式研究了夏季欧亚中高纬遥相关型年际变率与前期春季北极海冰变化的联系及其对我国夏季降水影响的可能机制.结果表明,夏季北大西洋-欧亚中高纬地区500 hPa位势高度场自然正交分解第二模态表现为"-+-+"遥相关波列,其中格陵兰岛-北大西洋和乌拉尔山地区为异常高空槽区所控制,而欧洲和贝加尔湖附近地区则为异常高压脊区,这种波列分布与欧亚中高纬EU型遥相关型十分类似.当遥相关波列为"-+-+"（"+-+-"）型分布时,前期春季巴伦支海北部和巴芬湾一带海冰偏少（多）,同期夏季巴伦支海北部一带海冰亦持续偏少（多）,同时在我国东北北部地区、长江和黄河之间地区降水明显偏少（多）.深入分析发现,巴伦支海北部和巴芬湾一带海冰偏少后,由于该地区湍流热通量明显偏强,在动力过程影响方面会形成异常Rossby波源,准定常Rossby波活动通量将向东亚地区传播,使得夏季欧亚中高纬"-+-+"遥相关波列出现.另外,海冰异常偏少后,在热动力过程影响方面,4-5月欧亚中高纬乌拉尔山-贝加尔湖以北地区积雪会出现"西少东多"偶极子型异常分布,其通过影响后期土壤湿度及下垫面热通量异常,也有利于夏季欧亚中高纬遥相关波列的维持.伴随着欧亚中高纬"-+-+"遥相关波列的出现,乌山阻塞高压偏弱,东亚槽偏浅,且亚洲副热带急流随之加强,贝加尔湖以北的副极地地区出现西风异常,东亚副热带急流北侧出现东风异常,贝加尔湖以南地区为异常反气旋控制,南下冷空气活动减弱.受到上述环流形势影响,我国东北北部地区、黄河和长江之间地区降水明显偏少.当巴伦支海北部和巴芬湾区域海冰偏多时,结论则反之.最后,基于春季海冰指数和晚春偶极子型积雪指数,我们建立了江淮流域夏季降水的预测模型,回报结果表明其对江淮流域夏季降水的年际变率具有较高的预测技巧.     

中、低纬度地区电离层不同层结间的耦合对夜晚F区不规则结构的影响

电离层不规则结构的形成和演化与电离层等离子体不稳定性密切相关 .长期以来 ,在中低纬区扩展 -F现象的研究中 ,没有考虑电离层上下层结之间的相互作用 .本文从理论上全面探讨了在中纬度地区 ,E区可变的Pedersen电导率和Hall电导率 ,与F区可变的Pedersen电导率的共同作用对F区梯度漂移不稳定性的影响 ,导出了存在这种耦合时电离层梯度漂移不稳定性的统一表达式 .这一耦合理论不但解释了实际观测中发现的 ,在某些地方电离层F区顶部的不稳定性发生率要高于F区底部这一现象 ;同时还表明 ,电离层E区与F区的耦合对F区夜晚梯度漂移不稳定性的形成不仅会有阻碍作用 ,同时还使得中、低纬度地区的扰动增长具有了方向的选择性 .该理论的一个重要结论是 ,F区中某一地区能否发展出梯度漂移不稳定性 ,并不完全由当地电离层F区的状态决定 ,同一根磁力线连接的、位于不同纬度地区的E区层结对其发展和演化也会有相当大的影响 .     

中、低纬度地区电离层不同层结间的耦合对夜晚F区不规则结构的影响

电离层不规则结构的形成和演化与电离层等离子体不稳定性密切相关 .长期以来 ,在中低纬区扩展 -F现象的研究中 ,没有考虑电离层上下层结之间的相互作用 .本文从理论上全面探讨了在中纬度地区 ,E区可变的Pedersen电导率和Hall电导率 ,与F区可变的Pedersen电导率的共同作用对F区梯度漂移不稳定性的影响 ,导出了存在这种耦合时电离层梯度漂移不稳定性的统一表达式 .这一耦合理论不但解释了实际观测中发现的 ,在某些地方电离层F区顶部的不稳定性发生率要高于F区底部这一现象 ;同时还表明 ,电离层E区与F区的耦合对F区夜晚梯度漂移不稳定性的形成不仅会有阻碍作用 ,同时还使得中、低纬度地区的扰动增长具有了方向的选择性 .该理论的一个重要结论是 ,F区中某一地区能否发展出梯度漂移不稳定性 ,并不完全由当地电离层F区的状态决定 ,同一根磁力线连接的、位于不同纬度地区的E区层结对其发展和演化也会有相当大的影响 .     

尼罗河三角洲早—中全新世气候—环境变化对早期农业发展的影响

对尼罗河三角洲平原东北部一个古埃及文化遗址(Kom El-Khilgan)1.5 m长的沉积物剖面KH1开展14C测年、沉积物粒度和孢粉分析.根据岩性、粒度和测年等结果综合判定:剖面150~100 cm地层为早全新世河流相沉积;100~27 cm地层为早、中全新世(8000—4000 cal a BP)三角洲冲积平原沉积,其中涵盖了古埃及前王朝至古王国时期(6500—4131cal a BP)的人类活动信息;27~0 cm为现代表土层.孢粉分析结果反映了在距今8000~4000 a期间:1)研究区气候由湿润过渡为温和,最后趋于干旱;2)随着气候变干,尼罗河上游水文变化对三角洲环境影响减小,研究区由沼泽湿地逐渐过渡为干草甸环境,更多的土地可以被人类利用;3)常被用来指示农业活动的35μm禾本科、陶器碎片和炭屑的出现并逐渐增加,表明该遗址附近的人类农业活动始于距今6500 a左右,并持续至距今4000 a前后.上述证据表明尼罗河三角洲全新世早—中期湿润向干旱过渡的气候驱动了人类农业活动的开展.本研究为进一步探讨尼罗河三角洲古文明对环境适应性研究提供了科学依据.     

在反演过程中利用不同范数准则压制噪声对反演结果的影响

本文对误差数据在各种范数准则下的反演结果进行了详细的分析,在此基础上提出了在反演过程中利用不同范数准则压制噪声的方法,即在反演过程中先用一种范数准则建立目标泛函并求取梯度、再利用另一种范数准则计算修正步长,并在建立目标泛函和求取梯度时引入了非整数次范数准则.该方法有效地避免了在压制噪声过程中的人为干扰,提高了数据的使用率.从合成数据的反演结果可以看出,该方法对噪声具有很好的压制能力.