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     

国外有关海气系统年代际变率的机制研究

对近期国外有关年代际变率机制的诊断和模拟研究作了综合评述 ,着重介绍形成年代际变率的 5种主要机制 ,即热带海洋的强迫作用、中纬度的海气相互作用、温盐环流的作用、热带—中纬度的相互作用、海气之间的随机强迫作用机制 ,并简单阐述了作者的有关看法     

印度洋—南海海温、季风和我国夏季短期气候异常的关系

以ENSO为中心的热带海气相互作用对全球大气环流和天气气候的异常有极其重要的影响。但长期以来国内外的研究主要限于东太平洋地区,而对西太平洋特别是印度洋海域的研究很少。对我国来说,这两个海域,由于热带各天气系统活动频繁且直接与我国天气有关,具有更关键的作用,该研究工作重点分析了这两个海域的海气相互作用,及其与夏季风年际变化的联系和对长江流域旱涝的影响。     

末次盛冰期太平洋赤道辐合带对暖池外热带海表温度变化的敏感性

利用美国NCAR CAM3大气环流模式,分析了末次盛冰期（LGM）两个不同的热带海表温度重建方案中,北半球冬季热带中、西太平洋对流活动及大气环流对暖池外（赤道东太平洋和热带大西洋）热带SST异常的敏感性。结果表明：  1）SST异常首先引起大气环流的改变。  赤道东太平洋对流层下沉增强,而作为经向补偿,副热带东太平洋上升运动增强,其中南半球尤为明显,同时南半球热带中、西太平洋上升运动增强,加剧了该区纬向逆时针环流,说明冰期热带海气耦合过程受气候背景场（如SST）影响很大;   2）大气环流格局改变引起热带中西太平洋的大气加热、对流活动、表层风场及降雨的巨大变化。  140°E以西的婆罗洲和菲律宾区域,总的大气加热减少是由于对流与辐射加热减少所致,对应于该区风场辐散和降雨减少;   而140°E以东的南半球热带中、西太平洋,大气吸收热量增加,对流与辐射加热均增强,总降雨量也随之增加,反映该区赤道辐合带南移并增强。该项研究为探索热带太平洋在冰期/间冰期旋回中的古海洋学变化提供了新的数据支撑。此外,不同重建SST对赤道辐合带的影响比较大,因此利用重建SST进行数值模拟或者利用耦合模式研究LGM热带海气相互作用时,应该十分重视全球热带SST分布特征。     

巴伦支-喀拉海海温和青藏高原冬季地表气温的年代际联系

基于1961—2017年中国气象局地表气温数据、JRA-55大气再分析数据以及美国国家海洋和大气管理局延伸重建的海温资料,研究了青藏高原冬季地表气温的年代际变化特征及其与海温的可能联系。结果表明：巴伦支-喀拉海冬季海温年代际变化可以激发出向东传播的Rossby波,在西伯利亚对流层高层产生异常的气旋或反气旋性环流,通过影响副极地以及副热带西风急流强度,在青藏高原的南侧产生异常的反气旋或气旋性环流,从而使得青藏高原上空的垂直运动发生变化,导致青藏高原冬季地表气温异常。     

热带海洋盐度障碍层多尺度变异机理及其对海气相互作用的影响研究进展

在上层海洋,受盐度的影响,温度均匀层和密度均匀层并不一定重合,出现温跃层顶界深度明显大于密度跃层顶界深度的现象,即产生盐度障碍层.重力稳定度较高的障碍层对上层海洋热量的垂直交换具有“热障”作用,使混合层和温跃层无法进行有效的热量交换,导致局地海洋上混合层偏暖,从而影响局地海气相互作用乃至全球气候变化.得益于全球海洋观测计划的实施,近20年来科学家已逐渐认识到盐度在海洋环流和气候变化中的重要性,因此盐度障碍层在上层海洋热量收支中的作用等科学问题已成为物理海洋学的前沿研究热点.以障碍层多尺度变异为中心,围绕影响和调控障碍层变异的关键海洋过程,以及障碍层通过海气相互作用影响天气、气候尺度变异的过程和机理等关键科学问题,综述了近几十年来有关热带障碍层的研究进展.重点总结了以下3个方面的进展:全球不同热带海域障碍层的空间结构和多尺度变异特征;海洋动力过程和大气热力过程在障碍层变异中的作用及其机理;障碍层与天气、气候事件及海洋生物相互作用的关键过程和机理.强调了障碍层变异的海洋—大气耦合过程及其气候效应,最后提出了尚需解决的关键科学问题.     

热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应

热带西太平洋暖池是引发强烈的大气对流、驱动Walker环流和Hadley环流系统的主要热源之一,对全球、尤其是东亚气候有重要影响。针对我国在提升气候预测水平方面的重大和迫切需求,国家重点基础研究发展计划项目"热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应"于2011年7月正式立项。项目拟解决的关键科学问题包括:①调控暖池形成和变异的海洋环流多尺度相互作用过程;②海洋动力过程在暖池热盐结构变异中的作用及其机理;③暖池变异对不同类型El Nio影响机理的异同和对东亚季风变异的调制机理。围绕上述关键科学问题,项目将以暖池变异为中心,关注影响和控制暖池结构与变异的关键海洋过程,以及暖池海气相互作用影响ENSO循环、东亚季风年际变异的过程和机理,重点组织开展以下3个方面有针对性的调查研究:①热带太平洋环流和暖池的结构和变异特征;②热带太平洋环流与暖池相互作用的关键过程和机理;③暖池变异的海洋—大气耦合过程及其气候效应。在此基础上,项目将力争阐明暖池影响东亚季风和我国气候变异的过程、机理与敏感区,改进模式的混合参数化方案,提出有效提高ENSO预报技巧的同化方案,为我国短期气候预测能力的提高提供科学支撑。     

全球冰-海洋耦合模式的海冰模拟

海冰是全球气候系统的重要分量 ,与大气和海洋的相互作用 ,直接影响大气环流和海洋环流 ,对气候及其变化具有重要影响。文中依据冰、海洋间的热力、动力耦合相互作用 ,改进冰海洋热力耦合方案 ,利用由中国科学院大气物理研究所的 30层海洋模式和基于Flato空化流体流变学的海冰动力模式和Hibler表面热收支平衡的零层海冰热力模式 ,建立全球冰海洋耦合模式。利用大气月平均气候资料 ,利用冰海洋耦合模式对全球海冰的分布及其季节性变化、海冰漂移进行了耦合模拟和分析。模拟的南半球海冰分布及季节变化与实际分析资料非常接近 ,比 2 0层冰海洋耦合模式的结果有显著改进。北半球海冰范围偏小 ,但季节变化的量值与实际相当一致。模拟的海冰速度场反映了南、北半球海冰漂移的主要特征 ,如北极的穿极漂流和南大洋的绕极环流等。对海冰密集度的分析表明 ,模拟结果得以改进原因在于改进的冰海洋热力耦合方案增强了融冰期冰海洋耦合系统海洋热通量增加—密集度减小—能量收支增加的正反馈机制。     

国外有关海气系统气代际变率的机制研究

对近期国外有关年代际变率机制的诊断和模拟研究作了综合评述，着重介绍形成年代陆变的5种主要机制，即热带海洋的强迫作用，中纬度的海气相互作用，温盐环流的作用，热带一中纬度的相互作用，海气之间的随机强迫作用机制，并简单阐述了作用的有关看法。     

一个新的东亚冬季风强度指数及其强弱变化之大气环流场差异

文章提出了一个新的东亚冬季风强度指数,并以此为依据从1948～1999年中挑选出两组强弱冬季风年份,通过合成分析对大气环流场和海表温度场在强弱东亚冬季风年的差异进行了对比分析。结果表明:东亚冬季风强度变化不单纯受局地气候系统影响,而与北半球半球尺度上的大气环流异常紧密相连。相对于弱的情形,强东亚冬季风年份中国大陆中东部及其东部大部分海域在整个对流层盛行偏北风距平、乌拉尔阻高显著加强、欧洲大陆西部维持一个深厚的气旋性异常环流系统、西风带环流偏弱、200hPa层南亚高压偏弱;中国大陆、北极地区、蒙古国大部分地区、欧洲大陆西北部表面温度降低;我国大陆与北太平洋海平面气压差加大;东亚大槽加强。研究还揭示,强东亚冬季风年份对应于北大西洋涛动弱指数,北大西洋和北太平洋海温状况对同期东亚冬季风强弱有着显著的影响     

Is the North Atlantic Oscillation reflected in Scandinavian glacier mass balance records?

The North Atlantic Oscillation (NAO) is one of the modes of climate variability in the North Atlantic region. The atmospheric circulation during the winter season in this region commonly displays a strong meridional (north–south) pressure contrast, with low air pressure (cyclone) centred close to Iceland and high air pressure (anticyclone) near the Azores. This pressure gradient drives the mean surface winds and the mid‐latitude winter storms from west to east across the North Atlantic, bringing mild moist air to northwest Europe. The NAO index is based on the difference of normalised sea‐level pressures (SLP) between Ponta Delgada, Azores and Stykkisholmur, Iceland. The SLP anomalies at these stations are normalised by division of each monthly pressure by the long‐term (1865–1984) standard deviation. Interannual atmospheric climate variability in northwest Europe, especially over Great Britain and western Scandinavia has, during the last decades, been attributed mainly to the NAO, causing variations in the winter weather over the northeast North Atlantic and the adjacent land areas. A comparison between the NAO index and the winter (December–March) precipitation between ad 1864 and 1995 in western Norway shows that these are strongly linked (correlation coefficient 0.77). Variations in the NAO index are also reflected in the mass balance records of glaciers in western Scandinavia. The NAO index is best correlated with mass balance data from maritime glaciers in southern Norway (e.g. Ålfotbreen R² = 0.51). The record of Holocene (last ca. 11 500 cal. yr) glacier variations of maritime glaciers in western Scandinavia is thus a proxy of pre‐instrumental NAO variations. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.     

ENSO-7赤道西太平洋异常纬向风所驱动的热带太平洋次表层海温距平的循环

近几年的一系列分析研究表明，ENSO与异常东亚冬季风之间有相互影响，持续的强（弱）东亚冬季风通过引起赤道西太平洋地区的西（东）风异常对El Niño/La Niña的发生起着重要作用；赤道太平洋次表层海温异常（SOTA）的年际变化（循环）与ENSO发生有密切关系；ENSO的真正源在西太平洋暖池，暖池正（负）SOTA沿赤道温跃层东传到东太平洋，便导致El Niño/La Niña的爆发；在暖池正（负）SOTA沿赤道东传的同时，有负（正）SOTA沿10°N和10°S纬度带向西传播，从而构成SOTA的循环；热带太平洋SOTA循环的驱动者是赤道西太平洋的异常纬向风。进而可以认为：ENSO实质上是主要由异常东亚季风引起的赤道西太平洋异常纬向风所驱动的热带太平洋次表层海温距平的年际循环。     

Atmospheric circulation patterns during glacial inception: A possible candidate

Models of atmospheric circulation in the North Atlantic sector during glacial inception can be expanded to a hemispheric scale with the aid of diagnostic studies of the present climate. The present “Greenland Above” (GA) atmospheric circulation type may be a candidate for the atmospheric circulation type required during glacial inception. The pattern is an amplification, with only minor phase shifts, of the present average winter circulation pattern in the extratropical Northern Hemisphere. Southerly flow in the northwest Atlantic is associated with warm ocean temperatures, low sea ice in the Davis Strait, and increased precipitation over northeast Canada. Evidence from modeling of the present climate indicates that the GA pattern could be maintained by increased snow cover over eastern North America. Enhanced snow cover, due to decreased Northern Hemisphere summer insolation, could cause a similar response on an ice-age time scale.     

北极海冰与全球气候变化

最近有关北极海冰在全球气候系统中作用的研究发现，北冰洋边缘海域大洋深水的形成与海冰发育有关，海冰冻融过程对盐度层结具有重要影响，海冰变化可引起盐度突变层的灾变和热盐环流的突然停止，热盐环流的变化与北大西洋海冰１０年际变化相联系，北大西洋气候的不稳定性与热盐环流变化密切相关。北极海冰－海洋－大气间耦合作用，使北极海冰构成了北大西洋和全球气候反馈循环中的重要环节。     

黄河三角洲海岸带陆海相互作用概念模式

根据陆海相互作用的观点,黄河流域、黄河干流、河口三角洲及其邻近海区的生态环境相互联系,组成了一个有机的生态系统链,可称为黄河-渤海生态系统。黄河流域的降水量、土壤植被条件使黄河干流具有水少沙多、水沙异源和水资源缺乏的特征。干流入海水、沙通量变化影响了黄河三角洲地区的侵蚀、堆积和发育过程。黄河物质入海后在河口及邻近海域形成了具有高生产力的生态环境和著名的渔场。据此绘出了黄河-渤海生态环境内各环节相互联系的概念模式图,并提出了黄河流域大面积水土保持和南水北调工程逐步展开等新环境下,本区陆海相互作用的研究方向。     

青藏高原南部冰芯记录与大气环流的关系*

通过念青唐古拉峰拉弄冰川垭口处(30°24'30″N, 90°34'12″E;海拔5850m)长度为29.5m的冰芯记录,恢复了1952~1998年间大气降水δD和净积累量的时间变化序列。上述两组序列与NCEP/NCAR气候资料的相关分析表明:δD和净积累量与中亚冬季的气压、南亚和青藏高原冬季、夏季的位势高度关系密切。中亚地区冬季气压的升高以及冬、夏季南亚和青藏高原位势高度的异常增强了印度夏季风,导致了念青唐古拉峰地区20世纪80年代以来降水量的增多和降水中δD值的降低。根据念青唐古拉冰芯δD和净积累量记录及其与亚洲地区大气环流的关系,可以通过青藏高原南部较长的冰芯记录来恢复过去该地区大气环流变化的历史。     

Study About Ocean Eddy Effect on Strong Convection in Local Atmosphere over the Kuroshio Extension Region

The Kuroshio Extension （KE） is the key area where the water heats the atmosphere in the northwestern Pacific Ocean in winter. Previous studies show that the active eddies in the KE area can affect sea surface temperature and thus sea surface winds. The present study reviewed the progress about the influences of the eddies on local atmosphere in recent years. Analysis and comparison were made especially for the achievements from shipboard sounding data, satellite observations and numerical experiments. Based on the geostrophic adaptation theory involved in atmospheric anomalies induced by the eddies, the following new scientific deductions were suggested: Air pressure adjustment mechanism dominated in the atmospheric response to eddies under the conditions of weaker wind speed over the eddies. The influence of eddies was often limited in the atmospheric boundary layer. On the other hand, vertical mixing mechanism played a major role in the response of the atmosphere to warm (cold) eddies when air moved faster over the eddies. Surface wind speed increased (decreased) over the warm (cold) water. Significant wind convergence took place downwind the warm water, and large amount of water vapor was transported also downwind from the warm water surface. The positive feedback between water vapor condensation and rising air forced by the surface convergence provided necessary conditions for the development of strong convection in atmosphere. These deductions will be conducive to further depicting the impact of oceanic eddies on the atmosphere quantitatively.     

中国气温变化的两个基本模态的诊断和模拟研究

我国地域辽阔,气候复杂多变,在全球变暖的背景下研究中国近百年来的气温变化具有重要的意义。为此我们重建了中国东部71个站1880—2004年四季气温距平序列。通过EOF分析发现了中国气温变化的2种最基本的模态：东部一致变化和关内关外相反变化。这2种模态不随季节变化,而且在不同时期也是稳定的。通过研究这2种模态与变暖趋势的关系发现,20世纪80年代以来的变暖主要是由于第一模态在该时期持续的正位相增强造成的;而20世纪20~40年代的变暖主要是由于第二模态所呈现的正位相所造成的。此外,我们检验了这2种模态在大气环流模式（CAM）中的表现。结果表明：121年（模式中1880—2000年）的集合模拟在一定程度上可以重现第一模态的变化,而第二模态则仅在冬季表现明显。最后,以冬季为例,利用1880—2004年重建及观测的500 hPa高度场资料,通过合成分析进一步研究了这2种模态的环流机制：第一模态正位相对应纬向环流增强,表现在地面气温分布上为东部一致变暖。而负位相则对应东亚大槽加深,东部地区一致变冷。第二模态正位相对应的环流分布则为从东亚北部到阿留申为负距平,东亚到北太平洋中纬度为正距平;对应地面气温分布为关内变暖关外变冷。负位相时环流分布基本相反。这样的环流机制得到了模式研究的支持。