纬向平均的风向改变指数与季节转换

通过定义一个能客观定量描述大气环流四维时空变化的风向改变指数WI,用以研究大气环流的时空演变规律和季节转换。在对纬向平均的WI做了经验正交函数(EOF)分析后,得到了其前四个模态。第一模态揭示的是全年平均的WI空间分布的基态。第二模态反映的是WI场的偏差中呈现准调和变化的部分,热带、副热带、温寒带季风区在该模态中均有明显体现。第三模态反映的是WI场的偏差中呈现非调和变化的部分,该部分揭示了因南北半球海陆分布的差异和因大气、海洋流体的非线性效应,其所造成的从春到秋与从秋到春的季节变化的不对称性以及平流层的二月突变现象。第四模态反映的是全球各层盛行风反向区域从春到夏的北进和从夏到秋南撤的现象。     

参加CMIP5的四个中国气候模式模拟的东亚冬季风年际变率

本文比较了中国参加“国际耦合模式比较计划”（CMIP5）的四个大气环流模式（即FGOALS-g2、FGOALS-s2、BCC-CSM1-1、BNU-ESM大气模式）在观测海温驱动下,对东亚冬季风（EAWM）气候态和年际变率的模拟能力。结果表明,在气候态上,四个模式均合理再现了EAWM高低层环流系统（包括低层西伯利亚高压（SH）、阿留申低压、异常偏北风、和中高层东亚大槽、西风急流）,其中对2 m气温和500 hPa高度场的模拟技巧最高,四个模式模拟的结果与再分析资料的空间相关系数都达到0.99。在年际变率上,分别对东亚北部地区（30°N～60°N,100°E～140°E）和东亚南部地区（0°～30°N,100°E～140°E）的2 m气温进行经验正交函数分解（EOF）,提取变率主导模态。结果表明,在东亚北部地区,四个模式对2 m气温第一模态（简称“北部型”）的空间分布均有很高的模拟技巧,但只有BNU-ESM能够较好再现其对应的年际变率,其模拟的时间序列与观测的相关系数为0.69。四个模式均能模拟出观测中的3.1 a主导周期,但只有FGOALS-s2和BNU-ESM能模拟出观测中的2.5 a主导周期。在东亚南部地区,模式模拟的前两个主模态共同解释观测中第一模态（简称“南部型”）的特征,其中FGOALS-g2、FGOALS-s2和BNU-ESM的综合模拟技巧较高,但只有BNU-ESM成功再现了观测中2.5 a和3.1 a的主导周期。机理分析表明,FGOALS-g2、FGOALS-s2、BNU-ESM三个模式能合理再现菲律宾海反气旋,同时对南部型有较高的模拟能力,而BCC-CSM1-1则未能有效再现菲律宾海反气旋,使得 BCC-CSM1-1对南部型模拟技巧较低。观测和四个模式模拟的结果一致表现出北极涛动（AO）与北部型PC1呈显著相关,影响大于SH。     

一种基于改进频域最小均方算法的少模光纤模式复用系统均衡

基于少模光纤的模式复用传输在近些年由于其超过单模光纤非线性香农极限的高传输容量而受到广泛关注,同时偏振复用在不改变光纤链路的情况下,使得系统传输容量翻倍.因此模式复用和偏振复用的结合为下一代超100 Gb／s光网络提供了一种可行的解决方案.然而,该系统的性能受到模式耦合和不同模式的群延时的影响.本文主要讨论基于频域最小均方（LMS）算法的数字均衡技术在少模光纤的偏振模式复用系统中的应用,提出了一种以蝶形复数有限冲激响应滤波器为基本结构的改进频域最小均方算法.该算法通过改进在每一频域柜中的平均功率方程来获得更好的均衡效果.仿真结果表明：采用改进频域LMS算法后在收敛效果上优于传统频域LMS算法,同时提高了系统性能.     

2000-2018年东亚地区云顶高度的时空变化特征

为了了解区域云顶高度对过去气候变化的响应,基于卫星搭载的MODIS传感器提供的2000年3月至2018年2月MOD03_08_v6.0数据,分析了东亚地区云顶高度2000—2018年的时空变化特征,并探讨其长期变化的原因。研究发现,东亚地区云顶高度呈西南高东北低的特征。云顶高度在东亚地区以0.020 km/a的变率增长,其中大陆东部云顶高度的年际变率为0.035 km/a,东部海域年际变率为0.034 km/a。在东部海域地区云顶高度的变化同海表温度的变化相关性较高,相关系数为0.68,这表明云顶高度的变化受下垫面的影响。在东亚地区30°~40°N区域内,年平均云顶高度的增加较为明显。此外,夏季云顶高度在长江中下游盆地、塔里木盆地、吐鲁番盆地以及四川盆地东北部呈-0.03 km/a的减少趋势,这是由于更多低云的形成降低了云顶高度;冬季云顶高度在东亚地区40°N以北呈下降趋势,而在40°N以南呈增加趋势。     

1月份两类ENSO的海气环流模态分析

本文对1950～2001年1月份的大气风场和大洋流场做了联合复EOF（Empirical Orthogonal Function）分解,用以探讨1月份两类ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）的海气环流及耦合情况,所得结果主要有:该分解第1、2模态空间场分别相应于东部型、中部型ENSO,前者在赤道太平洋东部和中部都有海温动力异常,并以东部异常最强,后者仅在中部存在此异常,两模态的时间系数都与ENSO有很好相关,为此第1、2模态可分别称为东部型、中部型ENSO的风场流场（异常）模态。东部型ENSO模态具有3～6年的年际变化和13～14年的年代际变化,中部型则有明显的7年年际变化和12、17年的年代际变化,两者中约13年的周期与冬季北太平洋NPGO（North Pacific Gyre Oscillation）的周期相同。东、中部型El Ni?o期间,沃克环流上升支分别从印尼东移至赤道西、中太平洋,并有所减弱;南、北支哈得莱环流则分别位于日界线以东及该线附近,且均有所加强,从而使南、北太平洋副热带高压偏强;而在5°S的南美沿岸则分别有垂直运动上升和下沉异常。在海气耦合上,两类ENSO模态在赤道中太平洋均存在西风异常与海洋赤道Kelvin波和Rossby波的波包解耦合,而海温动力异常对大气的影响则都起到负反馈作用,从而有利于ENSO的维持和稳定。     

基于可预报模态分析方法的青藏高原东部夏季降水统计预测模型

利用国家气象信息中心提供的降水资料、NCEP/NCAR再分析月平均资料以及Hadley中心提供的海温资料,基于可预报模态分析(PMA)方法,从观测数据中提取青藏高原东部夏季降水具有物理意义的可预报模态,根据已有研究选取合适的预报因子并建立了物理-经验(P-E)模型,从而对青藏高原东部夏季降水进行统计预测。结果表明:南北反向型、一致型、中部型和东北型这4个主导模态反映了降水的异常变化,具有一定的物理意义,为可预报模态;超前0个月和超前1个月的区域平均的预报技巧分别为0.44和0.36,其中青藏高原东南部地区的预报技巧较高;超前0个月和超前1个月的模态相关系数分别为0.46和0.42,预报最好的年份都是1998年,预报最差的年份分别是1980年和2009年。     

全球海表温度场中主要的年代际突变及其模态

用滑动t检验法对NOAA提供的改进扩展重建的全球海表温度场（1867～2005年）的年平均时间序列进行了年代际突变的定量检验。给出了几个年代际突变时期的时空分布，这些时期有:1894～1901年、1905～1909年、1920～1930年、1939～1945年、1954～1958年、1973～1979年和1994～1998年，并确定了全球海表温度年代际突变的时间，不仅发现了大家熟知的1924、1942和1976年左右的突变，还发现了1894、1907、1956年和最近的1997年的突变。分析表明，赤道太平洋和南太平洋是海温变化的敏感区的可能性较大，其次是北太平洋和南印度洋。用合成差分析得到了全球海表温度场的年代际模态的空间分布，1895～1906年和1908～1923年、1925～1941年和1943～1955年以及1977～1996年和1998～2005年这三对模态分别在大部分海域大体上存在较为明显的反位相结构，太平洋上各个时期均表现为PDO模态，只是强度和范围有所不同，大西洋的南北结构具有不对称性，增暖占主导地位。用滑动t检验法对PDO的年代际突变的信号进行了定量的检验，发现其年代际突变的时间依次为:1908、1924、1942、1956、1976和1997年，除了1894年的突变外，其余突变年份与上述全球海表温度场的年代际突变时间基本上是一致的，这说明PDO是全球海表温度场年代际突变的重要成员之一。假如存在1997年左右的突变，1998至今时段就是全球海表温度场一个新的年代际背景，就其年代际模态而言，目前的强度比1943～1955时段的年代际背景还要强；就PDO目前的强度来说， 与1909～1923和1957～1975这两个时段的强度大体相当。     

气候变化条件下雅砻江流域未来径流变化趋势研究

雅砻江为我国重要的水电基地,未来气候变化条件下流域径流变化将直接影响雅砻江梯级水库群运行安全和发电调度,因此研究气候变化对雅砻江流域径流的影响十分必要。首先建立了流域月尺度的SWAT模型,然后使用统计降尺度模型（SDSM）模拟未来2006—2100年流域内各站点的气象数据,最后使用流域SWAT模型对未来2006—2100年月径流进行模拟。结果表明,未来雅砻江流域径流呈上升趋势,且增幅随着辐射强迫的增加同步增大,RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5这3种典型浓度路径下年平均径流增幅分别为8.9%、12.5%、16.7%,且2020S（2006—2035年)、2050S（2036—2065年)、2080S（2066—2100年）这3个时期年径流量呈现不同的变化趋势,其中RCP2.6浓度路径下为先逐步增加达到峰值后略有减少,RCP4.5浓度路径下为先逐步增加达到峰值后趋于稳定,RCP8.5浓度路径下为持续增加。流域径流年内分配方面,3种典型浓度路径下汛期径流占全年比例在2020S、2050S、2080S这3个时期均为先降后升趋势,整个预测期总体为降低趋势,RCP2.6、RCP4.5及RCP8.5这3种浓度路径下整个预测期的均值分别由基准期的75.9%降低为72.9%、72.0%、71.2%。径流增加会对流域洪水特性产生较大影响,为此应该修正流域设计洪水计算结果和调整防洪调度方案,以降低雅砻江流域梯级水库群因气候变化而产生的运行风险,并提高发电调度效率。     

东北地区冬季气温对海温异常响应的研究

利用HadISST OI海温和中国东北地区92站逐日气温资料,使用广义平衡反馈分析方法(GEFA)结合EOF分析方法(GEFA-EOF)研究了近50a中国东北地区冬季气温对海表温度异常(SSTA)的响应.结果表明:对于热带和北半球中纬度5个海盆来说,东北地区冬季气温异常与同期热带大西洋和北大西洋海温异常有密切关系,与其他海盆关系不显著;热带大西洋的"正—负—正"三极型模态(TA3)以及北大西洋纬向上"正—负—正"三极型模态(NA3)分别对东北地区冬季气温的异常偏低和偏高有显著的强迫作用,且对北部地区的强迫作用大于南部地区.热带大西洋和北大西洋对东北地区冬季气温异常影响的可能途径为:热带大西洋TA3模态通过在北半球激发的"正—负—正"的遥相关波列,致使东亚大槽移至贝加尔湖地区,有利于极地冷空气南下至东北地区,导致该地区的冷冬;北大西洋的"正—负—正"三极型模态(NA3)直接响应使得东亚大槽减弱消失,极地冷空气南下受阻,导致该地区冬季气温异常偏高.     

河南夏季高温日数的时空分布特征及500hPa环流型

对河南省40个代表站1961-2005年夏季≥35℃高温日数进行经验正交函数(EOF)展开分析,结果显示,前3个典型场基本能反映河南夏季高温日数分布的主要特征,前3个模态的累积方差贡献率达85%。据此,得出河南夏季≥35℃高温日数的时空分布类型为全省一致型、西北至东南差异型和西南至东北差异型。第一模态对应的时间系数序列的变化幅度最大,第二模态对应的时间系数序列的变化幅度比前一个时间序列要小。第一模态的时间系数演变显示,河南夏季高温日数平均呈减少趋势,且存在2~4 a、8~14 a的周期变化,目前河南夏季高温日数正处于偏多状态中。应用逐日20时500 hPa ECMWF北半球格点资料,对1991-2005年河南典型的大面积持续高温下的环流形势进行普查、分类,分别求各种类型下的环流平均场,从而得到河南省高温的两种环流型,即贝加尔湖高压型和副热带高压型。     

Overlooked ocean strategies to address climate change

The U.N. Framework Convention on Climate Change’s (UNFCCC’s) Paris Agreement—which aims to limit climate change and increase global resilience to its effects—was a breakthrough in climate diplomacy, committing its Parties to develop and update national climate plans. Yet the Parties to the Agreement have largely overlooked the effect of climate change on ocean-based communities, economies, and ecosystems—as well as the role that the ocean can play in mitigating and adapting to climate change. Because the ocean is an integral part of the climate system, stronger inclusion of ocean issues is critical to achieving the Agreement’s goals. Here we discuss four ocean-climate linkages that suggest specific responses by Parties to the Agreement connected to 1) accelerating climate ambition, including via sustainable ocean-based mitigation strategies; 2) focusing on CO₂ emissions to address ocean acidification; 3) better understanding ocean-based mitigation; and 4) pursuing ocean-based adaptation. These linkages offer a more complete perspective on the reasons strong climate action is necessary and inform a systematic approach for addressing ocean issues under the Agreement to strengthen climate mitigation and adaptation.     

Resampling of network-induced variability in estimates of terrestrial air temperature change

Uneven and changing spatial distributions of air temperature stations can produce unrepresentative samples of the space-time variability of near-surface air temperature. Over the last century, station networks have varied from less than 300 stations that are largely limited to the Northern Hemisphere to nearly 1700 stations that are fairly well distributed over the terrestrial surface. As a result, estimates of air temperature change derived from historical observation networks often contain network-induced variability.Spatial resampling methods are used to estimate network-induced variability in terrestrially averaged air temperature anomalies and trends. Random resampling from the station networks allows pseudo confidence intervals and other statistics of variability to be estimated. Network-induced variability appears to be substantial during the late 1800s, especially in the Southern Hemisphere. Most networks from the 1900s and the Northern Hemisphere, however, appear to produce reliable estimates of spatially averaged air temperature anomalies and trends.A non-random, but historically appropriate, resampling method - sampling a given year's air temperature anomaly field using another year's station distribution - also is used. Using 1987 - one of the warmest years on record - as an example, station distributions from 1881-1988 are used to sample the 1987 air temperature anomaly field. This sampling procedure produces spatially averaged air temperature anomalies for 1987 that vary by over 0.3°C. A combinatorial process of resampling a given year's anomaly field is repeated for every year and every station network to produce terrestrial average air temperature anomaly estimates that vary by more than 0.3°C solely due to network changes.     

1961—2019年黑龙江省冬季气温季节内变化及环流异常特征

利用1961—2019年黑龙江省冬季气温、NCEP再分析资料和环流指数资料,采用多变量经验正交函数分解、合成分析、相关分析等方法,分析黑龙江省冬季气温季节内变化及其环流异常特征,并进一步对比了主要环流因子在冬季气温季节内演变不同模态中的相对贡献。结果表明: 季节内变化是黑龙江省冬季气温变化的基本特征。黑龙江省冬季气温存在季节内一致变化、12月和翌年1—2月反位相变化、12月至翌年1月和2月反位相变化三个主要模态。当冬季气温处于第一模态分布一致偏暖（冷）时,环流呈现北极涛动（AO）正（负）位相的分布特征,东亚冬季风（EAWM）偏弱（强）。当冬季气温发生季节内冷暖转换时,季内极涡、高空急流、西伯利亚高压（SH）和EAWM强度、中高纬环流经向度等均有明显调整。第二模态1月和第三模态2月环流场分别呈现类似极地欧亚型（PEA）和东大西洋型（EA）遥相关的分布特征。AO、SH、EAWM、PEA和EA是冬季气温季节内演变的重要影响因子。     

全球大气角动量变化的比较分析

利用日本气象局ＧＳＭ９６０３大气数值模式和客观分析资料以及美国环境预报中心大气再分析数据研究比较全球大气角动量变化。分析表明，三者大气质量再分布角动量东经９０°Ｅ分量的符合程度要好于格林威治方向的分量；而且ＧＳＭ９６０３对大气轴向相对角动量季节变化的强度模拟与其他两者一致，并明显优于第一阶段 ＡＭＩＰ ２３个大气环流模式的平均模拟结果。另外，ＧＳＭ９６０３大气相对角动量的年际变化基本显示了厄尔尼诺变化的主要历程。     

气候变化与城市全要素生产率：理论与实证

利用1994—2014年中国城市数据探讨气候变化对城市全要素生产率（TFP）的影响。研究发现：气候变化（气温变化和降水量变化）对城市TFP均有负面影响,其中降水量的影响更显著,但对中国东部地区城市的TFP影响不明显;经济发展水平越高的城市,其TFP受气候变化的影响越小,而经济发展水平越低,这种影响就越显著;城市产业结构越趋合理,天气与气候的影响越低,反之则影响越大。其中降水量的变化对三大产业都有影响,对第一产业影响最显著。     

风廓线雷达与天气雷达风廓线数据的融合及应用

风廓线雷达与多普勒天气雷达风廓线产品均可以获取高时间分辨率的高空风信息,但两种遥感测风的探测原理及时空代表性不同。在对风廓线雷达进行质量控制处理、剔除降水粒子空间不均匀分布对数据可信度影响之后,根据风廓线雷达与天气雷达风廓线数据探测原理差异,进行不同时间代表性的风廓线数据的空间匹配试验,确定与天气雷达风廓线数据进行融合的风廓线雷达数据最优时间分辨率,结果为1 h。利用2015年7月北京南郊观象台的探空、风廓线雷达、天气雷达测风数据进行三种高空风的一致性比对,结果表明三种测风数据具有较好的一致性,均方根误差分别为2.3和2.5 m·s~(-1);60、30以及6 min不同时间代表性风廓线雷达数据与天气雷达风廓线数据之间的均方根误差分别为2.6、2.8及3.1 m·s~(-1),60 min数据的融合效果最佳,低空尤其明显。利用广东省2014年5月的风廓线雷达观测网以及天气雷达网风廓线数据进行了高空风场的融合分析试验,融合分析场提供了更为丰富的高空中尺度水平风场信息,低空的涡旋更加明显。     

Investigation of the Structure and Predictability of the First Mode of Stratospheric Variability Based on the INM RAS Climate Model

The first empirical orthogonal function (EOF) of intraannual evolution of temperature averaged along the circle of latitude in the 0-60-km layer is calcul ated using the data of the 500-year preindustrial experiment with the climate model of the Institute of Numerical Mathematics of Russian Academy of Sciences (INM RAS). It is shown that the first EOF represents temperature anomalies which propagate downward from the upper stratosphere during December-April. Such anomalies are preceded by the anomaly of the meridional heat flux in the polar upper stratosphere in December. Using the ensemble of numerical experiments with the climate model, it was demonstrated that it is possible to predict the projection of temperature anomaly corresponding to the first EOF in December-April, to the first mode according to initial data for December 1.     

Climatic change due to land surface alterations

A primitive equations global zonally averaged climate model is developed. The model includes biofeedback mechanisms. For the Northern Hemisphere the parameterization of biofeedback mechanisms is similar to that used by Gutman et al. (1984). For the Southern Hemisphere new parameterizations are derived. The model simulates reasonably well the mean annual zonally averaged climate and geobotanic zones.Deforestation, desertification and irrigation experiments are performed. In the case of deforestation and desertification there is a reduction in the surface net radiation, evaporation and precipitation and an increase in the surface temperature. In the case of irrigation experiment opposite changes occurred. In all the cases considered the changes in evapotranspiration overcome the effect of surface albedo modification. In all the experiments changes are smaller in the Southern Hemisphere.     

MRI-CGCM模式对东亚夏季风的模拟评估及订正

本文利用CMAP月降水资料、NCEP再分析资料、NOAA的ERSST资料和日本气象厅海气耦合模式（MRI-CGCM）的输出结果,从东亚夏季风气候态、主模态和年际变率等方面分析了MRI-CGCM模式对东亚夏季风的预测性能,并且利用观测的东亚夏季风指数（EASMI）与模拟PC（principal component）的关系建立多元线性回归方程来订正EASMI（简称PC订正法）。结果表明:MRI-CGCM模式能够较好再现东亚夏季风降水和低层风场的气候态,但模拟的西北太平洋反气旋偏弱、偏东,使得模拟的副热带地区降水量偏小。模式较好地模拟出东亚夏季风降水第一模态（EOF1）及相应的低层风场,能够较好再现出EOF1对应El Ni?o衰减位相;模拟降水的EOF1与观测之间的空间相关系数（ACC）为0.72,且能较好地再现其对应的年际变率,其时间系数PC1与观测之间的相关系数为0.41,能模拟出观测EOF1的2 a和5 a主导周期;但模拟的我国以东梅雨锋区雨带位置偏南,这与模拟的西北太平洋反气旋位置偏南有关。模式对降水第二模态EOF2的模拟能力比EOF1明显下降,模拟EOF2与观测之间的ACC降到0.36;虽然模式能较好地再现出EOF2对应El Ni?o发展位相,但模拟的西太平洋反气旋位置偏南,使得雨带位置偏南,模拟的我国梅雨锋区雨带位于江南,与观测场上江南少雨相反。模式较好地模拟出我国东部夏季降水和气温空间异常分布和年际变化,模拟与观测夏季降水和气温的多年平均ACC分别为0.74和0.68。模式模拟我国东部、江淮流域和华南地区夏季降水多年平均PS评分分别为69、70和68分,略高于我国夏季降水业务预测多年平均评分（65分）。模拟的我国东部夏季气温与观测多年平均PS评分为74分。PC订正后EASMI与实况的相关系数由0.51提高到0.65、符号一致率由84%升到91%、标准差由0.75增大到1.4、大于1个标准差年数由6年变为12年,订正后在模拟变幅偏小和梅雨锋区雨带偏南等方面均有一定的改善,对应西太平洋反气旋位置和梅雨锋区雨带位置与实况较为吻合。     

Summer circulation of the waters in Queen Charlotte sound

Abstract

An extensive set of measurements of currents, winds, subsurface pressures and water properties was undertaken in the summer of 1982 in Queen Charlotte Sound on the west coast of Canada. At most observation sites the summer‐averaged currents are found to be about 10 cm s^?1, smaller than the tidal currents but comparable to the standard deviation of the non‐tidal currents. The strongest average flow was the outflow of surface water past Cape St James at the northwestern corner of the Sound. During strong winds from the north or northwest a strong outflow of near‐surface fresher water was also observed over Cook Bank in the south. Eddies dominate the motion in the interior of the Sound, as shown by the behaviour of a near‐surface drifter that remained in mid‐Sound for 40 days before a storm pushed it into Hecate Strait. The disorganized, weak currents in the central Sound will likely allow surface waters or floating material to remain there for periods of several weeks in summer.

Empirical orthogonal function analyses of fluctuating currents, subsurface pressures and winds reveal that a single mode explains most of the wind and pressure variance but not the current variance. The first two pressure modes represent two distinct physical processes. The first mode is a nearly uniform, up‐and‐down pumping of the surface, while the second mode tilts across the basin from east to west, likely due to geostrophic adjustment of wind‐driven currents. This mode also tilts from south to north, owing to along‐strait wind stress. Most contributions to the first mode currents come from meters near shore or the edge of a trough. Coherence is high between these second mode pressures and first mode currents and winds, and lower but still significant between first mode pressures and first mode currents and winds. It is therefore difficult to predict the behaviour of currents in Queen Charlotte Sound in summer from pressure measurements at a single site, but the difference in sea‐level across Hecate Strait is a more reliable indicator.