近20年我国气候监测诊断业务技术的主要进展

气候监测诊断是了解气候系统变化及其成因的重要手段。经过二十多年的发展,目前国家气候中心建立了一套多时间、多空间尺度的气候系统监测诊断业务系统,并且在业务应用中不断发展和完善。同时,加强了关键异常信号及其对我国气候异常的影响机理的研究,在海温、冰雪、土壤温湿度、大气低频振动、北极涛动、季风、平流层异常等对我国气候影响的监测诊断等方面提出一些新理论、新技术和新方法,并在业务中得以应用。本文回顾了近20年来我国气候监测诊断业务的发展历程,介绍了我国气候监测诊断业务的技术现状,重点总结了近些年来在实时气候监测诊断业务中发展和应用的一些新技术和气候异常机理。     

中国碳捕集、利用与封存立法和监管体系研究

碳捕集、利用与封存技术（CCUS）被认为是进行温室气体深度减排最重要的技术路径之一。为了促进CCUS技术的发展与应用,欧盟、英国、美国等国家和地区一直积极倡导CCUS实施的制度化和规范化。通过对与CCUS相关的国际公约、重点国家和地区的政策、法规进行系统的梳理,以及对中国的法律制度体系和CCUS政策法规现状的整理,中国CCUS立法和监管体系建立的关键在于解决CO₂的定性、地表权和地下权的确定、保障健康、安全和环境、知识产权的转移和保护、项目审批制度以及激励政策体系的建立等,应有针对性地构建CCUS政策法规体系,逐步完善CCUS政策法规环境,从而推动CCUS在中国的健康发展。     

Dominant cloud microphysical processes of a torrential rainfall event in Sichuan,China

High-resolution numerical simulation data of a rainstorm triggering debris flow in Sichuan Province of China simulated by the Weather Research and Forecasting (WRF) Model were used to study the dominant cloud microphysical processes of the torrential rainfall. The results showed that: (1) In the strong precipitation period, particle sizes of all hydrometeors increased, and mean-mass diameters of graupel increased the most significantly, as compared with those in the weak precipitation period; (2) The terminal velocity of raindrops was the strongest among all hydrometeors, followed by graupel’s, which was much smaller than that of raindrops. Differences between various hydrometeors’ terminal velocities in the strong precipitation period were larger than those in the weak precipitation period, which favored relative motion, collection interaction and transformation between the particles. Absolute terminal velocity values of raindrops and graupel were significantly greater than those of air upward velocity, and the stronger the precipitation was, the greater the differences between them were; (3) The orders of magnitudes of the various hydrometeors’ sources and sinks in the strong precipitation period were larger than those in the weak precipitation period, causing a difference in the intensity of precipitation. Water vapor, cloud water, raindrops, graupel and their exchange processes played a major role in the production of the torrential rainfall, and there were two main processes via which raindrops were generated: abundant water vapor condensed into cloud water and, on the one hand, accretion of cloud water by rain water formed rain water, while on the other hand, accretion of cloud water by graupel formed graupel, and then the melting of graupel formed rain water.     

全国综合气象信息共享平台架构设计技术特征

全国综合气象信息共享平台（CIMISS）是依托天气雷达数据共享平台工程项目建成的国省统一数据环境,实现各类气象数据的规范管理,直接支撑气象业务应用。该文介绍了CIMISS架构设计及核心内容,结合业务应用效果的实例分析,阐述架构设计如何有效提升数据和应用的集约高效。借鉴企业架构（EA）方法,建立了业务架构、数据架构、应用架构、技术架构和标准规范体系。采用一系列架构优化设计,包括实现元数据统一管理同步、数据质量控制、统一业务监控、异构数据库统一数据服务、优化信息流程、分层设计和集群技术应用等,满足CIMISS标准性、扩展性、稳定性等需求,获得良好的全流程数据服务时效,核心资料接收入库总耗时均小于3 min,数据访问效率较国家级气象资料存储检索系统提升2~5倍。继承现有CIMISS架构设计成果,正在设计中的气象大数据平台整体技术架构将向云平台、分布式存储等新技术升级。     

中国冰冻圈变化的适应研究：进展与展望

冰冻圈变化的适应研究是冰冻圈科学领域的新兴研究方向,是当今自然科学与社会科学交叉融合跨学科集成研究的典型代表。起步于2007年的中国冰冻圈变化适应研究,经历了早期的探索,研究重点由评价脆弱性发展为量化冰冻圈变化的影响,形成以影响/风险—脆弱性—适应全链条的完善的研究体系,研究方法突破传统的指标体系赋权法的不足,初步实现了定量化,有机结合影响/风险、脆弱性、适应三方面的研究结果,使冰冻圈变化的适应措施由偏重宏观性、普适性开始转向更有针对性。未来中国冰冻圈变化的适应研究应拓展、完善和深化现有的理论体系,构建冰冻圈与社会经济耦合模型,科学量化冰冻圈全要素变化的影响,建立不同利益相关者与科学家共同参与的研究新模式,科学有效应对与适应冰冻圈变化及其影响。     

内蒙古地区沙尘和霾自动观测数据的可靠性和修正方法研究*

2014年,中国气象局将地面人工观测业务调整为自动仪器观测的方式,这一改变明显提高了工作效率,但对观测结果,特别是视程障碍类观测产生了一定的影响。为了完善内蒙古地区霾和沙尘天气判别标准,获得准确可信的气象资料,本文选取了2001-2019年内蒙古12个站点逐三小时的气象观测资料,从时空分布特征和判别方法研究了内蒙古地区沙尘和霾自动气象观测数据的可靠性和判别标准的适用性。结合PM2.5和PM10两个空气质量指数,通过修正错误记录,将沙尘中误判的霾和无天气、霾中误判的沙尘、雾和无天气等分离出来。对比结果来看,修正前,霾和沙尘分别占总频次的95%和5%；修正后,霾、沙尘、雾和无天气分别占总频次的55%、17%、1%、27%。对比呼和浩特单站一次沙尘和一次霾天气过程中气象要素和空气质量指数的连续变化可以看出,相对湿度与PM2.5的相关性均达到了0.5以上。沙尘期,能见度与PM10负相关,PM2.5和PM10相关性较差；而霾期,能见度与PM2.5和PM10的相关性较差,PM2.5和PM10相关性达到了0.8以上,即不同相对湿度环境下影响能见度的因素不同。     

Changes of precipitation and extremes and the possible effect of urbanization in the Beijing metropolitan region during 1960–2012 based on homogenized observations

Daily precipitation series at 15 stations in the Beijing metropolitan region (BMR) during 1960-2012 were homogenized using the multiple analysis of series for homogenization method, with additional adjustments based on analysis of empirical cumulative density function (ECDF) regarding climate extremes. The cumulative density functions of daily precipitation series, the trends of annual and seasonal precipitation, and summer extreme events during 1960-2012 in the original and final adjusted series at Beijing station were comparatively analyzed to show the necessity and efficiency of the new method. Results indicate that the ECDF adjustments can improve the homogeneity of high-order moments of daily series and the estimation of climate trends in extremes. The linear trends of the regional-mean annual and seasonal (spring, summer, autumn, and winter) precipitation series are -10.16, 4.97, -20.04, 5.02, and -0.11 mm (10 yr)-1, respectively. The trends over the BMR increase consistently for spring/autumn and decrease for the whole year/summer; however, the trends for winter decrease in southern parts and increase in northern parts. Urbanization affects local trends of precipitation amount, frequency, and intensity and their geographical patterns. For the urban-influenced sites, urbanization tends to slow down the magnitude of decrease in the precipitation and extreme amount series by approximately -10.4% and -6.0%, respectively; enhance the magnitude of decrease in precipitation frequency series by approximately 5.7%; reduce that of extremes by approximately -8.9%; and promote the decreasing trends in the summer intensity series of both precipitation and extremes by approximately 6.8% and 51.5%, respectively.     

适应气候变化政策机制的国际经验与启示

中国高度重视适应气候变化工作,实行减缓与适应并重的应对气候变化原则,已出台适应气候变化相关的战略、规划等一系列政策文件。但总体来看,中国适应气候变化政策与行动尚处于起步阶段,面临着法规制度缺位、监测评估不足、组织协调机制不完善等挑战,适应气候变化政策的类型、数量和力度都明显弱于减缓。为完善中国适应气候变化政策与机制的框架设计,文中梳理了相关研究、《联合国气候变化框架公约》下的适应气候变化国际机制及主要国家经验,提出了一套完整闭环的适应气候变化核心决策流程及关键支撑机制,并重点从开展法制建设、制定适应战略（计划）、建立监测评估机制、构建协调机制和完善资金机制等五方面,归纳了主要国家的经验与启示,最终研究提出完善我国适应气候变化政策与机制框架设计的建议,包括加快建立和完善适应气候变化法制建设、加快构建国家适应气候变化的政策体系、加快完善国家适应气候变化的机制设计、加强适应气候变化支撑能力建设、推动适应气候变化的国际合作等。     

Legume dreams: The contested futures of sustainable plant-based food systems in Europe

With the intensification of agriculture, the simplification of crop rotations, and the rise in demand for meat, dairy and cereal products, legume production and consumption are at an historic low in Europe. But as the environmental consequences of agriculture (biodiversity loss, high greenhouse gas emissions, water pollution) and the health outcomes of modern diets (heart disease, cancer, diabetes, obesity) become better known, so great and varied hopes are being expressed about the future role of legumes in the food system. This paper catalogues and scrutinises these hopes, mapping the promissory narratives now orbiting around legumes. It identifies six food futures, each of which is made possible through the greater use of legumes in various production, processing, marketing and consumption contexts. These promissory narratives are theorised as contrasting responses to three major areas of contestation in the food systems literature. Namely i) the sustainability of livestock management, ii) the role of technology in different visions of the ‘good diet’, and iii) the merits of different models for how to make agricultural management more sustainable. It identifies the promiscuity of legumes – in terms of the range of food futures they permit – before distilling three points of consensus amongst advocates of the potential of legumes. These points of consensus relate to their nitrogen fixing capacity, their high protein content, and their long-standing historical role in the context of European food and farming. This map of legume dreams serves to guide deliberations amongst researchers, policymakers and industry stakeholders about the futures of plant-based food in Europe.     

基于Fragstats4的景观格局指数与地表温度的相关性——以石家庄市为例

以石家庄市城市景观为研究对象,选取1987年、2004年和2019年Landsat遥感影像数据,采用监督分类方法将研究区分为绿地、水体、不透水地表和未利用地四类景观,采用单窗算法和劈窗算法反演地表温度(LST)。从景观生态学角度出发,利用Fragstats4.2计算4种类型的景观格局指数,并对景观粒度和移动窗口的尺度选择进行探讨分析;利用ArcGIS空间分析方法和统计分析方法,分析4种类型的景观格局指数与LST的相关性。结果表明:1987—2019年绿地斑块类型面积(CA)、最大斑块面积指数(LPI)和聚集度指数(AI)逐渐下降,不透水地表CA、LPI和AI逐渐增加,随着城市化进程的加快,绿地面积逐渐减少和裂化,绿地景观优势在不断下降,不透水地表面积在逐渐增加和聚合,不透水地表景观优势在不断加强,逐渐形成优势景观。斑块百分比指数(PLAND)、LPI和AI与LST表现出一致的极显著相关关系,绿地和水体为负相关,不透水地表和未利用地为正相关;斑块破碎化指数(SPLIT)则相反,绿地和水体为正相关,不透水地表和未利用地为负相关。LST与PLAND和LPI的相关系数明显高于LST与AI和SPLIT的相关系数,说明一个优势景观对地表温度的影响效果明显大于几个比较分散或破碎的景观。     

Typhoon Track,Intensity, and Structure: From Theory to Prediction

To improve understanding of essential aspects that influence forecasting of tropical cyclones (TCs), the National Key Research and Development Program, Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China conducted a five-year project titled “Key Dynamic and Thermodynamic Processes and Prediction for the Evolution of Typhoon Intensity and Structure” (KPPT). Through this project, new understandings of TC intensification, including outer rainband-driven secondary eyewall formation and the roles of boundary layer dynamics and vertical wind shear, and improvements to TC data assimilation with integrated algorithms and adaptive localizations are achieved. To promote a breakthrough in TC intensity and structure forecasting, a new paradigm for TC evolution dynamics (i.e., the correlations, interactions, and error propagation among the triangle of TC track, intensity, and structure) is proposed; and an era of dynamic-constrained, big-data driven, and strongly coupled data assimilation at the subkilometer scale and seamless prediction is expected.     

气溶胶对陆生植物生长的影响研究进展

陆生植物生长过程受太阳辐射、热量、水分、土壤等多重因素的影响,气溶胶粒子通过对太阳辐射的散射和吸收,并作为云凝结核和冰核,改变云的物理特性及生命期对上述环境因子产生影响,进而影响植物的生长。气溶胶的直接影响主要表现为气溶胶覆盖植物叶片,影响植物的呼吸作用、气孔导度及对阳光的利用率等;间接影响主要表现在气溶胶可降低入射太阳辐射量并降低光合作用及净初级生产力,但同时又会增加散射辐射量,增加植物可利用光合有效辐射,产生相互矛盾的结果;气溶胶还通过影响降水和气温,进一步影响植物对光、水、热的利用等方面。气溶胶对植物的生长影响以间接影响为主,直接影响较少。其次,各种大气气溶胶对植物的伤害作用超过大气气溶胶对植物生长促进作用。在人为气溶胶中,硫酸盐、黑碳及粉尘对植物生长以抑制作用为主,而氮化物中氮沉降既可以促进植物生长,含氮气溶胶形成的酸雨及光化学烟雾又会抑制植物生长。自然气溶胶中,火山气溶胶对植物生长产生的影响差异较大,沙尘总体对植物产生不利影响,而生物气溶胶及宇宙尘埃的影响研究还较少。     

农户生计对气候变化的敏感性研究综述

开展农户生计对气候变化的敏感性研究有利于深入认识气候变化与生计的关系,对增强农户的气候变化适应能力和降低生计脆弱性具有重要意义。在梳理不同领域敏感性概念的基础上,阐述了农户生计对气候变化敏感性的科学内涵和研究框架,重点分析了敏感性表征和综合评价指标体系。农户生计对气候变化的敏感性是指气候变化和极端事件对农户生计的影响程度,敏感性表征主要表现在气候变化对自然资源、人类健康、牲畜、资产和收入等方面的影响,不同地区和人群敏感性表征具有差异性。农户生计对气候变化的敏感性随着发展程度提高而下降,生计多样化、基础设施建设等有助于降低气候变化的影响。生计敏感性多为脆弱性研究的一部分,常以可持续生计分析为框架,运用指标评估法进行综合评价。未来研究需要完善敏感性理论框架和研究方法,加强适应的有效性评估,以及开展跨区域或跨时段的生计敏感性对比研究,重点关注生态脆弱和贫困地区。     

丹东地区沿海和山区降雪气候特征

利用丹东地区4个观测站1955—2010年逐年10月至翌年4月逐日降水量、天气现象、雪深等资料,对丹东地区南部沿海和北部山区降雪气候特征进行了分析,结果表明:丹东地区沿海和山区降雪初日、终日及初终日间隔日数、年降雪日数、年降雪量、降水相态、日最大降雪量、日最大积雪深度等平均特征不同。与山区相比,沿海降雪初期较晚,终期较早,初、终日间日数较短,年降雪日数和年降雪量相对较少。在丹东地区1955—2010年降雪时段平均气温升高趋势显著背景下,丹东地区降雪初期推迟、终期提前、初终日间隔日数缩短;降雪日数减少,其中雨夹雪日数所占百分比显著增多;降雪量减少,其中主要是纯雪量减少;日最大降雪量和积雪深度呈减小趋势;沿海和山区变化幅度不同。     

内蒙古半干旱草原能量物质交换的微气象方法估算

根据1998年5～8月和1999年8月在中国科学院内蒙古草原生态系统定位试验站进行微气象观测的资料,作者分析了该地区能量平衡及其各分量的基本特征.结果表明:(1)净辐射通量的转化形式有明显的季节性变化,5～6月份,净辐射能大部分用于感热交换,而后期则多用于潜热交换,5～8月份的日波文比值分别为1.26,1.42,0 41和0.20.(2)观测期间,波文比的日变化特征表现为,早晚变化大不稳定,而白天则相对稳定.(3)用涡度相关方法观测的感热和潜热通量之和与同期的净辐射相比较,前者的结果偏小1 5%左右,两种方法观测到的潜热通量的差异达平均35%左右.(4)半干旱草原CO2通量有明显的日变化,在生长旺期,白天CO2通量强度可达到1.5 mg s-1m-2以上,但在生长后期,1998年和1999年8月份的白天CO2通量强度分别为0.38 mg s-1m-2和0.2 mg s-1m-2左右;其差异与草地土壤水分和植物长势有关.     

一次梅雨锋特大暴雨中尺度气旋和MCS的分析

利用自动气象站、多普勒雷达、FY4A、ECMWF模式、NCEP再分析资料,对2020年7月17—19日特大暴雨过程进行分析。结果表明：特大暴雨出现在安徽大别山附近和庐江两地,是中尺度气旋扰动环境下准静止的中尺度对流系统(MCS)以及MCS中准静止的涡旋状单体所产生。特大暴雨在高能量、强不稳定背景下,由中部和东部的中尺度气旋传播所致。中尺度气旋传播过程中单体不断新生、合并增强且移动缓慢,配合急流、辐合、干侵入、垂直环流等因素对组织化的MCS发展演变起到相当作用。低层切变线南侧到华南的西南急流,将水汽输送到安徽并在此有强烈辐合;高空、低空和超低空都存在急流,高低空急流耦合加剧MCS的强烈发展;地面辐合线是前期MCS的触发机制,伴随干冷空气的入侵,加大了大气的斜压性和MCS的对流不稳定;梅雨锋南北两侧都有垂直环流圈,即对流与高空急流之间通过对流加热在高空急流入口处产生热成风调整,维持梅雨锋的发展演变,强的上升下沉运动促进MCS的加强和降水的连续发生;大别山地形抬升和上游狭管效应是两地特大暴雨诱因。     

ECMWF极端天气指数在华东台风降水预报中的应用和检验

选取2015—2018年影响华东地区的13个台风个例,分析降水极端天气指数EFI(Extreme Forecast Index)和SOT(Shift of Tails)与台风降水之间的统计关系。结果表明：EFI和SOT与降水气候百分位之间存在明显的正相关关系。EFI和SOT越大,强降水发生概率越高。随着预报时效的增加,EFI和SOT指数对暴雨和大暴雨的预报效果逐渐变差。对于短期(72 h以内的时效),EFI预报技巧优于SOT,而随着预报时效的延长,SOT的预报技巧逐渐接近并超过EFI。以TS评分最大为标准兼顾合理的预报偏差,得到两种极端天气指数不同预报时效、不同等级暴雨的预报阈值。总体而言,事件越极端,EFI和SOT的预报阈值越大,对于暴雨和大暴雨,EFI指数的预报阈值随着预报时效的延长有减小趋势,而SOT的预报阈值基本保持不变。在台风极端降水预报中,EFI和SOT可以作为EC定量降水预报的补充,有助于减少强降水的漏报,并提早发出预警信息。     

青藏高原四季开始日期随海拔高度和纬度变化

利用中国气象局国家气象信息中心提供的青藏高原60个测站1961~2007年逐日气温资料, 分析了青藏高原近47年来四季开始日期随海拔高度和纬度的变化趋势。结果表明, 春季和夏季开始日期是整体提前, 而秋季和冬季开始日期是整体延迟的, 春季和冬季开始日期的变化相对夏季和秋季更为明显;四季开始日期随海拔高度变化分布明显不同, 海拔越高, 春夏季开始日期来临越晚, 秋冬季开始日期来临越早, 海拔越低, 春夏季开始日期来临越早, 秋冬季开始日期来临越晚;海拔越高, 春夏开始日期提前的天数越多, 秋冬开始日期推迟天数越多, 反之低海拔地区相对更小, 由此得知高海拔地区的季节开始日期对当地气温的增温更为敏感;春季开始日期在36°N以南基本随纬度递增而开始日期推后, 36°N以北地区春季相对偏早, 夏季、秋季、冬季开始日期随纬度的变化和春季变化基本相似;四季开始日期来临的早晚受到多种因素包括气温、海拔和纬度共同影响, 季节延迟率也受到气温和海拔的影响, 但是纬度对季节延迟率影响不大;四季开始日期的提前和延迟变化和当地气温的变化几乎一致, 秋冬季节的开始日期对气温变化更为敏感, 高海拔地区的季节开始日期对气温变化更为敏感。      

Light-absorbing particles in snow and ice: Measurement and modeling of climatic and hydrological impact

Light absorbing particles(LAP, e.g., black carbon, brown carbon, and dust) influence water and energy budgets of the atmosphere and snowpack in multiple ways. In addition to their effects associated with atmospheric heating by absorption of solar radiation and interactions with clouds, LAP in snow on land and ice can reduce the surface reflectance(a.k.a., surface darkening), which is likely to accelerate the snow aging process and further reduces snow albedo and increases the speed of snowpack melt. LAP in snow and ice(LAPSI) has been identified as one of major forcings affecting climate change, e.g.in the fourth and fifth assessment reports of IPCC. However, the uncertainty level in quantifying this effect remains very high. In this review paper, we document various technical methods of measuring LAPSI and review the progress made in measuring the LAPSI in Arctic, Tibetan Plateau and other mid-latitude regions. We also report the progress in modeling the mass concentrations, albedo reduction, radiative forcing, and climatic and hydrological impact of LAPSI at global and regional scales. Finally we identify some research needs for reducing the uncertainties in the impact of LAPSI on global and regional climate and the hydrological cycle.     

春大豆鼓粒至成熟期水分胁迫对结实和产量的影响

揭示春大豆后期干旱对产量形成的影响规律,为开展夏秋干旱评估和抗旱灌溉提供科学依据。于2017年和2018年在吉林省中部开展大豆鼓粒—成熟期农田水分控制试验,设7个土壤水分处理和1个自然雨养处理,观测土壤湿度、结荚率、空秕荚率、百粒重及产量。采用回归方法分析土壤湿度对大豆产量性状的影响。结果表明：在田间持水量以下,大豆粒重和产量与鼓粒—成熟期间耕层土壤水分线性正相关,结荚数和空秕荚率与土壤水分呈二次函数关系。鼓粒—成熟期间0—30 cm土层土壤湿度每下降1个百分点,大豆结荚数和有效荚数分别下降3.1和3.7个百分点,相对百粒重和相对单产分别下降0.8和1.5个百分点,空秕荚率上升9.3个百分点。大豆鼓粒—成熟期比较喜水,但也有较强的耐旱能力,土壤湿度22%—23%之间大豆荚数多、空秕荚少、籽粒重、产量高。大豆鼓粒—成熟期轻旱、中旱、重旱和特旱的土壤相对湿度指标分别为66%—75%、57%—65%、50%—56%和50%以下,对应的减产率分别为5%—10%、11%—15%、16%—20%和20%以上。与以往指标比较,本试验重旱、特旱指标明显大于凋萎湿度,更符合大豆水分生理规律,可用于春大豆鼓粒—成熟期干旱影响定量评估。