基于IAP AGCM4的欧亚大陆春季雪水当量可预报性评估

欧亚大陆积雪是重要的气候预测因子,评估其在气候模式中的预测潜力可为季节气候预测和模式发展提供重要参考。本文利用IAP AGCM4的多年集合后报结果,分析了欧亚大陆春季雪水当量的可预报性。结果表明该模式对提前1月后报的欧亚大陆春季雪水当量的空间分布,主要模态及变化趋势具有较好的可预报能力。此外模式对欧亚中高纬积雪的年际异常也具有较高的预报技巧,特别是高纬度区域。可预报性来源分析则表明,大气初始异常对欧亚中高纬积雪可预报性的影响与海温异常相比显得更为重要。     

欧亚大陆积雪对我国春季气候可预报性的影响

利用大气环流模式IAP9L_CoLM,通过两组集合后报试验,考察了欧亚大陆积雪对我国春季气候可预报性的影响。一组试验为常规后报试验,积雪是由模式陆面过程预报得到的,另一组试验为积雪试验,模式积分过程中欧亚大陆雪水当量由微波遥感积雪资料替代,一天替换一次。通过分析两组试验后报结果的差异,来考察欧亚大陆积雪对我国春季（3~5月）气候可预报性的影响。分析表明:欧亚大陆积雪模拟水平的改善能提高春季欧亚大陆中高纬环流场（海平面气压场和中、高层位势高度场）的可预报性,模式对我国春季气温异常的年际变化和空间分布的可预报能力也有显著增强。对我国春季降水,虽然预报技巧较低,但引入较真实的欧亚积雪作用后,由于中高纬环流场预报技巧的改进导致降水的预测能力也有所改进。个例分析也表明,欧亚中高纬春季积雪异常模拟水平的改善导致了欧亚中高纬贝加尔湖及以南区域环流场可预报性的提高,最终使中国东部区域春季气候异常模拟技巧得以改善。以上结果也证实,欧亚大陆积雪是影响东亚区域春季气候的一个重要因子,要提高模式对中国春季气候的预报技巧,积雪模拟水平的改进是非常必要的。     

欧亚大陆中高纬积雪消融异常对东北夏季低温的影响

利用美国冰雪资料中心提供的1979~2007年月平均积雪水当量资料、NCEP/NCAR的逐月再分析资料 以及中国743站的逐日气温资料,讨论了欧亚中高纬春季融雪异常分布与中国东北夏季温度的联系及其可能的影响机理。结果表明:欧亚大陆中高纬西部春季融雪偏多、东部春季融雪偏少时,我国东北夏季易出现低温。春季东部融雪量少,导致夏季剩余积雪偏多;夏季积雪融化吸热增多,加上后期的土壤湿度增加会导致该地区夏季温度异常偏低,高度场下降,500 hPa上欧亚中高纬东部的长波槽加深,槽后偏北气流加强;来自极地的冷空气容易入侵东亚中高纬地区,引起我国东北夏季低温。     

Seasonal evolution of the dominant modes of the Eurasian snowpack and atmospheric circulation from autumn to the subsequent spring and the associated surface heat budget

本文研究了欧亚大陆地区雪水当量、积雪覆盖率以及500 hPa位势高度的主模态从秋季到次年春季的演变情况。结果表明,欧亚大陆地区的积雪与大气环流主模态从秋季至次年春季呈稳定而显著的相关关系。欧亚地区雪水当量和大气环流主模态的季节演变表现出了良好的连贯性,而积雪覆盖率的主模态则在秋-冬过渡时期表现出了较差的连贯性。在相应的表面热量收支方面,由近表面风驱动的热平流是影响表面热量收支的重要因素,在冬季尤为显著。此外,由积雪引起的短波辐射异常在春季扮演了同样重要甚至更加重要的角色。     

春季欧亚大陆积雪对春夏季南北半球大气质量交换的可能影响

本文基于春季欧亚雪盖资料与大气再分析资料的奇异值分解(SVD)分析结果,结合数值试验,研究了春季欧亚大陆积雪变化与春、夏季南北半球大气质量交换的联系。研究表明,当春季欧亚积雪异常偏多时,同期欧亚大陆中高纬大范围地区的地面气温异常偏低,这种冷却效应可能持续至夏季,同时,冷空气的堆积造成了欧亚大陆地表气压(气柱大气质量)的增加,并且对应了夏季北半球大气总质量的异常上升,而南半球大气质量却明显下降。分析发现,春季欧亚积雪异常与夏季南北半球际大气质量涛动存在显著的滞后相关,而且前者还与同期及后期包括索马里急流和对流层上部80°E~120°E区域高空急流在内的多处越赤道气流变化联系密切。从数值模拟结果分析发现,以改变春季初始积雪状况作为驱动,欧亚大陆中高纬地区的低层大气环流出现了显著响应,即当积雪增加时,同期及其后夏季地面气温显著降低,并且冷异常区域对应着气柱质量的异常升高。     

欧亚冬季雪盖异常及其与ENSO循环的关系

利用 NOAA- NESDIS提供的 1 973— 2 0 0 0年北半球雪盖面积资料 ,研究了欧亚冬季雪盖的时空特征 ,发现欧亚大陆中高纬地区积雪有明显的整体性分布特征 ,而50°N以南的冬季积雪随纬度的变率较大 ;欧亚大陆中高纬地区冬季积雪呈东西反位相分布。利用小波分析发现 ,冬季欧亚积雪具有显著的 3～ 4 a周期。最后指出 ,欧亚积雪异常引起的下垫面热力异常可能为次年 El Nino事件的爆发提供触发条件。     

欧亚中高纬陆面感热异常影响我国夏季气候的数值模拟

使用区域气候模式RegCM4.4.5.7,通过改变春季欧亚大陆中高纬地区的陆面感热通量,对欧亚中高纬感热异常影响中国夏季气候进行模拟分析,并探讨其影响机制。试验结果表明:当春季欧亚中高纬陆面感热通量加强时,我国长江流域和东北东部夏季气温降低,降水偏多;华北地区气温升高,降水偏少。春季陆面感热增强引起近地面和对流层低层大气热力状况异常,进而导致高度场和环流场的异常,长江流域和东北地区有气旋环流,对流运动旺盛,结合充足的水汽条件,对应降水偏多,而华北地区则相反,有反气旋环流和微弱的气流辐合,对应降水偏少。研究表明欧亚中高纬陆面感热异常是影响我国夏季气候的一个不可忽视的因子。     

中国冬季积雪特征及欧亚大陆积雪对中国气候影响

该文首先回顾了有关中国冬季积雪的研究进展,包括中国冬季积雪的空间分布气候特征以及季节、年际和年代际变化,中国冬季降雪特征,气象因子对中国冬季积雪水量平衡的影响,外强迫和大气环流系统在积雪形成中的作用等。冬春季欧亚大陆积雪对同期和后期中国气候影响的相关研究说明与欧亚大陆积雪异常相关联的中国气候异常以及积雪通过改变土壤湿度、表面温度和辐射分布,引起大气环流异常,进而对中国气候产生影响的物理过程。应用美国环境预测中心 (NCEP) 第2版气候预测系统 (CFSv2) 的回报试验结果,对CFSv2在欧亚大陆积雪变化及其与中国气候关系的可预报性方面的分析表明,CFSv2能够较好地回报出春季欧亚积雪的年际和年代际变异及其与中国夏季降水之间的联系。文章最后提出了在积雪及其气候效应研究方面一些有待解决的问题。     

欧亚大陆春季融雪与长江流域夏季降水的可能联系

利用1979—2007年全球月平均的积雪水当量资料,定义了春季积雪水当量增量指数,该指数可以较为直观地反映春季融雪的情况。通过这一纽带,分析了欧亚大陆春季融雪与长江流域夏季降水之间的联系。研究表明:欧亚大陆春季融雪与中国长江流域夏季降水是负相关关系,这与高原积雪的影响是不一致的。春季融雪量的减少,使得欧亚大陆北部夏季剩余积雪偏多,夏季融雪增多。融雪的局地效应使得土壤湿度增加,加大了欧亚大陆南北热力差异。从而,夏季中纬度的纬向风切变增大,对流层上层的副热带西风急流增强,副热带高压增强西伸,但是北抬受到抑制。长江流域位于异常西南暖湿气流与冷空气的辐合带上,上升运动活跃,有利于降水偏多。     

欧亚中高纬春季地表感热异常与长江中下游夏季降水的可能联系

利用国家气候中心提供的中国区域753站降水观测资料、ECMWF逐月地表感热通量再分析资料和NECP/NCAR再分析资料,讨论了欧亚大陆中高纬春季地表感热异常与长江中下游夏季降水之间的联系及其相关的物理机制。分析发现欧亚大陆中高纬春季地表感热异常与长江中下游地区夏季降水存在显著的正相关:感热偏强期,长江中下游夏季降水偏多;感热偏弱期,长江中下游夏季降水偏少。春季感热异常偏强时,夏季东亚副热带西风急流主体位置偏东、强度偏强、范围偏大,长江中下游地区主要受辐合上升气流控制,水汽输送条件好,降水异常偏多。而春季感热偏弱时,情况大致相反,则夏季降水异常偏少。研究表明欧亚大陆中高纬春季地表感热通量异常变化对我国长江中下游夏季降水预测具有一定的指示意义。     

欧亚北部冬季增雪“影响”我国夏季气候异常的机理研究——陆面季节演变异常的“纽带”作用

本文主要利用美国冰雪资料中心 (The National Snow and Ice Data Center) 提供的卫星反演积雪资料和ERA40土壤温度再分析资料, 采用相关分析, 对欧亚北部冬季新增雪盖面积 (冬季TFSE) 与我国夏季气候异常关系的可能物理途径进行了初步研究。结果表明, 春夏季陆面季节演变异常是上述“隔季相关” 的重要纽带: 当冬季TFSE偏大时, 欧亚北部大范围积雪—冻土自西向东、 由南向北的融化进程明显减慢, 受其影响, 至夏季, 东亚中高纬区积雪和地表冻土的融化异常强烈, 土壤温度明显偏低, 这种夏季陆面异常可能通过自身的冷却作用, 通过加强东亚中高纬异常北风对东亚中纬区夏季变冷产生直接影响, 进而与西太平洋副热带高压, 乃至与我国江南夏季降水异常产生关联; 冬季TFSE偏小时相反。分析表明, 冬季TFSE信号在东亚中高纬局地的春季积雪—冻土融化过程中被加强, 并在夏季达到显著。     

国外降雪观测方法介绍

降雪对农业生产、交通运输和人民生活都有影响。降雪观测资料是冬季中区雪崩预报、春季河川径流预报以及水文和气候模型的重要参数。 气象和水文部门常规的降雪观测有两个主要项目,一是以厘米计的积雪深度,另一个是雪水当量,即降雪折合成水层的深度——     

CMIP5耦合模式对欧亚大陆冬季雪水当量的模拟及预估

基于美国冰雪资料中心(NSIDC)提供的卫星遥感雪水当量资料,评估了26个CMIP5(Coupled Model Inter-comparison Project)耦合模式对1981~2005年欧亚大陆冬季雪水当量的模拟能力,在此基础上应用多模式集合平均结果,预估了21世纪欧亚大陆雪水当量的变化情况。结果表明,CMIP5耦合模式对欧亚大陆冬季雪水当量空间分布具有一定的模拟能力,能够再现出欧亚大陆冬季雪水当量由南向北递增、青藏高原积雪多于同纬度其他地区的特征;就雪水当量的幅值而言,几乎所有模式均显著低估了西伯利亚中部雪水当量的大值中心,对中国东北地区雪水当量的模拟也显著偏低,但模式对乌拉尔山以西的东欧平原、我国北方及蒙古地区冬季雪水当量的模拟却比卫星遥感资料显著偏大,此外模式对堪察加半岛及以北的西伯利亚东北部地区的雪水当量也明显偏大。对于青藏高原地区,虽然部分模式可以模拟出青藏高原东部的雪水当量大值区,但大多数模式对青藏高原西部雪水当量的模拟却明显偏大,存在虚假的大值中心。对遥感反演资料的EOF(Empirical Orthogonal Function)分解表明,对于EOF第一个模态所对应欧亚大陆全区一致的年代际变化特征,仅有少数模式具有一定的模拟能力,大多数模式以及多模式集合的结果均未能予以反映;对应于欧亚大陆雪水当量年际变化的EOF第二模态而言,仅有少数模式(如俄罗斯的INMCM4)具有一定的再现能力,绝大多数模式对该模态及其时间演变的特征没有模拟能力。比较CMIP5多模式的集合预估结果与1981~2005年基准时段的雪水当量,可以发现在RCP4.5排放情景下,西伯利亚中东部地区的雪水当量相对于基准时段显著增加,区域平均的增加量在21世纪前、中、后期分别为4.1mm、5.4 mm和6.8 mm,且随时间增加得更显著;对90°E以西的欧洲大陆和青藏高原地区,其雪水当量则相对减少,减少的幅度和显著性也随时间而增大。就雪水当量的相对变化而言,在欧亚大陆东北部存在雪水当量相对变化的大值区,在21世纪后期相对变化显著区大都在5%~10%;但在青藏高原、斯堪的纳维亚半岛进和东欧平原,并没有发现雪水当量相对变化的髙值区,这是由于这些区域冬季雪水当量的幅值较大的缘故。RCP8.5情景下欧亚大陆雪水当量的变化特征与RCP4.5相类似,只是变化的幅度更大。     

春季欧亚积雪异常影响中国夏季降水的数值试验

 利用NCAR的新一代GCM CAM3.1版本模式,研究了欧亚大陆春季积雪异常对北半球大气环流和中国夏季降水的影响。结果表明,春季积雪异常通过改变其后夏季的土壤湿度和温度分布,造成对流层厚度场的异常,激发一个从欧洲西部到东亚的500 hPa高度场异常波列。我国南、北方处于符号相反的高度场异常区,同时降水也呈现南北相异的态势,这表明春季欧亚积雪异常是影响我国夏季降水分布的一个重要因子。     

湖南春季低温冷害预报系统的建立和应用

本文针对湖南春季低温冷害具有多发性的事实，为提高短期气候预测准确率，在分析其影响成因的基础上．从大气环流变化、前期秋冬季天气气候特征、太阳黑子变化特征等方面选取预报因子，进行优化组合，建立了预报因子库和预报规则库。统计分析了赤道东太平洋海温异常、冬季青藏高原积雪异常对春季低温冷害的影响。预报系统用数据库软件Access2000编制。经过对近40 a的历史回报及2001～2003年的试报，结果表明使用效果较好。     

冬季雪深再分析资料在欧亚中高纬地区的适用性评价

欧亚中高纬地区的积雪是影响气候的重要因子,但是观测台站稀疏且记录只到1996年,导致积雪观测资料严重缺乏。基于目前国际上应用较为广泛的3套再分析资料:美国国家大气海洋局(NOAA)的20世纪再分析资料(NCAR-20th century reanalysis)、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的再分析资料(ERA-Interim)及日本气象厅(JMA)的全球大气再分析资料(JRA-55),利用前苏联站点观测的雪深资料评估雪深再分析资料在欧亚大陆区域的适用性。结果表明:3套再分析资料对积雪的时空变化均具有一定的描述能力;其中,尤以JRA-55再分析资料与观测事实最为接近,能较好揭示欧亚中高纬雪深变化的空间分布特征,反映雪深的长期变化趋势。JRA-55再分析资料揭示的欧亚雪深与169站观测有90%吻合,20世纪再分析资料有76%一致,而ERA-Interim再分析资料只有一半。区域尺度上,JRA-55再分析资料揭示的欧洲、西伯利亚南部雪深在1961~1990年的变化与观测是正相关,相关系数达到0.91、0.87,而20世纪再分析资料仅有0.77、0.32。长时间序列的雪深资料(JRA-55)表明欧亚大陆积雪存在年代际的变化特征:1960年代积雪偏少;1970年代偏多;从1980年代开始呈现减少趋势,持续至20世纪末,并且积雪的减少是高纬度积雪变化造成的。     

冬季欧亚中高纬陆面热力异常与同期大气环流的联系

利用欧洲中心ERA-40月平均再分析资料,分析了1958-2001年冬季欧亚中高纬陆面热力状况的变化特征,重点讨论了冬季陆面热力异常与中高纬大气环流的联系及其可能影响机制。结果表明:由于全球变暖的区域非均匀性,近年来冬季欧亚中高纬陆面增温趋势显著且增温幅度较大,中低纬陆面增温幅度相对偏小,陆面热力变化的经向非均匀性造成欧亚大陆中纬度区域(40°N-50°N附近)的陆面经向温度梯度在20世纪80年代初发生了显著的年代际减弱。由于陆面对大气的加热作用,导致蒙古高原至中国东北地区对流层低层大气经向温度梯度减小,从而使得对流层大气斜压性减弱,根据热成风原理,纬向风垂直切变减小,最终导致欧亚中高纬高空西风环流异常偏弱。     

青藏高原积雪深度对延伸期预报技巧的影响

高原积雪是重要的陆面因子,其变化的时间尺度长于大气而短于海洋。本文利用国家气候中心第二代月动力延伸期预测模式（DERF2.0）历史回报资料与被动微波资料（SMMR）、被动微波成像专用传感器（SSM/I）数据反演的逐日雪深资料,分析了1983~2014年冬季和春季转换季节高原积雪对热带外地区延伸期尺度预测技巧的影响。结果表明,高原积雪异常年动力模式在高原积雪显著影响的青藏高原地区、贝加尔湖地区和北太平洋地区预报技巧明显高于正常年份。随着预报时效的延长,高原积雪偏多年的技巧衰减最慢、其次为积雪偏少年,积雪正常年最快,表明高原积雪异常年可预报时效更长,且高原积雪异常对预报技巧的改善在第1候的预报中就显现出来,尤其是积雪偏多年,其影响时段明显要早于海洋。结果显示高原积雪对延伸期预报技巧有重要贡献,暗示高原积雪异常为东亚延伸期预报的潜在可预报源。     

2018年3—5月T639、ECMWF及日本模式中期预报性能检验

对2018年3—5月T639、ECMWF及日本（文中简称JP）数值模式的中期预报产品进行了分析和检验。结果表明：三个模式对欧亚中高纬环流形势的调整和演变均具有较好的预报性能,能较准确地反映出欧亚地区中高纬大尺度环流形势的演变和调整,表现出较好的中期预报能力。在副热带高压偏弱的背景下,ECMWF和T639模式在中期时效能够较好地对副热带高压的南北摆动进行预报。三个模式对我国南方和北方的温度预报偏高,其中春季前期温度变化较大,预报效果较差,4月下旬至5月气温变化平稳,预报效果略好。整体而言,各模式对温度的升降波动预报较为准确,ECMWF模式的预报效果最好。对3月27—29日的沙尘天气过程进行分析发现,ECMWF模式对此次过程低压中心和后部冷高压的中期预报指示意义较好。     

欧亚大陆冬季积雪异常与东亚冬季风及中国冬季气温的关系

采用相关及合成分析方法,对ＥＭＭＷＦ１９７９－１９９３年的网格积雪深度资料深度资料,冬季海平面气压场,５００ｈＰａ高度场及中国冬季气温场进行了分析,研究了欧亚大陆冬季积雪异常与东亚冬季风及中国冬季气温的关系。结果表明：欧亚大陆中高纬地区冬季积雪异常与东亚冬季风和中国冬季气温明显的关系。