东亚、北非干旱半干旱区边界层高度的特征研究

采用再分析资料ERA-20C对东亚、北非干旱半干旱区一百多年边界层高度(Boundary Layer Height,BLH)的时空变化特征进行比较研究,结果揭示了两个地区不同气候区BLH空间分布和时间变化的差异性。结果表明,BLH的空间分布与气候干湿程度密切相关,同时受海拔以及河流、湖泊分布等的影响;干旱区、半干旱-半湿润过渡区的BLH在东亚和北非均为升高趋势;极端干旱区、干旱-半干旱过渡区、半干旱区的BLH在东亚为升高趋势,在北非为降低趋势;极端干旱区对干旱半干旱区整体BLH年际变化贡献最小,东亚为11. 05%,北非为3. 68%;东亚半干旱区年际变化贡献最大23. 74%,北非半干旱-半湿润过渡区年际变化贡献最大28. 89%。两个地区BLH的变化均包含周期为60年、30年、10年、5～7年和2～4年的振荡,在长时间尺度的周期变化中,两个地区的BLH基本呈反位相关系,在短时间尺度的周期变化中,呈反位相、同位相交替转换的关系; BLH的长期变化趋势,东亚各季节均为升高趋势,北非只有冬季为升高趋势; BLH年际变化,夏季占主导地位,东亚年际变化贡献率是58. 50%,北非年际变化贡献率是57. 52%,北非秋季年际变化贡献率是东亚地区的2倍多。     

基于CERA-20C资料青藏高原边界层高度日变化气候特征分析

基于1981-2010年CERA-20C全球大气边界层高度(Boundary layer height,BLH)再分析资料对青藏高原边界层高度的日变化特征,包括日变化的季节变化、年代变化与年际变化进行研究。结果表明:BLH大值区在海拔大于5 000 m地区以及沙漠干旱地区,其中尼玛等地为边界层高度大值区的扩散源地。03:00(世界时,下同)-06:00 BLH增加最剧烈,增幅达948. 67 m·(3h)~(-1); 09:00-12:00降低最剧烈,降幅达760. 02 m·(3h)~(-1)09:00为最大值,晚于非高原地区(06:00),30年平均最大值可达1 982. 764 m,日变化最大值可达2 901. 21 m,昼高夜低。BLH最大值在春季为最大、夏季最小,BLH最小值在夏季最大、秋季最小。高原西坡BLH在春秋季最大,腹地在冬季最大,东坡BLH低,变化幅度小。03:00 BLH逐月变化趋势为单峰变化特征。BLH除夏季年际变化平稳变化以外,春、秋、冬三季在20世纪80年代中期,20世纪90年代末与21世纪初均存在较大波动。冬季边界层高度近30年逐渐增加,特别是在21世纪初的大幅持续增加值得重视。春季高原腹地处于积雪融化时期,积雪融化带走地表热量,促使春季地表气温更低,边界层高度春季与地表气温呈负相关,同时夏季相对湿度为波状分布,相对湿度梯度最小值与边界层顶相对应,边界层高度在春季比夏季更高。边界层高度发展最高时,高原边界层内通常为上升运动与下沉运动交替,为边界层发展提供一定的动力条件。     

多尺度气象条件对济南PM2.5污染的影响

长时间序列空气质量数据和气象数据分析济南大气污染与气象条件关系的研究相对较少。利用2010-2016年济南市环境空气质量监测数据、气象再分析和观测数据,分析了济南市PM_(2.5)污染特征、PM_(2.5)浓度与2 m温度(T)、2 m相对湿度(RH)、10 m高度U和V风速(U和V)、10 m风速(WS)、K指数(K)、A指数(A)和边界层高度(BLH)的相关性、天气类型对PM_(2.5)浓度的影响,并基于逐步回归分析方法构建统计模型,利用解释方差量化气象条件对PM_(2.5)浓度变化的影响。分析发现,济南PM_(2.5)浓度存在显著的季节变化和年际变化特征,年均PM_(2.5)浓度呈下降趋势;近地面PM_(2.5)浓度与T、RH、K和A显著正相关,与WS和BLH显著负相关,U和V与PM_(2.5)浓度相关性不显著(p0. 05);不同天气类型对应的PM_(2.5)浓度均值存在显著差异;基于回归模型分析发现气象条件可以解释10%～40%的PM_(2.5)浓度逐日变化,气象条件的影响有明显的季节变化。     

华东地区气溶胶分布和变化特征研究

利用中分辨率光谱仪(MODIS)获得的气溶胶光学厚度(AOD)、细粒子比例(FMF)和臭氧检测仪(OMI)获得的气溶胶指数(AI)统计分析了2005—2014年我国华东地区气溶胶光学性质的时空分布特征,同时利用潜在源分析(PSCF)模型对我国华东地区AOD和AI的潜在源区进行分析。研究结果表明:华东地区的AOD、FMF和AI时空分布存在较大的差异,2005—2014年AOD和AI的平均值高值主要分布在华东地区北部,FMF的高值区则分布在华东南部地区;10 a间华东地区AOD呈现出先升高后降低的趋势,FMF波动幅度不明显,AI值有所上升;整个华东地区AOD的季节变化较为明显,春夏两季AOD明显高于秋冬两季。华东北部和中部地区夏季由于较高的相对湿度,AOD最大可达0.8以上。而在华东南部地区,夏季受到降水的影响,AOD维持在0.2~0.4之间。FMF季节变化趋势与AOD不同,夏季最大达到0.58,春季最小仅为0.26。AI平均值在冬季最大高达0.63,夏季最小,为0.27。PSCF分析显示华东地区AOD主要源区以局地排放为主,同时也存在由河南、湖北和湖南等周边省市近距离输送影响;AI以局地和北方远距离输送为主,同时也受到河南、湖北等周边省市近距离输送的影响。     

基于卫星观测的我国北方地区紫外吸收性气溶胶的时空分布研究

利用气溶胶指数(Aerosol Index,AI)资料研究了东亚地区紫外吸收性气溶胶的时空分布特征,主要得出以下结论:1)雨云七号卫星(Nimbus 7,N7)和地球探测卫星(Earth Probe,EP)搭载的臭氧总量测绘光谱仪(Total Ozone Mapping Spectrometer,TOMS)以及臭氧监测仪(Ozone Monitoring Instrument,OMI)反演的AI数据在东亚大陆具有较好的一致性,但EP/TOMS-OMI AI的连续性较好,而N7/TOMS-EP/TOMS AI的连续性较差;2)东亚地区紫外吸收性气溶胶主要位于塔克拉玛干沙漠及其东部周边的库姆塔格、柴达木盆地沙漠、古尔班通古特沙漠、内蒙古中西部、蒙古国南部以及我国东北、华北地区;3)紫外吸收性气溶胶具有明显的月际变化特征;4)旋转正交经验函数分析不仅能分离紫外吸收性气溶胶的源区范围,还能给出源强相对大小的定性信息。     

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。     

第二讲 智能天气分析与决策技术

1 智能天气分析与决策概念 智能天气分析与决策,是把人工智能(Artificial Intelligence,简称AI)技术引入天气分析与决策的一项新的技术。AI技术始于60年代,当时麻省理工学院(MIT)研究人员首先提出了“人工智能”的用语。“In-telligence”有两层意思。第一层意思专指学习与理解的能力,亦称智力;第二层意思是信息与情报的占有能力。当然,AI技术已经脱离了原有字面意义,形成一项专门性强的高新技术。现代专业化定义的智能是“理解事实、命题及其之间关系并对其进行推理的一种能力”。     

First Surface-based Estimation of the Aerosol Indirect Effect over a Site in Southeastern China

The deployment of the U.S. Atmospheric Radiation Measurement mobile facility in Shouxian from May to December2008 amassed the most comprehensive set of measurements of atmospheric, surface, aerosol, and cloud variables in China.This deployment provided a unique opportunity to investigate the aerosol–cloud interactions, which are most challenging and, to date, have not been examined to any great degree in China. The relationship between cloud droplet effective radius(CER) and aerosol index(AI) is very weak in summer because the cloud droplet growth is least affected by the competition for water vapor. Mean cloud liquid water path(LWP) and cloud optical depth(COD) significantly increase with increasing AI in fall. The sensitivities of CER and LWP to aerosol loading increases are not significantly different under different air mass conditions. There is a significant correlation between the changes in hourly mean AI and the changes in hourly mean CER,LWP, and COD. The aerosol first indirect effect(FIE) is estimated in terms of relative changes in both CER(FIECER) and COD(FIECOD) with changes in AI for different seasons and air masses. FIECODand FIECERare similar in magnitude and close to the typical FIE value of ~ 0.23, and do not change much between summer and fall or between the two different air mass conditions. Similar analyses were done using spaceborne Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer data. The satellite-derived FIE is contrary to the FIE estimated from surface retrievals and may have large uncertainties due to some inherent limitations.     

利用AI推进NOAA需求驱动的任务优先级

<正>NOAA在一系列任务领域的人工智能(AI)应用方面的丰富经验已经证明了其性能和技能的改善,大大降低了成本和计算时间。NOAA发布的AI战略将通过提高整个机构AI开发和使用的效率和协作,极大地扩展AI在     

Comparison of dryland climate change in observations and CMIP5 simulations

A comparison of observations with 20 climate model simulations from the Coupled Model Intercomparison Project, Phase5(CMIP5) revealed that observed dryland expansion amounted to 2.61 × 106km2 during the 58 years from 1948 to 2005,which was four times higher than that in the simulations(0.55 × 106km2). Dryland expansion was accompanied by a decline in aridity index(AI)(drying trend) as a result of decreased precipitation and increased potential evapotranspiration across all dryland subtype areas in the observations, especially in the semi-arid and dry subhumid regions. However, the CMIP5multi-model ensemble(MME) average performed poorly with regard to the decreasing trends of AI and precipitation. By analyzing the factors controlling AI, we found that the overall bias of AI in the simulations, compared with observations, was largely due to limitations in the simulation of precipitation. The simulated precipitation over global drylands was substantially overestimated compared with observations across all subtype areas, and the spatial distribution of precipitation in the MME was largely inconsistent in the African Sahel, East Asia, and eastern Australia, where the semi-arid and dry subhumid regions were mainly located.     

高原夏季风与南海夏季风关系及其影响

利用1983-2012年NCEP/NCAR、NCEP/DOE、ECMWF再分析月平均资料,及中国160站月平均气温和降水量资料,利用统计学方法从大气环流、降水及温度等方面对高原夏季风与南海夏季风的关系进行了探讨。结果表明:高原夏季风与南海夏季风呈负相关关系,且大气环流及对流活动存在显著性差异。高原夏季风偏强(弱)同时南海夏季风偏弱(强)时,同期中国大部分地区的500hPa高度场偏低(高),南海地区500hPa高度场偏高(低);欧亚大陆低纬地区大部为偏东(西)风,南海地区处于反气旋(气旋)环流中。青藏高原主体地区上升运动较弱(强),南海中心区域上升运动均较弱(强),长江中下游地区降水增加(减少),华南降水减少(增加)。中国大部分地区气温较低(高),华南地区气温较高(低)。     

近40年东亚季风变化特征及其与海陆温差关系

利用NCEP/NCAR再分析资料, 计算了乔云亭等定义的1957—2000年东亚季风指数, 研究了各指数之间相互关系和年际变化的主要特征, 在此基础上又利用全国194站1957—2000年地面资料分析东亚季风指数的年际变化与各气象要素场的年际变化之间的关系以及我国近40年气候变化特点。结果表明:西南季风、东南季风和偏北季风的年变化有所差异; 夏季, 东部地区降水量与相对应各个海区海陆温差负相关显著, 并且江淮区对应的海陆温差与东北区和华北区夏季降水有较好的正相关关系, 当江淮区对应的海陆温差降低时, 江淮区夏季降水量增加, 华北区和东北区夏季降水量减少; 经过前后两段时期 (1957—1978年和1979—2000年) 对比发现海陆温差变化对我国季风区夏季降水的影响在增强。同时, 发现850 hPa气温变化在前后两段时期也发生了显著变化, 1979年之前我国东部升温最快的区域位于华北西南部和江淮东部, 1979年之后升温最快的区域转移到江淮西部和我国东南部的海面上。     

南亚夏季风爆发前后青藏高原地表热通量的长期变化特征分析

青藏高原作为世界第三极,其热力强迫作用不仅对亚洲季风系统的发展和维持十分重要,也会对大气环流场产生深远影响。利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim中1979-2016年3-10月青藏高原及其周边地区的地表热通量月平均再分析资料,通过分析得出以下结论:3-5月青藏高原主体由感热占据,感热强度快速上升且呈西高东低的分布态势,潜热强度较小但随时间而增强。季风爆发后的6-8月,青藏高原感热强度减弱,潜热强度迅速增强且呈东高西低的分布特征。季风消退后的9-10月,感热与潜热强度相当,但感热呈现出西高东低的分布特征。过去38年,青藏高原地表感热总体呈现微弱下降趋势,潜热呈较弱上升趋势。青藏高原西部地区感热呈微弱下降趋势,潜热呈上升趋势。东部感热呈较为明显的下降趋势且近年来变化趋势增强,东部潜热通量则呈现较为明显的上升趋势,分析结论与近期全球变暖条件下青藏高原气候变暖变湿这一变化状况一致,通过对青藏高原地表热通量的变化分析为下一步运用第三次青藏高原大气科学试验所获资料分析青藏高原上空大气热源的变化以及地表加热场如何影响大气环流奠定基础。      

东亚地区夏季水汽输送特征

利用1950—2002年NCEP/NCAR再分析逐日平均资料,计算全球格点整层水汽输送通量,分析东亚地区夏季水汽输送在推进过程中逐候的气候特征。研究发现：第25—44候是水汽输送变化最为明显的时段,也是水汽输送的集中期;东亚地区各个经度带的偏南风水汽输送在出现时间、北抬进程速度、北界位置、南撤速度等方面均表现出不同的特征;副高边缘的东南风水汽输送具有迂回西扩和快速东撤的特点,并且在强盛期能够到达青藏高原的东南部。     

Interannual variations and future change of wintertime extratropical cyclone activity over North America in CCSM3

Climatology and interannual variations of wintertime extratropical cyclone frequency in CCSM3 twentieth century simulation are compared with the NCEP/NCAR reanalysis during 1950–1999. CCSM3 can simulate the storm tracks reasonably well, although the model produces slightly less cyclones at the beginning of the Pacific and Atlantic storm tracks and weaker poleward deflection over the Pacific. As in the reanalysis, frequency of cyclones stronger than 980 hPa shows significant correlation with the Pacific/North America (PNA) teleconnection pattern over the Pacific region and with the North Atlantic Oscillation (NAO) in the Atlantic sector. Composite maps are constructed for opposite phases of El Nino-Southern Oscillation (ENSO) and the NAO and all anomalous patterns coincide with observed. One CCSM3 twenty-first century A1B scenario realization indicates there is significant increase in the extratropical cyclone frequency on the US west coast and decrease in Alaska. Meanwhile, cyclone frequency increases from the Great Lakes region to Quebec and decreases over the US east coast, suggesting a possible northward shift of the Atlantic storm tracks under the warmer climate. The cyclone frequency anomalies are closely linked to changes in seasonal mean states of the upper-troposphere zonal wind and baroclinicity in the lower troposphere. Due to lack of 6-hourly outputs, we cannot apply the cyclone-tracking algorithm to the other eight CCSM3 realizations. Based on the linkage between the mean state change and the cyclone frequency anomalies, it is likely a common feature among the other ensemble members that cyclone activity is reduced on the East Coast and in Alaska as a result of global warming.     

夏季水汽输送特征及其与中国降水异常的关系

利用1958－1999年NCEP／NCAR再分析资料研究了水汽输送特征，表明：全球纬向水汽输送在南北半球中高纬度由西向东，在低纬由东向西，分别与中纬度西风带和热带东风带一致，经向输送在夏季由南半球向北半球输送，冬季则刚好相反，就全年来说水汽也是从南半球向北半球输送。南北半球副热带地区是大气水汽源，热带和中高纬是大气水汽汇，夏季中国大部分地区也是水汽汇。讨论了中国夏季3类雨型与异常水汽输送的关系，结果表明中间型雨带对应中国东部有一支东北异常水汽输送和另一支西南异常输送在长江流域辐合；南方型雨带对应一支东北异常输送和另一支来自西太平洋副高西北侧的西南异常输送在华南辐合，北方型雨带对应中纬度西风异常输送与副高西北侧的西南异常常输送在华北辐合。     

基于TRMM数据的秦巴山区降水特征分析

本文利用1998～2015年TRMM卫星3B42的日降水资料,对秦巴山区的年降水量、季降水量、各个等级降雨日数、整个区域降水量的年际变化和季节变化进行了统计,同时还对各个不同降水类型的倾向率进行了统计,再根据他们的时空分布进行分析。结果表明：1)1998～2015年秦巴山区年平均降水量从东南到西北呈现依次递减的变化特征且呈带状分布, 山区南部的降水量明显高于北部,山区东西部降水差别不大;2)四个季节的平均降水均呈现“南高北低”的空间分布特征;3)无雨日数在整个山区呈增大的趋势,小雨日数在整个山区呈减少的趋势,中雨日数除山区东南外呈增大的趋势,大雨日数除重庆、河南、四川北部外基本呈增大的趋势,暴雨日数除山区东西部暴雨日数减少外其他地方都呈增加的趋势;4)整个山区年降水量随着时间的增长在缓慢的增多。     

气候变化对云南橡胶潜在种植区的影响

利用1981—2020年气象观测数据, 从种植气候适宜性区划角度分析气候变化对云南橡胶潜在种植区的影响。结果显示: 2011—2020年与1981—1990年相比, 云南南部和东部地区橡胶种植县大部地区的年平均气温升高0.6~0.8℃, 西部大部地区升高1.0℃以上; 哀牢山以东橡胶种植县大部地区1月平均气温升高0~1.0℃, 以西大部地区则升高1.0~2.0℃; 2011—2020年云南橡胶潜在种植区区划与1981—1990年相比, 最适宜区增加55.3%, 适宜区增加18.6%, 增加区域主要分布在哀牢山以西。云南橡胶潜在种植区发生明显变化, 气候变化使哀牢山以西地区更适宜橡胶种植和产业的发展。     

夏季青藏高原与热带西太平洋下垫面热源异常对中国短期气候的影响

本文利用一个两层全球大气环流格点模式进行了控制试验、青藏高原地表反照率增加及热带西太平洋海温升高等三个数值试验,以研究夏季这两个地区下垫面热源异常对短期气候变化的影响。结果表明,高原地面热源减弱将造成海平面气压场上亚洲大陆低压减弱;高原及其以西地区500 hPa高度下降,黄河以北地区高度升高;同时高原地区、江淮流域以及黑龙江流域降水减少,但从北疆、内蒙到辽河流域以及我国西南局部和东南沿海地区降水增加。热带西太平洋海温异常带来的变化与此不同.文中还就下垫面热源异常在短期气候预测方面的可能应用等问题进行了讨论。     

黄河流域蒸散发与气温和降水以及风速的相关性分析

黄河流经我国干旱半干旱地区,其流域蒸散发变化对当地的生态安全和经济发展尤其重要。本文利用欧洲中期天气预报中心第五代再分析产品（ERA5）定量分析了1979-2020年黄河流域蒸散发的时空变化特征,并结合气温、降水和风速数据,对黄河流域蒸散发与3种气候因子进行了相关性分析。结果表明：黄河流域蒸散发在1979-2020年呈波动下降趋势,空间分布差异明显,源区附近蒸散发上升,上游的干旱区附近蒸散发基本不变,而中游和下游地区主要呈现下降趋势。1979-2020年黄河流域气温持续上升,降水呈波动下降趋势,风速呈上升趋势。对黄河流域蒸散发与气候因子的相关性分析表明,蒸散发与气候因子的相关性空间差异较为明显,蒸散发与气温、风速呈负相关,与降水呈正相关的区域占流域的较大部分;而在复相关性方面,黄河流域大部分地区蒸散发与气候因子的相关性较强,其中以流域上游的干旱区附近复相关性最强。研究黄河流域不同地区蒸散发与气候因子的相关性可为黄河流域水资源的开发管理和区域气候调节提供科学参考。