环境场对边界层低空急流形成的影响

本文利用两层流的浅水波模式,讨论了环境场对边界层低空急流形成的影响,并得到了边界层低空急流的特征宽度为L₀=(ρ₂-ρ₁)/(ν₂ρ₂-ρ₁ν₁)L₀*C₀*,式中C₀*=√gh₂, L₀*=C₀*/f为Rossby变形半径,ρ₁,p₂和v₁,v₂分别为上下两层大气的密度和大尺度经向地转风,H₂为低层大气的厚度,g为重力加速度,f为柯氏参数,当高低层大气中的大尺度经向地转风的垂直切变越强时,所形成的中尺度边界层低空急流就越强;当低层大气中的温度增高和湿度增大、并且低层大气中的大尺度经向地转风越强、高度越低时,越有利于形成边界层低空急流。      

德州70 cm高度气温与地面温度的关系初探

利用统计学和气象学原理,对德州2008年1月1日—12月31日德州70 cm高度的气温(用T₇₀表示)与地面温度（用T₀表示）中08、14时和20时及日平均资料进行分析。结果表明：冬半年08时T₇₀＞T₀（或T₇₀≈T₀）;夏半年T₇₀＜T₀,6月差值最大,为-2.6℃。14时全年都是T₇₀＜T₀,3月差值最大,为-12.1℃。20时全年基本都是T₇₀＞T₀。就日平均而言,全年都是T₇₀＜T₀。运用回归分析法建立了以T₀为基础的T₇₀预测模型,经检验表明,3—9月预测准确率较高,可以满足当地农事需要。     

一维气候时间序列所包含的浑沌吸引子的Kalmogorov熵的确定

本文采用上海16年(1970—1985年)逐日平均气压资料,用相空间延拓的方法,计算了它的关联维D和Kalmogorov熵的近似值二阶Renyi嫡K₂。得到D=7.7～7.9,为分数值,K₂约为0.1,是一正数值。证明我国季风区短期天气吸引子是一种浑沌运动。由K₂数值直接估计可预报时间T=(1K₂)约为十天,与早期动力统计学方法所得的可预报时间尺度相一致。 本文计算中,考察了相空间拓展时延滞τ的效应。计算结果表明:关联维D和K₂对τ均是收敛的。对本文所用上海逐日平均气压序列,用延滞τ=5延拓的相空间,各坐标分量是相互独立的,系统动力学特征量是稳定可靠的。      

中国参与长期（2000-2050年）CO2减排的情景选择

利用国外较为成熟的气候与经济综合评估模型（DICE/RICE）,通过调整CO₂排放控制率,对我国2000-2050年的若干CO₂排放情景进行了设定,在保证大气CO₂总量稳定的前提下开展了若干CO₂减排方案下我国CO₂排放量、经济发展水平和效用水平的影响评估。研究结果表明,若干CO₂减排方案都可以使未来200年的全球平均地表温度增量控制在3.2℃的气候安全阈值范围内,都可以有效地保护全球气候安全。当我国到2050年的CO₂排放量从2000年的253%控制为50%时,国内生产总值(GDP)的下降幅度从0.33%增加到12.22%,相对应的效用值的下降幅度从0.00422增加到0.09946,其下降幅度都随CO₂减排额度的加大而增加。为此,我国将要追加621.96亿～13784.73亿美元的气候投资,占GDP的0.19%～10.5%。因此,从最大程度地减少实施减排所需要的气候投资和对我国经济影响的角度出发,我国应该优先选择到2050年CO₂排放量控制为2000年的253%这个方案。     

Models-3模式中增加移动源清单对模拟效果的影响

采用空气质量模式Models-3,在原有点源和面源污染源输入清单的基础上,加入移动污染源,对辽宁地区2004年12月24—27日大气污染物时空分布进行数值模拟。结果表明,加入移动污染源后,辽宁主要城市污染物SO₂、NO₂和PM₁₀模拟效果有所提高,NO₂模拟效果提高最为明显;从总体模拟效果来看, SO₂和NO₂模拟效果较好,而PM₁₀模拟值相对较差。     

1975-2005年中国铁路机车的CO2排放量

基于我国铁路部门逐年统计数据,计算了1975-2005年我国铁路机车的CO₂排放量,分析了我国铁路机车CO₂排放强度及其变化特点。结果表明,由于蒸汽机车不断被内燃机车和电力机车所取代,我国蒸汽机车CO₂年排放量逐年降低,内燃机车的CO₂年排放量逐年上升,铁路机车CO₂总排放量由1975年的4223万t降至2005年的1640万t,CO₂排放强度呈现明显的降低趋势,年均降低2.4 g /换算吨公里。我国铁路机车的CO₂排放量占整个交通运输仓储和邮政行业CO₂排放量的比重也呈逐年降低趋势。     

基于多目标规划的中国二氧化碳减排的宏观经济成本估计

CO₂减排的宏观经济代价对处于不同发展阶段的国家有着巨大的差异,对此给出科学的估计具有重要的科学和现实意义。本文运用基于投入产出的多目标规划对中国CO₂减排的宏观经济成本进行了估算。结果表明：CO₂排放控制对我国经济的影响十分显著,在目前条件下,我国2010年CO₂减排的宏观经济成本为3100～4024元/t CO₂;而且减排的力度越大,相应的单位减排的宏观经济成本越高。采掘业、石油行业、化学工业、金属冶炼等行业和部门是CO₂的高排放部门,但同时也是实现减排较有潜力的部门。     

2010年民勤沙地近地面沙尘气溶胶浓度特征

为了更好地研究沙尘气溶胶起沙和输送特征,2010年4—5月,在民勤周边沙地利用EZ LIDAR ALS300&ALS450型激光雷达和 GRIMM 180型颗粒物采样器进行了大气气溶胶的外场连续观测,取得了晴天、浮尘、扬沙和沙尘暴天气条件下沙尘气溶胶总后向散射垂直剖面图和PM₁₀、PM_2.5、PM_1.0质量浓度采样资料,其中包含“0424”特强沙尘暴过程资料。结果表明：春季民勤近地层大气中沙尘气溶胶浓度较高,且随气象要素的变化很大;在整个观测期内,PM₁₀、PM_2.5、PM_1.0的平均质量浓度分别为202.3、57.4 μg/m³、16.7 μg/m³。在不同天气条件下,PM₁₀、PM_2.5、PM_1.0质量浓度的变化有很好的相关性,但变化趋势有所不同。在沙尘暴天气条件下,PM₁₀的日平均质量浓度高达2469.1μg/m³,是背景天气条件下PM10日平均质量浓度的100多倍,是浮尘天气条件下PM10日平均质量浓度的8倍,是扬沙天气条件下PM₁₀日平均质量浓度的2倍。PM_2.5在沙尘暴天气下日平均质量浓度为460.3 μg/m³,是背景天气条件下PM_2.5日平均质量浓度的45倍,是浮尘天气条件下PM_2.5日平均质量浓度的6倍,是扬沙天气条件下PM_2.5日平均质量浓度的1.4倍。PM_1.0在沙尘暴天气条件下的日平均浓度为92.7 μg/m³,是背景天气条件下PM_1.0日平均浓度的13倍,是浮尘天气条件下PM_1.0日平均浓度的7倍,是扬沙天气条件下PM_1.0日平均浓度的1.3倍。可见,风速增大时沙尘粒子浓度的增加对粒子粒径是有选择的,小粒子比重随沙尘浓度增加而相对减小,大粒子比重随沙尘浓度增加而相对增多;通过对“0424”特强沙尘暴过程的研究表明,一次沙尘暴过程往往包括沙尘暴、扬沙和浮尘天气中的两种类型;通过对激光雷达数据分析发现,在强沙尘暴发生过程当中,民勤沙地发生了非常严重的风蚀起沙现象。     

辽宁地区不同降水云系雨滴谱参数及其特征量研究

利用位于辽宁省沈阳市和辽阳市的Parsivel（Particle Size and Velocity）激光雨滴谱仪观测到的雨滴谱资料按照积雨云降水系统、积层混合云降水系统和层状云降水系统分析雨滴谱特征量和谱参数的平均特征及随时间的演变特征。结果表明:Gamma分布拟合谱参数N₀和λ按照层状云、积层混合云和积雨云的顺序减小,谱参数μ按照层状云、积层混合云和积雨云的顺序增大;直径小于1 mm的降水粒子对数浓度的贡献最大,直径大于1 mm的降水粒子对雷达反射率的贡献最大;M-P分布的谱参数N₀与雨强I具有幂函数关系,并且随着雨强I的增大而增大,谱参数λ与雨强I具有指数函数关系,随着雨强I的增大而减小。     

2003年春季陕西省层状云降水的雨滴谱特征

文章给出了陕西省春季（2003年）层状云降水雨滴谱部分特征,这些特征与降水天气系统密切相关。降水产生于混合云,各层系统配置适当,有较厚冷层云和相接的暖层云,雨滴数浓度大可达10³m^-3,雨滴谱较宽可达0.32 cm。反之数浓度较小(10²m^-3,谱较窄（0.22 cm）。其中直径0.1 cm以下雨滴谱约占总浓度的80%以上,而对雨强的贡献小于20%。0.1～0.2 cm雨滴是雨强的主要分量,它平均占48%～77%。雨滴谱多数呈非单调下降分布,三参数分布n（D_i）=n₀D^αe^-λD明显优于指数分布n（D_i）=n₀e^-λD。     

低纬大气振荡的一个非线性模式

本文根据低纬大气基本要素场的分布特点,对控制低纬大气运动的方程组作了某些简化,建立了一个应用赤道β平画近似的描写低纬大气固有振荡的非线性模式。从这个模式出发,本文讨论了:(1)没有气压场影响时的纯惯性振荡;(2)考虑气压场且假定气压场是y的对称函数时的惯性振荡;(3)振荡平衡点的稳定性和在一定条件下出现的分岔现象;最后分析了纬向风速振荡周期变化的数值结果。本文研究指出: (i)纯惯性振荡只是在低纬的西风流场中才存在,纯惯性的线性振荡的圆频率为ω₀=√β₀μ₀*,相应的振荡周期为一到两周。在非线性条件下,出现两种圆频率的振荡:ω₀=√β₀μ₀和ω₁=1/2β₀y₀,但一般对线性振荡的结果影响不大,只是在出现孤立子振子时(此时ω₁=ω₀),振荡周期迅速增长,出现长周期的低频和超低频振荡。 (ii)考虑了气压场后,不只是在低纬的西风流场中存在振荡,在弱东风流场中也会出现振荡。不过,低纬的弱气压场对惯性振荡的影响主要在于改变惯性稳定度的数值,但对振荡的周期影响不大。 (iii)惯性振荡的稳定性由惯性稳定度参数μ决定。在线性条件下,当μ<0时,低纬惯性振荡是稳定的,当μ>0时,低纬惯性振荡是不稳定的;但在非线性条件下,即便在μ>0时也会出现稳定的惯性振荡,这是非线性对不稳定增长的抑制作用所致。因而当参数μ由负值变到正值时,在b<0的条件下出现了超临界分岔。      

Broadband extinction method to determine atmospheric aerosol optical properties

The equivalent wavelength ( λ _E), at which the aerosol optical depth (AOD) is equal to broadband AOD (BAOD), can change in a wide range from 0.619 μm to 1.575 μm in the usual aerosol conditions. By using the least squares technique and some empirical corrections, a parameterized relationship of λ _E with BAOD, Ångström wavelength exponent ( α ), solar zenith angle ( θ ₀) and H₂O amount is developed. Using this relationship, and based on the strong sensitivity of BAOD on θ ₀ when θ ₀>70°, the broadband extinction method to derive the spectral AOD and α is further proposed. As shown in comparative simulations to retrieve AOD by the present, Molineaux et al. and Gueymard methods, the present method has the best accuracy in most simulations using Junge, MODTRAN, log‐normal and Deirmendjian aerosol models. A key question of the pyrheliometer method to determine wavelength-dependent AODs is the effect of uncertainty in the aerosol size istribution. It is found that the AOD solution around λ _E is less sensitive to the uncertainty. The wavelength exponent α is derived using an assumption of the stable atmospheric turbidity. If the pyrheliometer data from θ ₀=85° to 70° are used and the change of the turbidity is ±10%, the error of solution α is usually within ±0.32. If the variation of the turbidity is random, the mean value of a lot of the measurements of α would be very reasonable.     

全球大气位势高度场气候变率的球函数分析

为了研究全球大气位势高度场的气候变率, 利用NCEP/NCAR再分析资料, 按照距平高度场平均强度指数 (Ia) 分析发现, 半球距平高度场强度呈年单周振荡, 冬大夏小, 冬季随高度单调增大, 夏季有弱高、低值中心出现, 而北、南半球的差异明显表现在季节变化上; 进一步根据半球大气位势高度距平场球函数谱低维、低阶的基本特征, 将半球环流异常分为半球均匀异常 ( H ′00)、纬向均匀异常 ( H ′0)、超长波尺度异常 ( H ′ul) 和长波尺度异常 ( H ′l) 4种类型, 用波数域0≤m, k≤6上的球函数系数资料求得它们的方差贡献, 给出了4类异常的方差贡献随高度、季节变化的规律以及它们的半球际差异。由此得到异常环流球函数谱结构的总体特征为:对流、平流层之间存在明显变化。从对流层进入平流层, 一般由超长波异常为主转为纬向均匀异常为主 (冬半球) 或半球均匀为主 (夏半球); 半球均匀异常在对流层中不重要, 长波尺度异常在平流层中不重要, 它们拟合异常方差一般均小于10%; 北、南半球最大差异表现在冬季平流层R′00和冬、夏季对流层R′0南半球大于北半球, 冬、夏季对流层R′l北半球大于南半球。     

Potential impact of climate change on marine dimethyl sulfide emissions

Dimethyl sulfide (DMS) is a biogenic compound produced in sea-surface water and outgased to the atmosphere. Once in the atmosphere, DMS is a significant source of cloud condensation nuclei in the unpolluted marine atmosphere. It has been postulated that climate may be partly modulated by variations in DMS production through a DMS-cloud condensation nuclei-albedo feedback. We present here a modelled estimation of the response of DMS sea-water concentrations and DMS fluxes to climate change, following previous work on marine DMS modeling ( Aumont et al., 2002 ) and on the global warming impact on marine biology ( Bopp et al., 2001 ). An atmosphere–ocean general circulation model (GCM) was coupled to a marine biogeochemical scheme and used without flux correction to simulate climate response to increased greenhouse gases (a 1% increase per year in atmospheric CO₂ until it has doubled). The predicted global distribution of DMS at  1 × CO₂  compares reasonably well with observations; however, in the high latitudes, very elevated concentrations of DMS due to spring and summer blooms of Phaeocystis can not be reproduced. At  2 × CO₂  , the model estimates a small increase of global DMS flux to the atmosphere (+2%) but with large spatial heterogeneities (from −15% to +30% for the zonal mean). Mechanisms affecting DMS fluxes are changes in (1) marine biological productivity, (2) relative abundance of phytoplankton species and (3) wind intensity. The mean DMS flux perturbation we simulate represents a small negative feedback on global warming; however, the large regional changes may significantly impact regional temperature and precipitation patterns.     

Reconciliation of excess 14C-constrained global CO2 piston velocity estimates

Oceanic excess radiocarbon data is widely used as a constraint for air–sea gas exchange. However, recent estimates of the global mean piston velocity  〈 k 〉  from Naegler et al., Krakauer et al., Sweeney et al. and Müller et al. differ substantially despite the fact that they all are based on excess radiocarbon data from the GLODAP data base. Here I show that these estimates of  〈 k 〉  can be reconciled if first, the changing oceanic radiocarbon inventory due to net uptake of CO₂ is taken into account; second, if realistic reconstructions of sea surface  Δ¹⁴C  are used and third, if  〈 k 〉  is consistently reported with or without normalization to a Schmidt number of 660. These corrections applied, unnormalized estimates of  〈 k 〉  from these studies range between 15.1 and 18.2 cm h⁻¹. However, none of these estimates can be regarded as the only correct value for  〈 k 〉  . I thus propose to use the 'average' of the corrected values of  〈 k 〉  presented here (16.5 ± 3.2 cm h⁻¹) as the best available estimate of the global mean unnormalized piston velocity  〈 k 〉  , resulting in a gross ocean-to-atmosphere CO₂ flux of 76 ± 15 PgC yr⁻¹ for the mid-1990s.     

A recent build-up of atmospheric CO2 over Europe. Part 1: observed signals and possible explanations

We analysed interannual and decadal changes in the atmospheric CO₂ concentration gradient (ΔCO₂) between Europe and the Atlantic Ocean over the period 1995–2007. Fourteen measurement stations are used, with Mace-Head being used to define background conditions. The variability of ΔCO₂ reflects fossil fuel emissions and natural sinks activity over Europe, as well as atmospheric transport variability. The mean ΔCO₂ increased by 1–2 ppm at Eastern European stations (∼30% growth), between 1990–1995 and 2000–2005. This built up of CO₂ over the continent is predominantly a winter signal. If the observed increase of ΔCO₂ is explained by changes in ecosystem fluxes, a loss of about 0.46 Pg C per year would be required during 2000–2005. Even if severe droughts have impacted Western Europe in 2003 and 2005, a sustained CO₂ loss of that magnitude is unlikely to be true. We sought alternative explanations for the observed CO₂ build-up into transport changes and into regional redistribution of fossil fuel CO₂ emissions. Boundary layer heights becoming shallower can only explain 32% of the variance of the signal. Regional changes of emissions may explain up to 27% of the build-up. More insights are given in the Aulagnier et al. companion paper.     

北京等7个气象台站太阳总辐射观测资料的准确度评估

基于地面太阳短波总辐射对气溶胶光学特性和地表反照率的敏感性, 该文提出了一个评估我国气象台站总辐射资料准确度的方法。该方法选用气溶胶光学厚度和太阳天顶角较小情形下的晴天辐射资料, 从太阳直射辐射反演气溶胶光学厚度, 用于计算宽带透过率, 再从该透过率和总辐射资料反演太阳常数E0, P, 并采用E0, P对世界辐射基准 (WRR) 的偏差表示总辐射资料的不确定性。模拟结果表明:气溶胶折射率虚部和大气柱水汽含量的输入误差是两个主要的评估不确定因子。用于准确度评估的资料越多, 越有利于平滑气溶胶、水汽含量等输入参数随机误差的效应, 评估结果越合理。应用这一方法, 该文评估了2000— 2004年我国沈阳、额济纳旗、北京、乌鲁木齐、格尔木、上海和广州7个气象台站总辐射资料的准确度。7个站共有1161个太阳常数反演值, 都满足太阳天顶角余弦 (μ0) 大于0.7的条件。这些E0, P值对WRR的最大偏差为7.33%, 97.78%的E0, P值对WRR的偏差小于5%, 总平均E0, P值对WRR偏差只有-1.15 %。依据这些结果, 当μ0≥0.7时, 这些台站的晴天总辐射资料的不确定度估计为5%。     

宁夏枸杞花期霜冻指标试验研究

2019年3—5月利用人工霜冻模拟箱进行枸杞现蕾期、初花期和盛花期霜冻指标试验,模拟-8～-1℃、持续1～6 h的32组不同低温和持续时间处理组合,根据室内霜冻模拟试验冻后观测结果,将受冻症状划分为3个级别,并统计每个级别的受冻率,制定霜冻等级判断标准,建立基于低温、持续时间、受冻级别和受冻率的霜冻指标;利用2018年3—5月13个点次的大田霜冻试验结果和25个枸杞种植区自然霜冻调查结果验证霜冻指标。结果表明:枸杞霜冻与低温及其持续时间密切相关,温度越低、持续时间越长,霜冻越重;现蕾期抗冻性最强,初花期抗冻性明显较现蕾期弱,盛花期一定程度上较初花期弱。利用霜冻指标判断的结果与实际灾害情况符合率较高,具有较强的实用性,可作为枸杞花期不同阶段的霜冻灾害预报及评估依据。     

气溶胶光学厚度谱特征判断粒子大小方法初探

当气溶胶谱满足Junge分布时,Angstrom指数 (α) 可以准确地描述粒子大小,但真实大气气溶胶很少完全满足这一条件,仅用α判断粒子大小会有较大出入。基于北京、香河、兴隆、太湖4个Aeronet观测站21世纪以来各站历时都超过1年的气溶胶光学厚度资料,获得5511组lnτ与lnλ的二次拟合参数a2,a1,尝试找到一种结合α,a2,a1判断粒子大小的方法。结果表明：当气溶胶为粗粒子时 (Vfine/Vtotal＜0.2),α均小于0.75,仅用α就可以较好地判断粒子大小,但当气溶胶以细粒子为主时 (Vfine/Vtotal＞0.7),该方法会有较大出入,此时a2,a1可以有效地辅助α判断粒子大小,α＞0.75,a2＜-0.5或a2＜-0.5,a1＜-1.0是较好的判据。此外,分析发现国外研究提出的用a2-a1判断粒子大小的方法效果并不理想,尤其在1＜a2-a1＜2的情况下,粒子的组成有多种可能。     

地面雨滴谱观测的图像自动识别方法

获得准全球雨粒子谱(DSD)特征对研究降水具有重要科学意义,并在测雨雷达探测反演降水中具有重要应用价值。利用2014—2020年6—8月美国航空航天局(NASA)戈达德飞行中心(GFSC)提供的2ADPR数据以及欧洲天气预报中心再分析数据(ERA5),分析了准全球DSD参数(粒子中值直径D₀、粒子浓度参数dBN_w)和降水反射率因子(PRF)的三维结构特征,并对不同纬度带及青藏高原地区DSD参数和PRF三维结构特征的区域差异及海陆差异进行了对比和讨论。结果表明：DSD参数D₀和dBN_w的空间分布型不同,表现为dBN_w大值区(＞35)具有小D₀(＜1 mm),而dBN_w低值区(＜30)具有大D₀(＞1.2 mm)。近地面各纬度带上陆地平均D₀均大于洋面,但平均dBN_w均小于洋面,且热带及北半球地域的海陆差异很大。PRF的垂直分布主要由D₀决定,dBN_w为次要因子。D₀平均垂直分布廓线表明大、中、小降水粒子的主要微物理过程存在差异,dBN_w的廓线表明高层平均降水粒子浓度小于低层。和陆地其它区域相比,青藏高原DSD参数和PRF的概率密度分布最为集中,且降水粒子尺度最小、浓度偏低。