Earth System Model FGOALS-s2: Coupling a dynamic global vegetation and terrestrial carbon model with the physical climate system model

Earth System Models （ESMs） are fundamental tools for understanding climate-carbon feedback. An ESM version of the Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model （FGOALS） was recently developed within the IPCC AR5 Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 （CMIP5） modeling framework, and we describe the development of this model through the coupling of a dynamic global vegetation and terrestrial carbon model with FGOALS-s2. The performance of the coupled model is evaluated as follows. The simulated global total terrestrial gross primary production （GPP） is 124.4 PgC yr-I and net pri- mary production （NPP） is 50.9 PgC yr-1. The entire terrestrial carbon pools contain about 2009.9 PgC, comprising 628.2 PgC and 1381.6 PgC in vegetation and soil pools, respectively. Spatially, in the tropics, the seasonal cycle of NPP and net ecosystem production （NEP） exhibits a dipole mode across the equator due to migration of the monsoon rainbelt, while the seasonal cycle is not so significant in Leaf Area Index （LAI）. In the subtropics, especially in the East Asian monsoon region, the seasonal cycle is obvious due to changes in temperature and precipitation from boreal winter to summer. Vegetation productivity in the northern mid-high latitudes is too low, possibly due to low soil moisture there. On the interannual timescale, the terrestrial ecosystem shows a strong response to ENSO. The model- simulated Nifio3.4 index and total terrestrial NEP are both characterized by a broad spectral peak in the range of 2-7 years. Further analysis indicates their correlation coefficient reaches -0.7 when NEP lags the Nifio3.4 index for about 1-2 months.     

青藏高原对亚洲夏季风爆发位置及强度的影响

通过数值模拟,研究了青藏高原位于不同经度位置时,亚洲夏季风的爆发和演变情况,从动力和热力学角度分析了青藏高原大地形对亚洲夏季风爆发位置的影响。结果表明,青藏高原的“热力滑轮”作用引起:高原东南面热带陆地上空的偏南气流加强,降水增加,凝结潜热加强;高原西南面热带陆地上空出现偏北气流,降水减弱,陆面的感热加热加强。青藏高原对于亚洲夏季风的爆发地点有锚定的作用,在热带海陆分布的背景下,使亚洲夏季风首先在高原东南面的海洋东岸—陆地西岸爆发,并使亚洲季风降水重新分布。     

太平洋年代际振荡与中国气候变率的联系

利用 195 1～ 1998年的太平洋年代际振荡 (PDO)指数、全球海洋和大气分析资料及中国降水和气温站点观测资料 ,分析了太平洋年代际振荡在海洋中的特征及其与东亚大气环流和中国气候变率的联系。结果表明 ,PDO与东亚大气环流及中国气候年代际变化关系密切。对应于PDO暖位相期 (即中纬度北太平洋异常冷、热带中东太平洋异常暖 ) ,冬季 ,阿留申低压增强 ,蒙古高压也增强 (但东西伯利亚高压减弱 ) ,中国东北、华北、江淮以及长江流域大部分地区降水偏少 ,东北、华北和西北地区气温异常显著偏高 ,而西南和华南地区气温偏低 ;夏季 ,海平面气压在北太平洋的负异常较弱 ,而在东亚大陆的正异常较强 ,东亚夏季风偏弱 ,西太平洋副热带高压偏南 ,热带太平洋信风减弱 ,赤道西风增强 ,此时华北地区降水异常偏少而长江中下游、华南南部、东北和西北地区降水异常偏多 ,东北、华北及华南地区气温异常偏高 ,而西北、西南和长江中下游地区气温异常偏低。对应于PDO冷位相期 ,上述形势相反。结果还表明 ,处于不同阶段的ENSO事件对中国夏季气候异常的影响明显受到PDO的调制。在PDO冷位相期 ,当ENSO事件处于发展阶段 ,华南地区夏季降水偏少 ,东北地区夏季多低温 ,在其衰减阶段 ,华北地区和长江流域降水偏多 ,淮河地区降水偏少 ;     

西北太平洋热带气旋频数的年际、年代际变化及预测

利用1950-2009年60 a的热带气旋资料、NOAA海温、NCEP再分析资料及74项环流指数等资料,研究了西北太平洋热带气旋频数的年际、年代际变化特征,结果表明,西北太平洋热带气旋生成频数既有显著的年际变化,同时也存在明显的年代际变化。自1950年以来,西北太平洋热带气旋频数经历了一个先增加再减少的过程,其中转折点在20世纪70年代中后期,与之相对应,热带气旋路径频数也呈现明显年代际变化。在此基础上,通过分析前期春季海温场、大气环流异常及环流指数与夏季(6-10月)热带气旋生成频数的相关关系,选取了影响夏季西北太平洋热带气旋活动频数的预测因子,建立了一个夏季西北太平洋热带气旋生成频数的多元回归预测模型。检验结果表明,该模型能较好地拟合1951-2003年夏季西北太平洋热带气旋生成频数的年际变化,拟合率为0.6。对2004-2009年夏季热带气旋生成频数的独立样本预测试验表明,该模型对夏季西北太平洋热带气旋活动频数具有较好的预测能力,可以为热带气旋业务预报提供一定参考。     

青藏高原地表位涡密度强迫对2008年1月中国南方降水过程的影响Ⅱ:数值模拟

青藏高原东坡近地表的辐合能够增加地表的位涡密度（PVD）。高耸的青藏高原与等熵面相切, 其东坡近地表增加的位涡密度成为等熵面边界上的位涡密度强迫源。利用IAP/LASG FAMIL全球大气环流模式探究青藏高原地表位涡密度增长对2008年初中国华南地区雨雪灾害天气形成的影响。首先与观测资料对比发现, 通过张弛逼近动力初始化, 在参照试验中, 模式能够比较合理地再现青藏高原东部的地表位涡密度增长和1月24-27日中国华南的大气环流场及降水场。而在高原的地表位涡密度增长减弱的敏感性试验中高原下游区域特别是华南沿海、广西到山东一带的降水明显减小甚至消失。对结果的分析表明:青藏高原区域的地表位涡密度增长在低空能够增强中国华南沿海地区的南风和水汽输送以及负的绝对涡度平流输送;在高空, 高原上产生的正的位涡密度沿西风环流向下游输送, 形成高层正的绝对涡度平流。从而在高原下游形成绝对涡度平流随高度增强的大尺度环流背景, 有利于上升运动发展。同时, 高原地表位涡密度增长在低空所激发的气旋式环流增加了华南的水汽输送, 最终激发了华南极端降水的产生。该个例模拟的结果证实了青藏高原东部的地表位涡密度强迫激发其下游极端天气发生的一种新机制。      

冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与大气环流和海温异常的联系

利用1979—2015年ECMWF逐日再分析资料,通过EOF分解和回归分析研究了冬季北太平洋大气低频环流的年际和年代际变化特征及其与海表面温度异常(SSTA)和大气环流异常之间的联系。研究结果表明:冬季中纬度北太平洋地区850 h Pa低频尺度环流存在3个明显的变化模态:第一模态为海盆尺度的单极型异常气旋(反气旋)式环流,同期太平洋SSTA呈现El Ni1o(La Ni1a)以及PDO暖位相(冷位相)空间分布,阿留申低压强度增强(减弱),对流层中高层是正位相(负位相)的PNA型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴中东部南压(北抬);第二模态为在白令海峡和副热带地区呈气旋式与反气旋式环流南北向偶极型变化,同时中纬度北太平洋SSTA呈现NPGO(North Pacific Gyre Oscillation)正位相(负位相)的空间分布,黑潮区域SSTA偏暖(偏冷),北太平洋SSTA经向梯度加大(减小),对流层中高层为负位相(正位相)的WP型遥相关,北太平洋天气尺度风暴轴整体偏北(偏南),强度增强(减弱);第三模态为北太平洋中西部和北美西岸呈气旋式与反气旋式环流东西向偶极型异常,黑潮区域SSTA偏冷(偏暖)而北太平洋东部SSTA偏暖(偏冷),SSTA纬向梯度加大(减弱),同时赤道东太平洋出现类似La Ni1a(El Ni1o)的SSTA分布,北太平洋天气尺度风暴轴中东部明显减弱(加强)而西部略有加强(减弱)。     

基于数据挖掘CART算法的区域夏季降水日数分类与预测模型研究

夏季降水日数的准确预测,对于保障农业、运输业、电力等行业的有序进行具有重要现实意义.利用连云港市气象局提供的1951—2012年夏季降水数据对连云港地区的降水日数特征进行分析,难以直观地发现夏季降水日数随时间分布的规律.为进一步探索降水日数的发生规律,结合国家气候中心网站提供的多种气候因子数据,基于CART决策树算法构建了连云港地区夏季降水日数是否偏多与是否偏少的分类与预测模型.该模型可以发现在多种气候因子不同条件下,夏季降水日数是否偏多（偏少）的规律,模型的分类与预测都具有良好的效果.利用52 a的数据样本训练模型,模型的训练准确率为90.38%（86.54%）,再用剩余10 a数据样本检验模型,测试准确率为80%（80%）,并且得到规则集,方便气象业务人员使用以及决策服务人员参考.同时,为降水日数的预测提供了数据挖掘的新思路.     

Simulating urban dynamics in China using a gradient cellular automata model based on S-shaped curve evolution characteristics

Cellular automata (CA) have been efficiently used to express the complexity and dynamics of cities at different scales. However, those large-scale simulation models typically use only binary values to represent urbanization states without considering mixed types within a cell. They also ignore differences among the cells in terms of their temporal evolution characteristics at different urbanization stages. This study establishes a gradient CA for solving such problems while considering development differences among the cells. The impervious surface area data was used to detect the urbanization states and temporal evolution trends of the grid cells. Transition rules were determined with the incorporation of urban development theory expressed as an S-shaped curve. China was selected as the case study area to validate the performance of the gradient CA for a national simulation. A comparison was also made to a traditional binary logistic-CA. The results demonstrated that the gradient CA achieved higher accuracies in terms of both spatial patterns and quantitative assessment indices. The simulation pattern derived from the gradient CA can better reflect the local disparity and temporal characteristics of urban dynamics. A national urban expansion for 2050 was also simulated, and is expected to provide important data for ecological assessments.     

会泽黑颈鹤自然保护区管理系统的设计与实现

为了实时掌握保护区珍稀动物的分布、生长情况和数量信息,该文以会泽黑颈鹤国家级自然保护区为研究对象,基于移动GIS和WebGIS技术构建会泽自然保护区信息管理系统。该系统以高清遥感影像为数据支持,将ArcGIS Server地图缓存技术融入其中,通过移动GIS进行自然保护区巡护信息采集并上传到后台服务器,采用WebGIS技术在网络客户端实时对后台服务器数据进行下载更新,从而实现移动端和网络端的信息同步。应用效果表明这种移动化、网络化的数据采集和管理模式,使自然保护区保护黑颈鹤及其越冬地的湿地生态环境工作更加科学、合理。     

Calibrating a Land Parcel Cellular Automaton (LP-CA) for urban growth simulation based on ensemble learning

The reliability of raster cellular automaton (CA) models for fine-scale land change simulations has been increasingly questioned, because regular pixels/grids cannot precisely represent irregular geographical entities and their interactions. Vector CA models can address these deficiencies due to the ability of the vector data structure to represent realistic urban entities. This study presents a new land parcel cellular automaton (LP-CA) model for simulating urban land changes. The innovation of this model is the use of ensemble learning method for automatic calibration. The proposed model is applied in Shenzhen, China. The experimental results indicate that bagging-Naïve Bayes yields the highest calibration accuracy among a set of selected classifiers. The assessment of neighborhood sensitivity suggests that the LP-CA model achieves the highest simulation accuracy with neighbor radius r = 2. The calibrated LP-CA is used to project future urban land use changes in Shenzhen, and the results are found to be consistent with those specified in the official city plan.