一个气候系统模式对小冰期外强迫变化的平衡态响应

本文利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的气候系统模式FGOALS_gl, 通过设定小冰期的太阳辐射变化, 模拟了小冰期的气候平衡态, 讨论了小冰期气候变化的机理。数值试验结果表明, 由太阳辐照度变化和火山活动共同作用造成的太阳辐射减少是小冰期气候的重要成因, 模拟的小冰期表层气温变化分布与重建资料在全球大多数地区较为一致。就全球平均情况而言, 小冰期的年平均气温较之1860年偏冷0.15℃, 较之20世纪平均情况偏冷0.6℃左右。小冰期温度变化存在显著的地域和季节特征, 表现为北半球降温幅度大于南半球, 高纬地区降温幅度大于低纬地区, 夏季的降温幅度大于冬季。东亚地区小冰期温度较之1860年和20世纪分别偏冷0.3℃和0.6℃。小冰期的降水异常中心位于低纬地区, 主要表现为赤道中东太平洋降水负异常和赤道中西太平洋降水正异常, 以及位于热带印度洋的降水偶极子型。除欧洲和北美外, 全球其他地区陆地降水均减少。东亚地区小冰期夏季降水的变化最为显著, 较之1860年, 华北、 东北地区降水增加, 而长江流域以南降水则减少; 较之20世纪, 东部降水异常表现出华北地区偏多、长江流域偏少、华南地区偏多的“三极型” 分布特征。     

新型人工引雷专用火箭及其首次引雷实验结果

成功研制了一种新型的人工引雷专用火箭, 火箭箭体结构采用了新型复合材料, 质量轻, 并具有空中抛伞和放线功能。利用新型火箭和全新的雷电流及同步电磁场测量技术, 在2009年的山东人工引雷实验 (SHATLE2009) 中成功引发负极性云对地放电过程3次, 共包括6次大电流回击过程, 采用0.5 mΩ的大功率同轴分流器和宽带光纤传输技术测量到了0.1 μs时间分辨率的雷电流波形、以及距雷电通道30 m、60 m和480 m处的电磁场和6000 f/s的高速摄像观测资料。6次回击的电流峰值分布范围为11.2～16.3 kA, 几何平均值12.8 kA; 半峰值宽度为7.4～34.9 μs, 几何平均值21.6 μs; 10%～90%峰值的上升时间为0.5～1.4 μs, 几何平均值1.0 μs。成功的人工引发雷电实验证明新型引雷火箭安全性能好、可靠性高, 其成功研制为雷电物理过程和效应的研究, 以及雷电流波形资料的积累提供了重要的技术手段, 对制定具有我国自主知识产权的雷电防护标准等具有重要的应用价值。     

北京北郊冬季大风过程湍流通量演变特征的分析研究

利用中国科学院大气物理研究所325 m气象观测塔1993年12月～1994年1月大气边界层实验资料, 计算分析了大风过境过程中47 m和120 m高度湍流通量演变特征及其影响因子, 以及与风速、 稳定度等参数的关系。结果表明: 大风过程对近地面层的物质能量输送有着重要影响, 大风之前出现短时间动量上传和热量下传; 大风过程中的湍流通量数值明显高于过境后, 水平方向湍流通量数值和能量增加幅度大于垂直方向; 当风速大于临界值5 m/s时, 湍流通量与风速、 湍流动能的相关迅速增大; 湍流谱特征表现为湍流能量的低频部分增加、 湍流谱曲线变宽; 大风能强烈影响近地面层的能量收支。     

印度洋偶极子与热带太平洋海洋表面温度异常多时间尺度相互作用初析

本文利用交叉谱方法, 将印度洋偶极子 (简称IOD) 与ENSO的相关关系分解到不同的时间尺度上来分析, 进而通过对海气耦合过程的初步分析, 讨论了不同时间尺度上IOD与ENSO的相互作用。结果表明, IOD与ENSO在准1～2年、 准3年、 准4年等三个时间尺度上存在显著相关, 同时, IOD还存在一个独立于ENSO的模态, 主要表现在准8个月时间尺度上。从海气相互作用的角度看, 在与ENSO相关的三个特征时间尺度上, IOD年际变率主要通过引发热带印度洋纬向风异常并且东传到太平洋, 从而引起热带中东太平洋海温的年际变率。与ENSO相对独立的IOD模态则没有类似的纬向风异常东传过程。此外, 在上述四个不同时间尺度上, 产生IOD变率的印度洋海气耦合过程不尽相同, 各具特点。     

季风爆发前后青藏高原西部改则地区大气结构的初步分析

通过2008年青藏高原西部改则地区季风前(FM)和季风爆发阶段(MJ)两个加强观测期的无线电探空资料发现: 青藏高原西部改则地区对流层顶以第二对流层顶为主。冬季多表现为双对流层顶或复对流层顶。到了夏季, 第一对流层顶 (极地对流层顶) 较少见, 基本只有第二对流层顶。季风前第一对流层顶高度为10752 m, 温度为219 K, 气压为245.2 hPa, 第二对流层顶高度16826 m, 温度为202 K, 气压93 hPa。季风爆发阶段, 第一对流层高度为10695 m, 温度229 K, 气压256.7 hPa; 第二对流层顶高度为17360 m, 温度198 K, 气压89.4 hPa。由两个观测期的月平均温度的升温情况可以判断出第二对流层顶温度夏低冬高, 第一对流层顶温度为夏高冬低。从小时的时间尺度上发现, 第二对流层顶的高度变化和对流层顶温度、气压、风速的变化均为反位相变化; 对流层顶升高时, 对流层顶气压、温度、风速、湿度随之降低, 反之也成立。第一对流层顶对地表向上的热量输送及云顶有很好的阻挡作用, 进而对大气加热有显著影响。从靠近地面的月平均风速均匀混合特征, 判断出季风爆发阶段改则地区边界层高度能达到3500 m左右。西风急流在高原改则地区有明显季节变化。冬季西风急流最强, 几乎没有东风带出现。季风爆发阶段西风急流逐渐离开改则地区并向高原北部移动, 在该地区表现为减弱。同时东风带逐渐北移到改则地区, 在该地区上空表现为逐渐增强, 并位于西风带之上。     

东亚季风系统的时空变化及其对我国气候异常影响的最近研究进展

本文回顾了关于东亚季风系统的时空变化及其对我国气候异常影响的最近研究进展。许多研究说明,东亚季风系统无论风场的垂直结构、年循环或是水汽输送和降水特征都明显不同于南亚和北澳季风系统,它是亚澳季风系统中一个相对独立的季风系统。并且,研究结果表明了东亚季风系统有明显的时空变化:其中夏季风系统在年际时间尺度上存在着一个准两年周期振荡和具有极向三极子异常的空间分布特征,并从20世纪70年代中后期起至今发生了明显变弱的年代际变化,这个变化在华北尤其显著;而东亚冬季风在年际时间尺度上存在一个准四年周期振荡,从20世纪80年代中后期起也发生了明显变弱的年代际变化,它引起了我国的持续暖冬。进一步的研究还揭示了东亚季风系统的变异是与海–陆–气耦合系统变异及其相互作用密切相关,因而,东亚季风系统可以看成是一个大气–海洋–陆地的耦合气候系统,即称之为东亚季风气候系统。此外,本文还从上述东亚季风气候系统的年际和年代际变异提出了长江流域严重洪涝灾害发生的气候学概念模型和华北持续干旱的气候背景。     

中国当代土地利用变化对黄河流域径流影响

使用区域气候模式(RegCM3)和大尺度汇流模型(LRM),研究中国地区土地利用/植被覆盖变化对黄河流域降雨径流过程的影响。RegCM3嵌套于欧洲数值预报中心(ECMWF)再分析资料ERA40,分别进行了中国区域在实际植被和理想植被分布情况下两个各15年(1987～2001年)时间长度的积分试验。随后,RegCM3 两个试验的输出径流结果分别用来驱动LRM。与观测资料的对比分析表明,在实际土地利用状况下,LRM能较好地模拟黄河河川径流的季节和年际变化。研究结果指出,当代土地利用引起了冬季黄河上游部分地区降水减少,中下游地区降水增加;引起夏季整个黄河流域降水的减少。总体来说,当代土地利用变化引起黄河流域年平均降水的减少。对于水文站河川径流量,除了冬春季略有增加外,其他月份河川径流均会减少,并且在9月减少最多。土地利用引起的植被退化造成黄河径流的大幅度减少,并且越向下游减少幅度越大,这可能是引起黄河下游断流的重要原因之一。     

三维城市地表反射率计算模式

地表反射率是控制地表能量平衡的一个重要参数。城市建筑物的分布具有较大的不均一性,这不仅给地基观测城市地表反射率带来了很大困难,数值模拟城市地表反射率也是非常困难的。作者开发了一个三维城市地表反射率模式city_photo,该方法结合了蒙特卡洛方法和几何光学方法的优点,具有较高的精度和较快的计算速度。通过引入城市地图的概念,该模式能够计算具有不同结构的城市的地表反射率。2002至2004年晴空MODIS（MODerate Resolution Imaging Spectroradiometer,中分辨率成像光谱辐射计）1~7通道可见光和近红外通道地表反射率资料被用来检验模式的有效性,位于北京朝阳区的中国科学院大气物理研究所的AERONET站点观测得到气溶胶光学特性和水汽资料,6S（Second Simulation of Satellite Signal in the Solar Spectrum）大气辐射传输模式被用来对其进行大气订正。模式计算的北京城市地表反射率个例与MODIS 7个通道地表反射率观测结果具有很高的相关性,相关系数在0.80~0.93之间,说明模式能够较好地模拟城市地表反射率随太阳和观测角度的变化情况。最后讨论了城市结构对城市地表反射率的影响。     

热带印度洋偶极子事件期间印度洋大气的变化——大气流函数场和势函数场的分析

大气环流的变异是热带印度洋偶极子（IOD）事件研究中的一个重要问题。本文从风场旋度分量和散度分量角度出发,利用观测资料和大气环流模式,对IOD事件发生时热带印度洋海区上空的大气环流变化进行了分析,揭示出风场不同分量在IOD事件期间的变化特征。研究结果表明,热带印度洋大气环流系统在IOD事件期间,旋度分量和散度分量在垂直方向上呈现明显的一阶斜压形式,而在水平方向上呈现明显的对称分布特征。对低空（850 hPa）来说,无辐散流函数距平场在IOD事件正位相期间表现为关于赤道对称的一对反气旋式环流;无旋度分量在IOD事件正位相期间的响应表现为东印度洋辐散、西印度洋辐合;大气环流的两种分量场均可以在赤道印度洋地区产生距平意义下的纬向东风,正是这种形式的距平东风使得IOD事件依靠海气系统正反馈机制得以维持和发展。而高空（200 hPa）大气环流形式刚好与850 hPa相反。     

几年来我国气候年际变异和短期气候预测研究的一些新成果

为了热烈庆祝中国科学院大气物理研究所成立80周年(1928～2008年),作者谨就五年来中国科学院大气物理研究所的科学家们完成的关于我国气候变异和气候预测方面的研究工作若干新成果作一些非常概要性的介绍,个中也包含一点所外科学家的工作。不周和不当之处只有请读者海涵和批评指正了。本文介绍的主要进展有三个方面:关于我国气候年际变异的研究、ENSO预测研究和数值气候预测研究。