北半球温带气旋的模拟和预估研究Ⅱ:6个CMIP5耦合模式预估的未来RCP4.5情景下的变化

利用 CMIP5（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5）的6个气候耦合模式中等排放情景———RCP4?5（典型浓度路径4?5）下的模拟结果对北半球温带气旋数目、风暴路径和强度的未来变化进行了研究分析。结果表明：（1）相对于20世纪后半叶,RCP4?5情景下的2053—2100年,虽然各模式的模拟结果存在一定的区域性差异,但共同显示了至21世纪末北半球整体温带气旋生成将减少,较低纬度减少得更显著。（2）模式较一致地模拟出未来北半球温带气旋的中心气压有降低的趋势,涡度强度将线性减弱。大多数的模式模拟得到北大西洋风暴轴未来将继续向极地偏移,但强度主要将减弱;过半的模式显示北太平洋风暴轴也将向极地偏移,强度变化则随季节的不同而不同。（3）6个模式的模拟结果均显示对流层中高层斜压区未来将向高层和高纬度扩展,南半球的变化更为显著。斜压区的变化在某种程度上反映了风暴轴的类似变化,因此, 这也支持了北太平洋和北大西洋风暴路径未来可能向极地偏移的结论。RCP4?5情景下北半球整体温带气旋活动将显著减少,但斜压区和风暴轴向高纬度的偏移将使较低纬度未来温带气旋活动减少得更为显著。     

BCC_AGCM2.1模式对平流层环流变化特征的数值模拟及其模式评估

使用国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM2.1的30年模拟试验资料,对平流层纬向环流场、高空急流、极涡及爆发性增温过程进行了数值模拟研究,并使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）和美国国家环境预报中心（NCEP）的再分析资料对模式输出结果进行了对比、分析。结果表明：（1） 在观测海温、二氧化碳、气溶胶等外强迫地驱动下,BCC模式能够很好地再现出与再分析资料一致的平流层纬向平均风场、温度场的分布特征和季节变化过程;模拟得到的温度廓线和高空急流与再分析资料的主要差别出现在南、北半球冬季的中高纬度地区;模拟得到的平流层温度普遍偏低,主要的差异位于对流层顶区域和平流层高层。（2） 模拟的对流层上层的副热带急流位置偏南、强度也偏弱,而平流层中的绕极极夜急流则位置偏北、强度更大。这样的急流分布特征使模拟的行星波向赤道的波导更强,向极的波导偏弱;同时由于模式中本身可以形成的行星波就比再分析资料弱,因此导致模拟结果中北半球冬季的平流层极涡更加稳定、极区温度更低。（3） BCC模式对于平流层极涡的季节变化特征模拟得较好,但对强极涡扰动过程,即北半球冬季的平流层爆发性增温（SSW）事件则模拟效果不佳,不论是增温事件出现的频率,还是增温的时间、强度,模拟结果和再分析资料都还存在一定偏差,需要在今后的工作中逐步改善。     

1921～2010年天津气温和降水量序列的多尺度分析

基于集成经验模态分解(EEMD)方法,对1921~2010年天津年平均气温和降水量序列进行了多尺度分析。并结合功率谱对年平均气温和年降水量及其本征模态函数(IMF)分量进行周期分析。结果表明:天津年平均气温的变化主要是由第1、第2本征模态分量和趋势项构成,即准5 a和2~3 a的振荡与"先降后升"的长期趋势变化起主要作用。而第4、第5本征模态分量则反映出天津近90年来气温年代际尺度的冷暖变化,它们对1920年代至1940年代的暖期以及1950年代至1970年代的冷期有重要贡献。降水量的变化主要由第1、第2本征模态分量构成,即4.5 a、准9 a和2~3 a的振荡起主要作用。与气温序列相比,降水序列中年代际尺度的变化和长期趋势的贡献明显要小得多,但也反映了1980年代以后降水减少的趋势。     

近50年中国大陆冬季气温和区域环流的年代际变化研究

利用中国大陆468 个站点1960～2013 年逐日气温资料,本文首先对中国冬季气温的年代际变化特征进行分析。通过气候跃变检验分析发现,中国冬季气温在整体变暖的趋势上叠加有年代际波动,可划分为冷期、暖期和停滞期三个时期。本文对比三个时期的冬季大气环流发现,冷/停滞期（暖）期西风环流减弱（增强）而东亚大槽增强（浅薄）,槽后的辐合下沉增强（削弱）,西伯利亚高压增强（减弱）,这加强（削弱）了东亚冬季风,冷空气更多（少）侵入中国大陆地区,冬季气温偏低（高）。北半球环状模/北极涛动（Northern Hemisphere Annular Mode,NAM/Arctic Oscillation,AO）正是通过东亚冬季风系统对中国冬季气温,尤其是冬季最低气温有很强的年代际影响。太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation,PDO）与中国冬季气温在年代际上也有很好的正相关关系。进一步将PDO 的年代际变化分量作为背景,分析NAM/AO 和厄尔尼诺—南方涛动（El Nino Southern Oscillation,ENSO）不同配置下的东亚冬季风环流场可以发现,两者的配置作用不仅影响着中国冬季气温一致变化型的年代际波动,而且也可以影响到冬季气温南北反相振荡型的变化,这从一个方面解释了1980 年代和1990年代北方变暖较强及最近十年北方降温趋势较为明显的原因。     

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制Ⅱ.涡旋Rossby波的形成

使用二维中尺度横波型扰动的动力学方程组,探讨了该扰动的各种物理量场分布特征以及能量来源.结果表明,这种横波型的天气系统中扰动气压p'和扰动涡度ζ'在水平x方向上处于同位相或者反位相,扰动散度D'和扰动垂直速度w'在水平x方向上也处于同位相或者反位相,而扰动涡度ζ'与扰动散度D'在x方向上传播的位相相差π/2,只不过它们在垂直方向z上的分布结构有所不同.局地区域扰动发展的总能量来源主要是来自于平均场的有效位能和平均场的基流动能.最后,利用横波型扰动的总涡度守恒方程对涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释,并且提出了梅雨锋暴雨中β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理过程.采用中尺度MM5模式的数值试验结果,也得到了与动力学理论上相一致的结论.     

海表温度和地表温度与中国东部夏季异常降水

主要研究太平洋与印度洋海表温度和地表温度场与中国东部夏季降水的相关关系,以及异常大降水产生的下垫面条件.研究结果表明:(1)夏季黑潮区海温与同期长江流域的降水存在明显正相关,北方地区夏季降水与靠近非洲东岸的印度洋海域存在明显负相关.(2)夏季海温异常与同期中国降水异常场之间的相关分析(SVDI)表明,20世纪70年代后期当海温由La Nina多发期向El Nino多发期转变后,长江流域向异常多雨转变,而其北方和南方地区则向异常少雨方向发展.(3)中国东部区域降水与陆面温度的明显相关区有:(a)春,夏季热带非洲和夏季亚洲大陆部分地区地表温度与当年长江流域夏季降水存在显著正相关;(b)春季4、5月份部分亚洲大陆地表温度与当年华北地区夏季降水有明显负相关.(4)通过对比分析发现:长江(1954,1998和1999年)或江淮(1991年)流域几次特大异常降水的下垫面条件是黑潮区为海温正距平,同期欧亚大陆主要为正地表温度距平场.     

季风暖湿输送带与北方冷空气对“7·21”暴雨的作用

2012年7月21—22日北京地区发生了1951年以来最严重的特大暴雨,北京地区许多台站日降水量创下1951年以来的历史新纪录。利用NCEP/NCAR再分析资料以及台站降水资料,对引起此次特大暴雨的大尺度条件进行分析,重点研究“7·21”大暴雨与赤道辐合带、亚洲夏季风以及菲律宾-南海洋面上热带气旋之间的密切关系。研究表明亚洲夏季风的异常北进作为暖湿输送带所携带的大量偏南暖湿空气为这次特大暴雨的发生提供了充沛的水汽条件,它与同时来自北方低槽冷涡的高空强冷平流相遇,形成了明显的不稳定层结。没有这种强烈的水汽输送,仅靠来自中高纬度南下的冷空气作用,这次暴雨不会达到破纪录的强度。进一步研究表明,季风暖湿输送带的北推与亚洲季风30～60天季节内振荡的活跃期密切相关。在这个时期产生的季风涌触发和维持了季风暖湿带的迅速向北推进过程。另外,通过与另一次严重影响华北地区的1963年8月上旬的“63·8”大暴雨的大尺度环流条件的比较发现,这次暴雨过程中也观测到明显的季风暖湿输送带,正是由于它与北方冷空气的强烈相互作用,从而也造成了破纪录的大暴雨发生。因此,强的季风暖湿输送带的北进可以说是北方特大暴雨发生的必要条件。      

气候变化对我国若干重大工程的影响

全球气候变化,特别是升温、降水强度增加以及极端天气气候事件频发,会通过影响重大工程的设施本身、重要辅助设备以及重大工程所依托的环境,从而进一步影响工程的安全性、稳定性、可靠性和耐久性,并对重大工程的运行效率和经济效益产生一定影响,气候变化还对重大工程的技术标准和工程措施产生影响。本文以青藏铁路（公路）工程、高速铁路工程、重大水利水电工程为典型工程阐述气候变化对重大工程的影响。青藏铁路（公路）沿线的冻土环境的热平衡极易打破,多年冻土环境一经破坏,难以恢复,气候变化已经使多年冻土环境发生变化,并且未来的多年冻土退化在全球变暖的背景下将变得更加严重。未来中国地区的地表气温、年平均降水量、台风等都将发生变化,极端天气气候事件频发,影响我国高速铁路的气候变化向着不利于高铁工程的趋势发展,将给高铁基础设施的服役寿命以及高铁运输秩序等方面带来影响。气候变化导致的温度变化、降水变化,改变了水资源的时空分布规律,对水工程和水安全在水量分配和调度、水资源利用和水文风险管理等产生影响。     

全球海气耦合模式（BCC_CM1.0）对江淮梅雨降水预报的检验

以国家气候中心全球大气-海洋耦合模式(BCC-CM1.0)20年的预报产品为基础,重点分析了该模式对中国江淮梅雨的预报能力以及梅雨预报中存在误差的可能原因.试验表明:BCC-CM1.0对江淮梅雨降水有一定的预报能力,模式基本上能够预报出气候态下梅雨降水的空间分布特征.尽管其方差贡献率和时间系数与观测相比有偏差,但模式还是能够预报出梅雨降水的主要模态.气候平均下,BCC-CM1.0模式预报的梅雨雨带位置偏北,因而预报的江淮流域长江以北降水偏多,而长江以南预报的降水偏少.同时发现模式对江淮流域梅雨期中等强度降水预报较好,雨强概率分布与观测结果基本一致,而对大雨强降水和小雨强降水预报相对较差.合成分析发现,江淮流域雨带偏北、降水偏少时,模式的预报能力较好;而江淮流域雨带偏南、降水偏多时,模式预报能力相对较差.BCC-CM1.0对高度场的预报普遍偏低,尤其是在青藏高原上空有一个虚假的低值中心,对副热带高压的预报也偏弱,这样使得东亚季风区气压梯度增加,从而导致预报的东亚夏季风偏强、向北推进的幅度加大,最终致使预报的梅雨雨带偏北.此外,比湿场预报的偏差也可能是造成梅雨雨带偏北的原因之一.     

探空资料中的人为误差对中国温度长期变化趋势的影响

利用1958～2005年探空温度序列, 通过质量控制、均一化处理和序列缺测率分析, 探讨了探空资料中人为误差对中国高空气温变化趋势的影响。中国探空温度序列存在明显的间断点, 72%的序列包含2～4个间断点。相应的订正总体上降低了1958年以来平流层低层降温和对流层升温趋势, 如700 hPa和100 hPa平均趋势值分别降低0.12 K/10 a和0.04 K/10 a。缺测率是气温区域平均趋势估算的重要参数, 30%作为最大缺测率是中国探空温度序列适宜的取样标准。提高取样标准 (台站数减少) 使1958～2005年间对流层上层和平流层下层的降温趋势减弱。中国高空气温变化趋势与全球或北半球大体一致, 但也有不同特点: 500 hPa以下大气趋于升温, 以上则趋于降温, 最大降温趋势位于对流上部的300 hPa, 而且各气候区间区域差异性十分明显。