北极放大反馈机理研究进展及未来“新北极”背景下中-高纬度耦合反馈机理展望

近年来全球变暖加剧,北极海冰快速融化,北极近地面增温速率是全球平均的2~4倍,即北极放大效应。北极放大不仅影响北极地区的气候与生态环境,还会造成极外地区的极端天气气候事件频发。北极放大的形成需要有使北极增温的正反馈过程持续作用,目前被广泛接受的正反馈机理包括冰雪反照率反馈、温度反馈(包含普朗克反馈和温度直减率反馈)、水汽和云反馈等。但这些基于辐射平衡的热力正反馈过程仅能贡献北极放大约1.4~2.3倍的增暖速率,远远低于当前近4倍的北极放大率。在包含了上述多种正反馈机制共同作用的最新CMIP6耦合模式的模拟中,依然普遍低估了北极放大率和海冰融化速率,特别是21世纪初北极逐渐进入海冰加速减退、海冰流动性加快的“新北极”气候态,北极放大率从之前的高估转为明显低估,意味着海冰融化的动力作用在增强。基于中纬度海洋和大气向极热输送的动力作用分析,本文提出了一种有利于加速北极放大的中纬度-北极之间动力-热力耦合反馈机理的科学猜想。

影响北极气候快速变化的关键物理机制

在增加相同的温室气体辐射强迫作用下,北极区域表面温度的上升速度是全球平均表面温度上升速度的2~4倍。这种北极气候快速变化的现象被称为“北极放大”。本文简要综述了导致北极放大的驱动机制,分析指出关于影响北极快速变化机制的研究需要面对的两个挑战:一是可能仍然缺失正反馈机制,从而导致气候模式预测的北极夏季海冰融化速度始终低于实际观测;二是缺失负反馈机制,无法合理解释北极表面温度在多年代际时间尺度上出现的位相转换。改进未来北极海冰变化的预测能力需要兼顾上述两个北极快速变化的重要特征。

海洋碳汇观测与评估的现状与思考

由于海洋在吸收大气CO_(2)方面存在巨大潜力,海洋碳汇成为实现“碳中和”以应对气候变化的重要途径。本文系统梳理了海洋碳汇的观测与模拟手段,全面总结了碳汇研究的技术动态,并对未来海洋碳汇研究的创新方向进行了展望。受益于13C、14C测定技术和箱式模型的创建,碳同位素示踪法率先实现了对海气CO_(2)交换通量的估算,也为后来海气传输模型的发展奠定了基础。通过追踪大气O_(2)含量的组成变化而反演海洋碳汇也是一种重要手段,尤其适合与陆地碳汇进行对比研究,从地球系统角度阐述海洋碳汇的重要地位。p(CO_(2))现场观测是目前应用最广的海洋碳汇研究手段,能够有效揭示全球海洋碳汇的时空格局。在此基础上,通过数值模式解析海气碳循环过程可定量解析海气碳交换的复杂控制因素,而且极大拓展了海气碳交换研究的时空范畴,丰富了多学科多领域的交流与合作,而这也正是未来海洋碳汇研究创新发展的关键。在气候变化的框架下深入探索人为活动对海洋碳汇的影响应是未来海洋碳汇研究的热点方向。

气候变暖背景下中国沿海降水变化特征

IPCC第六次评估报告指出,随着全球变暖,强降水事件通常会变得更加频繁和强烈。暴雨是我国主要气象灾害之一,是引发洪涝的最主要原因。目前洪涝灾害已成为影响滨海城市公共安全和经济社会发展的重要因素,了解降水的变化特征对于科学应对气候变化和防灾减灾具有重要意义。本文研究结果显示,1966-2020年中国沿海降水量和暴雨及以上级别降水日数(日降水量≥50 mm的日数)总体均呈增多趋势,但变化趋势不显著;降水日数(日降水量≥0.1 mm的日数)总体呈减少趋势,且变化趋势显著。降水量和暴雨及以上级别降水日数在长江口至福建北部沿海和海南沿海增加趋势明显,山东省及以北沿海、广东省东部沿海呈减少趋势;降水日数除在长江口附近呈增多趋势外,其他沿海地区均以减少为主。降水日数总体减少,降水量总体增多,表明降水过程中降水强度有增加趋势。中国沿海总体暴雨及以上级别强降水主要集中在5-9月,出现频率占全年81.7%。多地出现最大日降水量超过250 mm情况,局部最大日降水量超过500 mm。强降水过程期间往往伴随高海平面,影响滨海城市行洪排涝,增加淹没风险。

陆架海岸台风沉积记录及信息提取

长时间尺度风暴强度–频率关系与气候变化相关联,而器测记录和历史记载难以提供充分的信息,因此从沉积记录中提取风暴信息成为一个前沿科学问题。在应用上,这项研究可为海岸带城市群应对未来气候和海面变化提供决策依据。本文回顾了台风沉积记录研究进展,显示陆架泥质沉积、海滩及海岸沙丘、潮滩、潟湖、巨砾是台风事件记录的良好载体,可通过层序形态和物质特性分析而识别。同时,还需进一步完善分析方法,以区分台风、冬季风暴、河流洪水和海啸等不同类型的极端事件沉积。在台风强度信息提取方面,陆架泥质沉积所含贝壳–粗颗粒沉积物可作为海底再悬浮强度的指标,但需更多实测数据的率定;海滩及海岸沙丘顶部的台风沉积分布高程指示了台风激浪流的上冲高度,而台风巨砾的重量可以与近岸波浪的波高建立联系。以上数据经过换算后可以得出台风强度的信息,虽然这些间接的沉积学信息还不足以建立风暴强度–频率关系,但有助于台风强度大数据的建立。潮滩、潟湖沉积连续性好,可构成台风事件的时间序列,然而关于台风强度却是多解的,台风最大风力、持续时间、移动路径、登陆地点的不同组合可能产生同样的事件沉积。我们建议,应发展台风信息提取的新方法,来解决这个问题。进行现代过程模拟,根据已知的台风事件资料构建沉积物输运堆积模型,使之能够复演事件沉积的特征;进行多个地点事件沉积的反演模拟,在此情形下,即便每个站位的结果是多解的,但针对多个站位上求取其解的交集之后,多解性将下降,这种模拟方法可称之为“解空间收缩法”;采用大数据融合方式,将其他来源的台风强度数据纳入模拟体系,可进一步降低风暴信息提取的不确定性。动力过程模拟与大数据融合方法的建立,有助于获得与沉积记录同样时间尺度的台风强度–频率关系曲线,进而分析台风动态与气候变化的关系。

太平洋年代际海洋变率研究进展

随着“气候变率与可预报性研究”(CLIVAR计划)的实施,年代际气候变率研究已经成为国际气候研究的一个新热点。由于海洋特别是海洋次表层具有巨大的热惯性,海洋环流在年代际气候变率中所起的作用已得到越来越多的重视。但迄今为止,海洋以什么方式参与到年代际气候变化中、海洋次表层在年际和年代际时间尺度上起到什么作用这些与海洋环流有关的问题仍未得到解决,而这些问题的解决将有助于建立一种完备的年代际气候变化机制的理论。文学通过对近10a来国内外在该领域内研究进展的回顾,提出了一个关于太甲洋年际变化(如FNSO循环)和年代际变化(如PDO循环)相互作用的猜想,为今后在国内开展相关研究提供了一些设想。

海温数值预报资料同化试验Ⅰ．客观分析的最优插值法试验

利用最优插值法发展了一个海温短期数值预报的资料同化系统。并进行了一些客观分析试验。这个同化系统具有下述几个特点：（１）由于海温的保守性，在对每个时次的船舶报ＳＳＴ资料进行同化时，加入了前后相差６ｈ的相邻资料作为同时资料，增加了资料密度，较好地解决了海洋资料相对稀疏引起的问题；（２）利用模式的一系列后报试验结果来估计模式预报误差的标准差，这比常用主观猜测的方法更加客观；（３）对观测资料进行检误的质量控制方案也利用了最优插值的方法，这既在形式上简单又充分利用了所能得到的信息；（４）在数值算法上采用了Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄｅｒ变换方法来解方程组而不是采用常规的共轭梯度法，用的先验信息是合理的。利用实际资料进行的试验表明分析结果可以较好地反映真实海温分布状况。

中国近海和西太平洋温带气旋的气候学研究

依据开展海洋气旋现场海洋调查任务的需要 ,利用历史天气图资料 ,对 1 990～1 998年 5～ 6月黄海和东海气旋进行了统计分析 ,概括出其气候学特征 ,并对 1 979～1 989年间冷季中国近海和西太平洋的海洋爆发性气旋活动的气候规律进行分析 ,与相关研究结果作了比较 .尤其指出 。

圆斑星鲽早期发育特征的研究

对星鲽胚胎发育的形态变化，仔稚鱼的变态发育，幼色的生长发育进行观察描述。受精卵为分离的球形浮性卵，无油球。卵径1．6～1．8mm，卵膜薄、光滑、透明，具弹性。在8～8．5E水温条件下。经过197h的孵化过程。仔鱼可以破膜而出。初孵仔鱼通体无色透明，眼在头两侧，全长（4．45±0．15）ram。卵黄囊长（2．2±0．05）mm，体高（1．4±0．02）mm。孵出1d后，仔鱼体干和距尾部1／3身长处膜鳍逐渐生长色素。孵化6d后开口摄食。25d尾鳍骨上屈，40d左眼开始上移右转，50d开始伏底。60d的培育稚鱼左眼完全偏转体右侧，体表鳞片生成，完成变态发育成幼鱼。

一次黄海海雾的集合预报试验

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其杂合三维变分(Hybird-3DVAR)同化模块,对2006年3月发生的一次大范围黄海海雾进行了集合预报尝试。详细分析了其预报效果,并与决定性预报结果作了比较。研究揭示:集合预报50%概率雾区预报的公正预兆得分(Equitable threat score,ETS)优于决定性预报大约29%;集合预报中加入海温扰动非常必要,对浓雾预报改善作用明显,ETS提高至少10%;在集合预报中混用YSU与MYNN边界层方案的做法,可以降低只使用其中之一可能导致的预报误差。研究表明,借助Hybrid-3DVAR开展黄海海雾的集合预报技术上可行,集合预报将成为黄海海雾数值预报的一种有希望的途径。

影响东海气候的太阳活动信息分析

采用逐次滤波法逐次提取东海气温资料序列中蕴涵的太阳活动影响信息并加以分析,发现东海气候年代际变化特征十分清楚,主要表现为:(1)突变性,东海夏季7月海平面层及对流层大气温度场在过去半个多世纪中发生过一次急剧变化,突变点是1978年7月.从1978年7月由历时30多年的温度偏低时期跃变为持续高温时期,高温期持续至20世纪末,升温幅度超过0.4℃.资料分析表明,整个对流层东海夏季大气温度都具有这种年代际变化特征;(2)高空气候持续增温型,东海夏季7月平流层中部10 hPa大气温度表现为一种波动式的持续升温过程,50多年来温度升高4℃,年升温率超过0.075℃/a.东海平流层底部100 hPa温度也具有持续升温的特点,从1948年至今呈缓慢升高的趋势,53 a升高了1.9℃,升温率为0.036℃/a;(3)周期性,东海不同高度大气温度都具有显著程度不同的22 a周期性年代际变化特征,22 a周期分量的振幅由高空到低空迅速减小,表明22 a周期高空清楚,低空不太明显.东海对流层中部和平流层底部还具有显著的11 a周期性年代际变化.据分析认为22 a周期是太阳黑子磁场磁性变化周期所激发,11 a周期与太阳黑子相对数11 a周期相吻合,二者均为太阳活动在大气气候中的反映.

山东冬季近41年气温异常及其海气背景场特征

采用山东省 2 6个站点 1 96 1～ 2 0 0 1年的月平均气温资料 ,利用 Mann- Kendall突变检验法、线性倾向估计等方法分析了山东省冬季 (1 2月～次年 1月 )平均气温的变化特征 ,并从北半球5 0 0 h Pa位势高度距平场、冷空气活动路径及太平洋海温距平场等方面分析了冬季气温异常的原因。分析发现山东省冬季气温变化具有明显的阶段性 ,突变发生在 1 986年。存在冷冬年欧亚盛行经向环流 ,暖冬年盛行纬向环流的差异。这可能与冷空气路径不同有直接原因。

利用珊瑚生长率重建西沙海域罗马暖期中期海温变化

珊瑚生长率是记录海水表层温度（SST）的一个重要代用指标。本文以南海中北部西沙永兴岛罗马暖期期间发育的3个澄黄滨珊瑚（Porites lutea）为材料,测量它们的骨骼生长率,并利用珊瑚骨骼生长率与SST的关系式定量重建海温年际变化序列。结果显示：3个滨珊瑚（生长于120-59BC、46BC-14AD和30BC-28AD期间）的平均生长率分别为0.88cm/a（变化于0.53~1.24cm/a之间）、0.90cm/a（变化于0.58~1.53cm/a之间）和1.12cm/a（变化于0.71~1.46cm/a之间）。据此重建同时段年平均SST,相应结果分别为26.7℃、26.8℃和27.3℃。2kaBP前后（120-59BC,46BC-28AD）西沙海域平均SST为26.9±0.4℃,低于现代（1981-2010AD）约0.7℃。

海气耦合模式的优化方法研究

气候模式不断发展的同时,对高性能计算机提出了更高的要求,如何提高模式在现有计算机资源上的运行效率问题已越来越重要。文章介绍了利用编译器优化和手工优化技术对海气耦合模式进行优化试验,优化后模式运行效率提高60%,表明将这些优化方法应用到气候模式的改进工作中,可以达到较好的效果。

南中国海海表风速长期变化趋势

利用CCMP风场,计算了1988～2009年南中国海海表风速的变化趋势以及变化趋势的区域性差异、季节性差异。结果表明,1988～2009年,南中国海的海表风速整体上以0.038 6m/(s·a)的速度显著性逐年线性递增;近22年期间,南中国海海表风速的变化趋势表现出较大的区域性差异,大部分海域的海表风速呈显著性逐年线性递增趋势,为0.03～0.15m/(s·a),呈显著性线性递减的趋势分布于台湾东部和菲律宾周边的一些零星海域,无显著性变化趋势的海域分布于南中国海12°N附近一带状海域、中南半岛东南海域一椭圆形海域;南中国海海表风速的变化趋势表现出很大的季节性差异。

夏季副高与海温的相互关系及副高预测

通过分析夏季西太平洋副高与前期１２月至后期１１月的赤道太平洋和北太平洋海温 的相关系数分布图，综合比较副高面积指数、西伸脊点和脊线位置与海温的相关关系， 讨论副高对海温的反馈作用以及海温与夏季副高的物理联系模型，为副高预测提供依 据。

近百年来全球不同冷、暖期温度分布及环流特征

本文用全球格点气温、海面温度、海平面气压等资料分析了本世纪以来四个不同冷暖时段（１９０６－１９１５，１９３６－１９４５，１９６６－１９７５及１９７９－１９８８年）的温度场和地面气压场。着重讨论了不同冷、暖期之间温度距平场的分布特点、区域和季节差异以及海、陆变化的不同步性等。在温度的纬向谐波分析中发现冬季暖期，中、高纬度超长波活动盛行，表明１０年尺度冷、暖的环流机制与天气尺度是一致的。

白垩纪古海洋气候变化及主要问题

白垩纪并非一直处于温室气候状态,存在着冰室气候间断。白垩纪古海洋气候也是如此。通过收集已经发表的古海洋气候资料,综合分析研究显示,该期全球古海洋气候可以分为早白垩世低温气候、中白垩世温室气候、晚白垩世冰室气候3个阶段;早白垩世可进一步识别K_1-Ⅰ温暖干燥气候、K_1-Ⅱ冷湿气候、K_1-Ⅲ温暖气候回升3个次级变化旋回;中白垩世整体处于温暖状态,不过,虽然极热气候在全球出现和结束的时间不尽一致,但总体上出现在赛诺曼一土仑期,局部地区如赤道太平洋早可以在阿尔布期,南极地区晚可推迟到晚白垩世坎潘早期;晚白垩世可划分为K_3-Ⅰ大幅降温冰室期、K_3-Ⅱ浅幅气候回升期、K_3-Ⅲ低温冰室期、K_3-Ⅳ短暂温室期4个次级气候变化旋回。还介绍了白垩纪古海洋温度计、冷赤道与低温度梯度、中白垩世黑色页岩、气候变冷及旋回、大气CO_2作用几方面重大问题,并做了简要讨论。

东海及邻近地区百年来的温度变化

东海及邻近地区百年来的温度变化＠阎俊岳，李江龙￥国家气候中心东海，研究区，百年，温度变化东海及邻近地区百年来的温度变化阎俊岳，李江龙（国家气候中心，北京）关键词东海，研究区，百年，温度变化前言东海是紧邻我国大陆的西北太平洋边缘海之一，由于处在大陆和大洋的交...

太平洋次表层海温年代际变率及其突变特征

利用经验正交函数展开和滑动 t检验等方法研究了太平洋次表层海温的年代际变率特征。研究表明 ,太平洋次表层海温在 1 980年前后从上至下 ,先后经历了一次显著的年代际突变 ,而且随深度不同存在着四种不同的空间突变模态 ,这四种模态的形成与北太平洋海温异常的西南潜沉路径有着密切的联系。从北太平洋窗口区潜沉的年代际信号沿西南路径传播到副热带地区 ,在温跃层 1 60 m上下与西太平洋向东北传播的异常信号汇合。因此 ,北太平洋沿西南潜沉路径传播的年代际信号对 EN-SO的影响可能是间接的 ,而热带西南太平洋则可能扮演更为重要的角色。