深化产学研用融合 推动气象高质量发展

气候是人类赖以生存和发展的基础条件,也是经济社会可持续发展的重要资源,气象工作和各行各业密切相关。气象科技的进步得益于也是建立在各领域科技成果在气象领域充分应用的基础上。在新一轮科技革命和产业革命推动下,持续深化产学研用的深度融合来进一步推动气象事业高质量发展,是新时代气象工作的重要任务。

碳纳米管功能化改性的研究进展

碳纳米管(CNTs)因具有理想的原子空间几何结构、高电子迁移率和卓越的纳米级尺寸效应自被发现以来即成为了纳米科技领域的研究热点。研究人员对碳纳米管的理论模型进行了深入的研究,通过实验探索了其结构、力学性质以及电子结构等。由于碳纳米管在生长过程中受到动力学和热力学等不确定性因素的影响,通常会被引入不同类型的缺陷,因此对碳纳米管进行功能化改性成为克服其局限性的主要途径。通过归纳国内外报道的碳纳米管改性的研究成果,从碳纳米管的结构特性、功能化方法、接枝基团以及受控体系下不同功能选择剂对碳纳米管活性的促进作用等方面进行了阐述和分析。分析认为,依托碳纳米管特定的骨架结构,功能性基团或材料的引入能够显著地影响碳纳米管的物理化学性质和表面活性,并推动其在更广泛领域中的应用。今后,实现超纯碳纳米管的高产率制备和高功能化修饰是需要重点关注的方向。

21世纪第2个10年初华北夏季降水年代际增加及与大气环流异常的联系

华北是中国人口聚集区及主要的农业和工业区,旱涝灾害会造成严重的经济损失和环境影响。基于近61年(1961—2021年)逐月降水量观测数据研究发现,华北地区夏季降水在21世纪第2个10年初发生了明显的年代际变化——在2011/2012年前后经历了从干到湿的变化。选择1999—2011年作为干旱期,2012—2021年作为湿润期,进一步对比分析了华北地区在干旱期和湿润期相关大气环流系统的差异。结果表明,华北地区此次从干到湿的年代际变化与东亚夏季风的变化关系不大,这与20世纪70年代末和90年代末发生的年代际变化有所不同。在2011—2021年湿润期,对流层中低层环流场上在蒙古高原—中国东北地区上空为气旋式环流异常,气旋西侧的偏北风将高纬度的冷空气输送到华北,有利于冷、暖空气在华北地区的交汇;对流层高层则在蒙古高原—贝加尔湖地区上空为气旋式环流异常,有利于东亚西风急流的东伸北抬,由涡度方程诊断可知相对涡度的水平平流项对急流位置偏北东伸有重要贡献;上述环流形势有利于华北地区上升运动的增强。与此同时,湿润期华北地区上空假相当位温升高,且假相当位温垂直变化增强,说明华北上空大气更加暖湿,且大气层结更不稳定,也有利于垂直运动的发展。动力和热力条件异常变化共同导致华北地区在2012—2021年降水较前期降水明显增多。

华北夏季降水异常与华南前汛期降水异常的关系

为改进华北夏季降水异常的预测能力、寻找前期异常信号的监测预测指标,本文利用1961-2020年华北、华南夏季降水资料,美国环境预报中心和大气科学研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research,NCEP/NCAR)的再分析环流资料、向外长波辐射资料(Outgoing Longwave Radiation,OLR),采用相关、合成和环流异常回归重构等方法,分析了华南前汛期(5-6月)降水异常与华北夏季(7-8月)降水异常的联系。结果表明:(1)华北夏季(7-8月)降水异常通常与华南前汛期(5-6月)降水异常呈反位相关系,即如果华南前汛期降水偏多,对应华北夏季降水就会偏少,反之亦然。华南前汛期降水异常可以作为华北夏季降水异常监测预测的一个前期指标。东亚夏季风造成对流层低层水汽输送异常和北半球夏季热带低频信号传播造成对流层中低层环流异常是两地降水呈反位相变化的联系机制。(2)在水汽输送方面,如果5-6月东亚副热带夏季风偏强,即东亚西南南风(SSW)显著偏强,华南水汽来源会偏少,造成华南前汛期(5-6月)降水异常偏少。到7-8月,印度夏季风显著偏强、东亚副热带夏季风进一步增强,华北水汽来源显著偏多,造成华北夏季(7-8月)降水异常偏多。反之,华南前汛期(5-6月)降水异常偏多,华北夏季(7-8月)降水异常偏少。(3)在动力环流方面,如果5-6月,热带印度洋低频信号活跃、西北太平洋低频信号不活跃,伴随印度洋低频信号向东北方向传播,在850 hPa层华南沿海附近形成反气旋性环流异常,对流减弱,造成华南前汛期(5-6月)降水偏少。到7-8月,热带印度洋低频信号仍然十分活跃,原来位于华南沿海的反气旋性环流异常向东北方向传播到长江下游至东部海上,反气旋北侧的华北地区为气旋性环流,对流偏强;另一方面,伴随低频扰动在对流层中高层向高纬传播,会形成沿高空西风急流传播的扰动波列,扰动位置相对固定,在贝加尔湖附近为负距平、朝鲜半岛附近为正距平,造成贝加尔湖高空槽加深、副热带高压在朝鲜半岛附近加强,形成“东高西低”的阻挡形势,有利于华北产生上升运动。即华北夏季对流上升运动增强,造成华北夏季(7-8月)降水偏多。反之,华南前汛期(5-6月)降水偏多,华北夏季(7-8月)降水偏少。(4)华南前汛期降水异常对华北夏季降水异常有很好的指示意义。但在有些年份关系并不好,这可能是因为这种关系还受到其他因子如海温变化、热带环流、青藏高原以及中高纬环流变化的调节与影响。

南海季风试验与东亚夏季风

南海季风试验是一次国际性大气与海洋的联合试验 ,旨在更好地了解南海季风的爆发、维持与变化 ,以改进东亚和东南亚地区的季风预报。 1998年 5～ 8月进行的外场试验取得了圆满成功 ,获得了大量气象与海洋资料。不少国家对这些资料进行四维资料同化 ,并改进数值模拟和预报 ;同时也为东亚与南海地区季风的研究提供了必要的资料集。文中总结了中国科学家在这方面的主要研究成果 ,共包括 6个方面 :(1)南海夏季风的爆发过程与机理 ;(2 )南海季风爆发过程中对流与中尺度系统的发展及其与大尺度环流的相互作用 ;(3)低频振荡与遥相关作用 ;(4 )南海海 气通量的测量及其与季风活动的关系 ;(5 )夏季风时期南海海洋的热力结构、环流和中尺度涡旋及其与ENSO事件的关系 ;(6 )南海与东亚季风的数值模拟。

中国业务动力季节预报的进展

利用动力模式开展季节到年际的短期气候预测 ,是目前国际上气候预测的发展方向。自 1996年以来 ,经过 8a多的研制和发展 ,国家气候中心已建立起第 1代动力气候模式预测业务系统 ,其中包括 1个全球大气 海洋耦合模式 (CGCM )、1个高分辨率东亚区域气候模式 (RegCM_NCC)和 5个简化的ENSO预测模式 (SAOMS) ,可用于季节—年际时间尺度的全球气候预测 ;全球海气耦合模式与区域气候模式嵌套 ,可以提供高分辨率的东亚区域气候模式制做季节预测。CGCM对 1982～ 2 0 0 0年夏季的历史回报试验表明 ,该模式对热带太平洋海表面温度和东亚区域的季节预测具有较好的预测能力。RegCM NCC的 5a模拟基本上能再现东亚地区主要雨带的季节进展。利用嵌套的区域气候模式RegCM NCC对 1991～ 2 0 0 0年的夏季回报表明 ,在预报主要季节雨带方面有一定技巧。 2 0 0 1～ 2 0 0 3年 ,CGCM和RegCM NCC的实时季节预报与观测相比基本合理。特别是 ,模式成功地预报了 2 0 0 3年梅雨季节长江和黄河之间比常年偏多的降水。SAOMS模式系统的回报试验表明 ,该系统对热带太平洋海表面温度距平有一定的预报能力 ,模式超前 6～ 12个月的回报与观测的相关系数明显高于持续预报。 1997～ 2 0 0 3年 。

气候变化国家评估报告(Ⅰ):中国气候变化的历史和未来趋势

中国的气候变化与全球变化有相当的一致性,但也存在明显差别。在全球变暖背景下,近100 a 来中国年平均地表气温明显增加,升温幅度比同期全球平均值略高。近100 a和近50 a的降水量变化趋势不明显,但1956年以来出现了微弱增加的趋势。近50 a来中国主要极端天气气候事件的频率和强度也出现了明显的变化。研究表明,中国的CO2年排放量呈不断增加趋势,温室气体正辐射强迫的总和是造成气候变暖的主要原因。对21世纪气候变化趋势做出的预测表明:未来20-100 a,中国地表气温增加明显,降水量也呈增加趋势。

亚洲夏季风的年际和年代际变化及其未来预测

本文是对我们近五年在亚洲夏季风年代际与年际变率及其未来预测方面研究的一个综述。主要包括下列三个问题:(1)根据123年中国夏季降水资料和印度学者的分析,检测出亚洲夏季风具有明显的年代际尺度减弱,这种年代际变化使中国东部(包括东亚)和南亚夏季降水的格局在过去60年中发生了明显变化。在东亚,从1970年代后期开始,主要异常雨带有不断南移的趋势,结果造成了南涝北旱的降水分布,这主要受到60～80年年代际振荡的影响。青藏高原前冬和春季积雪的年代际减少与热带中东太平洋海表温度的年代际增加是东亚降水型改变的主要原因,这是通过减弱亚洲地区夏季海陆温差与夏季风强度而实现的。未来亚洲夏季风的预测表明,东亚夏季风和南亚夏季风对气候变暖有十分不同的响应。东亚夏季风在本世纪将增强,雨带北推,尤其在2040年代之后;而南亚夏季风环流将继续减弱。这种不同的变化是由于两者对高低层海陆热力差异的不同响应造成。(2)年际尺度的变率在亚洲夏季风区主要表现为2年与4～7年的振荡。本文着重分析了2年振荡(TBO)形成的过程、机理及其对东亚降水的影响。对TBO—海洋机理进行了具体的改进,说明了东亚夏季风降水深受TBO影响的原因,尤其是阐明了长江型(YRV)TBO和淮河型(HRV)TBO的特征及其形成的循环过程。(3)在总结亚洲夏季风时期遥相关型的基础上,本文提出了季节内和年际尺度的低空遥相关型:即西北太平洋季风的遥相关型与印度"南支"和"北支"遥相关型。它们基本上反映了沿低空夏季风强风速带Rossby波群速度传播的结果。据此可以根据西北太平洋和印度夏季风的变化分别预测中国梅雨和华北雨季来临和降水异常。最后研究还表明,在本世纪亚洲夏季风可能更显著地受到人类活动造成的全球变暖的影响,未来的亚洲夏季风活动是人类排放的CO2引起的全球变暖与自然变化(海洋和陆面过程(积雪))共同作用的结果。

东亚梅雨系统的天气-气候学研究

利用1971~2000年NCEP再分析资料和中国740站的逐日地面观测资料，对东亚梅雨季的气候学进行了研究。结果表明：初夏长江流域特有的这个雨季有平均21天的长度，从6月17日开始到7月8日结束。梅雨期间降雨量达200~300mm，占夏季总降雨量的45％左右。当6月中旬东亚夏季风突然从华南向北推进到长江流域，同时印度夏季风开始在印度次大陆爆发时，中国梅雨雨季开始。这时来自南海和孟加拉湾的水汽供应显著加强，为梅雨降雨提供了非常有利的水汽条件。气候学上梅雨锋的结构主要表现为：（1）近于纬向的宽广云雨区，其中包含有强对流降水与云团；（2）锋前具有高假相当位温的高湿空气柱；（3）对流层低层跨越梅雨锋的水平温度梯度非常弱或几近消失；（4）梅雨锋区低层有一相对低的温度；（5）梅雨锋区以南为强低空偏南急流，急流以北是梅雨锋风切变线；（6）从梅雨锋区到赤道的地区是一个季风型或间接的垂直环流区。在许多方面，中国东部的梅雨锋不同于日本的梅雨锋和朝鲜的梅雨锋，因为后两者基本上是中纬度斜压结构的锋区。东亚夏季风对中国梅雨的影响要比对日本和朝鲜梅雨的影响更重要。作者对东亚梅雨系统（中国梅雨、日本Baiu和朝鲜Changma）的区域差异进行了全面的比较研究。

中国南方2008年1月罕见低温雨雪冰冻灾害发生的原因及其与气候变暖的关系

2008年1月中国南方发生的低温、雨雪、冰冻灾害不是一个局地或地区性现象,它是同期发生的亚洲大范围冰雪灾害链中的一环,在影响范围和灾害程度上是最严重的一环。它有3个主要特征:(1)降雪、冻雨和降雨3种天气并存,冻雨是导致南方致灾的主要原因;(2)低温、雨雪、冻雨天气强度大,根据中国国家气候中心和南方各省气象部门的统计及分析,有8项气象要素打破同期中国历史记录;(3)低温、雨雪、冰冻天气持续时间长,破历史记录。这次低温、雨雪冰冻灾害形成的原因不是单一的,是多种因素在同一时段,同一地区相互配合和迭加的结果,其中La Nina事件是灾害发生的气候背景,它为雨雪冰冻天气提供了冷空气侵袭中国南方的前提条件;欧亚大气环流异常持续性是造成冷空气不断侵袭中国南方的直接原因;孟加拉湾和南海地区暖湿气流的北上是大范围冻雨和降雪形成并持续在中国南方的必要条件。

论东亚夏季风的特征、驱动力与年代际变化

本文是以新的资料和研究结果对东亚夏季风的基本特征、驱动力和年代际变化所作的重新分析与评估。内容包括四个部分:(1)东亚夏季风的基本特征;(2)东亚夏季风的驱动力;(3)东亚夏季风的年代际变率与原因;(4)东亚夏季风与全球季风的关系。结果表明:东亚夏季风是亚洲夏季风的一个重要有机部分,主要由来源于热带的季风气流组成,并随季节由南向北呈阶段性推进,它是形成夏季东亚天气与气候的主要环流和降水系统。驱动夏季风的主要强迫有三部分:外部强迫、耦合强迫与内部变率,其中人类活动引起的外强迫(气候变暖、城市化、气溶胶增加等)是新出现的外强迫,它正不断改变着东亚夏季风的特征与演变趋势。海洋与陆面耦合强迫作为自然因子是引起东亚夏季风年际和年代际变化的主要原因,其中太平洋年代尺度振荡(PDO)与北大西洋多年代尺度振荡(AMO)的协同作用是造成东亚夏季风30~40年周期振荡的主要原因。1960年代以后,东亚夏季风经历了强—弱—强的年代际变化,相应的中国东部夏季降水型出现了"北多南少"向"南涝北旱"以及"北方渐增"的转变。最近的研究表明,上述东亚夏季风年代际变化与整个亚非夏季风系统的变化趋势是一致的。在本世纪主要受气候变暖的影响,夏季风雨带将持续北移,中国北方和西部地区出现持续性多雨的格局。最后本文指出,亚非夏季风系统相比于其他区域季风系统更适合全球季风的概念。

东亚冬季风的年代际变化及其与全球气候变化的可能联系

对近年来中外关于东亚冬季风(EAWM)年代际变化问题研究进展做了回顾和评述,主要包括以下3个方面内容:(1)东亚冬季风明显受到全球气候变化的影响,从20世纪50年代开始,中国冬季气温经历了一次冷期(从20世纪50年代延续到80年代初中期),一次暖期(从20世纪80年代初中后期延续到21世纪初)和近10-15年(约从1998年开始)出现的气候变暖趋缓期(也称气候变暖停顿期)。(2)东亚冬季风主要表现出强-弱-强3阶段的特征,即从1950年到1986/1987年,明显偏强;从1986/1987年冬季开始,东亚冬季风减弱;约2005年之后,东亚冬季风开始由弱转强。与东亚冬季风的年代际变化特征相对应,东亚冬季大气环流以及中国冬季气温和寒潮都表现出一致的年代际变化。(3)东亚冬季风的年代际变化与大气环流和太平洋海表温度(SST)的区域模态变化密切相关。当北半球环状模/北极涛动(NAM/AO)和太平洋年代际振荡(PDO)处于负(正)位相,东亚冬季风偏强(弱),中国冬季气温偏低(高)。此外,北大西洋年代尺度振荡(AMO)对东亚冬季风也有重要影响,在AMO负位相时,对应东亚冷期(强冬季风),正位相对应暖期(弱冬季风)。因而海洋的年代际变化是造成东亚冬季风气候脉动的主要自然原因,而全球气候变暖对东亚冬季风强度的减弱也有明显影响。

纪念全球气候变化科学评估的先驱JohnHoughton教授

英国著名气候变化和大气物理学教授J. Houghton爵士不幸感染新冠病毒逝世。本刊特别邀请丁一汇院士撰写了纪念文章,以怀念Houghton教授与中国科学家在IPCC合作期间结下的友谊。

空气污染与气候变化

近50年来,全球气候变化主要由大气温室气体浓度的日益增加引起,而空气污染主要由悬浮于空气中的大气气溶胶粒子造成,它们都主要由矿物燃料的燃烧排放形成。近年的研究表明,大气气溶胶粒子也具有气候效应:一是通过散射和吸收太阳光,减少到达地面的太阳辐射而具有降冷作用,可抵消一部分由温室气体造成的变暖作用;二是可以作为云中凝结核改变云微物理过程和降水性质,改变大气的水循环。大气气溶胶对于经济社会的许多方面,如农业、水资源、人体健康、城市化等也表现出重要的影响。由于空气污染和气候变化在很大程度上有共同的原因,即主要都是由矿物燃料燃烧的排放造成,因而减轻和控制空气污染与减少温室气体排放保护气候在行动上应是一致的。为了从经济上得到最大的节约和获得双赢的效果,应该采取协同应对空气污染和气候变化的减排战略,即应该采取统一的而不是分离的科学研究和应对战略。

天气和气候极端事件的变化及其与全球变暖的联系——纪念2002年世界气象日“减低对天气和气候极端事件的脆弱性”

20 0 2年 3月 2 3日世界气象日的主题是“减低天气和气候极端事件的脆弱性”。针对这个主题 ,作者对以下四方面问题作了阐述 :(1 )天气与气候极端事件以及脆弱性的定义 ;(2 )近百年来全球天气与气候极端事件的变化及其与全球气候变化的关系 ;(3 )未来天气与气候极端事件及其影响的预测 ;(4 )天气与气候极端事件的适应与减缓对策。由于篇幅有限 ,未介绍中国在这方面的研究。

植被变化对中国区域气候影响的数值模拟研究

用高分辨率区域气候模式(RegCM-NCC)模拟了中国区域植被发生改变后引起的局地或区域气候变化。结果表明:大范围区域植被变化对区域降水、温度的影响非常显著,内蒙古地区土地荒漠化可导致中国北方大部分地区降水减少,尤其加剧了华北、西北地区的干旱,西北地区绿化有利于黄河流域降水增加,而长江流域和江南地区降水却有不同程度的减少,因此可在一定程度上减少这里的洪涝灾害;气温的变化比降水更显著,植被退化使当地气温明显升高,使中、低层大气变得干燥,近地层风速加大,而植树造林却使当地及周围地区冬偏暖、夏偏凉,大气变得湿润,近地层风速减小,有利于在一定程度上减少沙尘暴的发生。另外,植被变化对东亚冬、夏季风强度也有一定程度的影响,从而影响到中国东部地区降水的分布和冬季低温、冷害事件发生的强度。

东亚夏季风水汽输送带及其对中国大暴雨与洪涝灾害的影响

东亚夏季风每年给中国东部地区带来充沛的降水,是中国水资源的主要来源,同时也常常给中国造成严重的洪涝灾害。东亚夏季风水汽输送的强度、影响范围和持续性在极端暴雨过程中起着关键的作用。这支夏季风气流的水汽输送带可称为东亚季风水汽输送带,与国际上近期提出的“大气河”概念相近,但又不完全相同。东亚夏季风水汽输送带是东亚夏季风最具地区性的特征,也是东亚地区夏季大暴雨和洪涝的制造者。本文根据近百年来的资料,综合评述了东亚夏季风水汽输送带的特征和形成原因,并以海河、黄河、淮河与长江近百年最强的5次持续大暴雨过程为例,分析了季风水汽输送带的重要作用。最后,提出气候变暖可以通过4个方面影响全球水循环,包括气候变暖后大气可容纳更多的水汽、大气环流发生变化、辐射强迫改变以及气溶胶影响的区域性等,这些变化都会对季风水汽输送带产生重要影响。

我国短期气候动力预测模式系统的研究及试验

气候和气候异常对我国的国民经济发展具有重大影响,为提高短期气候预测的准确率,研究动力气候模式短期气候预测新技术至关重要。通过近5年的努力,建立了一套由月动力延伸预报模式,海气耦合的全球气候模式(AGCM+OGCM+海冰+高分辨率印度洋一太平洋海盆模式),区域气候模式季和年际尺度的业务动力模式组成的系统。初步把我国的短期气候预测水平由经验统计方法提高到定量和客观分析的水平上。在此基础上,已建成了一个具有物理基础的统计方法与气候动力模式相结合的综合气候预报系统。

南海季风试验研究

介绍了'九五'国家攀登项目'南海季风试验'外场观测系统和主要结果.该试验是一次旨在了解南海季风爆发,维持和变化主要物理过程的大气与海洋联合试验,是由十几个国家与地区参加的一次大型国际合作项目.通过1998年5～8月的外场观测试验,取得了大量和多种大气与海洋的加密观测资料,为南海和东亚季风及其与海洋的相互作用研究提供了比较完善的资料集.目前研究正在深入阶段.作者只是对这个试验的一般情况作了说明.

1998年中国大洪水时期的水汽收支研究

文中首先通过水汽通量的势函数和流函数的计算 ,分析了 1998年中国大洪水时期的全球水汽背景 ,然后从雨情分析入手 ,将 1998年 5～ 8月长江、松花江流域洪水期分为 7个降水阶段、11个区域 ,对各时段、各区域的水汽收支作了诊断分析 ,得到中国大洪水时期部分水汽收支图像 ,揭示了水汽循环的一些规律 ,主要结果如下 :( 1) 1998年 5～ 8月 ,中国东部地区是全球最强的水汽汇区 ,这与 1991年夏季的情况相似。水汽通量的势函数极小值区 (最大辐合区 )对应强降水区 ,并且暴雨区的水汽辐合是由半球尺度的水汽输送造成 ,这表明 ,即使对于区域性大洪水 ,它必须从极大范围地区获得水汽供应。分析还表明 ,南海季风的爆发及其区域内西南方向水汽流的增强与印度洋势函数 (水汽辐散 )的增强关系密切。( 2 )大气的水汽收支表明 ,降水主要来自水汽的辐合项 ,辐合主要发生在大气低层 ;用余差法计算出的局地蒸发项一般为降水量的 13 ～ 12 ,因而水汽的再循环过程也十分重要 ;垂直输送项把低层的水汽向中上层输送 ,增加高层的水汽积累 ,为积云的发展和潜热释放提供条件。( 3 )南海地区的水汽输送情况与中国强降水密切相关 ,南海季风爆发后 ,其强劲南风气流输送水汽的区域往往是强降水发生区。对于整个中国东部大陆区而言 。