ERA5再分析10m风速数据在“两洋一海”的适用性分析

西太平洋-南海-东印度洋(以下简称“两洋一海”)地区对我国的天气气候、国家安全和社会经济有重要影响,但由于资料条件的限制,现有的海上高风速事件研究主要集中于近海,导致对“两洋一海”地区远洋高风速事件的时空分布、变化特征及其机理仍然不够了解,急需利用新的高分辨率资料进行深入的研究。目前欧州中期天气预报中心第五代全球大气再分析资料(ERA5)再分析近地面10 m风速数据与现场观测风速的比较研究还相对较少,因此本文将“两洋一海”地区的国际海洋大气综合数据集(ICOADS)锚定浮标观测资料与ERA5进行了对比分析。结果表明:ERA5再分析10 m风速数据能够较好地表现出海面风场的分布特点和变化特征。ERA5再分析资料具有较高的时空分辨率、较长的时间序列以及完整的数据记录,将其用于海上高风速事件的气候分析是可行的,且具有一定的优势。需要注意的是,ERA5再分析风速总体上存在低估实测风速的系统偏差,尤其是实测风速较大时,ERA5偏离于实测风速的现象更为明显。

NCEP/NCAR再分析风速、表面气温距平在中国区域气候变化研究中的可信度分析

采用计算标准化均方根误差、相关分析和EOF分解等多种客观分析统计方法,对NCEP/NCAR再分析风速、表面气温距平在中国区域的可信度进行了研究,结果表明中国东部不同要素距平的标准化均方根误差均比西部地区的小,说明NCEP/NCAR再分析资料的可信度东部比西部要高,可能是受到模式地形和中国地面气象站点“东密西疏”分布格局的较大影响。随着高度升高,NCEP再分析风速距平的误差减小,进一步表明地形对NCEP再分析资料的可信度具有较大影响。另外,冬季再分析风速误差较大的特点在850,500和200 hPa等压面上均存在,表明冬季再分析风速距平的可信度受到再分析模式系统误差的较大影响。相关分析结果和标准化均方根误差计算结果之间具有很好的反向对应关系,即均方根误差大,NCEP再分析资料与实测资料的相关性就差,均方根误差小,则对应两者之间的相关性就较好。标准化均方根误差较小的要素,其NCEP再分析和站点实测资料距平EOF分解得到的特征向量空间分布较为相似,各特征向量对应时间系数的相关性也比较好;反之,标准化均方根误差大的要素,其NCEP再分析和站点实测资料距平EOF分解得到的特征向量空间分布则相差较大,对应时间系数的相关性也比较差,因此采用EOF分解方法,分析对应特征向量空间分布相似性及其时间系数变化的一致性,可以对NCEP再分析资料的可信度有一个更加客观的认识。综合上述各季节、各要素多种方法的分析结果,可以发现NCEP再分析风速距平在春、夏、秋季具有一定的可信度,但冬季的可信度较差;表面气温距平则是冬季的可信度最好,夏季的可信度较差。

2008年雪灾过程高原上游关键区水汽输送机制及其前兆性“强信号”特征

利用NCEP/NCAR再分析资料、中国气象台站降水量资料、青藏高原及周边地区GPS水汽观测站网大气可降水量资料,采用统计诊断方法,分析了2008年中国南方雨雪冰冻灾害期间4次暴雪过程的动力、热力特征,水汽变化及其输送特征。研究结果表明,灾害发生期间,中国北方中低层大气盛行偏北气流,使较强的偏北冷空气"楔入"中国东南部低层大气,构成低层"冷垫",同时偏南暖湿气流源源不断地将大量水汽输送到中国东南部,冷暖气流交汇及其垂直切变导致强烈的上升运动,构成了"冷垫"上空的"暖盖"及"南槽北脊"反位相环流汇合锋区的垂直环流结构。反位相环流的偏南水汽主要来自南海和印度洋,两者在中南半岛和中国西南地区合并,构成经过云南及周边关键区的强西南水汽流,形成了长江流域特大雪灾发生的关键水汽通道。研究结果亦证实高原及周边地区JICA项目GPS水汽监测网信息可为中国长江中下游地区暴雪的发生提供具有预报实用意义的重要分析工具及数值模式同化初始信息源。云南及周边区域水汽含量的多少对下游地区后期降水的发生具有一定的指示意义,即水汽输送上游关键区大气可降水量的变化可作为此次南方雨雪冰冻灾害期间降水发生的"前兆性"信号,而云南则是西南水汽输送通道中尤为重要的关键区域。

近40年来东亚冬季风的年代际时空变化趋势

利用经验正交函数-奇异值分解（EOF-SVD）综合分析方法和1961-2000年NCEP/NCAR月平均再分析资料对近40年来东亚冬季风和冬季表面气温的年代际变化特征及其相关关系进行了分析。研究结果表明,EOF得到的冬季海平面气压场主成分空间结构（第一特征向量）及其时间系数可以较好地反映出东亚冬季风的变化,而且可以同时得到东亚冬季风强度和南扩程度的变化,具有一定的优越性。通过对冬季海平面气压和表面气温年代际分量的EOF-SVD综合分析,发现了东亚冬季风强度减弱、南扩加强的年代际变化趋势,冬季表面气温则表现出中高纬地区海陆热力差异减弱、低纬地区海陆热力差异加强的年代际变化特征,两者之间存在很好的对应关系。另外,大陆冬季表面气温与海平面气压的年代际对应关系比海洋的更加显著,表明对温室效应的区域气候响应与东亚冬季风的年代际变化之间可能存在较为密切的联系。

北京及周边气溶胶区域影响与大雾相关特征的研究进展

针对2011年12月初北京及华北持续近一周的严重大雾天气这一热点事件,从城市群大雾过程气溶胶区域影响的视角,基于"973"项目"北京及周边地区大气-水-土环境污染机理与调控原理"的研究工作,就北京及周边地区大雾天气与大气气溶胶区域影响的关系等方面进行了讨论.研究表明,北京城市大雾前低空SO2和NO2浓度存在"积聚"与"突增"现象.北京及周边地区冬季雾日数和气溶胶光学厚度则呈正相关,并具有"同位相"的年际变化趋势.研究同时发现北京及其南部周边的冬季气溶胶高值区呈南北向带状分布,其与北京周边居民户数高值区有所吻合,反映了冬季北京城市气溶胶颗粒物的远距离影响源区及大尺度输送效应.统计分析指出,冬季北京气溶胶颗粒物PM10、PM2.5主要影响成分是SO2和NOX,且有关研究也表明,电厂、采暖和工业面源是SO2的三大本地排放源,而机动车、电厂、工业为NOX的三大本地排放源,上述大气PM10、PM2.5主成分污染源亦与雾水样本化学分析结果相吻合,即冬季由于燃煤在生活能源中的比例较大,北京雾水中硫元素和碳元素的含量都较高.因此,北京冬季大雾不仅与北京城区气溶胶及其污染排放影响存在相关关系,而且与北京周边天津、河北、山东等地气溶胶及大气污染物的远距离输送和气溶胶区域影响效应有着重要的联系.因此,北京雾霾天气及相关大气污染的治理工作首先要着眼于局地污染物的减排,但同时如何做好区域大气污染的协同治理也是不容忽视的问题.

昆明城市气候特征

利用云南大学观测点与昆明国家气候基准站的资料进行对比分析 ,发现昆明的热岛强度干季大于雨季 ,冬季大于夏季 ,日变化则基本上具有夜间强、白昼弱的特点。干岛强度同样是干季大于雨季 ,冬季大于夏季 ,日变化特点在雨季为夜间弱 ,白天强 ,在干季则反过来为夜间强 ,白天弱。同时提出了一些意见供有关部门参考。

中国持续性暴雨特征及青藏高原热源的影响

利用气象站点逐日降水资料研究了中国1961 2011年5 10月持续性暴雨事件发生次数的空间分布、时间变化及其季节演变特征,分析了持续性暴雨事件异常的环流形势,并讨论了青藏高原大气热源的可能影响。结果表明,中国5 10月持续性暴雨事件的发生地主要集中在中国东部地区,逐年发生次数具有明显的年际波动和年代际变化,且其季节内的变化与东亚夏季风的季节演变进程联系密切。通过对比和相关分析还表明,青藏高原前期的大气热源偏弱(强),将导致东亚夏季风偏弱(强),西南水汽输送亦偏弱(强),水汽聚集在中国南(北)方地区,最终使得夏季中国的持续性暴雨事件偏多(少),初步揭示了青藏高原大气热源对中国持续性暴雨事件的可能影响。

东亚冬季风年代际变化可能成因的模拟研究

利用NCEP/NCAR再分析月平均海平面气压资料,定义了一个东亚冬季风强度指数(IWI),并发现20世纪60年代到70年代初期东亚冬季风强度减弱,其后冬季风强度有所增强,80年代初期以后东亚冬季风强度又开始减弱。年代际时间尺度上,冬季陆地表面气温与IWI的相关性比海洋与IWI相关性好,冬季大陆东部的年代际增温与东亚冬季风的年代际减弱之间可能存在密切的联系。利用区域气候模式(RegCM3)进行敏感性数值模拟试验发现:减小冬季东亚大陆东北部的长波辐射降温率,将导致东西向海平面气压差的减小以及低层北风减弱,反映了东亚冬季风的减弱。近40年来,特别是20世纪80年代以后东亚冬季风的年代际减弱趋势很可能是东亚区域气候对温室效应的一种区域响应。

1951—2002年全球陆地气温和降水的年代际趋势转折特征

对全球陆地67359个格点1951—2002年的年平均地面气温和总降水量的年代际趋势转折分别进行逐个格点的检验,分析这一时期内全球陆地气温和降水最近一次年代际趋势转折发生的时间及转折后的线性变化趋势.发现20世纪后期,变暖趋势在全球大部分的陆地上都十分显著;全球陆地绝大多数格点的年降水量在20世纪70—80年代发生了一次年代际趋势转折,转折后年降水量为减少趋势的格点大约占全球陆地总格点的45.7%,其余54.3%的格点在最近一次年代际趋势转折发生以后,年降水量为增加趋势.总体上全球陆地不同区域的气候主要向"暖干"和"暖湿"两种不同的趋势转变.全球22个分区的区域平均气温和降水的年代际趋势转折特征的分析结果表明:北美大陆在最近一次年代际趋势转折发生以后的气候"暖干化"趋势较为明显.非洲大陆的气候则在一定程度上趋于暖湿,欧洲以及亚洲大部分区域的气候也趋于暖湿.南美洲南部和澳大利亚西部的情况则较为特殊,在最近一次年代际趋势转折发生以后,气候趋于冷湿.

华南及邻近海域春季海陆温差减弱与东亚夏季风强度关系的分析和模拟

利用NCEP/NCAR再分析资料,计算了1948—2006年春季平均地面气温的线性变率,表明其在华南地区为负变率,而在南部海洋则为正变率,即华南及邻近海域的春季海陆温差具有明显的减弱趋势。合成分析表明,其与夏季东亚区域南风的减弱趋势存在一定的联系。采用第三代区域气候模式(ICTP RegCM3)进行了在春季增高华南陆地表面气温和降低南部海洋表面气温的理想状况数值模拟试验,进一步分析华南及其邻近海域春季海陆温差减弱趋势对东亚夏季风强度的影响。模拟结果表明,与控制试验相比,敏感试验模拟的夏季850 hPa风场在中国东部地区表现出南风减弱的特征(差值风场为北风),同时还可发现夏季中国东部及其以东洋面存在一个气旋性差值环流。因此,华南及其邻近海域春季海陆温差的减弱趋势对东亚夏季风强度可能具有一定的影响。

中国东部降水年际变化的随机动力诊断

利用一个具有门限的非线性随机动力气候模式对中国东部江淮流域的降水进行了分析。结果表明：在不同的门限域中，降水对外部强迫的响应有明显差异，呈现出一定的非线性特征；模式能较好地拟合降水的变化趋势。

中国东部降水的随机动力预测初步研究

利用一个具有门限的非线性随机动力气候模式，对中国东部江淮流域的降水进行了预报试验。结果表明：模式能对大范围环流降水作出较为准确的形势预报。还比较了海气耦合模式与外强迫模式的预报效果，表明耦合模式的预报效果略好于外强迫模式。

华北夏季降水的年代际趋势突变及其可能成因

介绍了一种最新的分段线性拟合检验气候变化趋势突变点的方法,并利用该方法对1968-2000年华北地区夏季降水年代际时间尺度的趋势突变点进行了检验,结果表明在年代际时间尺度条件下,华北夏季降水在1977年前后发生了趋势突变,500 hPa位势高度距平场在突变前后基本上呈“反向”分布。与趋势估计方法比较,分段线性拟合方法可以明确地给出趋势突变点的位置,物理意义更加合理,具有较大的优越性。分析年代际趋势突变前后水汽输送和地面感热通量的变化,发现突变前后,中国东部的西南水汽输送由强转弱,而突变前后春、夏季地表感热通量的变化使得大陆东南部的海陆热力差异由强转弱,可能导致东亚夏季风环流由强变弱,进而削弱华北的水汽输送,使华北夏季降水出现减少趋势。

青藏高原东缘对流云和水汽观测试验简介

近年来,青藏高原及周边省区(西藏、青海、四川、云南等)的气象业务观测系统建设取得很大成效,并通过JICA项目国际合作计划的实施,在高原及其东缘区域初步组成了具有国际先进水平的综合气象监测系统。基于以往研究成果和青藏高原及其周边地区观测条件的改善,加上中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室观测能力的提高,青藏高原东缘对流云和水汽观测试验得以实施,此次试验将重点关注这一区域对流云结构和水汽输送的变化及其对灾害性天气的可能影响,并将争取改进数值模式中高原及周边区域的云物理过程参数化方案,提升数值模式的预报能力。

云南风能可开发地区风矢量特征及其对风能开发的影响

利用云南风能可开发地区１３个站的风向资源分析了风矢量特征。结果表明，云南风能可开发地区有较稳定的盛行风向，符合风电场的选址条件。最佳对这些地区的城镇规划提出了参考意见。

2008年1月中国南方低温雨雪冰冻天气特征及其天气动力学成因的初步分析

在欧亚大陆中高纬度长期维持阻塞形势的背景下,2008年1月11日至2月2日中国南方连续经历了4次低温雨雪冰冻天气过程(简称"0801南方雪灾")。这次强天气事件过程范围广、强度大、持续时间长且灾害极为严重。其天气学特征表现为中高纬阻塞形势稳定少变,低纬系统活跃确保水汽输送,以及南方部分地区满足冰雪风暴形成的有利天气条件等。研究表明,导致大气环流异常从而促使这次低温雨雪冰冻强天气事件出现的主要因素包括:(1)北极涛动(AO)的异常活跃,有利于行星尺度波动的稳定维持;(2)阻塞上游50°N区域有极强的负涡度平流持续输送到阻塞区,使濒临崩溃的阻塞形势得以重新加强,从而使阻塞形势长时间稳定维持;(3)青藏高原以南低纬地区南支气流活跃,确保中国南方充沛的水汽来源;以及(4)长期存在有利于冰雪风暴生成发展的天气-动力-物理学条件等。"0801南方雪灾"事件一个突出的特征就是冰冻现象极为严重。文中借助新型卫星CloudSat的星载云廓线雷达(CPR)资料对这次事件中典型云系进行天气-动力-物理学分析,揭示出西南暖湿气流沿锋面爬升,形成界限分明上下交替的两个冷暖气团,冷气团较浅薄;在2—4km高度存在一个融化层,冰水不仅存在融化层之上,在近地面层亦含有丰富的冰粒子。结合常规观测资料分析发现,在此期间中国南方大部地区中层(大约在850—700hPa)存在温度大约在0—4℃的逆温层,地面气温大致维持在-4—0℃且相对湿度在90%以上,分析表明,此次大范围冰冻灾害天气是由于冻结、凝华和冰雾粒子的附着增长等物理过程共同作用的结果。"0801南方雪灾"事件持续时间较长,事件本身作为一个整体其成因可追溯到行星尺度系统。研究极涡异常及其随时间变化的结果表明,平流层极涡变化比对流层的超前,尤其是该事件前期平流层极涡进入12月后就趋于加强,而对流层的极涡加强则明显滞后,并且直到1月中至2月初才快速加强;这意味着平流层蕴含着对流层极涡变化及伴随的强天气事件的先期信号,这可能是中长期预报的一个值得深入研究的方向。

夏季亚洲季风区对流层向平流层输送的源区、路径及其时间尺度的模拟研究

基于NCEP/NCAR分析资料和拉格朗日轨迹输送模式FLEXPART,通过气块轨迹计算,对2005年夏季亚洲季风区对流层向平流层输送(Troposphere to Stratosphere Transport,简称TST)的近地层源区、输送路径及其时间尺度问题进行了一些初步探讨。结果表明:(1)夏季亚洲季风区TST两个主要的边界层源区,一个是热带西太平洋地区;另一个是青藏高原南部、孟加拉湾以及印度半岛中北部等地区,上述两个区域与夏季强对流的分布相一致。在对流层顶高度附近(约16km高度),两个近地层源区的垂直输送贡献相当。但进一步分析发现,穿越对流层顶高度的质量输送只有约10%能够进入20～22km高度的平流层中,且主要源于以青藏高原南侧为代表的南亚季风区(约贡献75%),这进一步强调了青藏高原及其周边区域在全球TST过程中的重要地位。(2)轨迹分析显示,夏季亚洲季风区对流层进入平流层的"入口区"主要在(25°N～35°N,90°E～110°E)区域的青藏高原及其周边区域。TST路径受对流层上层南亚高压闭合环流、北半球副热带西风急流和赤道东风急流的共同控制。(3)亚洲季风区TST两个主要的过程,一个是和夏季湿对流抬升直接联系的快速输送过程,它可以使近地层大气在1～2天内输送到平流层中,贡献了整个TST的10%～30%;另一个是大气辐射加热所致的大尺度垂直输送,该输送是一个相对的慢过程,时间尺度一般为5～30天。此结果意味着,源于地表的短生命周期的大气污染物可通过光化学反应过程对该区域平流层臭氧及其他大气痕量成分平衡产生重要影响。

南海夏季风建立期间副高带断裂和东撤及其可能机制

使用 1998年南海季风试验 (SCSMEX)资料和日本气象研究所 (MRI)所提供的TBB资料 ,分析了南海夏季风建立期间副高带断裂和东撤过程的主要特征及其可能机制 .发现北半球副热带高压带的断裂 (低层早于高层 )和印缅槽 (或孟加拉湾槽 )的形成是南海夏季风建立的重要前期征兆之一 ,也为副高东撤和南海夏季风的建立提供了重要条件 .斯里兰卡附近低涡的持续北移是副高断裂和印缅槽建立过程的显著特征 .分析表明 ,南海夏季风建立之前 ,印度半岛的感热加热和中南半岛的潜热加热所激发的气旋性流场在孟加拉湾地区是相互迭加的 ,这有利于孟加拉湾低涡活动和低槽的形成 ,这可能是副高断裂和印缅槽活跃的机制 .伴随着印缅槽前西南气流和赤道印度洋西风扰动的东传以及南海地区中低纬的相互作用 ,南海夏季风建立 .南海夏季风爆发期间 ,副高东撤、季风加强和对流加热之间存在一种正反馈作用 ,这导致了副高的连续东撤和南海季风的“爆发性”以及各种要素的突变特征 .当南海季风对流减弱后 。

青藏高原热力强迫对中国东部降水和水汽输送的调制作用

从4个方面综述了有关青藏高原大地形热力"驱动"对中国东部雨带和水汽输送特征及其年代际变化的影响作用的研究进展:(1)中国三阶梯大地形热力过程变化与季风雨带季节演进;(2)青藏高原地-气过程热力"驱动"及其季风水汽输送结构;(3)青藏高原积雪冷源对中国东部水汽输送结构及其雨带分布的影响;(4)青藏高原视热源变化与雨带年代际变化相关特征及其可能调制。其主要研究结论是:(1)中国西部高原特殊三阶梯大地形结构强化了海-陆热力差异,尤其是高原大地形使地-气热力差异季节变化有由青藏高原向东北方向大地形区域延伸变化趋势,且其与季风雨带由东南沿海移向西北朝青藏高原与黄土高原边缘同步演进,两者似乎存在类似季节内演进的一种"动态的吸引"。(2)中国东部雨带时空变化特征和季风强弱变化趋势均与青藏高原热源强弱异常变化相对应。青藏高原热源异常影响低纬度海洋向陆地的水汽传输路径和强度,进而调制中国东部降水时空演变。在青藏高原热源强和弱年,中国降水变率空间分布特征分别为"北涝南旱"和"南涝北旱"。青藏高原视热源强(弱)异常变化"强信号"将对东亚与南亚区域的季风水汽输送结构,以及夏季风降水时空分布的变异具有"前兆性"的指示意义。(3)长江中下游地区作为独特南北两支水汽流的汇合带,该地区夏季青藏高原热源与水汽通量相关矢特征呈类似于青藏高原多雪与少雪年水汽通量偏差场中水汽汇合区显著特征差异,揭示了冬季青藏高原积雪冷源影响中国东部夏季长江流域梅雨水汽输送结构特征。(4)中国降水的年代际变化基本型态为中国东部呈"南涝北旱趋势",西北区域呈现出"西部转湿趋势"。但基于近10年青藏高原春季视热源出现"降后回升"趋势,中国东部"南涝北旱"的降水格局已出现转折趋势。

青藏高原大气水分循环特征

青藏高原对亚洲季风环流的形成有重要作用,同时作为"世界屋脊"拥有丰富的冰川、积雪、河流、湖泊和地下蓄水层。青藏高原特殊大地形动力和热力作用深刻地影响着亚洲与全球大气水分循环,也对全球气候与环境产生深远的影响。基于青藏高原在亚洲夏季风系统大气水分循环过程的重要地位,从青藏高原对全球大气水分循环重要作用的视角,综述了青藏高原大气水分循环过程中青藏高原局地热力对流、高原的"阶梯式"水汽流爬升"第二类条件不稳定(CISK)"物理模型、青藏高原视热源结构影响及多尺度水汽汇流通道、海洋-青藏高原"水汽源-汇"结构、青藏高原跨半球垂直环流圈水分循环结构、青藏高原大气水分循环综合模型等的相关研究进展,剖析了青藏高原大气水分循环综合模型的研究背景,探讨了青藏高原特殊大地形热力驱动机制及其云水效应,描述出与青藏高原热力驱动的亚洲区域和跨半球垂直环流圈水分循环结构,揭示了青藏高原热力强迫与海洋-大气-陆地水文过程特殊的相互反馈作用。青藏高原发源的亚洲河流水系是为人口众多的亚洲区域供给生活、农业和工业用水的重要水资源之一。因此,认识在全球变暖背景下青藏高原的水分循环及其对水资源变化影响至关重要,仍需深入地探讨青藏高原大气水分循环机制及其全球影响效应。