CMIP6模式对北半球春季积雪覆盖度的评估及预估

积雪是对气候变化响应最敏感的自然要素之一,对地表的辐射平衡和水循环有着重要影响,全球积雪覆盖面积约为46×10~6 km2,且98%分布在北半球,由于积雪具有独特的辐射(高表面反照率)和热(低热传导率)特性,其变化对陆地和大气之间的能量平衡和水循环过程具有重要的影响,在全球变暖背景下,近几十年来北半球积雪覆盖面积减少趋势明显,尤其春季最明显,基于观测数据评估CMIP6模式数据对于积雪覆盖面积的模拟能力,应用多模式平均评估未来时期积雪覆盖度的变化情况。本文以美国国家海洋和大气管理局/美国国家气候数据中心(NOAA/NCDC)的积雪产品为参考数据,采用泰勒技巧评分、相对偏差等方法,对国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)发布的1982-2014年北半球春季积雪覆盖度(SCF)数据进行评估,并选取排名前三的模式的集合平均预估未来(2015-2099年)不同排放情景下SCF的时空变化特征。结果表明:历史时期(1982-2014年)从整体上看,积雪覆盖度呈现出高纬高,低纬低,青藏高原和亚洲东部等高海拔地区较同纬地区高的特点,北半球的积雪覆盖度呈减少趋势地区为68.37%,积雪覆盖度呈现增加趋势的区域面积占北半球总面积的31.63%,与参考数据相比,CMIP6各模式模拟北半球春季SCF在大部分地区表现为减少特征,多数CMIP6模式高估了青藏高原地区的SCF,大多模式的SCF结果呈减少趋势的地区大于参考区域,并且低估了3月、4月和5月的SCF。总体来看,各模式模拟SCF的能力存在差异,其中NorESM2-MM、CESM2、BBC-CSM2-MR、NorESM2-LM和CESM2-WACCM综合模拟能力最优,模拟能力最差的是MIROC-ES2L、MPI-ESM1-2-LR和MPIESM-1-2-HAM。而多模式集合平均(MME)的模拟能力在各方面都优于多数单个模式,其综合模拟能力泰勒得分与NorESM2-MM模式和CESM2-WACCM模式均为最高的0.984,在空间分布、年际变化趋势、年内变化三个方面,CMIP6各模式模拟北半球春季SCF的能力差异显著,CMIP6 MME模拟的北半球春季SCF更接近观测数据(CMIP6各模式的偏差值为-14.27%~5.96%,CMIP6 MME的偏差值为-2.3%),相对于1982-2014年参考时段,21世纪末期(2067-2099年)北半球春季SCF在大部分地区表现为减少特征,随着排放强度的提高,SCF的减少程度愈加显著,SCF呈减少的地区也愈加扩大,在2015-2099年期间,不同排放情景下SCF的变化在2040年之前较一致,2040年之后,SSP1-2.6情景下SCF维持稳定状态,在SSP2-4.5情景下呈微弱减少趋势,在SSP5-8.5情景下则呈显著减少趋势。

三种蒸散发产品在北半球的验证与比较

蒸散发(Evapotranspiration,ET)是水循环的关键环节,在全球水循环和地表能量平衡中扮演着重要角色,对气候、生态系统和水资源管理等方面都有重要影响。因此,蒸散发数据的质量对全球水资源的精确管理至关重要。在北半球进行3种ET产品的精度验证和时空对比,选择更适用于北半球的ET产品,为加强遥感与地面观测相结合的研究提供建议。利用FluxNet2015通量站点月平均实测数据验证3种ET产品,结果发现PML_V2产品在北半球精度最高,其次是GLDAS,最后是MOD16A2,相关系数R分别是0.66、0.57、0.56;均方根误差RMSE分别是2.46、5.68、12.42 mm/月;平均偏差Bias分别是14.36%、16.86%、35.02%。其中GLDAS ET产品具备日尺度ET监测能力,日平均估计值与通量塔站点测量值的一致性较高,相关系数R为0.74,RMSE和Bias分别为1.62 mm/d和27.90%。总体来说,在时间尺度上,3种ET产品均可模拟出北半球季节变化的特征,即夏季蒸散发量较大,冬季蒸散发量较小。夏季3种ET产品在不同土地覆盖类型上均存在高估现象,其他季节的模拟结果与地面观测值的结果一致性较好,其中MOD16A2表现较差,ET值高估现象最为明显。此外,2001-2020年期间非干旱地区,3种ET产品在多数地区空间分布较为一致,相关系数R大于0.6。研究通过评估不同ET产品的不确定性和产品质量,可为在北半球开展蒸散发研究选取适用的ET数据源提供科学建议。

冬季南北半球际大气质量涛动与东亚冬季风异常联系的模式验证

南北两半球大气中高纬度之间的相互作用与季风等跨半球的天气气候系统存在着密切联系,由于涉及全球范围的大尺度环流与能量变化,其联系途径与机理受到学者们的广泛关注。本文结合ERA5再分析资料以及CMIP6中MPI-ESM1-2-HR模式历史输出资料,验证了冬季南北半球际大气质量涛动(Inter-Hemispheric atmospheric mass Oscillation, IHO)与东亚冬季风异常的联系及其对中国冬季气温的影响。研究表明,再分析资料以及模式结果均表明冬季IHO与东亚冬季风存在显著的正相关关系。IHO通过全球大气质量再分配与东亚冬季风建立起紧密的联系。当IHO为正位相时,大气质量在欧亚大陆北部异常堆积,而在中低纬地区异常亏损,这使得东亚地区海陆气压差明显增大,冬季风增强,同时对中国华中地区冬季地表气温具有显著影响;反之亦然。进一步分析发现,热带低平流层气温可以通过剩余环流调节臭氧含量经向分布进而影响南极对流层气温,从而对IHO年际变化起主要的驱动作用。

地处北半球的中国为什么是“全球南方”国家?

一些西方政客并不认同中国是“全球南方”国家,意图通过政治操弄和炒作将中国排除在“全球南方”之外。巴西247新闻网1月22日报道表示,中国外交部部长王毅最近访问了非洲和拉丁美洲,这是他2024年首次出访,凸显了中国对“全球南方”国家的日益关注。从这篇报道的主题可以看出,巴西作为“全球南方”国家一员,对王毅部长的首次出访给予了高度评价。中国对“全球南方”国家的关注,源自中国本身就是“全球南方”国家中的一员。2023年7月25日,王毅在南非出席金砖国家安全事务高级代表会议期间强调,中国是“全球南方”的当然成员。

基于200年硅藻记录的北半球山地湖泊生态研究

山地湖泊远离人为直接干扰,对全球变化响应敏感,其环境演变是当前国际湖沼学的研究热点。硅藻作为一种生物指标,因其对湖泊生态环境变化的良好指示作用而受到学术界的广泛关注。通过对基于200年硅藻记录的北半球山地湖泊生态研究的梳理,发现在气候总体变暖和大气氮沉降驱动下,北半球山地湖泊生态普遍发生了突变,且突变时间存在着区域差异。然而,青藏高原作为“地球第三极”,其湖泊生态的演变及其驱动机制尚存在争论。因此,建议未来应加强对青藏高原湖泊生态演变的研究,从而为评估和预测全球变化提供科学依据。

太阳磁场磁性指数异常变化对南北半球中纬度气候的影响

本文参照太阳黑子相对数特征建立了太阳黑子磁场磁性指数时间序列 .大气温度场谱分析结果显示 ,南北半球中纬度平流层和对流层大气温度场普遍存在 2 2年变化周期 .分析认为 ,大气温度场的 2 2年变化周期是太阳活动 2

北半球春季植被NDVI对温度变化响应的区域差异

利用1982年到2000年的探路者NDVI资料,采用奇异值分解分析方法,研究北半球春季NDVI对温度变化响应的空间差异。前7对模态对总的协方差平方和的解释率高达91％以上,反映出NDVI和气温的相关性非常高。第一对模态解释率达42.6％,显示北个球最显著的NDVI响应中心在西西伯利亚。其次是北美大陆,中心在其中东部。第三对及以后的模态反映的是次一级的空间特征。分析表明这些NDVI-温度的耦合模态受大尺度的大气环流系统的显著影响。9个重要的大气环流指标能解释整个北半球NDVI方差的55.6％,其中对欧洲、北美东南部、北美西北部、亚洲高纬以及东亚地区的影响最突出。因此,研究未来植被生态系统对全球变化响应的区域特征时,必须要考虑到这些环流系统的可能变化及其影响。

CMIP5部分模式气温和降水模拟结果在北半球及青藏高原的检验

利用北半球和青藏高原的观测资料,通过趋势分析、量值比较及小波分析等方法对已提交历史模拟结果的8个模式进行了比较。结果表明,各模式对北半球气温年变化模拟的较好,一般7、8月气温最高,1月气温最低,不存在相位差问题。各模式模拟的历史气温年际和年代际变化趋势比较一致,气温最大相差2.8℃以上;模拟的1850-2005年气温平均最高和最低值相差可达1.8℃左右;除1个模式外,其余模式都能较准确地模拟出至少有一次气温突变。对北半球降水的模拟,各模式都模拟出了降水的季节变化,但从年际变化趋势来看,4个模式模拟的降水为增大趋势,4个为减小趋势。对青藏高原的模拟,从变化趋势与观测气温的对比来看,8个模式中,除2个模式通过了0.05显著性水平检验外,其余均通过了0.01显著性水平检验;各模式都模拟出了青藏高原的降水中心,但对降水量值的模拟相差较大。

北半球中层大气中NO_x的垂直分布特征

对 UARS卫星 1992、1993、1994、1995、1996、1998年夏季的 HALOE观测资料分别进行客观分析，把卫星观测资料插值到5°×5°的网格点上。并分别做了30°N和40°N多年平均NO2 和NO混合比的垂直剖面分析，各年同纬度不同经度及同经度不同纬度处NO和 NO2 混合比的垂直分布特征分析。结果表明 NO混合比含量在 1hPa和×10-5hPa高度处有两个峰值，0.1hPa处是一个极小值，50 hPa到0.3 hPa之间 NO混合比含量非常稳定，而0.1 hPa以上 NO含量向上增长。在热层中的 NO混合比分布有一定起伏。NO2混合比含量在 100 hPa及0.5 hPa高度处是极小值，从 5 hPa到 10 hPa则为最大值。但 100 hPa以下进入对流层后含量急剧增加，往往会超过 10-8。在平流层中 NO2分布廓线基本吻合，同纬度不同经度极值出现的位置变化不大，但不同纬度极值的位置有一定差异，低纬区极值位置偏高。在中层大气中NOX（NO+NO2)和03具有非常相似的分布特征，尤其在平流层，它们几乎在同一高度达到极值，说明它们之间有非常密切的联系。

105°E和125°E越赤道气流与南、北半球环流变化的关系

采用1980-2004年5-8月NCEP/NCAR逐日再分析资料,将105°E和125°E越赤道气流增强过程按一定标准进行取样,并对增强过程中越赤道气流的变化特点及其相应的南、北半球环流特征进行分析,结果表明：越赤道气流的增强往往对应着通道南侧或北侧从热带到副热带地区的环流调整,而这种环流调整在南半球主要指澳洲冷空气活动,在北半球主要为辐合带的变化,二者是影响越赤道气流的主要环流因子;北半球辐合带的变化与西太平洋副高的东西振荡有密切关系,前者的分布形态在一定程度上决定了南半球环流及越赤道气流变化对北半球热带外环流的影响情况;125°E越赤道气流比105°E越赤道气流的增强过程通常更为显著,这与它们对应的南、北半球环流调整的差异有关。

CO_2失汇与北半球中高纬度陆地生态系统的碳汇

化石燃料消耗及热带林破坏导致约 7.0 Pg C· a- 1 (1Pg=10 9t)的 CO2 向大气排放 ,其中 3.0～ 3.4Pg C·a- 1 的 CO2 被用于大气 CO2 浓度的升高 ,约 2 .0 Pg C· a- 1 的 CO2 被海洋吸收 ,而陆地生物圈被认为是 CO2 净吸收与净排放基本达到平衡。因此 ,在人工源 CO2 中 ,尚有 1.6～ 2 .0 Pg C· a- 1的 CO2 去向不明。这就是著名的 CO2 失汇之谜。大气成分监测、CO2 通量测定以及模型模拟等方面的研究都表明 ,北半球陆地生态系统是一个重要的碳汇 ,但其值存在很大的不确定性 ,且具有较大的时空变化。全球温暖化、CO2 施肥效应 ,氮和磷沉降的增加以及人工植被的扩大是形成碳汇的主要因素。为减少碳汇估计值的不确定性 ,除加强长期定位监测、改良现有估测模型外 。

北半球臭氧总量与平流层环流关系的分析

本文利用北半球30年臭氧资料分析了臭氧总量变化与平流层大气环流的关系,发现:(1)臭氧总量和平流层大气环流一样季节变化很明显。冬半年与平流层极涡对应的是极地臭氧高值区;夏半年与极地高压区对应的是极地臭氧低值区。(2)北半球臭氧总量分布形势由冬到夏转换的时间和平流层中低层大气环流(由极涡转换为极地高压)的转换时间都出现在5—6月;由夏到冬前者出现在10—11月比后者(出现在9—10月)迟1月。(3)全年内北半球各纬带的臭氧总量都随平流层超长波振幅的增减而增减,两者均为正相关。(4)平流层突发性增温前期(前两个月)北半球臭氧总量分布与该月多年平均分布有显著差异。(5)从增温前2个月到增温当月,增温地区的臭氧总量中心强度每月都以20％以上的增长率增加;从增温前期到增温后期(后两个月),增温地区的臭氧总量始终保持10％以上的负距平,即突发性增温出现在臭氧总量长期持续负距平的地区。

近百年北半球冬季大气活动中心的长期变化及其与中国气候变化的关系

研究了近１１０ａ北半球冬季６个主要大气活动中心的长期变化，检测其突变年份，划分了各自的阶段性。同时分析了大气活动中心与中国气候的关系，发现西伯利亚高压强度与中国冬季气温存在明显的负相关，北太平洋高压强度与中国冬季降水有较好的正相关。

近33a来北半球大气臭氧的变化趋势研究

利用ECMWF的再分析资料,研究近33 a来北半球臭氧的变化趋势。研究表明:⑴1979—2011年北半球4个关键区(北极、东亚、北美和西欧)的臭氧总量呈减少趋势,但减少的趋势已经减缓;⑵最近19 a来,北半球4个关键区臭氧都有微弱回升的趋势,回升趋势最大在东亚地区,达到0.057 9 DU/a;⑶自1993、1994年以来,北半球4个关键区的冬季臭氧总量都为显著的上升趋势,上升趋势最大在北极地区,为1.157 7DU/a;⑷前期(1979—1994年)四个季节的北半球中高纬基本上都为下降趋势,春季俄罗斯中北部地区下降趋势最大,为4.5 DU/a,而在后期(1994—2011年)冬季挪威、瑞典、芬兰及其周边的挪威海和格陵兰海区域上升趋势最大,为1.8 DU/a;⑸北半球4个关键区的下降趋势最大的层次都是10 hPa,北美地区下降速率最快,为1.641×10-8/a,而这4个区上升趋势最大的层次是3 hPa,北极地区上升速率最快,为3.843×10-8/a。

2010年夏季北半球气温异常偏高现象及其成因

利用常规气象观测资料、NCEP／NCAR再分析资料，对2010年夏季6-8月北半球异常高温现象进行了分析．结果表明，夏季北半球大部分地方地面气温偏高，局部地区气温异常偏高，地面气温距平值达＋6℃：北半球对流层平均气温正距平值达近30年以来最大值，并且各月平均气温异常偏高的区域，在对流层各层次都表现为一致的偏高；北半球对流层平均高度也明显偏高，都为正距平，除6月的距平值为次高值外，7月和8月的距平值也是近30年来的最高值．中国有三个大范围的高温时段，7月30日是高温范围最大的一天，有249个站最高气温Tmax≥35℃，还有10个站Tmax≥40℃，分别占总站数的30％和1．2％，最高气温Tmax≥40℃的站数要远远少于Tmax≥35℃的站数；7月27日-8月2日，是中国西北地区高温持续时间最长，影响范围最大的时段，但4个省会城市的最高气温、最长持续时间没有突破历史极值．进一步分析表明，各月各层次平均高度距平场上，正负高度距平的区域以及中心位置的分布与平均气温距平场正负距平的分布基本一致，高度距平正值区域对应平均气温距平的正值区域．气温场与高度场的这种分布特征导致异常高温的出现，加刷了高温持续的时间．

北极III区海冰面积低频变化对北半球冬季大气环流异常的作用

北极ＩＩ区海冰面积的低频变化所引起的热力强迫作用，可以激发出ＥＡ和类似于ＷＰ的大气遥相关型。冰气系统之间存在着３～４年的不规则振荡，在振荡过程中，它们是相互作用的。对比表明，北极ＩＩ区的重冰年和轻冰年。

中国、北半球和全球的气温突变分析及其趋势预测研究

本文采用均值差异假设检验研究了中国、北半球和全球气温历史序列的突变现象。分析表明，中国气温从本世纪以来，在４０年代末扣年代初曾出现一次由暖到冷的突变。北半球和全球均曾在１９世纪末和本世纪２０年代发生了突变现象。功率谱分析表明，气温的突变指数曲线具有明显的周期性。一系列比较研究证明，按照分析出的突变点将气温序列分段建模，无论数值误差还是变化趋势，效果均优于整段序列的模型。所以，对未来气温变化趋势作预测，应首先搞清楚未来会处在怎样的气候阶段中，会不会出现突变。研究表明，本文叙述的均生函数累加延拓的时序建模方案，对气温序列有很好的拟合和预测效果。

北半球环状模(NAM)、东北冷涡与前汛期华南旱涝

利用中国气象局国家气象信息中心提供的1951-2004年全国160站月平均降水资料和欧洲中心提供的ERA-40再分析资料,对近50年华南前汛期降水、东北冷涡、前期北半球环状模和海温的关系进行了统计分析,定义了一个前汛期东北冷涡强度指数(NECVI),结果表明:前汛期东北冷涡强度与华南降水存在显著的正相关,东北冷涡强年,华南降水偏多,前期2-3月份北半球环状模(NAM)偏弱;反之,东北冷涡偏弱年,华南降水偏少,前期2-3月份NAM偏强。此外,前汛期东北冷涡的强度和前期的中国近海海温存在显著的负相关,前期的NAM和中国近海海温的异常可以作为前汛期东北冷涡异常的一个前兆信号,进而为华南地区前汛期降水异常的预测提供参考依据。

北半球冬季纬向平均环流的结构及对我国气候的影响

冬季对流层纬圈平均纬向风 (u)最主要的模态表现为两个相反符号的极值中心 ,一个在 30°～ 35°N之间 ,另一个则在 5 5°N。与此相联系的纬圈平均高度场最突出的模态也是有两个相反符号的中心 ,一个在 40°N附近 ,另外一个则在 6 5°N附近。因此 40°N和 6 5°N纬圈平均位势高度的差可以很好定义西风指数。西风环流的强弱不仅对北半球的气候有显著影响 ,对我国冬季的气温和降水也有显著关系。在高指数环流盛行的年份 ,我国普遍气温偏高。 16 0个站平均气温与西风指数的相关系数达到 0 .6 3。同时华北及以南降水增加 ,其中黄土高原、关中平原及以东地区相关最显著。 16 0站平均降水量与西风指数的相关达 0 .38。高指数年份里 ,西伯利亚高压和东亚大槽都减弱 ,低指数年份则增强 。

北半球冬季南太平洋海表温度异常的主要模态及其与ENSO的关系

利用新版本的NOAA扩展重构的海温资料,研究了1950/1951年—2008/2009年北半球冬季(12月—翌年2月平均)南太平洋海温异常的主要模态,并探讨了海温主要模态在年际和年代际时间尺度上与ENSO的关系。研究结果表明:北半球冬季南太平洋海温变化主要存在两个模态,第1模态基本反映了南太平洋海温异常南-北的反相变化特征,第2模态基本反映了南太平洋海温异常东-西的反相变化特征。两个模态的年代际周期均比其年际周期显著,其中第1模态的主要年代际周期为11～16a,第2模态的主要年代际周期为18～24a。主要模态与ENSO关系的分析表明,第1模态与同期ENSO事件的关系最显著,主要显示其对ENSO的响应,而第2模态对滞后其1a的ENSO事件存在一定的影响。为进一步研究它们的年际和年代际关系特征,分别对它们进行滤波后的分析表明,在年际时间尺度上,南太平洋海温两个主模态同ENSO事件的关系与滤波前的基本一致;在年代际时间尺度上,第1模态的年代际变化可能对ENSO的年代际变化存在一定的响应,而第2模态可能不仅对前期的ENSO事件存在一定的响应,还可能对后期的EN-SO事件存在一定程度的影响作用。