大气河对南极冰盖及海冰的影响

南极冰盖与海冰对全球气候具有重要影响。大气河作为高纬度地区经向水汽输送的重要途径,其对南极冰盖与海冰的影响在近年来愈发受到重视。南极大气河通常形成于高压脊(阻塞高压)与温带气旋之间的强向极经向输送带内。低频的大气河活动为南极带来强降雪,有利于冰盖质量增加。然而,强暖湿水汽侵入同时会导致表面融化、冰架崩解和极端高温,对冰盖质量存在潜在负贡献。大气河携带极端暖湿水汽与强风通过热力与动力过程导致海冰密集度下降。目前,大气河的识别算法仍不完善,其对液态降水的直接影响、与南大洋的相互作用等仍不清楚,需要进一步明晰大气河对南极冰盖与海冰的影响机制,以准确预估未来大气河对南极冰盖物质平衡与海冰变化的作用。

“气候系统模式的高性能算法与应用”2011年度报告

＂气候系统模式的高性能算法与应用＂重点研究气候环境与稀薄大气中复杂流动问题的高性能算法与应用,完成千亿自由度的气候模拟。课题主要任务是发展高性能和高分辨率海冰/海洋模式和气候系统模式,使模式能处理近1亿网格、1 000亿自由度、在1 000-10 000个计算核上运行利用模式开展短期和长期气候预测研究,参加国际模式比较计划;利用模式重点开展东亚气候（特别是极端天气、气候事件）和海冰变化及预测的研究基于R13方程组所采用的修正方法,对任意高阶正则化矩方程组给出数值模拟方案,在该方案的基础上研究自适应方法,开展大气高层流体力学模拟。

青藏高原隆起及海陆分布变化对亚洲大陆气候的影响

我们利用经过改进的NCARCCMI动力气候模式并综合出一个40～50MaB．P．的下垫面情景，进行了海陆分布和SST分布由古代到现代、青藏高原由隆起初期、隆起到现代高原一半和现代高度共5个情景的数值试验。结果表明，从古代到现代，模拟的中国气候是变冷的并且东部变湿而西北部变干。青藏高原的隆起是模拟出来的中国变冷的主要原因。青藏高原从隆起初期到隆起到现代高度一半时期中国地区降水是增加的，但当继续隆起后降水却有所减少，尤其是中国西北地区。本文还对海陆分布和SST分布变化以及青藏高原隆起对手风环流的影响作了分析。

利用南大洋漂流浮标数据评估AMSR-E SST

利用AOML(Atlantic Oceanographical and Meteorological Laboratory)SVP漂流浮标的海表面温度数据,针对30°S以南的南大洋海域,对目前主要使用的微波遥感产品(AMSR-E,Ad-vanced Microwave Scanning Radiometer for the Earth Observing System)反演的SST进行了较为系统的评估。结果表明,AMSR-E SST比浮标数据偏冷,偏差为-0.01℃,标准差为0.70℃。夏季的偏差为0.004℃,标准差为0.64℃;冬季的偏差为-0.06℃,标准差为0.75℃,冬季的偏差和标准差较大。温差ΔT受流速影响,随着流速的增大而减小,且这种趋势在夏季更为显著。具备托伞结构的浮标与总体情况基本一致,而无托伞结构的浮标受流速的影响要大一些。同时,温差ΔT受水汽的影响,随着水汽的增加而减小,且这种影响在冬季更大一些。进一步对4个穿极和绕极浮标的追踪分析表明,温差ΔT受大洋海流系统的影响显著。在海流大的大西洋边界流和南极绕极流中,温差ΔT的不确定性要明显大于总体情况。

从气象卫星资料揭示的青藏高原夏季对流云系的日变化

文中利用日本静止气象卫星观测的1981～1994年1天8次的TBB观测值和1978～1994年NOAA卫星观测的1天2次OLR观测值研究了青藏高原地区夏季对流云系季节变化以及对流云的日变化及其东西向移动规律，并对1994年的资料进行了个例分析。结果表明，青藏高原夏季对流云有极为明显的日变化，以00～05SUTC为最弱，15～17UTC最强。在季风雨爆发后的7月中旬到8月上旬在高原中部（30～32°N，90°E）、东部（30°N，97°E）和西部（30°N，85～87°E）有3个TBB低值中心，多年月平均对流中心区云顶高度可达9．6km，而旬对流中心个别地区平均可达13km。对流云区开始发展于东部地区，随后对流云中心逐步向西移动，并于7月中下旬达到最西，此时西部地区从多年平均而言可以有短暂的强对流发展。

北极海冰数值预报的初步研究——基于海冰—海洋耦合模式MITgcm的模拟试验

利用最近发展的MITgcm(麻省理工学院通用环流模式)海冰—海洋耦合模式,以NCEP(美国国家环境预测中心)再分析资料为大气强迫场进行了1992年1月至2009年12月北极海冰数值模拟。结果表明,此模式能很好地模拟卫星观测的北极海冰季节和年际变化,具备很好的北极海冰数值模拟能力。以此为基础,对2009年7月和10月北极海冰消融和增长两个例分别进行了4组后报试验研究。试验分别以NCEP再分析气候场、NCEPGFS(全球预报系统)预报资料为大气强迫场,并采用了两种不同的融合SSM/I(专用微波成像仪)海冰密集度的初始化方案。预报结果与SSM/I的对比,以及预报技能分析表明,此模式具备对北极海冰的短时预报能力。大气强迫场的不同对海冰预报的改善不显著,而初始化考虑SSM/I海冰密集度以减少初始误差的预报能更好地模拟出海冰的消融和增长。此外,模式模拟的海冰密集度略为偏高,对海冰冻结过程的模拟能力要优于消融过程。

2010年春季南极固定冰反照率变化特征及其影响因子

2010年春季至夏季在中山站附近的固定冰面开展了固定冰反照率观测.在春夏过渡期,观测期间的表面反照率呈下降趋势,平均反照率从9月的0.80下降到12月的0.62,整个观测期间的平均值为0.70.雪厚是影响反照率变化的重要因子,融化前期的反照率受表面温度影响较大,干雪期反照率对表面温度并不敏感.降雪可通过增加表面雪厚和减小表面积雪粒径显著增加反照率,云层则可通过吸收入射太阳光中的近红外波段增加反照率,降雪和阴天反照率可比晴天观测平均增加0.18和0.06;吹雪则可通过改变积雪光学厚度导致反照率发生显著变化.受太阳天顶角变化和积雪变性的共同影响,晴天或少云时的反照率在上午随太阳天顶角呈准线性递减,下午则几乎不发生变化;最高值、最低值分别出现在凌晨和下午.本文提出了一组分别表述厚干雪、薄干雪和湿雪反照率日变化的参数化方案,通过太阳天顶角的线性函数隐式考虑进了积雪变性的影响.相比常数反照率方案,该参数化方案能有效提高对反照率日变化的估算能力.

FGOALS_g1.1极地气候模拟

对中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的气候系统模式FGOALS_g1.1的极地气候模拟现状进行了较为全面的评估。结果表明,FGOALS_g1.1对南北极海冰的主要分布特征、季节变化和年代际变化趋势具有一定的模拟能力。但也注意到,与观测相比,模式存在以下几方面的问题:(1)模拟的海冰总面积北极偏多,而南极偏少。北极,北大西洋海冰全年明显偏多;夏季,西伯利亚沿海海冰偏多,而波弗特海海冰偏少。南极,威德尔海和罗斯海冬季海冰偏少。南北极海冰边缘都存在异常的较大范围密集度很小的碎冰区,夏季尤为显著。(2)海冰流速在南北极海冰边缘和南极大陆沿岸附近较大。北极,模式没能模拟出波弗特涡流,并且由于模式网格中北极点的处理问题,造成其附近错误的海冰流场及厚度分布。这些海冰偏差与模式模拟的大气和海洋状况有着密切的联系。进一步分析表明,FGOALS_g1.1模拟的冰岛低压和南极绕极西风带明显偏弱,其通过大气环流和海表面风应力影响向极地的热量输送,在很大程度上导致上述的海冰偏差。此外,耦合模式中大气-海冰-海洋的相互作用可以放大子模式中的偏差。

北极河流径流量变化及影响因子分析

利用最新的北极径流资料(R-arcticNET V3.0和ArcticRIMS),对进入北冰洋的4条主要河流的季节及年代际变化进行诊断分析。结果表明:入海径流在4-6月的大幅增加主要是由气温达到融点后积雪融化造成的,降水的作用次之。总的来说,欧亚区域在过去的70年里入海径流量是增加的,而北美区域在近30年里入海径流量是减小的,但注入北冰洋的径流总量是增大的。值得注意的是入海径流的年代际变化在不同季节增减趋势显著不同,夏季和秋季径流量减小,而其他两个季节径流量增大。进一步分析了影响入海径流变化的一些气候因子,结果表明:北大西洋涛动(北太平洋指数)与欧亚(北美)区域的冬、春季径流量存在正相关。春季气温与春季径流量呈正相关,而与夏季径流量呈负相关。降水与径流量基本上为同步正相关。春季积雪覆盖面积与春季径流量为负相关,而与夏季径流量为正相关,夏季积雪覆盖面积与夏季的径流量为正相关。

海水物质平衡浮标对北冰洋中心区海冰温度与物质平衡的观测

利用中国第3次北极科学考察所布放海冰物质平衡浮标(Ice Mass-Balance buoy,IMB)的观测数据,分析了北冰洋中心区多年冰2008年8月—2009年7月温度与物质平衡的变化特征。结果表明,冰温廓线呈现明显的季节变化,秋季降温过程从海冰表面开始向冰体内部传播。海冰底部的生长/消融率受海水温度控制,随水温的降低,在2月初达到的最大值为1.7 cm/d;在2008年10月中旬至2009年6月下旬为海冰的生长期内,海冰底部平均生长率为0.6 cm/d,海冰底部厚度增长量为160.3 cm;海冰底部的消融较海冰表面约有1个月的滞后。分析海面风场对海冰漂移的影响显示,海冰漂移速率约为风速的2.13%。

南极沿岸固定冰观测与研究述评

南极固定冰的变化能够直接反映南极的局地气候变率,因此是数值模式验证的理想载体,对固定冰的观测研究结论也能用于评估南极海冰的年际变化。现今国际上对南极固定冰的观测和研究日渐丰富和深入,并逐渐形成了由多个国家参加的联合观测网。就海冰厚度、冰芯结构、表面辐射收支等现场测量和相机、卫星等遥感观测方面,总结了目前国内外南极固定冰观测的技术手段和研究进展,并分析了不同空间尺度上的南极固定冰年际变化特征。对南极固定冰观测研究目前存在的问题和未来的发展方向进行了探讨。

利用南极走航观测评估卫星遥感海表面温度

利用1989—2005年间南极走航观测的海表面温度,对目前3个主要的卫星反演的SST产品AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer）,TMI（TRMM Microwave Imager）和AMSR-E（Advanced Microwave Scanning Radiometer for the Earth Observing System）进行了较为系统的评估,并着重检验了它们在南大洋的准确性。结果表明,AVHRR SST比观测数据偏冷,白天的偏差为-0.12℃,夜晚的偏差为-0.04℃,而且南大洋的冷偏差更为显著。TMI SST比观测数据明显偏暖,白天的偏差为0.48℃,夜晚的偏差为0.57℃,其温差ΔT受37 GHz风速影响,在强风速（〉6 m/s）下这种影响仍然存在。AMSR-E SST比观测数据偏暖,白天的偏差为0.34℃,夜晚的偏差为0.27℃,而且南大洋的暖偏差相对较大。AMSR-E SST温差受水汽影响,并在南大洋随着水汽的增加而增加。通过进一步比较微波（AMSR-E和TMI）和红外（AVHRR）遥感的SST在2004年北半球冬季（即南半球夏季）的差别,发现微波遥感在热带（15°S-15°N）和南大洋区域（45°S以南）比红外遥感偏暖,而且在南大洋区域的偏差相对较大,相反在北半球中纬度区域（15°～40°N）偏冷。AMSR-E与AVHRR SST的温差,从白天到夜晚有减小的趋势,而TMI与AVHRR SST的温差无明显的变化。

1979年以来南极平流层冬季变暖

极地气候比其他区域有着更为显著的变化,这不仅反映在极地近地面和对流层,也同样反映在平流层。使用NCEP/NCAR、NCEP/DOE和ERA40月平均再分析资料,研究了南极平流层温度和位势高度的年代际变化趋势。结果表明,自1979年以来在冬季南极平流层存在变暖的趋势。分析NCEP/NCAR和NCEP/DOE再分析资料的结果是变暖主要出现在7—10月,最大增温位于30hPa,27a(1979—2005年)的最大增温幅度超过7℃。分析ERA40的结果是变暖主要出现在6—9月,较NCEP/NCAR和NCEP/DOE早1个月,最大增温位于平流层上层(5和3hPa),23a(1979—2001年)的最大增温幅度超过10℃。在平流层高层,最大增温位于极区中心;在平流层中低层,最大增温位于极区外围偏向澳大利亚一侧。伴随着温度的升高,南极平流层的位势高度也存在升高的趋势。在NCEP/NCAR和NCEP/DOE再分析资料中,最大位势高度升高位于10hPa,27a里的升高幅度超过450m。ERA40给出的结果相对弱一些,23a里的最大升高幅度接近300m。进一步的计算结果表明,进入南半球平流层的波动通量也有增加的趋势,可能是平流层波动增强导致了向南极的残余环流增强,与之相关的极圈内下沉运动也随之增强,下沉运动产生绝热加热,从而造成南极平流层增温和位势高度升高。

海冰模式CICE4.0与LASG/IAP气候系统模式的耦合试验

利用美国Los Alamos国家实验室发展的最新海冰模式(CICE4.0)替代了LASG/IAP气候系统模式(FGOALS_g1.1)中的海冰模式(CSI M4),形成新的耦合模式。在此基础上,利用新的耦合模式对20世纪中后期的全球气候进行了模拟,来检验CICE4.0对耦合模式中海冰和海洋模拟结果的改进。结果表明CICE4.0对于FGOALS_g1.1的极地气候模拟有一定改进作用,主要表现在:(1)南北极海冰边缘碎冰区显著减少;(2)南大洋海表温度和海冰的模拟明显改善,分布特征与观测非常吻合。但是新耦合模式也存在如下不足:(1)北大西洋海冰相对偏多,北大西洋经圈翻转环流大大减弱,这主要是由于北大西洋海表面温度的冷误差造成的;(2)南北极大气环流场的模拟无明显改善。此外,本文还比较了采用不同短波辐射方案对于耦合模拟结果的影响,结果表明,相对于CCSM3短波辐射方案,Delta-Eddington方案模拟的海表面温度偏冷,海冰厚度偏厚,北大西洋经圈翻转环流略有偏弱。

2013和2012年夏季格陵兰岛冰盖表面融化对比及可能的影响机理分析

本文重点分析了2013年夏季格陵兰冰盖表面的融化特征,并将2013年与2012年融化极值年的异常进行对比,探讨二者之间存在的动力和热力差异及其对冰盖表面融化的影响和机制。结果表明:2013年夏季格陵兰冰盖表面最大融化范围仅为44%,远小于2012年的97%,持续的时间也比2012年短20天左右,平均的融化面积和持续时间都接近气候平均态。2013年夏季大气环流异常与2012年近乎完全相反,格陵兰及附近海域为低压异常,500 h Pa位势高度场为负异常,大气环流和2012年相比更具有纬向型。格陵兰岛的北部和南部出现气旋异常,有利于输送北极的冷空气到格陵兰岛,不仅降低了夏季格陵兰冰盖表面的平均温度,而且也减少了格陵兰高温事件发生的频率。同时,2013年夏季格陵兰表面向下的辐射通量异常分布大体上呈西南—东北走向,不同于2012年的南北分布。尽管从分布上看,总的向下辐射通量以正的短波分量为主,但是长短波分量相互抵消使得2013年夏季总的向下辐射通量接近气候平均态,这使得辐射对冰盖表面温度的影响不明显。大气环流的动力和表面辐射收支的热力共同作用导致2013年夏季格陵兰冰盖表面融化经历了相对缓和的一年。

南极海冰变化及其气候效应研究述评

南极海冰是全球气候系统的重要组成部分。不同于北极海冰的快速减少,近40年来,南极海冰范围在2014年前是缓慢增加、后是突变减少。单一的大尺度大气环流因素无法解释南极海冰的长期变化趋势,海洋-大气相互作用对海冰的耦合影响还未得到充分研究。受南极海冰厚度遥感观测和数值模拟能力所限,现有数据仍无法准确量化全球变化背景下南极海冰的厚度和体积变化;目前南极海冰变化的气候效应还未充分明确。当前国内外对南极海冰研究的不足迫切要求发展长期可靠的南极海冰厚度数据,以突破南极海冰体积变化研究的难题,同时应综合考虑多气候模态和海气系统耦合的作用,研究南极海冰变化的机制及其气候效应。

CMIP6冰盖模式比较计划(ISMIP)概况与评述

冰盖是大面积(超过50000 km^2)覆盖陆地表面的极厚冰体,在重力作用下的形变宏观上表现为由内陆向沿海流动[1],当前世界上仅存格陵兰和南极两大冰盖。广大的内陆区域冰雪终年不化,以极低的速率积累表面降雪继而密实化为冰川。受基岩性质和地热通量的影响,冰盖底部融化润滑在冰盖内部形成快速冰流通道。如果融水在下游积累到一定程度,则会进一步发育成为相互连通的冰下水文系统,并最终汇入海洋[2]。当固体冰川流向海洋时,受地形约束可能形成冰架,由冰水密度比值可知只有约1/10漂浮在海面以上,绝大部分冰架与海水直接接触。

O_3浓度增加对冬小麦影响的试验研究

利用OTC 1型开顶式气室对冬小麦进行不同O3 浓度处理的试验研究。结果表明 ,O3 浓度增加 ,冬小麦发育期表现为开花前期有所延迟 ,开花后期的各发育期明显提前 ,生育期缩短 ,植株矮化 ,干物质累积量明显下降。无论是长时期通气处理还是阶段性通气处理 。

适应极地快速变化海冰模式的研发与挑战

极地海冰是地球气候系统的重要组成部分,也是气候环境变化的指示器和放大器。极地海冰复杂的多尺度物理过程和极地观测资料的匮乏,给海冰模式的研发带来了巨大的挑战。在过去的半个多世纪中,大气-海冰-海洋的复杂相互作用和冰内物理过程在海冰模式中的数学描述取得了重大的进展,但海冰模式对一些重要物理过程的描述仍很不完善,尤其是近年来极地海冰的快速变化及其物理特性的变化,极大地增加了海冰模式物理参数化方案和模拟结果的不确定性。因此,迫切需要具备完善物理过程、适应海冰多尺度快速变化的高分辨率海冰模式,并应用于全球气候变化的研究和预测以及极地的开发利用。本文从海冰模式的发展历程和现状、极地海冰快速变化给海冰模式带来的挑战以及适应极地快速变化海冰模式的改进和发展研究方向三个方面进行了阐述和讨论。

The relationship between polar sea ice and the precipitation and temperature over China revealed by using SVD method

The relationship between polar sea ice anomalies and the precipitation and temperature anomalies over China is investigated by performing singular value decomposition (SVD) analyses. The first three coupling modes have been studied. Analyses show that there exist key areas of polar sea ice which are highly related with the precipitation and temperature anomalies over China. Different spatial anomaly patterns of these areas of polar sea ice are followed by different spatial anomaly patterns of the precipitation and temperature over China.