中高纬瞬变涡旋活动对我国东部夏季降水的影响

基于1981—2020年日本气象厅(Japanese Meteorological Agency,JMA)再分析资料JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)以及美国国家气候中心(Climate Prediction Center,CPC)卫星降水资料,分析了瞬变涡旋活动特征及其对我国东部夏季降水异常的影响,并对其可能机制展开讨论。研究表明,蒙古国至我国东北和华北地区既是瞬变涡旋活动的活跃区域,也是其输送的大值区域,其中瞬变涡旋对热量和水汽的经向输送占主导地位,是中高纬热量和水汽的重要来源。根据瞬变涡旋经向热量和水汽输送变率的强度确定了瞬变热量和水汽输送的关键区域,分别为(45°~60°N,100°~130°E)和(35°~50°N,100°~120°E),并定义了瞬变热量和水汽指数,其与我国东部夏季降水异常的回归结果表明,瞬变涡旋活动对我国东部夏季降水存在显著影响。中高纬天气尺度瞬变涡旋对热量、水汽和动量的输送异常,通过波流相互作用过程,对平均流形成了反馈,导致季节平均环流、水汽分布和水汽输送的异常,从而在热力、动力和水汽条件的共同作用下引起降水异常。

副极地海洋锋区海温异常影响厄尔尼诺的机制研究

基于1979—2021年的ERA5再分析资料,研究了副极地海洋锋区(Subarctic Frontal Zone,SAFZ)海温(Sea Surface Temperature,SST)异常相关的冬季海气相互作用过程及其影响次年冬季厄尔尼诺(El Ni o)的机制。研究表明,冬季SAFZ的特征海气异常表现为大尺度的SST暖异常与偶极型的大气环流异常。在SAFZ海气相互作用过程中,海洋首先通过直接的非绝热加热影响低层大气斜压性,随后通过间接的瞬变涡旋反馈使相当正压的位势高度异常在整个冬季内维持。其中,南部的气旋式环流异常通过减弱副热带的平均信风激发太平洋经向模态(Pacific Meridional Mode,PMM)与风—蒸发—SST(Wind-Evaporation-SST,WES)反馈,从而使中纬度SST暖异常南传至热带太平洋中部,随后导致El Ni o发生。然而,并非所有的SAFZ暖异常事件都能激发次年冬季的El Ni o,中纬度海气耦合异常的初始配置及同期热带太平洋的表现情况将对中纬度信号南传至热带的过程产生较大的影响。

经向风应力在热带不稳定海气相互作用中的角色

利用简单海气耦合模式,分析了经向风应力和纬向风应力对热带太平洋不稳定海气耦合模态的相对贡献。结果表明:在局地热力平衡假设下,海气相互作用导致了海洋Kelvin波的不稳定,该不稳定模态发生在一定波长范围内,只有纬向风应力对其作出贡献;在海温仅由平流过程决定的假设下,海气相互作用导致了海洋Rossby波的不稳定,该不稳定模态在整个波长范围内都有发生,波长越大,不稳定越强,经向风应力与纬向风应力都可以对海洋Rossby波的不稳定作出贡献,但是前者贡献较小;不稳定Rossby波比不稳定Kelvin波的增长率要小;由于无论哪一种不稳定模态,都是纬向风应力在海气耦合中起着绝对的主导作用,所以在研究热带太平洋海气耦合动力学对ENSO不稳定发展的贡献时,采用忽略经向风应力作用的近似是合理可行的。

我国极端降水过程频数时空变化的季节差异

利用我国586个气象测站的逐日降水资料,在对每个站点极端降水过程阈值进行科学界定的基础上,揭示了近45年我国年和各季极端降水过程频数的线性变化趋势及其年际、年代际变化特征.结果表明:我国年和季节极端降水过程频数主要为趋势性变化,不同地区不同季节趋势性变化差异显著,极端降水量在降水总量的趋势变化中占主导地位;长江中下游、西北地区北部和西南地区西部年极端降水过程频数呈现趋势性增加,而我国华北等地区呈现趋势性减少,并且主要反映的是夏季的特征;年和季节极端降水过程频数具有明显不同的年际和年代际变化特征;我国各季极端降水过程时空变化异常型明显不同,但与极端日降水的时空变化是一致的.

夏季长三角城市群热岛效应及其对大气边界层结构影响的数值模拟

利用WRF/Noah/UCM模拟系统对长三角地区城市群进行了2003—2007年共5个夏季的高分辨率数值模拟,研究了夏季长三角城市群热岛效应及其对大气边界层影响。开展了2组平行的积分试验,控制试验为MOD IS遥感资料给出的地表特征分布,敏感性试验将长三角地区的城市表面改为农田类型,其他与控制试验完全相同。两组试验的对比分析表明城市群热岛存在明显的日变化特征,热岛效应白天向上发展较高,夜间地表热岛强度明显增强。城市热岛导致午后城市上空产生强烈的局地上升气流,从而使得低层大气以补偿流的形式向城市辐合,然而在夜间上升运动很微弱。伴随这种热力状况的日变化,大气边界层高度也存在明显的日变化,白天增高,夜间降低。同时,白天城市边界层内风速明显减小,夜间地面风速减小加剧,但夜间边界层顶风速却有所增强。另外,城市化还会导致"城市干岛"现象,且其白天强度大于夜间。

中国东南部5—8月持续性强降水和环流异常的准双周振荡

利用1979—2009年夏季(5—8月)中国站点逐日降水资料、NCEP/NCAR大气再分析资料以及向外长波辐射(OLR)资料,分析了中国东南部夏季持续性强降水的低频特征及其伴随的低频大气环流形势,利用超前滞后合成的方法对该低频信号的来源和传播特征进行了研究。结果表明:中国东南部夏季降水存在明显的准双周低频振荡,低频降水事件(持续性强降水)在6月10日前后和7月1日前后发生的次数较多,持续5d的低频降水事件降水量占总低频降水事件的比例最大。在低频降水事件发生时期,中国东南部在低层是很强的低频气旋式环流,而在中国南海至西太平洋一带则是强大的低频反气旋,同时低频的水汽从孟加拉湾北部以及中国南海、菲律宾海一带输送到长江以南地区强烈辐合上升;此时在高层一个低频反气旋控制中国东北部地区,该低频反气旋与其西侧的低频反气旋以及位于中国东南沿海的低频气旋相互配合,使得长江以南地区高层强烈地辐散,加强了低层的上升运动。在超前低频降水7d左右时,大气低层在150°E洋面附近开始出现低频反气旋,逐渐加强并向西移动到达中国东南沿海,而在中国南海一带的低频气旋则向西北移动到长江以南地区,与此同时,副热带高压有一个明显的西伸过程,高低层相互配合最终导致低频降水的发生。

冬季东亚副热带急流与温带急流的比较分析：大尺度特征和瞬变扰动活动

使用ERA40再分析的月资料和逐日资料,从大尺度特征和瞬变扰动活动两个角度对冬季东亚副热带急流(EASJ)和东亚温带急流(EAPJ)进行了比较分析。结果表明,使用月资料分析的EASJ与EAPJ在高层风场上没有清晰的地理分界区,而使用逐日资料计算得到的冬季逐日急流发生数则以高原北部上空所处的纬度带为分界岭,存在两个急流中心集中区,分别对应于EASJ和EAPJ区域。通过分析东亚上空天气尺度瞬变扰动活动(STEA)表明,与强盛的冬季EASJ相伴随的是较弱的南支STEA,而与较弱的EAPJ相伴随的北支STEA却十分活跃,显示出EAPJ是与瞬变活动相伴而存的急流。进一步的诊断分析揭示了冬季东亚温带急流的两种主要异常模态,一种是EAPJ区域反气旋性/气旋性异常环流型,另一种是局地西风的减弱/增加。与第1种异常模态相关的北半球大尺度环流异常主要集中在欧亚中高纬地区,其形成受中高纬大气环流以及东亚上游大气环流异常的共同影响。当EAPJ局地西风减弱/增加时,EASJ东段至西太平洋上空的西风急流呈现出与之相反的变化型,北半球大气环流异常表现为大气遥相关的欧亚(EU)型。冬季EAPJ的两种异常模态还与东亚上空STEA异常密切联系,其中在北支STEA区域出现的瞬变异常以波列的形式沿STEA北支轴线传播到达东亚沿海上空,然后东传入洋面上空,而对于靠近STEA南支轴线的异常扰动活动则只能存在于东亚东部及其沿海上空的200 hPa层上。

WRF/NCAR模拟的夏季长三角城市群区域多城市热岛和地表能量平衡

利用一个包含城市冠层效应的区域模式(WRF/NCAR),对长三角特大城市群的夏季气候效应进行了5 a(2003—2007年)高分辨数值模拟,通过长三角地区有无城市的对比试验分析,重点分析了城市群所造成的多城市热岛和地表能量平衡及其日变化特征。结果表明:城市化会导致显著的地表升温,但昼夜不同的升温幅度造成城市地表温度日较差的降低,以及部分郊区日较差增加;城市化也减小城市近地面风速,但沿海城市升温造成的热力差异,增大白天的海风并降低夜间的陆风。同时大范围城市群的热岛能够显著降低低层气压,导致部分海面风速持续的增加;城市下垫面具有很小的潜热通量,但感热通量和热存储量较大,白天的热岛逐渐增加,并在日落前达到最大,夜间热岛基本维持,但在日出前后迅速减弱;较大的入射短波辐射、较小的向下长波辐射和较低的10 m风速能够减弱白天的热岛,而增强夜间的热岛,并且使热岛峰值从17时延后至20时出现;反之亦然。

华南夏季12—30d持续性强降水的低频特征分析

利用1982—2011年夏季(5—8月)中国气象观测站点逐日降水资料、NCEP/NCAR逐日再分析资料、NOAA逐日向外长波辐射和海表温度资料集,通过选取低频降水事件的方法,分析了华南夏季12—30 d持续性强降水事件的基本特征,然后利用位相合成法对持续性强降水期间伴随的低频大气环流型以及低频信号的来源和传播情况进行研究,同时也分析了低频海-气耦合过程对持续性强降水的影响。结果表明:(1)华南夏季降水具有显著的12—30 d低频振荡特征,持续性强降水事件在6月发生次数最多,低频降水期间的雨带自东南向西北传播。(2)在持续性强降水发生期间,华南及邻近海域低层受强大的低频气旋式环流控制,低频上升运动显著,而中国南海—菲律宾海一带则是强的低频反气旋式环流,其西侧向北的低频水汽输送不断将中国南海的水汽送至华南及邻近海域进行辐合上升。低层的低频信号来源于热带西太平洋和中国南海—菲律宾海一带低频振荡的西北向传播,同时伴随着西太平洋副热带高压明显的西伸东退过程。(3)在高层,华南北侧(22°—45°N,95°—130°E)区域强大的低频气旋式环流和孟加拉湾—中国南海一带的低频反气旋式环流相互配合,使华南高层处于强大的辐散环境中,从而加强了华南低层的辐合与低频上升运动,造成持续性强降水的增强。高层的低频信号来源于低频罗斯贝波列的东南向传播。(4)低频大气环流异常通过云辐射和热通量过程改变低频海表温度异常,而由大气强迫的低频海表温度异常通过影响低层大气的稳定性来对大气施加明显的反馈作用,该海-气耦合过程有利于大气低层低频信号向华南地区传播,从而影响了华南持续性强降水的发生、发展与结束。

我国东部夏季降水季节内振荡与低频大气环流演变特征分析

利用1979-2017年夏季逐日气象数据,使用经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)分解和超前滞后回归方法分析了我国东部地区夏季降水季节内振荡(Intra-seasonal Oscillation,ISO)的时空特征及其与低纬和北太平洋中高纬度低频大气环流的联系。结果表明:EOF分解的第一模态表现为我国东南部地区ISO降水显著偏多,而我国北方地区偏少的空间型,相应的低频向外长波辐射(Outgoing Long wave Radiation,OLR)场表现为我国东南部地区低频对流异常活跃,而北方地区异常不活跃的南北偶极子型分布。位于南海至副热带西太平洋上空的低频对流异常活跃区与低频上升气流和低频水汽辐合带协同北传和西北传,在我国东南部地区ISO降水异常偏多位相峰值之前一周抵达华南上空,我国东部地区ISO降水开始呈现出南北偶极子空间型;与此同时,200 hPa低频经向风在北太平洋中高纬度表现为一个纬向低频波列形式,并向西传播,当低频波列中的低频南风异常西传到东亚-日本岛上空时,与低纬北传的高层异常北风形成经向对比,造成我国东南部地区上空出现强的低频散度异常。以上低纬度低频信号西北传与北太平洋中高纬度低频波列西传的协同作用,使得异常活跃的对流活动、水汽异常辐合区、异常上升运动和高层异常辐散区均锚定在我国东南部上空,形成该地区ISO降水异常偏多位相。

大气科学拔尖人才国际化培养模式的研究与实践

1997年南京大学大气科学学院开始探索拔尖人才培养模式,历经二十几年的实践和改革在至今二十几年的培养模式和近二十届拔尖毕业生中,逐步形成了大气科学拔尖人才国际化培养模式。在构建人类命运共同体的过程中,大气科学拔尖人才需要具有以应对人类共同挑战为目的的国际视野和全球价值观;在地球系统科学日益融合的当下,大气科学拔尖人才需要具有宽泛扎实的专业理论基础和基于国内外多平台支撑的大气与地球系统国际科考和科研训练的实践基础;在科教融合的理念下,大气科学拔尖人才需要国际大师的引领、熏陶和指点。

基于Wiki Spaces的《流体力学》互动平台的设计和应用

随着计算机网络技术的发展,微博、即时通讯手段、博客和BBS等网络互动平台越来越成为高校学生展示自我、接受信息及师生相互交流的重要途径。通过网络互动平台的构建,有利于提高教学效率并培养学生自主自学的能力。本文以南京大学的国家精品课程《流体力学》为例,介绍了借助国际一流教育网络平台Wiki Spaces的《流体力学》网络互动平台的创建过程和使用体会。本网络互动平台已成为传统课堂教学的有益补充,避免传统课堂式教学中只有少数大胆同学活跃在课堂上的弊端,达到师生和生生互动的目的,充分调动学生学习的积极性并更好地增强教学效果,对其他课程互动平台的建设具有一定的参考价值。

南京大学国家精品课程“流体力学”建设

本文介绍了南京大学国家精品课程＂流体力学＂的建设过程和概况,着重介绍了精品课程建设中的教材建设和教学环境建设两个重要方面的主要工作及其特色,并详细的阐述了课程层次化分明的教学体系和规范化的教学内容以及关于国家精品课程进一步建设的安排。本课程在理论与实践相结合的教学效果方面作了有益的探索和研究,对其它国家精品课程建设具有一定的参考价值。

我国四季极端雨日数时空变化及其与海表温度异常的关系

利用1960—2004年我国586个气象站的逐日降水观测资料,对每个季节和每个站点,以雨日降水量升序排列的第90个百分位值定义极端日降水阈值,分析揭示了我国四季极端雨日数的时空变化特征、与海表温度异常的关系以及相联系的大气环流异常型。结果表明,我国长江流域极端雨日数在冬季和夏季呈显著增加趋势,华北地区极端雨日数在冬季显著增加、而在夏季显著减少,华南地区极端雨日数在春季显著增加,东北地区极端雨日数在冬季和春季显著增加,而西北地区极端雨日数在四季均显著增加。各季极端雨日数在线性趋势变化之上表现年际和年代际变化特征,并且其典型异常型明显不同,春、秋季表现为长江以南与以北地区反位相的"偶极型"变化,夏季表现为长江流域与华南、华北地区反位相的"三极型"变化,冬季表现为全国大部分地区同位相的"单极型"变化。我国季节极端雨日数与印度洋-太平洋海表温度异常的关系主要表现为与ENSO的关系,而ENSO影响我国极端降水异常是通过相应的大气环流异常型来实现的。

中国东部夏季季节内降水异常及其伴随的热带和中高纬度大气环流演变特征

利用1981-2020年夏季(5-8月) CPC(Climate Prediction Center)逐日降水资料、 NCEP/NCAR逐日再分析资料以及NOAA的向外长波辐射资料,通过经验正交函数(EOF)分解、超前滞后合成等方法,分析了中国东部夏季季节内降水异常的主要模态(即南方型和江淮型降水异常)及其伴随的热带和中高纬度大气季节内振荡(ISO)信号演变特征,初步讨论了中国东部夏季季节内降水异常的成因。结果表明:(1)南方型降水异常事件在早、中、晚夏发生次数接近,江淮型降水异常事件主要发生在中夏。(2)早夏南方型降水异常主要表现为长江以南降水异常,中、晚夏长江以北的降水异常也比较明显。(3)南方型降水异常的形成受到热带和中高纬度大气季节内振荡的共同影响,热带大气对流信号传播携带的暖湿气流输送与中高纬度大气罗斯贝波列传播伴随的冷空气活动在南方地区形成水汽辐合,有利于降水异常的发展维持。且热带和中高纬度大气季节内振荡信号受海表温度、副热带高压和西风急流季节内变化的调节。从早夏、中夏到晚夏,热带大气季节内振荡的源地和传播路径均发生变化,中高纬度对流层高层罗斯贝波列的传播路径和强度也有差别。(4)江淮型降水异常主要表现为长江中下游和华南沿海降水异常反相变化,并伴随着西太平洋副热带高压的西伸东退。热带从赤道西太平洋北传和西北传的异常对流信号,以及中高纬度乌拉尔山阻塞高压与鄂霍次克海阻塞高压在季节内尺度上的协同变化,是造成江淮型降水异常的主要原因。

全球大气季节平均热源的三维分布——非绝热加热与瞬变加热之对比

利用1958—2001年ERA40逐日大气再分析资料,使用热力学方程剩余项法计算和对比分析了全球大气季节平均非绝热加热和瞬变加热的四季气候平均三维分布。结果表明,全球大气非绝热加热主要为热带强大深厚对流性热源、中纬度浅薄热源以及副热带和高纬度的深厚性热汇,热带热源总是向夏半球偏移,但中纬度热源和高纬度热汇在冬半球偏强。全球大气瞬变加热的三维分布主要表现为:副热带热汇-中高纬度热源的南北偶极型和中纬度低层热汇-高层热源的高低层偶极型,该分布型导致瞬变热源具有从高纬度低层向中纬度高层的倾斜结构。瞬变加热与风暴路径密切相关,冬半球风暴路径的瞬变活动强,因而其瞬变热源和热汇也强,而夏半球则相对弱。瞬变加热在北半球具有位于大陆东部和大洋西部的区域性特征,而在南半球具有纬向带状分布,尤其在冷季时南太平洋瞬变热汇和热源带出现分离现象。瞬变加热在全球大部分区域对非绝热加热起减弱抵消作用,但在中纬度对流层中高层起支配性作用。因此,大气瞬变活动帮助高纬度和中纬度中高层大气获得更多的热量,从而对非绝热加热造成的大气热量进行空间上的重新分配。

一种基于全球动力模式和SMART原理结合的统计降尺度区域季节气候预测方法

针对江苏夏季旱涝和高温热浪等异常气候的预测难题,以江苏夏季站点降水和气温为预测目标,建立了一种基于全球动力模式BCC_CSM1.1(m)和最优可预测气候模态和异常相对倾向(SMART)原理结合的统计降尺度季节气候预测方法。利用历史观测资料和SVD方法提取决定中国夏季降水异常相对倾向的同期热带地区向外长波辐射(Outgoing Longwave Radiation,OLR)和北半球中高纬500 hPa位势高度场异常相对倾向的最优可预测气候模态,并利用逐步回归法构建其与同期江苏站点降水和气温异常相对倾向同期关系的统计降尺度模型;将动力模式对最优可预测气候模态的预测带入统计降尺度模型,实现对区域降水和气温异常相对倾向的预测;最后通过引入观测的近期背景异常实现对降尺度的降水和气温总距平的预测。通过对1991—2019年江苏夏季降水和气温的回报检验表明,本文建立的统计降尺度模型效果较BCC_CSM1.1(m)动力模式的直接预测效果有显著提高,为区域精细化季节气候预测提供了一种有效的手段。

CO2倍增对我国东部极端降水的影响

利用GFDL-CM2.1耦合模式控制试验和CO2增长试验逐日降水输出结果,评估了CO2浓度加倍对我国极端降水变化的影响。结果表明:CO2浓度加倍导致我国东部地区年极端降水的强度增强、降水量显著增多及降水频次显著增加(除华北南部外);CO2浓度加倍对我国春夏季极端降水影响较大,导致东部多数地区春夏季极端降水频次增加,强度增强;而CO2浓度加倍导致华北南部和长江中下游春夏季雨日减少以及小雨、中雨减少,从而导致年总降水量减少。

高温热浪下江苏省典型臭氧污染过程的特征及成因分析

基于环境空气质量监测数据,本文分析了2022年6月14—18日高温热浪期间江苏省臭氧污染过程的时空变化特征,并结合天气形势、WRF-CMAQ模拟和典型城市大气超级站挥发性有机物(VOCs)在线监测数据进行了成因分析。结果表明:高温热浪期间,江苏省13个地级城市臭氧污染超标率达96.9%,中度污染超标率为27.6%,臭氧日最大8 h(MDA8 O 3)峰值质量浓度高达260.0μg·m^(-3)。南通市、无锡市、苏州市3个典型城市臭氧质量浓度的日变化特征显示,07—13时臭氧质量浓度增长率在27.9%~46.7%,多个时段净增量超过40.0μg·m^(-3)。利用WRF-CMAQ模型对污染过程进行了数值模拟、过程分析和溯源分析。结果显示,典型城市白天小时平均光化学贡献在24.5~33.0μg·m^(-3)之间,稳定高值的光化学贡献,叠加持续稳定或突发的传输贡献,导致此次高温热浪下臭氧质量浓度爆发式升高,出现峰值污染。在偏南风的影响下,省外污染源来自浙江省贡献最高,在13.9%~33.8%,其中无锡市和苏州市受浙江省外源影响较大。此外南通市大气超级站VOCs在线监测结果显示,臭氧污染期间逐日VOCs体积分数在45.5×10^(-9)~83.6×10^(-9)之间,整体处于高值水平,臭氧生成潜势(OFPs)贡献排名前十的物种以烯烃和芳香烃物质为主。

中纬度瞬变涡旋活动对东亚夏季平均环流和降水的影响

首先利用CFSR再分析数据,分析了东亚夏季平均环流结构及瞬变涡旋活动特征,再通过WRF模式设计控制性试验和敏感性试验分别模拟受到/不受到来自北边界中纬度瞬变涡旋活动影响的东亚夏季环流和降水,通过两组试验对比揭示了瞬变涡旋活动对东亚夏季平均环流和降水的贡献。结果表明,中纬度瞬变涡旋活动可以通过系统性的输送动量、热量、水汽和涡度来改变背景场,从而影响夏季平均环流和降水。当中纬度瞬变涡旋活动大幅度减弱时,其产生的向极动量、热量和水汽输送也显著减弱。一方面向北热量和水汽输送的减少使东亚东部大陆上低层的平均温度和水汽增加,为降水提供了环流不稳定条件和水汽条件,另一方面瞬变涡旋的动力输送变化在环流场上形成相当正压结构响应,整个中国东部地区受强西南风控制,东亚夏季风增强并推进到更北的区域。这两个因素的共同作用使我国北部地区和华南地区产生了水汽辐合和对流增强,导致该地区降水的增强。