中国极端天气气候研究——“地球系统与全球变化”重点专项项目简介及最新进展

全球变暖背景下,极端天气气候事件频发,并表现出群发性、持续性、复合性等特点,不可预测性增加;持续性强降水、极端低温、复合型极端高温干旱、群发性热浪和台风等极端天气气候事件对我国经济社会和可持续发展影响巨大。然而,上述极端天气气候事件的新特征、关键过程和机理尚不完全清楚,重大极端事件的预报预测水平亟待提升。文章首先简要介绍“地球系统与全球变化”重点专项项目“中国极端天气气候事件的形成机理及其预测和归因”的基本情况。项目拟在分析全球变化背景下对我国造成重大影响的极端天气气候事件新特征的基础上,深入研究多尺度海-陆-气耦合过程影响极端天气气候事件的机理,挖掘极端天气气候事件次季节-季节预测的前兆信号;发展动力与物理统计相结合的极端事件预测新方法,研制针对中国极端事件的新一代高分辨率数值预报与检测归因系统。文章重点总结了自2022年12月项目立项至今取得的最新研究成果和进展。

基于机器学习的中国夏季降水延伸期预报及土壤湿度的可能贡献

延伸期预报准确率较低的问题仍然是目前重要的科学难题,做好延伸期预报对防灾减灾具有重要意义。本文利用机器学习方法开展了中国夏季降水延伸期(5~30天)预报试验,并探讨了土壤湿度对降水延伸期预报的可能贡献。结果表明机器学习方法的预报结果准确率要比传统线性模型方法有较大改善,且在诸多机器学习方法中,以Catboost, Lightgbm和Adaboost三个机器学习模型为最优。进一步分析发现长江流域表层土壤湿度异常导致的蒸发异常和感热异常,能够引起大气环流和垂直运动异常,最终对夏季降水产生影响。使用三个最优的机器学习方法的集合计算出模型中各个预报因子的贡献率,发现在长江流域的延伸期降水中,局地土壤湿度主要在5~10天占主导作用,而前期降水主要在10~15天占主导作用,长江流域20~30天的延伸期降水基本上受到大尺度环流控制。还评估了非局地土壤湿度在延伸期降水中的作用,发现中南半岛表层土壤湿度主要对15~30天的长江流域延伸期降水有重要贡献。将中南半岛表层土壤湿度加入到东北地区延伸期降水模型中,发现对该地区延伸期降水预报准确率并无提升作用,验证了机器学习模型的可用性。该研究为延伸期降水预测以及探究预报因子贡献率提供了一定的参考。

中国夏季边界层高度及其主要影响因子的分区研究

中国区域下垫面复杂且边界层热力和动力影响因子众多,目前缺乏对全国范围内边界层高度及其影响因子的综合分析。本文基于2012~2016年L波段高分辨率探空资料,采用K-prototypes算法结合12个可能影响因子将中国夏季边界层高度进行了聚类分析,以探讨中国夏季边界层高度的区域性特征和主要影响因子。结果表明,中国区域100个站点08、14、20时(北京时,下同)的边界层高度均可划分为东北、东南、西北和西南4个区域。在此基础上,分析了三个不同时次不同区域边界层高度的主要影响因子,并探究这些因子影响不同热力状态下边界层发展的可能机理。结果表明:稳定边界层早(08时)、晚(20时)的发展主要受风速湍流动力作用的影响,而中午14时的发展与间歇性湍流作用密切相关。中性和对流边界层的发展在早上也主要受风速的驱动,而在中午则主要受较高地表温度和较大地表净辐射通量所引起的湍流热力作用驱动。此外,东北地区的云量和比湿、东南地区的潜热通量、西北地区的感热通量和比湿、西南地区的感热通量和土壤湿度也会通过对热力湍流的直接或间接影响,从而影响该区域中性和对流边界层的发展。晚上,由于东西时差的影响,在东部地区,风速开始成为中性和对流边界层高度的主要影响因子,而西部地区边界层高度的主要影响因子仍为热力因子。值得注意的是,北部地区的叶面积指数可以通过植被蒸腾作用改变比湿,从而影响边界层的发展;东北地区地表气压的变化可以通过影响气流的上升和下沉运动从而影响边界层的发展。

欧亚大陆春季融雪异常10-30天季节内变化主要特征及其环流异常演变分析

欧亚大陆积雪是影响中高纬气候的重要因子,深入理解该区域积雪异常变化的特征及其成因,对于气候研究和预测有重要意义。目前的研究大多关注积雪年际、年代际变化及其气候效应,而有关积雪季节内变化的认识还有待加强。本文基于观测和再分析资料,通过统计诊断探讨了欧亚大陆不同区域春季融雪的季节内变化及其与之相关的大气环流特征和地表能量演变过程。结果表明,欧亚大陆春季融雪异常具有明显的季节内变化特征,其主导周期为10~30 d,且季节内变化的信号主要出现在斯堪的纳维亚半岛、东欧平原和西西伯利亚三个区域。进一步分析表明,斯堪的纳维亚半岛地区融雪季节内变化可能和斯堪的纳维亚半岛遥相关型负位相(SCA−)有关,东欧平原融雪季节内变化可能和欧亚遥相关型负位相(EU−)有关,西西伯利亚地区融雪季节内变化可能和斯堪的纳维亚半岛遥相关型正位相(SCA+)有关。不同区域导致融雪异常的原因存在明显差异,长波辐射增加可能是斯堪的纳维亚半岛区域开始发生融雪异常的主要原因;而在东欧平原和西西伯利亚区域,感热通量异常可能是开始发生融雪异常的主要原因。

欧亚积雪异常分布对冬季大气环流的影响 II.数值模拟

基于观测分析的结果 ,采用NCARCCM2模式 ,设计了三组数值试验方案 ,研究了积雪的异常分布对冬季大气环流的影响及其可能的物理过程。结果表明 ,数值模拟与观测分析所得结果一致 ,冬季积雪的异常分布 ,通过积雪的辐射冷却效应 ,可以改变地表的热状况以及地表对大气加热的异常 ,引起大气温度、位势高度场的调整 ,激发冬季大气EUP遥相关型 。

江苏冬季气温的年代际变化及其背景场分析

利用1961—2000年江苏省60个台站的月平均气温资料,分析了江苏冬季(12月至次年2月)气温的异常空间分布特征;在此基础上,研究了江苏冬季气温的年代际变化及其对应的大气环流和SST异常的背景场特征;最后,初步探讨了江苏冬季气温的年代际异常与全球气温变化之间的可能联系。结果表明:(1)江苏冬季气温异常表现出整体偏冷或偏暖的趋势;(2)近40a,江苏冬季气温的异常变化具有显著的年代际变化特征,其中1961—1985年为偏冷期,而1986—1999年为偏暖期;(3)江苏冬季冷、暖期的大气环流、SSTA背景场存在显著的差异;东亚冬季风及江苏冬季气温的年代际异常与SSTA的年代际背景有着十分密切的联系。(4)在年代际尺度上,江苏冬季气温的异常变化与全球气温的异常变化具有较好的一致性,尤其是1980年代中期以来的异常升温与全球气温的明显增暖是同步的,可以认为江苏冬季气温的年代际变化主要体现为对全球增暖的响应。

东亚冬季风对秋、冬季SSTA响应的数值试验

利用 NCAR CCM2模式 ,通过设计多组数值试验方案 ,研究了东亚冬季风对赤道中东太平洋、中纬度太平洋秋、冬季 SSTA的响应。模拟结果表明 ,东亚冬季风对秋、冬季太平洋 SSTA均存在一定的响应 ,但冬季风对 SSTA的响应存在显著的季节和海域差异 ,并表现出不同的异常响应形态。东亚冬季风对秋季 SSTA的显著响应区域位于中纬度太平洋地区 ,该区域的 SST的持续异常 ,可以引起欧亚、北美地区冬季大气环流的异常 ,并伴随有明显的 EU型和 PNA型波列特征 ,秋季中纬度太平洋 SST持续异常偏冷 (暖 ) ,能够引起有利于强 (弱 )东亚冬季风的环流异常。而冬季风对冬季 SSTA的响应则为赤道中东太平洋和中纬度太平洋 SSTA共同作用的结果 ,在两个区域 SSTA的同时强迫下 ,大气环流表现出类似 PNA及 WP型波列分布的异常响应特征 ,赤道中东太平洋的正 (负 )的 SSTA及中纬度太平洋负 (正 )的SSTA,将导致弱 (强 )冬季风的发生。

植被覆盖异常变化影响陆面状况的数值模拟

利用NCAR最新的公用陆面模式CLM3.0,通过数值模拟初步研究了植被叶面积指数(LAI,leaf area index)异常变化对陆面状况的可能影响,结果表明,植被LAI的异常变化能够引起地表能量平衡、地表水循环等陆面状况的异常。(1)植被LAI的异常变化主要影响太阳辐射在植被与地表之间的分配,以及地表的感热、潜热通量。植被LAI增大,能够引起植被吸收的太阳辐射增加,而到达土壤表面的太阳辐射减小,并导致植被的蒸发、蒸腾潜热通量增加,造成地表的蒸发潜热和感热通量不同程度的减小。(2)植被LAI增大时,植被对降水的拦截和植被叶面的蒸发增大,植被的蒸腾作用也明显增强;植被LAI增加会使得热带地区各个季节的土壤表面蒸发、地表径流减小,而土壤湿度有所增加;LAI增加造成中高纬度地区土壤蒸发的减少主要出现在夏季;LAI增加还能够引起中高纬地区冬、春积雪深度不同程度的增加,造成春末、夏初地表径流的增加。(3)植被LAI增加能够使得叶面和土壤温度有所下降,但植被LAI的变化对叶面、土壤温度的影响相对较小。

功能性消化不良与胃黏膜肥大细胞、血浆胃动素的关系

背景:功能性消化不良(FD)是常见的功能性疾病,严重影响了患者的生活质量和身心健康,已越来越引起临床医师的关注。目的:探讨肥大细胞(MC)、胃动素(MTL)在FD发病中的作用。方法:选取2013年9月-2014年1月莆田学院附属医院的60例FD患者,其中餐后不适综合征(PDS)32例,上腹痛综合征(EPS)28例,以28名健康志愿者作为对照组(HS组)。比较胃黏膜MC计数、血浆MTL水平(空腹和饮温水后)以及胃排空时间(T1/2)。结果:与HS组相比,FD组胃黏膜MC计数显著增多(P<0.001),空腹和饮温水后血浆MTL水平均显著降低(P<0.001),T1/2显著延长(P<0.001)。PDS亚组MC计数与EPS亚组无明显差异(P=0.094),空腹和饮温水后血浆MTL水平显著低于EPS亚组(P<0.001),T1/2显著延长(P<0.001)。结论:FD患者胃黏膜MC计数较HS组显著增多,提示MC可能在FD的发病中起一定作用。FD患者血浆MTL水平下降,可能是FD发病和产生相应症状的原因之一。

近20年中国土地利用变化影响区域气候的数值模拟

区域尺度土地利用/土地覆盖变化(LUCC)的气候效应以及土地覆盖数据的不确定性,一直是LUCC研究不可忽视的关键问题。本研究基于最新的遥感资料,采用新的区域气候模式Reg CM4.0,探讨了1990年至2010年中国LUCC对区域气候的影响。结果表明,中国区域LUCC使得局地气温和日较差发生了显著改变,而降水及低层环流场变化不显著;LUCC的影响存在季节性差异,其中,夏秋季响应程度较大且主要体现在边界层内。就LUCC对气候影响的机理各地区有所不同,华北地区LUCC的气候效应主要受蒸散发作用主导,而长江流域则由反照率与蒸散发共同作用。这些结果均说明,较短时间尺度的LUCC气候效应主要体现在其局地范围,且在不同的季节有所差异。

Nino C区秋季海温异常对东亚冬季大气环流的影响

研究了秋季赤道中东太平洋（Nino C区:0～10°S,180～90°W）的SST异常对东亚冬季大气环流的可能影响。在揭示二者联系的基础上,通过分析海温异常所引起的500hPa高度、经向风及纬向风的异常特征,探讨了秋季海温异常影响东亚冬季大气环流的可能途径。研究发现,Nino C区秋季SST异常,能够对东亚及西太平洋地区的大气环流及风场产生显著影响,进而影响东亚冬季风活动:秋季SST正（负）异常,引起西太平洋地区出现类似负（正）WP遥相关型的环流异常,中纬度纬向西风加强（减弱）,东亚及沿海地区出现异常南（北）风分量,经向风减弱（加强）,最终导致偏弱（强）的东亚冬季风活动。这是海温异常影响东亚冬季大气环流的一种可能途径。

CLM3.0对中国区域陆面过程的模拟试验及评估Ⅰ:土壤温度

利用NCAR公用陆面模式(Community Land Model 3.0,CLM3.0)及普林斯顿大学1948—2001年1°×1°、3 h一次的全球大气近地面强迫资料,对中国地区1948-2001年的土壤温度进行了off-line模拟试验,通过对模拟结果和全国台站观测土壤温度资料的对比,评估了CLM3.0对中国区域不同层次土壤温度的模拟能力。结果表明:模式能模拟出中国地区多年平均土壤温度的空间分布型,除部分地区模拟比观测偏高外,模式模拟的土壤温度普遍偏低;模式能较好地反映出中国地区土壤温度的年际变化,对4月的模拟稍好于7月。对于划分的8个子区域,东部区域模拟好于其它各区,除高原一带外,表层的模拟均好于深层;模式基本能抓住土壤温度的变化趋势,而且模拟出了7月长江流域以南地区土壤温度显著降低这一趋势,但模拟的趋势比观测有所偏弱。

长江中下游地区冬季极端降水事件与天气尺度瞬变波活动的可能联系

利用ERA40、NCEP/NCAR逐日再分析资料和长江中下游地区85站逐日降水资料,从大气内部天气尺度瞬变波的角度对长江中下游地区极端降水事件进行了成因分析。研究发现瞬变波活动与极端降水的发生关系密切;冬季在两支急流并存的欧亚大陆上空存在南北两支瞬变波活跃带。南支瞬变波在冬季极端降水频发、少发年存在较明显的差异。总体而言,极端降水频发年,瞬变波活动活跃,欧亚大陆上空的瞬变波持续时间长、传播连续、强度偏强;极端降水少发年,则反之。从逐日变化来看,南支瞬变波的强度和能量传播过程与极端降水的发生频次均具有一定的对应关系。北支瞬变波的传播及瞬变波对水汽的输送和极端降水的发生也有一定促进作用。这些结果均表明,冬季极端降水的发生与天气尺度瞬变波的活动联系紧密,天气尺度瞬变波的异常活动及传播可能是极端降水发生的重要条件,研究可为极端降水的成因研究提供新的思路。

陆面模式CLSM的设计及性能检验II.模式检验

利用BOREAS ,HEIFE ,ARME ,GAME TIPEX等大量的陆面外场观测资料 ,针对不同类型的陆面过程 ,对所发展的陆面模式CLSM的性能进行检验。模拟结果与观测资料的对比分析表明 :一方面 ,CLSM能够对积雪变化、干旱 半干旱地区的水热交换等特殊的陆面过程进行合理的描述 ;另一方面 ,CLSM对热带雨林地区的植被 -大气相互作用、高原地气交换过程同样具有很强的模拟能力。CLSM解决了陆面模式对上述特殊下垫面描述能力有限的实际问题 ,保证了对特殊下垫面进行合理描述的同时 ,又保证了对其他不同陆面状况的模拟能力。CLSM改善了陆面模式对全球范围内不同下垫面条件下的陆面过程及地 -气交换过程的模拟能力。

BCC气候模式对中国近50a极端气候事件的模拟评估

利用中国区域437站1958—2005年逐日气温和降水资料,评估了国家气候中心(BeijingCli-mateCenter,BCC)气候模式对中国近50a极端气候事件空间分布、时间演变等方面的模拟能力。结果表明:1)模式对极端温度和降水多年平均的空间分布具有一定的模拟能力,但尚存在系统性的偏差。暖昼日数的模拟优于冷夜日数,全年冷夜日数的模拟优于冬季和夏季的模拟,而全年和夏季暖昼日数的模拟优于冬季的模拟。极端降水频次的模拟优于极端降水量的模拟;夏季和全年的模拟优于冬季的模拟。夏季极端降水频次的模拟较好,但冬季的模拟在长江中下游和华南偏小、北方偏大,而全年的模拟在长江下游及南部沿海地区系统性偏大;夏季和全年极端降水量的模拟系统性偏低,而冬季在北方偏高、南方偏低。2)模式较好地模拟出了夏季和全年冷夜日数的全国较为一致的减少趋势,再现东北和东南沿海地区冬季冷夜日数的减少趋势,但模拟的趋势较实测偏弱。模式对暖昼日数长期趋势的模拟效果较理想,较好地反映出了大部分地区暖昼事件发生频率显著增加的特征,但冬季的模拟尚有待改进。模式较好地模拟出了夏季和全年极端降水频次的长期趋势,较好地刻画了极端降水频次"南增北减"的特征;模式对冬季极端降水频次的变化趋势几乎无模拟能力。同样,模式也较好地模拟出了极端降水量夏季南增北减的分布形势和冬季的总体增加趋势,但对全年的模拟不理想。3)模式能较好地模拟出冷夜日数和暖昼日数异常变化的主要空间型,对EOF第一模态的时间演变特征具有一定模拟能力;但模式对第二模态时间演变特征的刻画能力较差。模式对极端降水指标的年际变化具有一定的模拟能力,对部分区域极端降水事件的年际变化具有较好的模拟能力;但模拟能力表现出了明显的区域性差异,部分区域极端降水年际变化的模拟结果与实况甚至相反,模式对极端降水年际变化的模拟能力还有待提高。所得结果可为BCC气候模式的改进及极端气候模拟、预估提供一定的参考。

Josephus问题的算法设计与应用研究

Josephus问题是组合数学的发展源头之一。关于Josephus问题的描述形式甚多。文章通过实验和分析,总结了一个通用性的描述形式,并给出了基于循环链表的算法设计。算法的数据源从文本文件中获取,增强了算法的实用性;根据数据元素值的递增顺序建立循环链表,能够有效地分类数据,使Josephus数据序列均匀分布且不重复。文章还给出了Josephus问题的若干个应用实例,包括将Josephus问题应用于通用试题库的组卷算法和找出一组数据中某个指定范围的数据序列等。

中国近50a极端降水事件变化特征的季节性差异

利用中国419个测站1958—2007年逐日降水资料集,分析了近50 a中国不同区域年和季节极端降水事件的基本变化特征。结果表明,多年平均极端降水事件的空间分布具有明显的纬向分布特征,并表现出显著的季节性差异。长江以南地区是春、冬季极端降水事件发生频次较高的区域;而年、夏季以及秋季极端降水事件发生频次在西南地区较高,在西北东部较低。年极端降水事件频次的长期变化趋势与夏季相似,华北和东北有增加趋势,其他地区为弱的减少趋势;其他季节的长期变化趋势存在明显的区域和季节性差异。年和季节极端降水事件的发生频次具有显著的年际和年代际变化特征。年极端降水事件时间序列的多项式拟合曲线的变化情况与夏季基本一致;而其他季节的变化则存在较大差异,表现出显著的季节性差异。

江苏近40a夏季降水异常及其成因分析

利用1961—2000年江苏省60个台站的月降水量资料,研究了江苏夏季(6、7、8月)降水量的异常空间分布特征和时间演变规律,分析了与江苏夏季降水有关的大气环流异常的基本特征及引起江苏降水异常的原因。结果表明:(1)江苏夏季降水异常主要表现出两种最为典型的空间分布。其中,第一类雨型反映了全省降水的一致性变化,表现出整体偏多或偏少的情形;而第二类雨型则反映了降水异常的南北反相分布,对应的降水分布为南多北少或南少北多的形势;(2)两类雨型均存在明显的年际变化,两类雨型均与西太平洋副热带高压的南北异常有密切关系,但二者的大气环流背景场又存在显著的不同;(3)不同区域、不同季节的SSTA与两类降水异常存在一定的相关关系,是造成江苏降水年际异常的可能原因之一。前冬北太平洋SSTA偏暖(冷)通常与江苏夏季降水的整体偏多(少)有关;而前期冬季南印度洋、春季热带印度洋、南海及我国东部沿海地区出现的SSTA大范围的冷(暖)异常,通常对应江苏夏季降水南少(多)北多(少)。

土壤湿度年际变化对中国区域极端气候事件模拟的影响研究 Ⅱ.敏感性试验分析

利用NCARCAM3.1大气环流模式,设计了有、无土壤湿度年际异常的两组数值试验,探讨了土壤湿度年际异常对极端气候事件模拟的可能影响。结果表明,模式模拟的极端气候事件对土壤湿度异常十分敏感,土壤湿度异常对极端气候指标的多年平均空间分布、年际变率以及年际变化均具有重要影响。当不考虑土壤湿度的年际异常时:(1)模拟的暖夜日数、暖昼日数和热浪持续指数的发生频次在全国范围内均明显减少,而霜冻日数则明显增加。极端降水指标的响应表现出明显的空间差异,极端降水频次在江淮流域明显减小,而极端降水强度则表现为东北减弱、长江流域增强;中雨日数和持续湿期在我国大部分地区减少。(2)极端气温指标的年际变率在我国大部分地区呈减小趋势;而极端降水事件的变化则较为复杂,极端降水频次和极端降水强度的年际变率在长江以南有所增强,而北方地区则有所减弱。中雨日数和持续湿期的年际变率在我国呈现出较为一致的减少趋势。(3)模式对暖夜日数、霜冻日数的年际变化的模拟能力明显下降,并对4个极端降水指标的年际变化的模拟能力在全国多数区域均有不同程度的下降。

欧亚积雪异常分布对冬季大气环流的影响I.观测研究

利用ECMWF 1 979～ 1 993年 2 5°× 2 5°的网格点积雪深度资料、中国气象局整编的海平面气压、 5 0 0hPa高度场和NCEP再分析资料 ,探讨了欧亚冬季积雪异常对同期大气环流的影响。结果表明 :( 1 )欧亚中高纬冬季积雪面积与同期大气环流具有密切的联系 :积雪面积为正 (负 )异常时 ,冬季 5 0 0hPa高度场对应正 (负 )欧亚—太平洋 (简称EUP)遥相关型 ,东亚冬季风活动偏强 (弱 )。 ( 2 )诊断结果表明 ,积雪异常与大气环流之间的密切联系在一定程度上反映了冬季积雪的异常分布可能对大气EUP遥相关型和东亚冬季风活动产生影响。 ( 3)SVD分析得到的冬季积雪的异常分布与同期大气环流的耦合模态 ,证实了前面所得结果。