基于探空资料评估再分析资料中的QBO特征

使用柏林自由大学发布的1980—2020年近赤道站点探空月平均纬向风资料,首先评估ERA5赤道地区平流层中低层纬向风,然后结合ERA5、NCEP1、NCEP2、CFSR、JRA55和MERRA2等六套再分析资料和探空资料,分析了热带平流层准两年振荡(Quasi-Biennial Oscillation,QBO)位相转换时间、周期和振幅的年际变化以及QBO周期和振幅的长期变化趋势。结果表明,ERA5的赤道平流层中低层纬向风存在明显的QBO信号,且ERA5的各层纬向风与探空资料的相关系数都大于0.97,除10 hPa外,均方根误差(RMSE)都小于3;再分析资料与探空资料的QBO位相转换时间的差异主要为超前或滞后1个月,总体上,ERA5和MERRA2与探空资料最接近;再分析资料与探空资料QBO周期以及东、西风位相持续时间都很接近,相关系数高达0.97以上,RMSE几乎都小于1,且几乎都无显著长期变化趋势,但都表现出随时间越来越不稳定的特征,其中ERA5和MERRA2同样与探空资料更接近;探空资料的QBO振幅在10 hPa和50 hPa显著减弱,30 hPa和70 hPa显著增强,但在20 hPa变化趋势不明显,ERA5的QBO振幅变化趋势和年际变化与探空资料最接近,其次是JRA55和MERRA2。

梅雨发生前对流层顶及平流层异常信号的分析

利用NCEP和欧洲中心的ERA-Interim再分析资料结合中国国家气候中心的20a梅雨观测资料,分析了梅雨发生前江淮地区对流层顶和位涡的异常以及北半球环状模指数的变化。研究表明,江淮地区在梅雨开始前3—5天会出现对流层顶的下降,且高度的经向变化比纬向变化更为明显。对流层顶的降低与北方冷空气的南下入侵、东亚季风的爆发以及急流轴北跳引起的频繁的对流层顶折卷过程有关。对流层顶的下降伴随着来自平流层的高位涡冷空气的入侵。而梅雨发生前江淮地区上空对应正位涡异常,这一异常的建立和维持与贝加尔湖、西西伯利亚、鄂霍次克海附近的正位涡异常有关;而梅雨发生前江淮地区平流层温度达到极大值,梅雨爆发后开始下降,纬向风则处于西风到东风的转换期。梅雨期的总降水量与对流层上部平流层下部的北半球环状模指数存在一致的正相关关系,而在梅雨发生前15—30天,这种相关性尤为显著。这一结果说明,在对流层顶附近的北半球环状模指数对梅雨期降水量的预测有较好的指示意义。

青藏高原地区上对流层—下平流层区域水汽分布和变化特征

利用2005-2008年青藏高原（下称高原）地区微波临边探测器MLS（MicrowaveLimbSounder）、高光谱分辨率大气红外探测仪AIRS（AtmosphereInfraredSounder）、ECMWF的ERA-Interim资料，以及NCEP／NCAR再分析数据和NOAAHYSPLIT（Hybrid；Single-ParticleLagrangianIntegratedTrajec-toryModel）轨迹模式资料，讨论了高原上空对流层顶附近的水汽分布和变化特征及高原上空平流层与对流层之间的物质交换。结果表明，3-4月高原南侧对流层顶附近100hPa存在一个水汽低值带，而7-8月和9-10月此处存在一个明显的水汽高值区。3-4月夏季风未发展之前，受高原大地形抬升和西风气流的影响，高原以南地区存在对流层与平流层的物质交换，而215hPa的高原中部地区（80°E-90°E）则由于空气的下沉运动将上层的干空气向下输送而出现一个水汽低值中心。7-8月，受印度夏季风和高原上空反气旋式环流的影响，高原上空有明显的水汽穿过对流层顶向平流层输送，反气旋环流中心的水汽经过2～4天的上升过程可以从对流层进入平流层。高原及其以东、以西地区的水汽在对流层顶附近的季节变化基本一致，100hPa三个不同区域的水汽在3月达到最低。

春季青藏高原西北侧一次平流层臭氧向对流层传输的模拟研究

利用NCEP/NCAR FNL客观分析资料和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的Interim再分析资料以及臭氧监测仪(OMI)的臭氧廓线资料,结合区域大气化学模式WRF-Chem对中国春季一次高空冷槽过境引起的对流层顶折卷过程(2012年3月19—21日)进行了分析,并从平流、湍流混合、对流输送等几个方面诊断分析了平流层臭氧向对流层的传输特征和细节。结果表明,发生于青藏高原西北侧的对流层顶折卷事件,其所在位置处于热带对流层顶向中纬度对流层顶的过渡区,由于陡峭的对流层顶南北梯度,在该区域发生的平流层-对流层物质交换(STE)比对流层顶东西方向折卷引起的物质交换要强烈和持久,跨越等熵面的物质交换和湍流混合对平流层-对流层物质交换有很大的贡献。大地形对平流层-对流层物质交换过程有显著的影响,且具有明显的日变化特征。早晚时段,大地形导致的爬坡上升气流显著,抑制了平流层空气与对流层空气的混合交换。午后,大地形热力作用增强,受背风坡局地环流的影响,靠近山顶处湍流混合作用对上对流层臭氧浓度升高的贡献显著增强,且地形越高,这种效应越显著。地形的湍流混合作用在2.5 km高度以上凸显,此高度之上地形平均高度每升高100 m,湍流混合的贡献增加约1%。

大气科学本科教学发展探索--以兰州大学为例

大气科学的本科教学应紧抓“双一流”建设的历史机遇,遵照国家相关战略布局,牢固树立“立德树人、以人为本”的人才培养理念,并结合学科特点提出加强思政建设、完善双语教学、紧盯学科前沿方向、进行互动教学、加强实践教学、准备线上课程等教学发展方向的探索。为国家培养有道德、有理想、有责任、有担当的社会主义建设者和接班人;为民族培养有家国情怀、民族大义、内外兼修的新时代人才;为社会培养理论扎实、业务过硬、有创新精神并且具备全球视野的大气科学的高层次人才。

山东省夏季降水与赤道中东太平洋前期冬季海温对应关系的年代际变化

基于NCEP再分析资料的月平均500 h Pa高度场、NOAA月平均海温资料和山东省121个测站逐月降水资料,对1961—2015年山东省夏季降水与赤道中东太平洋海温对应关系的年代际变化进行研究。结果表明,山东省夏季降水在1970年代中期以及1980年代末、1990年代初发生了明显的转变。其中,在1970年代中期以前,山东省夏季降水量为线性减少趋势,总量偏多,而在1990年代以后,无明显变化趋势。山东省夏季降水与赤道中东太平洋前期冬季海温的关系在转变前后有明显差异:在1970年代中期之前,二者为反位相关系;1990年代之后,二者转为同位相关系。此外滑动相关结果也显示,1990年代以前,山东省夏季降水与Ni1o3区前期冬季海温为负相关关系,1990年代之后,二者为正相关关系。进一步研究发现,山东省夏季降水与西太平洋副热带高压之间的相关关系也发生了年代际变化:在前一时期,山东省夏季降水偏多年份的水汽主要来自东亚夏季风的输送;在后一时期,山东省夏季降水偏多的年份水汽主要来自El Ni1o次年夏季副热带高压西侧偏南气流的输送。

南亚高压的水平和垂直结构及其变化特征

利用1948-2016年NCEP/NCAR月平均再分析资料,对南亚高压的水平与垂直结构、中心强度、位置及多年变化特征进行分析。结果表明:与多年平均相比,在上对流层下平流层区域(70、100、150、200 hPa),不同典型异常年份南亚高压的水平结构表现出双中心、纬向与经向跨度变大的特征,但不同高度其水平范围变化不同。近69 a对南亚高压内部空气束缚的东风急流最大风速整体呈减弱趋势,而西风急流的最大风速则无明显变化趋势。南亚高压的热力和动力垂直结构在不同年份有所不同,即东、西风急流强度和温度异常存在年际差异。1948-2016年南亚高压的厚度有明显的年际变化,大致为6.32~6.42 km。各高度南亚高压中心位势高度值在1975-1980年间均上升了0.1 gpkm左右,且中心位置存在东西振荡和南北位移,但这种变化幅度存在一定差异。

RegCM4.0不同对流参数化方案对山东省气温和降水的模拟

利用NCAR/NNRP2的每日4次再分析资料、NOAA的周平均OI_WK再分析资料和山东省122个观测站逐日气温和降水资料,使用RegCM4.0区域气候模式,选取MIT-Emanuel、Grell和Kuo 3种对流参数化方案,对山东省1990—2009年气温和降水进行了数值模拟。结果表明:3种对流参数化方案均能模拟出山东省平均气温和降水量的年际变化,且对气温的模拟效果总体好于降水。模拟的年平均气温偏低,其中Grell试验模拟结果最低,而Ema和Kuo试验模拟的年平均气温在内陆地区存在冷偏差(约-1℃),在沿海地区存在暖偏差(约+1.5℃)。模拟的年降水量偏少,其中Kuo试验模拟值最少。该模式对降水的模拟效果冬季最好,夏季最差。其中,夏季降水量的模拟值Ema试验较观测值偏多13.2%,Grell试验较观测值偏少17.8%。Grell和Kuo试验,对夏季和秋季降水量的模拟值与观测值的相关系数最高。

1997年和2011年春季北极臭氧损耗事件的对比分析

采用SLIMCAT化学传输模式以及再分析资料,对比分析了1997和2011年北极地区平流层臭氧异常偏低事件及其成因。结果表明,1997和2011年3月北极地区大气臭氧柱总量(TCO)异常值都达到了约-80 DU,并且在30—200 hPa(中下平流层)区域的大气臭氧柱总量异常约占整层大气臭氧柱总量异常的80%。分析表明发生在这两年的极端臭氧偏低事件均可能是由于上一年冬季的拉尼娜事件导致上传的行星波减少,使得北极极涡加强,平流层温度异常偏低,生成了更多极地云,引起更强的臭氧化学损耗导致的。对比这两年的大气臭氧柱总量变化发现,2011年的柱总量减少得更快。2011年北极地区上对流层下平流层(UTLS)区域臭氧下降要明显强于1997年,其主要原因应该是2010—2011冬季的拉尼娜活动更强,北太平洋海温更高,进一步减弱阿留申低压和平流层波活动。这导致2011年极涡温度异常偏低更强烈,形成了更多的极地平流层云甚至出现了第二类极地平流层云,最终加速该年春季的臭氧化学损耗引起的。

“05·6”华南持续性暴雨发生前上对流层及平流层异常信号分析

利用欧洲中心ERA-Interim再分析资料,对"05·6"华南持续性暴雨发生前上对流层及平流层信号进行分析。分析结果表明,暴雨发生前一周,暴雨区域上空对流层顶高度出现先降低后升高再降低的变化,这种变化与日本南部的位涡异常存在较好的对应关系,即我国中纬度沿海一带至日本的高位涡带向华南延伸,使得华南地区上空的位涡升高,对流层顶下降。在环流场中,本次暴雨发生前低纬地区上对流层下平流层(UTLS)区域的东风与1991～2010年平均值相比偏强偏北,华南地区上空平流层东风场也偏强,平流层低层东风在暴雨发生前第9天提早向下传播;位势高度场中,"05·6"华南暴雨发生前中低纬度100h Pa上的南亚高压中心位置偏东偏南;华南地区UTLS区域有较强的位势高度场正异常,在暴雨发生前随时间出现两次明显的加强,但在暴雨发生后减弱。南亚高压中心位置的偏移、东风信号的提早下传、高位涡空气入侵华南均有利于降水的发生。

江淮梅雨期平流层—对流层物质交换过程的个例分析

利用MERRA再分析资料,选取2007年江淮梅雨作为研究个例,通过对上对流层、下平流层(UTLS)区域3种化学示踪物(臭氧、一氧化碳和水汽)及位涡的水平与垂直分布变化的分析,探讨梅雨发生前后梅雨区上空的平流层—对流层物质交换(STE)特征。研究表明,梅雨期存在由对流层顶折卷造成的跨越对流层顶向下的物质传输和对流活动引起的物质向上传输。入梅前,主要是由对流层顶折卷造成的物质向下传输(至少能达到300 h Pa),这一过程导致对流层中上层存在高浓度臭氧及一个干层;随后,伴随梅雨的发生,对流活动频繁出现,对流层顶开始抬升,在入梅第二天已经恢复到对流层顶折卷过程发生之前的高度,对流层内的高浓度臭氧和干层也随对流层顶折卷的东移而移出梅雨区。还通过分析梅雨区臭氧和整个亚洲夏季风区臭氧的相对变化量发现,整个梅雨期的STE为物质的向下传输,在UTLS区,梅雨区对亚洲夏季风区的STE贡献为跨越对流层顶向下传输。

中部型ENSO和平流层准两年振荡对冬季北半球平流层臭氧的联合调制作用

利用观测和再分析资料通过合成分析方法,研究了中部型ENSO和平流层准两年振荡(QBO)对冬季北半球平流层臭氧的独立影响和联合调制作用。研究表明,北半球平流层臭氧在中部型厄尔尼诺年增加,而在中部型拉尼娜年减少;准两年振荡东风位相年份,北半球平流层臭氧增加,准两年振荡西风位相结果则相反。相比之下,北半球中、高纬度平流层臭氧异常对准两年振荡活动的响应明显小于其对ENSO活动的响应。进一步研究发现,准两年振荡东风位相会加强中部型厄尔尼诺事件引起的北半球平流层臭氧的增加,而减弱中部型拉尼娜事件造成的平流层臭氧的减少。在准两年振荡西风位相下,中部型厄尔尼诺事件仅导致北半球平流层臭氧含量少量升高,而中部型拉尼娜事件期间臭氧会大幅度减少。因此,准两年振荡东风位相会加强中部型厄尔尼诺事件对北半球平流层臭氧的影响,而减弱中部型拉尼娜事件对北半球平流层臭氧的影响。准两年振荡西风位相会减弱中部型厄尔尼诺而加强中部型拉尼娜事件对北半球平流层臭氧的影响。

南亚高压的东西偏向对亚洲季风区对流层顶附近水汽分布的影响

基于1958~2002年欧洲中期数值预报中心(ECMWF)提供的ERA-40再分析资料和美国气象环境预报中心/美国国家大气研究中心提供的NCEP/NCAR再分析资料研究了夏季南亚高压的东西偏向与亚洲季风区对流层顶附近水汽输送之间的关系。结果表明:(1)南亚高压的东西偏向对上对流层200 h Pa水汽高值中心的位置影响较小,主要影响其强度,对100 h Pa水汽高值中心的位置和强度有着较强的影响,而对平流层下部70 h Pa的水汽分布几乎没有影响。(2)南亚高压偏东年,高原上空和高原南部的垂直上升运动较强,在西风急流的共同作用下可将低层丰富的水汽向上输送,使200 h Pa和100 h Pa的水汽高值中心位于高原上空,而100 h Pa南亚高压范围内偏北风和偏东风增强,在水平输送的作用下使高值中心周围水汽的分布形态与高压中心的分布形态一致。(3)南亚高压偏西年,沿着高原西部的地形抬升作用比高原上空的对流上升运动更强,西风急流北移,对流层顶附近在60°E^80°E范围内形成气旋式环流,因此水汽高值中心向西偏移到伊朗高原。(4)南亚高压范围内200 h Pa的温度异常分布与水汽的异常分布一致,暖中心有利于高水汽的生成。而100 h Pa的温度异常分布与水汽异常分布相反,暖中心对应异常偏低的水汽,说明南亚高压范围内下平流层的水汽分布受环流场和温度场共同作用的影响。该研究对理解南亚高压东西偏向机制及提高亚洲气候预测有一定的参考意义。

北极极涡对极地平流层臭氧变化的影响研究

利用1981—2011年TOMS卫星逐月TCO资料、NASA极涡面积监测逐日资料及1979—2012年ERA-Interim再分析逐日资料,通过异常增加个例分析研究了北极极涡对极地平流层臭氧含量的影响。结果表明:1984年和1989年2月北极极涡分别表现为偏移型和分裂型,由于中高纬向极地输运的行星波的增强导致极地平流层极涡减弱,使得这2年3月初极涡提前崩溃,进而引起极区温度升高,原本在2月形成的极地平流层云(PSCs)消失,臭氧化学损耗减弱。由于高浓度臭氧从中纬输送到极区,导致这2年3月北极区臭氧柱总量(TCO)异常偏高。值得注意的是,尽管1984年和1989年整个冬季极涡面积都相对较大,但由于3月初极涡的提前崩溃使得这2年臭氧迅速恢复,且极涡的持续时间比极涡面积对臭氧的影响更大。

RCP8.5情景下未来热带太平洋海域大气对海表温度的响应分析

热带太平洋是大气对海表温度(sea surface temperature,SST)异常响应最活跃的地带之一,了解热带太平洋海域大气对SST异常响应的变化特征有助于全面了解大气环流、ENSO、季风爆发、台风活动甚至平流层的物理、动力学过程。利用CMIP5的GFDL-ESM2G和CMCC-CESM模式研究未来RCP8.5排放情景下,热带太平洋海域大气对SST异常的响应特征。结果表明,2006—2100年热带太平洋SST逐年增加,而2080—2100年热带太平洋SST与对流活动、200 hPa位势高度异常、垂直速度异常的相关性较2006—2030年明显减弱,预示未来热带太平洋海域大气对SST异常的响应可能减弱。热带太平洋海域大气对SST异常的响应减弱进一步导致平流层温度对未来热带太平洋SST增加的响应减弱。CAM5的敏感性试验结果亦证实了未来热带太平洋海域大气对SST变暖的响应可能减弱。进一步研究发现热带太平洋区域平均SST从2006—2030年的27.4℃增加至2080—2100年的29.4℃。已有研究表明,当热带太平洋SST在27.5℃附近时,深对流活动会随着SST增加而线性加强,而当SST超过28℃时,SST的增加对对流活动的影响变小。因此,未来热带太平洋SST超过28℃,SST的持续增加对对流活动的影响变小,从而导致大气对SST异常的响应减弱。

4-溴邻苯二甲酸二异辛酯的合成

[目的]考察4-溴邻苯二甲酸二异辛酯的合成工艺条件。[方法]以苯酐、溴素及异辛醇为主要起始原料，经溴化反应得到4-溴邻苯二甲酸，再经酯化反应合成4-溴邻苯二甲酸二异辛酯。通过考察原料的摩尔比、反应时间及催化剂用量等关键因素对试验结果的影响，研究合成的优化条件。[结果]酯化反应中较优的合成条件是：催化剂浓硫酸的用量为总原料质量的4％，4-溴邻苯二甲酸与异辛醇的摩尔比为1：5，反应时间为5h，以苯酐计产品的综合收率为87．13％，试验所得产品经气相色谱分析含量在昕％以上，产品结构经^1H—NMR分析确定与目标产物相符。[结论]产物的表征为，4-溴邻苯二甲酸，^1H—NMR（D2O）：8．52（s，1H）；8．23（s，1H）；7．98（s，1H）；4-溴邻苯二甲酸二异辛酯，^1H—NMR（CDCl3）：8．25（s，1H）；7．97（s，1H）；7．73（s，1H）；4．20—4．28（m，4H）；2．05～2．12（m，2H）；1．25～1．33（m，16H）：0．94～0．99（12H）。

中国西北地区降水异常的气候分析

利用中国西北地区128个气象站19712009年逐月的降水资料，用经验正交函数（EOF）、旋转经验正交函数（REOF）、小波分析以及突变分析等方法对西北地区降水的空间异常特征和时间变化规律进行了诊断分析。结果表明：西北地区降水类型可分为降水一致型、东-西型、以及南-北型，并且重要程度依次递减；整个西北地区可以分为6个降水区域，分别为高原东北侧区、北疆区、渭河流域区、高原区、河西走廊区、南疆区；尽管在1971—1909年近40年中西北地区整体呈现出少雨、多雨交替的波动变化特征，却未有明显的变干或变湿的倾向，但是各个异常区的气候变化呈现出了不同的趋势倾向；每个降水异常区域都有明显的周期性和年际、年代际变化特征，普遍仔在3～5年左右的短周期和10年、20年左右的长周期，各个异常区所盛行的主要周期以及同一异常区在不同年代所盛行的主要周期均有所差异。

祁连山区降水气候特征分析

利用祁连山区的逐时、逐日降水资料和山丹军马场大黄沟的云杉树轮宽度资料,研究祁连山区的降水时空变化和分布特征。研究发现:海拔高度对该地区降水有较大影响,并且降水主要发生在午后和夜间;近40 a来,该地区极端降水频次出现了增加趋势,增加幅度达1.25 d/10 a。利用一元二次回归模型重建这一区域200 a以来的降水历史序列。分析表明:整体上19世纪降水比20世纪更加丰富,20世纪初降水出现了突变特征,并逐渐趋于干旱,在20世纪20、30年代曾有严重的旱灾发生,这与该时期在我国北方大范围的干旱事件相一致。