SAMI2模型理论研究顶部电离层分季夜间中纬电离峰的形成机制

近年来多种观测表明夜间中纬电离层存在电离密度峰值,但是夜间中纬电离峰(Mid-latitudinal Ionization Peak,MIP)结构的形成机制尚不完善.利用Swarm-A卫星观测数据,本文首先统计了地磁平静期分季夜间中低纬电离层电离密度的空间分布,结果表明夜间MIP结构在低太阳活动强度和午夜后最显著,主要出现在磁纬±40°附近.然后,本文首次使用SAMI2模型成功重现了低太阳活动强度春分日地磁平静期夜间MIP结构,模拟结果表明MIP结构在午夜后和顶部电离层-等离子体层最显著.通过重构SAMI2模型中电离层电离密度连续性方程的计算揭示了各种物理过程对于450 km高度顶部电离层夜间MIP结构的贡献.日落前后东太平洋扇区率先形成南半球MIP结构,中纬电离层较长时间的光电离、东向磁偏角导致的赤道向中性风和较弱的PRE电场均有利于其形成.深夜MIP结构的形成机制主要是西向纬向电场导致的向内E×B漂移,通过快速降低低纬电离层电离密度形成MIP结构.模拟结果还表明中性风对于夜间MIP结构的贡献取决于其等效垂直风的地方时-纬度分布.

北极—中纬度联系与北极海冰变化的关系研究新进展

本文概要介绍了近年来(2018~2023年),北极—中纬度联系与北极海冰变化的关系研究新进展。主要包括以下几个方面:(1)对北极海冰融化在欧洲极端降雪个例中的贡献有了实质性的认识,这是以往研究提出的北极海冰影响大气环流的机制所无法解释的。(2)冬季亚洲区域气温对北极海冰持续融化的响应有显著的低频振荡特征。北极海冰持续融化,有利于冬季暖北极—冷欧亚(2004/2005~2012/2013年)和暖北极—暖欧亚(2013/2014~2016/2017年)交替出现。前一阶段北极—中纬度联系加强,而暖北极—暖欧亚阶段北极与东亚的联系减弱了,但海冰融化影响北极—欧亚大陆联系强弱变化的机理不清楚。(3)在夏季平均和季节内时间尺度上,东亚中、低纬度区域夏季高温热浪极端天气事件与同期北极对流层中、低层冷异常有直接的动力联系。北极夏季对流层中、低层冷异常不仅有利于减缓北极海冰融化,而且成为预测后期东亚冬季风趋势的前兆因子。(4)北极夏季海冰融化异常,对我国华北以南区域夏季降水并无实质性影响。(5)尽管诸多研究强调了平流层—对流层相互作用,在连接北极海冰融化与中纬度天气气候中起重要作用,但因果联系依然偏弱,不确定性大于对流层过程。(6)区分北极海冰强迫与大气内部变率在天气事件和气候变率中的不同作用已无实际意义。未来关注北极海冰融化的影响,更应注重其在大气环流低频变化中的作用,以及北极海冰异常空间分布差异和不同异常振幅的影响,同时需要定量化研究北极海冰融化在极端天气和气候事件中的作用。

中纬度造山带地区的长期化学风化——中亚和北美的对比研究

长期化学风化速率(LCWR)和化学风化剥蚀率(CDF)是表征区域化学风化程度和揭示地貌和气候系统演变的重要依据。全球尺度上,中纬度地区的长期化学风化研究远比低纬地区争议更多,原因之一是其风化机制在理论认识上仍存在不确定性,特别是造山带地区的长期化学风化与物理侵蚀、构造、气候之间的关系等。本文利用地球化学质量平衡方法,针对北半球中纬度典型造山带(中亚黑河流域和北美内华达山脉)开展了相关数据和资料的系统整理与再分析,估算了黑河流域的LCWR值和物理侵蚀速率(E)值并与内华达山脉进行了对比研究。分析结果表明,黑河流域、内华达山脉的LCWR分别为17.4~895t/km^(2)/a、1~173t/km^(2)/a,CDF分别为0.17~0.81、0.02~0.61,LCWR与E均显著正相关,与海拔高度、年均温度、年均降水量等仅局部相关。研究区的长期化学风化主要表现为“供应受限型”风化,但黑河流域局部地区已处于“供应受限”与“动力学受限”过渡的风化阶段。结合回归分析结果和已有成果的综合分析,中纬度造山带地区的长期化学风化速率受到地质、气候等因素的协同影响,但主控因素为地质因素,而化学风化剥蚀率则主要受控于其他因素。

CMIP6模式对北太平洋中纬度海洋锋强度与冬季风暴轴关系的模拟及预估

本文利用参与第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)的高分辨率气候模式CNRM-CM6-1-HR资料,对北太平洋中纬度海洋锋强度与冬季风暴轴的关系开展模拟和预估。研究发现,该模式能够较好地再现海洋锋强度与风暴轴的正相关关系,即当海洋锋加强(减弱)时,风暴轴在其主体及下游区域显著增强(削弱),但模拟的正相关关系在风暴轴北部强于观测,这是由于模拟的海洋锋强度与低层大气斜压性的正相关关系在其北部偏强。对比模式在历史试验和未来4种共享社会经济路径(SSPs)下的模拟结果发现,全球变暖背景下,海洋锋强度与风暴轴依然存在显著的正相关关系,但在风暴轴气候态大值区及其北部区域呈现减弱趋势,正相关关系减弱程度在高辐射强迫情景(SSP5-8.5)下最大,在中等至高辐射强迫情景(SSP3-7.0)下最小。进一步研究发现,未来海洋锋强度与低层大气斜压性的正相关关系呈现出类似的减弱趋势,说明未来海洋锋与风暴轴关系的变化主要取决于海洋锋与低层大气斜压性关系的变化。

北太平洋副极地海洋锋四季变异特征及其与中纬度大气的联系

基于高分辨率海洋与大气再分析资料,结合统计分析与动力学诊断,揭示了北太平洋副极地海洋锋区(Subarctic Oceanic Frontal Zone,SAFZ)强度四季变异的特征及成因,阐释了与SAFZ四季异常相伴随的中纬度大气环流异常特征及其对应的动力学过程。结果表明,SAFZ在秋、冬、春季较强,夏季相对较弱。海温经向平流过程是秋、冬、春季SAFZ强度维持的主导因素,而海-气界面净热通量交换过程对夏季SAFZ强度减弱起决定作用。在不同季节,伴随SAFZ强度变异,边界层湍流热通量发生变化,非绝热加热异常引起锋区上方低层气温经向梯度与大气斜压性的异常,进而导致大气瞬变涡旋活动异常。由瞬变涡旋涡度强迫异常主导,中纬度北太平洋及中国东部、东北部等地上空对应产生相当正压结构的大气位势高度场异常与风场异常,相应的大气环流异常场存在季节差异。

电离层中纬槽极小的位置变化及其控制因素研究

本文利用2000年至2009年CHAMP卫星朗缪尔探针实地测量的电子密度数据,分析了电离层中纬槽的位置变化及其控制因素.研究结果表明:(1)地磁平静期电离层中纬槽的位置随磁地方时和经度变化;(2)电离层中纬槽的位置对地理经度的依赖表现为西半球槽的位置高于东半球;(3)AE指数和SYM-H指数与槽的位置变化显著相关,表明极光电集流和环电流是中纬槽位置变化的重要控制因素;(4)太阳风电场晨-昏分量的量值变化显著影响中纬槽位置,而其极性变化的影响相对较弱.研究结果对中纬槽建模有一定的参考价值.

北半球电离层中纬槽发生率及其槽极小位置变化的统计研究

本文利用2014年9月到2017年8月全球高时空分辨率TEC数据对北半球四个经度带电离层中纬槽的发生率和槽极小位置的变化进行了统计研究.基于Kp指数,我们引入了一个包含地磁活动变化历史效应的地磁指数(Kp 9)来分析中纬槽位置变化与地磁活动水平的关系.通过与其他地磁活动指数的对比,发现槽极小纬度与Kp 9指数的相关性最好.此外,本文重点分析了中纬槽发生率及槽极小纬度的经度差异、季节变化、地方时变化以及与地磁活动强度等的关系.结果表明,中纬槽的发生率与经度关系不大,主要受到季节、地方时与地磁活动的影响.午夜中纬槽发生率在夏季较低,其随地方时的变化则呈现出负偏态分布的特点,在后半夜发生率更高,而地磁活动增强对中纬槽的发生具有明显的促进作用.对于槽极小纬度,其在四个经度带的分布差异不大,但月变化各不相同,其中-120°经度带呈单峰分布,在夏季槽极小纬度更高,而0°经度带夏季槽极小纬度更低.槽极小的位置显著依赖于地磁活动、地方时以及季节变化.一般说来,地磁活动越强,中纬槽纬度越低.中纬槽位置随地方时的变化有明显的季节差异,冬季昏侧槽极小纬度随地方时变化较快,弱地磁活动条件下22∶00 LT前即达到最低纬度,其后位置几乎保持不变,而两分季槽极小纬度从昏侧至午夜都在降低,夏季槽极小纬度从昏侧连续下降至03∶00 LT左右.

中纬度带天然气水合物地球化学勘查技术

祁连山冻土区木里地区天然气水合物矿藏是迄今为止在中纬度带首次发现的水合物矿藏,为了研究中纬度带水合物地球化学勘查技术,选择木里矿区作为方法技术的试验区。试验指标内容有土壤顶空气、酸解烃、碳酸盐和甲烷碳同位素。研究表明:祁连山木里天然气水合物矿藏存在明显的近地表地球化学异常;由甲烷碳同位素和烃类组成判断地表油气化探异常为热解成因,指示该区天然气水合物成藏物质来源于油气和煤成气。进一步研究了中纬度带冻土区天然气水合物成藏模式,指出该区进行天然气水合物勘探的同时应进行石油和煤成气的综合勘探。

中纬度亚洲现代间冰期气候变化的“西风模式”讨论

中纬度亚洲地区存在主要受季风环流影响的东南部湿润地区(简称季风区)和主要受西风环流控制的内陆干旱区(包括青藏高原北部高寒干旱区,简称西风区)。根据对近年来新发表的气候变化记录证据梳理总结,发现西风区在中—晚全新世气候湿润,与亚洲季风在早—中全新世强盛的格局显著不同。过去千年的西风区中世纪暖期干旱,而小冰期相对湿润,与此相对,万象洞石笋氧同位素记录则显示季风降水在中世纪暖期时整体处于高值,在小冰期处于低值段。在近百年,尤其是近50a,西北干旱区湿度增加,而季风影响范围内的西北东部和华北等地变得更干。不仅如此,在分属西风和季风影响区的青藏高原北部和南部,年代际—百年尺度上降水变化也表现出反相位关系。据此我们提出,亚洲中部西风带控制区在现代间冰期从数千年到年代际的各个时间尺度上均存在不同于季风区的湿度(降水)变化模式,称之为现代间冰期气候变化的西风模式。

北太平洋风暴轴的变异特征及其与中纬度海气耦合关系分析

本文使用欧洲ECMWF(ERA40)再分析资料,通过经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)分解探讨了冬季北太平洋风暴轴的变异特征,使用回归分析得到了与风暴轴空间异常型相关的冬季大气平均流异常、表层海温(Sea Surface Temperature,SST)异常的空间耦合型.研究结果表明,冬季北太平洋风暴轴主要有两种空间异常型,第一种是风暴轴中东部明显北抬(南压),使得整个风暴轴向东北(东南)倾斜,与此同时,在中纬度北太平洋海区,冬季暖(冷)异常的洋面上是异常高压(低压),海气系统在垂直向表现为一种暖脊(冷槽)配置,在对流层中高层是太平洋-北美(Pacific-North American,PNA)型负(正)位相.第二种是风暴轴整体性加强(减弱)并偏北(南),此时,黑潮区海温异常偏暖(冷),低层阿留申低压和高空的西风急流略偏北(南),对流层中高层表现为西太平洋(Western Pacific,WP)型负(正)位相.风暴轴EOF分解的时间系数与阿留申低压指数、PNA指数、WP指数,以及与尼诺3区(NINO3)指数、黑潮海温指数间显著的相关性再次证实了在北太平洋中纬度地区存在着SST异常、风暴轴异常和大气平均流异常三者间的空间耦合型.

高空急流与中纬度系统影响下台风暴雨的研究现状

我国暴雨天气中 ,台风是最强的暴雨天气系统。当台风外围系统与西风槽相互作用时往往发生暴雨突然增幅现象 ,造成严重灾害。以往大量的研究表明 :台风和中纬度系统相互作用引起的远离台风的北段暴雨大多发生在西南风高空急流区的右后方 ,高空急流有明显的非纬向特征 ,而且暴雨增幅与高空急流的非纬向增强有关。对有关高空急流与中纬度系统影响下台风暴雨的研究进行了综述 。

中纬电离层f_0F_2的暴时变化

用近５０个中纬（磁纬在±２０°-５０°之间）电离层垂测站的ｆ０Ｆ２资料，分析与磁暴相伴的电离层暴事例表明：地磁Ｄｓｔ指数与中纬电离层ｆ０Ｆ２暴时变化Ｄｓ（ｆ０Ｆ２ ）有大致相似的发展趋势。但用时序叠加法求得的强度不同、发展过程和持续时间不同的多次电离层暴ｆ０Ｆ２变化的平均值，其物理意义是很不明确的。暴时ｆ０Ｆ２变化的地方时分布Ｄｓ（ｆ０Ｆ２）中，一般说以全日周期扰动幅度（Ａ１）为最强，但电离层负暴峰值后常出现半日周期扰动（Ａ２）的增强，且有时Ａ２＞Ａ１．Ａ１的涨落趋势与Ｄｓｔ（ｆ０Ｆ２）相似，但特强磁暴时，Ａ１值有可能反而变小．以Ａ１ｓｉｎ（ω ｔ＋ １）表示的全日周期扰动中，初位相１值随暴时的发展而变小表明，扰动分布形态是基本上随地球一起转动的。

热带气旋与中纬度环流系统相互作用的研究进展

热带气旋在热带洋面生成后大多向极移动,其结构、强度、移动路径及风雨等均受中纬度环流系统及地形的影响,同时,热带气旋携带的大量水汽和热带扰动能量向中纬度的输送,有利于激发和增强中纬度环流系统的发展,产生严重的灾害性天气。近年来,热带气旋与中纬度环流系统的相互作用已成为国际台风界的研究焦点之一。简要概述了该领域的研究进展,旨在为进一步探讨其相互作用机制及寻找业务转化途径,最终提高热带气旋及中纬度转折性的灾害性天气预报精度奠定基础。

中纬度海气相互作用研究进展

回顾了中纬度海气相互作用的研究现状，分析了长期以来该项研究进展缓慢的原因和近十几年来的研究成果，结果指出：中纬度海洋在全球气候变化中有着重要的作用；冬季中纬度海气相互作用的强信号是冷空气强度；中纬度海洋强暖流区海气能量交换异常对同期和后期（半年至一年）北半球范围内的大气环流型有重要影响；当冬季黑潮和湾流海域海洋对大气同时异常多或异常少加热时，易形成夏季长江中下游偏旱或偏涝的环流形势。最后还提出，深入研究中纬度海气能量系统异常对大气环流影响及其物理机制，是今后海气相互作用研究的重要内容。

北太平洋中纬度负海温异常对副热带高压影响的数值试验

利用中国科学院大气物理研究所的T42L9全球大气环流模式,研究了1993年夏季北太平洋中纬度海温异常对西太平洋副热带高压的影响。数值试验结果表明:(1)中纬度地区负距平海温异常对其南侧太平洋副热带高压的形态和脊线位置都有影响,负距平海温异常试验的500hPa副热带高压的形态明显比气候平均海温试验更接近于NCEP资料实况,对流层中下层副热带高压脊线的平均位置也比气候平均海温试验要偏南,与实况比也更接近了;(2)在500hPa上,北太平洋中纬度负距平海温异常在其南侧产生的高度扰动使副热带高压向南偏移,而在其北侧产生的高度扰动则沿北太平洋中高纬度、北美中高纬度、北大西洋和欧洲南部以及地中海和北非地区的大圆路径传播,并影响和改变整个北半球大气环流的变化。1993年夏季北太平洋中纬度异常的低海温可能是该年盛夏6、7月北太平洋副热带高压位置异常偏南的重要原因之一。

热带气旋的登陆及其与中纬度环流系统相互作用的研究

热带气旋的主要灾害往往在登陆前后造成，登陆问题是当今热带气旋 研究的重点。热带气旋与中纬度环流系统相互作用，不仅影响热带气旋的结构和强度变化， 也对中纬度地区天气产生重大影响。西风槽强度的变化可使热带气旋的降水突然 增幅３０％。环境场的急剧调整常引起热带气旋运动突变，在弱环境场中，热带气旋的异常运 动与非对称结构关系紧密。中纬度系统对热带气旋的非对称结构有重要影响。另一方面，热 带气旋向极移动过程中携带了大量可供中纬度地区降水的水汽，在气旋性切变的环境场中， 热带气旋还向环境场输送能量，并激发和增强中纬度气旋性环流系统的发展，触发严重的灾 害性天气。热带气旋有时也会截断低纬向中纬度的水汽输送及中纬度波动的能量频散，９５％ 左右的南海热带气旋对梅雨有显著影响，其中约８６％的热带气旋会导致梅雨减弱中断甚至结 束。

正压准平衡海洋模型及其解Ⅰ:中纬度大尺度风场强迫情况

本文建立了风场强迫下考虑瑞利摩擦的水平二维正压准平衡海洋模型,并对中纬度大尺度风场强迫的情况做了解析求解。结果表明,在近地面西风急流的强迫下,在理想海洋的西海岸以东会出现由气旋涡与反气旋涡构成的涡旋偶;当西风强迫越大,粘性越小时其强度越大,而β越大,β通道的半宽越小,则其沿纬向的变化越剧烈;该涡旋偶的性质属准平衡的涡旋波。将该结果与北太平洋上层流场异常的复EOF分析的第一模态作比较后可见,两者有类似之处。最终,该海洋模型的解则趋于该风场强迫特解。

正压准平衡海洋模型及其解Ⅱ:中纬度自由涡旋波动

本文研究了正压准平衡海洋模型中的自由涡旋波。得到的主要结论有:该模型中的解为波包,其载频都是西传的。在仅考虑大洋西海岸时其载频频率是连续谱;而同时考虑大洋东、西海岸时则其为离散谱;且均有其载频频率越高(周期越短)其水平尺度越大的特点,对过分低频的波动,则会使准平衡的假定不再适用。模型中波包载频的周期约在26 d至24 a。因考虑了摩擦,波包的振幅随时间呈指数衰减,最终趋于0,但摩擦系数大小仅影响其衰减程度而不改变其空间结构,这样该模型的解最终趋于大气风场的强迫特解。该模型中波动的性质是准平衡的涡旋波,包括准地转的Rossby波。

地球的强中纬力

地球的强中纬力是影响地球范围最广的作用力，因而是最重要的作用力之一。它不仅是形成大洋环流的重要作用力，而且也是形成大气环流的重要作用力，它使地球中纬度地带（21°33′～68°27′）物质产生离心运动。当台风进入中纬度带后，将受强中纬力的明显作用，并最终保持沿强中纬力作用方向运动。强中纬力还对极地带等地带内的物质发生一定的作用。

亚洲中纬度地区第四纪冰川作用差异性探讨

近年来,随着绝对年代的不断增加,第四纪冰川作用的启动时间以及演化特点日益明确,为探讨中纬度地区的冰川的形成机制提供了重要依据,同时也为研究中国第四纪冰川发育的构造与气候耦合关系奠定了重要基础。亚洲中纬度地区山地第四纪冰川的冰进时序、冰期历史和冰川规模显示出不同特点。总体来说,西部山地的冰川规模随时间逐渐缩小,冰川历史较为完整,冰川规模大于亚洲东部,东部山地的冰期历史较短,冰川作用的阶段性明显;不同地区的最大冰川扩展规模在时间上不一致,尤其是在末次冰期旋回中,MIS3/4阶段的冰川规模大于传统意义上的末次冰盛期(LGM),冰进时序和规模演化指示了不同的大气环流尤其是西风环流和季风环流对冰川发育的重要影响。此外,构造因素深刻影响着不同地区的冰期系列。