东亚季风气候系统变异和我国重大气候灾害发生机理研究进展

文章回顾了近年来关于东亚季风气候系统变异和我国重大气候灾害发生机理的研究进展。通过许多观测事实分析揭示了东亚季风系统的时空变化和异常特征;并且从分析、动力理论和数值模拟研究了热带海洋、干旱/半干旱地区的陆面过程和青藏高原雪盖变化对东亚季风系统的影响及其过程,提出"东亚季风气候系统"新概念和此系统内动力学机理,并从东亚季风气候系统的年际和年代际变异提出长江流域严重洪涝发生的气候学概念模型和华北持续干旱灾害发生的气候背景;此外,本文还提出关于东亚季风气候系统亟需研究的若干科学问题。

东亚夏季风与热带海气相互作用研究进展

在东亚夏季风变异的众多影响因子中,热带海温是影响夏季风系统变化的主要原因。近年来,国内外学者在热带海温异常对东亚夏季风影响的研究方面取得了很大进展。本文从季节内、年际到年代际时间尺度,简要回顾了近年来关于热带海气相互作用影响东亚夏季风变异及其机理的研究进展,特别综述了关于ENSO(El Ni?o-Southern Oscillation)、热带印度洋和大西洋海温异常对东亚夏季风系统的影响和机理方面的主要研究进展。此外,本文还系统回顾了热带海温对东亚夏季风与冬季风关联的影响及过程。最后,提出了在热带海温异常影响东亚夏季风季节内尺度变化、全球变暖下热带海温的变化及其对东亚夏季风的影响等方面值得深入探讨的科学问题。

东亚季风系统的时空变化及其对我国气候异常影响的最近研究进展

本文回顾了关于东亚季风系统的时空变化及其对我国气候异常影响的最近研究进展。许多研究说明,东亚季风系统无论风场的垂直结构、年循环或是水汽输送和降水特征都明显不同于南亚和北澳季风系统,它是亚澳季风系统中一个相对独立的季风系统。并且,研究结果表明了东亚季风系统有明显的时空变化:其中夏季风系统在年际时间尺度上存在着一个准两年周期振荡和具有极向三极子异常的空间分布特征,并从20世纪70年代中后期起至今发生了明显变弱的年代际变化,这个变化在华北尤其显著;而东亚冬季风在年际时间尺度上存在一个准四年周期振荡,从20世纪80年代中后期起也发生了明显变弱的年代际变化,它引起了我国的持续暖冬。进一步的研究还揭示了东亚季风系统的变异是与海-陆-气耦合系统变异及其相互作用密切相关,因而,东亚季风系统可以看成是一个大气-海洋-陆地的耦合气候系统,即称之为东亚季风气候系统。此外,本文还从上述东亚季风气候系统的年际和年代际变异提出了长江流域严重洪涝灾害发生的气候学概念模型和华北持续干旱的气候背景。

东亚季风系统的动力过程和准定常行星波活动的研究进展

本文系统地回顾了近几年来关于东亚季风系统的动力过程与机理方面的研究,特别是关于东亚季风系统年际和年代际变异与准定常行星波活动关系的研究。最近的许多研究表明东亚夏季风系统变异的动力过程主要与东亚/太平洋型(即EAP型)遥相关有关,利用EAP型遥相关理论不仅可以说明东亚夏季风系统各成员之间内在联系的机理,而且可以揭示热带西太平洋热力和菲律宾周围对流活动影响东亚夏季风系统季节内、年际变化及其异常的经向三极子结构的动力过程;除了EAP型遥相关外,研究还表明北半球夏季从北非到东亚的对流层上层经向风异常存在一个沿急流传播的遥相关型,它对东亚夏季风系统异常的经向三极子型分布也有重要影响。并且,最近关于东亚冬季风变异与行星波活动的关系已做出许多研究,并获得很大进展。这些研究表明:北半球冬季准定常行星波传播波导在年际和年代际变化上存在着反相振荡特征,即若"极地波导"加强,则"低纬波导"将减弱,反之亦然;准定常行星波两支波导的反相振荡与北半球环状模(NAM)的年际和年代际振荡有紧密联系,而NAM的变化通过行星波活动的异常可以导致东亚冬季风的年际和年代际变化;此外,准定常行星波活动的年际变化与东亚冬季风异常之间的关系明显地受热带平流层纬向风准两年周期振荡(QBO)的调制,进一步的研究还提出了可能的机理。最后本文还指出:2005～2007年冬季东亚冬季风的异常不仅与西伯利亚高压和阿留申低压的变异有关,而且与极涡的演变和准定常行星波活动密切相关。

不同类型ENSO对东亚季风的影响和机理研究进展

近十几年来有关热带太平洋存在不同类型的增暖型的研究成为热点课题,其中主要依据海温的空间形态将厄尔尼诺与南方涛动(ENSO)分为两类:一类为传统的东太平洋型ENSO,另一类为中太平洋型ENSO。该两类ENSO的形成机制、演变过程均有不同,产生的气候影响也有差异。本文简要回顾了国内外有关不同类型ENSO及其气候影响的研究进展,特别综述了近年来关于两类ENSO事件对东亚夏季风、东亚冬季风以及东亚冬夏季风关联的影响和机理方面的主要研究进展。文中侧重讨论了年际和年代际时间尺度上ENSO事件对东亚季风的影响,并提出了今后在该领域一些需要进一步研究的科学问题。

关于中国西北干旱区陆—气相互作用及其对气候影响研究的最近进展

本文综述了中国西北干旱区陆—气相互作用及其对气候影响研究的最近进展。文中不仅回顾了"中国西北干旱区陆—气相互作用观测试验"经过连续12年的观测和多次加强期观测所取得的干旱区陆面过程参数的分析以及边界层和陆—气相互作用特征等的分析和研究,而且综述了应用这些参数来优化有关陆面过程模式的参数化方案和改进有关陆面过程模式的研究;并且,本文还综述了关于中国西北干旱区感热输送特征以及西北干旱区陆—气相互作用对中国东部气候的影响及其机理,并揭示了中国西北干旱区春、夏季具有高感热输送特征,此高感热对中国东部夏季气候变异有重要影响。此外,本文还指出今后在此方面应进一步观测和深入研究的科学问题。

平流层大气动力学及其与对流层大气相互作用的研究:进展与问题

本文综述了近年来关于平流层大气动力学及其与对流层大气相互作用动力过程的研究进展,特别是回顾了近年来关于平流层大气环流和行星波动力学、热带平流层大气波动及其与基本气流相互作用、平流层大气环流变异对对流层环流和气候变异的影响及其动力过程、平流层大气数值模拟以及在全球变暖背景下平流层大气的长期演变趋势预估等的研究进展。最近的研究揭示了大气准定常行星波传播波导的振荡现象、重力波在热带平流层准两年振荡和全球物质输送中的作用、平流层长期的变冷趋势变化、平流层在对流层天气和气候变化中的作用等现象,表明了平流层大气动力学研究的重要性。平流层大气动力学的深入研究,以及对数值模式中平流层模拟性能的提高,最终都会推动整个大气科学和气候变化研究的进一步发展。

关于西北太平洋季风槽年际和年代际变异及其对热带气旋生成影响和机理的研究

总结和综述近年来中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心,关于西北太平洋季风槽的年际和年代际变异及其对热带气旋和台风(TCs)生成的影响和机理的气候学研究进展,并综述一些有关的国内外研究。给出了夏、秋季西北太平洋季风槽的气候特征以及利于TCs生成的四类季风槽环流型,表明了西北太平洋季风槽强度和位置有明显的年际和年代际变异。特别是揭示了西北太平洋季风槽的年际和年代际变异不仅通过影响西北太平洋上空对流层低层气流的涡度和对流层高层的散度、对流层中、下层的水汽以及对流层上下层风场的垂直切变等利于TCs生成的大尺度环境因子的分布而影响TCs的生成,而且通过对热带对流耦合波动的转化和提供扰动能量而对TCs生成起着重要的动力作用。还指出今后有关西北太平洋季风槽和TCs活动一些亟需进一步研究的气候学问题。

亚澳季风各子系统气候学特征的异同研究 II.夏季风水汽输送

利用1979-2002年的ERA-40和NCEP／NCAR逐日再分析资料以及CMAP降水资料探讨了亚澳季风各夏季风子系统（南亚夏季风、东亚夏季风、北澳夏季风）水汽输送的气候学特征及其与夏季降水的关系。分析表明：各夏季风子系统水汽输送通量主要取决于低层季风气流，南亚夏季风和北澳夏季风以纬向水汽输送为主，而东亚夏季风有很强的经向水汽输送。分析也证实，亚澳季风区的夏季风降水主；要源于水汽输送的辐合，而且ERA-40资料对夏季风水汽输送辐合的描述能力强于NCEP／NCAR资料。此外，受低层季风气流结构的影响，三夏季风子系统水汽输送辐合的动力机理存在明显差异，南亚夏季风和北澳夏季风的水汽输送辐合主要由低层西风气流的风场辐合所造成，而东亚夏季风的水汽输送辐合则由低层南风气流的风场辐合和季风湿平流共同作用造成。因此，东亚夏季风降水有别于南亚夏季风降水和北澳夏季风降水。

亚澳季风各子系统气候学特征的异同研究 I.夏季风流场结构

利用1979-2003年的NCEP／NCAR再分析资料探讨了亚澳季风各夏季风子系统（南亚夏季风、东业复季风、北澳夏季风）流场结构及其季节演变的气候学特征。结果表明：南亚夏季风和北澳夏季风纯属热带季风，盛行纬向气流和纬向风垂直正切变，即低层西风、高层东风，但北澳夏季风的强度明显弱于南亚夏季风，而东亚夏季风由热带季风和副热带季风组成，盛行经向气流和经向风垂直正切变，即低层南风、高层北风，且纬向气流高低层配置相对复杂，相对北澳夏季风而言，南亚夏季风的低层西风强而深厚，而东亚夏季风的低层南风强而深厚。从热带季风区流场结构的季节演变过程看，这三个夏季风子系统均为垂直斜压结构。三者的共性还表现在热带季风区纬向气流高低层配置的季节性转向，即夏季风爆发时从低层东风、高层西风转换为低层西风、高层东风，夏季风撤退时从低层西风、高层东风转换为低层东风、高层西风。此外，南亚夏季风的季内变化平稳，而东亚夏季风和北澳夏季风的季内变化剧烈；东亚夏季风的经向跨度大、维持时间最长，而北澳夏季风的经向跨度小、维持时间最短。

我国夏季暴雨气候学的研究进展与科学问题

我国夏季暴雨频发并导致洪涝灾害,严重影响着社会和经济的发展。基于对我国夏季降水和暴雨天气学的大量研究,从气候学的角度综述了我国夏季暴雨的研究进展,特别是关于我国暴雨的年际和年代际变化及趋势、与暴雨发生相关联的大尺度环流特征及年际和年代际变化成因以及全球气候变暖背景下今后我国夏季暴雨的演变趋势等方面的主要研究进展。此外,还指出了我国夏季暴雨气候学亟待进一步研究的若干科学问题。

中高纬度大气遥相关动力学及其对东亚冬季气候影响的研究进展

北半球热带外大气存在多种形态的大气遥相关。按其空间结构,可以分为两类:(1)异常中心为南北分布的偶极子型(例如北大西洋涛动、北太平洋涛动);(2)异常中心呈波列型(例如北太平洋/北美型遥相关、欧亚型遥相关)。这些遥相关活动及其变异,不仅对遥相关控制的地区,而且对与遥相关相距很远的地区的天气和气候也产生影响。研究大气遥相关的形成机理及其天气气候影响,是进行短期气候预测的基础。近十多年来北半球中高纬度的大气遥相关动力学研究取得很大进展,在此对一些主要进展进行总结,特别关注影响中国天气、气候的大气遥相关及其影响机理方面的研究进展。

碳移除下全球地表气温峰值出现时间的主要影响因子:能量平衡模型研究

碳移除是21世纪末实现巴黎气候协定温度目标的关键手段。在其开展后,全球地表气温将在随后的若干年达峰。目前,耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)开展碳移除试验的数值模式较少,限制了科学界对碳移除下全球地表气温峰值出现时间的理解。本文发现,基于强迫—响应能量框架的两层能量平衡模型能够很好地重现出:1)大气CO_(2)浓度变化对全球地表气温的影响;2)碳移除过程中全球地表气温的峰值出现时间。因此,该模型可作为CMIP6碳移除试验的补充,能够胜任峰值出现时间的影响因子研究。该能量平衡模型的结果显示,在碳移除过程中,不考虑深层海洋的情况下,对全球平均地表气温的峰值出现时间影响最大的因子为平衡气候敏感度,其次为地表热容量;当深层海洋存在时,影响最大的因子为深层海洋热容量,其次为平衡气候敏感度,之后为地表热容量。这些因子主要通过改变碳移除开始时地表净能量收入的大小来影响全球地表气温峰值的出现时间。相比不考虑深层海洋的情况,深层海洋的存在可以略微提前全球温度峰值出现的时间,并使得碳移除后CO_(2)强迫对地表净能量的下降幅度的贡献较大。

我国重大气候灾害的形成机理和预测理论研究

国家重点基础研究发展计划项目“我国重大气候灾害的形成机理和预测理论的研究”把20世纪80年代以来我国所发生的旱涝重大气候灾害作为项目研究的切入点,从气候系统各圈层的变化及其相互作用,特别是从气候系统中海—陆—气各子系统的变化和相互作用及其对我国重大气候灾害的影响机理入手,对我国重大气候灾害进行了深入分析研究,提出了与我国旱涝重大气候灾害形成机理有关的“东亚气候系统”新理论,指出这个系统的时空变化特征及其对我国旱涝等重大气候灾害发生的重要作用;从东亚季风—西太平洋暖池—ENSO循环相互作用及机理的研究,提出了热带西太平洋对热带太平洋ENSO循环的热力和动力作用以及与亚洲季风的相互作用过程,指出了ENSO循环的不同阶段对于东亚季风和我国气候异常的不同影响及其机理;提出了高原热力适应理论,应用此理论揭示了高原热力变化对南亚高压东西振荡影响的物理过程。在上述理论研究的基础上提出了ENSO循环的数值预测模式和我国跨季度和年度气候异常的数值预测系统,研制了新一代气候耦合数值模型中的大气环流数值模式。通过这两个预测系统的研制使我国对EN-SO事件预测水平有了较大提高,并成功地预测了我国1998—2003年夏季所发生的严重旱涝气候灾害。此外,成功地进行了我国西北干旱区陆—气相互作用观测试验,获取了许多有关我国典型干旱区陆—气相互作用有价值的科学数据,并得到许多原创性的科学结果,为开发大西北提供了可靠的气候环境资料。本项目的完成不仅为今后开展我国重大气候灾害的发生规律、成因与预测研究奠定了坚实的理论和数值模型基础,而且对于国家旱涝气候灾害预测水平的提高,减轻气候灾害造成的经济损失具有重要的经济和社会效益。

热带印度洋环流动力与季风相互作用研究进展

围绕中国科学院战略性先导科技专项"泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设"之子课题"热带印度洋环流动力与季风相互作用及其影响",从热带印度洋上层海洋环流、盐度变异对印度洋典型海气耦合过程的影响、印度洋海气相互作用及其对泛第三极水汽输送的影响方面回顾了热带印度洋环流动力与季风相互作用的研究进展.针对国内外研究发展的现状,提出热带印度洋上层经向、纬向、垂向流系间三维联动机制,海盆尺度热盐再分配对局地海-气模态变异的响应和反馈机制,热带印度洋典型海气耦合模态对泛第三极地区气候变化的影响机理等关键科学问题亟待解决.开展该子课题研究的最终目标是:全面认识和理解热带印度洋上层环流体系,加深印度洋海洋环流动力与海气相互作用及其对泛第三极经向水汽输送作用的理解,提高泛第三极地区气候预测水平,提升丝绸之路海上观测航道监测保障能力,从而为"一带一路"倡议和"21世纪海上丝绸之路"建设服务.

东亚冬季风指数对中国冬季气候变化表征能力的对比分析

利用1951—2022年ERA5再分析大气环流资料和国家气候中心全国站点气温和降水资料,将33个常用的东亚冬季风(EAWM)指数划分为海陆差异类、高压特征类、大槽特征类、低层风场类、中高层风场类和综合类6类,按类别对比分析了它们的线性变化趋势和年际、年代际变化特征,并就各指数对中国冬季气温、降水时空变化的表征能力以及与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、北极涛动(AO)等气候系统主要内部变率的关系进行了评估分析。结果显示:(1)在趋势变化方面,中国冬季气候暖湿化特征明显,但仅大槽特征类和综合类指数反映出季风的减弱趋势,其余类型指数则多呈现微弱的增强趋势,表明EAWM各子成员对当前全球变暖的响应存在差异;(2)在年际、年代际变化方面,EAWM指数主要表现为准4 a、准8 a和准16 a的周期振荡,基本都能刻画出20世纪80年代中后期EAWM的年代际减弱,对于21世纪第1个10年中期EAWM的年代际增强,考虑了南北气压差的海陆差异类指数以及高压特征类、大槽特征类和中高层风场类指数能较好表征;(3)在反映中国冬季气温变率的能力方面,除低层风场类指数外,各类指数表现良好,尤其是高压特征类指数的表征能力最佳,而在降水变率方面,高压特征类指数的代表性较差,低层风场类指数的指示意义最好;(4)在与气候系统主要内部变率的关系方面,大多数指数能较好反映ENSO与EAWM之间的关系,其中低层风场类指数的表征能力最好。而在反映AO与EAWM的关系上,则是高压特征类和大槽特征类指数的表现更佳。总体而言,除趋势变化存在较大差异外,各类EAWM指数能够一致地反映中国冬季气候变化的主要特征,但不同类别指数所表征的侧重点存在差异。因此,在分析EAWM相关科学问题时应根据研究的目的选择合适的指数。

面向人与自然和谐共生的城市生态环境治理路径及案例研究

促进人与自然和谐共生是党的二十大提出的中国式现代化的本质要求之一,城市是实现人与自然和谐共生的现代化的重要载体和关键区域。本文聚焦人与自然和谐共生的基本要求,分析了我国城市面向人与自然和谐共生的生态环境治理取得的成效和面临的问题,并以广东省深圳市为案例探讨相关经验做法,进而从顶层设计、分区分类、一体防控、保障能力等方面提出建议,以期为美丽中国建设提供参考。

近年来关于西北太平洋热带气旋和台风活动的气候学研究进展

本文主要综述和回顾了近年来季风系统研究中心关于西北太平洋热带气旋和台风(TCs)活动的气候学研究进展及有关的国内外研究。文中不仅回顾了最近关于夏、秋季西北太平洋利于TCs生成的大尺度环流型及其与涡旋的正压能量交换、西北太平洋TCs活动的年际和年代际及季节内的变化特征、以及今后全球变暖背景下西北太平洋TCs活动的变化趋势的气候学研究进展,而且综述了西北太平洋季风槽及热带对流耦合波动对西北太平洋上TCs生成的动力作用的研究。此外,文中还指出今后有关西北太平洋TCs活动一些亟需进一步研究的气候学问题。

干旱区陆面过程模型参数优化和地气相互作用特征的模拟研究

依据干旱区陆地下垫面观测结果，对陆面过程模式CommonLandModel（CoLM）中反照率、粗糙度长度和土壤热力性质3个方面的参数进行了优化，并按照不同的参数组合形式设计了为加深理解干旱区地气相互作用的控制试验和研究重要参数影响的敏感性试验，对敦煌戈壁2000年5月-2004年7月的陆面过程进行了离线（off-line）数值模拟分析。控制试验结果表明：优化参数的模式在干旱区得到了更好的模拟性能，对地表和深层土壤温度、净短波辐射、净长波辐射以及感热通量的模拟能力较原模式有了明显的提高。敏感性试验的结果表明：地表温度在全年对反照率都比较敏感，春季和夏季更为显著；粗糙度长度和土壤热力性质分别在春夏和秋冬对地表温度有较大影响；感热通量对反照率和粗糙度长度在夏半年比较敏感，而土壤热力性质对感热通量的影响并不明显。对敏感性试验的结果进一步分析发现：原模式在计算地表温度、净辐射和感热通量的过程中存在不同形式的误差抵消的现象，这就会掩盖模式的模拟误差，优化参数的模式可以更好的反映干旱区地气相互作用的物理过程。针对模式输出的感热通量和地表热通量的分析发现：感热通量的季节变化明显，全年都有由地表向上的感热通量输送，夏季尤为显著；相对于感热通量而言，潜热通量量级很小可以忽略不计。夏季，净辐射的能量大部分以感热通量的形式返回大气，其余的能量以地表热通量的形式进入土壤并贮存，夏季土壤为热汇；冬季，夏季贮存的能量又由土壤返回大气，此时土壤为热源。

从Rossby波能量频散理论到准定常行星波动力学研究的发展

本文是为纪念叶笃正院士诞辰百周年和他对大气动力学发展的重大贡献而撰写的。叶先生在20世纪40年代所提出的罗斯贝波能量频散理论不仅至今仍广泛应用于天气预报,而且开创了准定常行星波动力学的研究。在罗斯贝波频散理论的启迪和引领下,行星波动力学和大气环流异常遥相关的研究取得重要进展。特别是关于准定常行星波在二维和三维球面大气的传播特征以及北半球夏季大气环流异常的EAP(East Asia–Pacific)型和"丝绸之路(Silk Road)"型遥相关及其机理已做出系统的研究,本文简要地回顾这些研究。并且,本文还回顾了在叶先生所提出罗斯贝波能量频散理论的引领下,近年来我们关于东亚冬、夏季风和我国气候灾害的年际和年代际变化的内动力学机理研究所取得的进展。