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。

冬季兰州城市大气PM_(2.5)中碳气溶胶的污染特征

为深入探讨冬季兰州城市大气中碳气溶胶的污染特征,于2011年12月5—12日采集兰州城市大气PM2.5样品,利用DRI-2001A热/光碳分析仪测量元素碳(EC)和有机碳(OC)的浓度.结果显示:EC和OC的平均质量浓度分别为7.48μg/m3和22.71μg/m3.降雪是EC和OC浓度变化的主要因素.EC和OC的相关系数达到0.98,表明冬季兰州城市大气PM2.5中碳气溶胶的污染来源相对简单且基本相同.二次有机碳(SOC)的质量浓度是3.26μg/m3,仅占OC含量的14.4%,揭示出冬季兰州城市大气PM2.5中OC的主要来源是直接污染源.对碳气溶胶8种组分的因子分析结果表明,燃煤和机动车尾气的排放对冬季兰州城市大气PM2.5中碳气溶胶的污染有最主要的贡献.

积雪在El Nino影响东亚夏季气候异常中的作用

本文利用1948—2010年Global Land Data Assimilation System(GLDAS)NOAH陆面模式资料、GPCC月平均降水资料和NCAR/NCEP全球月平均再分析资料,采用滤波、距平合成和线性相关等方法,分析了El Nino成熟位相冬季欧亚大陆积雪异常的分布特征,研究了关键区积雪融化对后期春、夏季土壤湿度、土壤温度以及大气环流与降水的影响,揭示了El Nino事件通过关键区积雪储存其强迫信号并影响东亚夏季气候异常的机制和过程.主要结论如下:El Nino成熟阶段冬季伊朗高原、巴尔喀什湖东北部和青藏高原南麓区域是雪深异常的三个关键区,这些区域的雪深、雪融和土壤湿度有明显的正相关;这三个关键区雪深异常通过春季融雪将冬季El Nino信号传递给春、夏季局地土壤湿度,通过减少感热通量和增加潜热通量对大气环流产生影响;春末夏初伊朗高原土壤湿度异常对东亚夏季气候异常的影响最大,其引起的降水异常与El Nino次年夏季降水异常分布基本一致,春夏季青藏高原南麓和巴尔喀什湖附近土壤湿度也都明显增加,均会对中国华北降水增加有显著正贡献.总之,在利用El Nino事件研究和预测东亚夏季气候异常时,还应考虑关键区雪深异常对El Nino信号的存储和调制作用.

全球变暖背景下ENSO特征的变化

利用1895~2014年Had ISST月平均海温资料和CO_2浓度加倍前后600年海气耦合模式CESM试验结果,对比分析了全球变暖前后厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)特征(强度及其中心位置、生命期与频率)的变化及其可能原因.主要结论如下:全球变暖后,在观测和模拟中气候平均的海温增暖中心分别位于热带西太平洋(类拉尼娜型增暖)和热带东太平洋(类厄尔尼诺型增暖),引起热带太平洋低层东风信风相应地增强和减弱,从而改变了热带太平洋最强海气耦合的位置,决定了ENSO演变特征的不同变化.ENSO事件强度中心位置在类拉尼娜型增暖背景态下更倾向于发生在赤道太平洋中部,形成"中太平洋ENSO",而在类厄尔尼诺型增暖背景态下则更偏向赤道东太平洋,形成"东太平洋ENSO".两种气候态的改变都会造成全球变暖后El Ni?o事件生命期的明显延长,其中,类厄尔尼诺型增暖的影响更大,最大可延长约3个月,极端El Ni?o事件生命期的增长更显著.其主要原因是:全球变暖一方面使热带西太平洋异常西风更早出现,有利于El Ni?o事件的提早发生发展,另一方面会减小热带太平洋温跃层的平均深度和热带中东太平洋赤道内外平均海温梯度,分别减慢了海洋次表层负反馈Kelvin波的东传速率和减弱了El Ni?o暖信号的"放电"速率,使El Ni?o事件衰亡速度减缓,持续时间更长.另外,观测和模式结果均表明,ENSO事件强度和频率在全球变暖背景下明显增强和增多,并且类拉尼娜型和类厄尔尼诺型增暖背景态会分别导致极端La Ni?a事件和极端El Ni?o事件频率显著增多.本文研究结果很好地统一了观测和模式中不同气候背景态下ENSO特征变化的现象和机理,为理解和预估全球变暖后ENSO特征的变化及其气候影响奠定了重要的科学理论基础.

干旱区不同下垫面能量分配机理及对微气候反馈的研究

本文利用位于美国新墨西哥州距离接近并且天气背景相同的四种下垫面(沙漠草原、稀疏灌木林、稀树草原和浓密灌木林)站点的通量观测资料,探讨了几种典型干旱下垫面的能量分配差异,并分析了其对微气候的反馈机理.结果表明,四种下垫面叶面积指数和粗糙度在由沙漠草原指向浓密灌木林的梯度方向上呈现增加的趋势,低覆盖度下垫面表现出更强的湍流输送阻力.总体来看,高覆盖度下垫面的净辐射、感热和潜热相对更高,尤其在生长季更明显.利用Penman-Monteith公式以及净辐射结合波文比两种方法诊断了在不同下垫面更替中湍流通量各影响因子的贡献.随着植被覆盖程度的提高,净辐射的变化对感热和潜热的变化起着决定作用,且为正贡献;地表阻抗和空气动力学阻抗变化引起的贡献相反.此外,沙漠草原和稀疏灌木林的地表温度和气温均高于浓密灌木林,主要源于稀疏植被增大的空气动力学阻抗和波文比引起的增温贡献,同时抵消了净辐射减小引起的降温效应,表明在相同气候和天气背景下,不同下垫面的陆面过程确实会对近地层微气候有明显的反馈作用.

拓展傅里叶幅度敏感性检验(EFAST)在陆面过程模式中参数敏感性分析的应用探索

本文旨在探讨拓展傅里叶幅度敏感性检验(EFAST)在陆面参数敏感性分析中的应用.基于2008年吉林通榆观测值站的退化草地观测资料,针对通用陆面过程模式(CoLM)的关键陆面参数,使用地表感热通量、潜热通量作为检验变量,尝试将EFAST方法运用到陆面过程模式参数敏感性试验中.在充分考虑单个参数敏感性的基础上,将参数间的耦合作用考虑进来,研究了相互影响制约下的多参数变化对非线性系统的影响,并且对这种非线性影响进行了定量分析.敏感性分析结果表明:土壤砂土比例、最小水分透过孔隙度为影响地表感热通量与潜热通量的关键参数,验证了EFAST方法在陆面过程模式参数敏感性分析方面的可行性.本项研究对于外场观测试验的设计和发展陆面模式物理过程参数化方案具有积极的指导意义.

中国东部城市化与地面非均匀增暖

利用1979～2008年中国东部312个站点均一化调整后的地面气温观测资料及DMSP/OLS夜间灯光数据,运用滑动空间距平方法,对冬夏地面气温变化趋势在不同空间尺度下的非均匀性进行检测,并分析了城市化对地面增暖的影响.结果表明,中国东部夏季和冬季的增温高值中心分别集中在长三角和京津冀地区,其中长三角地区夏季的增暖主要是由夏季最高气温的增加所导致,城市增温率为0.132～0.250℃/10a,增温贡献率为36%～68%;京津冀地区冬季的增暖主要是由冬季最低气温的增加所导致,城市增温率为0.102～0.214℃/10a,增温贡献率为12%～24%.城市群增暖的时空差异可能与区域气候背景及人为热排放的变化有关.