中国地区树轮及千年气候变化研究

由中国气象科学研究院，中国科学院地球环境研究所，中国科学院大气物理研究所，北京大学等单位参加，周秀骥院士主持的国家自然科学基金委员会重大项目“中国地区树轮和千年气候变化研究”于2008年批准立项，执行时间为2009年1月-2012年12月。本重大项目拟从建立中国典型气候区域的树轮气候网络入手，重建中国区域千年气候变化时间序列；通过非线性分析诊断，

1974—2010年雅鲁藏布江源头杰玛央宗冰川及冰湖变化初步研究

青藏高原冰川和冰湖是气候变化敏感的指示器.基于1974年的地形图及其生成的DEM数据、1990年和2000年的TM影像、2005年和2010年的ETM+影像、以及2010年和2009年的GPS实测数据,应用3S技术分析了1974—2010年37a来雅鲁藏布江源头杰玛央宗冰川和冰湖的变化特征.结果表明:冰川面积减小了5.02%(21.78km2减小至20.67km2)、冰川末端退缩了768m(速度为21m.a-1);冰湖面积增加了63.7%(0.70km2增加至1.14km2),冰湖体积扩大约9.8×106 m3.普兰县气象站的观测资料表明,近37a来气温呈快速上升趋势,而降雨量明显减少,气候暖干化是杰玛央宗冰川和冰湖变化的主要原因.若该区气候的暖干趋势进一步加剧,必然导致杰玛央宗冰川退缩进一步加剧,冰湖溃决的可能性将会增大.

南极冰盖物质平衡最新研究进展

探明南极冰盖物质平衡状况,对研究全球变暖背景下海平面变化具有重要意义,也是南极冰川学的重要基础工作.在ITASE计划(International Trans Antarctic Scientific Expedition)和ISMASS计划(Ice Sheet MassBalance and Sea Level)的指导下,各国科学家对南极几个主要流域进行了大范围的实地观测,获取了一些重要成果.此外,由于极地测高卫星和重力卫星的应用,南极冰盖整体物质平衡状况评估在近期得到长足发展.无论是实地研究还是卫星遥感,都有其局限性,两者结合可以弥补各自的缺陷,是未来研究的主要发展方向,但目前仍未引起足够的重视.因此,本文综述了南极冰盖物质平衡研究的最新研究进展,将有关研究分局域和洲际尺度进行了介绍,并对国内的研究提出建议.

北极苔原和海冰地区边界层物理过程观测研究

国家自然科学基金重点项目“北极苔原和海冰地区边界层物理过程的观测研究”，通过了国家自然科学基金委员会地球科学部组织的专家组的质疑、答辩和验收。该项目按原定计划整理、分析了有关的国内外北极考察资料和成果；参加了北极中国黄河站建设和考察；利用我国最新北极考察资料和其它资料，在对考察资料进行可靠性检验的基础上，对北极地气相互作用的物理过程进行研究，基本达到了原定目标。在下列方面取得了较大进展：

基于紫外光度法新型臭氧自动监测仪Model 205的性能研究

臭氧作为光化学污染气体逐渐被人们所关注,也成为我国大气环境保护领域关注的重点问题,因此对臭氧进行自动监测就成为了我国环境保护与科学研究的必要手段。为了了解2B Technologies公司生产的Model 205新型便携式臭氧自动监测仪的使用方法与精度性能特点,利用符合标准实验室要求的美国Thermo Fisher Scientific公司生产的Model 49i型臭氧自动监测仪器作为对比,使用Model 49i-ps臭氧校准仪对两台仪器分别进行校准,并于2016年7月28~29日进行了22h的近地面臭氧浓度的实时监测。通过与Model 49i的监测结果进行线性相关分析,发现Model 205的测量结果精度较高,在实际监测工作中具有很好的适用性。

夏季亚洲—太平洋涛动与大气环流和季风降水

利用ERA-40再分析资料和数值模拟,分析了在亚洲—太平洋区域的大气遥相关以及与亚洲季风降水和西北太平洋热带气旋活动气候特征的关系,探讨了青藏高原加热和太平洋海表温度(SST)对遥相关的影响,结果表明:亚洲—太平洋涛动(Asian-Pacific Oscillation,APO)是夏季对流层扰动温度在亚洲与太平洋中纬度之间的一种"跷跷板"现象,当亚洲大陆中纬度对流层偏冷时,中、东太平洋中纬度对流层偏暖,反之亦然;这种遥相关也出现在平流层中,只是其位相与对流层的相反。APO为研究亚洲与太平洋大气环流相互作用提供了一个途径。APO指数也是亚洲—太平洋对流层热力差异指数,它具有年际和年代际的多时间尺度变化特征,在1958—2001年亚洲与太平洋之间的对流层热力差异呈现出减弱趋势,同时也有显著的5.5a周期。APO形成可能与太阳辐射在亚洲陆地和太平洋的加热差异所造成的纬向垂直环流有关,数值模拟进一步表明:夏季青藏高原加热可以造成高原附近对流层温度升高、上升运动加强,太平洋下沉运动加强、温度下降,从而形成APO现象;而太平洋年代际涛动和赤道东太平洋的厄尔尼若现象对APO的影响可能较小。当夏季APO异常时,南亚高压、欧亚中纬度西风急流、南亚热带东风急流以及太平洋上空的副热带高压都出现显著变化,并伴随着亚洲季风降水及西北太平洋热带气旋活动异常。过去40多年来的长江中上游地区夏季变冷与APO有关,可能是全球大气环流年代际变化在该区域的一种反映。APO异常信号可以传播到南、北两极。此外,亚洲—太平洋之间的这种遥相关型也出现在其他季节。

珠穆朗玛峰东绒布冰川厚度测量与地形特征分析

冰川地形特征的研究是构建冰川流动模型的基础.根据探地雷达获取的冰川厚度数据(2009年)和1∶5万地形图(1974年),得到沿珠穆朗玛峰东绒布冰川主流线的冰厚度分布以及5条冰川槽谷的形态特征.结果表明:沿东绒布冰川主流线的平均表面坡度约为0.08,平均厚度约为190m,最大厚度约为320m(海拔6 300m);在1974—2009年间沿冰川主流线冰厚度平均减薄约30m;东绒布冰川表碛覆盖区与白冰区尚未分离,目前很可能是一条停滞冰川,冰川末端位于海拔5 540m附近(下游方向);东绒布冰川槽谷形态接近于V型,而不是U型(b指数变化范围约为0.7～1.3).

多模式集合预报及其降尺度技术在东亚夏季降水预测中的应用

利用动力季节模式输出的匹配域投影技术和多模式集合预报技术对多个国家和城市的站点月平均降水进行预报。预报变量是北京1个站、韩国60个站和曼谷地区8个站点的月平均降水,预报因子是从多个业务动力季节预报模式输出的多个大尺度变量。模式回报数据和站点观测降水数据时段是1983—2003年。降尺度预报降水的技巧是在交叉验证的框架下进行的。匹配域投影方法是设定一个可以活动的窗口在全球范围内大尺度场上进行扫描,寻求与目标站点降水最优化的因子和最相关的区域,目标站点的降水变率就是由该匹配域上大尺度环流场信息决定的。最终预报是用多个降尺度模式预报结果的集合预报(DMME)。多个降尺度模式预报结果的集合预报能显著地提高站点降水的预报技巧。北京站,多个降尺度模式预报结果的集合预报的预报和观测降水的相关系数可以提高到0.71;韩国地区,多个降尺度模式预报结果的集合预报平均技巧提高到0.75;泰国,多个降尺度模式预报结果的集合预报技巧是0.61。

小昌马河流域地表水地下水同位素与水化学特征及转化关系

利用小昌马河流域上游大雪山老虎沟冰雪融水及下游昌马洪积扇区地下水的稳定同位素和水化学资料,对流域稳定同位素和水化学的组分特征和季节变化进行了分析.结果表明:小昌马河流域内从上游冰雪融水区到下游昌马洪积扇地下水排泄区矿化度不断增高,水化学类型由HCO3-Mg-Ca过渡到HCO3-SO4-Ca-Mg;上游冰雪融水与下游地下水δ18 O的季节变化基本一致,洪积扇区地下水来源于冰雪融水的补给.水文地球化学模型模拟显示地下水形成过程中水岩作用以析出方解石,吸收二氧化碳,溶解石膏、岩盐和绿泥石等为主要特征,溶蚀的含盐矿物使地下水中氯化物、硫酸根和钠离子含量升高,地下水水质恶化.同位素和水化学证据均揭示了小昌马河流域地表水-地下水的化学环境转化关系.

近几十年来喜马拉雅山冰川变化及其对水资源的影响

对近几十年来喜马拉雅山地区冰川变化的研究成果进行了综述,可以看出:气温普遍升高、冰川加剧退缩和冰川湖泊扩大是喜马拉雅山地区气候和冰川变化的主要特征和后果.冰川退缩导致冰川灾害的危险性增加并对本地区河流径流和水资源产生较长远的影响.但各段的气候、冰川变化及其影响存在区域差异,还需要对冰川变化和水资源影响方面的预估进行更广泛和深入的研究.

由冬至夏北半球副热带地区大气热源的季节转换特征及其可能机制

本文基于多套卫星观测数据和ERA-Interim再分析资料,分析了由冬至夏北半球副热带地区大气热源的季节转换特征及其原因。结果表明,北半球副热带大陆东部以对流凝结潜热为主的夏季型大气热源首先于4月初在我国南方地区建立,该过程与江南雨季的形成发展联系紧密。2~3月,江南地区的大气热源以感热加热为主,这时降水以大尺度层云降水为主;而在4月初之后,江南地区降水以对流性降水为主,相应地对流凝结潜热成为大气热源的主要成分。动力和热力诊断分析说明,青藏高原南部热力状况的季节变化是导致4月初江南地区降水性质和大气热源首先发生季节转换的重要原因。2~3月,随着太阳辐射逐渐增强,青藏高原地面感热随之加强,此时对流层中部的纬向西风令江南地区的对流层中部暖平流加强,引起上升运动并加强局地大尺度层云降水,令土壤湿度加大,为随后局地对流性降水的快速发展提供了有利条件。之后,青藏高原地面感热在4~5月期间继续加强,这时高原南坡的"感热气泵"令其四周的低空水汽向北辐合,从而加强了江南地区的低空南风,使大量水汽自南海—西太平洋向北输送,令江南地区的对流性降水快速发展,地面感热迅速减小,对流凝结潜热进而成为江南地区大气热源的主要成分。

2008年夏季北冰洋海冰表面积雪特征初步分析

运用中国第三次北极考察期间观测的积雪资料,分析了夏季北冰洋中心海域海冰表面积雪的空间分布特征.结果表明:积雪在垂直分布上呈现6种粒雪状态,表层到底层依次为新降雪、风板、冰片、深霜、冻结状粗雪和渗浸冻结冰层,积雪表面常被新降雪或厚度为2～3cm的风板所覆盖.考察区域积雪的平均密度为(304.01±29.00)kg.m-3,表层密度略低于次表层,遵循雪的密实化原理.积雪厚度,雪水当量和新降雪皆具有由南向北递减的空间分布特征,表明在海冰消融末期,积雪的气候态分布主要是由降水量的多少决定的,积雪的消融和蒸发并非海冰表面积雪评估需考虑的首要因素.雪温随深度的增加而增加,具有明显的垂直梯度,观测区积雪表面的平均温度为(-2.01±0.96)℃,比海冰/积雪界面的温度高得多.

基于分形的冰塔林形态模拟初探

冰塔林在低纬度高海拔地区的大型冰川上发育广泛,如何评估其对冰川总体积的贡献意义显著.对冰塔林的形态特征进行了初步探讨,结果表明:东绒布冰川冰塔林呈现出分形特点,其盒维数在1.3～1.9之间,无标度区间约为40～160m.通过构建冰塔林消融模型,认为冰塔林区域的整体消融率(约50%)不依赖于其地形参数的变化;估计珠峰东绒布冰川冰塔林体积对冰川总体积的贡献率约为3.7%,可以忽略.

2011年春夏季长江中下游旱涝急转可能成因

利用1980—2011年观测的降水和美国NCEP/NCAR大气再分析等资料,采用经验正交分解(EOF)和线性回归等统计方法,讨论了2011年发生在长江中下游地区春夏旱涝急转的成因。结果表明:2011年1—5月持续的La Nia事件导致西北太平洋副热带高压位置位于125°E以东,西北太平洋副热带高压西北侧的西南风伴随的水汽通量无法达到长江流域,从而导致2011年长江流域1—5月的持续性干旱现象。伴随La Nia的减弱,6月青藏高原的感热明显增强,诱发西北太平洋副热带高压自东向西北方向移动至110°E,引导西南风水汽向长江流域输送,而青藏高原对流的加强和向东移动与来自西北太平洋副热带高压西北侧的西南气流在长江中下游地区汇合,导致6月长江中下游地区降水的急剧增加,从而形成了2011年长江中下游地区春夏季的旱涝急转。

北大西洋涛动和南半球环状模不同位相配置对我国南方夏季降水的协同影响

利用我国气象台站观测资料和再分析格点数据,诊断研究了前期春季(4-5月份)北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)和南半球环状模(Southern Annular Mode,SAM)在不同位相配置下对我国南方夏季降水异常变化的协同影响作用.分析结果表明,在剔除ENSO最强信号影响后,我国南方夏季降水异常分布显著地依赖于前期春季两个较为独立的年际变率主模态(NAO和SAM)位相的不同配置,即降水异常型主要表现为两个因子单独作用的叠加效果,当前春SAM正位相偏强而NAO负位相偏强时,二者的影响呈现协同正效应,我国南方夏季(6-7月份)降水表现为全区正异常,特别在长江中下游及其以南附近地区最为显著;反之,当前春SAM呈偏强的负位相而NAO偏强的正位相配置时,二者的影响呈现协同负效应,对应我国夏季长江中下游地区降水表现为显著负异常.对其可能的影响机理研究表明,在SAM与NAO位相相反情况下,二者均会通过海气相互作用过程影响到热带大西洋北部海温的异常变化,进而形成协同作用,增强北大西洋海温三极子模态异常信号,从而通过欧亚大陆的遥相关波列对东亚夏季风和我国南方降水产生显著影响.相比之下,当SAM与NAO同位相时,可能表现为抵消效应,不利于北大西洋海温三极子发展,从而削弱对我国南方夏季降水的影响,此方面还有待进一步研究.

南半球降水对南极海冰涛动异常的响应

运用NCAR/CAM3全球大气环流模式,结合气候学诊断方法,分析了南极海冰涛动异常对南半球降水的影响,并对可能的作用机理进行了初步探讨。结果表明,南半球中纬度降水对海冰涛动异常的响应较为显著,且异常响应的空间分布与海冰涛动类似,分别在南美洲大陆以东大西洋和以西太平洋的广阔海域上存在两个正负值中心。数值模拟结果显示,海冰涛动异常可以通过改变地表热通量,影响对流层中层大气,进而驱动费莱尔环流的上升支,加强或减弱费莱尔环流的强度,最终对南半球中纬度地区的降水分布产生影响。在阿蒙森/别林斯高晋海外围海冰异常偏少的海域,向上的热通量增加,局地加热会使得费莱尔环流的上升支异常偏强,费莱尔环流的经向输送增强,对应其在中低纬的下沉支也偏强,局地下沉气流异常偏强则会抑制降水的生成,导致降水异常偏少。在威德尔海外围海冰异常偏多的海域,经向环流和降水的响应几乎相反,但因受西南极半岛和南美洲陆面作用的影响,对应经度带费莱尔环流对海冰异常的响应较弱。

国际极地年南极大气科学考察

2007年大气科学考察是“2007～2008国际极地年”（IPY）中国行动计划和中国第24次南极考察的重要内容。我院与国家海洋局极地办公室和中国极地研究中心合作，选派汤洁、逯昌贵等赴南极长城站和中山站进行度夏和越冬考察，开展了大气成分本底、臭氧垂直廓线探测、大气边界层和气象观测等科考项目。主要观测项目有：

我国东部春季土壤湿度影响夏季降水

该项目受到国家自然科学基金项目和国家基础研究发展规划项目的资助。最新研究成果揭示中国东部舂季土壤湿度与夏季降水有联系。春季，从长江中下游到华北的土壤偏湿，对应着中国夏季东北和长江流域降水偏多，华北和南方降水偏少。

北京-张家口地区冬春季积雪特征分析

2022年冬奥会将在北京-张家口(以下简称北-张地区)举办,揭示该地区的积雪变化特征及其在全球变暖背景下的发展趋势,对冬奥会的筹备以及当地的积雪资源的开发利用等方面都有重要意义.利用2002-2014年MODIS遥感积雪产品提取了研究区域积雪数据,结合1966-2013年台站积雪、气温和降水资料和DEM数据,分析了积雪的时空分布特征,并对冬奥会场地进行积雪资源评价.结果表明:2002-2013冬春年北张地区的整体积雪频率较小,多处于0~0.2之间,但场馆区2月的积雪频率多在0.5以上,最大值接近0.9左右,积雪的分布呈带状和点状.积雪覆盖率最大值出现在1月初,达到0.23.积雪的形成缓慢,但是消亡迅速.1966-2012冬春年冬季积雪日数的波动幅度大于春季,延庆和崇礼县的2月份积雪日数分别为4.6 d和13.9 d,且均呈下降状态.积雪初终日均有提前,但整体的积雪期在减少.北京和张家口整体的最大积雪深度变化平稳,在1966-1980年和2000-2012年处于高值区,波动较大,其他年份最大雪深处于低值变化平稳,延庆和崇礼县的2月份最大积雪深度分别为3.6 cm和5.1 cm.通过分析积雪指标与气象因子(气温、降水)的相关关系发现,在年内(年际)变化上,积雪指标与气温(降水)的关系更为密切.冬奥会场地的2月份气温在-14~2℃之间,月平均降水量仅0.2 mm·d^(-1),积雪日数不足,预计难以形成足够深度的雪,且未来气温上升,达到0.8℃·(10a)^(-1),降水、积雪深度和积雪日数均呈下降趋势,可能60%~95%的赛事用雪将来自人造雪,以应对可能的积雪不足.

南海西南季风期NCEP2湍流热通量的质量分析

以5次南海现场观测试验数据(Xisha2002,Xisha2000,Xisha1998,Kexue 1和Shiyan 3)为参照,对NCEP2再分析资料中湍流热通量在南海西南季风期的精度进行了评估.结果表明NCEP2估算的潜热通量的平均值在试验Xisha2000,Xisha1998,Kexue 1和Shiyan 3期间分别高估了6(11%),2(2%),7(7%)和13W/m2(16%),而在Xisha2002试验中低估了10 W/m2(11%).在5个试验中低估的感热通量分别为7(130%),3(64%),7(170%),5(53%)和5 W/m2(72%).NCEP2与5个现场观测试验的时间序列的相关系数均没有达到95%的置信度.模式中湍流热通量损失的误差来源于基本变量和算法,基本变量中以海表温度和海面风速的误差产生的影响最大.应用COARE2.6a算法和NCEP2的基本变量重新计算的湍流热通量更加符合物理意义.