青藏高原极端天气气候变化及其环境效应*

 青藏高原气候变化敏感性强、幅度大,而极端天气气候变化是高原生态、环境变化的重要驱动因素。过去几十年高原气温增暖幅度明显大于全国平均值,高原绝大部分地区极端高温事件频次显著上升、极端低温事件频次显著下降,并伴随有风速和地表感热加热等气候要素的显著变化。高原极端天气气候事件以及相应的地表和大气热源变化会对高原周边区域天气气候产生重要影响。高原冬春季积雪、春季感热强度以及夏季高原低涡东移发展是东亚夏季风异常和旱涝灾害预报的重要指标,可影响到其下游地区的大气环流和中国东部的天气气候异常。为构建稳固的青藏高原生态屏障,深化对高原极端天气气候环境事件及其对周边区域气候变化影响的研究,建议国家加强高原上对流层-下平流层水汽和微量成分输送过程与机制的研究,加强高原湿地及其对周边区域气候环境变化的影响研究,以及加大投入灾害卫星监测和灾害预警系统的能力建设。     

南极高原夏季Ekman边界层动力学分析

极地大气行星边界层动力过程及其对全球大气环流的影响是大气科学研究关注的重要问题.利用中国南极昆仑站2012和2013年夏季高分辨率的GPS探空资料,对南极高原大气边界层的动力特征进行了研究.结果表明,南极高原观测风随高度的变化规律与理论计算的Ekman螺旋曲线基本一致.风速随高度增加快速、风向左转.这是在南半球观测到的显著Ekman垂直结构特征.Ekman动力边界层的厚度较高,平均从900 m向上至3400 m,900 m以下为对流混合层.整个层结呈干冷和稳定状态,显示了南极高原边界层动力结构具有其独特性.计算的南极高原湍流摩擦应力明显大于中低纬度地区的值,表明南极高原行星边界层动力摩擦效应对全球大气环流的影响显著.     

影响我国霾天气的多尺度过程

频发的霾天气是我国现阶段面临的最主要大气环境问题之一.霾期间高浓度大气细颗粒物(PM_(2.5))是多种物理化学过程综合影响的结果,包括排放、气-粒转化、大气边界层、局地环流、天气与气候等过程.上述过程的时空尺度跨越了几个数量级,在空间尺度上涵盖了纳米尺度至上千千米尺度.多尺度过程本身的复杂性以及不同过程之间的相互影响是目前大气环境领域面临的最严峻挑战,直接影响到对于霾天气形成机制的科学认识、预报技术与数值模式研发,以及相应的大气污染治理.文章综述了在影响我国霾天气的多尺度过程及其与气溶胶的相互作用领域取得的研究进展.研究表明:二次气溶胶已经成为我国大气气溶胶的主要部分,在霾过程后期,液相非均相过程对气-粒转化有重要贡献; PM_(2.5)呈现多时间尺度周期性振荡,包括1, 4～7以及40～60 d等,边界层、天气和气候等多尺度过程是造成上述周期性变化的主因;已有证据表明,我国高气溶胶已经影响到该区域大气光化学、大气边界层,甚至天气和气候过程.气溶胶与上述过程的相互作用进一步影响了气溶胶浓度及其空间分布,但是此问题极为复杂,尚存在很大不确定性.为此,今后需重点加强以下研究:加强包含气溶胶理化性质、大气光化学、气象要素在内的多要素协同观测,重点开展对流层内多要素协同垂直探测;增强跨学科领域研究,尤其是大气物理-大气化学-天气/气候等多学科间的交叉性研究;加强气溶胶与大气化学、边界层、天气气候等过程相互作用的数值模拟研究.     

塔克拉玛干沙漠腹地近地边界层温湿廓线与热量平衡分析

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测实验站2006和2007年7~8月取得的微气象观测资料,采用组合法、对数回归等方法,分析了沙漠腹地夏季近地层大气温湿廓线、沙层温度、地表辐射及热量平衡等微气象特征的日变化规律.结果表明:夏季夜间近地层存在逆温现象,在一定高度范围内气温随高度的升高而增加,日间气温变化情况与此相反.塔克拉玛干沙漠地表辐射平衡以正值为主,除大气向下长波辐射以外,其他各辐射分量(总辐射、反射辐射、地表向上长波辐射、净辐射)均有明显的日变化特征,呈现出标准的日循环形态.沙漠腹地地表热量交换以湍流感热占主导地位,只有一少部分热量以潜热形式输送给近地层大气,地表感热和潜热随着太阳高度角的升高和降低而变化,潜热最大值出现在凌晨,感热峰值出现在正午,观测分析还表明夏季沙漠下垫面对大气的加热作用较为显著,白天地面为强热源,晚上为弱冷源.     

夏季副热带西太平洋大气环流持续异常

大气中的大尺度环流持续异常与灾害性天气气候相联系,是数值天气预报的难点,因此这方面的研究具有重要的实际意义和理论价值.迄今为止,对大气环流持续异常的研究多局限于冬季高纬地区的现象,如阻塞.在夏季,我国广大的地区,尤其是江淮流域的天气气候除了受来自高纬环流系统的影响外,还更多和更强烈地受副热带环流系统及其变异的控制和支配.陶诗言和徐淑英早在1962年就指出,长江、淮河流域的干旱或洪涝现象通常与持续异常的副热带环流型紧密联系,本工作就是沿着该思路,通过观测分析、数值试验等手段,试图揭示夏季副热带西太平洋大气环流持续异常(以下简称WPA)活动的规律特征.     

沙尘直接辐射效应对东亚地气系统的影响

基于东亚-北太平洋地区太阳高度角在春季乃至由冬季到夏季的逐日变化规律, 选取 2001 年春季发生的3 次典型沙尘暴为例, 利用包含详细气溶胶辐射参数化方案的大气辐射传 输模型, 模拟研究了该地区太阳高度角的变化对东亚-北太平洋地区沙尘直接辐射效应的可能 影响. 研究结果表明, 在沙尘暴爆发时间从春初(或冬季)到春末(或夏季)的变化过程中, 由于 该地区太阳高度角逐渐增大, 导致沙尘在大气顶晴空正辐射强迫值增加、负辐射强迫值降低 甚至转变为正强迫. 具体表现为: 在地表反照率低的海洋上空, 春初到春末太阳高度角的增 加使得沙尘在大气顶负辐射强迫的值由大变小, 即对地气系统由较强的降温转变为较弱的降 温作用; 在地表反照率较高的沙漠及其周边地区, 春初到春末太阳高度角的增加导致沙尘在 大气顶辐射强迫由负值转变为正值, 即对地气系统由辐射降温逆转为辐射增温. 云天辐射强 迫的研究结果与晴空类似, 但低云的存在相当于在一定程度上增加了地表反照率, 它一方面 使得沙漠上空沙尘层由冷却地气系统到加热地气系统这一逆转过程发生的日期提前, 也导致 了沙尘在海洋上空负的辐射强迫比晴空时随着太阳高度的增加减小得更为明显, 甚至局部地 区因为低云的存在由弱的负强迫变为弱的正强迫. 这一研究结果说明, 在东亚沙漠附近地区, 即便是同等强度的沙尘暴事件, 因为发生的日期不同, 太阳高度角不同, 沙尘层在大气顶的 辐射强迫和对地气系统的影响也会因此不同甚至相反. 沙尘暴发生的时间越靠近初春或冬季, 在沙漠附近, 沙尘在大气顶辐射强迫越倾向为负值, 对地气系统表现为降温作用, 沙尘暴发 生时间越靠近春末或夏季, 由于太阳高度角的增大, 沙尘在大气顶越容易产生正辐射强迫, 对地气系统表现为增温作用. 简而言之, 即在东亚沙漠源区附近, 沙尘直接辐射效应可能呈 现“春初(冬季)降温, 春末(夏季)增温”的特征.     

北极地区快速升温的驱动机制研究进展

受全球持续暖化影响,北极地区近地表气温正在以超过全球平均两倍以上的速度急剧升高,称为"北极放大"效应.北极的快速升温与地气系统的能量收支异常直接相关,学术界基于模式模拟、卫星观测等多种手段开展了大量研究工作,并提出了一系列的理论和证据,尝试从能量收支的角度对"北极放大"效应的驱动机制进行解释.对驱动"北极放大"的各种潜在机制的理论基础进行了阐释,并回顾了各种驱动机制的研究进展.综合现有研究表明,北极的快速升温既与受北极独特的地理、大气环境影响形成的多种辐射反馈机制(如海冰反照率辐射反馈机制、边界层大气逆温引起的温度梯度正反馈机制、普朗克反馈机制等)有关,也可能是由地球大气、海洋环流异常引起的极向物质与能量传输增强所致.通过对现有研究进行综合分析指出,受研究方法存在一定缺陷、高质量且时空完整的长时序辐射产品的缺乏,以及探索不同因素之间关联机制的综合性研究的缺少等影响,目前对于北极地区快速升温的关键驱动机制仍无定论,不同理论之间存在很大的分歧.进一步指出,长时序、高质量的地表与大气辐射产品研发,研究方法的进一步优化与各种气候因子变化对地气系统能量收支扰动的更准确量化,以及针对不同气候因子之间内在关联机制的综合分析,将是未来提升北极地区气候变化研究的重要方向.     

科学问答

空气和大气有什么区别? 大气的概念比空气大.除了地球之外,木星等行星也有大气.大气成分较复杂,其中生物生存所必备的成分就是空气,行星中只有地球拥有空气.从地面到1 000 km高度是大气层,其中最下部的对流圈(地表到11 km高处为止)和其上部的成层圈(从地表到48 km高处为止)是空气.     

苏门答腊附近大气准双周振荡的可能维持机制

海洋大陆上空常年有对流存在, 特别是苏门答腊地区, 由于地形对气流的阻挡, 形成很强的对流中心[1]. 很多学者指出, 亚洲季风区对流首先在中南半岛上空活跃是冬季位于苏门答腊的热带对流沿大陆桥移动的结果[2~5], 强调了苏门答腊地区的对流活动在亚洲夏季风建立中的重要性. 自从在热带地区发现低频振荡[6]后, 研究表明热带大气低频活动有准双周QBWO (Quasi-Biweekly Oscillation)和准40 d MJO (Madden-Julian Oscillation)两个主要频带, 其中 QBWO在夏季风的建立过程中起到了主要作用[7~11]. 但目前对QBWO的认识并不如MJO那样深入, 特别是对其维持机制的认识. 本文利用气候平均(1980~ 2001年)TBB和NCEP/NCAR逐日再分析资料, 分析了季节转换时期(3~5月)苏门答腊附近对流QBWO及与热带印度洋低层环流的关系, 并对QBWO的可能维持机制进行讨论. .........     

科学问答

空气和大气有什么区别?大气的概念比空气大。除了地球之外,木星等行星也有大气。大气成分较复杂,其中生物生存所必备的成分就是空气,行星中只有地球拥有空气。从地面到1000km高度是大气层,其中最下部的对流圈(地表到11km高处为止)和其上部的成层圈(从地表到48km高处为止)是空气。     

北京及周边地区5~8月红外云图亮温的统计学特征及其天气学意义

为了给北京地区的对流天气临近预报提供必要气候背景, 利用1997~2004年5~8月高分辨率的地球静止卫星逐时红外亮温资料对北京及周边地区的对流活动情况进行了统计分析, 并同使用常规地面观测资料统计的雷暴日数分布以及已有文献中基于闪电资料的分析结果进行了对比, 结果表明-52℃红外亮温的统计特征可以较好地展现该地区夏季对流活动时、空分布的基本气候特征, 特别是5, 6月份和7, 8月份亮温统计特征的显著差异表明, 影响北京及其周边地区的盛行对流系统有两大类: 一类是春末夏初发生在中纬度大陆变性极地气团中的对流, 它具有典型的热对流特征, 主要发生在午后到傍晚西部和北部的山区, 常伴随雷雨大风和冰雹天气; 另一类是盛夏季节发生在低纬度暖湿气团中的湿对流, 主要发生在华北平原和渤海周边地区, 并具有夜发性, 常伴随暴雨天气. 上述研究结果也显示出, 长时间的静止卫星逐时红外云图资料可以在一定程度上弥补地面观测资料和雷达资料在时、空覆盖率和完整性方面在对流天气气候学研究中的缺陷.     

冬季澳大利亚东侧海温与长江流域夏季降水的联系及可能物理机制

通过对观测资料的分析, 初步探讨了冬季澳大利亚东侧海温和夏季长江流域降水的关系及可能物理机制. 研究表明, 澳大利亚东侧冬季海温与我国长江流域夏季降水之间具有同位相变化关系. 当冬季澳大利亚东侧海温变暖时, 随后夏季西太平洋副热带高压和东亚西风急流位置往往偏南, 我国大陆沿岸低层盛行异常的西南风, 有利于长江流域降水增多, 反之亦然. 冬季澳大利亚东侧海温对后期夏季东亚大气环流的影响通过两种途径来实现: (ⅰ) 冬季澳大利亚东侧海温异常信号由于自身的持续性可维持到夏季, 并通过南北半球遥相关影响东亚夏季大气环流的变化; (ⅱ) 冬季澳大利亚东侧海温偏高时,同期西南印度洋海温也易于偏高. 在海气相互作用下, 这种异常信号逐渐向东发展, 并造成夏季海洋大陆附近海温升高. 海洋大陆海温的升高反过来影响对流活动进而导致东亚夏季大气环流异常.     

中国土壤湿度的变异及其对中国气候的影响

土壤湿度是气候系统中的重要参量,对地球系统中水分、能量以及地球生物化学循环都有重要影响。本文综述了关于土壤湿度对大气的影响,以及中国区域土壤湿度及其对中国气候影响的研究进展,分析了土壤湿度通过影响地表能量和水分平衡,进而影响大气的变化。现有研究表明：在中国东部春季,土壤湿度的气候分布表现为东北、长江中下游为高值区,华北较干,河套地区的土壤湿度最低;中国东部中纬度地区是土壤湿度年际变异最大的区域,并与东北区域呈反相变化;土壤湿度整体上呈现变干的趋势,深层土壤变干较浅层土壤显著,且东北和南方地区比中纬度地区的变干趋势显著。中国东部从长江流域到华北的春季土壤湿度偏高时,通过改变春末地表能量平衡可以导致东亚夏季风减弱,造成夏季华南和华北降水减小,长江中下游和东北降水增多。中国北方季风边缘区的土壤湿度对局地降水有显著影响,而土壤湿度对局地温度有显著影响的区域主要位于中国北方。     

青藏高原那曲地区夏季对流云结构及雨滴谱分布日变化特征

青藏高原对于我国大气水循环、生态环境、灾害天气产生及气候变化等均具有重要作用和影响.为进一步揭示青藏高原气象和大气物理过程,我国启动了第三次青藏高原科学试验-边界层与对流层观测(2014~2017年)重大研究项目,其中云降水物理观测试验采用了包括C波段连续波雷达、Ka波段毫米波云雷达、地面雨滴谱仪、激光云高仪等目前先进的观测仪器.本文利用2014年7月1日~8月31日期间在西藏那曲的观测数据,结合FY-2E卫星的TBB资料,分析研究了青藏高原夏季(7~8月)对流云及其降水过程和雨滴谱分布特征.研究结果表明,观测试验期间青藏高原对流活动主要集中在高原东南部和中部地区,其降水过程存在准两周的周期性;由于高原的加热效应,对流云和降水过程有着显著的日变化特征,对流活动在11:00(当地时间)由局地热对流发展,经合并增长在17:00~18:00达到最强,入夜后降水过程开始偏平流性并持续至6:00,之后逐渐消散,上午对流活动较少.高原对流云平均云顶高度为11.5 km左右(海拔高度),最大云顶高可超过19 km;平均云底高度6.88 km.降水过程主要表现为短时阵性降水,持续时间基本小于1 h,平均降水强度在1.2 mm/h左右.另外,研究发现高原雨滴谱分布相对于同纬度和季节的平原地区较宽,导致高原对流易产生降水.Γ分布相对于M-P分布更适用于对高原上的雨滴谱分布进行拟合.     

城市边界层温度廓线及特征的季节变化

利用北京月坛公园180 m铁塔城市边界层常规微气象观测资料, 分析了城市边界层温度及其层结的季节变化. 结果表明: (1) 与其他季节不同, 冬季地面气温日变化与其上层的气温日变化不同步, 即地面最高气温比上层提前1~2 h达到; 这种位相差表明了观测场地的地理位置、建筑物分布对观测结果的影响. (2) 除中午前后为不稳定层结以外, 其他时间, 城市冠层顶部与城市摩擦副层间的静力稳定度具有季节性变化的特征, 即冬季为弱不稳定层结, 而夏季为弱稳定层结, 这种弱稳定层结可能会抑制城市冠层内污染物向上扩散的过程. (3) 城市冠层顶部(即屋顶)对城市边界层热状态的影响具有季节性的差异, 即夏季城市冠层顶部对城市摩擦副层起加热作用, 而冬季起冷却作用, 这与青藏高原对大气热状态的影响非常相似.     

北京及周边城市群落气溶胶影响域及其相关气候效应

用晴空、稳定天气条件下卫星遥感MODIS 反演气溶胶光学厚度资料, 结合地面观测PM10 浓度资料进行变分分析, 并利用卫星TOMS 反演气溶胶光学厚度资料和北京及周边各气象站观测日照时数、雾日数、低云量等气象要素资料进行统计分析, 探讨了北京及周边城市群落的气溶胶分布及其区域气候效应特征, 研究结果表明, 通过晴空、稳定天气条件MODIS 卫星遥感气溶胶反演指数结合地面实测场进行变分订正多样本合成分析, 亦可发现北京与南部周边“马蹄型”大地形“谷地”内类似“三角形”气溶胶高值区的分布特征图像. 上述气溶胶分布特征表明, 城市群落污染物大尺度迁移、扩散过程可构成更大空间尺度城市群落气溶胶相对持续稳定的特征分布. 北京及周边区域在区域特殊大地形影响背景下TOMS 卫星气溶胶反演指数高值区及其与晴空日照时数的区域相关分布均类似于上述 MODIS 气溶胶反演光学厚度变分场合成图像, 即大气气溶胶影响效应在北京及周边地区表现显著. 晴空日照时数与TOMS气溶胶指数两者负相关高值区域与20 世纪80~90 年代日照时数偏差负值显著区分布特征近似吻合, 且气溶胶指数与晴空日照时数的逐日变化呈互为反相关关系. 上述京津地区城市气溶胶影响高相关区偏于两城市南部周边范围; 其“重心”偏于京津城市群落南部, 主体大范围向南延伸, 构成类似偏心椭圆影响区, 即北京城市周边存在某种“半径”范围的气溶胶影响域. 此类气溶胶影响域内外, 日照时数、低云量和雾日数的年际变化趋势呈区域性显著差异. 城市群落下风方存在雾或低云量年代际增多趋势显著区, 上述现象可能与气溶胶影响域内城市群落污染扩散动力过程中区域性气流汇合流场局地气候特征相关, 此类局地动力特征可能导致城市群落下风方气溶胶影响的区域性“加剧”效应. 研究结果揭示出气溶胶影响域内低云量年代际变率显著区与城市“下游羽流区”局地风场结构的气     

青藏高原ERA40和NCEP大气非绝热加热的不确定性

深入理解青藏高原上空大气非绝热加热三维结构,有助于揭示高原热动力效应和机械强迫效应在亚洲夏季风系统中的作用机理.然而现有的高原非绝热加热率资料存在较大不确定性.本文详细比较了NCEP和ERA40再分析资料"残差诊断法"计算的大气非绝热加热数据,分析两种资料所反映的高原上大气非绝热加热的时空分布特点,重点比较了二者在高原南麓的差异,并结合TRMM PR降水和潜热资料分析了差异的可能原因.研究发现两种资料之间的差异在夏季最大:ERA40在高原南麓高海拔地区所诊断的非绝热加热显著大于NCEP.ERA40大气强加热区域从高原南部山脚向北延伸、越过海拔4000位势米直至高原主体的南部;而相应NCEP大气强加热区主要位于高原南麓低海拔地区,不超过海拔4000位势米界限.上述差异不仅限于贴地层(地表感热的直接影响区域),而在400~500 h Pa大气层也很显著.同时发现,ERA40所估计的夏季高原南麓降水显著大于NCEP和TRMM PR的观测,这种差异在时间、空间上都与非绝热加热的差异相吻合.这说明降水所释放的潜热是造成上述差异的主要原因.分析大气加热场和大气环流的经向垂直剖面发现,ERA40在南麓高海拔地区所诊断的大气非绝热加热可向上延伸至对流层高层~300 h Pa,而相应NCEP大气非绝热加热主要集中在较低大气层,相应ERA40诊断的大气垂直上升速度明显强于NCEP,200 h Pa的水平辐散也较强.高原南麓深对流降水及其潜热的不确定性是充分理解高原-大气相互作用的主要难点.     

近30年青藏高原中东部大气热源变化趋势:观测与再分析资料对比

利用青藏高原(以下简称高原)中东部71个气象台站常规观测资料,2套卫星辐射资料,以及3套再分析资料,定量计算了1980～2008年高原中东部上空大气热源变化趋势.研究表明:高原感热减弱趋势仍在持续,尤其是春季感热减弱趋势最为显著.感热的这种变化主要由风速的持续减弱所决定,值得注意的是,近5年地气温差变化趋势由过去的减小转为增大.2套卫星辐射资料计算所得高原中东部大气柱净辐射通量变化趋势有明显差异.利用3套再分析资料通过倒算法计算高原中东部大气视热源变化趋势也不尽相同,其中2套基本一致,均呈减弱趋势,且其中1个的变化幅度明显偏强;而另一套为明显上升趋势,与观测相反.精确计算高原热源变化趋势仍很困难,特别是利用再分析资料估计高原热源变化趋势存在很大不确定性.     

1986年南海季风海-气界面热量交换

为探索南海与季风相互作用, 用观测资料, 计算了1986年南海季风海气界面热量交换值. 结果: 南海夏季风爆发及其控制南海时, 位于(20.49°N, 114.14°E)附近海域, 在热带辐合带和热带气旋系统内, 海气界面热量交换强烈, 潜热迅速跃升, 1986年5月23日在台风系统内, 感热出现正值, 海洋向大气输送热量是主要现象, 主要贡献来自潜热. 夏季风控制南海天气晴好时, 海面温度虽然较高, 感热却出现负值, 大气向海洋输送热量是主要现象, 主要贡献来自海面吸收的短波辐射和感热, 结果与闫俊岳等的不同. 夏季风结束后, 南海受东北季风控制时, 海气界面热量交换非常强烈, 南海对大气加热是主要现象, 主要贡献来自潜热, 冷空气到达海面时, 感热量值迅速跃升均为正值. 结论: 南海海气界面热量交换的变化与海面温度变化趋势不一致, 季风控制南海时, 南海对夏季风响应为主.     

半干旱区不同下垫面地表反照率变化特征

分析了通榆半干旱区退化草地和农田下垫面2003~2005三年来地表反照率的日、季和年变化特征, 并讨论了地表反照率与太阳高度角及土壤湿度的关系. 发现退化草地和农田下垫面的地表反照率具有相似的日变化和季节变化, 冬季较大, 夏季较小; 地表反照率的日变化随天气条件的不同而不同, 晴天日变化曲线形如“U”形, 雨后晴天地表反照率的日变化是先低后高, 雪后晴天是先高后低, 多云天日变化波动较大, 阴天几乎没有日变化. 两下垫面地表反照率的差异在冬季主要受降雪影响, 最大为0.04; 在夏季受降雨的影响较大, 但地表反照率差异不大, 只有0.01; 秋季由于下垫面植被的差异, 地表反照率差异最大可达0.04. 对于三年平均地表反照率, 退化草地在春、夏、秋和冬季分别为0.25, 0.22, 0.24和0.32, 农田春、夏、秋、冬季分别为0.25, 0.21, 0.22和0.33. 地表反照率随着太阳高度角增大而减小; 当太阳高度角大于40°时, 地表反照率基本上趋于不变. 在生长季地表反照率与表层土壤湿度存在负指数关系.