MM5对末次盛冰期中国气候的模拟研究Ⅱ:海陆分布、植被和大尺度环流背景变化的影响

利用全球模式CCM3嵌套区域模式MM5的方法研究了末次盛冰期海陆分布、植被和大尺度环流背景场变化对末次盛冰期气候变化的作用。模式结果表明:与现代相比,末次盛冰期东亚地区海陆分布发生的变化造成这一地区冬季减温,夏季增温,这个变化对中国东部近海地区的温度和降水产生明显的影响,尤其是对降水的影响。它使得中国东部地区降水减少,由此造成的降水减少占末次盛冰期降水减少的25%—50%。海陆分布的变化对内陆和中国西部地区影响很小。末次盛冰期中国东部地区植被发生了明显的变化,温带和寒带植物南移,热带植物的覆盖范围减少。中国东部地区植被的巨大变化对温度产生了影响,使该地区冬季增温,夏季减温,年平均温度变化不大。末次盛冰期全球气候发生巨大的变化,即大尺度环流背景场变化。它使得中国地区的温度和降水产生显著变化,这个变化造成中国地区温度降低,并且决定了温度变化的主要分布和变化特征,东北地区是中国末次盛冰期降温最大的地区,青藏高原的降温超过同纬度的东部地区等。同时,大尺度背景场的变化还控制着降水的变化,末次盛冰期中国西部地区和东北地区降水的变化几乎完全是背景场变化引起的,其对华北和华东地区降水的影响大约为50%—75%。综合我们研究的影响末次盛冰期中国地区气候变化的因子,按影响程度由大到小排序为:大尺度环流背景场、海陆分布变化、植被变化、CO2浓度变化和地球轨道参数变化。     

MM5对中全新世时期中国地区气候的模拟研究

MM5模式结果与地质记录的对比表明,这个模式系统可以较好地模拟中全新世时气候的变化,特别是模式模拟的降水变化与地质记录吻合得较好.区域模式的结果比全球模式结果有所改进.模式结果显示:与现代相比,中全新世时,中国地区的气温升高,夏季升温超过冬季.同时,中国的内蒙古东部地区、东北地区和华北地区降水显著增加;而中国的华东、华中、华南和西南地区降水减少.中国东部30°N以北地区夏季风增强;中国东部的冬季风减弱.从一系列敏感试验结果,可以发现:在中全新世时,中国地区的气温、风场和降水的变化主要受大尺度环流背景场变化的影响,其对降水变化的影响超过50%.其次受地表状况和植被变化的影响,植被的变化主要影响中国东部地区,使得在冬季和夏季中国地区均升温;而且,对华北部分地区降水变化的影响最大超过25%.地球轨道的变化使得中全新世时太阳辐射的季节变化较大,造成中全新世时中国地区在冬季降温,在夏季升温;同时,对东北和华北地区的降水有重要影响,其影响与植被变化的影响相当.中全新世时,大气中CO2的体积混合比为280×10-6,CO2的变化使得中伞新世时气温降低,但量级较小.影响中全新世时中国地区气候变化的因子,按影响程度由大到小的排序为:大尺度环流背景场、植被变化、地球轨道参数变化和CO2浓度变化.     

近50年石家庄地面温度变化特征与气候因子的关系分析

利用石家庄地区5个观测站1961-2010年逐日地面温度、气温、风速、日照时数和总云量观测数据,分析讨论了该地区地面温度最高值和最低值的变化特征以及气温、降水、风速、日照时数和总云量对地面温度变化的影响.结果表明:地面最高温度波动幅度较大,其中冬季波动幅度明显偏大;地面最低温度波动幅度较小,其中夏季波动幅度明显偏大;地面最高温度夏、秋季降温趋势显著;地面最低温度各季节增温趋势显著;地面最高温度与最高气温、日照时数和风速互为正相关,与总云量互为负相关;地面最低温度与最低气温和总云量互为正相关,与风速、日照时数互为负相关;最高气温对地面最高温度的正相关性最强,风速最弱;总云量对地面最高温度的负相关性在夏、冬季较强;最低气温对地面最低温度的正相关性最强,总云量最弱;风速对地面最低温度的负相关性在春、秋季较强,日照时数在秋、冬季较强.     

南疆盆地1 96 1—2005年气温变化特征

通过对新疆南疆盆地近45a气温变化特征分析,发现南疆盆地年平均气温在1989年开始发生暖突变。从1980年代末夜间温度开始异常升高,白天温度也随之升高,从而导致南疆盆地整体温度异常暖突变。最高、最低气温和气温日较差的变化具有明显的季节差异。在各个季节中,秋季和冬季温度的异常偏暖对年平均温度异常暖突变的贡献最大。在各种温度升高过程中,升温幅度最大的是最低气温,而最高气温的升温幅度远小于最低气温,从而日较差表现为减小的趋势。     

一个考虑二氧化碳的非线性气侯模式

建立一个包含年平均二氧化碳含量「ＣＯ２」、下垫面温度、边界层气温以及云量的零气候模式,用于研究ＣＯ２对气候的影响,结果表明,该模式能模拟出现代气候态以及「ＣＯ２」变化的趋势。进而用与该模式相应的现代气候平衡态的偏差方程,考察了在ＣＯ２的作用下,气候系统由定常态到周期态再到混沌态的演变过程。     

地球轨道偏心率变化对东亚季风气候模拟的影响

采用较为真实的椭圆轨道代替了原区域气候模式中的圆近似轨道,并进行了10年模拟试验,用以了解该模式对东亚季风区气候年际变化的模拟能力,同时比较地球轨道参数计算变化对现代东亚季风气候模拟的影响.结果表明:当把模式中的地球轨道计算从圆形改为椭圆时,中国东部的降水模拟有所改进,东亚地区的温度、降水、比湿等气候要素均出现夏季降低(减少)而冬季升高(增加)的季节变化趋势,而且亚洲冬、夏季风也均有减弱.但从总体上说,现代气候状况的模拟对地球公转轨道的计算方案不敏感.通过该工作的模拟研究说明,对较短时期的现代气候模拟,地球公转轨道采用圆近似是可行的.     

末次冰期冰盛期中国地区水循环因子变化的模拟研究

ISCCP卫星资料(1983—2006年)的结果显示:青藏高原地区是高云的高值中心;而以四川为中心直到同纬度的中国东南沿海地区是中云的高值区,同时,青藏高原地区是中云的低值中心。利用全球气候模式CCM3嵌套区域模式MM5模拟了现代和末次冰期冰盛期的气候。MM5模拟的结果与ISCCP的卫星资料对比表明:模拟结果再现了中国地区高云和中云分布的主要特征。这暗示云分布的气候特征可能主要由相对湿度决定。同时,通过MM5的结果与NCEP资料的对比也说明,模式可以较好地模拟水汽和温度的垂直分布。在此基础上,研究了末次冰期冰盛期水循环因子的变化。模拟结果显示:末次冰期冰盛期夏季对流层的温度降低,在对流层中上层存在温度降低的中心;而在冬季在南方的对流层中层存在降温中心,在北方的对流层中上层温度升高。大气中水汽含量与温度变化有很好的正相关,除了冬季北方对流层中上层水汽增加外,水汽含量一般降低,而且在近地层降低的最多,随高度增高水汽变化逐渐变小。但是,水汽的相对变化在对流层上层存在降低的高值中心。相对湿度存在变化,最大的变化超过15%,而且有增加,也有减少。在区域尺度相对湿度不是保守的。相对湿度变化与中云和低云的变化一致。在末次冰期冰盛期,中国地区高云量减少,除中国西南地区外,中云和低云量减少,低云量减少的最多。降水的变化与中云和低云的变化相对应,云量增加降水增加,云量减少降水也减少。从相对湿度和有效降水可以看到在西南地区末次冰期冰盛期变得潮湿,在夏季西北地区也变得潮湿。     

一个考虑二氧化碳的非线性气侯模式

建立一个包含年平均二氧化碳含量［ＣＯ_２］、下垫面温度、边界层气温以及云量的零维气候模式,用于研究ＣＯ_２对气候的影响。结果表明,该模式能模拟出现代气候态以及［ＣＯ_２］变化的趋势。进而用与该模式相应的现代气候平衡态的偏差方程,考察了在ＣＯ_２的作用下,气候系统由定常态到周期态再到混沌态的演变过程。     

青藏地区地球轨道变化对地形依赖性的数值模拟研究

利用美国大气研究中心(NCAR)的公用气候系统模式(CCSM2.01)进行了一组改变青藏高原地形高度和地球轨道(岁差)参数的数值模拟试验,以探讨青藏地区地球轨道和地形变化对高原气候的影响。结果表明:同样的岁差强迫,青藏地区与湿度相关的各种气候要素(如降水、地表径流、降雪和积雪深度)在高地形情况下的响应要比在低地形情况下的响应强烈得多。当近日点的时间由现代的1月份变为7月份时(如距今约1万年前的全新世初期),会造成高原中南部及高原南侧夏季降水和径流显著增加,冬季高原西北部降雪增加,但高原中南部的冬季降雪却会明显减少。上述区域气候变化特征与岁差强迫下大气环流的改变密切相关。这些数值模拟结果也有助于理解该地区相关地质气候记录中青藏高原隆升过程对轨道尺度气候变率的调制作用。     

甘南地区近40年气温变化特征

通过时甘南地区近40年气温变化特征分析，发现甘肃西南部年平均气温在1990年代初有暖突变，从1980年代末开始该区域夜间开始明显变暖，到1990年代出现白天、夜间同时变暖的现象，甘肃西南部的气温突变主要是由于1990年代后白天和夜间温度同时上升造成的。秋季气温在1980年代末开始上升，夏季和冬季气温到1990年代初开始上升。最高、最低气温和气温日较差的变化具有明显的季节差异。     

末次盛冰期冰盖对全球季风活动的非对称性影响

将新研发的南京信息工程大学地球系统模式(NUIST Earth System Model version 1,NESM1)首次应用于古气候模拟中,在Paleoclmate Modelling Intercomparison Project Phase III(PMIP3)框架下设计了工业革命前(Pre-industrial,PI)、末次盛冰期(Last Glacial Maximum,LGM)和增加大陆冰盖(Ice sheets,IS)试验,验证了模式对工业革命前气候和LGM时期气候的模拟能力,并通过增加大陆冰盖试验分析了其对全球季风活动的非对称性影响。结果表明:与PI时期相比,LGM时期的温度和降水均有显著改变。其中,全球平均温度比PI时期降低了4.7℃,全球平均降水减少了0.3 mm·d~(-1),降水对温度变化的敏感性约2.3%·℃~(-1),这与其他耦合模式结果一致。末次盛冰期大陆冰盖对其气候变化有重要贡献,冰盖引起的地表反照率改变与地形抬升作用导致全球平均气温下降1.2℃,降水量减少0.06 mm·d~(-1)。进一步分析表明,末次盛冰期冰盖对全球气候的影响还具有显著南北半球差异,所导致的温度降低和降水减少主要集中在北半球,其中北半球的降温更是高达南半球的5倍;引起北半球季风区年平均降水减少0.24 mm·d~(-1),降水年较差减小0.34 mm·d~(-1),而南半球变化很小。这是由于北半球大幅降温导致的低层水汽含量减小,并与大陆冰盖引起的欧洲大陆和北美大陆反气旋环流共同作用而影响季风活动。在夏季,减少的低层水汽含量与减弱的季风环流使夏季降水显著减少;而在冬季,加强的季风环流能部分抵消水汽含量减小的作用,故冬季降水稍微减弱。此外,在欧洲大陆和北美大陆附近对流层低层反气旋环流作用下,导致亚欧和北美季风活动区域减小。     

1960~2012年中国地区总云量时空变化及其与气温和水汽的关系

基于我国地区543个地面气象台站观测的总云量、平均气温和相对湿度日均值资料,采用正交经验函数（EOF）、气候倾向率和线性趋势分析等方法,研究了1960~2012年总云量的时空变化特征及其与气温和水汽的关系。结果表明:（1）我国地区总云量呈南多北少的带状分布特征,最大值在四川盆地（82%）。近53年来总云量气候倾向率为-0.8%（10a）-1,趋势系数为-0.68,通过了99.9%的信度检验。（2）总云量季节变化特点明显,夏季最多,春秋季次之,冬季最少,其中春季、夏季和秋季有显著的下降趋势。（3）EOF分解的前两个模态表明总云量不仅具有一致减少的变化特征,还具有明显的区域差异。以此同时,平均气温和相对湿度不论在总体变化趋势、地区差异、还是时间演变上,均与总云量保持较高的一致性,进一步证明总云量的变化与气温和水汽有密切关系。     

青藏高原中东部云量变化与气温的不对称升高

利用ISCCP资料和地面观测资料,对1984 2009年青藏高原中东部云量和云状的气候特点进行了研究,并分析了日最高温度和日最低温度的变化特点及其与云量变化之间的关系。结果表明,青藏高原中东部地区中低云量呈明显的单峰型日变化,而高云云量日变化不显著;青藏高原地区日最低气温的上升速率与日最高气温不一致,即气温出现不对称升高。青藏高原中东部地区白天、夜间云的变化分别与日最高、最低气温的变化速率存在显著相关,并在云量变化与气温的不对称升高之间存在着正反馈机制。高原中东部地区不对称升温使得日出时的地气温差减小,并可能通过减弱对流作用使日出后的云量减少。云量的减少导致到达地面的太阳短波辐射增加,从而使得当日上午气温升高明显;中午,高云的增多与中低云的减少增加了地面接收的太阳短波辐射,导致了较高的日最高温度;而傍晚除卷云外,各类云的云量均出现增加,起到了减缓傍晚气温下降的作用,有利于出现较高的日最低温度。     

西南地区城市热岛强度变化对地面气温序列影响

利用1961—2004年我国西南地区322个站的气温观测资料, 分析了乡村站、小城市站、大中城市站和国家基准/基本站气温变化趋势特点, 着重研究了城市化对城镇站和国家站地面气温记录的影响程度和相对贡献比例。结果显示:区域平均的各类台站年平均气温呈现不同程度的上升趋势, 城市站、国家站的增温速率均高于乡村站。大中城市站和国家站的年平均热岛增温率分别为0.086 ℃/ 10a和0.052 ℃/10a, 其增温贡献率分别达57.6%和45.3%。与大多数地区不同, 西南地区的增温速率明显偏小。因此, 尽管平均热岛强度变化比许多地区弱, 但其相对贡献明显, 表明城市化对该区域气温趋势的绝对影响较弱, 但相对影响较强。另外, 城市热岛增温有明显的季节变化, 表现为秋季最强, 春季或冬季次之, 夏季最弱。热岛增温贡献率则为春季最大 (100%), 夏季次之 (73%以上), 秋季和冬季相对较小。这主要是因为春、夏两季背景气候变凉或趋势微弱, 热岛增温在实际增温中占有更高的比例。     

云南地区季降水量和气温的潜在可预报性分析

利用云南地区42年气候资料,使用低频白噪声延伸法和方差分析方法,估计了该地区季节降水量和季节气温的气候噪声方差和潜在可预报性。分析结果表明：（1）云南季降水量的气候噪声方差随着季节降水量的增加而增加,空间上主要是由南往北减小,夏季降水量的气候噪声方差显著大于其他季节,季气温的气候噪声方差则随着季节气温的减小而增加,空间上春、冬季由东往西减小而夏、秋季由南往北增加;冬季气温的气候噪声方差显著大于其他季节;（2）云南季降水量和季气温的潜在可预报性同样具有显著的季节变化和空间变化,云南春季的降水量和气温的潜在可预报性均显著大于其他季节,夏季降水量和气温的潜在可预报性均较其他三个季节小;春、秋季降水量潜在可预报性西部大于东部,夏季北部大于南部,冬季则是南部大于北部,云南季气温除夏季外均是西部大于东部。（3）季风和冷空气活动可能对云南地区的季降水量和气温的潜在可预报性有重要影响。     

1.5和2℃升温阈值下中国温度和降水变化的预估

基于CMIP5耦合气候模式模拟结果对1.5和2℃升温阈值时中国温度和降水变化的分析表明,1.5℃升温阈值时,中国年平均升温由南向北加强且在青藏高原地区有所放大,季节尺度上升温的空间分布与其类似,就区域平均而言,RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下中国年平均气温分别升高1.83、1.75和1.88℃,气温的季节变幅以冬季升高最为显著;除华南和西南地区外中国大部分地区年平均降水量增多,降水的季节差异明显,以夏季降水的分布模态与年平均降水量的分布最为相似,区域平均的年降水量分别增加5.03%、2.82%和3.27%,季节尺度上以冬季降水增幅最大。2℃升温阈值时,RCP4.5和RCP8.5情景下中国年平均温度的空间分布与1.5℃升温阈值基本一致,中国年平均气温分别升高2.49和2.54℃,季节尺度上气温的变化以秋、冬季增幅最大;中国范围内年平均降水量基本表现为增多趋势,其中,西北和长江中下游部分地区表现为明显的季节差异,区域平均的年降水量分别增加6.26%和5.86%。与1.5℃升温阈值相比较,2℃升温阈值时中国年平均温度在RCP4.5和RCP8.5情景下分别升高0.74和0.76℃,降水则分别增加3.44%和2.59%,空间上温度升高以东北、西北和青藏高原最为显著,降水则在东北、华北、青藏高原和华南地区增加最为明显。      

青海甘德地区气候变化特征及其对牧草产量的影响分析

利用甘德地区1994—2016年牧草产量资料和1976—2016年月平均气温、月降水量等气象资料,采用相关分析、气候倾向率等方法分析该地区牧草产量和气候因子变化特征,以及气象因子和牧草产量之间相关关系。分析结果表明:1994—2016年甘德地区牧草产量以每10a按271.5(kg/hm~2)速率呈显著增加趋势;1976—2016年甘德地区年平均降水量和日照时数以11.6mm/10a和-18.9h/10a的速率呈不显著的增加和减少趋势,降水量增加主要体现在春、夏、冬季,秋季呈偏少趋势;日照时数除夏季增加外,其余季节呈减少趋势;年平均气温以0.41℃/10a的速率呈极显著增温,四季气温增加在各个季节均有体现且秋季增温对年气温升温贡献率最大;牧草产量和同期温度、降水(除秋季外)之间呈正相关,但温度变化对牧草产量的影响要大于降水量的影响。     

PRECIS模式对内蒙古气候变化情景的模拟与分析

利用英国Hadley气候中心研制的区域气候模式系统PRECIS,嵌套全球环流模式HadCM3,模拟了气候基准时段1961-1990年内蒙古平均气温。通过模拟结果与实测值的对比分析。预测并分析了在B2温室气体排放情景（SRES）下．2071-2100年内蒙古气温的变化情景。结果表明：PRECIS模式较好的模拟出了内蒙古1961-1990年30年平均的气温分布,特别在模拟从东北向西南温度递增趋势上表现了良好的能力,尤其是在锡林浩特以东地区,模拟韵高低值中心位置和范围与实况比较吻合,且对夏季温度的模拟能力明显强于其他季节。在B2排放情景下,未来2071—2100年内蒙古气候继续向暖的方向发展,年平均气温、冬季和夏季平均气温均呈显著上升趋势,全区增温3．5～5℃。升幅最大的地区在阿拉善中西部。     

近45年哈密地区温度变化特征

利用1961-2005年近45年哈密地区6个站点的观测资料,分析了该地区的平均气温、平均最高气温、平均最低气温和平均日较差、炎热日以及寒冷日的年际、年代际的变化特征,同时对降水、云量等要素也进行了分析,揭示其与哈密地区温度变化的可能关系。结果表明,近45年来哈密地区气候显著增暖,平均气温在夏季增暖幅度最大,春季最弱。1990年代以后增暖趋势表现最明显,21世纪以来增幅最大。与平均气温变化趋势相一致,最高温度和最低温度也呈显著升高趋势,其中最低温度的升高幅度远大于最高温度和平均气温的升高幅度。哈密地区近45年平均日较差显著减小,这主要是因为最低气温的升高幅度大于最高气温的升高幅度。在全球增暖背景下,哈密地区的炎热日数显著增加,而寒冷日数显著减少。个别站的气温增温不明显,这与局地的降水、云量增加,日照减少有一定关系。此外,哈密地区冬季平均气温在1980年代中后期有一次明显的突变,突变时间晚于新疆其他地区5~6年左右,表明气候突变在不同地区会有不同的表现。     

近20年中国地区云量变化趋势

利用国际卫星云气候学计划（ISCCP）最新的D2云气候资料集,给出总云量、高云量及中云量在我国地区的分布特征;分别对季节平均和年平均的时间序列进行线性趋势分析,并进行效果检验。结果表明：近20年来中国大部分地区总云量没有显著的变化趋势,但是,在华南地区和西北部分地区的总云量有增加的趋势,青藏高原中部的总云量有所减少;在不同季节,各地总云量、高云量和中云量的变化趋势是不同的。