中国东部2012年夏季降水及年代际转型的可能信号分析

针对2012年夏季中国东部降水"南旱北涝"的异常特征, 对比分析了近50年不同年代中国东部降水的分布型及海洋和环流等影响因素, 并讨论了2012年中国东部夏季降水异常作为中国东部降水年代际转型信号的可能性. 研究结果表明: 1961—1978年期间, 北太平洋年代际涛动(PDO)处于冷位相, 东亚夏季风偏强, 西太平洋副热带高压(副高)偏弱, 北方地区冷空气活动偏弱, 从而有利于南方水汽北上, 造成中国北方地区夏季降水异常偏多; 1979—1992年间则呈相反的特征, 造成1970年代末期中国东部夏季降水发生了一次年代际尺度的调整. 2010年代后期以来, PDO由暖位相向冷位向转变, 2012年北太平洋海温异常偏暖, 西太平洋海温由异常偏暖状态转变为正常略偏冷状态, 东亚夏季风由弱变强, 副高由强变弱, 北方冷系统活动减弱, 这些特征均与1961—1978年时段的情况类似, 支持2012年作为中国东部夏季降水发生年代际调整的前期信号的可能性. 近10年PDO, 东亚夏季风(EASM), 副高(WPSH)和贝湖高压(BH)四种指数夏季平均值的演变则进一步说明 了2012年的这种异常特征不仅是年际尺度的振荡, 更可能是前期演化基础上的一种量变到质变的调整. 关键词： 年代际 降水 北太平洋年代际涛动 东亚夏季风     

国家气候中心大气环流模式冬季模式误差特征分析

本文利用1982—2010年国家气候中心第二代月动力延伸预测系统中大气环流模式(BCC_AGCM)的回报资料和美国国家环境预测中心和美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料,分析了该模式对冬季气温预测的误差特征及其与外强迫的联系.结果表明模式能够在整体上较好地反映出欧亚区域冬季气温的变化趋势,能抓住东亚冬季风区气温年际变化的主要空间模态,对东亚冬季风区冬季气温具有一定的预报能力.预报误差的空间分布和时间演变特征的结果表明,误差在陆地大于海洋,高纬地区大于低纬地区,同时与海拔高度也有密切关系.预报误差的主要模态与一些关键区域的海温和海冰存在显著的相关性,表明模式对外强迫异常的响应能力存在缺陷.这为结合模式对关键区海温和海冰异常的响应能力,有针对性地改进模式对东亚冬季风区冬季气温的预测能力提供了依据.     

中国冬季区域性极端低温事件分类及其与气候指数极端性的联系

基于区域性极端低温事件客观识别技术, 对1951–2010年中国冬季的区域性极端低温事件进行客观识别. 根据事件的空间分布特征, 将综合指数前60位的事件划分为全国型、东部型、东北-华北型、华北-华南型、北方型和西北-华南型六类; 通过分析不同区域类型低温事件形成的环流背景场验证了分类的有效性. 在此基础上, 以1971年1月21日开始的典型事件为例, 分析了事件对应的海温场、高度场和风场的异常, 确定与区域性极端低温事件联系较密切的可能气候因子, 进而分析不同类型事件与各气候指数异常的对应关系. 总体而言, 赤道中东太平洋海温指数异常偏小、北太平洋涛动指数异常偏小、北极涛动指数异常偏小和冬季风异常偏强时, 发生区域性极端低温事件的概率较高; 且这四种指数的历年冬季平均值达到15%(或85%)极端阈值的年份中, 发生区域性极端低温事件的百分率分别达到80.0%, 77.8%, 60.0%和62.5%, 从而为区域性极端低温事件的诊断和预测研究等提供了一定的参考. 关键词： 区域性极端低温事件 空间分类 气候指数 极端     

20世纪90年代末东亚夏季降水年代际变化及其成因初探

基于1983—2011年月总降水量、环流和海温的再分析资料,给出了20世纪90年代末东亚夏季降水的年代际调整的区域特征,及其对应的大气环流内部过程和可能的海温外强迫的年代际变化.研究结果表明,在20世纪90年代末期东亚北部夏季降水比东亚南部夏季降水由湿向干的表现更为明显,东亚南部地区夏季降水则是在20世纪90年代初和21世纪初发生年代际的转折.此外,东亚地区夏季的500 h Pa高度场、850 h Pa风场、U200风场、水汽输送场和东亚太平洋遥相关型指数和东亚夏季风指数等在20世纪90年代末期也表现出明显的年代际变化特征.进而从大气内部过程的角度验证了20世纪90年代末东亚夏季降水发生的年代际调整.与此同时,北太平洋和西太平洋海表温度表现出由偏低向偏高的转变,这可能是导致20世纪90年代末期东亚夏季气候年代际变化的重要外部成因之一.     

季风与极涡的异常配置下中国夏季大尺度旱涝分布

从冷暖系统配置的角度,选取东亚夏季风(EASM)和7月亚洲区极涡面积(APVA),分析了二者的气候特征与中国夏季降水分布之间的关系.在此基础上,将1951—2010年EASM和APVA的异常配置分为四种类型:A:季风强、极涡大;B:季风强、极涡小;C:季风弱、极涡大;D:季风弱、极涡小.研究发现,二者的异常配置下,中国夏季大尺度旱涝分布在季尺度上表现出多面性特征:A型年,夏季整体偏旱;B型年,夏季南涝北旱;C型年,夏季北涝南旱;D型年,夏季整体偏涝.由此可见,中国夏季旱涝总体分布除了与EASM有关外还与APVA密切相关,二者异常的不同配置下,夏季降水多寡和旱涝分布表现出了显著的差异和规律性,这对夏季降水总体趋势预测有一定的指示意义.此外,通过研究不同配置关系对应大气环流异常特征,并分析不同要素在夏季风和极涡关系变化中的作用,发现不同配置类型下夏季降水表现出的差异和规律性直接取决于环流场的整体配置,其中西太副高和中高纬阻塞形势起主导作用.     

最概然温度背景下不同气候态中国夏冬季极端温度事件时空分布特征

利用1961-2009年中国逐日最高温度资料,分成1961-1990年、1971-2000年和1981-2009年三个气候态(分别称为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ态),基于偏态概率密度函数定义极端温度事件,从频次、强度两个角度研究了不同气候态下中国夏季和冬季极端温度事件的时空变化特征. 空间分布上,夏季极端高温的频次、强度在Ⅰ态黄淮、江淮流域显著减小,在Ⅲ态,干旱半干旱以及经济发达的长江沿岸、长江三角洲以及东南沿海地区显著增加;冬季极端低温频次在Ⅱ态中的北方、长江三角洲以及Ⅲ态中的高原、东北东南部、长江三角洲显著降低. 冬季极端低温强度整体呈降低趋势,但区域特征不明显. 极端温度频次和强度在空间上一致性较好;时间演化上,夏季极端高温频次、强度均在Ⅱ,Ⅲ态显著增加,冬季极端低温频次、强度降低的趋势有所减缓. 在当前气候态(Ⅲ态)夏季极端高温在经济发达地区发生比较频繁且极端性在增强;冬季极端低温的发生维持在一个稳定状态且极端性也相对比较稳定. 极端温度事件的频次与强度在时间变化趋势上存在较好的一致性. 在Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ态共同时段内,后一气候态检测出的极端高温频次均比前一气候态少,极端低温频次均比前一气候态多,这与背景温度随气候态逐渐升高是相一致的;后一气候态检测出的极端高温强度均比前一气候态小,极端低温强度均比前一气候态大. 在20世纪70年代末80年代初全球气候系统突变前,极端高温频次具有明显的下降趋势,突变后显著上升;极端低温频次在突变前后变化不明显. 极端高温强度突变前表现出轻微的下降趋势,在突变后上升趋势明显;极端低温强度在突变前后大致相当,突变后的整体强度稍低于突变前. 关键词： 极端高温 极端低温 气候态     

中国夏季大气水分循环特征及再分析资料对比分析

大气水分循环过程耦合了降水、蒸发、水汽输送等多个环节.本文利用ERA-Interim与MERRA再分析资料,研究了中国1979—2012年夏季大气水分循环的时空变化特征及其对全球气候变化的响应,并对两套再分析资料在中国地区的适用性进行了评估.结果表明:1)中国夏季降水、蒸发、可降水量均自东南沿海地区向西北内陆递减;降水与蒸发相互联系、相互制约,由于不同地区下垫面物理条件的差异,它们之间同时存在正、负反馈的影响机制,可降水量主要集中在地面至700 h Pa高度,约占总量的75%;2)近34年大气水分循环显著变化的区域主要集中在西部和东北地区,西部内陆地区可降水量显著增加,北方大部分地区纬向水汽输送通量显著减小,西北北部地区经向水汽输送通量显著增大,蒸发量与水汽输送的气候变化可能是造成可降水量增加的主要原因;3)Interim与MERRA资料对降水量时空变化特征的再现能力要优于蒸发量,此外,它们对降水与蒸发气候变化趋势的模拟结果差别较大,使用时应该慎重;两套资料对可降水量与水汽输送通量的时空变化特征以及气候变化趋势的模拟比较一致,可信度较高;4)Interim资料对西南、东南以及东北区域夏季水循环均有较好的描述能力;而MERRA资料更适用于研究西南和西北区域的水汽收支情况.     

p型未掺杂富锌ZnO薄膜的形成和性能研究

以高纯ZnO为靶材,氩气为溅射气体,利用射频磁控溅射技术在石英衬底上生长出纤锌矿结构的富锌ZnO薄膜.薄膜沿(002)择优取向生长,厚约为1.2μm,呈现电绝缘特性.将溅射的ZnO薄膜在10-3Pa,510~1 000 K的温度范围等温退火1 h,室温Hall测量结果表明ZnO薄膜的导电性能经历了由绝缘—n型—p型—n型半导体的变化.XPS测试表明ZnO薄膜的Zn/O离子比随退火温度的升高而降低,但一直是富锌ZnO,说明未掺杂的富锌ZnO也可以形成p型导电.p型未掺杂富锌ZnO薄膜的形成可归因于VZn受主浓度可以克服VO和Zni本征施主的补偿效应.     

北京市城区细粒子中铂族元素的污染特征和季节变化分析

选取北京市城区的东直门和健德门站为采样点,选取2014年夏季,秋季,冬季为采样时间,研究北京市城区大气细粒子(PM2.5)中铂族元素(PGEs)的污染特征和季节变化。采用微波消解-电感耦合等离子体质谱仪法(ICP-MS)对Pd,Pt和Rh进行浓度的定量分析。研究结果表明,北京城区PM2.5中Pd,Pt和Rh的平均浓度分别为:134.3,8.478,8.443pg·m-3。PGEs的质量浓度在不同季节差别较大,Rh和Pd的季节变化特征一致,均为冬季秋季夏季,而Pt的季节变化特征则为秋季夏季冬季。富集因子分析间接表明装有三元催化转化器的机动车尾气是铂族元素污染的来源。相比于世界其他城市,北京市的Pd和Rh在可吸入颗粒物中的平均浓度是比较高的,而Pt则低于多数城市且比指导值低很多,暂时不会对人体造成影响;然而可以预测随着北京汽车工业的快速发展,细粒子中PGEs的含量会持续增加。     

合肥2013年8月-2014年7月NO2对流层柱浓度分析及与卫星对比

基于地基MAX-DOAS在2013年8月-2014年7月对合肥对流层NO2垂直柱浓度(VCD)进行了观测,研究了其季节均值和月均值变化特征,结果表明合肥地区对流层NO2 VCD季节均值变化较大,冬季最大,夏季最小,其中冬季季节均值高达2.09×1016 mol·c m-2,为夏季的2.2倍. 对不同季节的平均日变化的分析表明,NO2 VCD日变化季节差异显著并在下午达到差异最大值. 将地基MAX-DOAS观测结果和OMI观测结果进行了对比,两者具有较好的一致性,其中在无云天气下两者的相关系数为0.88. 通过卫星观测获取了合肥以及周边地区的NO2 VCD季节均值,分析表明合肥地区的NO2主要以本地积累为主,外来输送贡献较小.     

一个谱元大气临近空间分辨模式

发展了一个可分辨大气临近空间且采用谱元数值计算技术的大气数值模式SEMANS(Spectral Element Model with Atmospheric Near Space resolved),并对模式模拟能力进行检验.数值模式采用立方体球面投影坐标,每个投影面分解为81个局地元,在元内利用8次Gauss-Lobatto-Legendre插值多项式对变量进行谱离散;模式大气在铅直方向分为66层,大气顶气压取为4.5×10^-6 hPa.进行了10年积分试验,利用ECMWF(European Center for Medium-Range Weather Forecasts)ERA-Interim再分析数据集和COSPAR(Committee on Space Research)国际参考大气1986对SEMANS模拟结果进行初步检验.结果表明,模式模拟出30 hPa等压面上北半球纬向2波特征及南半球纬向1波特征;模式能模拟出100 hPa和0.001 hPa等压面附近的低温区及1 hPa等压面附近和0.0001 hPa等压面高度之上的高温区;模式还模拟出0.001 hPa等压面高度以下1月及7月纬向平均纬向风随高度分布的主要特征.     

黄土高原中部秋季干湿的年际和年代际环流异常特征及与海温的多尺度相关性研究

黄土高原地区作为气候敏感区和生态脆弱区地表干 湿状况的年际和年代际变化特征十分明显. 但以往主要是针对夏季进行分析, 而对黄土高原秋季干湿变化规律及大气环流机理的认识非常有限. 本文基于中国589站最近50 a (1961–2010年)月降水和气温月平均资料、NCEP/NCAR提供的再分析资料以及NOAA提供的海表温度(Sea Surface Temperature, SST) 资料, 运用带通/低通滤波、小波分析、EOF/REOF和回归分析等方法, 在对中国秋季干湿时空演化分类的基础上, 通过研究秋季黄土高原中部干湿演变周期、大气环流特征及与海温的多尺度相关关系, 以揭示影响黄土高原中部秋季干湿变化的物理机理, 并确定影响该区域干湿状况的前兆信号. 小波功率谱分析表明, 黄土高原中部秋季干湿指数存在准4 a和准8 a的周期, 1970–1990年准8 a尺度周期振荡尤为明显. 年际(周期≤ 8 a) 尺度上偏湿年的大气环流特征是, 欧亚大陆中高纬呈“双阻型”, 200 hPa西风急流显著北移, 日本海-鄂霍茨克海受反气旋控制, 其底部的偏东水汽输送带将水汽输入研究区. 年代际(周期 > 8 a)尺度上偏湿年的大气环流特征是, 东亚大陆为一致的低值系统; 200 hPa东亚副热带西风急流减弱北移, 研究区主要水汽来源由经孟加拉湾在中南半岛转向的南风水汽输送及中纬度的西风水汽输送组成. 整个序列上, Nino3区SST指数(Nino3I)超前5个月与秋季干湿指数已呈显著的负相关关系, 而孟加拉湾–中国南海SST指数(BayI)则超前3个月与干湿指数呈现显著的负相关关系. 年际尺度上, 秋季Nino3I, BayI均与秋季干湿指数存在显著相关(准4 a, 4–6 a), 而年代际尺度上, 只有BayI与秋季干湿指数存在显著相关性(准10 a). 黄土高原中部秋季干湿的年际和年代际周期的确定、大气环流异常特征的认识及与海温的多尺度相关关系的建立, 不仅揭示了影响该区域干湿变化的物理机理, 也为干旱气候预测提供了重要的前兆信号. 关键词： 黄土高原中部 干湿特征 海表温度 小波分析     

Mechanisms of coupling of aeroelectric and temperature fields in the lower atmosphere

Based on synchronous observations of the aeroelectric field and the air temperature, performed in August–October 2002 and June–September 2003 at the measuring facility of the mid-latitude geophysical observatory “Borok” (Yaroslavsl’ Region, Russia), we conclude that correlative relations exist between the aeroelectric-field intensity E and the air temperature T in the atmospheric surface layer. We reveal positive correlation between the temperature and electric-field variations under conditions of unstable stratification (late morning-day) and negative correlation under stable stratification (late evening-night). A simultaneous increase in the amplitude of pulsations of the electric field and the temperature occurs most frequently near the local midday. Intense variations in the electric field correspond to variations in the temperature field with a close time period. A positive temporal shift of variations in E with respect to variations in T, which reaches 40 min, is observed during enhanced temperature activity. The structure-temporal analysis of experimental data from remote sensing of the temperature and electric-field variations at five points is performed. We find simultaneous aeroelectric and temperature coherent structures accompanied by short-period pulsations of the field intensity and the air temperature in the atmospheric surface layer. We discuss possible mechanisms of coupling of the aeroelectric-field intensity and the atmospheric air temperature to describe their positive correlation under conditions of unstable stratification (late morning-day) and negative correlation in the late evening and at night. Enhancement of electric activity, which is stipulated by the intensification of turbulent convection and the formation of aeroelectric structures, seems the most significant process. With allowance for nonlocality of the electric field, this process can in particular explain a substantial lead of the aeroelectric-field perturbations compared with the correlated positive temperature perturbations. In this case, the formation of warm “quasi-front,” which is accompanied by the lifting of the near-surface air abundant in moisture and charged particles to the higher atmospheric layers, can play an important role. Other mechanisms of the field-temperature coupling take into account a decrease in the conductivity of near-surface air due to the condensation of water vapor during its cooling, as well as an increase in the mobility of light ions with increasing air temperature. __________ Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 49, No. 1, pp. 35–52, January 2006.     

Interaction between coherent structures and surface temperature and its effect on ground heat flux in an unstably stratified boundary layer

Surface layer plumes, thermals, downdrafts and roll vortices are the most prominent coherent structures in an unstably stratified boundary layer. They contribute most of the temperature and vertical velocity variance, and their time scales increase with height. The effects of these multi-scale structures (surface layer plumes scale with surface layer depth, thermals scale with boundary layer height and the resulting roll vortices scale with convective time scale) on the surface temperature and ground heat flux were studied using turbulence measurements throughout the atmospheric boundary layer and the surface temperature measurements from an infrared camera. Plumes and thermals imprint on the surface temperature as warm structures and downdrafts imprint as cold structures. The air temperature trace shows a ramp-like pattern, with small ramps overlaid on a large ramp very close to the surface; on the other hand, surface temperature gradually increases and decreases. Turbulent heat flux and ground heat flux show similar patterns, with the former lagging the latter. The maximum values of turbulent heat flux and ground heat flux are 4 and 1.2 times the respective mean values during the ejection event. Surface temperature fluctuations follow a similar power-law exponent relationship with stability as suggested by surface layer similarity theory.     

西藏地区近地晴天大气电场气象效应和时间变化研究

基于西藏羊八井宇宙线观测站在2006年3月至2011年6月期间记录的近地大气电场数据, 分析研究了该地区近地晴天大气电场气象效应和时间变化特征. 气象效应分析结果显示, 该地区近地晴天大气电场与三个气象参量(大气压强、温度和相对湿度)的长时间变化趋势基本一致, 并有明显的季节效应. 冬春季, 大气电场强度整体水平相对较低, 约为0.14 kV/m; 夏秋季, 电场强度水平相对较高, 为0.18 kV/m左右. 近地晴天大气电场强度与大气温度间的线性相关性最强, 拟合相关系数达到0.89; 与大气压强和相对湿度间的线性相关性相对较弱, 拟合相关系数依次为0.43和0.53. 傅里叶分析结果表明: 晴天大气电场时间变化受太阳日周期、半太阳日周期及其三、四次谐波分量调制作用, 调制强度依次减弱. 西藏地区近地晴天大气电场日变化特征呈大陆简单型, 即双峰双谷. 主、次峰谷分别出现在白天和夜间, 主峰谷出现的早晚因季节不同略有差异, 次峰谷出现的早晚因季节不同差异相对较大.     

Variability of planetary-scale waves at mid-latitudes in the course of strat-warmings during DYANA

Summary This work investigates the variability of planetary-scale waves from motion field observations in the middle atmosphere carried out at the Budrio radar station near Bologna (45°N; 12°E) in the 1989–1990 winter during DYANA (DYnamics Adapted Network for the Atmosphere). Meso-thermospheric zonal winds associated with long-period waves give evidence of significant energy input from below mainly in the course of the two strat-warmings recorded at the end of January and in mid February 1990. Amplification of 10-day waves in the upper mesosphere and lower thermosphere just a few days before the temperature peak at the 10hPa stratospheric level, and the effects induced by these waves on tidal and mean fields, are here taken into account to clarify the influence and the evolution of strat-warmings in the middle atmosphere. Nonlinear mixing processes between planetary and tidal oscillations are indicated to be responsible for the short-term variability pointed out in the amplitude variations of tides.     

On the quality of the Nimbus 7 LIMS version 6 ozone for studies of the middle atmosphere

The Nimbus 7 Limb Infrared Monitor of the Stratosphere (LIMS) radiance profile dataset of 1978/79 was reconditioned and reprocessed to Version 6 (V6) profiles of temperature and species that are improved significantly over those from Version 5 (V5). The LIMS V6 dataset was archived for public use in 2002. Improvements for its ozone include: (1) a more accurate accounting for instrument and spacecraft motion effects in the radiances, (2) the use of better spectroscopic line parameters for its ozone forward model, (3) retrievals of all its scans, (4) more accurate and compatible temperature versus pressure profiles (or T(p)) that are needed for the registration of the ozone radiances and for the removal of temperature effects from them, and (5) a better accounting for interfering species in the lower stratosphere. The retrieved V6 ozone profiles extend from near cloud top altitudes to about 80 km and from 64S to 84N latitude with better sampling along the orbit than for the V5 dataset. Calculated estimates of the single-profile precision and accuracy are provided; precision estimates based on the data themselves are of order 3% or better from 1 to 30 hPa. Estimates of total systematic error are hard to generalize because the separate sources of error may not all be of the same sign, and they depend somewhat on the atmospheric state. It is estimated that the accuracy of the V6 zonal mean ozone distribution is within ±9% from 50-10 hPa, improving to ±7% in the uppermost stratosphere. Simulation studies show that the LIMS T(p) retrievals are underestimating slightly the small amplitudes of the atmospheric temperature tides, which affect the retrieved day/night ozone differences. There are also small biases in the middle to lower stratosphere for the ascending versus descending node LIMS ozone, due principally to not accounting for the asymmetric weighting of its radiance within the tangent layer. The total accuracy for the LIMS ozone was assessed by comparing its daily zonal mean, daytime distributions against those from the Nimbus 7 SBUV Version 8 (V8) dataset for the same period. The LIMS V6 ozone agrees well with SBUV, except between 2 and 5 hPa where the LIMS ozone is greater. That bias is related to the differing vertical resolutions and forward models for the two experiments. The accuracy for LIMS V6 ozone in the lower stratosphere is improved over that reported for V5, as indicated by a small set of V6 comparisons with ECC ozonesonde profiles. Comparisons of diurnal, photochemical model calculations with the monthly-averaged, upper stratospheric ozone obtained with LIMS V6 indicate only a slight ozone deficit for the model at about 2 hPa. However, that deficit exhibits little to no seasonal variation and is in good agreement with similar model comparisons for a seasonal time series of ozone obtained with ground-based microwave instruments. Because the LIMS V6 ozone has improved accuracy and sampling versus that of V5 for the lower stratosphere it should now be possible to conduct quantitative studies of ozone transport and chemistry for the northern hemisphere, polar winter/spring of 1978/79—a time period when the catalytic loss of ozone due to reactive chlorine should not have been a major factor for the Arctic stratosphere.     

东亚地区大气环流的季节划分及其时空变化特征

利用NCEP-DOE Reanalysis 2 1979-2009年位势高度场、温度场、湿度场和风场逐日再分析资料,采用考虑面积权重的区域多要素最优分割法,对东亚地区大气环流的季节进行划分,并分析了四季起始时间的时空变化特征.研究结果表明:1)东亚地区春季最早始于中高纬地区的平流层和副热带的对流层中下层;夏季最早始于中高纬的平流层和副热带、中纬度地区的对流层中上层;秋、冬季开始最早的地区集中在东亚地区东部和东北部的对流层中低层,以及中高纬的平流层. 2)季节变化与环流形势密切相关,且对流层各个层次的夏季和冬季起始时间的分布均有较好的垂直一致性,平流层与对流层各季节起始时间分布有较大的差异性,平流层中层和下层也并不一致. 3)华北地区四季平均起始时间距平序列的逐年演变特征表明近30年该地区出现了6个四季起始时间异常偏早的年份,与El Niño活跃年份相一致,反映了海温等外强迫对大气环流季节变化的影响. 关键词： 季节划分 东亚地区 区域多要素最优分割法