冬季大气遥相关和海温关键区的复杂网络性质

基于大气遥相关指数和海表温度关键区,以各关键区高度场平均值和海表温度关键区平均值之间的相关系数作为连边条件,建立体现大气遥相关和海表温度关键区相互作用的关联网络,进而给出了大气和海洋关键区相互作用的空间图像.同时基于网络的结构特征量,研究了该网络的基本性质,给出了关键区中的网络关键节点,并分析了关键节点对网络性质的影响.研究结果表明:大气遥相关和海温关键区关联网络具有一定的小世界性质,即网络具有小的平均路径长度和较大的集群系数;网络的平均路径长度在阈值为0.1—0.4时系统基本保持稳定,即网络的性质保持不变,进而证明了以信度为0.01下的相关系数0.19作为连边阈值的有效性.对于网络中的单个节点网络特征分析发现,东亚-太平洋遥相关1区和2区以及太平洋-北美遥相关1区和4区在网络中具有较大的节点度,即大气中这4个区域在大气遥相关和海表温度关键区中作用较强;北太平洋涛动区域1,东亚-太平洋遥相关区域3的节点度则相对最小,即这个区域在大气遥相关和海表温度关键区相互作用中的影响较小.通过依次去除网络中度大的节点进一步证明了网络具有一定的鲁棒性.该研究对于重点把握遥相关和海温的一些重要区域具有一定指示意义,也从另一角度提供了研究海气相互作用新方法.     

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     

基于贝叶斯理论的全球海温异常对500 hPa 温度场的影响分析

本文利用经验正交函数(EOF) 将海表温度(SST) 距平场进行分解, 得到一组相互正交的模态构成重构空间, 然后在该空间中展开500 hPa温度场, 进一步借助贝叶斯分析方法定义各个模态对温度场的影响指数, 并研究指数随不同海温分布型(模态) 的变化特征. 结果发现SST场在4-6月份对500 hPa温度场的影响较大, 且气候发生转变后, 不同海温分布型对温度场的影响不同.     

黑潮及其延伸区海表温度变化特征与大气环流相关性的初步分析

为了研究黑潮海表温度的时间变化特征, 以预测黑潮海表温度变化趋势, 本文利用哈德莱中心1941-2009年海表温度 资料定义了一个黑潮温度指数KI, 来表征吐噶喇海峡以东黑潮及其延伸区的海温变化. 由小波分析得到, KI具有准3、 7年的年际振荡特征和准20年的年代际变化特征, 此外KI还具有明显的季节锁相特征. KI与太平洋年代际振荡(PDO)及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)有很好的滞后相关性. 通过美国国家环境预报中心/大气研究中心再分析资料合成分析发现KI为正异常时, 赤道东太平洋海温异常变暖(即厄尔尼诺发生), 哈德莱环流加强, 使得西风动量的输 送增强, 造成阿留申低压加深(PDO为暖相), 进而冷却黑潮延伸区的海表温度并使黑潮延伸区向东延伸, 这一"ENSO-PDO-黑潮海温变化"的过程具有滞后性, 从而使得ENSO指数、PDO指数可以作为黑潮温度变化的前兆因子, 对于预测黑潮海温变化及周边气候均具有一定的意义.     

热带对流活动日变化的模拟研究

利用一个云分辨与海洋的耦合模式,模拟研究了热带对流活动的日变化.通过对模拟结果的分析,揭示了热带地区不同海温日变化条件下,对流活动的云物理特征.利用热带海洋与全球大气响应观测实验（TOGA COARE）的观测资料作为模式的初始与边界场,来驱动耦合模式.对热带海表温度按照其日变化幅度的大小进行了分类,分为强、弱海表温度日变化两种类型,并在此基础上进行了合成分析.结果表明：1）在弱的海表温度日变化下,云中的云冰含量大于云水含量,说明云中以层状云为主;而在强的海温日变化下,云中的云水含量大于云冰含量,说明云中以 关键词： 热带对流日变化 地面降水率 云冰含量 云水含量     

基于Argo资料和混合层模式的淡水通量产品重构

海表淡水通量对于了解和模拟海洋大气过程具有重要作用,然而不同淡水通量的定量估计差别较大.基于混合层盐度平衡模式,利用Argo资料和OSCAR(海洋表面流实时分析场)流场相结合重构了2002-2008年逐周海表淡水通量产品.通过将重构产品与其他卫星产品和TAO(热带大气海洋观测网)观测进行对比分析表明,重构的淡水通量产品不仅能抓住其季节性信号,而且能够体现淡水通量的高频特征.该逐周淡水通量产品对海洋气候变化研究具有重要作用.     

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.     

东亚区域大气长程相关性

运用去趋势涨落分析方法分别研究NCEP/NCAR再分析资料中的高度场和温度场,揭示了东亚区域高度场和温度场的标度指数分布特征.结果表明高度场和温度场都具有长程相关性,且二者空间分布特征总体匹配.对同一层格点资料而言,低纬度地区标度指数较大,长程相关性较好;中高纬度地区标度指数较小,长程相关性较差,呈现比较明显的纬向分布特征.不同层格点资料的标度指数分布有所区别,具体表现为高度场资料随层数的增加,其平均标度指数值呈增长趋势且纬向分布特征更为明显;在高度场中下层青藏高原地区标度指数明显大于同纬度其他区域.温度场资料随层数的增加平均标度指数先减小再增大,也具有一定的纬向分布特征.总体而言,高度场长程相关性的标度指数值要高于温度场.分季节研究表明,高度场和温度场也具有较好的长程相关性,冬季标度指数高于其他季节,为利用冬季信息制作夏季汛期预报提供了一定的理论依据. 关键词： 高度场 温度场 长程相关性 去趋势涨落分析     

多波长激光雷达探测多种天气气溶胶光学特性与分析

设计和构建了波长为355,532和1064nm的多波长米散射激光雷达系统,并研究了多波长激光雷达信号数据处理和反演算法,实现了对地表气溶胶的探测;利用该激光雷达对2013年冬季西安市上空大气进行了探测,研究分析了雾霾天、晴天和有云天气的混合层高度、气溶胶消光特征和粒径分布特征.分析比较了不同波长探测到的混合层高度变化情况.在雾霾天,大气混合层高度与晴天和有云天相比明显偏低,在0.4 km附近,而晴天的混合层高度有0.5—0.8 km.利用长波(1064 nm/532 nm)段和短波(532 nm/355 nm)段两个ngstrm指数分析了不同天气情况下的粒径分布特征.对于近地层气溶胶,雾霾天的长波ngstrm(1064/532)指数小于短波ngstrm(532/355)指数,而晴天与之相反,说明在近地层雾霾有污染的大气中,存在有较多的粗粒子.在云层中,ngstrm指数明显减小,并且出现负值,说明云粒子半径比较大.     

1—30d尺度温度关联网动力学统计性质研究

利用美国国家环境预报中心再分析资料中的温度资料,从低频和高频振荡等多种尺度构建温度关联网络,并分析其动力学统计性质及转换条件.研究表明：1和30d尺度下温度关联网络分别属于小世界网络和类全局耦合网络.温度关联网络在两种类型之间转化的时间尺度条件为11—12d.1d尺度节点的连边数南北半球呈准对称分布,赤道附近的低纬度地区存在三个连边数较大的区域：热带印度洋海域、赤道东太平洋海域和赤道东大西洋海域.海陆气候子系统的关联性差异导致30d尺度温度关联网络中陆地节点的联边数较少,节点之间的关联性相对海洋要差许多. 关键词： 多尺度 小世界网络 全局耦合网络 关联阈值     

有界大洋对纬向风强迫的响应及共振

为揭示北太平洋主、次要气候模态即太平洋年代际振荡(PDO)和北太平洋流涡振荡(NPGO)的形成机理及其振荡周期与大洋水平尺度之间的联系,采用中纬β通道中的约化重力准平衡线性大洋模型,解析求解了纬向风强迫下的大洋流场响应,讨论了其中的共振问题.1)有界大洋的响应形态分别类似于冬季PDO和NPGO的流场模.2)响应形态分别表现为在大洋西海岸以东,前者有一个椭圆状流涡,后者有南北两个旋转方向相反的流涡并构成流涡偶;在整个大洋,前者有一个洋盆尺度环流,后者在大洋南北分别有两个旋转方向相反的洋盆尺度环流;在中纬度西风急流异常位置偏北和偏南,则能分别强迫出以上的两种情况.3)大洋流场对纬向风场强迫的响应频率(周期)与纬向风强迫频率(周期)相同,但大洋响应要滞后于纬向风的强迫;而响应流场即流函数的强度则与纬向风强迫的大小成正比.当纬向风强迫频率(周期)与该大洋固有频率(周期)相同时,二者会有共振发生,此时大洋响应最为强烈;而二者频率(周期)相差较远时,响应则不大.摩擦越小共振就越强,共振的个数也越多.有界大洋东西向的长度对其固有频率(周期)即共振频率(周期)有明显影响,并起着决定作用;当该长度减小时,相邻两个共振周期的间隔会增大.海洋大气间的两两非线性相互作用,使得随机风场的振荡包含了从极低频到高频的各种成分;通过该共振,可从中挑选出与大洋固有频率相同或相近的共振频率,在该频率上流场对风场的响应最为强烈,从而也就锁定了PDO和NPGO的周期.最终结论为:非线性相互作用、风场对流场的强迫、共振是造成PDO和NPGO的三个关键因子;该解析解的性质为时变的共振Rossby波.     

On the excitation of the ionosphere by high-power radio waves in the geomagnetic equator region

We consider the features of the modification of the equatorial ionosphere by high-power radiowaves. A possibility for creating strong (compared to mid-latitude) quasi-periodic ionospheric F-layer irregularities, formed by the field of the high-power standing wave, producing artificial bubbles, and influencing the natural equatorial “bubbles” is discussed. The peculiarities of exciting the striction and thermal parametric instabilities in the equatorial ionosphere are considered. The problem of the modulation of the equatorial current jet is briefly discussed. Radiophysical Research Institute, Nizhny Novgorod, Russia; Swedish Institute of Space Physics, Uppsala Division, Uppsala, Sweden. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 40, Nos. 1–2, pp. 250–262, January–February, 1997.     

Dryland hydrology in a warmer world: Lessons from the Last Glacial period

It has long been recognized that the tropics were drier and mid-latitude deserts wetter during the Last Glacial Maximum (LGM). Until now there has not been a single, unifying explanation for this pattern. Recently, Held and Soden [34] suggested that ongoing global warming will cause the Earth’s drylands to become progressively drier and its tropics to become progressively wetter. Because no suitable “warm world” analogue is available in the paleoclimate record, the best available test of Held and Soden’s proposal is to look at records from the last glacial period in which drylands should have been wetter and the tropics drier. Our survey of the recent paleolake literature confirms that closed basin lakes located in the poleward limits (∼40°) of the drylands in both hemispheres were far larger during the Last Glacial Maximum and parts of the tropics appear to have been less wet. While these observations are consistent with Held’s prediction, evidence from the sub-tropical drylands (15 to 25°) is more complex. As with high-latitude drylands, lakes in subtropical drylands of South America and probably the Kalahari Desert were larger than present during the LGM. By contrast, lakes in the sub-tropical Sahara and Arabian Deserts of the northern hemisphere were largest in the early Holocene, but also apparently larger than today in the early LGM. What paleolake records show are that 1) a strong hemispheric symmetry in lake response occurred during the LGM, 2) a difference in response occurred during the latest-glacial, and 3) lake expansions occurred in response to shifts in the thermal equator related to Heinrich Events and insolation variation as well as to colder temperatures.     

Variations of the multiple scattering contribution to the transmitted acoustic radiation intensity

A problem of acoustic radiation propagation through a 500-m layer of the plane-stratified turbulent atmosphere is solved by the Monte Carlo method. Quantitative estimates of variations of the multiple scattering contribution to the transmitted radiation intensity are presented. Calculations were performed for mid-latitude regional models of the atmosphere in winter and summer in clear and cloudy days for a point-sized omnidirectional source placed at altitudes H_s = 5–35 m above the Earth’s surface. Results of calculations for sound frequencies in range F = 500–4000 Hz with a step of 500 Hz and for outer scale of turbulence L₀ = 1–5 m with a step of 1 m and 10–100 m with a step of 10 m demonstrate significant regional and seasonal variability of the multiple scattering contribution. __________ Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Fizika, No. 10, pp. 86–90, October, 2007.     

Upwelling induced by periodic wind stress

Summary In this paper we exhibit analytical solutions for the upwelling and the coastal currents induced by periodic wind stress. We present solutions for an infinite deep ocean and for a shallow ocean. There is upwelling only when the period of the forcing is longer than the inertial period,i.e. f>ω. When the period of the forcing is shorter than the inertial period,i.e. f<ω, there is not upwelling, but propagating waves are excited. Paper presented at the IV Congresso del Gruppo Nazionale per la Fisica dell'Atmosfera e dell'Oceano, June 22–24, 1987, Rome     

Comparison of the variations in the intensity of global electromagnetic resonance and ground surface temperature

We compare the dynamics of the intensity of the global electromagnetic (Schumann) resonance monitored in Japan with the global ground surface temperature (GST) over the period from November 1998 to May 2002. It is shown that the Schumann resonance (SR) intensity varies coherently with the ground surface temperature at mid-latitudes: the relevant cross-correlation coefficient exceeds 0.8. The linear correlation of data decreases with a decreasing latitude interval. We applied the principal component analysis (PCA) to distinguish inter-annual trends (anomalies) in the records from the periodic annual and semi-annual variations. The annual component of the SR intensity behaves similarly to the mid-latitude GST, while the inter-annual variations in the electromagnetic data are similar to those of the GST in the tropics. The regression analysis allowed us to obtain the analytical expressions relating the SR intensity with both the mid-latitude and low-latitude GST. Application of these equations allowed us to retrieve the observed SR pattern from the ground surface temperature and to “reconstruct” the variations in the tropical GST from recorded SR intensity. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 51, No. 12, pp. 1035–1050, December 2008.     

Destruction of the ozone layer as a result of a meteoroid falling into the ocean

The falling of a large celestial body into the ocean causes a large number of compounds (for example, HCl, Cl, Br, Na, H₂O, OH, and NO) that destroy ozone molecules directly or indirectly to be ejected to stratospheric altitudes. The bleaching of the atmosphere in the UV range as a result of such ozone destruction creates negative feedback that restores the ozone. The characteristic time for such restoration in the stratosphere decreases sharply with altitude, ranging from several months at 30 km to several days at 20 km. Pis’ma Zh. éksp. Teor. Fiz. 70, No. 5, 360–366 (10 September 1999)     

Investigation of excited-state proton transfer in 3-hydroxyflavone molecules

The dual fluorescence spectra of 3-hydroxyflavone molecules excited by electromagnetic radiation in the region of the S ₁ and S ₂ absorption bands in the temperature region of 20–80°C are studied using the dynamic quenching of the excited state. An analysis of the fluorescence parameters shows that heating the solution from room temperature to 60°C increases the proton transfer rate by a factor of 1.24 in the case of standard excitation into the main absorption band and even stronger (by a factor of 6.9) in the case of excitation into the second absorption band. The presence of a quencher reduces the yield of the two emission bands and noticeably increases the proton transfer rate, by a factor of 1.16 at room temperature and by a factor of 1.25 at 80°C. Upon excitation into the second singlet band, the transfer rate increases even more (especially at higher temperatures), by a factors of 1.24 and 3.5 for the same temperatures. The temperature dependences of the transfer rate constant allowed us to estimate the activation energies of the proton transfer reaction under different physical conditions and reach conclusions about the mechanism by which this reaction proceeds. It is found that the proton transfer activation energy decreases from 500 to 360 cm⁻¹ when measured in temperature ranges of 20–40 and 20–60°C. The introduction of a quencher with a concentration of 5 × 10⁻³ M increases the activation barrier to 534 and 471 cm⁻¹ in the same temperature ranges.