基于非线性相似度量方法研究中国季节划分

利用中国气象局1961—2008年752个站点的候平均气温、气压、相对湿度和降水量资料,运用候平均气温划分方法、非线性相似度量方法和季节内离差最优分割方法,对中国的四季进行了划分,并研究了中国四季起始时间的空间分布.用多要素构造了描述气候状态的变量,以气候状态在不同季节间的转折变化为切入点,并与传统季节划分方法进行了对比研究,验证了非线性相似度量方法的可行性,得到了以下研究结果:一是多要素比单一的温度要素更全面贴切地描述气候状态的变化,划分结果更体现出大气环流形势和大气活动中心等的季节变化;二是从气候状态转折角度考虑季节划分是可行的,揭示了季节转换时大气系统的调整和转折变化,体现了大气系统在季节内保持相对平稳的特征,在季节间发生较大的调整的观测事实. 关键词： 季节划分 非线性相似度量方法 季节内离差最优分割法     

近48年中国的季节变化与极端温度事件的联系

利用中国1961—2008年752个站点逐日温度、气压、相对湿度和降水量资料,采用非线性相似度量方法对中国四季进行了划分,对比分析了中国的8个区域与全国整体的季节变化.此外,研究了中国极端温度频次的年际变化,并通过相关分析和敏感性试验探讨了中国近48年四季变化与极端温度事件的联系.结果表明:1)随着全球变暖中国大部分地区春、夏季起始时间提前,持续时间延长;秋季起始时间变化不大,但持续时间延长;冬季起始时间推后,持续时间显著缩短.2)随着夏季延长,除华东以外中国大部分地区极端高温频次增加;随着冬季缩短,中国 关键词： 非线性相似度量方法 季节变化 极端温度     

基于地基高分辨率太阳吸收光谱观测大气中硝酸的时空分布

利用高分辨率傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术探测合肥地区大气硝酸(HNO_3)的浓度,基于最优估算法由中红外太阳吸收光谱反演出HNO_3的垂直廓线和柱总量。获得了2017年大气HNO_3的垂直廓线和柱总量的时间序列,分析了HNO_3的季节变化、浓度探测敏感性高度、反演平均核和自由度等特征。不同季节大气HNO_3的垂直廓线表明,HNO_3在20～30km的大气平流层浓度较高,在对流层浓度较低。HNO_3的柱浓度显示出明显的季节变化,春季出现最大值,冬季出现最小值,季节变化幅值为9.82×10~(15) molecule/cm~2。为了对地基FTIR的观测进行比对,选取Aura MLS卫星数据产品与地基测量数据进行比对。比对结果表明,地基遥感观测与卫星数据显示出的季节变化一致;尽管卫星偏柱量整体小于地基遥感的柱总量,但两者的相关系数为0.83,表明两者具有较好的一致性。地基观测结果验证了地基FTIR技术观测大气中HNO_3时空分布的可靠性和准确性。     

南极DomeA冰盖的科研价值

 DomeA冰盖,是南极冰盖的最高处,海拔4100～4300m,是承载着地球历史的信息库,也是各国科学家南极考察的一个研究热点。为什么DomeA冰盖中能反映丰富的历史信息呢?它又是如何形成的呢?DomeA冰盖研究具有哪些科学价值呢?大气壳层结构是形成大气环流的物质基础我们知道地球大气层自下而上可以分为5个壳层,即对流层、平流层、中间层、热成层、与散逸层。其中对流层和平流层对DomeA冰盖中丰富信息形成起着决定性的作用。对流层在温带地区高度约10～12km;赤道处约16～18km;两极约8～9km。     

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.     

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.     

对流层顶高对拉萨地区温室气体柱浓度反演的影响

对流层顶作为对流层和平流层之间的过渡层,对大气痕量气体浓度反演有非常重要的影响.理论分析对流层顶高对大气分子含量垂直分布的影响,并结合2018年8月(6—16日)拉萨观测数据,定量分析对流层顶高的变化对气体柱-平均摩尔分数Xgas反演的影响.结果表明:对流层顶高的变化改变气体分子的垂直分布,XCO_2, XCH_4与对流层顶高度变化呈正相关,相关系数分别为0.998和0.780; XCO与对流层顶高度变化呈负相关,相关系数为0.994;而XH_2O与对流层顶高度变化的相关性非常小.对流层顶高变化3 km, XCO_2,XCH_4及XCO误差范围在8.640%, 0.035%及0.049%以内.观测期间, XH_2O, XCO_2, XCH_4及XCO日平均值分别在3432—4287, 406.1～408.2, 1.673—1.720及0.082—0.095 ppmv之间变化.观测数据显示,该地区CO_2, CH_4气体柱-平均摩尔分数日变化趋势相似, XCO_2与XCH_4的相关系数大部分高于0.5.观测结果可为我国研究高原温带地区温室气体浓度的时空分布及其变化规律提供参考和第一手的直接观测数据.     

大气中水汽柱浓度的直射太阳光红外吸收光谱遥测研究EI北大核心CSCD

研制了一种地基傅里叶变换红外光谱遥测系统,自动记录了晴天的太阳近红外吸收光谱,从该光谱中实时获得了整层大气透射率,进而采用最优化方法从该透射率中反演出了测量站点地区大气中2011年10月17日到2013年3月6日期间的整层水汽柱浓度含量。由该地基遥感技术获得的高时间分辨率整层水汽柱浓度与太阳辐射计的测量结果相比较,两者具有较好的一致性,相关系数达92%。测量站点地区的水汽柱浓度日变化很大并且没有明显周期性,日变化的复杂特征与多种因素有关。由于大气环流、季节温度变化等因素影响,测量站点地区水汽柱浓度呈现出明显季节周期特征,夏季明显高于冬季。这些结果对于水汽探测和分析方法的研究应用具有重要意义。     

东亚北部地区气温的冬季-冬季再现特征研究

对东亚北部(40—50°N,100—130°E)区域1953—2012年大气温度的冬季-夏季-次年冬季(简称冬季-冬季)的季节变化特征进行了初步研究.结果表明:2008年以来,该区域的气温从低层至高层(1000—400 h Pa)连续三年出现冬季偏冷-夏季偏暖-次年冬季偏冷的典型特征,20世纪50—60年代亦有类似情况;而20世纪90年代则出现了与此相反的冬季偏暖-夏季偏冷-次年冬季偏暖的变化特征.将这种典型的气温季节变化特征定义为一种新的变化机理:冬季-冬季再现(WWR).根据1953—2012年的历年变化情况将这60年划分为四种不同的类型:负(正)冬季-冬季再现(negative/positive WWR)型和负(正)冬季-冬季非再现(negative/positive non-WWR)型.其中,气温表现为WWR型的年份共计23年,出现概率近40%,并且该WWR特征是相对独立于El Nio-南方涛动指数的变化而存在的.对不同类型年份的位势高度场、垂直速度场及其850 h Pa风场进行的合成分析表明:对于WWR型,高层(500 h Pa)至低层(1000 h Pa)的大气内部动力过程具有与气温相匹配的冬季-冬季的再现特征;而non-WWR型则没有出现类似的特征,从而在一定程度验证了WWR存在的可能性.WWR的提出为进一步开展当前全球增暖背景下冬季低温事件的频发提供了一个新的思路.     

瑞利激光雷达探测南京上空平流层大气温度

为了解平流层大气温度变化规律,利用瑞利-拉曼-米散射激光雷达对南京上空平流层温度进行长期观测,对观测数据的分析表明:夜晚平流层温度受到重力波的影响,重力波破碎会导致局部温度升高,温度相对变化可以达到12%;在季节变化的过渡月份(4月和10月),平流层中低层温度会有所升高,对应的平流层高层温度降低;平流层温度月变化方面,除局部由于行星星际波的影响外,各月份平流层温度整体上相对比较稳定,激光雷达所测大气温度与大气模式温度具有一定的差别。最后,利用平流层温度廓线提取了重力波信息。     

厄尔尼诺/拉尼娜-南方涛动机制时滞海-气振子的渐近解

研究了一类厄尔尼诺/拉尼娜-南方涛动机制. 利用渐近分析的摄动方法,简单而有效地构造了一个厄尔尼诺/拉尼娜和南方涛动时滞模型解的渐近展开式. 讨论了相应问题解的渐近性态. 关键词： 非线性 渐近性态 厄尔尼诺/拉尼娜-南方涛动模型     

Variations of charged particle fluxes in the earth troposphere

The results of measurements of charged particles in the troposphere of polar and middle latitudes obtained since 1957 are presented. While in stratosphere the fluxes of secondary cosmic rays reproduce well the variations of primary cosmic radiation, mostly the 11-year cycle associated with solar activity, in troposphere other variations are added which are presumably of atmospheric origin. In particular, increased amplitudes of variations were observed before 1973 and after 1991. In the Northern hemisphere, the variations contain the annual wave with maximum in the winter period. The wave phase corresponds to the expected temperature effect, but in the 1990s its amplitude was several times larger than expected.     

A decomposition study of moisture transport divergence for inter-decadal change in East Asia summer rainfall during 1958-2001

In this paper,we report on the results of an investigation into inter-decadal changes in moisture transport and divergence in East Asia for the two periods 1980-2001 and 1958-1979.The aim is to explore the mechanism of summer rainfall change in the region after abrupt changes.The relevant changes are calculated using ERA-40 daily reanalysis datasets.The results show that both stationary and transient eddy moisture transports to the Chinese mainland have declined since the abrupt change in atmospheric general circulation in the late 1970s,leading to more rainfall in South China and less in the North.The anomalous rainfall pattern coincides well with anomalous large-scale moisture divergence in the troposphere,of which stationary-wave or monsoon transport is dominant,in comparison with the contribution of the transient eddies.Furthermore,their divergences are found to be in opposite phases.In addition,meridional divergence is more important than its zonal counterpart,with an opposite phase in East Asia.Abnormal zonal moisture convergences appear in northwestern and northeastern parts of China,and are related to the excess rainfalls in these regions.An increase in transient eddy activity is one of the major mechanisms for excess rainfall in northern Xinjiang.Consequently,the anomalous rainfall pattern in East Asia results from a decline of the East Asian monsoon after the abrupt change,while the rainfall increase in northwestern China involves anomalies of both stationary waves and transient eddies on boreal westerly over the midand high latitudes.     

Tropospheric emission spectrometer (TES) and atmospheric chemistry experiment (ACE) measurements of tropospheric chemistry in tropical southeast Asia during a moderate El Niño in 2006

High spectral resolution Fourier transform spectrometer (FTS) measurements of tropospheric carbon monoxide (CO) distributions show mixing ratios over Indonesia during October 2006 of ∼200 ppbv (10⁻⁹ per unit volume) in the middle troposphere. The elevated emissions were caused by intense and widespread Indonesian peat and forest fire emissions elevated compared to other years by the impact of a moderate El Niño/Soutern Oscillation (ENSO) event, which delayed that year's monsoon season and produced very dry conditions. Moderate resolution imaging spectrometer (MODIS) fire counts, atmospheric chemistry experiment (ACE) measurements of elevated mixing ratios of fire emission products and near infrared extinction, and back trajectory calculations for a sample measurement location near the time of maximum emissions provide additional evidence that the elevated 2006 emissions resulted primarily from the Indonesia fires. Lower CO mixing ratios measured by ACE and fewer MODIS fire counts in Indonesia during October 2005 indicate lower emissions than during 2006. Coincident profiles from the ACE agree within the uncertainties with those from the tropospheric emission spectrometer (TES) for pressure ranges and time periods with good TES sensitivity after accounting for its lower vertical sensitivity compared with the ACE FTS.     

厄尔尼诺/拉尼娜-南方涛动非线性扰动模型孤子的渐近解法

研究了一类厄尔尼诺/拉尼娜-南方涛动(ENSO)随机扰动模型. 首先, 利用特殊的待定系数方法得到了无扰动ENSO模型下的孤子精确解. 然后利用渐近理论和方法构造了随机扰动ENSO模型的近似解, 并举例说明得到的渐近解具有较好的精度.     

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.     

厄尔尼诺和南方涛动海气耦合模型中参数估计的变分方法

提出一种基于变分原理估计厄尔尼诺和南方涛动海气耦合模型中未知参数的方法. 首先将所研究的非线性海气耦合动力方程引入到目标泛函中; 接着利用变分方法导出伴随方程和待辨识参数泛函梯度的公式; 然后设计了估计未知参数的算法.数值试验结果表明变分方法是一 种能有效估计海气耦合非线性系统未知参数的方法.     

Modified variational iteration method for an El Ni no Southern Oscillation delayed oscillator

This paper studies a delayed air-sea coupled oscillator describing the physical mechanism of El Niño Southern Oscillation. The approximate expansions of the delayed differential equation's solution are obtained successfully by the modified variational iteration method. The numerical results illustrate the effectiveness and correctness of the method by comparing with the exact solution of the reduced model.     

Characteristics of atmospheric gravity waves observed using the MU (Middle and Upper atmosphere) radar and GPS (Global Positioning System) radio occultation

The wind velocity and temperature profiles observed in the middle atmosphere (altitude: 10–100 km) show perturbations resulting from superposition of various atmospheric waves, including atmospheric gravity waves. Atmospheric gravity waves are known to play an important role in determining the general circulation in the middle atmosphere by dynamical stresses caused by gravity wave breaking. In this paper, we summarize the characteristics of atmospheric gravity waves observed using the middle and upper atmosphere (MU) radar in Japan, as well as novel satellite data obtained from global positioning system radio occultation (GPS RO) measurements. In particular, we focus on the behavior of gravity waves in the mesosphere (50–90 km), where considerable gravity wave attenuation occurs. We also report on the global distribution of gravity wave activity in the stratosphere (10–50 km), highlighting various excitation mechanisms such as orographic effects, convection in the tropics, meteorological disturbances, the subtropical jet and the polar night jet.