气候与环境研究杂志

气候与环境研究杂志2017年第3期

• CMIP5耦合模式对欧亚大陆冬季雪水当量的模拟及预估

  杨笑宇

  基于美国冰雪资料中心（NSIDC）提供的卫星遥感雪水当量资料，评估了26 个CMIP5（Coupled ModelInter-comparison Project）耦合模式对1981~2005 年欧亚大陆冬季雪水当量的模拟能力，在此基础上应用多模式集合平均结果，预估了21 世纪欧亚大陆雪水当量的变化情况。结果表明，CMIP5 耦合模式对欧亚大陆冬季雪水当量空间分布具有一定的模拟能力，能够再现出欧亚大陆冬季雪水当量由南向北递增、青藏高原积雪多于同纬度其他地区的特征；就雪水当量的幅值而言，几乎所有模式均显著低估了西伯利亚中部雪水当量的大值中心，对中国东北地区雪水当量的模拟也显著偏低，但模式对乌拉尔山以西的东欧平原、我国北方及蒙古地区冬季雪水当量的模拟却比卫星遥感资料显著偏大，此外模式对堪察加半岛及以北的西伯利亚东北部地区的雪水当量也明显偏大。对于青藏高原地区，虽然部分模式可以模拟出青藏高原东部的雪水当量大值区，但大多数模式对青藏高原西部雪水当量的模拟却明显偏大，存在虚假的大值中心。对遥感反演资料的EOF（Empirical Orthogonal Function）分解表明，对于EOF 第一个模态所对应欧亚大陆全区一致的年代际变化特征，仅有少数模式具有一定的模拟能力，大多数模式以及多模式集合的结果均未能予以反映；对应于欧亚大陆雪水当量年际变化的EOF 第二模态而言，仅有少数模式（如俄罗斯的INMCM4）具有一定的再现能力，绝大多数模式对该模态及其时间演变的特征没有模拟能力。比较CMIP5 多模式的集合预估结果与1981~2005 年基准时段的雪水当量，可以发现在RCP4.5 排放情景下，西伯利亚中东部地区的雪水当量相对于基准时段显著增加，区域平均的增加量在21 世纪前、中、后期分别为4.1mm、5.4 mm 和6.8 mm，且随时间增加得更显著；对90°E 以西的欧洲大陆和青藏高原地区，其雪水当量则相对减少，减少的幅度和显著性也随时间而增大。就雪水当量的相对变化而言，在欧亚大陆东北部存在雪水当量相对变化的大值区，在21 世纪后期相对变化显著区大都在5%~10%；但在青藏高原、斯堪的纳维亚半岛进和东欧平原，并没有发现雪水当量相对变化的髙值区，这是由于这些区域冬季雪水当量的幅值较大的缘故。RCP8.5 情景下欧亚大陆雪水当量的变化特征与RCP4.5 相类似，只是变化的幅度更大。

• 基于多重网格策略的NLS-3DVar资料融合方法及其在气温数据融合中的应用

  张璐

  将多重网格策略引入NLS-3DVar（Non-linear Least Squares-based on Three-dimensional Variational DataAssimilation，非线性最小二乘三维变分同化）方法，进而应用于2400 多个国家级气象观测站逐时气温数据和NCEP再分析气温数据的融合，得到中国区域空间分辨率1°×1°，时间分辨率为6 小时的气温融合产品。分别从单重网格（分辨率1°×1°）和双重网格（分辨率由2°×2°到1°×1°）利用2014 年1~12 月（4、5 月除外）的独立检验数据考察NLS-3DVar 气温融合产品质量，验证基于多重网格策略的NLS-3DVar 方法的优越性。在单重网格下，与广泛应用于气象行业的Cressman 插值产品（均方根误差和相关系数的年平均值分别为1.961℃ d-1 和0.924）相比，NLS-3DVar 产品全年始终具有最小的均方根误差和最大的相关系数，年平均值分别为1.915℃ d-1 和0.929；站点间误差分析进一步表明，NLS-3DVar 产品在大多数检验站点精度更高，在新疆、甘肃、云南、陕西等地区尤为突出；加入双重网格策略的NLS-3DVar 产品与单重网格的NLS-3DVar 产品误差对比显示，均方根误差年平均值分别为1.649℃ d-1 和1.711℃ d-1，相关系数年平均值分别为0.970 和0.968，二者在均方根误差和相关系数的表现上都极为相似，即双重网格NLS-3DVar 气温产品尽管对观测数据采取了稀疏化处理，但依旧维持了原有的产品精度，并且在计算效率上提高了1 倍多。而与同样在双重网格下基于多尺度的STMAS（Space-Time MultiscaleAnalysis System）算法相比，双重网格的NLS-3DVar 产品在产品精度上同样占据优势，在计算效率上单位时次耗时与STMAS 算法几乎相当。

• 青藏高原植被指数最新变化特征及其与气候因子的关系

  刘振元

  利用GIMMS/NDVI（全球库存模拟和影像研究/归一化植被指数，Global Inventory Modeling and MappingStudies，Normalized Difference Vegetation Index）和MODIS/ NDVI 遥感数据以及青藏高原6 个气象代表站的站点数据，结合多种统计和计算方法，分析了青藏高原植被NDVI 变化规律及其影响因子。结果表明：1982~2013 年青藏高原多年平均植被NDVI 的空间分布存在明显的区域差异，总体上呈从东南向西北递减的趋势，而且发现不同地区植被的时间变化规律也不尽相同。根据高原长势最好的6~9 月植被NDVI 进行经验正交分解，将青藏高原植被分为5 个区，并进一步分析了不同分区内植被的变化规律，得出：青藏高原植被NDVI 下降最明显的区域在二区的噶尔班公宽谷湖盆地地区和北羌塘高原地区，植被NDVI 上升最明显的区域在四区的祁连山东部地区。为了探讨青藏高原不同分区内影响植被NDVI 下降的因子，从青藏高原二区、四区、五区各选取NDVI 处于下降趋势的两个代表站点。研究分析了各个站点植被NDVI 与降水量、平均气温、平均最低气温、平均最高气温、日照百分率5 个气象因子的关系，得出：在高原二区日照强度是其它分区的两倍左右，而降水量相对较少导致植被NDVI 降低。高原四区由于降水量小、温度高、日照强，导致植被NDVI 处于下降趋势；在青藏高原五区虽然降水充足，但日照较弱，限制了植被的正常成长导致NDVI 处于下降趋势中；其结果为高原植被退化机制研究及高原植被对大气反馈等奠定了基础。

• 1960~2011年中国日降水集中程度的时空变化特征

  佟晓辉

  利用1960~2011 年的日降水资料，计算降水集中指数（Concentration Index，CI），分析中国区域降水集中程度的空间分布及时间变化特征，得到以下主要结论：CI 指数可有效描述我国日降水集中程度；我国CI 指数介于0.575 与0.750 之间，平均为0.652，总体呈现出东部大、西部小，夏季大、冬季小的特征；44.17%站点的CI 指数表现出增加趋势，55.83%的站点表现出减少趋势，其中10.36%站点的变化趋势通过95%信度水平的显著性检验，CI 指数显著增大的站点主要分布在西北、华中和西南地区，显著减小的站点主要分布在东北、华北、东南沿海及青藏高原东部等地区；3~5 年是各子区域CI 指数变化的主要周期，与对应区域降水量的变化周期较一致；1970 年左右和2000 年左右是显著周期性变化出现较集中的时间段。

• 青藏高原上空甲烷的时空分布特征及其夏季高值形成机制分析

  周杰

  利用搭载在美国Aqua 卫星上的大气红外探测仪（AIRS）观测资料反演的全球甲烷（CH4）产品和NCEP 再分析资料，分析了2003~2014 年青藏高原上空CH4 的时空变化特征，探讨了夏季CH4 高值变化与季风的关系。研究结果表明：就青藏高原整体而言，CH4 浓度随高度增加递减；对流层中高层CH4 含量季节变化较为明显，其平均浓度在7~9 月处于高值，6 月、10 月次之，其余月份处于低值。2003~2014 年CH4 含量呈逐年上升趋势，年增长率约为4.66ppb（10-9）。高原上空CH4 空间分布分析显示，高原北部CH4 浓度高于南部地区。夏季风期间，随着高原上的强对流输送和上空南亚高压的阻塞，对流层中高层CH4 浓度明显增加并不断积累，在8 月底至9 月初出现最大值。在分析季风指数的基础上发现，夏季季风影响下的强对流输送是高原对流层中高层CH4 高值形成的主要原因之一，对流层中高层CH4 浓度最大值出现时间较季风指数的峰值滞后约半至一个月，随着夏季风的撤退，CH4 浓度高值迅速降低。

• 北半球冬季温带反气旋活动的统计特征

  田笑

  利用NCEP/NCAR 再分析资料，通过客观判定和追踪反气旋的方法统计分析了1948~2013 年北半球冬季温带反气旋的时空分布、周期和生命史等气候特征。结果表明，北半球冬季温带反气旋主要活动在东北太平洋、北大西洋、北美落基山脉东部和加拿大、美国东部、欧洲、亚洲中部和东亚地区。太平洋和大西洋上反气旋的生成区分布较分散，于大洋西部生成，在中、东部达到成熟期，最后主要在大洋东部和大陆西岸消亡。大西洋上反气旋消亡区域的大值区从大西洋中部到欧洲西海岸呈西南—东北带状分布，而太平洋上的反气旋消亡区域的两个大值区独立分布。大陆上反气旋多生成于较高纬度和极地地区，主要向东、向东南方移动。北半球各区域反气旋数均具有显著的2~3 年周期变化特征，欧亚地区则具有显著的16~18 年周期的年代际变化特征。除了欧亚大陆，其他三个区域的反气旋偏强时，其运动轨迹偏北。北美地区反气旋越强，其运动的纬度范围越大；而欧亚大陆反气旋越强，其运动的纬度范围越小。生命史越长的反气旋数比例越少，只有不到10%的反气旋生命史超过一周。

• 青藏高原中部聂荣半干旱草地夏季近地层能量平衡与输送分析

  杨丽薇

  利用青藏高原中部聂荣地区草地下垫面2014年7~8月近地层气象要素梯度观测及湍流观测数据，分析讨论了该地区观测期间的基本气象要素特征、能量平衡特征以及能量输送特征，主要结论如下：（1）向下、向上短波辐射和净辐射日变化规律一致，向下、向上长波辐射日变化平缓。反照率呈“U”型分布，早晚大，中午小，聂荣夏季地表平均反照率为0.20。（2）在夏季白天，聂荣地区净辐射大部分以潜热的形式加热大气。考虑了土壤浅层热储存和垂直运动引起的平流输送后，能量闭合率由0.65提高到0.80，闭合率有显著的提高。（3）在不稳定层结下，动量总体输送系数CD平均值为4.7×10-3和热量总体输送系数CH平均值为3.5×10-3；在稳定层结下，CD平均值为3.4×10-3， CH平均值为1.8×10-3； CD和CH在近中性层结下的平均值分别为4.30×10-3和2.39 10×-3。

• 青藏高原大气甲烷浓度时空分布变化特征

  冯冬霞

  利用瓦里关大气本底站甲烷观测数据对美国Aqua 卫星的AIRS 观测结果进行对比分析，并分析研究了2003~2012 年青藏高原对流层大气甲烷的时空分布特征，结果表明：1）AIRS 观测结果与近地面观测资料变化趋势一致，存在显著的正相关关系，突变时间比较一致，可以用于青藏高原区域的甲烷浓度特征分析。2）青藏高原对流层甲烷浓度在空间分布上存在显著的西北—东南走向的低值带及其南北侧存在4 个固定的高值中心，分别位于阿里、那曲、山南和玉树。3）青藏高原甲烷浓度呈现显著随高度而降低的趋势，年平均甲烷浓度分别为1.810ppm（1 ppm=10-6）、1.797 ppm 和1.781 ppm。在对流层中层和中上层，甲烷浓度基本呈现低值带最低、南北侧均高的山谷型分布特征。在对流层层顶，以低值带为分界线，呈现明显的南高北低特征。4）青藏高原甲烷浓度随时间呈缓慢上升趋势，平均速度为0.0018 ppm/a，夏季上升最快，秋季上升最慢。5）青藏高原甲烷存在明显的单峰型季节变化特征，夏秋季高，冬春季低，与东部地区冬、夏双峰型特征不同，随着高度上升季节变化更为明显。

• 1991~2010年中国小时暴雨时空变化格局及其与城镇化因子的空间相关分析

  孔锋

  采用1991~2010 年小时降水数据对中国小时暴雨雨量和雨时进行研究。结果表明，在时间上，1991~2010年中国小时暴雨雨量和雨时的年累计值在波动中呈明显增加趋势。在空间上，小时暴雨雨量和雨时的高值区主要集中在中国黑龙江漠河—云南腾冲一线的东部地区，该界线以西则是低值地区，其中小时暴雨变化最为显著地区主要集中在中国东南沿海地区和西北内陆地区。中国白昼和夜晚的小时暴雨雨量和雨时在空间分布上也有类似的规律。在日变化的时间尺度上，小时暴雨雨量和雨时呈现出双峰现象，最高值均出现在17：00（北京时间，下同），而最低值出现在12：00。同时选择表征城镇化发展水平的夜晚灯光指数、黑炭气溶胶、低能见度日数和细颗粒物（PM2.5）浓度4 个因子，分别与小时暴雨雨量和雨时做空间相关分析。在全国平均水平上，4 个空间相关系数均在波动中呈明显增加趋势；而在中国气候变化区划一级分区上，空间相关系数均呈增加趋势，且增加趋势最为明显的是II 分区和III 分区。

• 2013年“苏力”台风西行登陆引发闽南大暴雨成因的模拟研究

  赵玉春

  利用中尺度数值模式对2013 年7 月13~14 日“苏力”台风引发福建南部大暴雨的天气过程进行了数值模拟、诊断分析和敏感性试验。结果发现：台风环流内强的正差动涡度平流和强的低层暖平流叠置是台风对流暴雨形成的有利大尺度强迫环境。台风登陆后移动旋转过程中，其风场、假相当位温场（θse）、水汽场、对流有效位能（CAPE）、对流不稳定度的空间结构及其正相对涡度、辐合区随着台风旋转在不断发生变化，台风环流内高θse 和高比湿气团的影响、带有CAPE 气流的输入、低层气流汇合或风速辐合、对流不稳定以及局地地形强迫等共同作用是闽南大暴雨发生的主要原因，强降水区主要位于环境风垂直切变的下游和左侧。此西移经台湾北侧的台风个例中，台湾地形可能主要通过改变台风环流内降水及其非绝热加热分布，进而影响台风的结构和移动路径，最终影响台风暴雨的强度和落区。闽南局地地形在台风大暴雨的形成中起到了一定的增幅作用，海陆摩擦差异造成的风速辐合在台风移近到登陆阶段对台风北侧偏东气流内降水具有不可忽视的增幅作用。