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  • 青藏高原近60年来气候变化及其环境影响研究进展
  • 杨耀先, 胡泽勇, 路富全, 蔡英, 于海鹏, 郭瑞霞, 付春伟, 樊威伟, 吴笛
  • 2022, 41 (1): 1-10. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00117
  • 摘要 (753) PDF (2692KB) (292)
  • 作为全球能量水分循环的关键区域, 青藏高原(下称高原)气候变化对高原及周边地区气候与环境变化具有重要影响。本文从高原表面增暖、 辐射变化、 降水的多尺度变率、 表面风速及环境变化方面回顾了高原近60年来气候变化及其环境效应与物理机制的研究进展, 并基于再分析和台站观测资料讨论了近10余年来高原表面温度和风速变化的特征及原因。最后, 就高原气候变化研究亟待解决的科学问题进行了梳理与展望。研究表明: (1)相较于北半球增暖, 高原增暖发生时间早, 增温速率大。海拔依赖型增暖和年代际大气增湿导致晴空向下长波辐射的增强是高原表面增暖的主要原因。近10余年来, 高原东部地区表面温度主要以年际变化为主。(2)受持续增暖和年际、年代际尺度的海温与大气环流异常影响, 高原不同季节和区域的降水呈现出多尺度变化特征。(3)在高原与中高纬度地区增暖的经向差异及大尺度环流异常的影响下, 高原表面风速在年代际尺度上变化显著。(4)高原环境变化主要表现为湖泊扩张、 多年冻土退化、 植被返青期总体提前; 受高原降水的年代际变化影响, 自20世纪90年代以来, 高原西部冰川趋于稳定甚至部分恢复, 而东南部地区冰川持续退缩; 夏季风系统的季节和季节内变化对高原植被生长和返青期的时空变化有较好的指示意义。(5)不同季节和区域表面温度和风速变化的机理研究和数值模拟需进一步深化; 提高气候模式对高原温度和降水的模拟性能仍是重要研究内容; 高原高分辨率的区域气候模拟与资料同化的研究亟待加强。

  • 三江源冻土-植被相互作用及气候效应研究现状及展望
  • 罗斯琼, 李红梅, 马迪, 李文静, 王景元, 谭晓晴, 董晴雪
  • 2022, 41 (2): 255-267. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00098
  • 摘要 (720) PDF (1993KB) (146)
  • 三江源冻土、 植被二者之间存在着强烈的相互作用的关系, 并通过改变土壤水热特性以及地表-大气间的能量和水分交换过程影响局地气候, 加快或减缓气候变化, 源区的生态安全面临挑战。本文综述了近几十年来三江源区冻土、 植被特征及变化趋势、 冻土-植被相互作用过程以及冻土、 植被变化的气候效应, 在此基础上对未来研究方向进行了展望。主要认知如下: 三江源地区是季节性冻土和多年冻土的交汇带。植被类型有高寒草甸、 高寒草原、 高寒荒漠等, 植被生长季较短。近几十年来, 在全球变化影响下, 源区冻土和植被经历了快速的变化。冻土土壤温度明显升高; 多年冻土面积减小而季节性冻土面积增加; 多年冻土活动层厚度及融化期增加而季节性冻土最大冻结深度及冻结期减小。植被物候整体表现出返青期提前, 黄枯期推迟, 生长季延长的特征; 同时高寒植被生态系统的结构和功能也发生了明显变化。土壤的水、 热状态是连接冻土和植被相互作用的重要纽带。冻土的冻融状态, 土壤的水、 热过程对高寒植被的生长有着密切的影响; 同时位于冻土上层的植被, 又通过植被特征和生态系统的变化, 影响土壤温度、 湿度, 反作用于冻土的形成和发展。冻土和高寒植被作为三江源两种典型的下垫面, 在陆-气相互作用中是一个有机整体, 其变化将通过影响局地能量分配及水分过程对区域降水、 气温、 能量收支、 局地环流以及水汽循环等产生重要的影响, 需要统筹考虑二者协同变化的气候效应。未来面向整个区域的冻土-植被相互作用的综合评估及机理分析需进一步加强。利用观测、 耦合了动态植被模型的陆面过程模式、 区域气候模式以及人工智能等, 深入开展研究三江源区冻土冻融变化与高寒植被变化的内在联系, 将进一步提高对未来冻土及高寒植被变化的认识, 为三江源生态保护和建设提供重要科学依据。
  • 青藏高原及周边地区气溶胶、 云和水汽收支研究进展
  • 黄建平, 刘玉芝, 王天河, 阎虹如, 李积明, 何永利
  • 2021, 40 (6): 1225-1240. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.zk012
  • 摘要 (452) PDF (49747KB) (217)
  • 青藏高原作为“亚洲水塔”, 对东亚乃至全球气候有着重要影响。本文介绍了中国科学院A类战略性先导科技专项“泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设”子课题3“气溶胶-云互馈对西风季风水汽输送的影响”研究的主要结果。针对青藏高原为核心的泛第三极地区, 项目研究结果主要包括: (1)沙尘、 污染沙尘、 抬升烟尘和污染性大陆气溶胶/烟尘是泛第三极地区最主要的气溶胶类型, 其中沙尘的排放和输送对青藏高原西部和柴达木盆地大气热力结构的影响非常显著; (2)高原过冷水云的发生频率及其在高原能量收支中的作用比暖水云高, 降水主要是由冰云和混合相云产生的, 尤其是在暖季。虽然高原大气呈现暖湿化趋势, 但水汽收入增多并不能弥补地表水资源由于增温的流失, 高原东部水循环呈减弱趋势, 而西部水循环则相反。(3)黑碳气溶胶使南亚夏季风减弱、 东亚夏季风增强, 高原西部西风增强, 东部西风减弱; 净效应是使高原变得更暖更湿。使高原东侧输出水汽减少, 南侧输入减少, 西侧输入增加, 北侧输入减少。另外, 高原上空受沙尘污染影响的对流云东移, 与局地对流云团合并, 可导致长江流域和华北地区降水增加。总体来说, 气溶胶可直接影响辐射, 或间接通过作为云的凝结核, 或者影响云生成所需的热力结构来改变高原云的宏、 微观特性, 以此进一步影响到高原地区的地表能量收支和大气加热率廓线, 并最终影响环流系统和高原的水汽收支。上述结果作为中国科学院A类战略性先导科技专项的部分研究内容, 可揭示影响青藏高原及周边地区水分循环的物理机制, 加深理解气溶胶-云相互作用对高原水循环过程的影响机理, 为提高空中水资源开发利用效率提供重要的科学依据和理论指导。
  • 一次中尺度对流系统层云区域的电场探空观测和电荷结构研究
  • 张鸿波;郄秀书;刘明远;蒋如斌;陆高鹏;陈志雄;孙竹玲;刘瑞婷;李进梁;郑天雪;陈洪滨
  • 2021, 40 (6): 1531-1541. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.zk004
  • 摘要 (333) PDF (9702KB) (144)
  • 基于自主获取的双金属球电场探空仪穿云观测数据, 结合地面大气电场、 天气雷达、 闪电定位等综合观测资料, 对华北平原地区一次中尺度对流系统(Mesoscale Convective System, MCS)层云区域内的探空电场和电荷结构进行研究。探空系统上升和下降阶段均处于该MCS层云区域中, 此时雷暴正处于成熟阶段。完整的上升阶段探空数据表明, 该MCS层云区域内存在6个正、 负极性交替的电荷区, 主正电荷区的高度范围为8.2~9.5 km, 对应温度层-20~-14 ℃; 主负电荷区高度范围为7.4~8.2 km(-14~-10 ℃); 紧靠下方为一个薄正电荷区; 最上方为一负极性电荷屏蔽区; 0 ℃层附近有一对正、 负极性电荷区。探空下降阶段(间隔约1 h)获取的层云区域电荷分布与上升阶段大致对应, 但电荷层所处高度以及厚度和电荷密度均有所差异。
  • 青藏高原土壤冻融过程关键参量时空分布特征分析
  • 刘闻慧, 文军, 陈金雷, 王作亮, 陆宣承, 武月月, 蒋雨芹
  • 2022, 41 (1): 11-23. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00024
  • 摘要 (320) PDF (5257KB) (223)
  • 土壤冻融过程是青藏高原陆面过程中最突出的特征之一, 量化表征土壤冻融过程的关键参量变化特征对认识青藏高原气候变化、 生态和水文过程有重要的科学意义。本文利用青藏高原地区ECMWF/ERA5(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts/ERA5)的浅层土壤温度、 体积含水量和气温资料, 通过线性回归、 Mann-Kendall检验法、 滑动t检验和相关分析等方法, 分析了表征青藏高原土壤冻融过程的三个关键参量-冻结开始时间、 融化开始时间和冻结持续时间的时空分布特征, 并探讨了其与气温、 海拔的相关性。结果表明: 青藏高原土壤冻融过程的空间分布特征为由西北到东南存在冻结推迟、 融化提前和冻结持续时间缩短的趋势。1979 -2018年间, 青藏高原整体土壤冻融过程改变显著, 冻结开始时间推迟14.0天, 变率为0.17 d·a-1; 融化开始时间提前11.0天, 变率为0.07 d·a-1; 冻结持续时间缩短25.0天, 变率为0.23 d·a-1。青藏高原土壤冻融过程整体变化趋势一致, 局地变率存在差异。羌塘地区土壤冻结持续时间缩短最为明显, 南北部分别缩短47.2天和32.9天。三个冻融过程关键参量与气温、 海拔相关性显著。气温每上升1.0 ℃, 冻结开始时间推后5.2天, 融化开始时间提早4.5天。在青藏高原高寒气候带, 海拔每升高1000.0 m, 冻结开始时间提早9.1天, 融化开始时间推后4.9天。

  • 青藏高原多圈层地气相互作用过程研究进展和回顾
  • 马耀明, 胡泽勇, 王宾宾, 马伟强, 陈学龙, 韩存博, 李茂善, 仲雷, 谷良雷, 孙方林, 赖悦, 刘莲, 谢志鹏, 韩熠哲, 袁令, 姚楠, 石兴东
  • 2021, 40 (6): 1241-1262. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.zk006
  • 摘要 (298) PDF (34425KB) (138)
  • 青藏高原高大的地形条件, 使得其具有十分显著的动力作用和热力作用, 这导致高原地表与大气之间的相互作用和大气边界层发展过程对高原及周边地区的天气过程和气候变化的影响至关重要。自20世纪60年代, 特别是1979年以来, 人们先后开展了“第一次青藏高原气象科学试验(QXPMEX)”、 “第二次青藏高原大气科学试验(TIPEX-Ⅱ)”、 “全球能量水循环亚洲季风青藏高原试验研究(GAME/Tibet)”、 “全球协调加强观测计划亚澳季风之青藏高原试验(CAMP/Tibet)”、 “青藏高原观测研究平台”(TORP)及“第三次青藏高原大气科学试验(TIPEX-Ⅲ)”等观测研究项目, 地气相互作用过程以及大气边界层过程的观测分析、 数值模拟及卫星遥感应用研究都是其中最重要的研究内容。本文以地气相互作用研究为主线, 回顾了40年来历次重大青藏高原大气科学试验, 系统归纳总结了陆面过程和大气边界层过程观测试验, 分别从地气相互作用过程观测研究、 大气边界层过程观测研究、 地面和大气热源观测与估算研究、 地表蒸散发遥感估算研究以及地气相互作用过程数值模拟研究等方向, 对相关研究成果进行了简要的归纳梳理, 并且针对野外观测、 资料分析以及模式发展方面存在的不足进行了讨论, 同时对青藏高原地气相互作用研究在这几个方面未来的发展进行了展望。
  • 青藏高原季风演变及其气候效应综述
  • 樊威伟;胡泽勇;荀学义;杨耀先;于海鹏;付春伟;吴笛
  • 2021, 40 (6): 1294-1303. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2020.zk013
  • 摘要 (273) PDF (19534KB) (95)
  • 青藏高原季风是在高原热力作用影响下形成的冬夏相反的盛行风系, 是青藏高原气候的主宰者, 对高原能量与水分循环和转换起着至关重要的作用, 并深刻影响着高原及亚洲气候与环境的形成和演变。对高原季风及其气候环境效应的研究不仅是深入理解高原环境和气候变化、 水分和能量循环的需要, 同时也符合国家生态文明建设与社会经济发展的要求。本文从高原季风的多尺度变率、 影响高原季风的动力和热力因子及其气候与环境效应角度回顾评估了高原季风的研究进展, 并梳理出未来亟待解决的科学问题。已有的研究表明, 高原季风的形成是青藏高原隆升到抬升凝结高度的必然结果, 同时也是第四纪开始的重要标志。青藏高原季风多尺度变率受高原局地热力作用以及高原外太平洋海温、 北极涛动和中高纬遥相关波列调控。青藏高原气候效应主要体现在对高原及其周边地区气候格局及其变化的影响。最后, 讨论和展望了高原季风研究的问题和方向: 青藏高原复杂下垫面陆面过程对高原季风的影响研究有待加强, 全球变化背景下高原季风对高原增暖的响应及其成因还需要更加深入分析。
  • 陆-气相互作用对大气对流活动影响研究进展和展望
  • 刘维成, 张强, 刘新伟
  • 2021, 40 (6): 1278-1293. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.zk0019
  • 摘要 (238) PDF (10786KB) (124)
  • 陆-气相互作用会影响对流系统的初生和发展, 进而影响降水的产生和分布, 理解和明晰该影响机制和规律, 对改进对流活动预报技术至关重要。系统总结了陆-气相互作用对对流系统形成、 发展及其降水的影响机制, 归纳了陆-气相互作用影响符号和强度的发生规律, 进而剖析了陆-气相互作用对大气对流活动影响的复杂性和不确定性, 最后提出了亟待解决的关键科学问题。未来需要针对陆-气相互作用的全部组成过程对大气对流活动的影响机制、 响应敏感区和不同天气系统强迫下陆-气相互作用影响机制、 影响机制的科学评估及验证、 陆面过程和边界层过程在地球模拟系统的准确表达、 陆-气相互作用与对流活动的互馈机制等开展深入研究, 深刻揭示陆-气相互作用对大气对流活动的影响规律和机理机制, 以期为改进和提高对流活动的预报能力提供理论支撑。
  • 青藏高原陆气相互作用对东亚区域气候影响的研究进展
  • 赖欣;范广洲;华维;丁旭
  • 2021, 40 (6): 1263-1277. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.zk018
  • 摘要 (218) PDF (13248KB) (102)
  • 青藏高原陆气相互作用对东亚区域天气气候有重要影响, 其中高原植被及热力作用的气候效应是高原陆气相互作用的两个重要内容。本文总结了高原植被和陆-气水热交换的变化特征, 高原植被及热力作用对高原季风、 东亚季风和东亚区域气候影响的研究成果。结果表明: (1)高原归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)、 植被覆盖度和植被净初级生产力(Net Primary Production, NPP)呈从东南向西北减少的趋势。近几十年, 高原NDVI、 植被覆盖度和NPP总体上呈上升趋势, 西藏东南部年平均和生长季平均叶面积指数(Leaf Area Index, LAI)均呈增加趋势。(2)高原感热在20世纪80年代以后呈显著减弱趋势, 夏季高原大部分地区地表潜热通量呈增加趋势。(3)高原植被与高原地表热源之间呈显著正相关关系。当高原植被退化成荒漠, 会减少地表吸收的净辐射, 减弱地表热源, 导致南亚高压位置偏西, 西太平洋副高减弱, 中国南方和东北地区降水增加, 北方地区降水减少。(4)当高原大气热源偏强(弱)时, 高原夏季风偏强(弱)。高原大气热源与东亚夏季风的建立和维持密切相关。4 -5月中旬高原加热效应使大气柱增温, 有利于四周大气向高原汇合及热带暖湿气流北上, 导致南海夏季风爆发。高原加热作用也有利于南海夏季风的维持。近几十年高原春季感热减弱, 造成我国东部降水北方异常偏少、 南方异常偏多。高原上空各层年平均大气温度与高原夏季风显著相关。在年际、 年代际尺度上, 当高原对流层低层至中上部升温而对流层上部降温时, 我国江南和华南夏季降水显著偏多, 东北降水显著偏少。
  • 黄河源区干湿演变条件下的水汽输送特征研究
  • 刘煜, 刘蓉, 王欣, 王作亮, 王大勇
  • 2022, 41 (1): 47-57. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00057
  • 摘要 (158) PDF (7207KB) (173)
  • 基于“黄河源区玛曲-若尔盖土壤温湿监测网络”自2008年观测以来至2017年的观测资料, 通过分析多层土壤湿度异常百分比指数SMAPI(Soil Moisture Anomaly Percentage Index), 捕捉10年来该地区的干湿演变过程, 并利用再分析数据资料NECP FNL (National Centers for Environmental Prediction Final)驱动拉格朗日后向轨迹模式, 模拟不同过程的水汽输送粒子(气块)的后向轨迹, 从而诊断到达该区域的水汽输送路径以及可能的水汽源区。结果表明, 水汽路径可以分为3条: (1)南支输送: 来自印度洋、 阿拉伯海的水汽, 通过印度半岛、 孟加拉湾, 从青藏高原西侧和南侧进入; (2)东支输送: 来自太平洋、 南海等地的水汽从华东/华南地区, 途径长江流域, 从青藏高原东侧或者南侧进入; (3)北支输送: 来自大西洋、 非洲大陆北部和欧洲大陆的水汽, 穿过中纬度亚欧大陆, 从青藏高原西部或者北部进入。在干旱时期以北支为主, 湿润时期以南支、 东支为主。水汽源地在不同时期的表现也各不相同, 其中青藏高原上的水汽源地在湿润时期主要分布在昆仑山脉附近, 演变时期则南北零星分布, 而干旱时期更加偏北集中在天山附近, 伊朗高原、 帕米尔高原及孟加拉湾的水汽源地强度从湿润到干旱时期逐渐增强, 四川盆地-秦岭、 华南的水汽源地强度先增强后减弱, 而祁连山-黄土高原先减弱后增强, 印度半岛、 长江中下游及华东附近的水汽源地强度则是从湿润时期到干旱时期一直减弱。

  • 三江源地区暴雨的水汽输送源地及路径研究
  • 王美月, 王磊, 李谢辉, 王春远, 王翔跃
  • 2022, 41 (1): 68-78. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00097
  • 摘要 (151) PDF (9141KB) (113)
  • 利用NCAR/NCEP再分析数据, 首先分析了2018年7月22 -23日(简称“0722”)和8月2 -3日(简称“0802”)三江源地区两次暴雨天气过程的天气形势和水汽输送特征, 然后用WRF模型输出数据驱动HYSPLIT模型, 定量分析两次暴雨的水汽输送路径及各路径的水汽贡献率。研究表明: 两次暴雨的主要影响系统均为三江源东部地区形成的低涡和切变线, 低涡系统的演变和进退对暴雨的强度和落区有很大影响; HYSPLIT模型使用WRF模型输出的高分辨率数据作为初始场, 模拟效果良好; 两次暴雨的主要水汽均来源于西南和东南路径。西南路径的水汽来自孟加拉湾, 通过雅鲁藏布江大峡谷水汽输送通道输送至暴雨区。东南路径的水汽来自于东海和南海, 从广东和湖南等地向西北传输至暴雨区; “0722”暴雨中还存在西北路径的水汽输送, 此路径的水汽输送贡献率较小。

  • 黄土高原夏季极端降水及其成因分析
  • 卢珊, 胡泽勇, 付春伟, 樊威伟, 吴笛
  • 2022, 41 (1): 241-254. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00027
  • 摘要 (135) PDF (14525KB) (285)
  • 利用1961 -2016年夏季黄土高原地区64个气象监测站的逐日降水资料及同期NCEP/NCAR再分析数据, 分析了近56年黄土高原夏季极端降水的时空变化特征, 并对比了极端降水强弱年以及不同年代黄土高原地区夏季大气环流形势的异同。结果表明, 黄土高原夏季极端降水占夏季总降水量的54%左右, 总体上呈现出东多西少的空间分布特征。在近年来黄土高原夏季降水整体下降的背景下, 极端降水占比在将近70%的站点表现出增长趋势。对比极端降水强弱年环流形势发现, 当贝加尔湖低压增强, 西北太平洋副热带高压偏强偏北时, 有利于西北太平洋及南海暖湿气流向北输送, 与北方干冷空气在黄土高原上空交绥, 从而导致更多的极端降水。在强极端降水年的夏季, 存在着异常强的水汽净收入。6月, 北边界和南边界的水汽输入加强。北边界在7月和8月转为水汽输出边界, 同时西边界和南边界的输入加强, 且8月的增加更为明显。在强极端降水年, 夏季黄土高原上还可以观察到更加明显的冷暖空气交绥, 这有利于研究区域不稳定能量的释放和极端降水的增加。此外, 研究发现黄土高原夏季极端降水在1980年代经历了从偏多到偏少的转变, 近些年来又逐渐增加。对比不同年代夏季大气环流可见, 当水汽净收入为正, 同时冷暖空气交汇明显时, 对应年代的黄土高原夏季极端降水偏多, 反之则降水偏少。

  • 中全新世青藏高原西南部异常高降水机制探讨
  • 黄凌昕, 张帅, 陈婕, 黄伟, 阳坤, 陈发虎
  • 2021, 40 (6): 1407-1418. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.zk022
  • 摘要 (135) PDF (23987KB) (45)
  • 青藏高原西部, 尤其是西南部阿里地区异常高的古湖岸线揭示出, 这一区域可能存在中全新世的异常高降水中心。基于此, 本文利用WorldClim数据集资料对中全新世和现代降水进行对比, 并使用ERA5数据初步探讨了出现异常高降水的可能机制。结果显示, 青藏高原西部中全新世降水远比现代高, 尤其是西南部出现了相对的高降水中心。现代青藏高原西南部降水增加时, 对应印度夏季风增强, 印度次大陆低空对流层低压中心增强, 深对流的发生更为频繁, 导致向高原西南部输送的水汽增强。与此同时, 印度北部降水增加导致的凝结潜热释放增加会使南亚高压增强并向西北方向移动, 导致青藏高原西南部上升运动加强, 从而导致青藏高原西南部降水增加。相对于现代, 中全新世印度季风较强, 位于印度次大陆低空的低压可能更强, 印度北部的凝结潜热释放也会加强, 进而导致中全新世青藏高原西南部出现异常高降水。
  • 南亚高压演变过程及其变异机制研究进展
  • 岑思弦;陈文;胡鹏;薛旭
  • 2021, 40 (6): 1304-1317. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.zk014
  • 摘要 (135) PDF (4168KB) (94)
  • 南亚高压作为亚洲季风系统的重要成员之一, 一直以来受到众多学者的研究关注。南亚高压演变过程主要包括了春季建立、 夏季维持以及秋季撤退, 其演变过程各个阶段的异常对天气气候的影响存在显著差异, 并且南亚高压不同阶段异常的机制也明显不同。以往南亚高压演变过程的研究主要集中在春季建立和夏季维持, 本文首先回顾了春季南亚高压建立过程及其与亚洲夏季风爆发之间的关系, 包括南亚高压建立机制的研究进展。其次, 回顾了夏季南亚高压变化对天气气候影响的研究进展, 特别关注了南亚高压强度变化以及纬向和经向移动; 同时也综述了夏季南亚高压变化可能机制的研究进展。最后提出了一些关于该领域未来需要进一步研究的科学问题。
  • CMIP6模式对青藏高原气候的模拟能力评估与预估研究
  • 陈炜;姜大膀;王晓欣
  • 2021, 40 (6): 1455-1469. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.zk003
  • 摘要 (133) PDF (8928KB) (68)
  • 利用国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)模拟试验数据, 首先评估了45个全球气候模式对1985 -2014年青藏高原地表气温和降水的模拟能力, 表明CMIP6模式能合理地模拟地表气温的空间分布, 但大部分模式对年和季节平均地表气温的模拟值偏低, 年均偏冷2.1 ℃, 冷偏差在冬季和春季相对更大。CMIP6模式对青藏高原降水的模拟能力较为有限, 尽管它们能模拟出年均降水东多西少的空间分布特征, 但普遍存在高估, 尤其是在春季和夏季, 年均降水较观测偏多397.8 mm·a-1。基于模拟性能较好的模式, 相比于1995 -2014年, 在共享社会经济路径(SSPs)中等偏低情景SSP2-4.5下, 青藏高原年均地表气温在21世纪90年代上升2.5 ℃, 2015 -2100年的线性趋势平均为0.28 ℃·(10a)-1, 其中秋季和冬季增幅更大, 高海拔区增暖幅度高于低海拔区。年均降水在21世纪90年代将增加12.8%, 2015 -2100年的线性趋势平均为1.56%·(10a)-1, 其中春季增幅最大, 高原北部边界区为降水增加的大值区。相较SSP2-4.5情景, SSP5-8.5情景下青藏高原地表气温和降水增幅更大, 21世纪90年代年均地表气温升高5.1 ℃, 降水增加30.2%, 两者在2015 -2100年的线性趋势平均分别为0.64 ℃·(10a)-1和3.80%·(10a)-1。整体上, 模式对地表气温和降水预估结果的不确定性均随时间增大。
  • 青藏高原春季土壤湿度异常与我国夏季降水的联系
  • 丁旭, 赖欣, 范广洲
  • 2022, 41 (1): 24-34. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00094
  • 摘要 (133) PDF (6155KB) (202)
  • 利用197 -2014年GLDAS-CLM(Global Land Data Assimilation System-the Community Land Model)地表参量数据集、 中国区域逐日观测资料格点化数据集(CN05.1)和ERA-nterim大气环流再分析数据, 研究青藏高原5月(春季)土壤湿度的异常变化特征与6月高原地表热通量的相关关系以及土壤湿度异常与我国夏季(7月)降水的联系和可能机理。结果表明: (1)1979 -2014年5月青藏高原0~10 cm区域平均土壤湿度异常偏高年有2000, 2001, 2004, 2005, 2006和2013年; 异常偏低年有1994, 1995, 1996, 1998和1999年。高原整体土壤湿度2000年前较2000年后干燥。从空间分布来看, 藏北高原、 三江源地区以及藏南谷地土壤湿度偏高年较偏低年有明显增加, 且结果通过了90%的置信度检验。(2)高原5月土壤湿度的异常变化与中国夏季的降水分布存在明显的相关关系, 当青藏高原土壤较为湿润(干燥)时, 从高纬至低纬地区, 相关区呈现“正负正负”(“负正负正”)带状分布特点。(3)5月高原土壤异常湿润时, 6月高原东部感热通量和西部的潜热通量异常增加, 其共同作用会加强其大气低层辐合环流和大气高层辐散环流, 使整个东亚中高纬地区850 hPa以上受强反气旋环流控制; 高原东北部500 hPa及以上为反气旋环流, 南部和西部为气旋性环流, 环流场配置会使南亚高压加强东移, 加强西太平洋副热带高压。(4)7月西太平洋副热带高压北侧黄淮地区伴有垂直上升运动, 暖湿气流与东北冷涡西侧南下的干冷气流汇合, 高层辐散配合低层辐合有利于黄淮地区降水。西北东部和华北区域由反气旋性环流控制, 伴有较强的下沉运动, 空气干冷, 无充足的水汽输送, 不利降水产生。

  • 1961 -2018年华南年和各季极端降水变化特征的比较分析
  • 韦志刚;李娴茹;刘雨佳;王欢
  • 2021, 40 (6): 1513-1530. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.zk001
  • 摘要 (124) PDF (56427KB) (76)
  • 利用中国气象局0.25°×0.25°的CN05.1逐日气温(TM)和降水(PRE)资料, 分析比较了华南地区9种年和各季极端降水的变化特征及其气候背景, 按照空间分布和变化趋势, 将9种华南地区极端降水归为4类: 第1类为极端湿日降水量(R99P)、 非常湿日降水量(R95P)、 最大日降水量(RX1day)和最大5日降水量(RX5day), 第2类为强降水日数(R10day)、 特强降水日数(R20day)和湿日降水均值(SDII), 第3类和第4类分别为最大连续湿日(CWDday)和最大连续干日(CDDday)。在1961 -2018年, 华南区域平均的第1类和第2类极端降水除春季外都呈增加趋势, R99P、 R95P、 R10day和R20day在夏季较显著增加, RX1day和RX5day在冬季较显著增加, SDII在冬季和夏季较显著增加; CWDday在春季较显著增加; 但是, 年和各季的CDDday都呈下降趋势, CDDday在冬季较显著下降; 除了CWDday外, 春季各极端降水没有显著的变化趋势。以R95P、 R20day、 CWDday和CDDday为例, 通过EOF分解进一步比较分析了年和各季值的时空变化和总体趋势, 结果表明, 华南地区极端降水主要是全区一致的变化, 其次为南北反相或东西反相的变化; 南北大致以23°N(华南西部) -25°N(华南东部)为界, 反映沿海地区和北部山区的反相变化; 东西大致以114°E为界。冬季的一致变化最强, 其主分量所占方差比例最大。
  • 四川盆地西部一次典型连续夜雨的数值模拟
  • 陈得圆, 王磊, 李谢辉, 裴坤宁
  • 2022, 41 (1): 216-225. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2019.00109
  • 摘要 (123) PDF (5125KB) (64)
  • 利用中尺度模式WRF研究了2017年7月15 -17日发生在四川盆地西部的一次典型连续性夜雨过程的形成机制, 重点讨论了“山谷风”局地环流对此次夜雨过程的作用。研究表明: (1)此次降水天气过程主要发生在500 hPa“北高南低”的环流形势背景下, 这种背景有利于北方冷空气向南输送; 850 hPa上台风东侧的偏南气流和副热带高压西侧偏南气流叠加形成输送带, 有利于低纬大量水汽和热量向四川盆地输送。(2)WRF模式模拟出的“山谷风”是此次夜雨过程的重要动力机制: 白天青藏高原东坡受“谷风”控制, 夜晚青藏高原东坡受“山风”控制, 从而产生了此次夜雨现象。(3)三种螺旋度都能够较好地解释夜间降水形成和“山谷风”之间的关系。

  • 雅鲁藏布大峡谷地区近地面-大气间水热交换特征分析
  • 张强, 文军, 武月月, 陈亚玲, 李悦绮, 刘正
  • 2022, 41 (1): 153-166. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00113
  • 摘要 (120) PDF (6847KB) (62)
  • 利用欧洲中期天气预报中心第五代再分析数据产品, 归类分析了藏东南雅鲁藏布大峡谷地区水汽输送类别。选取大峡谷地区排龙站、 墨脱站两个站点2019年涡动相关系统观测数据, 分析不同水汽条件下雅鲁藏布大峡谷地区不同位置近地面水热交换通量的日变化特征。结果表明: 高原季风期对应大峡谷地区水汽强输送期和温湿期, 高原非季风期则相反。墨脱站、 排龙站在高原季风期/非季风期典型晴天/阴天近地面潜热通量日变化对大气水汽条件较为敏感且响应一致, 近地面潜热通量在强水汽条件下的日变化均强于弱水汽条件下, 墨脱站特征最为显著, 在高原季风期典型晴天强水汽条件下潜热通量日均值为84.05 W?m-2是弱水汽条件下的1.13倍, 日变幅达345.37 W?m-2。两个站点在高原季风期/非季风期近地面感热通量对大气水汽条件响应不同。高原季风期典型晴天下, 两个站点在弱水汽条件下的近地面感热通量日变化均强于强水汽条件下, 海拔较高的排龙站在弱水汽条件下感热通量日均值(32.71 W?m-2)和日较差(191.10 W?m-2)是强水汽条件下的1.66倍和1.26倍。云覆盖和水汽对太阳短波辐射的削弱作用大于其自身的温室效应, 墨脱站和排龙站在高原季风期/非季风期典型阴天弱水汽条件下的近地面感热通量日变化均强于强水汽条件下, 排龙站在高原季风期/非季风期典型阴弱水气条件下近地面感热通量日均值为35.12 W?m-2和14.32 W?m-2分别是强水汽条件下的2.59倍和1.27倍。大峡谷地区存在水汽输送通道, 大气水汽的辐射强迫对陆-气间水热交换过程存在显著影响, 但近地面能量分配受地表水热属性的制约。

  • 江河源区水汽输送与收支的时空演变特征分析
  • 陈亚玲, 文军, 刘蓉, 蒋雨芹, 任国强, 李悦绮, 张强, 刘正
  • 2022, 41 (1): 167-176. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00049
  • 摘要 (120) PDF (4556KB) (69)
  • 江河源区位于青藏高原腹地, 是东亚气候变化的敏感区之一, 研究水汽的分布、 输送及收支对于理解区域降水特征具有重要意义。本研究基于1980 -2019年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA5再分析资料, 结合1981 -2010年国家气象科学数据中心9个探空站资料, 分析了江河源及其毗邻地区水汽分布、 输送及各边界水汽收支的时空演变特征。结果表明: 江河源及其毗邻地区水汽含量的空间分布差异较大, 呈现出东南高、 西北低的特征。不同季节水汽含量分布及量值也不同, 表现为夏季最大, 秋、 春季次之, 冬季最少。源区及雅鲁藏布江流域水汽含量的年循环呈单峰变化, 主要集中在6 -8月, 最大值出现在7月(41.6 mm), 年际变化呈增加趋势, 增速为0.4 mm·(10a)-1。江河源区水汽通量主要来自阿拉伯海和孟加拉湾, 其次是中纬度西风以及西北气流的输送, 三种气流在雅鲁藏布大峡谷形成明显的水汽辐合, 不同季节水汽输送强度存在一定差异。在水汽的输入边界中, 西边界输入量最大(815.3×106 kg·s-1), 南边界(724.9×106 kg·s-1)次之, 且两个边界季节变化显著; 北边界(317.9×106 kg·s-1)输入较少, 而东边界是水汽通量的输出边界, 最大水汽输出在9月(140.5×106 kg·s-1)。江河源区净水汽输入量大于输出量, 水汽通量呈盈余状态, 这将进一步影响江河源区降水及区域水循环的变化。

  • 基于地基微波辐射计(ELBARA-Ⅲ, L波段)的亮温模拟和土壤湿度反演研究进展
  • 2021, 40 (6): 1337-1346. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.zk011
  • 摘要 (114) PDF (9125KB) (46)
  • 土壤湿度是陆面过程中最为关键的参量之一。微波遥感是反演土壤湿度主要手段, 微波辐射具有较强的穿透深度, 时间分辨率高且空间覆盖广, 微波遥感反演土壤湿度模型具有较完整的物理基础, 但对土壤冻融过程土壤含冰量和土壤含水量的解析不够准确。这使得开展地基微波遥感土壤湿度观测试验研究具有非常重要的科学意义和应用价值。本文介绍了目前依托中国科学院若尔盖高原湿地生态系统研究站玛曲观测场开展的地基微波遥感土壤湿度观测试验和建立的地基微 波辐射计(ELBARA-Ⅲ, L波段)黄河源地表亮温观测数据集(2016 -2019), 并详细介绍了地基微波辐射计和涡动协方差通量观测系统的各种参数和配置, 介绍了其观测数据, 回顾了利用本观测试验数据集开展的亮度温度模拟和土壤湿度反演相关研究成果。最后, 基于地基微波辐射计及其附属观测数据的广泛应用, 展望了利用地基微波辐射计观测数据在未来土壤湿度反演和相关研究中的应用前景。
  • 西风南支与高原季风环流场下青藏高原大气边界层结构研究
  • 伏薇, 李茂善, 阴蜀城, 吕钊, 王灵芝, 舒磊
  • 2022, 41 (1): 190-203. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00016
  • 摘要 (112) PDF (12636KB) (57)
  • 利用第二次青藏高原(下称高原)综合科考“地-气相互作用与气候效应”立体综合加强期观测试验2019年5月、 7月和10月珠峰、 林芝、 那曲和狮泉河站点的探空资料及ERA5再分析资料。探讨在西风南支与高原季风不同风场控制下高原大气边界层结构特征及其与感热潜热通量的关系。结果表明: 西风南支风场下各站点大气边界层高度较高原夏季风风场下的大气边界层高度更高。西风南支风场下珠峰、 林芝、 那曲和狮泉河最高对流边界层顶分别为3250, 2250, 2760和3500 m。高原夏季风风场下珠峰、 林芝、 那曲和狮泉河最高对流边界层顶分别为2000, 2100, 1650和2000 m。各站点的近地层比湿特征为: 7月>5月>10月。林芝地区近地层比湿比其他3个站点的比湿大, 林芝近地层比湿最大达到了12.88 g·kg-1。5月和10月, 珠峰和林芝分别在1200 m和1500 m以上风向以偏西风为主。林芝7月1200 m以上风向以偏南风为主。狮泉河5月和10月风向以偏西西南风为主, 7月风向以偏西西北风为主。珠峰、 林芝和狮泉河5月和10月高空的风速较7月高空风速强的多。西风南支风场下各站点以感热通量为主, 高原夏季风风场下各站点以潜热通量为主。

  • 基于拉格朗日方法评估青藏高原若尔盖地区水汽输送特征
  • 刘煜, 刘蓉, 王欣, 王作亮
  • 2022, 41 (1): 58-67. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00100
  • 摘要 (112) PDF (3977KB) (78)
  • 干旱指数一直以来是评估一个地区地表干湿状态的有效标准。为了认识青藏高原若尔盖地区在极端干旱和湿润条件下的水汽空间分布格局, 本文基于地面观测资料计算月尺度的标准化降水蒸散指数, 提取2000 -2017年青藏高原若尔盖地区的极端干旱和湿润状况, 利用拉格朗日后向轨迹模型模拟该地区极端干湿条件下的水汽输送路径, 并评估潜在水汽源地的位置以及对研究区水汽输送的贡献率。结果表明: 湿润时期主要的水汽输送路径是受到西南季风影响的南支输送路径, 该路径起始于阿拉伯海、 孟加拉湾, 从西-南方向进入青藏高原, 再到达若尔盖地区, 而干旱时期的水汽输送路径主要受到西风带的影响, 占主导地位的路径则是起始于北美、 北大西洋的自西向东, 由亚欧大陆到达青藏高原北部。主要的水汽源地出现在青藏高原、 四川盆地、 孟加拉湾、 阿拉伯海等区域, 但受到不同时期的水汽输送路径影响, 各水汽源地在不同时期表现出了不同特征, 湿润时期主要的水汽源地出现在青藏高原南部(贡献率为35.98%), 而干旱时期主要的水汽源地则出现在青藏高原北部(贡献率为28.35%), 此外来自阿拉伯海以及孟加拉湾等地的水汽源地在湿润时期贡献率更高, 而研究区域本身以及四川区域的水汽贡献率则在干旱时期更高。分析结果将有助于理解极端干湿状态的形成机制, 进而加深对旱涝灾害机制的理解。

  • 青藏高原多雪年与少雪年土壤水热特征模拟分析
  • 罗江鑫, 吕世华, 马翠丽, 方雪薇
  • 2022, 41 (1): 35-46. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00031
  • 摘要 (111) PDF (3680KB) (49)
  • 利用耦合了陆面过程模式(CLM4.5)的区域气候模式(RegCM4)分别对青藏高原的一个多雪年和少雪年进行了数值模拟。通过对比模拟雪深与遥感雪深、 土壤温湿度的模拟值与观测值、 多雪年与少雪年的土壤温湿度模拟值, 结果表明, RegCM4-CLM4.5可以有效模拟出高原的多雪年与少雪年特征, 模拟雪深大值中心比遥感雪深高10~20 cm。土壤温度模拟效果要明显优于土壤湿度, 模拟的土壤温度相关系数R为0.95~0.98, 模拟的土壤湿度相关系数R为0.68~0.89。在冻结阶段(10月至次年1月), 积雪的异常偏多, 可以有效抑制地气间的热交换, 从而使得多雪年土壤温度高于少雪年。在季节性冻土区的消融阶段(2-4月和6月), 积雪对土壤还具有增湿作用, 多雪年土壤湿度高于少雪年。土壤的冻结也会阻碍积雪融水的下渗, 因此多雪年与少雪年土壤湿度的差异不超过±2%。在多年冻土区, 积雪偏多, 冻结深度加大, 有利于冻土发育; 而在季节性冻土区, 积雪增加则不利于冻土发育。

  • 峨眉山地区近地层微气象特征研究
  • 常娜, 李茂善, 王灵芝, 龚铭, 伏薇, 舒磊
  • 2022, 41 (1): 226-240. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00111
  • 摘要 (110) PDF (9872KB) (63)
  • 基于2019年12月至2020年11月峨眉山站梯度塔资料、 辐射观测资料和地表通量资料, 采用涡动相关法对峨眉山地区近地层的地表通量和蒸散发量的变化进行分析, 并估算了零平面位移、 空气动力粗糙度、 空气热力粗糙度、 动量通量输送系数和感热通量输送系数等重要的空气动力学和热力学参数。研究表明: 近地面风速呈现高层高、 低层低的特征, 且高层日变化较低层明显; 垂直风廓线在冠层内与冠层上存在明显不同的相关关系及拐点现象, 拐点以下风速随高度的增速明显比拐点以上的小; 零平面位移d年平均值为10.45 m; 空气动力学粗糙度Z 0m和空气热力学粗糙度Z 0h年均值分别为1.65 m和9.95 m; 动量通量输送系数CD和感热通量输送系数CH的年平均值分别为1.58×10-2和3.79×10-3; 近地层降水发生次数和降水量多寡有明显的季节变化, 7月降水日和降水量都较多, 近地层降水日变化明显, 表现出川西盆地典型的夜雨特征; 感热通量和潜热通量白天的主导地位随季节变化, 夏季潜热通量占主导地位, 冬季感热输送占主导地位; 各天的蒸散发主要发生在08:00(北京时, 下同) -17:00, 在11:00 -14:00达到最大值, 且季节差异明显。

  • CMIP6模式水平分辨率对模拟我国西南地区夏季极端降水的影响评估
  • 黄子立;吴小飞;毛江玉
  • 2021, 40 (6): 1470-1483. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.zk010
  • 摘要 (110) PDF (47075KB) (66)
  • 我国西南地区的地形地貌非常复杂, 当前的气候模式对该地区降水状况特别是极端降水的模拟技巧是比较低的。本文基于台站和卫星观测的逐日降水资料以及欧洲中心第五代再分析(ERA5)降水资料, 通过与CMIP6高分辨率模式比较计划(HighResMIP)中的12个模式高、 低分辨率模拟结果的对比分析, 评估了当前气候模式对西南地区夏季降水的模拟性能特别是模式水平分辨率对极端降水模拟的影响。结果表明: (1)在夏季降水气候态方面, 各HighResMIP模式模拟与台站观测之间的空间相关系数均超过0.75, 总体性能较CMIP5有明显提升, 但仍有超过半数模式明显低估了四川盆地降水。模式分辨率提高使横断山脉地形陡峭区的降水空间分布和强度更接近观测和ERA5资料, 但对四川盆地降水的改进效果不佳。(2)在夏季极端降水方面, HighResMIP模式对极端降水频率和强度模拟差异较大。CNRM-CM6、 FGOALS-f3、 GFDL和HadGEM-GC31等4个模式对极端降水的各项指标模拟总体较好, 但受气候态模拟偏差影响, 前三者模拟的极端降水在四川盆地偏弱, 而HadGEM-GC31在广西明显偏强。ECMWF-IFS、 EC-Earth3P、 IPSL-CM6A、 MPI-ESM1-2和MRI-AGCM3-2等5个模式中极端降水发生频率明显偏低。提高分辨率可以一定程度改进降水强度的模拟, 主要体现在提高地形陡峭区的降水强度, 但对地形平坦区如四川盆地降水强度改进不大。
  • 西南涡涡源研究的有关新进展
  • 李跃清
  • 2021, 40 (6): 1394-1406. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.zk005
  • 摘要 (110) PDF (11865KB) (191)
  • 西南涡及其天气影响是高原气象学的一个主要方向, 而西南涡的涡源则是其基本的科学问题。由于地形与环流的相互作用是西南涡涡源形成的重要机制, 一直是研究关注的重点。本文回顾了近10年来西南涡涡源研究的新进展, 尤其是认识到: 由于地形与环流的多尺度影响, 西南涡的生成涡源具有多尺度分布特征, 且不同涡源西南涡的结构、 演变、 成因和影响都具有明显差异; 西南涡的不同涡源存在相互联系, 九龙、 小金等上游涡源对盆地等下游涡源具有显著的影响; 西南涡的“上游涡源效应”、 复杂地形下的大气重力波、 降水引起的大气内部过程、 东亚季风环流的异常影响等也是西南涡涡源的形成机制之一, 大气外源强迫作用和大气内部变化过程都对西南涡涡源具有突出的作用。并且, 进一步强调了西南涡涡源的研究还面临精细观测与基础数据较薄弱、 涡源及演变的多尺度结构不清楚、 不同涡源的形成原因认识不深入、 不同涡源低涡的演变及其影响研究不系统等主要问题。最后指出, 高分辨率观测试验、 内部结构与异常特征、 演变过程及形成机制、 区域气候响应影响等是西南涡涡源问题未来的研究重点, 对西南涡系统及其影响的预测理论和关键技术发展有着重要的意义。
  • 扎陵湖和鄂陵湖夏季典型地表水热交换特征的数值模拟
  • 杨显玉, 吕雅琼, 文军, 马耀明, 孟宪红, 黄安宁, 田辉, 张少波, 王禹润, 赵林
  • 2022, 41 (1): 143-152. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00090
  • 摘要 (100) PDF (8825KB) (46)
  • 选用由美国国家环境预报中心NCEP和美国国家大气研究中心NCAR联合开发的新一代中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式, 采用两重网格单向反馈嵌套的方法对扎陵湖和鄂陵湖区域的大气边界层特征进行数值模拟, 并把湖泊水体下垫面替换为草地下垫面以设计另一组去除湖泊的敏感性试验与有湖的模拟结果进行对比。结果发现, WRF模式能较好地模拟出2 m高度温度、 感热和潜热的日变化特征。扎陵湖和鄂陵湖在白天(夜晚)具有很好的降温(保温)作用, 表现出明显的冷(暖)湖效应, 进而在湖-陆间产生温度差。这样的温度差异会影响局地风场, 白天在扎陵湖和鄂陵湖的中心区域分别有强度为1.0 m·s-1和0.5 m·s-1的下沉气流。而周围地区的上空出现了强度达到2.5 m·s-1的上升气流。扎陵湖和鄂陵湖对感热和潜热的影响均有显著的日变化, 扎陵湖和鄂陵湖使得白天湖面感热和潜热值低于周围陆地, 而夜晚两湖对感热和潜热的影响与白天相反。对大气边界层高度而言, 白天由于扎陵湖和鄂陵湖有效降低了湖区上空的大气边界层高度, 而夜晚扎陵湖和鄂陵湖对大气边界层高度的影响不明显。