摘要:

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摘要:围绕“地球系统与全球变化”重点专项项目“中国极端天气气候事件的形成机理及其预测和归因”2024年度主要进展,从极端事件变化的观测事实、环流特征与动力学机理,海洋关键过程与海气相互作用机理,海洋过程对极端天气气候的影响,陆面过程及其影响研究,极端事件模拟与预测等5个方面介绍了项目的最新研究成果。项目2024年度主要进展:1)揭示了变暖趋势对中国近40年破纪录高温事件的影响,给出了基于通用热气候指数(universal thermal climate index,UTCI)的中国区域极端高温事件的空间分布型与长期趋势事件的变化事实,揭示了不同增暖期我国东部地区小时-日极端降水的变化特征的观测事实、中国东部夏季长、短寿命高温热浪事件的区域性差异及对应的大尺度环流异常特征;阐明了长江中下游极端热浪事件及其热、动力学特征,对人类活动对亚洲热点区域极端温度事件影响开展了归因分析。2)量化了前期冬季北太平洋涛动NPO对后期ENSO发展的作用,指出热带太平洋年际-年代际变率在超长La Niña事件形成有重要贡献;揭示了La Niña纬向位置对印度洋偶极子的调制机理,发现ENSO对东海-黑潮区域海温的影响存在季节性反转;开展了黑潮延伸体区域SST异常和海洋热浪的季节可预报性研究,阐明了非线性过程对大气季节内振荡(Madden-Julian Oscillation,MJO)振幅演变和极端MJO形成的作用,探讨了人为因子、自然强迫及气候系统内部变率对北大西洋多年代际变化的影响途径和物理过程; 3)揭示了ENSO对晚冬“暖北极-冷欧亚”模态的非对称影响,发现ENSO与中国东部前、后冬降水模态及黑潮反气旋的联系,阐释了ENSO对东海-黑潮区海温和东亚降水的季节性变化机理;指出Mega-ENSO与西北太平洋台风生成区域的向极移动存在密切联系,揭示了热带跨洋盆海气相互作用对台风生成位置和频次的影响过程;发现南极变暖驱动南大西洋变暖对2022年东亚高温热浪具有重要,热带北大西洋变率对我国东北森林野火有重要调控作用;4)揭示了欧亚大陆土壤湿度次季节变化对我国北方群发性极端降水事件的影响机制,评估了积雪覆盖对温度次季节变化及预测的影响;开展了陆面因子与陆气耦合过程影响干旱的归因与预估研究;阐明了陆面过程与海陆协同影响中国夏季降水和超级梅雨、极端降水的物理机制;评估了华北夏季灌溉对降水日循环和区域水循环的影响及城市化对珠三角暖季中尺度对流系统和强降水的影响。5)系统评估了CMIP6模式对“暖北极-冷欧亚”模态前后冬次季节反转的模拟能力,构建了中国东南区域复合极端湿热事件的季节预测模型;利用年际增量方法构建了华北盛夏强降水频次(heavy precipitation days,HPDs)的物理统计预测模型,基于深度学习方法改进动力模式对长江中下游流域夏季极端降水的预测性能;此外,还开展了动力模式的发展及预测应用研究。最后,展望了面临的挑战和需要进一步加强研究的相关问题,以期为推动我国极端天气气候领域的研究提供一定参考。

摘要:基于中国区域1961—2020年逐日气温站点观测资料,考虑极端事件的时空关联性,利用群发性极端事件识别方法,对近60年中国群发性高温天气、酷热天气、极端高温、极端低温及剧烈降温等5类极端温度事件进行了识别并建立了数据集,分析了不同类型群发性极端温度事件的演变特征。结果表明:群发性高温及酷热天气事件主要发生于夏季,高发区位于新疆地区和江淮流域,综合强度排名前十的事件有7次发生于2000年以后,且持续时间和影响范围显著增强;群发性剧烈降温事件主要发生于除夏季外的其余三个季节,内蒙古及东北南部发生频率最高,长江以南地区次之,近年来群发性剧烈降温事件发生频数略有下降,但持续时间、影响范围及降温强度却保持稳定;群发性极端高温事件和极端低温事件在全年全区域均有发生,在全球变暖背景下,前者各项指标呈显著上升趋势,而后者呈显著下降趋势。本数据集的建立为深入理解极端温度事件的演变规律及机理提供了数据基础。

摘要:青藏高原对我国气候、天气有重要的影响,青藏高原地区的观测分布相对于我国东部区域虽然密度稀疏,但对我国东部长江中下游地区预报有一定的影响。本文利用CMA-MESO快速更新循环系统对2020年7月上旬长江中下游地区的梅雨天气过程进行模拟,研究青藏高原地区观测资料的缺失对下游地区天气系统预报的影响。试验结果表明,青藏高原地区的观测资料缺失明显影响长江中下游地区24～72 h的地面2 m温度和10 m风场预报质量,对前3 d的降水预报也有显著负贡献。目标区观测资料影响估计也表明,青藏高原观测资料的影响主要在长江中下游地区,24～72 h的预报信号方差在长江中下游地区最大。因此,改进长江中下游地区预报质量也需要考虑青藏高原的观测资料影响。另外,针对我国东部区域进行高分辨率模式模拟时,往往研究区域范围不包括青藏高原地区,但研究区域外的观测和预报信息时空传播对预报的影响也不可忽视。

摘要:沙尘天气对社会经济与生态环境产生不利影响,认识其年代际变化并探索其未来态势具有重要意义。本文使用站点资料与再分析数据,研究了调控1961—2020年3—4月华北地区沙尘日数年代际变化的关键大气环流,并利用CMIP6和CESM-LE两套模式数据预估其近期变化。结果表明,华北地区沙尘日数在20世纪80年代末90年代初发生了显著突变,高发时期(1961—1989年,P1)的沙尘日数大约是低发时期(1992—2020年,P2)的3.5倍。这一变化受到由西欧平原东传至乌拉尔山及蒙古高原的波列系统(西欧低压-乌拉尔山高压-蒙古低压异常,anomaly of geopotential height in Western Europe,Ural Mountains and Mongolia,简称EUM)影响。相较于P2时期,P1时期波列较强,乌拉尔山地区位势高度升高,其东部异常偏北气流有利于冷空气南下。蒙古地区位势高度降低,显著的蒙古气旋异常为华北地区沙尘天气提供了动力条件。同时沙源地上空水汽辐散,不利于降水。EUM指数具有与华北地区沙尘日数较为一致的年代际变化特征,对后者未来变化有一定的指示作用。但不同模式对EUM年代际变化的模拟能力差异较大。通过筛选能够再现EUM年代际减弱特征的最优模式集合,发现在高排放情境下,未来近期(2021—2050年,P3)EUM显著增强,有利于华北地区沙尘天气增加。

摘要:青藏高原东侧(the eastern slope of the Qinghai-Xizang Plateau,ESQP)因其复杂多变的地形和显著的地势梯度,一直是气候模式模拟挑战性极高的地区。本研究基于第六次国际耦合模式比较计划中的高分辨率模式比较计划(CMIP6 HighResMIP),利用高分辨率(high-resolution,HR)模式及其对应的低分辨率(low-resolution,LR)模式,对青藏高原东侧地区降水模拟进行了评估。结果表明,LR与HR模式均能较好地重现青藏高原东侧地区年降水的空间分布,且均反映出从西北向东南递增的降水模态。对比之下,HR模式在降低青藏高原东侧地区降水模拟偏差方面较LR模式展现了显著的优势。多模式集合(multi-model ensemble,MME)的分析结果揭示,年均降水量的模拟偏差由LR模式的1.05 mm/d减少至HR模式的0.96 mm/d。在模拟极端降水事件方面,HR模式也显著优于LR模式,这一提高在四川盆地尤为突出。采用强降水天数(R10mm)和单日最大降水量(Rx1day)作为评价极端降水模拟的指标,相较于LR模式,HR模式的R10mm相对误差下降6％,Rx1day相对误差降低5％。最后,利用物理尺度诊断方程分析了LR和HR模式在极端降水模拟中的热力、动力效应,讨论了HR模式模拟性能提升的原因,发现更高分辨率的模式能够更为真实地再现大气环流和水汽条件。量化分析表明,HR模式在动力效应提升方面有91％的相对贡献,在热力效应提升方面有8％的相对贡献。这表明,模式分辨率的提升对于青藏高原东侧地区降水模拟准确性是一个至关重要的因素。

摘要:利用逐月Hadley Center海表面温度、NCEP/NCAR海表面风场和海平面气压等资料,探讨了南大西洋副热带海表面温度的特征及其与ENSO(El Niño-Southern Oscillation)的关系。结果表明:1)在北半球冬季,南大西洋副热带海表面温度异常的EOF(empirical orthogonal function)第一模态(解释方差为27.82％)呈现东北-西南的反位相分布,即南大西洋副热带偶极子(South Atlantic Subtropical Dipole,SASD);其形成主要是由于南大西洋副热带高压变化引起了表面风的变化,表面风的变化引发了潜热通量东北-西南异常反位相分布,从而导致了海温的变化。2)SASD存在明显的季节锁相特征:9—11月SASD模态开始发生发展,12月—次年2月成熟并达到峰值,次年3—5月减弱。3)1960—2022年SASD主要以4～6 a的时间尺度发生周期变化。4)SASD与ENSO存在较强的相关关系,两者的相关系数达0.55,其中正、负SASD分别与厄尔尼诺、拉尼娜事件相对应。与El Niño同时发生的正SASD事件对El Niño的强度和范围有增强和扩大的作用,且正SASD与El Niño事件同时发生会激发次年La Niña事件发生,La Niña事件反过来又能加强下一年负SASD事件的强度。

摘要:近25年来云南5月降水年际变化特征减弱而年代际变化特征明显,在1999—2008年和2009—2023年发生了一次明显的由多转少的年代际变异,本文分析了这两个时段降水的持续异常特征及其环流成因。结果显示:1)1999—2008年和2009—2023年两个时段的全省性降水差异明显,平均的云南5月降水距平百分率分别为37.9％和-19.7％,且大部地区的降水量差值超过20 mm,其中中西部地区超过了60 mm。2)1999—2008年中高纬度环流有利于冷空气南下影响云南,阿拉伯海和孟加拉湾500 hPa高度场偏低,700 hPa风场为异常气旋环流,输送到云南境内的水汽偏多,降水偏多,而2009—2023年则与之相反。3)1999—2008年和2009—2023年两个时段环流差异明显的区域位于中低纬度。1999—2008年阿拉伯海季风和印缅槽同时偏强,云南5月降水主要受阿拉伯海季风强弱的影响。2009—2023年阿拉伯海季风和印缅槽偏强的时段不对应,同时西太平洋副热带高压偏强,其南侧的异常东风对来自印度洋的水汽输送有阻挡作用,其北侧的西风异常位于云南和华南一带,也不利于北方冷空气影响云南。4)利用欧拉方法计算的两个时段的云南水汽输送通量特征表明,1999—2008年5月60°E附近越赤道气流偏强,到达云南的印度洋暖湿水汽输送偏强,水汽辐合增强,而2009—2023年则与之相反。1999—2008年来自南(西)边界的水汽大(小)于2009—2023年;基于拉格朗日方法计算的700 hPa和500 hPa云南水汽输送轨迹特征显示,1999—2008年来自印度洋(西风带)的水汽输送轨迹数比2009—2023年分别偏多21％和25％(偏少2％和41％)。

摘要:基于1961—2022年逐日站点降水观测资料,选取年最大降水量序列(annual maximum,AM)和超门限峰值序列(peak over threshold,POT),对气候变化背景下海河流域极端降水的时空变化及其统计特征进行研究。结果表明,过去62 a,海河流域有54个站的年最大日降水量呈增加趋势,有79个站点表现出减少的趋势。从单个气象站点来看,年最大降水量的最大值发生的时间大多集中于20世纪60—70年代,且以汛期(7、8月)居多。进一步利用多种极值分布方法、L-矩法和K-S检验等方法,发现广义极值(generalized extreme value,GEV)、广义帕累托(generalized Pareto,GP)极值分布函数分别能够较好拟合AM和POT序列。比较不同重现期水平下的降水量,发现AM序列及其对应的GEV分布能够更好地模拟海河流域极端降水。

摘要:为研究极端暴雨过程对海河流域暴雨空间分布特征的影响,利用流域内252个国家气象站1961—2023年日降雨量数据划分了暴雨过程,计算总暴雨日数(I_day)、累积降雨量(I_pre)、平均日降雨量(I_24pre)和最长持续天数(I_dur)4个暴雨特征变量,分析了流域历史时间段和“23.7”“63.8”两次极端暴雨过程的空间分布特征,进而采用K均值聚类分析了两次极端暴雨过程对流域暴雨空间分布特征的影响,定量评估了影响贡献率。结果显示,海河流域在太行山前西南至东北一线的气象站历史时间段I_day相对少,但I_pre更多,暴雨过程极端性更强。“23.7”暴雨过程覆盖范围比“63.8”过程大,超过50％的气象站I_day≥3 d,I_dur最长为6 d,单站最大I_pre和I_24pre分别为1 009.7 mm和452.7 mm·d^-1。若无两次极端暴雨过程,海河流域暴雨分布特征将更均质化,由“山区-山前平原-平原”分布变为“山区-山前及平原”分布。单次极端暴雨过程对流域暴雨特征变量的贡献率可超过10％。

摘要:土壤温度异常的记忆建立了前期土壤温度异常与后续土壤温度及大气异常的联系,因而土壤温度再分析数据的大量使用使得土壤温度异常的记忆在再分析数据中的评估尤其重要。本研究利用1979—2019年ERA-Interim、ERA5和GLDAS土壤温度再分析数据及中国区域土壤温度观测数据,采用统计分析的方法对比了我国土壤温度异常在月尺度上的记忆特征。结果显示,ERA-Interim、ERA5和GLDAS数据对浅层土壤温度气候态的空间分布均有很好的再现能力,对表层土壤温度在表层的持续特征也有很好的再现。在土壤温度记忆的空间分布上,ERA5和ERA-Interim在整个土壤层土壤温度的记忆高值区主要位于400～800 mm的多年平均降水区,约为8～10 mon;GLDAS的空间分布同ERA5、ERA-Interim明显不同,西部显著高于东部。在月际变化上,再分析数据土壤温度记忆在不同月份间的空间分布均呈现出显著的相似性。此外,土壤温度异常存在明显的随时间向土壤深层传播的特征。ERA-Interim和ERA5的前期整个土壤层的土壤温度异常信号在浅层土壤持续较长的区域主要位于山西、陕西及河南,而GLDAS主要在西部地区。同观测数据的对比显示,GLDAS、ERA5能较好地表达出观测数据中表层土壤温度异常在土壤表层持续的特征,但3种再分析数据对整层土壤温度异常在整个土壤层的持续特征不能很好地体现。再分析数据对土壤温度异常持续时间的表达能力具有很大的月份及地区差异,因此在统计分析及数值模拟中使用土壤温度再分析数据研究土壤温度异常对后续气候的影响时,应对再分析数据中土壤温度异常的持续性进行评估以保证研究结论的可靠性。

摘要:利用反气旋式局地有限振幅波作用量(anti-cyclonic local finite-amplitude wave activity,ALWA)定义了冬季北大西洋和乌拉尔山区域的瞬时阻塞指数I_BA。I_BA是基于准地转位势涡度(quasi-geostrophic potential vorticity,QGPV)的非线性物理量,反映了任意QGPV对于无扰动参考态的极向偏移程度以及任意振幅波动与温带急流在时空上的反相关关系,故其不仅涵盖了传统2类阻塞指数的特点,即同时描述西风翻转和振幅异常,而且弥补了传统指数对急流时空变异性描述的不足,防止了对切断低压、弱槽以及副热带、副极的虚假系统的错误识别。最重要的是,I_BA具有动力学意义,可以直接通过其收支方程对阻塞系统的变化进行定量诊断。本文给出了冬季北大西洋和乌拉尔山区域的I_BA阈值。通过计算基于I_BA的阻塞事件的各参数趋势,发现乌拉尔山阻塞的发生频率和阻塞总天数自1990年之后存在显著的增加。在年际尺度上,北大西洋阻塞的变率与NAO(North Atlantic Oscillation)呈显著的负相关关系,NAO负位相时期阻塞频率更高、强度更强、生命史更长;而乌拉尔山阻塞的变率则与EA/WR(East Atlantic/West Russia)以及ENSO(El Niño-Southern Oscillation)循环存在显著的负相关关系,其频率在EA/WR负位相和La Niña位相时期更高,生命史在EA/WR负位相时期更长,且均对应着强烈发展的槽脊和明显的东亚冷空气活动。

摘要:利用2018—2022年夏季江淮地区IGRA探空资料和ERA5再分析资料,通过线性拟合方法实现了探空数据对ERA5再分析数据对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)的校正,以此计算得到了江淮地区夏季逐日08时和20时(北京时,下同)校正的对流有效位能,并结合地形分布,分析了江淮地区CAPE的时空分布特征。结果表明,08时CAPE的概率密度分布曲线峰值约为1 200 J/kg,20时可达1 500 J/kg。江淮地区夏季CAPE空间分布呈现自东南向西北、河谷向山峰递增的特征;CAPE高值中心多出现在三山(大别山、黄山和九岭山)包夹的长江河谷地带,而低值中心一般出现在山峰地域。江淮地区夏季逐日CAPE季内变化范围较大,超过1 400 J/kg;其日变化曲线谷值出现在05时,约为850 J/kg,峰值出现在15时,约为1 200 J/kg。此外,江淮地区夏季的CAPE与地形高度为负相关,而与地形指数为正相关关系,低海拔的陡峭地区CAPE较强。

摘要:随着“一带一路”背景下通用航空发展战略的实施与国家低空空域管理的改革,我国通用航空行业进入快速发展期,与之相匹配的专用机场建设需求呈现爆发式增长。低空天气预报和气象灾害监测成为影响通用航空发展的关键因素。本文通过梳理、比较已有研究成果,总结国内外通用航空气象灾害监测与预报预警技术的发展成果,以期为后续相关研究提供理论参考与经验借鉴。本文通过文献调研法与特征归纳法,对比分析并归纳总结了当前通用航空气象预报服务的研究进展与实践成果。文章具体从通用航空气象预报业务现状、影响通用航空安全的主要气象灾害要素、气象灾害的预报预警技术和通用航空气象服务的发展等4个方面梳理了已有国内外相关研究成果。后续有必要从通用航空相关气象灾害生消机理、监测预报预警技术研发、业务流程及相关政策法规工作等方面开展研究,进一步完善通用航空气象灾害预报预警系统,为全面推进公共运输航空与通用航空的战略部署提供坚实的科学基础和理论依据。