外强迫随时间的变化对于非平稳系统的影响十分重要,如何从该系统中重构或提取外强迫信息则成为研究其中动力学特征的关键所在。本文基于慢特征分析方法(Slow Feature Analysis,SFA)以连续系统(改变的Lorenz系统)为参考模型,分别讨论在周期型强迫、减弱的周期型强迫、指数衰减型强迫、伴随指数衰减的周期型强迫等条件下,SFA方法对模型中不同强迫信号的提取能力。结果显示,SFA方法能够提取作用于连续系统中的外强迫信息,其提取效果与外强迫的强度、噪声以及嵌入维数m有关:对于越弱的外强迫或者存在越强的噪声干扰,提取效果越差,提取信号中将出现虚假的高频波动;嵌入维数m的增大能在一定程度上提高外强迫信号的提取效果。试验还表明,作用在单一变量上的外强迫会将其驱动信息嵌入于系统中,因此,可以通过SFA分析方法从其他变量中提取其外强迫信号。

半干旱草原碳收支对陆地生态系统碳源汇功能变化具有重要影响。本文基于通榆草甸草原站2011～2017年和毛登典型草原站2013～2017年涡动相关法观测数据,分析了生长季碳通量日变化特征,研究了碳通量日变化过程对主要环境因子的响应。结果表明:两处草原7月碳吸收活动最强,草甸草原生长季各月总初级生产力(gross primary production, GPP)、生态系统呼吸(ecosystem respiration, Re)和净碳交换量(net ecosystem exchange, NEE)的峰值均高于典型草原。NEE的日变化以单峰型为主,但7月、8月饱和水汽压差较高时,GPP在正午前后降低,引起NEE的双峰型日变化。光合有效辐射是草甸草原NEE日变化的主导因子,而在典型草原,浅层土壤含水量(5 cm)也主导了NEE日变化。水分亏缺使草原碳交换速率显著降低,草甸草原固碳速率对水分亏缺的敏感性强于典型草原。同时,水分亏缺也改变了GPP、Re和NEE对温度和光合有效辐射的响应关系。

基于WRF/Chem(Weather Research Forecasting/Chemistry)模式对2015年11月25日至12月2日我国北方一次大范围PM2.5(空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物,即细颗粒物)重污染过程进行了模拟。与观测资料对比表明,模式能够较好地模拟出PM2.5浓度及气象因素的变化趋势,结果适用于此次污染事件的机理分析。动力、热力条件及化学转化等因素对此次强污染事件形成的机理分析表明,动力因子主要通过表面风和垂直风切变的减弱对此次污染事件造成影响,边界层逆温等热力因子促进了大气稳定性的增强,不利于污染物扩散。依据PM2.5组成成分变化分析可知,硝酸盐、硫酸盐和有机碳在此次事件中含量增加,说明机动车汽车尾气和燃煤排放所致的二次气溶胶生成对PM2.5污染加剧起重要贡献。多元线性回归分析和多因子相对贡献率量化解析结果表明,热力因子在此次污染过程中起主要作用,方差贡献率为52%,动力因子次之,方差贡献率为34%,而化学转化方差贡献率约为14%,说明气象条件,尤其是热力条件是引起此次污染事件的主要原因。

使用NCEP-FNL全球分析资料作为WRF模式的初始场和边界场,利用该模式中6种行星边界层参数化方案对新疆进行2006年10月1日至2008年1月1日的模拟积分试验,重点考察模式在10 km水平分辨率下不同行星边界层参数化方案对新疆降水模拟的敏感性。结果表明:1)采用6种行星边界层参数化方案的模式都能较好地模拟出年、雨季总降水量的空间分布及月降水的季节循环。2)对于新疆整体来说,采用Grenier-Bretherton-McCaa(GBM)方案模拟雨季降水更接近观测,偏差在±30%以内。对于天山地区来说,采用Bougeault-Lacarrere(BouLac)方案模拟年降水更接近观测,偏差为-19.13%;采用GBM方案模拟中雨和大雨的TS评分最高分别为0.37和0.33,并且能够较好地模拟7月5次较大降水日中不同下垫面类型的昼夜降水,偏差在5 mm以内。3)BouLac方案能够较好地模拟天山地区年降水的时空分布特征,GBM方案更适合模拟新疆整体雨季期间降水。因此利用WRF模式开展新疆降水模拟研究时应考虑不同行星边界层参数化方案的适用范围。

对具有复杂下垫面的小区精细化风环境进行数值模拟是当前城市气象研究的热点,而针对具有复杂地形的山地型城市(如重庆)的研究还比较匮乏。本文采用能显式分辨下垫面陡峭地形和复杂建筑物的计算流体力学(CFD)模式对重庆市渝北区龙湖社区气候态下的精细化风环境进行高分辨率的数值模拟。结果表明,下垫面能显著调节小区内风场的分布,风速大值区主要出现在九龙湖等开阔区域以及与中尺度背景入流方向一致的街道中。在夏季,小区整体风场以东南风为主,而其他3个季节则以偏东风为主。4个季节中,夏季小区内的风速最大,平均风速为0.3 m/s左右,局地能出现大于背景风的风速,可达0.8 m/s;其他3个季节的风速则较弱,区域平均的风速在0.2 m/s左右。不同的建筑物布局对局地风环境的影响也不同:单个孤立高层建筑迎风面的近地面存在明显地绕流,局地风速有所增加,而在背风面则形成尾流区,水平风速较低;在低矮分散的建筑群,建筑物的整体高度不高,区域内流场相对来说比较一致,风速较大,有利于小区的通风;在密集高层建筑群内,由于建筑物群本身的布局比较封闭,加之不同建筑物的环流场存在相互干扰及影响,使得小区近地面风速几乎为零,不利于小区通风和污染物扩散。建筑物的这些影响在城市冠层内尤为明显,高度越高这种影响越弱。

现阶段的动力气候模式尚不能满足东亚区域气候预测的实际需求,这就需要动力和统计相结合的方法,将动力模式中具有较高预测技巧的大尺度环流信息应用到降水等气象要素的统计预测模型当中,以改善后者预测效果。本文中所介绍的组合统计降尺度模型,可将动力气候模式预测的大尺度环流变量和前期观测的外强迫信号作为预测因子来预测中国夏季降水异常。交叉检验结果显示,组合统计降尺度预测模型的距平相关系数较原始模式结果有较大提高。在实时夏季降水预测中,2013～2018年平均的预测技巧相对较高,趋势异常综合检验(PS)评分平均为71.5分,特别是2015～2018年平均的PS评分预测技巧达到72.7分,总体上高于业务模式原始预测和业务发布预测的技巧。该组合统计降尺度模型预测性能稳定,为我国季节预测业务提供了一种有效参考。

利用渤海沿岸微波辐射计、风廓线雷达、四分量辐射仪和超声风速仪等多种观测反演资料,并结合常规站点气象资料,卫星云图,浮标气象水文观测和FNL(Final)再分析资料研究了2016年12月17～19日一次环渤海大雾个例产生的天气水文条件以及边界层垂直分层的辐射和湍流特征。研究发现:(1)此次大雾出现在大陆低压前部、入海高压后部的西南低空急流控制区域,与强急流相伴的暖湿平流输送为雾区提供了稳定的逆温和持续的水汽积累,非常有利于大雾天气的形成;(2)水汽通量的分布与低空急流的移动密切相关,近地面比湿的增速与低空急流的强度成正比;(3)由于低空急流的水汽输送增湿了环渤海低层大气,从而增强了大气辐射的衰减效应,导致雾形成前向下短波辐射逐渐减小,向下长波辐射不断增加,净辐射在大雾形成后趋近于零;(4)逆温有效抑制了湍流的发展,近地层湍流动能和摩擦速度微弱。

本文利用2014年1月至2017年12月Ka毫米波雷达数据对北京地区云宏观特征进行统计分析。云出现率方面,4年平均值约36.3%;冬季最低,夏季最大;月出现率值9月最大,12月最小;出现率日变化有季节差异,春夏两季呈现中午(11:00,北京时间,下同)开始逐步升高至下午17:00后逐步下降的特点,增高幅度大于15%;冬、秋两季日变化特征不显著。高度方面,4年平均云底高约4.9 km,平均云顶高约7.2 km;云顶高和云底高的月变化特征明显,从年初1月开始逐步上升,在6月达到峰值,而后下降到12月达到低值;3～10月,高云(云底高>5 km)占约一半左右比例;厚度小于1 km的云在各月中所占比例最高;厚度1～4 km的云,厚度越大所占比例越低;特别地,厚度大于4 km的云所占比例在4～9月中仅次于厚度小于1 km云的比例。4年期间,北京地区单层云居多约占66.7%,两层云占比约25.2%,两层以上云占8.1%;冬季约80%的云为单层云,而6～9月云层分布变化最多,其中9月单层云比例最低约为40%。本文基于4年高时空分辨率雷达数据对北京地区云分布特征,特别是云垂直分布特征在数值上准确刻画,该项工作在已有云气候研究中尚未见开展,所获得的知识将对了解地区气候特征、区域模式云参数化选择提供参考。

选取了一组代表性的南海海啸源,并分别使用COMCOT海啸模式,以数值模拟的方法对南海局地海啸源进行了数值模拟,从海啸的传播影响时间、波高和能量分布等角度,分析了如果南海发生地震海啸,不同海啸源将会对我国南海沿岸地区和南海岛礁造成的影响。通过敏感性试验证实,海啸波的强度受地震震级变化影响较大,因此,如果南海发生强震引发局地海啸,不同海啸源将会给我国南海周边及岛礁等不同区域造成严重损害。

正确认识气候变化对流域森林植被和水文的影响对于林业经营管理与流域生态修复具有重要意义。为了揭示气候与植被覆盖变化对西南亚高山区流域碳水循环过程的影响,用生物物理/动态植被模型SSiB4/TRIFFID(Simplified Simple Biosphere model version 4, coupled with the Top-down Representation of Interactive Foliage and Flora Including Dynamics model)与流域地形指数水文模型TOPMODEL(Topographic Index Model)的耦合模型(以下记为SSiB4T/TRIFFID)模拟了不同气候情景下西南亚高山区的梭磨河流域植被演替和碳水循环过程。结果表明,所有试验流域植被经历了从C3到苔原灌木最后到森林的变化;控制试验流域蒸散在流域植被主要为苔原灌木时达到最大而径流深最小;增温5℃并且增雨40%试验[记为T+5,(1+40%) P试验]流域蒸散在流域为森林覆盖时达到最大而径流深最小。随着温度增加,森林蒸腾、冠层截留蒸发和蒸散的增加幅度明显大于草和苔原灌木,导致森林从控制试验的增加径流量变为减小径流量。从控制试验到T+5,(1+40%) P试验,温度增加使森林净初级生产力有所增加,但对草和苔原灌木的净初级生产力影响很小;植被水分利用效率随温度增加明显减小。西南山区随着海拔高度降低(温度升高),森林从增加径流量转变为减少径流量,植被水分利用效率也相应明显减小。西南山区气候的垂直地带性对森林—径流关系和水分利用效率的空间变化有着重要的影响。

2013年12月华东地区发生历史罕见的超过20 d连续重度霾天气过程。本文利用NCEP/NCAR再分析资料、华东地区大气细颗粒浓度资料以及常规气象观测资料对此次天气过程的环流形势、持续机制和前期外强迫因子展开分析。结果表明,此次华东连续重度霾天气和东亚中高纬阻塞高压活动密切相关。2013年12月白令海到鄂霍茨克海阻塞活动加强导致东亚地区天气瞬变扰动异常偏弱,贝加尔湖东侧弱高空脊长时间维持,我国东部地区受弱偏北风影响,大气扩散条件较差,有利于华东本地大气细颗粒物积累和北方霾粒子向华东地区输送。进一步研究表明2013年12月鄂霍茨克海阻塞高压活动偏强可能和前期热带印度洋暖海温异常有关。

华西地区(25°N～35°N,100°E～110°E)是中国秋季降水主要地区之一。本文根据华西地区72站月平均降水资料、NCEP/NCAR再分析资料和哈德莱中心海温及海冰资料,利用相关和回归等分析方法研究了1961～2014年华西地区秋雨的年代际变率及其与大气环流和海温的关系。华西秋季降水年代际变率分解为呈现显著下降趋势的P1时段(1964～1998年)和呈现上升趋势的P2时段(1998～2014年)发现,对应P1时段降水下降趋势的华西区域大气位势高度异常场具有西正东负结构,大尺度环流场显示为从大西洋东传经北极巴伦支—喀拉海区至东亚的准纬向波列,该波列体现了上游负位相NAO(North Atlantic Oscillation)的调制作用。对于P2时段的降水上升趋势,其位势高度场配置与P1时段相反,而大尺度波列结构在欧亚大陆的部分呈西北—东南走向,且整体偏西,体现了上游正位相NAO的调制作用。这种环流结构导致华西区域西北侧形成负异常中心,有利于西南暖湿气流进入研究区域。影响华西秋雨趋势转折的海温关键区位于热带中东太平洋和热带印度洋。在P1时段,华西秋雨降水趋势与同期热带中东太平洋和印度洋海温呈显著正相关关系。而在P2时段,华西秋雨与前冬热带中东太平洋和印度洋海温存在显著负相关,前冬西北太平洋海温正异常也同时影响了华西秋雨的上升趋势。

基于NCEP/NCAR再分析资料,利用信噪比(SNR)方法研究了南海夏季风强度潜在可预报性的年代际变化,结果表明:南海夏季风强度潜在可预报性在20世纪80年代出现了由潜在可预报性偏低位相向偏高位相的年代际转折。进一步的研究发现,南海夏季风强度潜在可预报性和东印度洋—西太平洋(EIOWP)的海表温度(SST)存在明显的正相关。当EIOWP区域SST年际变率较大时,对南海夏季风影响较强,使得南海夏季风的外部信号增强,从而提高了潜在可预报性;当EIOWP区域SST年际变率较小时,对南海夏季风影响较弱,南海夏季风的外部信号进而减弱,潜在可预报性降低。

利用再分析数据,以在北半球冬季与北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)相关的向下游传播的准定常波列在欧洲地区是否发生反射为标准,将1957/1958年至2001/2002年这45个冬季分为高纬型和低纬型两类冬季,分别简称为在H型和L型冬季。在H(L)型冬季,和NAO相联系的向下游传播的Rossby波列主要沿高纬度(低纬度)路径传播。对比了在两种类型冬季NAO与同期大气环流、近地面温度(Surface Air Temperature,SAT)、海表面温度(Sea Surface Tempertaure,SST)和降水的关系。结果表明:大气环流方面,在H型冬季,300 h Pa位势高度异常在西—西伯利亚和中—西伯利亚西部与NAO呈现正相关,而在L型冬季300hPa位势高度异常在亚洲东海岸(约40°N)和北太平洋呈现正相关,在H型冬季与NAO相关的经向风异常在中纬度形成波列,而在L型冬季与NAO相关的经向风异常在副热带形成波列;SAT方面,在H型冬季SAT异常在欧亚大陆腹地高纬度地区与NAO呈现正相关,而在L型冬季与NAO相关的SAT异常在欧亚大陆腹地的高纬度地区相对较弱,但NAO造成的SAT异常可以扩展到亚洲东北部;降水方面,H型冬季与L型冬季主要区别在中国南方,在H型冬季降水异常与NAO的关系相对较弱,而在L型冬季降水异常与NAO呈现正相关关系;SST方面,同期SST异常在北大西洋中纬度海域与NAO呈现正相关,而在L型冬季与NAO相关的SST异常在北大西洋中纬度地区相对较弱,在北大西洋北部和南部较强。总体而言,在H型和L型冬季,NAO具有不同下游影响。

为了解邢台沙河市冬季大气污染特征,选取2017年12月至2018年2月沙河市区3个省控站点（司法局、市政府、宣传中心）的逐时监测数据,分析了沙河市主要污染物的时空分布特征和潜在源区。污染物浓度特征分析表明:整个冬季司法局、市政府和宣传中心站点的细颗粒物（PM2.5）平均浓度分别为118.0μg/m3、121μg/m3和135μg/m3。在大气自然活动和人为污染排放的共同作用下,PM10、PM2.5、SO2、NO2和CO均有明显的日变化特征。整个冬季沙河市的ρ（PM2.5）/ρ（PM10）、ρ（SO2）/ρ（NO2）均值分别为0.57和1.05（ρ为各物质的浓度）。且随着污染加重,ρ（PM2.5）/ρ（PM10）、ρ（SO2）/ρ（NO2）均明显升高,表明燃煤贡献增加;污染物空间分布特征分析表明:位于3个站点东北处的玻璃企业产生的污染物可能对监测站点造成了一定影响。污染物空间差异分析表明,区域污染范围越大、强度越高,大气污染的空间差异性越小;潜在源分析表明:沙河市PM2.5的强潜在源区分布在其周边区域,随着PM2.5浓度增加,强潜在源区呈缩小趋势。沙河市东南部的本地源对PM2.5浓度有主要贡献,而此处正是玻璃企业的聚集地。

通过对60年(1950～2009年)北半球夏、秋季(6～10月)热带气旋(TC)频数与春季(3～5月)大尺度环境变量的相关分析,挑选出8个相关性较高的前期预报因子建立人工神经网络(ANN)模型,对2010～2017年8年夏、秋季TC频数进行回报,并将回报结果与传统多元线性回归(MLR)方法所得结果进行对比分析。结果表明,ANN模型对60年历史数据的拟合精度高,相关系数高达0.99,平均绝对误差低至0.77。在8年回报中,ANN模型相关系数为0.80,平均绝对误差为1.97;而MLR模型相关系数仅为0.46,平均绝对误差为3.30。ANN模型在历史数据拟合和回报中的表现都明显优于MLR模型,未来可考虑应用于实际的业务预测中。

为进一步加深南北气候过渡带上山地丘陵地区的风场认识,利用淮南2015年3月至2016年2月ST(Stratosphere-Troposphere)风廓线雷达的探测资料,分析了该地区20 km高度内风场的变化特征及垂直结构。结果表明:淮河流域850 h Pa、700 hPa、500 h Pa、100 h Pa等压面高度上,风场有明显的垂直变化,风速及其波动幅度随春、夏、秋、冬先减小后增大,且随高度增加,夏季最小、冬季最大的季节规律逐渐增强;风场的垂直分布存在差异,在中低层以下,以小于10 m/s的风为主,风向转换多,中低层以上10～25 m/s的偏西风居多;年平均风场结构为低层以5 m/s北风为主,到2 km左右向西偏转,风速小于10 m/s,在5 km高度处形成15 m/s的西风,且风速持续增大,10 km左右达到25 m/s后逐渐减小,到15 km左右风向顺时针向北偏转,直到20 km附近与低空风场相近。

根据1981～2015年华北地区地面基本气象要素定时值数据集和地面气候日值数据集站点资料,分别利用14时实测值法和目标区域极端事件的客观识别方法挑选霾日数和持续霾事件,并分析了它们的特征;,然后对持续霾事件进行了分类研究。结果表明:(1)华北地区霾日数空间分布极不均匀,有4个大值区:吕梁山和太行山之间的河谷地区、沿太行山以东的平原、河南北部、环黄海和渤海地区。(2)华北地区共挑选出111个持续霾事件,其中,持续3～5 d的事件最多,占了总数的86.5%,最长的事件可达12 d。(3)持续霾事件和霾日数的空间分布特征相似,且存在明显的年、季变化。1981～2015年持续霾事件数呈增加趋势,冬季增加最显著,其次是秋季和春季,夏季最少。(4)结合地形、霾日数、持续霾事件的分布和环流特征把持续霾事件分为7类,对发生频次较多的4类(华北地区型,河南北部及太行山以东的平原型,河南北部型,河南北部及环渤海、黄海地区型)的环流进行了对比分析。其环流形势的主要特征包括:对流层的中低层华北地区为纬向西风气流或脊前西北气流,我国南部或东南部地区高压西部的西南气流与华北地区的偏西气流产生弱辐合下沉气流;近地面层由于地形的影响形成垂直环流圈,霾最严重的地区一般出现在地形的东坡和垂直环流圈的下沉支。近地面东南气流和低层的西南气流向该地区输送了暖湿空气和污染物。华北地区霾发生位置的不同,主要由低层我国东部或者南部高压的位置和强度,以及局地垂直环流的下沉支的位置决定。这些研究结果可以为华北地区持续性霾的防控提供参考。

利用1980～2017年厦门逐小时降水资料和NCEP再分析资料,分析厦门地区极端降水事件的气候特征,并初步讨论其成因。研究结果表明:1)极端降水事件的年发生频率呈现减少的趋势,厦门岛的减少趋势要比内陆更为显著。2)小时尺度的极端降水事件在较小尺度空间内无论是发生频率还是强度都存在明显的区域性差异,内陆地区在发生频率和强度上均高于厦门岛,但强度的平均值一致。3)造成极端降水事件的天气系统有4类,分别是热带气旋型、冷式切变型、西南风气流型和低槽冷锋型。随着城市抗灾能力的提升,对极端降水预报的要求也不断提高,基于小时值的结论可以为未来厦门地区极端降水事件的预报提供参考基础,进而提升预报的有效性和针对性。

利用地面细颗粒物（PM2.5）浓度和气象常规观测资料、地基AERONET观测资料、GFED生物质燃烧排放清单和大气化学—天气耦合模式WRF-Chem,模拟研究了华北地区2014年10月气象要素和大气污染物的时空演变,重点关注北京10月7～11日的一次重霾事件及其天气形势、边界层气象特征、输送路径、PM2.5及其化学成分浓度变化等特征,以及秸秆燃烧对华北和北京地区细颗粒物浓度和地面短波辐射的影响。与观测资料的对比结果显示,模式可以很好地模拟北京地区地面气象要素和PM2.5质量浓度,考虑秸秆燃烧排放源可以明显改进北京PM2.5浓度模拟的准确性,但在重度污染情况下,模式总体上低估气溶胶光学厚度和高估地面短波辐射。10月7～11日北京地区重霾事件主要是不利气象条件下人为污染物累积和区域输送造成,也受到华北地区南部秸秆燃烧的影响。河南北部、河北南部和山东西部大面积秸秆燃烧释放的气态污染物和颗粒物在南风的作用下输送至北京,秸秆燃烧对北京地区地面PM2.5、有机碳（OC）、硝酸盐、铵盐、硫酸盐和黑碳（BC）的平均贡献率分别为24.6%、36.8%、23.2%、22.6%、7.1%和19.8%,秸秆燃烧产生的气溶胶可以导致北京地面平均短波辐射最大减小超过20 Wm-2,约占总气溶胶导致地表短波辐射变化的24%。