通过温室气体排放和土地利用/覆盖变化,人类活动对气候变化产生显著影响。为了探究在不同温室气体浓度(Greenhouse gas concentration,GHG)背景下,相同的土地利用/覆盖变化(Land Use and Land Cover Change,LULCC)对于欧洲区域气候的影响差异,采用CESM(Community Earth System Model)耦合模式进行了模拟研究。研究发现,在1850年温室气体浓度背景下,土地利用/覆盖变化导致欧洲中东部地区降水显著增加,而在2000年温室气体浓度背景下,土地利用/覆盖变化导致欧洲中东部地区降水减少。温室气体增加后,LULCC导致该地区对流层低层大气环流由辐合变为辐散,气温以及大气水汽含量降低,这些变化能较大程度的改变LULCC对区域降水的净影响力。

为了探讨北京首都国际机场冻雨过程产生的可能机制,利用NCEP再分析资料、风云2号E星（FY-2E）的云顶亮温（Black Body Temperature,TBB）逐小时资料及风云3号A星（FY-3A）反演的云顶高度日平均资料做为检验依据,使用美国非静力中尺度模式（Weather Research and Forecasting,WRF）对2013年1月31日发生在首都机场附近地区的一次冻雨过程进行模拟,得出以下结论:1)模拟结果中的云顶温度与FY-2E的TBB逐小时资料对应较好:此次冻雨过程,整个降水云系云顶温度在0-6°C之间,模拟结果水成物的垂直分布也得到了较好的印证;通过FY-3A反演的云顶高度日平均资料的检验,证明此次冻雨过程的云高基本维持在3 km左右,而且云微物理固态项的含量少。2)云顶温度、云顶高度实况与模式模拟表明此次过程是一次典型的暖雨机制冻雨,这说明产生北方冻雨的可能机制并不单一,冰相机制与暖雨机制可以同时存在。

利用区域气候模式PRECIS(Providing Regional Climates for Impacts Studies),首先选取若干旱涝指标,在验证模式对各旱涝指标的模拟能力的基础上,分析SRES A1B(Special Report on Emissions Scenarios A1B)情景下华南地区21世纪中后期(2040～2099年)各旱涝指标相对气候基准时段(1961～1990年)的变化情况,进而初步探讨华南地区未来旱涝情况的可能变化。研究表明,PRECIS能够较好地模拟出所选取的旱涝指标的年际变化和月变化特征;在SRES A1B情景下,21世纪中后期华南地区极端强降水事件的发生频率和强度都将显著增加,且强降水期将有所延长,从而使得华南地区出现雨涝灾害的可能性大大增加。与此同时,华南地区未来在春季、夏季和秋季发生气象干旱的可能性变化不显著,但在冬季发生气象干旱的可能性却将增加,尤其是在21世纪后30年冬季出现气象干旱的可能性更高。

利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG/IAP)发展的耦合的气候系统模式FGOALS-s2工业革命前控制试验结果研究了大西洋经向翻转流(Atlantic Meridional Overturning Circulation,AMOC)的年代际变率及其物理机制。传统AMOC是利用深度坐标下的质量流函数来表征,本文通过对密度坐标下49.5°N的AMOC指数与其余纬度的AMOC指数作相关分析,发现AMOC的变化有从深水形成区向南传播的过程,且密度坐标下的AMOC变率在北大西洋高纬度明显大于低纬度。分析进一步表明,模式模拟的AMOC具有年代际振荡,周期约为70年。这个低频振荡主要是由与AMOC变化相关的温度和盐度的变化与海表风场之间的相互作用引起,具体机制如下:格陵兰—冰岛—挪威海有异常强的海表风场,导致蒸发增强,继而使海表盐度增加,深水形成增多,从而使AMOC增强。AMOC加强后,会使得向北的热量和盐度输送增加,减弱此处的经向温度梯度,风场随之减弱,从而完成位相的反转。

利用NECP/NCAR再分析资料、国家气候中心和NOAA相关资料,研究了与2014年浙江夏季低温多雨事件相关的大尺度环流特征和海温因子。结果表明:中纬度我国东部到日本南部气旋性环流异常的存在有利于浙江夏季出现低温多雨,异常偏强偏南的西太平洋副热带高压(简称副高)是8月罕见低温多雨的直接原因;东亚—太平洋型遥相关(EAP)和欧亚型遥相关(EU)是影响浙江夏季低温阴雨的主要遥相关型,当EAP负位相和EU正位相时,冷空气容易堆积和南下,与暖湿气流交汇,有利于降水降温,8月罕见低温阴雨是EAP负位相和EU正位相协同作用的结果。进一步的分析表明ENSO暖位相激发了西太平洋上空强烈的异常下沉气流和反气旋,使得副高偏南偏强,东亚地区呈EAP波列型响应;热带印度洋海温全区一致模态(IOBW)暖位相的维持进一步减弱了8月海洋性大陆地区的对流活动;北大西洋中部海温季内的变化或许与EU位相的转变有联系。

基于高温日数存在受不同物理因子影响不同时间尺度变率的特征,应用滤波对华南夏季高温日数进行时间尺度分离,得到高温日数的年代际分量和年际分量。统计分析高温日数总量、年代际分量和年际分量在各自对应时间尺度上的影响因子,采用"向前"交叉检验逐步回归法,分别建立高温日数总量、年代际分量和年际分量的回归模型。高温日数总量的回归模型即为高温日数不区分时间尺度的直接回归模型,而两个分量回归模型拟合结果的叠加,即为高温日数时间尺度分离统计模型对总量的拟合。利用十折交叉检验法,对高温日数直接回归模型和时间尺度分离统计模型的拟合结果进行比较:相比高温日数直接回归模型,时间尺度分离统计模型的年代际分量均方根误差由2.6降低到2.3,与观测数据的相关系数由0.69提高到0.73(显著性水平α=0.01);年际分量均方根误差由3.2降低到2.9,与观测数据的相关系数由0.4(α=0.1)提高到0.48(α=0.01);高温日数总量均方根误差由4.1降低到3.7,与观测数据的相关系数由0.48提高到0.62(α=0.01)。1979～2010年拟合时段华南夏季高温日数的回报结果表明:两模型回报结果与观测数据均存在明显相关(α=0.01),直接回归模型的相关系数为0.57,时间尺度分离统计模型提高到0.72。2011～2013年独立检验时段的预测结果表明:直接回归模型预测结果的平均均方根误差为26.4%,时间尺度分离统计模型降低到12.3%。初步结果表明,两模型对华南夏季高温日数均有一定的预测能力,而时间尺度分离统计模型的预测结果有所改进。

利用东亚地区逐日降水资料,评估了17个CMIP5气候模式对中国东部夏季不同强度降水的时空分布、不同强度降水对1970年代末中国东部夏季总降水量年代际转折的贡献的模拟能力。从夏季不同强度降水占总降水的比重来看,在中国东北和华北地区,小雨和中雨占主导;而在华南和江淮地区,大雨和暴雨则相对更为重要。CMIP5模式可大致模拟出中国东部小雨、大雨和暴雨占总降水比重的空间分布,但对中雨占比的空间分布模拟较差。总体说来,多数CMIP5模式高估了小雨和中雨的比重,但低估了大雨和暴雨的比重,从而导致大多数模式高估东北和华北的总降水量,而低估华南和江淮的总降水量。对1970年代末我国华北和江淮地区夏季降水量的年代际转折,观测资料表明该转折主要体现为大雨和暴雨雨量的年代际转折;仅有少数CMIP5模式能模拟出华北大雨和暴雨年代际减少的特征,使得这些模式对华北地区总降水的年代际变化也有较好的模拟能力。对于江淮区域,由于大雨和暴雨的比重被严重低估,尽管部分模式能模拟出夏季总降水量年代际增加的特征,但却多以小雨、中雨的年代际变化为主。多模式集合并不能显著提高模式对不同强度降水的空间分布的模拟能力,尤其是降水年代际变化的模拟能力。

主要利用1961～2014年中国东部地区438个台站的逐日降水资料和NCEP/NCAR的再分析资料,从大气内部动力角度对夏季不同极端降水情况下的环境场进行分析,结果表明:对长江中下游地区而言,在极端降水频次偏多年时,850 hPa风场及整层水汽输送距平场均表明东亚夏季风偏弱,有利于更多的水汽输送到长江中下游地区,500 hPa鄂霍次克海阻塞高压持续日数偏多,有利于冷空气南下,200 hPa东亚副热带急流偏南,且30°N以南偏西风异常有利于辐散,而在斜压波包从西北东南向传播为极端降水事件分发生集聚了能量;对华北地区极端降水频次偏多年而言,850 hPa风场及整层的水汽输送距平场均表明东亚夏季风偏强,有利于更多的水汽输送到华北地区,500 hPa高度距平场日本海正距平,贝加尔湖蒙古地区为负距平,华北地区东高西低,200 hPa东亚副热带急流偏北,从而导致我国华北地区极端降水频次偏多,能量传播也为西北东南向。这些结果表明极端降水的变化,与大气内部的动力作用和能量的传播有密切的关系。

以GIMMS 3g(the third generation Global Inventory Modeling and Mapping Studies Normalized Difference Vegetation Index)数据为基础,利用月合成、标准距平和趋势保留预置白方法进行数据预处理,采用季节趋势分析方法提取振幅0、振幅1和相位1季节表征因子,运用MK(Mann-Kendall)和CMK(Contextual Mann-Kendall)趋势检验获取新疆植被年际和季节趋势变化特征,结合土地利用覆盖数据,侦测显著性变化区域的空间分布特点,讨论并分析不同预处理方法和趋势分析方法下的结果差异。研究表明:(1)植被状况趋于退化的区域面积明显大于植被状况转好的面积,植被退化区域主要集中在南北疆荒漠区域的未利用地和草地,转好的区域则主要集中在山区草地、未利用地和耕地区域;(2)新疆植被年内波动幅度有明显增加的趋势,主要分布在塔里木盆地南缘以北的草地、未利用地和耕地;(3)不同预处理方法下的植被状况趋势显著性结果存在明显的影响,按照显著性信息的提取能力排序,标准距平>趋势保留预置白>原始数据>月平均;(4)耕地区域中有87.88%表现出年内波动幅度显著增加的趋势,53.31%生长季开始期显著推迟。

为了弄清北京地区持续性雾—霾天气过程的演变规律、揭示大雾形成和发展的关键条件,利用常规气象观测资料、高速路自动气象站观测资料和大气成分观测资料分析了2013年1月26～31日雾—霾天气过程的演变特征和有利于大雾形成和发展的天气形势。在此基础上,采用先进的北京快速循环同化中尺度数值预报系统(BJ-RUCv2.0)开展数值模拟,分析大雾形成的水汽、动力和热力条件,得出:模式对1月30日夜间至31日前半夜的雾区模拟较好,但对28日夜间至29日白天(大雾天气伴严重大气污染)雾区的模拟偏差较大。发现近地层的持续性东南风使950 hPa以下湿度增大是大雾形成的关键条件。上层(975～800 hPa)的明显暖平流导致逆温层的加强和维持,使大气层结稳定度增强,是大雾天气发展和维持的重要条件。另外,近地层950 hPa以下为风场辐合、其上层为风场辐散的结构有利于雾的进一步发展。

遥感辐射产品的验证研究主要集中在单一产品在青藏高原地区和实测数据的比较分析上,缺乏产品之间的相互比较从而无法得知产品的适用性,因此针对整个中国地区对这些产品的适用性进行系统性的比较研究。选取了数据序列较完整的GEWEX-SRB(Global Energy and Water Cycle Experiment-Surface Radiation Budget)、CERES-EBAF(Clouds and Earth’s Radiant Energy Systems-Energy Balanced and Filled)和GLASS-DSR(Global LAnd Surface Satellite-Downward Shortwave Radiation)3种辐射产品,以相关系数、平均偏差、均方根误差为评价指标在整个中国区域范围内进行精度评价,并且对其精度的时空分布特征进行了研究。研究表明,2000～2007年GEWEX-SRB与CERES-EBAF相比两者具有相似的偏差趋势,低估和高估最严重站点同为峨眉山站和太原站,总体上CERES-EBAF的精度更高。2008～2010年间GLASS-DSR与CERES-EBAF进行对比结果表明CERESEBAF精度要高。总体来说,这3种辐射产品的精度都较高,低估的站点大多地处高海拔地区,其中CERES-EBAF产品时间序列长且精度相对较高,尤其是在中东部及大部分沿海地区精度较高。

1980年和1981年夏季及其前期冬春季太平洋和印度洋海温均未出现显著异常。然而,这两年东亚夏季风环流的季节内变化却呈现显著异常,且截然不同,具体表征为:1980年西太平洋副热带高压(副高)第一次北跳异常偏早,第二次北跳异常偏晚,而1981年则相反,第一次北跳接近气候态,第二次北跳却异常偏早。就副高两次北跳过程而言,其直接原因也有显著差异:1980年副高两次北跳主要受热带西太平洋对流增强的影响,而1981年两次北跳则是由于热带西太平洋对流增强后所激发的极向传播的Rossby波列与中高纬度东传的Rossby波的锁相作用造成的。与北跳过程相比,副高北跳前后环流稳定维持的时间长短显得更为重要。研究表明,1980年夏季副高异常程度之所以堪比1983年和1998年强El Ni?o衰减年,主要是由于不同阶段南半球环流和北半球中高纬度环流的相互配合与接力,其中,6月和8月副高异常偏强对夏季平均副高异常偏强起到主要贡献,但二者的影响因子不同:6月主要受马斯克林高压(马高)偏强的影响,而8月则与澳大利亚高压(澳高)异常偏强有关。此外,7月和8月副高异常偏南是因为鄂霍茨克海阻塞高压长期维持。与1980年相比,1981年夏季马高和澳高均异常偏弱,因而南半球环流对副高异常的影响有限。北半球中高纬度环流的季节内变化对该年夏季副高的快速北进和南退起主导作用,特别是8月中高纬度盛行强烈的经向环流,使得副高异常偏东偏弱,从而导致夏季平均副高异常偏东偏弱。本文的个例分析表明,在无显著海温异常强迫的年份需要特别关注南半球环流和北半球中高纬度环流对副高及与之相关的东亚夏季风环流的季节内演变的影响,但是这些环流因子持续性较差,难以用于跨季度预测。

利用1960～2010年ERA-20C再分析资料和中国东部站点降水观测资料,探讨了我国东部春季极端降水与欧亚大陆地表感热通量的联系和可能影响途径。结果发现,当春季欧亚大陆中纬度巴尔喀什湖以西及贝加尔湖以南区域地表感热通量偏弱(强),我国东部沿海地区地表感热通量偏强(弱)时,我国东部春季极端降水呈现南少(多)北多(少)的反相分布特征。当春季欧亚大陆中纬度关键区地表感热偏弱,低纬度关键区地表感热通量偏强时,春季副热带西风急流偏弱、位置偏北,我国东部北方地区大气斜压不稳定和对流不稳定偏强,北方地区极端降水偏强,而南方地区大气斜压不稳定和对流不稳定偏弱,南方地区极端降水偏弱。当春季欧亚大陆中纬度关键区地表感热偏强,低纬度关键区地表感热通量偏弱,我国东部极端降水的情况大致相反。

利用2007～2010年北半球夏季（6～8月）Cloud Sat卫星搭载的云廓线雷达（Cloud Profile Radar,CPR）探测结果对0°60°N区域单层、双层和三层云系的水平分布、垂直结构特征及各云层云类组成、云水路径等物理量分布进行分析。云量的统计结果表明CPR探测的单层、双层和3层云系的云量分别为36.63%、8.26%和1.40%,云量的水平分布表明其高值区主要位于对流旺盛区域,且高值区的云层云顶高、厚度大,而低值区则多位于副热带高压区域。对不同云类的出现频率统计分析结果表明,单层云系中各云类的出现频率相近;多层云系的上层以卷云为主,下层以层积云为主。对比海陆差异发现洋面卷云和层积云的出现频率显著高于陆面,但高层云和高积云的出现频率低于陆面。云水路径分析表明,单层云系的冰水路径和液水路径均最大,而在多层云系中云层越高、厚度越大、冰水路径越大,液水路径则随着云层的降低增大。

基于NASA遥感系统提供的2003～2015年全球高分辨率海表温度资料,应用经验正交函数分析、时滞相关分析等方法,对北太平洋冬季黑潮延伸体区海温异常特征及其与热带海表温度的可能关系进行了初步分析。研究发现,冬季延伸体区的海温异常主要表现为两类结构特征,其一为上游区域发展型,包括海盆尺度一致性变化的季节模态和纬向反位相的收缩型结构;其二为纬向延展型,包括分叉东扩结构和通道东扩结构,且该两结构型在2010年前反位相,使得2006年前暖异常东扩路径基本控制在36°N以南,其后至2010年期间,暖异常东扩路径偏北,而2010年后结构型转为同位相,暖异常东扩路径偏北。分叉东扩结构表现为与热带海温变化紧密相关,进一步的时滞相关分析与合成分析表明,热带太平洋不同地区对中纬度海温分叉东扩的影响存在差异,Ni?o3区海温异常超前延伸体区分叉东扩模态约1～2个月,而Ni?o3.4区及Ni?o4区则与延伸体区海温分叉东扩保持前后各约3个月的宽谱同期负相关,或可表明El Ni?o的东部型和中部型对中纬度延伸体暖流分叉东扩存在超前和同期相关影响,且中部型影响更显著。

利用归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)将中国划分为不同的生态区,在此基础上分析夏季植被状况与不同生态区增暖之间的联系。研究表明,就多年平均而言,中国植被覆盖呈现自东向西逐渐减少的空间分布。1982年以来,植被稀疏的干旱生态区是夏季增暖最明显的区域,平均气温和平均最高气温增速大都位于0.6～1.0°C/10 a,而平均最低气温的升高达到0.8～1.4°C/10 a,明显高于中国其他区域。进一步分析发现,夏季气温的变化与其所处地区的植被疏密程度之间存在很好的负相关关系,即快速增暖主要发生在植被稀疏区,且这种负相关关系在夏季平均最低气温上最为显著。不同植被覆盖区中气温的长期变化趋势,受NDVI变化带来的地表反照率和云量变化的影响,但各生态区不尽相同,主要表现在:植被稀疏的干旱生态区,植被减少,引起地表反照率增加,感热输送增加而潜热输送减小,加速了该地区整体的增温速率;而在植被茂密地区,植被增加造成地表反照率减少,同时由于蒸发冷却,其整体增暖幅度缓于植被稀疏区。所以,植被活动对全球变暖背景下的区域气候变化具有重要作用,尤其表现在干旱生态区的陆面过程上,地表辐射平衡和能量收支的显著改变放大了干旱生态区的增暖速率。