編輯選編

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太陽活動年代際變化對現代氣候影響的研究進展——《地球科學進展》2013年第28卷第12期

太陽活動對現代氣候變化尤其在年代際尺度的影響和貢獻是亟待認識的科學問題之一。肖子牛等撰文回顧了近年在年代際尺度上太陽活動影響地球氣候的新觀測證據，側重闡述了太陽總輻射、紫外輻射和宇宙射線影響氣候的途徑和氣候系統響應機制的細節，以及對其評估驗證的新進展。此外，還指出對觀測資料不確定性的評估、氣候系統對太陽活動效應的放大機制的數值檢驗以及對未來可能的太陽活動極端事件的影響預估是目前研究中面臨的挑戰。最后，展望了該領域可能取得突破的關鍵點，為未來的科學研究提供參考。

“2013年1月中國東部嚴重霧霾天氣”專欄——《中國科學：地球科學》2014年第44卷第1期

近幾十年來，隨著中國經濟的高速增長以及氣候變化，霧霾天氣的頻繁發生及其強度的增強，對人民生活、人體健康以及我國經濟和社會的可持續發展帶來了越來越多的負面影響，因此霧霾備受關注。《中國科學：地球科學》組織了專欄，針對2013年1月發生在我國東部的強霧霾天氣進行了研究，從氣象角度提出了應對霧霾天氣的對策和措施。

穆穆等分析了氣象條件對霧霾的影響，提出氣象科學與技術在應對霧霾天氣方面的對策。指出，對于霧霾天氣的觀測、形成機理、數值模擬乃至預測與防控，都需要發揮氣象科學與技術的作用，更需要環保和氣象領域的科學技術工作者與行業部門的密切合作。并對專欄中4篇論文的主要結論進行了簡要介紹。

其中，王自發等介紹利用自主研制的嵌套網格空氣質量數值預報模式（NAQPMS）模擬研究2013年1月我國中東部的持續強灰霾天氣，初步評估灰霾天氣下大氣細顆粒物（PM2.5）時空分布特征、傳輸規律和防控力度。結果表明：這一模式能夠合理反映灰霾天氣下中東部PM2.5的時空分布特征和演變規律。發現靜穩天氣京津冀地區仍舊存在顯著的區域輸送，并直接造成京津冀地區PM2.5濃度的累積，來自區域外的跨城市群輸送對京津冀PM2.5濃度貢獻為20%～35%，區域內輸送的貢獻為26%～35%，兩者之和與局地污染源貢獻相當。針對這次強霾的控制試驗表明，當京津冀周邊區域省份污染源不控制，河北、天津和北京的污染物排放需要消減90%，90%和60%以上才能實現京津冀區域PM2.5達標（二級標準），表明京津冀灰霾污染防控不僅需要重視區域內的聯防聯控，同時也需要其他城市群的協同控制。氣象―大氣污染雙向反饋機制對強霾的形成也有非常重要影響，可使京津冀部分地區細顆粒物月均濃度增加30%，忽視這種耦合作用會導致模式對重污染期間污染物濃度的低估。

王躍思等介紹了中國科學院“大氣灰霾追因與控制”專項組利用其建立的“中國氣溶膠觀測研究網”（CARE-China）對整個強霾污染過程進行了全程追蹤觀測，并對其成因進行了分析研究。本次強霾污染涉及我國整個中東部地區，污染最嚴重的京津冀地區共計發生5次強霾污染過程，其中兩次超強過程發生在9—15日和25—31日，北京PM2.5小時濃度最高值分別達到680和530μ·gm-3，石家莊和天津等重要城市強霾污染狀況與北京相似。天氣系統弱、強冷空氣活動少和極其不利于污染物擴散的局地氣象條件及地理位置，是造成本次強霾污染形成的外部條件；一次排放的氣態污染物向顆粒態的快速轉化，是本次強霾污染“爆發性”和“持續性”的內部促發因子，特別是大氣中燃油排放為主的大量NOx促發了燃煤排放氣態SO2向顆粒態硫酸鹽的快速轉化。通過NOx/SO2協同轉化途徑分析，發現氣態污染物在細顆粒表面的非均相反應可改變大氣顆粒物的粒徑及化學組分，促使顆粒物中的二次無機鹽（如硫酸鹽和硝酸鹽等）的比例逐漸增大，導致顆粒物吸濕性顯著增強，從而對強霾污染形成起到了促進作用。

張人禾等利用資料診斷，從大氣環流背景場和霧霾天氣演變過程兩個方面，分析了氣象條件在這次持續性強霧霾天氣發生中的作用。結果表明，2013年1月東亞冬季風異常偏弱，在中國東部區域，對流層中低層的異常南風有利于水汽向中國東部地區輸送，500hPa的高壓異常抑制了對流的發展，而表面風速的減弱不利于近地面附近的霧霾向區域外輸送，水平風垂直梯度的減小減弱了天氣尺度擾動的發展和大氣的垂直混合，對流層低層異常逆溫層的存在使得大氣近地層變得更加穩定。這些氣象背景場為霧霾天氣的維持和發展提供了有利的氣象條件。對霧霾天氣演變過程的分析表明，霧霾天氣區域內的表面風速及其上空對流層中低層的水平風垂直切變對霧霾天氣過程具有動力影響，二者偏小（大）時霧霾天氣偏強（弱），對流層中低層的層結不穩定性以及近地面層的逆溫狀況和溫度露點差對霧霾天氣的演變可以產生熱力影響，層結不穩定性和逆溫偏大（小）以及溫度露點差偏小（大）時霧霾天氣偏強（弱）。多元線性回歸分析的結果表明，熱力和動力因子對這次霧霾天氣過程具有大致相同的作用，氣象因子可以解釋超過2/3的霧霾天氣逐日變化的方差，方差貢獻達到0.68。

丁一匯等則用近5 0年（1961—2011年）我國霧和霾臺站長期觀測資料進行分析，得到霧日發生的頻率呈先增（1980年之前）后減（1990年后）的變化，尤其是1990年以后明顯減少，這與氣候變暖引起的近地面相對濕度減小的趨勢一致，而霾日發生的頻率總體上

呈增加的趨勢。據此，文章進一步討論了大氣濕度減少在霧—霾轉變中的作用，結果表明霾日的平均相對濕度在69%左右，比以前得到的值低，這意味著霾粒子更不易向霧滴轉換，這可能是導致霧日減少的主要環境因子之一；霧和霾轉換的相對濕度閾值平均為82%左右；這個值也低于以前得到的值，因而在氣候變暖條件下，主要由于溫度和飽和比濕增加導致的中國近地面相對濕度減少對霧和霾形成的環境條件可能產生了明顯的影響。也研究了霾與能見度的關系，結果表明隨著霾日發生頻率的增加，能見度有明顯的下降，從1961年至今平均能見度從4～10km減小到2～4km，下降一半左右。

1958—2005年中國高空大氣比濕變化——《大氣科學》2014年第38卷第1期

郭艷君等利用經過質量控制和均一化的92站探空露點溫度序列，研究了中國高空大氣比濕氣候學特征和1958—2005年比濕時間、空間演變以及不同時段線性變化趨勢地區和季節差異。中國比濕氣候場特征顯示，垂直方向上90%以上的水汽集中在對流層中低層，空間呈南高北低的緯向分布。通過累積距平、滑動平均和突變點分析等方法研究了中國平均高空比濕的年代際變化，得到 1958—2005年中國對流層中低層大氣比濕經歷“濕”、“干”、“濕”階段性變化。不同時段線性變化趨勢分析表明，1958—2005年對流層低層比濕呈上升趨勢，對流層中層、高層和平流層下層為下降趨勢；1979—2005年對流層低層上升趨勢和對流層高層下降趨勢均較整個時段明顯增強。近50年來中國高空各層溫度與比濕變化基本同步，統計達到顯著相關，說明溫度是影響比濕變化的重要因子。趨勢的空間分布顯示對流層下層全國大部比濕為上升趨勢，且1979年以來上升趨勢更加明顯，對流層中層趨勢呈北升南降分布，對流層高層多為下降趨勢。中國五個分區中西北地區對流層低層比濕上升趨勢最明顯，長江和華南地區升幅較小。1958—2005年對流層下層各季節比濕變化趨勢差異較明顯，上升趨勢發生在夏、冬兩季，1979—2005年四季比濕均呈上升趨勢，其中夏季上升趨勢最為明顯。

不同觀測分辨率強臺風云系的遙感特征——《應用氣象學報》2014年第25卷第1期

靜止氣象衛星的快速區域掃描是監測不同天氣過程的有利手段。劉健等撰文以獲取的風云靜止氣象衛星快速區域掃描數據為基礎，選取2011年臺風梅花（1109）及2012年臺風海葵（1211）的觀測數據，采用Hovmller分析圖、變異系數等參數，研究不同時空分辨率觀測數據對臺風云系結構特征參數監測的敏感性影響。分析結果表明：可見光通道10min觀測時間間隔配以1.25km空間分辨率可以很好地反映云系演變特征，在相同觀測時間分辨率條件下，降低空間分辨率會對云系結構特征的提取有較大影響；在相同空間分辨率條件下，觀測時間分辨率的降低對云系結構及演變特征的分析影響較小；基于變異系數的分析說明云像元特性在60min的觀測時間間隔下發生了較大變化，如果以60min為觀測時間間隔將會失去較多的云像元變化特征。水汽通道不同觀測時間的變異系數差值小于紅外通道1，說明云像元在紅外通道1的特性演變對觀測時間的敏感性高于水汽通道，提高觀測頻率可獲取更多的云像元紅外通道1的輻射特性。

近30年城市化對北京極端溫度的影響——《科學通報》2013年第58卷第33期

王君等撰文基于1978—2008年北京地區20站均一化逐日氣溫資料，評估了城市化對溫度和極端溫度變化的影響。與以往研究不同，此研究采用聚類分析，客觀地將觀測站點分為4類（城市站、近郊站、鄉村站和山地站），并利用遙感夜晚燈光數據驗證了分類結果的合理性。近30年來，城市化所致城市熱島增強的效應對城市站點平均氣溫增溫趨勢的貢獻為10.9%（影響最大的站點該貢獻達18.4%或0.12℃/10a），對最低氣溫增溫趨勢的貢獻為12.7%（影響最大的站點該貢獻達20.8%或0.19℃/10a），對溫度日較差下降趨勢的貢獻為24%（影響最大的站點該貢獻達37.4%或0.15℃/10a）。城市化效應對城市站點最高溫度影響較小，但對極端暖夜（冷夜）的增加（減少）趨勢貢獻為12.7%或2.07d/10a（29.0%或5.06d/10a）。

1998年夏季西北太平洋副熱帶地區30～60天季節內振蕩特征——

Advances in Atmospheric Sciences, 2014, Vol. 31, No.1.

Lu Riyu等研究了1998年夏季西北太平洋副熱帶地區30～60天對流振蕩特征以及西北太平洋熱帶與副熱帶振蕩之間的關聯程度。分析表明，1998年夏季在西北太平洋的熱帶及副熱帶地區30～60天振蕩都表現得異常強烈，為研究副熱帶振蕩及其與熱帶振蕩之間的關系提供了機會。進一步研究表明，30～60天振蕩從西北太平洋副熱帶地區向西傳播，到達中國東部；并且，副熱帶30～60天振蕩受到南海和西北太平洋熱帶地區的兩種機制影響：（1）從熱帶地區直接向副熱帶地區傳播；（2）熱帶和副熱帶地區之間的蹺蹺板型。而后者是主要影響機制。

NOAA全球溫度時間序列年度排名的不確定性——Uncertainty in annual rankings from NOAA’s global temperature time series.Geophysical Research Letters, 2013, Vol. 40, No. 22.

全球溫度年度排名是氣候監測重要的組成部分。然而，每年全球溫度時間序列的值存在一定的不確定性，這也導致了排名的不確

定性。美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）國家氣候數據中心的Arguez等采用Monte Carlo方法對該中心發布的全球陸-海表面溫度（NOAATMP）時間序列進行了不確定性分析。結果表明，年與年之間的持續性對結果和假設的統計獨立性影響不大。對1880—2012年溫度時間序列的分析顯示，最暖年的最高概率出現在2010年（約36%）、2005年（約28%）、1998年（約11%）。與NOAATMP時間序列的標準誤差相比，基于觀測數據得到的幾個最暖年之間的差異相對較小。不過，1997—2012年間的每一年的溫度都要比1880年以來的大多數其他年份更高（置信水平為95%）。

城市土地利用影響下的鹿特丹城市熱島的空間變異——Spatial variability of the Rotterdam urban heat island as influenced by urban land use.Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2014, in press.

瓦赫寧根大學的Heusinkveld等利用一種新穎的騎自行車觀測（如圖所示）方法，評價了鹿特丹一天內的溫度空間變異，在當地時間2009年8月6日的中午和傍晚分別進行了兩次觀測，每次觀測都在兩個小時內完成，當天最高氣溫達到30.4℃。觀測發現，由于城市不同區域地表覆蓋特征的不同，導致夜間城市溫度的空間差異可達7K。中午的觀測結果顯示，城市公園的溫度要比市中心低4.0 K，而市中心溫度比周邊郊區高1.2 K。但位于鹿特丹機場的一個WMO氣象站的溫度信號受到了來自機場跑道和城市方向的城市熱島（UHI）效應的影響。總體上，不論白天還是夜晚，植被覆蓋好、建筑物密度低的區域都具有最低的溫度。回歸分析也顯示，夜間UHI現象與土地利用有關，植被覆蓋良好的居民區能夠明顯減緩夜間的UHI效應。利用自行車觀測數據，構建了一個多元線性回歸模型，并使用4個城市固定氣象站3年的夏季UHI統計數據對其進行了獨立驗證。回歸模型再現了城市熱島夜間空間變異中的4.3%的偏差，利用該模型生成了鹿特丹及周邊區域的熱島地圖。這張地圖表明，缺乏綠化或接近大型水體的高密度城市結構在夜間很容易受到高溫熱浪的影響。分析一個位于海港區的城市氣象站的數據，也發現水體的升溫效應相當明顯，其夜間UHI的頻率分布與市中心的氣象站類似。該熱島地圖可以作為一種有價值的規劃工具，以減輕夜間城市熱脅迫或識別熱浪期間的住宅區高溫風險。

基于非城市氣象站數據的伊比利亞半島的夏季極端溫度趨勢——Trends in summer extreme temperatures over the Iberian Peninsula using non-urban station data.Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2014, in press.

基于20個遠離城市影響并規則分布的氣象站1961—2010年間的夏季（6—8月）日溫度數據，西班牙Extremadura大學的Acero等使用極值理論（EVT），特別是閾值頂點（peaks-over-threshold，POT）方法，研究了伊比利亞半島的熱浪事件趨勢。首先，將所使用的整個研究時段的夏季溫度數據按最大值（Tmax）到最小值（Tmin）進行排列，超過95百分位定義為熱浪事件。然后，使用一種“滑動拆分”方法選取了超出閾值的獨立極端溫度事件，并將這些事件的出現日期擬合成一個泊松過程。通過分析POT方法的尺度參數、泊松強度、平均值、低值（25百分位）、高值（75百分位）等參數的變化趨勢，發現，當出現熱浪時，泊松強度的最優趨勢顯著增加。對Tmin和Tmax值的分析表明，低值區比高值區的增長趨勢更為顯著，特別是Tmax，其方差反而出現了下降。研究認為，在伊比利亞半島，極端溫度事件預期正在增加，但達不到平均值的增加幅度，因為方差呈現出減小趨勢，這也表明方差在極端氣候的描述上具有重要作用。

迅速城市化下的植被覆蓋和地表反照率變化：以華南區域為例——Modifications in vegetation cover and surface albedo during rapid urbanization: a case study from South China.Environmental Earth Sciences, 2014, in press.

植被覆蓋和地表反照率是氣候和陸面模式中的兩個重要參數。中國氣象局氣象干部培訓學院的侯美亭等以華南廣州地區為例，使用高分辨率的Landsat TM/ETM+數據和中等分辨率的MODIS數據，分析了迅速城市化對植被覆蓋度（GVF）和地表反照率的影響。研究發現，在1990年，從廣州市中心至遠郊，GVF逐漸升高，短波反照率出現了明顯的下降趨勢。而在2000年，沿城市—鄉村的空間梯度上，反照率并沒有出現明顯變化，這與低反照率城市建筑的增多和土地覆蓋格局的異質化增高有關。而MODIS反照率盡管不能捕捉到Landsat數據所反映的異質化細節，但二者之間存在明顯相關。在不需要高分辨率反照率數據的情況下，更易利用的MODIS數據是一種較好的選擇。

陸面模式、遙感和GRACE衛星蒸散產品的不確定性——Uncertainty in evapotranspiration from land surface modeling, remote sensing, and GRACE satellites.Water Resources Research, 2014, in press.

目前，蒸散（ET）產品正在逐漸增多，評價它們的不確定性具有重用意義。德克薩斯大學奧斯汀分校的Long等使用不需要真實ET先驗信息的Grubbs估算方法，評價了4種

陸面模式（Noah，Mosaic，VIC，SAC）輸出的ET產品，兩種遙感數據（MODIS，AVHRR）反演的ET，以及源于水分收支平衡的GRACE蒸散產品的不確定性。 研究區域為美國中南部的3個流域，涵蓋了干旱到濕潤的不同氣候特征。研究發現，陸面模式輸出的ET具有最低的不確定性（大約5mm/month），MODIS或AVHRR反演的ET產品具有中度不確定性（10～15mm/month），GRACE蒸散產品的不確定性最高（20～30mm/month）。空間分辨率和不確定性之間存在折衷關系，例如，不確定性較低的陸面模式也具有較低的分辨率（約14km），而較高分辨率的MODIS或AVHRR蒸散產品（約1～8km）具有較高的不確定性。未來估算ET時，應考慮將陸面模式和衛星遙感產品相結合，以發揮二者的優點。

有關氣候振蕩的討論：CMIP5大氣環流模式與基于天文周期的半經驗諧波模式之間的對比——Discussion on climate oscillations: CMIP5 general circulation models versus a semiempirical harmonic model based on astronomical cycles.Earth-Science Reviews, 2013, Vol. 126.

全球地表溫度（GST）記錄的功率譜顯示出9.1年、10～11年、19～22年和59～62年幾種主要的周期。在許多長期的古氣候記錄中，也發現了相似的振蕩。然而，美國ACRIM實驗室的Scafetta對IPCC第5次評估報告（AR5）使用的國際耦合模式比較計劃5（CMIP5）大氣環流模式（GCMs）進行分析，發現這些模式不能重建上述的這些變率。特別是從2000年到2013年上半年，盡管觀測數據顯示GST基本保持穩定，然而GCM預測的變暖速率達到了2℃/100a。相比，“氣候由特定的自然振蕩所調節”的假說在多種時間尺度上可能更適合于GST記錄。例如，準60年的自然振蕩同時解釋了1850—1880年、1910—1940年和1970—2000年的變暖期，1880—1910年和1940—1970年的變冷期，以及2000年以來的GST穩定期。這個假說暗示了觀測到的1970—2000年全球地表增暖（0.5℃）的50%可歸因于氣候系統的自然振蕩，而不是歸因于如CMIP3和CMIP5 GCMs模擬的人為強迫。從而，CO2加倍的氣候敏感效應應該減少一半，例如，從2.0～4.5℃（IPCC，2007）減少到1.0～2.3℃，而且中值由3.0℃減至1.5℃。近代的古氣候溫度重建也顯示了比2000年初建立的曲棍球溫度重建更大的工業化前的變率，這暗示了太陽活動對氣候變化的較強貢獻和人為因素對氣候變化的較弱影響。觀測到的自然振蕩可能是由天文強迫所驅動。9.1年振蕩好像是長期的太陽—月亮潮汐振蕩的一個結合，盡管準10～11年、20年和60年振蕩典型地存在于主要由木星和土星驅動的太陽和日球振蕩之中。基于日球振蕩的太陽模式也預測到準長期（例如，115年）和千年（例如，983年）的太陽振蕩，其可用于回報全新世的氣候振蕩。該研究推薦使用一個由6個特別的天文振蕩所組成的半經驗氣候模式來構建年代至千年尺度的自然氣候變異，再加上一個由GCM平均模擬推斷出的輻射變暖組分（其效應需減少50%）來估算人為和火山活動對氣候變化的貢獻。這個半經驗模式重建的1850—2013年的GST格局明顯好于任何一個CMIP5 GCM模擬的結果。在相同的CMIP5人為釋放情景下，該模式預測2000—2100年平均變暖可能達到0.3～1.8℃，這個范圍顯著低于原始CMIP5 GCM集合預報的增溫范圍（大約1～4℃）。下一步的研究需要尋找太空—氣候的耦合機制，以發展更先進的解析和半經驗氣候模式。

流域尺度的土壤濕度：遙感技術——Soil moisture at watershed scale: Remote sensing techniques.Journal of Hydrology, 2014, in press.

許多有關陸面過程的研究需要高空間分辨率的土壤濕度數據。然而，被動微波遙感反演的土壤濕度的分辨率目前比較低（約25km）。南卡羅來納大學的Fang等提出了解決這個問題的兩種不同的方法。第一種，基于日溫度變化和由植被條件調節的平均土壤濕度之間的熱慣性關系，建立了一種土壤濕度降尺度算法。以俄克拉荷馬的一個小流域為例，將本算法應用到AMSR-E和SMOS土壤濕度產品，生成了2010和2011年生長季的1km土壤濕度降尺度數據。第二種，利用不同時間獲取的主動雷達數據之間的差異，對被動微波遙感反演的土壤濕度進行降尺度。同實地觀測獲取的土壤濕度相比，這兩種方法都具有較好的效果。

失控和潮濕的地球溫室氣候的延遲開始——Delayed onset of runaway and moist greenhouse climates for Earth.Geophysical Research Letters, 2014, in press.

在目前太陽的主序星階段內，太陽正在緩慢地變亮，這將威脅到地球表面的可居住性，因為變亮的太陽將會導致地球濕度加大，最終形成失控的溫室氣候。一維氣候模式預測，當太陽常數在目前水平上增加6%時，災難性的熱失控將會被觸發。然而，科羅拉多大學Boulder分校的Wolf等使用一個三維氣候模式（NCAR CAM3）研究太陽變亮下的地球命運，發現在CO2和CH4濃度不變的情形下，地表的可居住性可能被維持在較大的太陽常數下。研究指出，太陽常數增加15.5%時，全球平均地表溫度將穩定在312.9 K，而此時，盡管地球的氣候非常炎熱，但水散失和熱失控也達到了極限，從而地球將保持安全。當太陽常數增加16%時，對流和垂直擴散框架出現了數值不穩定性，這限制了進一步的模擬。盡管如此，本研究結果意味著地球氣候可能在至少15億年或更長時間內保持安全。