編輯選編

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數值天氣預報檢驗方法研究進展——《地球科學進展》2014年第29卷第3期

數值天氣預報檢驗是改進及應用數值模式的重要環節。近年來,模式檢驗中的觀念不斷更新,適用于不同預報產品及不同用戶需求的模式檢驗方法也不斷涌現。潘留杰等首先簡單回顧了以列聯表為基礎的傳統的模式檢驗方法。其次重點總結了伴隨高分辨率數值預報而出現的空間診斷檢驗技術,按照檢驗目的的不同,診斷方法可以歸納為：(1)基于濾波技術的分辨模式在不同時空尺度上預報能力的鄰域法、尺度分離法；(2)利用位移偏差診斷模式預報位置、面積、方位、軸角等與觀測差異的屬性判別法、變形評估法。然后闡述了集合樣本成員的概率分布函數(PDF)、集合預報與觀測概率分布函數相似程度、事件發生的概率預報等集合預報檢驗方法。最后論述了空間診斷技術、集合預報檢驗方法的適用領域,并討論了模式檢驗中存在的一些問題及未來的發展方向。

交互集合耦合模式系統模擬檢驗——《地球物理學報》2014年第57卷第4期

清華大學地球系統科學研究中心在一個標準耦合模式(SC)的基礎上建立了交互集合耦合模式系統(IE),該系統可以實現多個不同大氣模式或者同一大氣模式采取不同初值組成的多個分量集合之后與海、陸、冰模式進行耦合。辛曉歌等利用同一大氣模式七個不同初值分量與其他模式分量開展在線集合耦合試驗,利用積分穩定之后100年的試驗結果,分析了IE在減小海氣界面大氣噪音的情況下,對北太平洋海表面溫度(SST)變率和ENSO的模擬,并與SC模擬結果進行了對比。分析表明,IE減小了北太平洋中高緯度SST方差的85%以上,表明該區域SST變率主要受大氣的影響,且主要是通過改變海表湍流熱通量實現的。黑潮延伸體區和北太平洋中部副熱帶渦旋區域平均SST 8年左右的低頻周期主要受來自大氣內部動力過程的驅動。在集合耦合模擬中,無論是副熱帶渦旋區SST與ENSO的聯系,還是ENSO與北太平洋中高緯度SST的聯系都能模擬出來,而標準模式未能模擬出這些現象,意味著大氣噪音過強將掩蓋ENSO與太平洋熱帶外SST的聯系。IE對與ENSO關聯的“太平洋—北美”(PNA)遙相關型的合理模擬,并通過湍流熱通量對海表溫度的影響,是其能夠更好模擬ENSO與北太平洋中高緯度SST關系的重要原因。文章通過分析驗證了所建立的交互集合耦合模式系統的合理性,揭示了該系統在海氣相互作用研究領域方面具有一定應用前景。

太陽活動與地球表面溫度變化的周期性和相關性——《科學通報》2014年第59卷第14期

趙新華等基于太陽黑子歷史數據、太陽總輻照(TSI)重構數據和實測地球表面平均溫度數據(全球、陸地、海洋),利用小波分析和交叉相關分析等方法,考察了太陽活動和地表溫度變化在數百年時間尺度上的周期性及相關性。主要結果有：(1)在所考察的時間范圍內,太陽活動(包括黑子和太陽總輻照)存在4個置信度高于95%(白噪聲)的主周期變化,分別為11a周期、50a周期、世紀周期和雙世紀周期全球溫度存在64.3a的主周期變化,接近太陽活動的50a周期；(2)太陽活動與全球溫度變化具有22,50a的顯著共振周期；(3)太陽活動與地表溫度長期變化的相關性高于其短期變化的相關性,以黑子為例,它與地表溫度年均值的相關系數為0.31～0.35,11a滑動平均值相關系數為0.58～0.70,22a滑動平均值相關系數為0.64～0.78,太陽總輻照與地表溫度的相關性高于黑子與地表溫度的相關性；(4)太陽活動在近100年里有明顯增強,它與全球溫度(包括陸地、海洋)近100年的升溫是一致的,太陽活動與海洋溫度的相關性略高于太陽活動與陸地溫度的相關性。這些結果表明,太陽活動在百年時間尺度上對于地表溫度的變化具有不可忽略的影響。

黃山地區不同高度云凝結核的觀測分析——《大氣科學》2014年第38卷第3期

李力等為研究華東高山地區云凝結核(Cloud Condensation Nuclei, CCN)沿山峰的垂直變化特征,2011年6月利用云凝結核計數器(Cloud Condensation Nuclei Counter, CCNC)在黃山三個不同高度處對CCN進行觀測。觀測結果表明,不同高度的CCN濃度隨時間的變化趨勢基本一致,CCN濃度隨高度的升高而減小,過飽和度為0.8%時山頂、山腰、山底CCN濃度平均值分別為1105.62、1218.39和1777.78cm-3,山底的高CCN濃度(大于1000cm-3)出現頻率大于山腰和山頂,表明山底受周邊污染源的影響較山頂和山腰大。山頂和山底的日變化曲線均為雙峰型,兩個峰值分別出現在午前和午后,與大氣邊界層高度及山谷風變化有關。利用公式N=CSk擬合了山頂在不同天氣條件下CCN活化譜,并分析了其變化特征。結果顯示,晴天、雨天和霧天的C值分別為2798、384、765,小于一些污染城市,屬于清潔大陸型核譜。研究結果有助于改進對華東背景地區云凝結核時空分布的認識,為該地區云霧核化在數值模式中的表達提供觀測依據和參數化方案。

深圳大氣PM2.5來源解析與二次有機氣溶膠估算——《中國科學：地球科學》2014年第44卷第4期

黃曉鋒等基于2009年全年在深圳開展的PM2.5樣品采集與分析,應用正向矩陣因子解析(PMF)模型對其主要來源及時空變化規律進

行了解析,結果表明,深圳市區(大學城點)大氣PM2.5年均濃度為42.2μg·m-3,其中二次硫酸鹽生成、機動車排放、生物質燃燒和二次硝酸鹽生成是最主要來源,對PM2.5總質量分別貢獻了30.0%,26.9%,9.8%和9.3%；高氯源、重油燃燒、海鹽、揚塵和冶金工業分別貢獻了PM2.5總質量的2%～4%。不同源貢獻的時空變化規律顯示,機動車排放主要為本地源,二次硫酸鹽和生物質燃燒主要為區域源,而本地排放和區域傳輸對二次硝酸鹽生成都有重要貢獻。二次有機氣溶膠(SOA)的識別一直是顆粒物源解析的難點,在研究中結合了PMF模型與OC/EC比值法對PM2.5中SOA進行了估算,結果表明,深圳市區(大學城點)PM2.5中SOA年均濃度為7.5μg·m-3,占有機物質量的57%,機動車排放是SOA前體物的最主要來源。研究可為國內今后更廣泛深入地開展PM2.5污染與源解析研究提供相關案例借鑒。

BJ-RUC系統模式地面氣象要素預報效果評估——《應用氣象學報》2014年第25卷第3期

閔晶晶利用自動氣象站逐小時地面觀測資料,采用客觀檢驗方法對北京市氣象局快速更新循環預報(BJ-RUC)系統在2008—2010年5—9月的預報結果進行檢驗,初步評估了BJ-RUC系統對地面氣象要素的業務預報性能。結果表明：BJRUC系統對地面氣象要素預報與實況的變化趨勢有很好的一致性。其中,2m溫度預報整體偏高,誤差范圍為―1.5～1.5℃,早上和傍晚偏大,正午偏?。?m相對濕度的預報整體偏低,誤差為―25%～0,白天偏大,夜間偏小；10m風速預報明顯偏大,午后尤為顯著,誤差為0.6～1.2m·s-1；6h累積降水的晴雨預報效果較好,TS評分可達到0.4。系統在初始起報時次的穩定性較差,從第3個起報時次開始逐漸穩定,但預報誤差隨著預報時效的增長逐漸增大,12h內的預報誤差較小,預報結果較可靠,在短時臨近預報中具有參考價值。

雷暴潛勢預報中幾個基本問題——《氣象》2014年第40卷第4期

王秀明等討論了基于雷暴發生三要素的雷暴潛勢預報思路在業務預報應用中的一些具體問題,澄清一些容易混淆的概念。內容包括大氣層結不穩定與對流；雷暴觸發機制與抬升作用及其與天氣系統的關系；如何處理雷暴發生三要素“足夠”的問題；“流型識別”與“配料法”的綜合應用等。層結不穩定是雷暴發生三要素之一,也是短時預報分析的重點,文章討論了各種中尺度不穩定在雷暴發生中的作用,給出了估計CAPE值時空演變的著眼點,對位勢不穩定和對稱不穩定概念及其判據進行了較深入的討論。

京津冀區域大氣霾污染研究意義、現狀及展望——《地球科學進展》2014年第29卷第3期

頻發的霾污染是目前京津冀最嚴重的環境問題。如何協調區域經濟合理快速發展與防止大氣環境惡化,已經成為公眾關注的焦點,也是各級政府亟待解決的問題之一。王躍思等對國內外典型大氣污染事件的產生及治理歷程進行了簡要回顧；結合我國當前霾污染問題產生的特殊性,分析了京津冀區域霾污染研究對經濟和社會發展、氣候和環境變化、人體健康和區域和諧發展的現實意義；闡述了京津冀霾污染現象頻發的主要客觀要素和內在原因,并分析了當前研究工作中的不足。最后,在全球氣候變化的大背景下,推測了京津冀及東亞地區未來大氣污染的發展趨勢。

科學大數據與數字地球——《科學通報》2014年第59卷第12期

大數據研究正發展為科技、經濟、社會等各領域的關注焦點,諸多國家已將大數據研究上升至國家戰略層面。郭華東從時空角度論述了大數據的緣起、內涵與發展勢態,分析了科學大數據成為科學研究新途徑的歷程——科學范式開始從模型驅動向數據驅動發生轉變。給出了科學大數據的定義及科學大數據計算的應對策略。進一步地論述了數字地球學科的基本理論框架和數字地球中的數據系統,指出了數字地球學科具有大數據的鮮明特點。最后以“胡煥庸線”形成機理的空間認知研究為例,具體闡述了數字地球學科中的大數據研究的理論和方法。指出試圖通過簡單地堆砌、耦合“胡煥庸線”中的子系統和子過程的機理模型從而達到獲取“胡煥庸線”形成機理的空間認知模型是不可行的,而應該在數字地球平臺上對于海量空間數據和社會經濟數據進行虛擬匯聚,經過一定流程的預處理過程,進行相關數據空間的表征和建模,在精簡的數據空間進行挖掘和分析。

氣候變暖背景下青藏高原山地災害及其風險分析——《氣候變化研究進展》2014年第10卷第2期

崔鵬等基于青藏高原1930—2010年山地災害實例,分析了氣候變暖對青藏高原山地災害的影響。結果表明：在氣候變暖背景下,冰湖潰決災害增多,冰川泥石流趨于活躍,特大災害出現頻繁,災害鏈生特征明顯,表現出時間和空間上的延拓性,巨災發生概率增大；在藏東南地區表現出雨熱同期的氣候特征,構成了利于冰川類泥石流形成的條件；波密縣城位于兩條泥石流危險區的建筑物占地面積由1988年0.014km2擴展到2012年1.004km2,人口與經濟密集區與災害高風險區重疊,加之氣候變化導致的災害危險性增加,青藏高原災害風險顯著增大。上述結果提供了氣候變化對青藏高原山地災害影響的證據,初步闡述了其影響特征,有助于山地減災和進一步認識氣候變化對山地災害的影響機理。

大氣環流模式反映降水低頻變化的能力如何——How well do general circulation models represent lowfrequency rainfall variability? Water Resources Research, 2014, Vol. 50, No. 3.

大氣環流模式(GCMs)提供了全球和大陸尺度大氣變量的可靠模擬,但是在區域至流域尺度上, GCMs對于與水資源管理有關的一些重要變量的模擬能力有限。與觀測相比,GCM模擬的一系列不確定性導致了輸出結果的短暫(隨時間而變化)和系統(不隨時間變化)的偏差。對水資源基礎設施管理而言, GCM的一個重要偏差是對降水低頻(或年際間)變化的代表性不足,這會影響到防洪和抗旱決策的制定。澳大利亞新南威爾士大學的Rocheta等給出了一個用于評估GCMs模擬低頻降水變化可靠性的判斷指標,稱作聚合持續評分(APS)。研究發現：(1)GCMs在捕捉觀測到的降水持續性方面,存在很大的空間差異；(2)GCMs普遍低估了降水的持續性特征；(3)進行嵌套偏差校正后的輸出結果,對降水持續性的模擬有了顯著改善。研究認為,一方面,參數化方案的改進、更精細的模式分辨率和驅動降水持續性的模式遙相關的改善可能對提高GCM降水低頻模擬能力至關重要；另一方面,GCM輸出結果的偏差校正技術的進步和實施,能夠顯著改善降水低頻變化的模擬。

利用區域氣候模式對留尼汪島降水進行高分辨率分區——Regionalizing rainfall at very high resolution over La Réunion island using a regional climate model. Monthly Weather Review, 2014, in press.

區域氣候模式(RCMs)將大尺度氣候信息降尺度到局地尺度時,可能會受到地表條件的強烈影響。法國留尼汪大學的Morel等以位于印度洋西南的留尼汪島為例,評價了WRF RCM從日到季節尺度以及年與年之間的對留尼汪島降水變化的高分辨率(680m)分區能力。留尼汪島地形復雜,氣流上升運動異常激烈,大尺度大氣環流系統,如熱帶氣旋(TC),可能對當地的降雨格局具有放大效應,只有由大尺度強迫并融合了小尺度過程的非常高分辨率的RCM,才可能適于模擬這種效應。研究選取了兩個雨季(11—4月)：2000—2001年(異常干旱)和2004—2005年(異常濕潤)。利用回歸—克里格(RK)方法將雨量站觀測數據插值到WRF格點上,然后和WRF模擬的降水進行比較。RK避免了站點到格點的比較問題,但會受到取樣不完善的影響,因此其插值質量需要進行檢驗。WRF模擬的季節降水量和觀測具有較好的一致性；然而在季節內和日時間尺度上,二者差異比較明顯。這些差異看起來不能被觀測站點稀疏、RK質量更不確定來解釋,因為在Piton de la Fournaise火山的東坡,WRF的模擬結果甚至比RK插值更接近觀測值。而對于2001年1月6日伴隨于熱帶氣旋Ando產生的強降水,WRF和RK的分歧較弱,顯示了WRF在極端事件期間的降水分區能力。

數值天氣預報在對流降水臨近預報中的應用：近來的進展與挑戰——Use of NWP for nowcasting convective precipitation: recent progress and challenges. Bulletin of the American Meteorological Society, 2014, Vol. 95, No. 3.

傳統意義上,降水臨近預報能力的提高很大程度上借助于觀測的外推,特別是雷達回波。近年來,傳統外推和高分辨率數值天氣預報(NWP)技術的混合在臨近預報領域受到越來越多的歡迎,這也給NWP群體帶來了更多挑戰,因為高分辨率NWP的臨近預報對初始條件及其質量的要求要高于長期NWP。近年來,得益于計算資源的增加、高分辨率數據同化技術的進步、顯式對流數值模擬的改善,NWP在臨近預報領域的應用已經取得了很大進展。NCAR的孫娟珍等總結了這些進展,并從降水系統的可預測性、改進中尺度觀測網絡的必要性和快速更新NWP和數據同化系統的改進等幾個方面討論了下一步的挑戰。

氣候變暖背景下全球氣候類型地理分布的時空變化——Spatiotemporal change in geographical distribution of global climate types in the context of climate warming. Climate Dynamics, 2014, in press.

全球氣候分區是了解世界各地氣候特征的重要方式。氣候變暖背景下,全球氣候類型的地理分布會發生怎樣的變動是一個重要問題。世界通用的氣候分類法是柯本(K?ppen)分類法,由于柯本分類法比較主觀并且還考慮了植被分布等原因,故柯本分類法在研究氣候區變動時有一定的局限性。為此,中科院大氣物理所的張先亮等基于CRU TS 3.1數據集中1901—2009年的全球陸地氣候數據,利用K均值聚類方法研究了氣候變暖背景下全球氣候區分布的變動,并與柯本分類法進行了對比。研究發現,兩種方法得到的氣候類型的總體分布基本一致。并且,聚類方法劃分出的氣候類型和它們對應的植被類型的分布也基本吻合。因此,在劃分世界氣候類型時,聚類方法可作為柯本分類法的一種替換,但聚類方法的優勢在于它是一種客觀分類法,而且不用像柯本方法那樣將植被分布作為參考信息。研究還分析了每隔25年全球氣候類型地理分布的時空變化,并用kappa值檢驗了不同時段之間的空間一致性?？偟膩碚f,盡管近百年間全球溫度有一個明顯的增長趨勢,但氣候類型的總體分布沒有大的變化。不過,南美洲和非洲的氣候類型分布卻出現了一些明顯變化。在南美洲,熱帶雨林氣候和冬季干旱的熱帶草原氣候的分布發生了大面積的變動。在非洲,

熱帶雨林氣候、夏季干旱的熱帶草原氣候、冬季干旱的熱帶草原氣候、草原氣候和沙漠氣候都發生了大的變化。概況而言,在世界各個氣候類型中,熱帶雨林氣候、熱帶季風氣候、草原氣候、沙漠氣候、和苔原氣候的地理分布容易發生變動,尤其是在氣候變化比較明顯的1976—2009年。

1900—2006年中國溫度距平序列的新估算和不確定性評價——A new estimate of the China temperature anomaly series and uncertainty assessment in 1900–2006. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2014, Vol. 119, No. 1.

盡管上個世紀的全球氣候變暖已經被充分認識到,但在氣候變暖的地區,如中國,限于早期有限的觀測,對過去百年來氣候變暖幅度的認識仍然存在一些不確定性。不同研究組已經獨立開發了幾套中國20世紀的溫度距平序列,其中的不確定性主要來自于1950年以前稀疏的觀測。為減小這些不確定性,中科院地理所的王勁峰等將兩種新穎獨特的適用于一個空間異質面上不同樣本情形的統計方法相結合,估算了中國的年平均溫度距平。這兩種方法分別被稱作B-SHADE和MSN,B-SHADE能夠彌補小的和具有潛在偏差的樣本, MSN方法能夠考慮到空間相關和異質性問題。研究發現,1900—1999年間,BSHADE-MSN估算的結果為溫度上升了0.8℃(95%置信區間, 0.41～1.18℃),這顯著低于氣候距平方法和塊克里格法計算的溫度上升值。同現有其他研究相比,新的溫度距平序列顯示出1950年以前的中國存在輕微的變暖。迄今為止,對于1950年以后的變化,所有適用的方法都顯示出了較好的一致性,1950年以后有足夠的站點計算溫度距平序列。交叉驗證表明,同本研究中評估的其他方法相比,新的區域平均氣溫距平系列產品具有更小的估計誤差方差和更高的精度。

氣候內部變率和強迫氣候變化之間的可能交互——On the possible interaction between internal climate variability and forced climate change. Geophysical Research Letters, 2014, Vol. 41, No. 8.

最近十幾年來,全球變暖速率有所放緩,這也被稱作全球變暖間隙,無論如何,這并不意味著人為溫室氣體強迫及其對氣候變化造成的影響(Forced climate change, FCC)出現了間斷。佛羅里達州立大學的呂建華等指出,無論是大西洋數十年振蕩(AMV)還是太平洋年代際振蕩(PDO),可能都會導致全球平均地表氣溫(SAT)的波動,從而引起SAT在年代際時間尺度上的交替的正/負趨勢。然而,平均狀態下,由溫室氣體強迫導致的SAT變化并不依賴于AMV和PDO的不同階段,這暗示了FCC和氣候內部變率可能會線性疊加,導致了目前觀測到的全球平均SAT瞬態。不過,另一方面,瞬態FCC的區域格局取決于內部變率的不同階段,因為大氣和海洋環流可能會受到氣候內部變率的不同階段的影響。研究結果表明,氣候內部變率和FCC的空間格局之間存在雙向互動。

利用基于遙感的植被物候和生產力評估1999—2010年間歐洲的生態系統干旱足跡——Drought footprint on European ecosystems between 1999 and 2010 assessed by remotely sensed vegetation phenology and productivity. Global Change Biology, 2014, Vol. 20, No. 2.

干旱災害對人類的影響不亞于其他任何自然災害,但是目前對生態系統是如何應對干旱的理解依然甚少。就此,歐盟委員會聯合研究中心下屬的環境與可持續發展研究所的Ivits等分析了歐洲主要的生物氣候帶在1999—2010年間植被物候和生產力變化與干旱格局時空變化的聯系。本研究選取了標準化降水蒸散指數(Standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)反映干旱,生長季長度和植被生產力的變化源于基于遙感的歸一化植被指數(NDVI)序列?；趯Ω珊禃r空變異的主成分分析,識別出了歐洲1999—2010年間4大主要的干旱事件。對應的分析顯示,在大陸尺度上,植被生產力和物候對干旱事件的不同響應,主要與生態系統和土地覆蓋有關。其中,北歐和地中海生態系統的植被物候和生產力對干旱的脅迫更具耐性；而干旱情形下,西大西洋地區和東歐的植被生產力下降明顯,植物生長季也明顯縮短,表明這些生態系統不能很好的緩沖干旱的影響。從氣候變化角度而言,干旱發生頻率和強度的增加可能會對這些生態系統產生較大影響,從而應強化這些地區的管理和適應策略。

北半球森林生長對干旱時間尺度的多樣性響應——Diverse responses of forest growth to drought time-scales in the Northern Hemisphere. Global Ecology and Biogeography, 2014, in press.

西班牙Pirenaico生態研究所的Vicente-Serrano等使用氣候干旱指數SPEI和1657個站點(主要位于北美和歐洲)的樹木年輪數據,分析了北半球樹木生長對不同時間尺度干旱的響應,以確定植被對干旱的響應格局是否受到了不同氣候和森林特征的驅動。研究使用相關分析量化了樹木生長對不同時間尺度干旱的響應,然后,使用主成分分析(PCA)對相關分析的結果進行了總結,使用預測判別分析(PDA)估計了不同環境因素的貢獻。結果顯示,不同森林類型的樹木生長對干旱的響應存在明顯差異：(1)在半干旱地區,森林主要響應于長時間尺度的干旱；(2)半濕潤條件下,森林主要響應于中—長時間尺度干旱；(3)在潮濕(非常潮濕的地區除外)、寒冷地區,森林對短期干旱的響應尤為明顯。