編輯選編

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中國氣象學會成立90周年紀念專刊——《氣象學報》2014年第72卷第6期

本期《氣象學報》繼續刊載了4篇中國氣象學會成立90周年紀念專刊文章。

李澤椿等對近10年中國現代天氣預報的發展與應用情況進行了回顧。文章指出，近10年來，隨著數值預報技術的進步，探測手段的日臻完善和豐富，以及高性能計算機快速發展和應用，現代天氣預報技術取得了顯著的進步，其中快速更新同化分析和預報、集合預報、概率預報以及數字化預報等新技術的應用，促進了中國天氣預報業務水平的提高，在中國防災減災、保障社會經濟發展和人民安康福祉的氣象服務中發揮了重要作用。回顧和介紹了近10年中國現代天氣預報新技術，主要包括基于中尺度模式的多源資料快速更新同化預報技術，提供災害性、極端性天氣預報的不確定性信息的集合預報和概率預報技術及高時空分辨率氣象要素的數字化預報技術，并展望了未來發展趨勢。

基于青藏高原在亞洲夏季風系統大氣水分循環過程的重要地位，從青藏高原對全球大氣水分循環重要作用的視角，徐祥德等綜述了青藏高原大氣水分循環過程中青藏高原局地熱力對流、高原的“階梯式”水汽流爬升“第二類條件不穩定（CISK）”物理模型、青藏高原視熱源結構影響及多尺度水汽匯流通道、海洋-青藏高原“水汽源-匯”結構、青藏高原跨半球垂直環流圈水分循環結構、青藏高原大氣水分循環綜合模型等的相關研究進展，剖析了青藏高原大氣水分循環綜合模型的研究背景，探討了青藏高原特殊大地形熱力驅動機制及其云水效應，描述出與青藏高原熱力驅動的亞洲區域和跨半球垂直環流圈水分循環結構，揭示了青藏高原熱力強迫與海洋-大氣-陸地水文過程特殊的相互反饋作用。青藏高原發源的亞洲河流水系是為人口眾多的亞洲區域供給生活、農業和工業用水的重要水資源之一。因此，認識在全球變暖背景下青藏高原的水分循環及其對水資源變化影響至關重要，仍需深入地探討青藏高原大氣水分循環機制及其全球影響效應。

黃建平等以干旱半干旱區的極端降水事件為切入點，分析了中國干旱半干旱區的極端降水事件次數和極端降水量的變化特征，旨在為干旱半干旱區的洪澇災害研究提供科學依據。結果表明，進入21世紀以來，中國110°E以西的干旱半干旱區極端降水事件的日數有所增多，而110°E以東的區域日數都有所減少。干旱半干旱區極端降水量的變化也呈現出西增東減的分布，大部分干旱半干旱區的極端降水量變化占總降水量變化的40%以上，一部分地區能達到50%，甚至100%～200%。從季節變化來看，春季天山以北、新疆南部、甘肅敦煌和內蒙古包頭以北地區極端降水量增加較多，夏季110°E以西的干旱半干旱區極端降水量均增大明顯，秋季陜西榆林、內蒙古鄂爾多斯、包頭和呼和浩特等地極端降水量增大較明顯。

為獲得中國不同區域大氣氣溶膠化學組成的總體“圖景”，進一步探討污染治理方向，需要分區域評估其化學成分濃度水平、組成與來源特征。張小曳通過對近地層中國內陸大氣氣溶膠中6種主要化學成分（硫酸鹽、硝酸鹽、銨、有機碳、黑碳和礦物氣溶膠）至少有1a觀測研究的評估分析，獲得不同區域氣溶膠化學成分質量濃度水平與組成的評估結果，認識到在氣溶膠污染最嚴重的4大區域（即北京以南的華北與關中平原區域、以長三角為主體的華東區域、以珠三角為主體的華南區域以及四川盆地）的PM10中礦物氣溶膠（所占比例在20%～38%）、硫酸鹽（14%～24%）、有機碳（11%～18%）是3個主要組分；其中華北與關中平原氣溶膠污染在中國最重，硫酸鹽濃度在35～47μg/m3（遠高于北京（13～18μg/m3））、有機碳28～45μg/m3（約是北京（19～22μg/m3）的1.8倍）、硝酸鹽19～22μg/m3（約是北京（9.9～12μg/m3）的2倍）、銨1 4～1 6 μ g/m3（仍然比北京（6.2～8.4μg/m3）高1倍），黑碳在北京和北京以南城市的濃度差別不大（9.1～12μg/m3）。這其中燃煤對硝酸鹽和有機碳氣溶膠的貢獻超過50%，農業活動是銨的最重要來源。華東、華南和東北城市區域氣溶膠化學成分濃度水平與北京相近，但四川盆地城市站各組分濃度均高于北京，污染較重。西北蘭州城市站，除了黑碳濃度低很多、硝酸鹽濃度稍高外，其他氣溶膠化學成分濃度水平與北京相當。西北偏遠區域沙漠站點，各種氣溶膠化學成分的濃度都要遠低于北京。青藏高原和云貴高原城市站氣溶膠化學成分濃度與北京相比也明顯偏低。不同區域氣溶膠化學組成分析顯示，燃煤、機動車、城市逸散性粉塵和農業活動是4個最需要關注的污染源，加強除發電行業外的燃煤脫硫，進一步消減燃煤氮氧化物、一次有機碳和揮發性有機物排放，并有效減少農業活動排放到大氣中的氨，更有效限制硫酸鹽和硝酸鹽的形成是已有大氣污染治理對策基礎上，未來應特別關注的控制方向。

基于T213集合預報的延伸期產品釋用方法及初步試驗——《氣象》2014年第40卷第11期

基于T213集合預報系統2008年1月中國及附近區域500hPa高度和850hPa溫度的1～15d預報資料，構建延伸期產品釋用方法，通過對逐日11～15d預報資料做集合平均和后向衰減權重系數滑動平均，進而得到延伸期（11～15d）候平均和候距平預報，并對預報效果進行檢驗，結果表明：對11～15d預報場做集合平均和后向衰減權重系數滑動平均均能降低預報誤差，改善整體預報效果。由此得到的500hPa高度場和850hPa溫度場11～15d候平均預報誤差與逐日控制預報第5天的水平相當，候距平相關系數均接近0.6，整體而言效果較好，具備一定的應用價值。500hPa高度場和850hPa溫度場11～15d候距平預報在中國大陸地區位相準確率均較高，東南沿海和東北部分地區稍差，且850hPa溫度場的位相準確率整體高于500hPa高度場。候距平預報對延伸期（11～15d）的大范圍持續性異常距平具有較強的捕捉能力，對異常距平出現的范圍和分布、強距平中心的位置的預報均較好，但強度整體偏弱。

大氣擴散集合預報技術和確定性預報技術在日本福島核事故全球擴散中的對比分析——《中國科學：地球科學》2014年第44卷第11期

將集合預報技術引入到大氣擴散數值模擬中，這是提高大氣擴散數值模擬能力的一種新的、有效的手段。2011年3月受日本東北部9.0級大地震影響，日本福島第一核電站發生核泄漏事故。盛黎等以此次核泄漏事故的全球擴散為研究對象，通過運用不同的大氣擴散預報技術（集合預報和確定性預報），模擬了福島核泄漏釋放出來的放射性物質在全球的擴散過程，并利用監測資料對模擬結果進行了對比分析和評估。文中采用的集合預報技術共三種，分別為氣象場擾動技術MET、湍流擾動技術TUR和基于大氣擴散物理過程參數化方案的集合預報技術PHY。模擬結果顯示：集合預報的擴散軌跡模擬技術能更好地模擬粒子隨大氣環流擴散的過程；此外，與MET和TUR相比，確定性預報和集合預報PHY模擬擴散范圍偏小，擴散速度偏慢，且無法模擬出4月初日本福島核放射物質向我國東部海域擴散的過程。這是因為MET和TUR技術核心是對平均速度和湍流速度進行擾動，這種三維擾動，會促使污染物向更遠方向進行擴散，水平方向擴散連續也更符合監測情況；PHY主要是對擴散物理過程參數進行擾動，以垂直速度的擾動為主，造成擴散范圍偏小、水平方向擴散不連續。此外，監測站點與模擬結果的時間序列對比分析結果表明：模擬結果均能較好反應濃度趨勢演變，不過模擬濃度偏低，尤其是確定性預報和PHY試驗；此外，通過與監測站點的比較得出：與PHY相比，MET和TUR在平均濃度和最大濃度出現概率上具有更大優勢。

青藏高原中部大氣水汽穩定同位素捕捉到印度洋臺風“費林”信號——《科學通報》2014年第59卷第35期

大氣水汽穩定同位素的變化不僅在長時間尺度上與氣候因子相關，而且對于極端天氣事件也十分敏感。崔江鵬等通過分析青藏高原中部那曲地區大氣水汽δ18O變化，發現2013年10月15—16日在印度洋臺風“費林”爆發期間，大氣水汽δ18O達極低值－42.1%，平均值低于一般值16.6%。大氣水汽同位素與同期氣象觀測結果對比分析表明該極低值與水汽來源相關。TRMM衛星日降水量分布及水汽反向追蹤模型結果顯示，該水汽來源于南部的孟加拉灣。這表明即使在季風結束期，印度洋水汽可以通過極端天氣事件影響到青藏高原；這也表明極端天氣事件有可能通過穩定同位素信號影響不同介質的穩定同位素記錄。

集合均方根濾波同化地面自動站資料的技術研究——《大氣科學》2015年第39卷第1期

模式地形與觀測站地形高度差異一直是地面資料同化面臨的棘手問題，合理的同化方案能夠將地面自動站資料有效的同化到中尺度數值模式中。邵長亮等首先采用Guo等（2002）的方案實現了在WRF模式中應用集合Kalman濾波方法同化地面自動站資料；然后對方案進行調整，對10m高度風場、2m高度位溫、2m高度露點和地表氣壓進行同化。通過均方根誤差分析，模擬結果和同化增量分析來確定集合平方根濾波（EnSRF）同化地面自動站資料的有效性，并進行敏感性試驗分析檢驗模式對各要素物理量的響應狀況。結果表明：在EnSRF同化系統中應用Guo等（2002）的方案將地面自動站資料進行同化到數值模式中，能夠部分改善模擬結果；地面觀測資料（溫度、濕度、風場、地表氣壓）中各物理量分別同化到數值模式都能影響18小時降水預報，但各物理量所起作用大小不同，其中對結果影響最大的是露點；使用位溫、露點分別代替溫度、比濕進行同化模擬效果更好，對自動站資料的同化也更加有效。

基于副熱帶高壓異常活動個例的動力模型重構與變異特性剖析——《地球科學進展》2014年第29卷第11期

張韌等針對1998年夏季造成我國嚴重洪澇災害的副熱帶高壓異常活動，基于動力系統重構思想和遺傳算法，從1998年觀測資料時間序列中反演重構了副熱帶高壓活動的非線性動力模型，并結合天氣實況進行了副熱帶高壓活動變異的動力特性分析。結果表明，針對副熱帶高壓異常個例實際觀測資料反演重構的副熱帶高壓活動的非線性動力模型，可客觀描述副熱帶高壓活動（特別是異常活動）特征并予以合理的機理解釋。進一步的分析討論表明，隨著強迫參數的逐漸增加，副熱帶高壓動力系統將會發生平衡態的分岔、突變，平衡態的上述變化與實際天氣過程中的副熱帶高壓北跳、南落以及副熱帶高壓雙脊線現象有很好的對應關聯，并可對其進行合理的機理解釋，進而為副熱帶高壓等難以準確構建解析模型的復雜天氣系統的機理分析和動力特性討論提供參考。

塞內加爾河流域基于去除季節趨勢的NDVI和SIWSI的植被冠層水分脅迫與模擬蒸散評價——Evaluating EO-based canopy water stress from seasonally detrended NDVI and SIWSI with modeled evapotranspiration in the Senegal River Basin. Remote Sensing of Environment, 2015, in press.

在如非洲薩赫勒這樣的半干旱地區，植被的重要性不言而喻。而利用遙感獲取一些植被參數，對了解這些地區的植被變化具有相當的重要性。基于紅波段與近紅外的歸一化植被指數（NDVI）是目前應用最廣泛的植被遙感指數，而丹麥哥本哈根大學的Olsen等將NDVI與短波紅外水分脅迫指數（SIWSI）進行了對比，以分析使用SIWSI是否比NDVI能獲取更多的季節內的植被短期尺度變化信息。研究使用了來自MSG對地靜止衛星搭載的自旋增強可見光紅外成像儀（SEVIRI）的遙感數據，以及分布式水文模型模擬的蒸散數據（ETa），評價了2008年塞內加爾河流域的NDVI和SIWSI的時空變化。結果顯示，在空間上，日NDVI和SIWSI與Eta高度相關（相關系數平均皆為0.73），這表明了該流域植被南北梯度的重要性。而通過對比去除季節趨勢后的NDVI、SIWSI這兩種植被指數與10天平均Eta之間的關系，發現對于稀樹草原、草原、灌叢和植被稀疏土地所有4種土地覆蓋類型，SIWSI與Eta的相關都要高于NDVI。這表明，去趨勢后的基于近紅外與短波紅外的SIWSI能夠改善季節內植被水分脅迫的檢測。

季風加熱與北極冰層快速融化的一種連接途徑——A pathway connecting the monsoonal heating to the rapid Arctic ice melt. Journal of the Atmospheric Sciences, 2015, Vol. 72, No. 1.

美國佛羅里達州立大學的Krishnamurti等的這項研究給出了北極冰層快速融化與季風的一種聯系。每年，對流層頂附近的行星尺度的亞非季風向外吹時，會攜帶一個縱向傳播、并占據了整個熱帶地區近一半的強大的反氣旋環流。近年來，南亞季風已經使印度西北部和巴基斯坦的降水增加，這也促進了這一地區更為強烈的局地反氣旋的向外流動。這些強烈的上層高壓區攜帶來自季風帶的熱量向西移動至中亞，甚至加拿大北極地區的快速冰層融化區域。本研究以氣流的軌跡、熱含量以及熱通量異常定義了這種壯觀的移動途徑，在過去20年，熱含量以及熱通量等上述的這些異常呈現出緩慢增加的趨勢。將季風與北極冰層快速融化聯系在一起是本研究的新貢獻。這可以由熱含量異常具有高的正值的垂直氣柱從亞洲季風帶到加拿大北極的移動得到證實。本研究也將這些熱力學波列（定義了這種途徑）與傳統的動力波列進行了對比。

使用衛星遙感數據估算地面PM2.5的高分辨率空間分布——Using satellite remote sensing data to estimate the highresolution distribution of ground-level PM2.5. Remote Sensing of Environment, 2015, Vol. 156.

雖然地面監測可以準確的測量PM2.5，但與遙感相比，它在空間覆蓋和分辨率上存在局限。不過，基于衛星的遙感監測雖能提供具有較高的空間分辨率和連續空間覆蓋的氣溶膠光學厚度（AOD）產品，但它不能直接測量地面PM2.5濃度。目前已開發了一些基于觀測和基于模擬的方法，以從衛星AOD產品和稀疏的地面觀測數據中獲取地面PM2.5濃度。然而，以觀測為基礎的方法很少考慮氣溶膠特性（如氣溶膠成分和粒度分布）對AOD-PM2.5關系的影響。另一方面，雖然基于模擬的方法考慮了這些特性，但結果仍然受到了模型的不確定性的影響。為此，香港科技大學的Lin等提出了一種考慮主要氣溶膠特性影響的基于觀測的方法。該方法估算了氣溶膠特性對吸濕增長、粒子消光效率以及粒度分布的相關影響，并將其納入AOD-PM2.5的關系中。研究使用該方法量化了中國的PM2.5分布。結果顯示，對于中國565個站點的年和月平均PM2.5值，衛星反演和地面觀測之間存在良好的一致性和顯著的空間相關。這表明，該方法可以測量大規模的PM分布，其驗證結果至少與基于模擬的估計一樣好。結果還表明，這種方法具有在國家、區域和城市尺度上高分辨的識別PM2.5空間分布的能力，能為空氣污染控制策略、健康風險評估等提供有用信息。

一個基于高分辨率衛星影像的全球湖泊清單——A global inventory of lakes based on high-resolution satellite imagery. Geophysical Research Letters, 2014, Vol. 41, No. 18.

準確描述全球湖泊的數量和大小對于量化湖沼對全球碳循環的貢獻至關重要。然而，全球湖泊的數量很難估計。法國國立地球科學研究所—國家科學研究中心（INSU-CNRS）的Verpoorter等使用高分辨率的衛星影像（Landsat 7/ETM+），制作了一個全球水體數據庫（GLOWABO），該數據庫包括了全球所有面積大于0.002km2的湖泊。同時，GLOWABO包含了全球約1.17億個湖泊的地理和形態信息，所有這些湖泊的總面積達約為500萬km2，這是地球土地面積（冰川除外）的3.7%。其中，大型和中等規模的湖泊占據了總湖水面積的絕大部分。總的來說，全球的湖泊不太豐富，但是與之前基于統計推斷的估計相比，GLOWABO給出的湖泊總面積更大。利用GLOWABO，可以開展全球規模的基本湖沼問題的評估，給在大尺度上量化湖沼對生物地球化學過程的貢獻提供了一個基礎。

評價方差縮放的氣候重建技術以及對極值捕獲的檢驗——Measuring the skill of variance-scaled climate reconstructions and a test for the capture of extremes. The Holocene, 2015, in press.

使用回歸和代用指標作為自變量進行氣候重建，其結果不可避免地偏向均值，以及顯示出較低的方差和對極端事件的低估。對均值和方差進行縮放可能會使目標氣候數據更接近真實范圍，但與基于回歸的重建相比，這種縮放也隨之會使誤差增長。然而，目前沒有簡單的方法可以用來量化增加的誤差的大小。英國斯旺西大學的McCarroll等給出了一個簡單的度量和非參數檢驗方法，以判斷對方差進行縮放是否為使對極值的“捕獲”得到顯著改善，其中，極值定義為超出所度量的氣候數據的上下10%范圍。研究使用3個個例，分別為冰融化與春季溫度、樹木生長和夏季溫度、樹輪中的氧同位素和夏季降水，檢驗了所給出的方法。結果發現，基于樹木生長的北歐北部夏季氣溫重建很好地捕獲了冷夏，但對最溫暖夏天的捕獲率并沒有好過預期。未能正確捕捉到最暖的年份，對于解釋過去很溫暖的夏天出現的頻率和規模具有重要意義。

分析基于2003—2011年SCIAMACHY觀測的中國的低對流層CO2季節性變化——Interpreting seasonal changes of low-tropospheric CO2over China based on SCIAMACHY observations during 2003-2011. Atmospheric Environment, 2015, in press.

大氣中的CO2濃度呈現出強烈的季節性變化。分析區域的CO2季節性周期可能有助于改善對某些區域的CO2源和匯的解釋。基于長期（2003—2011年）的來自于掃描成像大氣吸收光譜儀（SCIAMACHY）反演的數據，國家衛星氣象中心的Wang等分析了中國的CO2柱平均干氣體摩爾比（XCO2）的季節性周期和年際變化。結果表明，2003—2011年，XCO2在中國增加了約4.2%，但季節性波動保持了相似的格局，其平均振幅為9.35ppm。XCO2最高濃度出現在春季，最低值總是出現在夏季。基于多年平均值，就可以看出X CO2的季節信號，它在較寒冷的季節增加，而在12月—次年2月期間會下降。本研究也進一步探討了導致這種季節特征的潛在影響因素，包括歸一化植被指數（NDVI）、氣溫以及對中國的人為CO2相對貢獻較大的火力發電和水泥等工業生產。分析發現，CO2的季節變化與NDVI和氣溫的變化關系密切。不過，2003年以來中國的人為CO2排放量的增長可能是由煤燃燒和水泥生產的快速增長造成的。

整個美國西部山區氣候變暖趨勢的人為放大——Artificial amplification of warming trends across the mountains of the western United States. Geophysical Research Letters, 2015, Vol. 42.

美國西部主要的山地氣候站網觀測顯示，高海拔區域的氣候變暖比低海拔區域更快。然而，美國蒙大拿大學的Oyler等仔細評估了這個氣候站網的溫度觀測，發現在高海拔區域觀測到的極端氣候變暖是由于不均一性（觀察規范、儀器或站址的變化）造成的，而不是氣候條件本身的變化。隨著不均一性的去除，該站網1991—2012年的較高海拔站點的最低溫度變化趨勢，從+1.16℃/10a（p＜0.01，±0.122℃）下降到了+0.106℃/10a（p=0.39，±0.122℃），這與海拔較低站點的最低溫度變化趨勢（+0.069℃/10a）在統計上并沒有顯著差異。目前，長期廣泛使用的網格氣候產品保留了虛假的溫度變化趨勢，從而將1981—2012年美國西部依賴于海拔的變暖放大了217%～562%。在氣候變暖背景下，山地氣候趨勢的這種人為放大可能使整個美國西部山區對氣候變化的影響被高估了。

CO2濃度升高導致的植物生長增強被水和氮的共同限制所抑制——Plant growth enhancement by elevated CO2eliminated by joint water and nitrogen limitation. Nature Geoscience, 2014, Vol. 7, No. 12.

大氣中CO2濃度的升高對于植物生長具有施肥效應，而由此導致的植物對CO2吸收的增加，可能反過來會減慢大氣中CO2水平的增加和相關的氣候變暖。當水分供應不足時，CO2施肥效應可能會加強，因為CO2濃度的升高也導致了植物水分利用效率的改善。然而，當植物生長受到養分供應的限制時，CO2施肥效應可能會減弱。土壤養分和水分的變化是如何共同影響CO2施肥效應的，目前不得而知。為此，美國明尼蘇達大學的Reich等設計了兩組不同水平的大氣CO2、土壤氮和夏季降水控制試驗，以分析兩種處理下的多年生草地的植物生物量水平，試驗在露天下進行，時間長度為5年。研究發現，CO2施肥效應的存在與否依賴于可利用的氮和水分的量。具體來說，當夏季降水、氮的供應，或兩者都在較高的水平時，CO2濃度的升高導致植物生物量增加了33%以上。但是，當降水和氮均處在較低水平時，升高的CO2濃度并沒有增加植物生物量。由此，研究認為，由于水和養分的限制廣泛存在于世界不同區域，故上升的大氣CO2濃度對植物生物量的正效應可能不是無處不在的。

四川盆地及其鄰近地區的雨季降水——Rainy-season precipitation over the Sichuan basin and adjacent regions in southwestern China. Monthly Weather Review, 2015, Vol. 143, No. 1.

使用2003—2010年高時空分辨率的衛星反演降水資料（CMORPH降水資料），中國氣象科學研究院的錢婷婷等分析了四川盆地及其鄰近區域夏季（雨季）平均降水的空間變異及晝夜傳播特征。四川盆地位于青藏高原東部，很容易出現強降水，降水峰值往往出現在夜間和清晨。雨季期間，四川盆地大尺度環境場的主要配置特征為中、低對流層弱的輻合、對流層上部有向北的急流。在這種配置下，本研究將本區域降水格局獨特的晝夜變化與特殊的地形地貌聯系了起來。研究發現，在雨季，當地晝夜降水量最大值主要向下坡和東南方向移動（從白天的青藏高原向晚上的四川盆地）。降水量最大值的次級移動出現在從深夜到凌晨，由云貴高原的東北下坡朝四川盆地移動。由于四川盆地和周圍山脈之間的大的地形（高度）反差，四川盆地和鄰近地區的降水移動與多個區域尺度的山地平原螺線管循環緊密聯系在一起。