中國東部城市群發展對南海夏季風爆發影響的模擬研究

余榮 江志紅 馬紅云

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中國東部城市群發展對南海夏季風爆發影響的模擬研究

余榮 江志紅 馬紅云

南京信息工程大學氣象災害教育部重點實驗室/氣候與環境變化國際合作聯合實驗室/氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京210044

本文利用NCAR開發的CAM5.1（Community Atmosphere Model Version 5.1）模式，針對我國東部大規模城市下墊面發展對南海夏季風爆發的影響進行了數值模擬研究。結果表明我國東部大規模城市群發展可能使得南海夏季風提前1候爆發；機理分析表明：在南海夏季風爆發之前，中國東部城市群發展引起的陸面增溫，使得南海及其附近地區南北溫差提前逆轉、中國東部區域海平面氣壓降低，導致中南半島到南海地區西南氣流加強，中南半島到南海地區降水增加，而凝結潛熱垂直變化強迫出的異常環流，促進了南亞高壓的加強及提前北跳，相伴隨的高層抽吸作用有助于季風對流的建立和西太平洋副高的減弱東撤，從而形成了有利于南海夏季風爆發的高低層環流條件，導致南海夏季風提前爆發。另外，觀測結果表明1993年之后南海夏季風爆發的日期相對上一個年代明顯提前約2候，城市化快速發展階段與南海夏季風爆發的年代際變化存在時間段的吻合，表明城市下墊面發展可能是南海夏季風提前爆發的原因之一。

城市化 南海夏季風爆發 數值模擬 全型渦度方程

1 引言

南海季風不僅是南亞季風和東亞季風連結的媒介，也是亞澳季風相互聯系、相互作用的表現（何金海等，2004）。它的爆發標志著東亞夏季風的來臨和中國東部雨季的開始（丁一匯等，2004；Chen et al., 2001），其爆發的早晚及強度直接影響東亞夏季風的進程及我國汛期降水的時空變化（黃榮輝等，2005；He et al., 2007）。因此，有關南海夏季風爆發日期變化及其機理的研究一直是東亞季風研究中的熱點。

1990年代以來，Wang et al.（2004）、Kajikawa and Wang（2012）通過分析觀測資料發現在1993年以后南海夏季風的爆發日期相對上一個年代明顯提前約2候。Liu et al.（2009）通過對南海夏季風爆發早晚年的合成分析指出，春季40°N以北的大陸溫度偏高會使得南海季夏季風提前爆發；吳國雄等（2004）統計分析了1980～1998年亞洲季風爆發日期序列與400 hPa月平均溫度場的時滯相關，發現春季青藏高原加熱異常對于后期亞洲夏季風爆發具有顯著的影響；錢永甫等（2004）認為在影響夏季風爆發早晚的主要因子中，陸地加熱異?？赡鼙群Ｑ蟾鼮橹匾?。

顯然，導致陸地加熱異常的原因有很多（Kalnay and Cai，2003；Pitman et al.，2012；Christidis et al.，2013；Li et al.，2014；王東東等，2014；周莉等，2015），值得注意的是，1990年代以來，我國城市化水平持續增加，1996年城鎮化率突破30%，2000年來進入快速城市化階段，城鎮化率從36.22%上升至2005年的40.68%（葉嘉安等，2006），中國東部大規模的城市化無疑也會引起中國東部陸地加熱異常（Miao et al.，2011；Li et al.，2013；Wang et al.，2014；劉鵬等，2011），可能導致陸面對大氣熱力強迫的變化。Wan and Zhong（2014）利用WRF模式模擬長江三角洲區域有無城市的敏感性試驗，發現城市區域有顯著的增溫，上海和南京近地面溫度增幅超過4°C，并且在城市群的下風方向降水增加；鄭益群等（2013）利用中尺度模式（MM5）研究不同緯度帶上城市化對東亞夏季風氣候的影響，指出城市下墊面擴展使得擴展區及其周邊地區的降水減少、氣溫升高，而由城市擴展激發出的次級大氣環流具有較強的區域性特征；Shao et al.（2013）利用模式RegCM3探究城市化對東亞季風的影響，發現城市下墊面的增加使得在夏季風初期中國東部西南風加強；可見不少區域模式能模擬出城市化對陸地加熱和大氣強迫的作用，并且其影響具有局地性；而IPCC AR5（Intergovernmental Panel on Climate Change Fifth Assessment Report）明確指出，土地利用和土地覆蓋的變化會引起局地和區域尺度的氣候變化，并通過大氣環流的調整對更大范圍的氣候產生影響。因此近期一些研究者也利用全球模式來分析 城市化問題，鄧潔淳和徐海明（2014）認為由于近地面對不同程度城市范圍擴展的熱力響應具有非線性變化，導致東亞春季低空環流的變化也具有一定的不確定性，但總體上會減弱長江中下游以南地區的西南氣流；Chen and Zhang（2013）利用全球大氣環流模式NCAR CAM4.0，通過增加中國東部地區城市百分比來探討大規模城市化對東亞冬季風的可能影響，發現中國東部地區城市下墊面發展使得東亞冬季風強度減弱，年平均風速在城市區域都有所減小。

可見，大規模城市發展作為影響陸面加熱異常的重要因素，已有一些研究開始關注城市發展對氣候及其季風變化的影響，但目前研究很少涉及到其對大尺度季風環流及氣候季節內尺度變化的影響。南海夏季風作為東亞夏季風季節內演變的重要過程之一，對東亞夏季風的推進過程及中國東部夏季降水異常都有重要影響，但分析大規模的城市化對南海夏季風爆發的影響及其機理的研究尚不多見。因此，本文利用高分辨率的CAM5.1模式，通過對比中國東部有無城市下墊面模擬試驗的結果，研究中國東部城市群下墊面發展對南海夏季風爆發的可能影響，并進一步分析其影響機理。

2 試驗方案及資料和方法

2.1 模式簡介和試驗方案

2.1.1 模式簡介

研究采用美國國家大氣研究中心（NCAR）開發的全球大氣環流模式CAM5.1（Community Atmosphere Model Version 5.1）。CAM5.1 是公共地球系統模式CESM（Community Earth System Model）的一個分量，文中將其與陸面模式（CLM）、熱力學海冰模式（CICE）及數據海洋模式（DOCN）相耦合來運行，其中陸面模式CLM中包含了城市模塊。很多學者已利用該模式進行了一些關于城市化問題的模擬，研究表明該模式能對其進行有效的研究（Oleson et al., 2010；Ma et al., 2015；Deng et al., 2014）。

2.1.2 試驗方案

為了研究我國東部城市下墊面發展對南海夏季風爆發的可能影響，本文設計了兩個數值試驗：（1）對比試驗（簡稱CTRL）：采用模式默許的地表參數及覆蓋類型，其中城市下墊面百分率分布如圖1a；（2）去除城市試驗（簡稱NOURB）：去除了中國東部（20°～50°N，100°～125°E）網格中的城市下墊面（圖1b），并用對應網格中比重最大的植被覆蓋類型代替，其他條件則與控制試驗相同。研究選取水平分辨率為0.9°×1.25°的CAM5.1模式，模式垂直方向上采用混合坐標。文中使用英國氣象局哈德萊中心1988～2007的逐年月平均海溫資料（HadISST；Met Office Hadley Centre sea ice and SST dataset）作為大氣低層海洋邊界條件。試驗從1988年積分至2007年共20年，取后15年（1993～2007年）的模擬結果進行分析，后文給出的差值場均為CTRL試驗減去NOURB試驗15年平均的結果，用于代表中國東部城市下墊面發展所帶來的影響。

2.2 研究資料和方法

2.2.1 資料

本文選用了美國國家環境預報中心/國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）1978～2007年逐日、逐月的風場、位勢高度場、溫度場再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°，用于檢驗模式CTRL試驗的結果。

2.2.2 大氣視熱源

利用倒算法計算大氣視熱源（何金海等，2002；劉伯奇，2013）：

2.2.3 全型渦度方程

為探討加熱場和環流場之間的相互作用，利用吳國雄等（1999）、劉屹岷等（1999a，1999b）在不考慮大氣內部熱力結構的變化、熱源本身及摩擦耗散的影響，僅考慮大氣視熱源情況下，得到簡化的全型渦度方程：

2.2.4 南海夏季風爆發定義

目前已有很多研究從季風區降水、高低空環流以及綜合指標等方面定義了南海夏季風的爆發日期。本文從低空環流場的角度出發（Wang et al.，2004），用scs代表南海地區（5°～15°N，110°～120°E）850 hPa的平均緯向風（下文涉及南海地區均采用這一范圍），定義南海夏季風爆發日期需滿足以下條件：（1）自第24候開始，爆發當候的scs＞0；（2）此后連續4候（含爆發候）中，至少有3候的scs為正值，且這4候的平均scs＞1 m s?1。

3 城市下墊面發展對南海夏季風爆發的影響模擬

3.1 南海夏季風爆發階段模式模擬能力評估

在分析模式試驗結果之前，首先將CTRL試驗的模擬結果與NCEP/NCAR再分析資料進行簡單比較。圖2給出了CTRL試驗和NCEP/NCAR再分析資料1993～2007年平均的4～6月850 hPa風場和位勢高度場的逐月演變情況。4月份，CTRL試驗（圖2a）西太平洋副高脊線控制著中南半島—南海地區，孟加拉灣為低值區，索馬里急流以及越赤道氣流均未形成，對比再分析資料結果（圖2d），發現CTRL試驗能較好地呈現中低緯度環流的特征，只是給出的西太平洋副熱帶高壓的位置略微偏西；到了5月份，CTRL試驗中（圖2b）副熱帶高壓略有東撤，整個中南半島和南海的南部地區開始受西南氣流控制，出現了索馬里急流和東亞地區越赤道氣流，對比再分析資料結果（圖2e），可知CAM5.1模式對副高和印緬槽都有較好地模擬，只是模擬的越赤道氣流的強度較再分析資料偏弱；6月份，CTRL試驗中（圖2c）越赤道氣流得到進一步加強，阿拉伯海和孟加拉灣上空的西風氣流也隨之加強，CTRL試驗結果和再分析資料（圖2f）比較吻合。從風場和位勢高度場的逐月演變模擬結果來看，CAM5.1模式模擬的CTRL試驗4～6月850 hPa大氣環流場與NCEP/NCAR再分析資料是比較一致的。

圖1 不同模式試驗中城市下墊面百分率分布：（a）CTRL試驗；（b）NOURB試驗

圖2 CTRL試驗（左列）和NCEP/NCAR再分析資料（右列）中4～6月850 hPa風場（單位：m s?1）和位勢高度等值線（單位：gpm）：（a、d）4月；（b、e）5月；（c、f）6月

圖3 （a）CTRL試驗和（b）NCEP/NCAR再分析資料中4～6月平均的1000 hPa氣溫場（單位：°C）

進一步我們給出CTRL試驗和NCEP/NCAR再分析資料1993～2007年南海夏季風爆發候的逐年演變（圖4），通過比較發現，CAM5.1對南海夏季風爆發日期具有一定的模擬能力，其中，對2000年以后模擬的效果較之前好?？傮w而言，CAM5.1模式能較好地模擬大尺度環流場和基本要素的氣候特征，并且對東亞夏季風各子系統在季風爆發前后的變化特征均有較好地體現，因此，可以用來研究城市化效應對南海夏季風爆發的影響。

圖4 1978～2007年南海夏季風爆發候的逐年演變。圓點實線為NCEP/ NCAR再分析資料的逐年日期變化；三角實線為CTRL試驗的逐年日期變化；虛直線為NCEP/NCAR再分析資料的年代際平均日期變化

3.2 中國東部城市下墊面發展對南海夏季風爆發的影響模擬

春末夏初，亞洲季風區開始由冬季風向夏季風轉換，大氣環流也隨之發生明顯的季節性調整。為了探究城市下墊面發展對南海夏季風爆發前后環流場的影響，首先給出了不同試驗下850 hPa差值風場沿5°～15°N平均的時間—經度分布圖（圖5）。從圖中可以看出，相比于NOURB試驗，CTRL試驗中東西風分界線在5月上中旬（5月2～3候）有一次明顯向東擴展的過程，南海地區出現了顯著的西/西南風差值氣流。根據2.2.4節對南海夏季風爆發的定義，計算得到CTRL和NOURB試驗南海夏季風爆發的平均日期分別為5月3候（27候）和5月4候（28候）。同時，利用高輝等（2001）定義的南海夏季風爆發指標，發現CTRL試驗和NOURB試驗南海夏季風爆發時間也依次為27、28候，表明CTRL試驗較NOURB試驗南海夏季風提前1候爆發。

圖5 850 hPa差值風場沿5°～15°N平均的時間—經度剖面圖（CTRL減NOURB；單位：m s?1）。實線和虛線分別為CTRL和NOURB試驗850 hPa東西風分界線

進一步根據 2.2.4節定義，計算NCEP/NCAR再分析資料中南海夏季風爆發候的年際變化如圖4?？梢钥吹?，1978～1993年間南海夏季風的平均爆發日期約為29.5候，1994～2007年則明顯提前至約27.5候，表明1993年以后南海夏季風的爆發日期相對上一個年代明顯提前約2候。值得注意的是，90年代以后正值我國東部城市化快速發展階段，因此，城市化和年代際自然變率的共同作用導致了近年來南海季風提前爆發，那么城市化是如何影響南海季風提前爆發？顯然值得進一步分析。

4 城市下墊面發展對南海夏季風爆發影響的可能機理

一般認為季風系統形成主要是海陸熱力差異季節變化造成的風系的季節變化（丁一匯等，2004）。何金海等（2004）提出南海及其附近地區（5°S～30°N，110°～120°E）南北溫差在5月發生轉變，與南海夏季風建立有內在聯系。圖6給出了該區域500 hPa南北溫差（5°S～5°N－20°～30°N）隨時間的演變，圖中從23候開始，CTRL試驗的南北溫差要小于NOURB試驗，并且CTRL試驗于28候由正轉負，而NOURB試驗在29候才發生這種轉換。因此，CTRL試驗的南北溫差轉變先于NOURB試驗，有利于南海夏季風的提前建立。CTRL試驗較NOURB試驗在1000 hPa南北溫差的轉換進程也是提前的（圖略）。同時，錢永甫等（2004）指出，110°～120°E中高緯東亞大陸的加熱，致使大陸高壓首先在中國東部減弱而形成低壓，從而引導西南氣流到達南海地區。他們認為中國東部區域（25°～40°N，110°～120°E）陸面的迅速加熱對南海夏季風爆發早晚有關鍵作用，而該區域正好是我國東部城市密集區（圖1a）。圖6給出了該區域（25°～40°N，110°～120°E）CTRL和NOURB試驗平均海平面氣壓差值隨時間的演變，可以發現，從23候開始，海平面氣壓差值一直為負值，即CTRL試驗中該地區的海平面氣壓一直小于NOURB試驗。因此，城市下墊面發展使得南海及其附近地區南北溫差提前逆轉并伴隨中國東部區域海平面氣壓降低，這有利于引導西南氣流提前到達南海地區，可能引起南海夏季風提前建立。

圖6 南海及其附近地區500 hPa南北溫差（LSTD）（T5°S～5°N－T20°～30°N）（單位：K）和中國東部區域（25°～40°N，110°～120°E）平均海平面氣壓（SLP）差值（CTRL減NOURB）（單位：hPa）的時間演變圖

從圖6我們可以發現，南海南北溫差和陸地區域海平面氣壓差值在25～27候差異最顯著，那么由城市下墊面發展導致的陸面熱力狀況的改變對環流場有何影響呢？我們給出了CTRL與NOURB試驗25～27候850 hPa的南海地區附近的風場差值分布圖（圖7），從圖中我們可以看到，在25候（圖7a），南海地區附近存在一個弱的氣旋性異常環流，西南差值氣流較弱；26候（圖7b），從中南半島南部到南海南部和中部都存在西南差值氣流，并在南海北部存在一個閉合的氣旋性異常環流，西南差值氣流加強；27候（圖7c）西南差值氣流繼續北推，并延伸到整個南海地區，強度進一步發展。而由圖2e可知，5月份南海地區附近850 hPa盛行西南氣流，表明在南海夏季風爆發之前，中國東部城市下墊面發展使得從中南半島到南海地區CTRL試驗較NOURB試驗存在西南氣流的加強，并為該地區提供更充沛的水汽條件。

圖7 850 hPa南海地區附近的風場差值分布圖（CTRL減NOURB；單位：m s?1）：（a）25候；（b）26候；（c）27候。虛線方框區域表示南海地區；陰影區域表示通過90%信度檢驗的區域

同時，圖8進一步給出了CTRL和NOURB 試驗25～27候南海地區附近的降水率差值分布圖，從圖中可知，26～27候CTRL試驗在從中南半島到南海地區的降水率整體上大于NOURB試驗。其中25候（圖8a）CTRL和NOURB試驗在中南半島降水差異為負，而在南海地區降水的差異很??；26候（圖8b）CTRL較NOURB試驗降水略有增加；而27候（圖8c）整個中南半島到南海地區都呈現出降水的正異常。可見，敏感性試驗結果表明：中國東部城市化發展可能引起中南半島到南海地區西南氣流加強，出現中南半島到南海地區降水增加。

圖8 南海地區附近的降水率差值分布圖（CTRL減NOURB；單位：mm d?1）：（a）為25候、（b）為26候、（c）為27候；虛線方框區域表示南海地區；通過90%信度檢驗的區域用黑色圓點表示

降水過程會伴隨著凝結潛熱加熱增加，基于何金海等（2006）的研究：4月中旬以后，凝結潛熱加熱（）是視熱源加熱（1/c）的主要貢獻者。圖9給出了23～29候中南半島及其附近地區（5°～30°N，90°～110°E）上空視熱源加熱的時間—高度剖面圖，可以看到：CTRL試驗中凝結潛熱加熱中心（大于4 K d?1）出現的時間在25～26候，而NOURB試驗在26候以后才出現。根據吳國雄等（1999）推導的全型渦度方程[見公式（3）]，考慮到時間尺度較長時，在最大潛熱熱源的上方，方程（3）簡化為

圖9 中南半島及其附近地區（5°～30°N，90°～110°E）上空的時間—高度剖面圖（單位: K d?1）：（a）CTRL試驗；（b）NOURB試驗

可見效應將使得熱源區上方出現偏北風異常，在熱源西側出現反氣旋式異常環流，在熱源東側出現氣旋式異常環流。以26候為例，在200 hPa（圖10a），中南半島以西地區出現反氣旋性異常環流，它有利于南亞高壓的北跳及加強。這一過程在200 hPa流場上也有清楚表現，圖11中CTRL試驗南亞高壓較NOURB試驗位置偏北、范圍更大，而與之相伴隨的是孟加拉灣南部上空出現“喇叭口”狀流場，高層抽吸作用加大，對應高空輻散強度超過8×10?6s?1。圖11a中南海北部地區也存在高層輻散中心，且600 hPa上明顯的上升運動，這種高層輻散和中層上升氣流之間的密切耦合表明在南海夏季風爆發前，CTRL試驗南海地區低層存在明顯的高層抽吸作用,這種抽吸作用使得南海地區850 hPa表現為氣旋性異常環流（見圖10b），有利于西太平洋副熱帶高壓提前減弱東撤。而NOURB試驗（圖11b）在南海地區沒有明顯的高層抽吸作用?？梢娺@種與南亞高壓北跳加強有關的高層抽吸作用有助于季風對流的建立和西太平洋副高的減弱東撤，為南海季風爆發提供了有利條件，最終導致南海夏季風提前爆發。

圖10 26候200 hPa和850 hPa風場差值分布圖（CTRL減NOURB；單位：m s?1）：（a）200 hPa；（b）850 hPa。陰影區域表示通過90%信度檢驗的區域

圖11 26候200 hPa流場、散度場（單位：10?6 s?1）和600 hPa上升運動（單位：Pa s?1）：（a）CTRL試驗；（b）NOURB試驗。陰影區表示200 hPa散度場，加黑色圓點區域表示600 hPa上升運動小于?0.05 Pa s?1的區域）

綜上分析可見：從春季到夏季太陽輻射不斷增強，城市下墊面升溫更快，使得南海及其附近地區南北溫差提前逆轉并伴隨中國東部區域海平面氣壓降低，導致中南半島到南海地區西南氣流加強，出現中南半島到南海地區降水增加，由此帶來凝結潛熱的垂直變化，而其強迫出的異常環流，促進了南亞高壓的加強及提前北跳，而與南亞高壓北跳加強有關的高層抽吸作用有助于季風對流的建立和西太平洋副高的減弱東撤，形成了有利于南海夏季風爆發的高低層環流條件，導致南海夏季風提前爆發。

5 結論

本文利用高分辨率的CAM5.1模式，通過對比中國東部有無城市下墊面的模擬結果，探討我國東部地區城市化發展對南海夏季風爆發的影響及其可能機制。

（1）中國東部有無城市下墊面的敏感性試驗發現：控制試驗和去除城市試驗中南海夏季風爆發的日期分別為5月3候和5月4候，表明中國東部地區的大規模城市群發展可能使南海夏季風提前1候爆發。

（2）模擬試驗結果分析表明，在南海夏季風爆發之前，中國東部城市群發展引起的陸面增溫，使得南海及其附近地區南北溫差提前逆轉并伴隨中國東部區域海平面氣壓降低，導致中南半島到南海地區西南氣流加強，出現中南半島到南海地區降水增加，由此帶來凝結潛熱的垂直變化，其強迫出的異常環流，促進了南亞高壓的加強和提前北跳，伴隨的高層抽吸作用有助于季風對流的建立和西太平洋副高的減弱東撤，形成了有利于南海夏季風爆發的高低層環流條件，導致南海夏季風提前爆發。

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A Numerical Study on the Impact of Urban Land-Use Change over Eastern China on the Onset of the South China Sea Monsoon

YU Rong, JIANG Zhihong, and MA Hongyun

(),(),(),,210044

The effect of urban land-use change over eastern China on the onset of the South China Sea summer monsoon (SCSSM) is investigated using Community Atmosphere Model Version 5.1 (CAM5.1). Results show that the seasonal transition characteristics of large-scale atmospheric circulation during the SCSSM onset are reproduced well in CAM5.1. Comparison of two runs show that urbanization over eastern China may advance the date of SCSSM onset by one pentad. Possible mechanisms are analyzed, revealing that urbanization induces strengthened warming and sensible heating from land to air in the middle to high latitudes over continental eastern China, and the thermal contrast between ocean and land is reduced, causing the advancement of the formation of continental low pressure and leading to the early appearance of zonal wind over the South China Sea. This provides abundant vapor, conducive to precipitation over the South China Sea. The increase in precipitation causes the increase in condensation latent heat release, making the control (CTRL) experiment generate a condensation latent heating center in advance. The related dynamic diagnosis shows that the vertical change in condensation latent heating has an important influence on the vorticity field, causing abnormal circulation that contributes to a northerly jump and strengthening of the South Asian high. This then prompts the western Pacific subtropical high into an eastward withdrawal, and the generation of low-level cyclonic circulation, leading to an advanced SCSSM onset. An earlier SCSSM onset is detected due to the urban land-use change over eastern China, implying that urban land-use change probably plays an important role in the observed earlier SCSSM onset around 1993.

Urban land-use change, South China Sea monsoon onset, Numerical simulation, Complete-form vorticity equation

10.3878/j.issn.1006-9895.1504.15116.

1006-9895(2016)03-0504-11

P466

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1504.15116

2015-01-21；網絡預出版日期 2015-05-07

余榮，女，1990年出生，碩士研究生，主要從事陸氣相互作用研究。E-mail: yurong0519@163.com

江志紅，E-mail: zhjiang@huist.edu.cn

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目2010CB428505，國家自然科學基金重點項目41230528，江蘇高校優勢學科建設工程資助項目（PAPD），江蘇省高校“青藍工程”創新團隊項目共同資助

Founded by National Program on Key Basic Research Project of China (973 Program) (Grant 2010CB428505), Key Subjects of National Science Foundation (Grant 41230528) Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (PAPD), and Jiangsu Provincial Qinglan Project

余榮，江志紅，馬紅云. 2016. 中國東部城市群發展對南海夏季風爆發影響的模擬研究 [J]. 大氣科學, 40 (3): 504?514. Yu Rong, Jiang Zhihong, Ma Hongyun. 2016. A numerical study on the impact of urban land-use change over eastern China on the onset of the South China Sea monsoon [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (3): 504?514,