中文导读 | AAS 2024年第10期

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摘要: 尽管被成功地应用于气候变化的检测与归因，最优指纹法从动力学和物理角度看存在一定的局限性。本文分析了最优指纹法所隐含的三个基本假设，即：对外强迫的气候响应的线性假设、气候变化和内部变率的无相互作用假设和内部变率的时间平稳假设，指出这三个假设在区域尺度上和对极端气候可能都不再适用。因此，文章建议为了将最优指纹法拓展到应用于非线性气候变化包括气候的临界点现象的检测和归因，有必要采取超越单纯统计学的观点，而应该和从动力学和物理角度研究地球和气候系统的理论工具相结合。

关键词: 最优指纹法, 检测与归因, 非线性, 气候变化与内部变率之间的相互作用, 非平稳气候变率

摘要: 2023年8月中下旬至9月的南极洲冬季飞行期，在7月和8月时遭遇极低气温。极低气温影响了飞往麦克默多站和菲尼克斯机场的飞机运行。在气温低于零下50°C的环境中，飞机的液压系统有可能失灵，燃料有可能变成凝胶，严重影响飞行安全。此次极端低温事件遍及南极大部分地区，从南极洲东部到罗斯冰架，横跨南极洲西部到南极半岛。自动气象站的测量结果和有人值守的气象站的观测结果显示，有一系列站点的气温创下了历史新低。我们将2023年7月中旬至8月底期间的气温定义为四个持续数天的寒冷期。经过对500 hPa位势高度异常的分析发现，对流层中层大气环流与极端低温事件的演变密切相关。8月南极上空500 hPa位势高度异常表现为强负异常。四个寒冷期位势高度异常合成结果表明，造成低温的原因有很多，例如异常的离岸南风和稳定的大气层结。深入了解导致这种极端低温的大气背景可以改善对此类事件的预测，且有利于开展南极作业以及南极天气和气候研究。

关键词: 南极, 极端冷事件, 温度, 自动化气象观测站网

摘要: 稳定分层流进入稳定分层流的现象普遍存在于自然界和工业界中。这一现象被称为穿透对流现象，且被认为是极端天气形成的关键因素。本文从成因的角度（内部热源、非线性本构关系、离心力和其他复杂因素）对以往关于穿透对流的理论、数值、实验和实地研究进行了回顾和总结。此外，关于湍流标度率的研究可以加深对大尺度地球物理和天体物理运动的理解。因此，本文总结了研究穿透湍流中输运机制和统计特性的前沿方法，例如可以推导出其中标度率的变分法和准线性法。为了进一步优化应用于现实的穿透湍流模型，本文还提出了球体内穿透对流和辐射强迫对流等新研究方向。

关键词: 热对流, 穿透对流, 标度律, 湍流

摘要: 青藏高原，被誉为“亚洲水塔”，为下游地区提供了重要的水资源。以往关于该地区水循环变化的研究多基于粗分辨率的气候模型，其中深对流过程往往需要进行参数化处理。本研究利用正二十面体非静力天气和气候一体化模式（ICON），在对流解析分辨率（约3.3 km）下首次对青藏高原地区开展了高分辨率的气候变化模拟。我们进行了两组长达12年的模拟：一组是现代气候模拟（2008–20年），其初始和边界条件基于ERA5再分析数据；另一组是全球变暖预估，该预估的侧边界强迫场是在ERA5再分析资料的基础上，叠加了SSP5-8.5情景下的CMIP6集合平均气候变化。针对现代气候的模拟评估显示，该模式在模拟季节降水和地表气温方面总体表现很好。在青藏高原中部和东部地区，全年的平均降水（温度）偏差均小于–0.34 mm d^-1（–1.1℃）。此外，青藏高原上的模拟偏差与地形高度密切相关，特别是在海拔5500米以上的地区，夏季偏冷，冬季偏湿。未来的气候预估表明，在SSP5-8.5情景下，青藏高原将变得更加湿润和温暖。尽管ICON模式预估的变化特征与CMIP6集合预估的总体特征相似，但在复杂地形区的降水和温度预估中，公里分辨率模拟表现出明显的增值。该组公里分辨率气候变化动力降尺度预估试验，为青藏高原地区气候变化及其影响的研究提供了高分辨率数据集。

关键词: 动力降尺度, 对流解析, 青藏高原, 全球增暖

摘要: 海盐气溶胶通过与太阳辐射的相互作用，在调节全球气候方面发挥着重要作用。海盐气溶胶的尺度分布是决定其光学特性的关键因素之一， 本文分析了来自四个不同外场观测实验的海盐气溶胶粒子尺度分布数据，采用多模态对数正态分布进行拟合并用于海盐气溶胶光学特性的模拟。实测的粒子尺度分布普遍包含直径大于4 μm的海盐粒子，但由于传统电磁散射模拟能力的限制，该部分粒子对532 nm波长下光学性质的贡献没有被充分研究。本研究采用超椭球和双层超椭球来表征海盐粒子在潮解和结晶过程中的非球形和非均质特征，并建立了潮解或结晶过程中不同相对湿度下的海盐气溶胶模型。利用先进的不变嵌入T矩阵数值技术精确计算了532 nm波长下最大等体积球直径达12 μm的海盐粒子的单次散射特性，并分析了海盐气溶胶的体光学特性随相对湿度的变化。通过对比理论模拟与激光雷达观测数据验证了海盐气溶胶模型的合理性，研究发现海盐气溶胶模型能够同时模拟出观测的532 nm退偏比和雷达比随相对湿度的变化。本文重点研究了大尺寸粒子（直径大于4 μm）对海盐气溶胶光学特性的影响，研究表明，直径大于4 μm的粒子对海盐气溶胶的体散射系数、后向散射系数和退偏比具有不可忽略的重要贡献。例如，对于ACE-Asia外场观测实验，忽略直径大于4 μm的海盐粒子将导致其散射系数被低估27%-38%，后向散射系数被低估43%-60%，在相对湿度50%-70%之间的退偏比被低估0.15。因此，准确模拟海盐气溶胶的光学特性必须考虑大尺寸海盐粒子的贡献。

关键词: 海盐气溶胶, 气溶胶粒子尺度分布, 激光雷达, 光学特性

摘要: 量化工业革命前后二次有机气溶胶（SOA）的差异对于评估人为活动造成的气候强迫和环境影响至关重要。工业革命前的植被覆盖信息的缺乏，以及对SOA生成途径模拟的不确定性，是限制SOA模拟的两个重要因素。本研究将自然源气体和气溶胶排放模型（MEGAN）耦合到全球大气化学模式（IAP-AACM）中，利用全球植被动力学模式（IAP-DGVM）提供植被参数，在线计算生物源挥发性有机化合物（BVOCs）的全球排放。采用挥发性分级的方法模拟了非传统来源生成SOA的过程，即中间挥发性有机物（IVOC）的氧化和一次有机气溶胶（POA）的老化。在前工业时期，生物源SOA（BSOA）在全球SOA中占主导地位，SOA的人为非传统来源(ASOA)对总SOA的贡献高达35.7%。当今，ASOA的全球总量是工业革命前的2.8倍。SOA的非传统来源对SOA的贡献高达53.1%。工业革命前后人为源排放的变化对BSOA浓度的影响大于生物源排放变化。当今，BSOA浓度对人为排放变化的响应比工业革命前更为敏感。SOA的非传统来源及大气氧化性变化对于解释全球SOA变化至关重要。

关键词: AP-AACM, VBS, MEGAN, 二次有机气溶胶, 人为和生物排放

摘要: 本文提出了一种基于葵花-8号卫星上AHI辐射计观测反演火山硫酸盐气溶胶光学参数的方法。利用火山云中多种气溶胶混合光学模型，具体包括火山灰颗粒、冰晶、水滴和硫酸盐气溶胶，估算了2021年11月3日Karymsky火山喷发形成的硫酸盐气溶胶载荷以及光学厚度。通过对红外波段火山云的亮温进行综合分析，发现了火山云为硫酸盐气溶胶和水滴的混合体。基于多气溶胶组分的模型，可估算火山云中所有气溶胶的光学参数。

关键词: 二氧化硫, 火山, 葵花-8号, 气溶胶载荷, 火山灰, 光学厚度, Karymsky火山

摘要: 本研究旨在探究秋冬季欧亚大陆降雪频次年际变化的主模态及其背后的物理机制。研究结果表明，欧亚大陆中高纬地区秋季降雪频次EOF1正位相的主要特征是中西伯利亚高原和欧洲降雪频次增加，而中亚降雪频次减少。冬季EOF1正位相主要表现为西伯利亚降雪频次增加，而欧洲和东亚降雪频次减少。秋季EOF1主要与喀拉海-拉普捷夫海海冰和北大西洋海温异常有关。喀拉海-拉普捷夫海海冰异常增加会导致中高纬地区经向温度梯度增加，有利于天气尺度波活动的发展，进而诱发欧洲和中西伯利亚高原降雪频次增加。同时，喀拉海-拉普捷夫海海冰增多和北大西洋暖海温异常会激发Rossby波向下游传播，在中亚引起高压异常，从而不利于降雪发生。相比之下，冬季EOF1主要受同期大气环流异常的影响。北大西洋涛动（NAO）正位相可在西伯利亚（欧洲）地区引起深厚冷低压（暖高压）异常，导致西伯利亚（欧洲）降雪频次增加（减少）。NAO正位相引起北大西洋天气尺度波活动增强，这会导致Rossby波向下游发展，引起东亚地区异常高压并伴随异常下沉运动，从而降雪频次减少。冬季NAO可能受到秋季印度洋偶极子和巴伦支海-喀拉海-拉普捷夫海海冰共同调控。

关键词: 降雪频次, 欧亚大陆, 海冰, 大气环流, 年际变化, 印度洋偶极子

摘要: 本文采用17个CMIP6模式和弱温度梯度假设，分析了在SSP5-8.5情景下21世纪末北半球夏季季内振荡(BSISO)活动的变化。结果表明，季节内的变化显示出更加结构化的特征。与BSISO相关的降水异常活动表现出更大的纬向尺度，并进一步向北传播。然而，各模式间对BSISO向东和向北的传播速度以及各个相位的活动频率的变化没有达成广泛的一致。在西北太平洋地区，由于单位显热下BSISO的垂直水汽输送效率显著增加，降水方差显著增加。而在对流层中部，由于平均状态静态稳定性显著增加，垂直速度方差显著减小。低层纬向风变化较为复杂，在西北-东南方向上明显增加，其他区域则相反。这可能是由于全球变暖下BSISO信号向东北方向移动和BSISO垂直速度方差减小的共同影响。本文还进一步比较了西北太平洋上强和普通BSISO事件的变化。它们在降水和大尺度环流异常上表现出相同的变化，而在垂直速度异常上表现出相反的变化。这可能是因为强(普通)事件的降水异常的变化速率比平均状态静态稳定性的变化速率大(小)得多，从而导致垂直运动增强(减少)。

关键词: 北半球夏季热带季节内振荡, 全球变暖, CMIP6, 弱温度梯度假设

摘要: 过去几十年间海冰的减退是北极快速变化的主要特征。除了长期减小的趋势外，海冰覆盖范围（SIE）变化还呈现低频振荡特征。本文通过聚类分析，确定了两个特殊区域：巴伦支海周围的Region-1和加拿大海盆周围的Region-2，这两个区域位于北极穿极漂移的两侧，也是SIE变化最显著的海域。本文采用一种称为“滑动线性拟合算法”的新方法，确定了这两个区域SIE存在显著的4–6年周期性变化。研究表明，区域性气温、通过穿极流的海冰横流通量和海冰漂移散度是引起北极SIE的4–6年周期性变化的主要因素，拟合结果与实测数据高度相关。自1979年以来，SIE的4–6年周期性变化一直存在，但在重冰和轻冰（2005年为分界点）条件下驱动北极SIE低频变化的因子不同。这三个因素对两个区域SIE低频变化的共同贡献分别超过83%和59%，显著反映了它们的动态机制。研究表明，厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）过程与这三个因素密切相关，是北极SIE 4–6年周期变化的根本来源。

关键词: 北极海冰覆盖范围, 周期变化, 区域气温, 海冰横流通量, 北极穿极漂移, 海冰漂移散度, 厄尔尼诺-南方涛动

摘要: 在全球变暖的背景下，了解中国不同类型热浪的长期变化对于应对日益加剧的极端高温事件具有重要意义。本研究调查了近几十年来中国东部的干湿热浪变化情况。气温和湿度的空间趋势分析显示，内陆中纬度和长江流域显著变暖，沿海地区湿度增加。基于经验正交函数，研究分别对干湿热浪强度、频率开展了主导模态时空特征分析。结果表明，中国北部干热浪加剧，而长江流域干热浪变得更加频繁。同时，25°以北的北方地区以及长江流域也经历了湿热浪的加剧，这与该区域湿度显著增加相对应。基于不同热浪情景（强烈、频繁的干或湿热浪）的合成分析显示，强烈干热浪受到中国北部反气旋环流的影响，并伴随西北太平洋中纬度地区海表温度的异常升高。频繁干热浪与西北太平洋加强的副热带高压及其引起的下沉气流相关。强烈和频繁的湿热浪伴随相似的大气环流型：高纬度低层大气出现加强的鄂霍次克高压；高层大气对应出现环球遥相关波列。在强或频繁湿热浪及频繁干热浪年份中，前期海温都呈现出从冬到夏逐渐衰退的厄尔尼诺。风险分析表明，厄尔尼诺事件的确增加了热浪敏感地区干湿热浪的发生风险。研究表明随着全球变暖的加剧，适应和实施针对极端热浪的应对缓解策略尤为重要，特别是针对以上受到显著热应力影响的敏感地区。

关键词: 年代际变化, 干热浪, 湿热浪, 中国东部

摘要: 目前对于热带气旋群发的可能机理的认识较为有限。本研究通过客观分型方法确定了有利于西北太平洋热带气旋群发生成的天气型，并探讨了不同天气型影响MTC形成的热动力条件及能量源。根据1980–2020年6–10月生成的199次热带气旋群发事件，识别出了四种不同的天气型：季风槽型（占40.3%），汇合区型（占26.2%），东风波型（占17.8%），季风环流型（占15.7%）。季风槽型主要受副热带高压与季风槽的相互作用，热带气旋群发在季风槽线上及其两侧生成。汇合区型受副热带高压、南亚高压和季风槽的共同影响，热带气旋群发生成于西南气流和东南气流的汇合区。东风波型以东风气流影响为主，热带气旋群发生成于东风波中。季风环流型中的热带气旋群发出现在以强烈的西南气流为主的季风涡旋内。通过定量分析进一步表明，在季风槽型型中，热带气旋群发的形成主要受中层垂直速度和低层涡度的控制，而在其它型中，中层湿度和垂直速度的影响较为显著。正压能量转化诊断表明，纬向风的经向切变和辐合是将正压能量从基本气流转化为扰动动能的关键，是涡旋动能增长的主要来源。

关键词: 热带气旋群发, 西北太平洋, 天气型, 季风槽, 正压能量转换

摘要: 目前，中国气象局全球预报系统（CMA-GFS）模式存在较大高层温度偏差，在1 hPa附近超过4 K，并且向下延伸至5 hPa左右。本研究针对CMA-GFS系统，通过“锚定”方法同化5台AMSU-A仪器高层探测通道（通道12-14，权重函数峰值高度约10^-2 hPa）探测资料，以约束模式高层偏差及其增长问题。结果表明，新的“锚定”方法能够有效减少模式层顶附近的偏差，连续进行三个月的循环同化实验后，高层偏差增长及其向下传播的问题也被有效抑制。控制实验中动态偏差订正方案的观测与模拟偏差增长率为 -0.03 K d^–1，使用锚定方案后偏差增长率降低至 ±0.001 K d^–1。相对稳定的偏差能够极大程度地改进高层的分析场精度，显著减少了10 hPa以上的温度和位势高度十天以内的预报误差。

关键词: CMA-GFS, 高层模式偏差, 锚定偏差订正, 卫星微波数据同化

摘要: 本文利用WRF中尺度模式探究了水凝物过程对“21.7”郑州极端暴雨发展演变的影响。地面降水由水凝物的微物理过程（水凝物所有源汇项）和宏物理过程（水凝物局地变化及通量散度）决定。水凝物宏物理过程对降水的贡献通常小于10%，在降水早期可达30%–50%，但很大程度上依赖于研究区域的大小。液相水凝物宏物理过程总体为促进降水，而冰相宏物理过程在降水中后期起负作用。微物理相变潜热的分布与热浮力、垂直速度（倾向）分布基本一致，表明相变潜热是对流发展的主要驱动因子。这里建议通过选取一个接近对流大小的区域平均（表示大气参考态）来诊断热浮力，而更合理的计算是有效浮力（热浮力与其引起的垂直扰动气压梯度力之和）。此外，在强降水阶段（此时上升速度并非最强），形成了一个包含水凝物拖曳及倾斜上升气流的新动态平衡，最大瞬时降水由暖雨过程产生。敏感性试验进一步指出，相变潜热参数化的不确定性（±20%）对模拟结果的影响有限，但当相变潜热仅改变温度倾向项时，其对对流降水的影响显著。该研究从水凝物全过程的视角加深了人们对强降水演变机理的理解。

关键词: 强降水, 水凝物过程, 热浮力, 相变潜热

摘要: 目前关于中国旱区的降水存在很大不确定性，因此本研究基于观测降水资料，利用不同再分析资料和卫星降水观测资料，根据偏差确定权重的方法，新融合了一套月累计降水产品，以便更准确描述中国旱区降水时空变化特征。新融合降水产品的时间分辨率为1个月，空间经纬度分辨率约为0.2°，其在不同的时间尺度(如月、季、年)上的效果均已得到验证。结果表明，新融合降水产品与中国气象局土地资料同化系统降水和多源加权集合降水(MSWEP)描述的降水时空分布吻合。融合降水产品相对于MSWEP的偏差为–2.19 mm month^-1，能很好描述中国旱区降水空间分布。此外，在1980–2019年期间，融合降水的年变化趋势(0.09 mm month^-1 yr^-1)也与MSWEP的年变化趋势(0.11 mm month^-1 yr^-1)接近。融合降水呈增加趋势，这表明该时段中国旱区处于湿化过程中，水循环增强，尤其2001年至2019年期间，中国旱区湿化趋势也增强明显。总的来说，新融合降水产品，丰富了中国旱区现有的降水产品集，有助于加深我们对中国旱区气候和水循环变化的理解，还为今后旱区的气候变化研究提供了重要的数据支持。

关键词: 降水, 融合, 旱区, 水循环