中文导读 | AAS 2024年第6期

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摘要: 根据全球平均温度记录，2023年成为自1850年以来最热年份，且根据代用记录，这一年可能也是过去10万年以来最热的一年。这一年破纪录的高温伴随着全球各地频发的极端天气气候事件。本文回顾了2023年全球范围内发生的重大极端天气气候事件，阐述了极端事件的事实经过、产生的影响以及关键物理过程，以促进更好地理解气候内部变率和人为气候变化的作用。这些极端事件正在涌现出新的特征。具体而言，极端高温事件发生时间提前，并且多地同时发生的高温现象在增加（如2023年7月北半球多地同时遭受热浪袭击）。强气旋活动显著加剧极端降水（如2023年7月的华北暴雨和9月的利比亚洪水）。一些地区（如加利福尼亚和非洲之角）经历了多年干旱向洪涝的转变。此外，频繁的野火（如2023年8月的夏威夷野火和加拿大从春季至秋季的野火）和沙尘暴（如2023年4月蒙古沙尘暴）等事件表明，极端天气气候事件与生态系统的相互作用在加剧。最后，我们探讨了这些极端事件的新特征对于极端气候适应提出的新挑战。

关键词: 极端天气气候事件, 极端温度, 极端降水, 干旱, 野火

摘要: 前所未有的破纪录最暖季节连续出现，极大程度地增加了2023年成为历史最热年的概率，这引发了全球各界对2023年全球表面温度(GMST)到底会有多高、为何会出现如此迅速增温等问题的关注。为量化2023年全球增暖程度并厘清2023年GMST爆发式增长中自然变率和全球变暖的相对贡献，本报告依据大气所GMST统计集合预测模型2023年11月起报的结果，预测2023年GMST将达1.41°C±0.07°C，相较于2022年GMST增长0.24°C，将超过2016年成为有记录以来最热的年份，并逼近《巴黎协定》中制定的气候变化增温1.5°C控制目标。报告进一步利用尺度分离的方法探究了2023年GMST急剧升温的原因，发现2023年比2022年GMST年增量中88%由与强厄尔尼诺事件激发的年际尺度分量贡献，同时大西洋多年代际振荡（AMO）正位相也提供了重要的年代际尺度偏暖背景。包括El Niño、AMO、极地海冰减少和北太平洋暖斑爆发在内的自然变率共同助推了此次GMST的爆发式增长。在剔除自然变率的作用后，如果仅考虑全球变暖长期趋势的影响，2023年GMST预计为1.15°C±0.07°C，相对于2022年仅增长0.02°C，并不能够打破历史记录成为最暖年，同时较1.5°C阈值尚有较大空间。但由于全球变暖长期趋势在可预见的未来仍将逐年增加，叠加自然变率的影响后，GMST将更加容易达到破纪录的温度并长期突破1.5°C阈值，并有可能导致气候系统的不可逆转折点出现、对人类生产生活造成严重影响，因此，达成减碳目标、减缓人为影响的气候变暖仍然刻不容缓。

关键词: 破纪录温度, 全球平均表面温度, 厄尔尼诺, 大西洋多年代际振荡, 全球变暖

摘要: 大力发展绿色可再生能源是实现碳中和的重要途径，由于太阳能和风能等清洁能源的间歇性本质，如何稳步提升清洁能源在能源结构中的占比衍生出大量科学和技术问题。太阳辐射和风是大气科学研究的基本要素，结合大气科学研究和能源应用需求，催生了新的学科发展方向—能源气象学。太阳能能源气象学家的一项基本技能是光功率曲线建模，即通过统计和/或物理手段将辐照度和辅助天气变量与太阳能系统出力形成映射。本教程综述旨在全面介绍与光功率曲线有关的基本科学和工程原理，详细评述了两类光功率曲线建模方法，分别是是回归法和模型链法，重点介绍了最新研究进展以及存在的问题，并在此基础上，针对如何提高光功率曲线建模精度和量化其不确定性，详细评述了混合和概率扩展方法。

关键词: 综述, 能源气象学, 光功率曲线, 模型链法, 太阳能预报

摘要: 人类活动驱动全球物理和生物地球化学环境发生了显著的变化。2023年，全球海表平均温度和上层2000米海洋热含量均达到有器测记录以来的最高值。2023年上层2000米热量比2022年高15 ± 10泽塔焦耳（1泽塔焦耳=1021焦耳）（中国科学院大气物理研究所发布的IAP/CAS数据）、9 ± 5泽塔焦耳（美国国家海洋和大气管理局国家环境信息中心的NCEI/NOAA数据）。热带大西洋、地中海、南大洋上层2000米热含量均达到上世纪50年代以来的最高值。随着一个较强的厄尔尼诺事件的发展，2023年全球海表平均温度比2022年高约0.23°C，其在2023年下半年比2022年同期高超过 0.3°C。此外，海洋密度层结、温度空间不均一性指数在2023年均达到1960年以来的最高值。

关键词: 海洋热含, 盐度, 层结, 全球变暖, 气候

摘要: 大气非静力效应随水平分辨率的提高不断增强，当分辨率上升到一定临界范围即“灰色地带”时，其对大气模式动力框架有明显影响，但仍不足以证明必须在框架中包含非静力隐式求解器。本文针对上述问题，旨在发展一套非静力替代求解方案（NAS）来取代传统的非静力隐式积分求解，使得非静力求解过程成为一个可以自由融入任意静力模式的模块，从而延长已有成熟的静力模式的使用寿命。近年来机器学习相关的研究表明该方法具有强大的非线性模拟能力，十分适合应用于非静力替代求解方案的开发。本文基于WRF大气模式非静力框架的干斜压波理想试验，选取了一种经典的机器学习算法——全连接神经网络算法来挑选最优输入特征以及构建求解方案。该算法的目标变量为非静力倾向在相邻两个时刻的向前差，挑选的最优输入特征分别为上一时步的非静力倾向，以及当前时步静力框架的位势高度、气压的不同差分形式和位温。基于以上特征构建的非静力求解方案能够有效模拟出非静力倾向项的时空分布特征。将该方案耦合至WRF模式静力框架后，模式积分稳定，实现了对非静力过程的一个月长期稳定模拟。针对不同分辨率试验，该方案从系统偏差、距平均方根误差以及斜压波空间模态误差三个方面均能够有效降低模式的非静力误差，证明了该方案在不同分辨率下的可行性和优越性。

关键词: 神经网络, 非静力替代求解方案, 大气模式, 动力框架

摘要: 本文研究了与内眼墙对流相联系的高层下沉入流（ULDI）对热带气旋（TC）外眼墙生成过程中弱回波区（Moat）形成的影响机理。数值试验结果指出，双眼墙和Moat通常出现在有显著ULDI的TC中，而在没有显著ULDI的TC中没有出现双眼墙结构。在控制试验中，内眼墙对流发展更加旺盛，内眼墙非绝热加热会在内眼墙高层云毡下方的对称不稳定区域激发出一支ULDI，ULDI生成后由于受到云毡下方水凝物相变过程中冷却作用的影响而增强。ULDI对Moat区形成的重要作用具体表现在：ULDI一方面使干空气入侵到内外眼墙之间的区域；另一方面在一定程度上阻止了高层出流对水凝物的径向向外平流。这使得更多的水凝物下落到内外眼墙之间的区域，由于受到水凝物升华、融化和蒸发冷却造成的负浮力的影响，该区域的空气粒子下沉运动增强，导致Moat区形成。Moat区的发展通过阻止外围雨带向内眼墙的收缩和合并过程，有助于外围雨带在Moat区外侧发展成为对称的外眼墙。在敏感性试验中，由于TC眼墙对流较弱，云毡发展相对较低，没有出现明显的ULDI，因此不太可能形成Moat区和外眼墙结构。研究表明，更好地再现眼墙对流结构和水凝物分布对双眼墙预报具有重要意义。

关键词: 热带气旋, 外眼墙形成, 高层下沉入流, 眼墙对流

摘要: 粤港澳大湾区独特的“喇叭口”海岸下垫面，长久以来被认为在区域强对流天气的形成和发展过程中发挥着重要作用。基于中国龙卷风历史个例统计，该地区也是华南海岸带龙卷风暴相对集中发生的区域。本研究以喇叭口海岸地形对夏季盛行西南季风气流的扰动为切入点，探究大尺度季风气流与局地环流相互作用从而激发龙卷风暴的可能物理机制。上篇首先通过南海夏季风活跃月份的长时段数值模拟，揭示了喇叭口海岸在午后会形成有利于对流触发与升尺度发展的三种气团辐合交汇区，即“三汇点”。在午后海陆热力差异和下垫面粗糙度差异的影响下，近地面季风上岸气流在珠江口海面会发生水平切变并向西偏转，与陆地盛行西南气流在珠江口西岸形成准静止的低层辐合边界。当北侧出现风暴冷池出流时，在珠江口会形成比辐合边界具有更强动力辐合与环境垂直涡度的三汇点。本文以2020年6月1日在珠江口生成的一个龙卷风暴为例，诊断研究其生成环境及精细结构演变。距龙卷风暴仅6公里的相控阵天气雷达显示，钩状回波和中涡旋形成于珠江口西岸准静止辐合边界与风暴冷池出流形成的三汇点，后者在此次龙卷风暴的形成过程中可能发挥了重要作用。高分辨率数值敏感性试验进一步证明，三汇点区域的低层环境具有局地强辐合与强垂直涡度，为中涡旋的形成提供了低层涡度来源，请详见下篇。观测结果还表明，即使在弱切变环境下，当对流系统经过喇叭口海岸的三汇点时，发展形成旋转性风暴的可能性更高。

关键词: 龙卷风, 复杂下垫面, 海岸线, 中涡旋, 近风暴环境

摘要: 由于较高的人口密度，发生在快速城市化等地区的极端气温事件对人类安全和社会经济影响更剧烈，已引起广泛关注。本文首先评估了采用静力及非静力动力核的区域气候模式RegCM4对中国（空间分辨率12公里）及京津冀城市群（空间分辨率3公里）1991-99历史时期季节气温和极端气温的模拟性能。通过采用静力及非静力动力核RegCM4模拟的京津冀城市群极端气温事件与观测结果的空间相关性较高，相关系数超过0.8。全球变暖背景下，21世纪末中国及京津冀地区的年最大日最高气温和夏日日数明显增加，而霜冻日数则普遍减少。利用包含不同陆面模块的区域气候模式RegCM4集合对京津冀地区极端气温人口暴露度作了进一步研究。与1991-99年相比，除京津冀核心城区外，预计在2091到2100年期间，京津冀大部分地区极端气温人口暴露度将有所下降。这主要是由于未来极端气温事件增加及人口减少共同影响引起的。进一步分析发现，未来人口变化对极端气温人口暴露度变化起主导作用。最后，我们量化了京津冀地区极端气温人口暴露度随气温的变化。本研究为京津冀地区应对未来气候风险制定相关政策提供了参考依据。

关键词: CMIP6, 对流解析, 人口暴露度, RegCM4, 极端温度

摘要: 准确的雷达定量降水估测（QPE）在防灾减灾中发挥着至关重要的作用。根据输入的偏振雷达参数数量，本文设计了两种基于深度学习的QPE单参数和多参数网络架构。同时，基于常用的均方误差（MSE）损失函数，提出了一种自定义的损失函数（SLF），不同降水强度的损失值乘以不同的权重，有效提高QPE模型性能。数据集包括石家庄S波段双偏振雷达（CINRAD/SAD）数据和雷达100公里探测范围内的雨量计数据，时间范围为2021年华北汛期。考虑到差分传播相移率（K_DP）与降水强度大致为线性关系，设置K_DP=0.5°km^-1作为阈值，将所有降雨数据（AR）分为大雨（HR）和小雨（LR）数据集。随后，根据输入的雷达参数、降水数据集以及是否采用SLF，训练了12个基于深度学习的QPE模型。结果表明，区分降雨强度后的QPE效果优于不区分的效果，使用SLF的效果优于使用MSE作为损失函数的效果。为了进一步验证基于深度学习的QPE相对于传统算法的优势，与Z-R关系和Z_H-K_DP-R综合法的QPE进行比较。使用SLF的AR模型的平均相对误差（MRE）比Z-R关系法提高了61.90%、51.21%和56.34%，比综合法提高了38.63%、42.55%和47.49%。最后，用三次降水过程展示了模型的QPE结果，基于深度学习的QPE较传统经验公式具有显著优势，能够有效提高QPE的准确性。

关键词: 偏振雷达, 定量降水估计, 深度学习, 单参数网络架构, 多参数网络架构

摘要: 当前数值天气预报模式在复杂地形区域的地面风速预报中存在较大误差。本研究以上海快速更新同化数值预报系统为代表，分析了模式近地面风速预报误差与地形特征之间的关联性。研究引入了三个描述地形特征的参数：网格尺度模式地形标准差、模式地形高度误差和坡度。研究结果表明，预报误差随地形标准差的增大呈单峰变化，误差平均值（ME）的最小值1.2 m s^–1出现在标准差在60-70 m之间；预报误差与模式地形高度误差呈正相关，地形高度误差每增加200 m，ME增加10%-30%。上坡时，当坡度从（0.5°-1.5°）增大到大于3.5°时，ME减小65.6%；下坡时，当坡度绝对值从（0.5°-1.5°）增大到（2.5°-3.5°）时，ME增大35.4%。在上述分析的基础上建立了模式近地面风速的统计订正模型，评估表明引入地形参数使ME（RMSE）降低了90%（30%），显著地提高了模式近地面风速的预报准确率。

关键词: 风速预报, 地形, 误差分析, 统计订正

摘要: 对中国南方不同类型冷空气路径下的持续性湿冷事件的特征和机理进行研究，结果表明：南方西部地区持续性湿冷事件的单站频次高于东部地区。主要表现为“长江流域一致型”和“东西反向型”两个模态。“长江流域一致型”为主要模态，因此我们重点研究这一模态。“长江流域一致型”持续性湿冷事件的冷空气路径分为西路、西北路和北路三类，其中西路类型占比最大。三类路径下持续性湿冷事件的大气环流特征明显不同。对流层低层的逆温层有利于降水的形成。三类路径湿冷事件的正水汽收支主要出现在南边界。

关键词: 持续性湿冷事件, 冷空气路径, 环流特征, 水汽输送

摘要: 近几十年来，极端降水和干旱导致华南和中南半岛地区（INCSC）遭受了严重的经济损失。鉴于INCSC地区的经济产出的大值区集中分布在沿海地区，并且受全球变暖影响较大，了解未来最大连续5天降水量（RX5day）和最大连续无雨天数（CDD）可能带来的经济影响对该地区的适应规划至关重要。基于耦合模式比较计划第6阶段（CMIP6）发布的最新数据，利用偏差校正，研究了在共享社会经济路径（SSP5-8.5）下，降水极端事件未来变化对INCSC地区经济的影响。结果表明，未来RX5day将在INCSC地区显著加强，而在全球变暖的情况下，INCSC大多数地区的CDD将延长。气候变化的影响始终主导着INCSC地区的经济影响。如果仅考虑气候变化对经济的影响，未来降水极端事件的变化将对华南的湖南、江西、福建、广东和海南以及中南半岛的马来半岛和柬埔寨南部的经济带来更大的影响。因此，对于这些地区，及时制定区域性适应战略至关重要。此外，从区域平均水平来看，超过三分之二的CMIP6模式一致明确保持较低的全球变暖水平将减少INCSC地区由极端降水带来的经济影响。

关键词: CMIP6, 极端降水, 极端干旱, 华南, 中南半岛, 经济影响

摘要: 2018年4月27日，青藏高原东北部生成了一个冷性低涡（简称冷涡）。冷涡在随后向东移出高原的过程中给下游华南春耕地区带来了过量降水。本文基于资料诊断和中尺度WRF数值模拟试验，探讨了该高原冷涡生成的环流背景和形成机制。结果表明，高原冷涡产生于对流层顶正位势涡度（位涡）强迫的高度斜压大尺度环流系统之中。同时，地表热力的日变化对冷涡的形成也有重要贡献。当平流层下层的正位涡异常向青藏高原移动时，对流层顶的位涡强迫使得对流层等熵面上升，从而在青藏高原地区产生等熵面位移的上升运动分量，并且导致大气稳定度降低。在青藏高原上空，对流层顶的下降则在高原东北部产生对流层顶折叠现象，使得一个狭窄的高位涡柱向下侵入到高原冷涡的生成区域，增强自由大气的上升运动。该上升运动与夜间山谷地区气块的下沉运动相结合，恰好在冷涡生成地点造成了气柱的垂直拉伸。由于夜间地面冷却增加了表层大气的静力稳定度，则上述的气柱垂直拉伸将增加的静力稳定度转化为垂直涡度，因而冷涡就于夜间在高原的山谷上空形成。

关键词: 对流层顶, 位涡强迫, 气柱拉伸, 静力稳定度, 垂直涡度

摘要: 在较粗分辨率的大气模式中，积云对流参数化用于表达次网格尺度上对流的作用，对降水日变化有显著影响。本文基于耦合NSAS（New Simplified Arakawa-Schubert Scheme）深对流方案的全球非静力YUNMA（Yin-Yang-grid Unified Model for the Atmosphere）大气模式，研究降水日变化模拟特征，提出了两个新诊断闭合假设和一个对流触发函数修订，以强调自由对流层大尺度强迫对云功能函数制造率的作用。0.25°水平分辨率的YUNMA模式3个月批量试验结果表明，在对流触发函数中增强大尺度平流强迫对对流触发的动力限制、并采用合适的对流触发阈值有利于改善陆地降水日变化模拟。改进的NSAS方案通过减少太阳辐射峰值时段对流发生频率，能够有效推迟大部分陆地午后降水峰值，突出易被更强的午后峰值所掩盖的夜间降水峰值。另外，该方案改善了降水概率密度分布，增加极小和极高降水率事件、减少小到中等降水事件，减小中纬度和热带陆地降水预报偏差。

关键词: 积云对流参数化, 降水日变化, 大尺度动力强迫, 全球非静力大气模式, 性能检验

摘要: 近年来，细颗粒物（PM_2.5）和臭氧（O₃）共同导致的双高污染（DHP）事件在中国频繁发生，但其成因尚不明确。本研究分析了2013-20年中国DHP事件的时空分布特征，利用Lamb-Jenkinson环流客观分型方法确定了影响DHP事件的主要天气类型，并进一步研究了由主要天气类型控制的DHP事件的气象和化学成因。结果表明，2013-20年DHP事件在中国共发生1655次，其中2013-15年发生频率增加5.1%，2015-20年减少56.1%,主要发生在华北平原、长江三角洲、珠江三角洲、四川盆地和华中地区。DHP事件的主要环流类型为气旋型和反气旋型，占五个主要污染区域DHP事件总数的40%以上，其次为东南气流型、西南气流型和东风型等偏南或偏东平流型。与非DHP事件相比，DHP事件主要发生在静风或弱风、高温（20.9℃）和低湿（70.0%）的气象条件下，气象条件的昼夜周期变化导致PM2.5和O3在DHP日的不同时段分别达到超标水平。三类污染物转化指数表明DHP事件期间污染物发生了很快的二次转化过程，NO2、SO2和挥发性有机化合物的浓度分别下降了13.1%、4.7%和4.4%。

关键词: 双高污染事件, PM_2.5, 臭氧, 时空分布, 气象条件, 化学组分

摘要: 基于日本东京台风中心最佳路径数据和NCEP-NCAR再分析资料，利用模糊C均值聚类方法（FCM）将1951-2021年西北太平洋变性热带气旋（ETCs）按照其移动路径分为6类。本文分析了隶属度系数最高的6个硬聚类的ETCs的特征。研究结果显示：归入C2、C5和C6类的大部分ETCs在东亚地区登陆、可对途经地区构成严重威胁。93.2%的登陆ETCs登陆后变性，其中39.8%在登陆后1天内完成变性。过去40年，西北太平洋ETCs数目减少，其中C5类在年际和年代际时间尺度上均随西太平洋副热带高压（WPSH）的扩大和增强而显著减少。大多数变性后增强的热带气旋（TCs）属于C2类。过去40年，大尺度环流形势的变化有利于C2类ETCs的发展，使其数目非显著性增加，成为主导的路径型。地表粗糙度变化和三维背景环流导致C5类包含了最多的登陆ETCs，但是变性后增强的TCs数目最少。本文的研究结果有助于更好地理解TCs变性事件的时空分布以及相关的环流背景场特征，有利于西北太平洋TCs变性事件的监测。

关键词: 西北太平洋, 热带气旋, 变性, 模糊C均值聚类方法

摘要: 整个青藏高原上空的对流层大气廓线从未被连续观测过，第二次青藏高原科学考察与研究计划利用中国自主生产的多通道微波辐射计构建了覆盖西风、季风断面的全天候大气廓线实时观测系统---TP-PROFILE。TP-PROFILE旨在建立一个能够覆盖整个高原对流层大气的多通道微波辐射计观测网络，以研究青藏高原上空的天气过程和环境变化。本文利用TP-PROFILE收集的近三年数据，结合8个探空站的观测数据，对TP-PROFILE反演的高原对流层大气温度和湿度的精度做了全面评估。系统介绍了TP-PROFILE观测站点的布设、观测的变量、数据质量和精度，并展示了研究人员利用TP-PROFILE获得的一些观测结果。主要结论如下：与空间距离最近的无线电探空仪观测相比较，TP-PROFILE系统能够监测青藏高原上空对流层大气的水热结构变化，从TP-PROFILE数据中获得的连续温度和湿度分布为分析高原加热引起的“热岛”效应提供了独特的观测视角。TP-PROFILE利用22.2、30.0和51.2GHz通道亮温数据在降水前快速增加的信息能够对高原降水的发生进行提前预报。TP-PROFILE的温度偏差比湿度偏差要小。TP-PROFILE在昌都、那曲观测到的高原“热岛”效应最显著。利用TP-PROFILE每2分钟的资料表明，低时间分辨率的观测仪器在青藏高原山地的水汽估计中会有相对高的偏差。

关键词: 微波辐射计, 热动力结构, 垂直廓线, 青藏高原