摘要:

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摘要:全球气候正在加速变暖,2023、2024年连续刷新历史高温纪录,2024年较工业革命前升温达1.55℃。“全球沸腾时代”已至,与之伴随的是极端天气事件频发,2000—2019年气象灾害损失较之前20年翻倍。应对气候变化亟须科学突破,国际学术界聚焦气候预测与极端事件等七大挑战。中国气候研究委员会作为中国-国际气候研究交流的桥梁,评选出了2024年十大气候研究进展:东北亚极端增温机制、气溶胶气候效应复杂性、全球降水变率增强、梅雨特征演变、降水系统扁平化、青藏高原水-热-碳耦合、北太平洋海温影响、大西洋-太平洋盐度差异、深时环流与ENSO、AI气候预测系统等。这些成果突显气候研究的前沿领域、跨学科性与社会价值。未来气候领域的研究热点将聚焦全球变暖加速、气候极端化、新北极和青藏高原新时代、气候系统多圈层耦合、气候系统预测与人工智能、气候变化风险与应对等方面,以更好地为防灾减灾、应对气候变化风险、全球气候治理提供科学支撑。

摘要:中高层大气因其对天气气候的显著影响而被列为世界天气气候研究计划前沿科学研究领域。同时,作为航空到航天的过渡空间,中高层大气被视为国防安全的“高边疆”。然而,由于观测数据不足以及缺乏完备的中高层大气模式,我国对中高层大气环境变异及其天气气候致灾效应的认识还很薄弱。为了加深对中高层大气的认识,国家自然科学基金委资助了重大研究项目“中高层大气环境变异及天气气候致灾效应”,该项目旨在:1)发展中高层大气成分观测的新技术和方法,开展“天空地”一体化多要素协同观测,获取中高层大气的多时空尺度观测资料;2)研究跨大气层相互作用和多源扰动对中高层大气的影响,量化外部强迫因子和内部变率对中高层大气变异的影响及贡献;3)完善模式的中高层大气物理化学过程,发展中高层大气资料同化系统;4)揭示中高层大气环境变异对东亚极端天气气候的影响和机制,评估其致灾效应和风险。该研究将为防灾减灾、气候变化应对以及国防安全保障提供重要的科技支撑和决策依据。本文简要介绍了该项目的研究背景和内容、关键科学问题及最新研究进展。

摘要:干旱是全球最主要、影响最严重的气象灾害之一。随着全球变暖,干旱更易与高温同时发生,干旱与高温的正反馈过程导致极端事件持续更久、强度更强,形成高温干旱复合极端事件,对农业、生态环境等造成更为严重的影响。本文通过对中国高温、干旱及其复合事件研究进展的回顾,总结了中国高温、干旱及其复合事件的变化事实,并对影响中国高温、干旱的关键因子及物理机制进行了梳理;指出了当前研究存在的不足,并提出系统研究海温-陆面-海冰-大气多因子、多过程协同影响中国复合高温干旱事件的必要性;最后,对当前高温干旱的预测现状进行了简要回顾,指出在系统认识复合高温干旱事件发生发展机制的基础上,亟须发展动力-统计相结合的方法,以提升其预测水平。

摘要:随着全球气候变化的加剧,极端低温事件在发生频率、降温速率等方面都有显著变化,对人类健康、社会经济和生态环境造成了重大影响。研究指出,许多不同地区会同步发生极端低温事件,此类事件被称为极端低温空间复合事件,往往与高空急流异常相联系。本研究基于1979—2022年美国气候预测中心的高分辨率网格化逐日最低地表气温数据集以及NCEP/NCAR再分析数据,针对冬季极端低温空间复合事件进行统计分析,寻找该复合事件下的高空急流分布特征及可能的影响机制。结果表明,东亚与北美在候尺度上存在发生极端低温空间复合事件的空间同步性。通过对环流场的对比分析发现,纬向环流上,高空急流整体增强,两地位势高度易出现负异常,正负分布的位势高度异常呈现出类Rossby-4波的特征;经向环流上,受高空急流影响,则易于造成冷空气从高纬向低纬输送。进一步从热力学方程的角度分析影响的相对贡献,指出经向温度平流和非绝热冷却是造成东亚和北美地区极端低温空间复合事件的重要原因。

摘要:遥感降水产品可为气象干旱精准监测提供近实时、多时空分辨率的降水数据,但其性能易受复杂地形和极端气候的影响,基于机器学习的多源数据融合方法为提高复杂地形和偏远地区遥感降水产品精度和干旱监测能力提供了新思路。基于此,本研究以资料稀缺的黄河源为研究区,利用随机森林(random forest,简称RF)方法生成了黄河源区长序列(1983—2018年)高精度的格网降水数据集,并基于该数据集利用标准化降水指数(standardized precipitation index,简称SPI)和游程理论方法识别气象干旱事件,阐明融合降水产品数据集对气象干旱事件特征的捕获能力。结果表明:1)基于机器学习的降水融合数据集在站点尺度性能方面优于3套原始遥感降水产品,能较理想地捕获降水的年内和年际波动;2)黄河源降水和4个时间尺度的SPI (SPI1、SPI3、SPI6和SPI12)均呈显著增加趋势(通过0.05信度的显著性检验),表明近36年黄河源区降水增加,气象干旱趋缓;3)降水突变点发生在2006年,2006年前的平均干旱事件历时长、烈度强和极值大,但2006年后干旱事件特征趋缓;空间分布上,源区西北部干旱历时和烈度较高,东南部干旱强度和极值较高。

摘要:基于1961—2018年欧洲中期天气预报中心的再分析资料、中国高分辨率格点资料,采用合成分析方法,揭示了中国西北地区复合极端高温-降水事件(compound extreme heat-precipitation events,CEHPE)的成因,并探讨了与无强降水热浪事件的异同。结果表明,CEHPE是由上游向东南方向传播的准正压反气旋环流异常引起:当异常环流中心接近关键区(95°～105°E,35°～40°N)时,与之相关的异常下沉运动一方面使得大气下沉增温,增加了低层大气温度;另一方面下沉运动减少云量,增强了向下短波辐射并加热地表,被加热的地表又向上释放了更多的长波辐射,进一步加热低层大气,最终导致了热浪的形成。在热浪发生时,由于地表热强迫,对流层低层发展出低压异常,其伴随的异常辐合,引导东南方向水汽至关键区,提高关键区大气水汽含量。增加的大气水汽含量和增高的气温使得热浪期间关键区大气不稳定能量异常增强。当准正压反气旋异常东移出关键区时,热浪结束,同时上游方向有异常气旋靠近,关键区位于对流层中高层的槽前脊后,有助于高层辐散低层辐合,因此强对流迅速发展,关键区出现极端降水,完成一次CEHPE的过程。无强降水热浪事件与CEHPE的热浪在强度和形成机制上几乎相同,但在热浪结束时,准正压反气旋异常水平范围较大,虽强度减弱,但中心仍位于关键区附近,因此对流层低层低压及其伴随的辐合上升异常的发展受到压制,导致对流层低层气旋、水平水汽辐合、垂直水汽输送以及不稳定能量异常小于同时期的CEHPE,无法引发强降水事件。

摘要:基于多源观测数据揭示了台风“海葵”残涡极端降水过程中的对流组织和发展特征,并从环流热动力特征和涡度收支分析了大湾区极端降水成因。粤港澳大湾区极端暴雨发生在“海葵”减弱残涡环流背景下,在累计降水量、短时雨强等方面具有显著极端性特征。2023年9月7—8日台风残涡环流在珠江口北侧停滞回旋并重新增强,珠江口地区附近出现罕见的准静止“人”字形的组织化对流结构,对流单体在港岛南侧合并增强,并自南向北经过港深地区造成极端强降水。雨滴谱观测表明降水具有高粒子密度的海洋型对流降水特征,在降水增强时段雨滴直径显著增加,有效提升了暖云降水强度。雷达观测表明对流垂直结构具有低质心特征,云顶高度超过8 km,深厚暖云中的降水粒子的碰并增长特征明显,产生了高数密度、大直径的雨滴特征。在弱环境场引导气流下台风残涡移动缓慢,残涡低层环流的复苏增强与对流层中层潜热垂直梯度有直接关系;7日夜间开始粤东沿海边界层东风急流快速增强,在残涡旋转作用下与来自南海的西南暖湿季风气流汇合为涡旋东部的东南急流,边界层中尺度东南风急流脉动风速超过20 m·s^-1,急流出口区的中尺度辐合和锋生作用导致了气流交汇点附近出现持续性的对流触发和增强。

摘要:现场观测不仅是最为传统的海表温度测量方式,也是获取海表温度最直接、最准确的方式之一,因此现场观测海表温度资料是所有其他海温数据产品研制的基础与保障。船舶和浮标观测是两类现场观测海表温度的主要手段,本文收集整合了全球多源现场观测海表温度资料,并利用ERA5再分析资料,对数据进行了统一的质量控制加工,分别形成“1900—2023年全球船舶海表温度观测数据集”和“1976—2023年全球浮标海表温度观测数据集”。进一步评估表明:浮标观测数据的正确率较高,其数据质量高于船舶观测数据。20世纪90年代以后,浮标观测记录数远超过船舶观测,主要原因是浮标时间上连续的观测带来庞大的观测记录数,但浮标资料的时空覆盖率远低于船舶观测,对全球或大面积海表温度的代表性差,无法仅利用浮标资料进行全球海表温度趋势变化的研究,但可作为精度较高的数据源订正或评估其他数据。船舶资料相对浮标资料有正的系统偏差。全球的船舶海表温度观测记录数在1961年以后显著上升,70—90年代间达到峰值,90年代以后船舶观测数减少并趋于平稳,船舶资料虽然观测样本数相对浮标较少,但覆盖的时空范围相对较大,在全球海表温度趋势变化研究中具有重要参考意义。

摘要:从2008年5月发射FY-3A星到2023年相继发射FY-3G星和FY-3F星,风云三号极轨系列卫星观测网越发完善,使得卫星资料在时间和空间上的分辨率都得到很大提高,促进了我国数值天气预报的发展。西南涡受复杂地形影响而生成于青藏高原东侧700～850 hPa高度,是影响我国夏季暴雨的主要天气系统。本研究基于WRF模式及WRFDA同化系统,利用FY-3C和FY-3D卫星组网微波湿度计观测资料进行晴空同化试验,并探究不同稀疏化设置对预报的影响。结果表明:与星下点分辨率相近的30 km稀疏化设置对于同化和预报的效果最好;同化卫星组网资料优于单个卫星资料,从而改善预报降水落区,降低大量级降水的虚报率,使降水预报准确率得到提高;单独同化FY-3C星微波湿度计资料对湿度场预报的积极影响更大,而单独同化FY-3D星微波湿度计资料对风场的预报改善更好。

摘要:山地复杂地形地貌叠加特殊的地理位置使得短时强降水成为云南省发生频率较高的一种强对流天气,常引发自然灾害。基于中国气象局陆面数据同化系统(CMA Land Data Assimilation System,CLDAS)产品提供的2008—2022年0.062 5°×0.062 5°高空间分辨率的逐小时降水和ERA5逐小时再分析资料,本研究使用K均值聚类法对91次区域性短时强降水天气过程的环流进行聚类分型,并揭示其三维天气系统配置及热、动力特征。结果表明:1)短时强降水以滇东南发生频率最高,滇东南、滇西南和滇西的部分地区强度最强。日内以20—21时(世界时)强度大,14—15时频次多。年内以7月降水强度最大,6月降水量最多。同时,年际变化明显,其中极强值年份降水量可达80 mm以上,其多年平均降水量维持在26 mm左右。2)区域短时强降水天气过程可分为西风小槽型、高空长槽型和副高外围型,以高空长槽型发生频次最多、强降水范围最大。3)3类天气系统配置都存在有利于短时强降水发生的动力、水汽和热力条件:200 hPa存在强辐散区(如高空急流南侧),500 hPa位于槽前或副高西侧并伴有上升运动,中低层配合有低层切变线和低涡、地面辐合线等;同时,水汽多来自孟加拉湾,水汽随偏西气流至云南上空后辐合,K指数大于38℃。高空长槽型由于中低层切变线和低涡更靠近云南中部,低空锋面及冷空气活动更强,云南区域上空低(高)层辐合(散)最强,且由于其前倾的垂直结构引起的热力不稳定也最强,导致区域上空整层的上升运动和水汽辐合最显著、范围最大,故由其引起的短时强降水范围更大。

摘要:利用2019年7—10月江苏盐城5个站点的旋翼无人机观测资料,对夏季对流天气发生前的大气边界层特征进行分析。选取ERA5和L波段雷达探空对旋翼无人机观测的温度、湿度和风场数据进行了观测偏差和误差的定量化估计。结果表明,在不同高度层,无人机观测温度与探空观测的平均偏差为-0.2～0.02℃,观测误差为0.44～0.59℃;相对湿度与ERA5的平均偏差为1.27％～7.14％,观测误差为7.14％～10.71％;风速、风向与探空观测的平均偏差分别为0.40～1.34 m/s和-3.87°～4.98°,观测误差分别为1.24～1.62 m/s和10.50°～23.96°。各变量同两个参考数据集具有较好的一致性,数据准确度满足边界层分析要求。针对3类不同天气背景下的夏季对流天气过程进行了边界层特征分析,无人机观测揭示了重要的信息:对于非天气尺度强迫的弱降水个例,无人机观测捕捉到了降水前边界层顶逆温层高度变化和局地风场辐合,边界层内的状态变化解释了弱降水成因;对于天气尺度强迫且主导系统位置稳定的降水个例,降水由大尺度低层不稳定导致,边界层特征呈现出对大尺度强迫的响应;对于天气尺度强迫且系统快速移动的降水个例,因平流引起边界层内气象要素迅速变化,边界层高度由于冷空气入侵急剧下降,近地层出现风向与主导系统移动方向一致的风速大值区。

摘要:利用机载粒子测量系统(particle measuring system,PMS)对三江源一次春季典型层状云系进行分层垂直探测,研究了云系的微物理结构特性。结果表明,春季典型层状云系由3层云层组成,卷层云(Cs)为冰云,分为上、下两层的高层云(As)为过冷混合态云,过冷水高值区位于下层高层云的中上至中下部位,在其中下部过冷水含量及云粒子浓度最大,具有较明显的地区特性。过冷水高值区的液态云粒子主要是中值直径在3.5～27.5 μm范围内的云滴,30.5 μm以上云粒子基本上为冰相。在下层高层云中上部的过冷水高值区有较明显的淞附增长现象,而中下部存在较明显的冰晶效应。在下层高层云过冷水高值区,过冷水含量比率的平均值达(90.8％±10.9％),且其中部至中下部位处(95.6％±5.6％)明显高于中上部(79.8％±12.1％),为人工增雨作业催化提供了有利条件。

摘要:基于卫星、组网天气雷达、毫米波云雷达和飞机等观测资料以及ERA5再分析资料,对2023年4月4日河北南部一次层状云降水过程进行分析。结果表明,此次降水过程是高空槽、江淮气旋以及低空急流共同影响下的江淮气旋北部层状云降水过程。云系结构分析表明,江淮气旋进入成熟阶段后,云系向东北方向移动,云顶高度介于8至11 km,云系发展深厚。在降水发展时段,云中冰相粒子占主导地位,微物理转化过程主要涉及冰晶的凝华增长、聚并增长以及淞附增长。在降水消散时段,云中同样以冰相粒子为主,但云顶和云底降低,冰晶层变得浅薄,云中存在冰晶繁生过程。