气候系统与气候变化研究进展

2018-01-28

中国气象科学研究院年报 2018年0期

1 季节至次季节变化特征与机理研究

1.1 3次超级厄尔尼诺事件期间我国华南地区冬季降水季节内变化的差异

从季节内振荡的角度出发，采用周期分析、合成分析等方法，针对1982/1983年、1997/1998年和2015/2016年超强El Niño冬季华南降水异常偏多的可能原因进行探讨。结果表明，沿中纬度西风急流东移的10 ～20 d和20 ～50 d低频波列的共同作用是导致1982/1983年和2015/2016年超强El Niño冬季华南降水增多的关键因素。由于1997/1998年冬季缺少20 ～50 d低频波列活动的参与，仅在10 ～20 d低频大气振荡的影响下，华南冬季平均降水异常少于1982/1983年和2015/2016年。（祝从文，刘伯奇，马双梅等）

1.2 华南冬季次季节冷湿主模态的特征及其对应的环流背景

研究了中国冬季气温和降水的气候次季节（CISO）主模态特征，并讨论了华南地区冷湿模态与极地环流的次季节尺度变化关系。结果发现，在CISO正位相时，冬季的华北和华南分别表现为冷干和冷湿模态，在时间上表现为准30 d周期振荡特征。其中，华南的气温次季节波动在冷湿模态起主导作用。在北极涛动负位相下，500 hPa位势高度的次季节尺度波动表现出向南传播特征，由此导致冷锋南下和降温。局地冷性气旋波活动增强了西伯利亚高压的不断南下，有利于大气的不稳定，进而造成华南地区的冷湿气候。因此，冷空气活动可以作用华南次季节降水预测的前兆因子。（祝从文）

1.3 夏季青藏高原大气准双周振荡对高原低涡强度的调制作用

该研究基于NCEP的FNL资料对大气准双周振荡对青藏高原低涡强度的调制作用做了分析。结果显示，高原低涡的强度在时间和空间分布上都存在显著的10 ～20 d的准双周振荡特征。平均强度和强高原低涡的数目在正位相期间比在负位相期间大，强高原低涡的个数的最大值出现在第3位相。同时高原低涡强度的大值中心在正位相期间（1 ～4位相）向东移动，说明强高原低涡的生成位置存在准双周变化特征。进一步对环流场和加热场进行分析发现，在正位相时，500 hPa异常辐合中心、200 hPa异常辐散中心、水汽的辐合中心以及不稳定层结都逐渐东移。相应地，正位相时的加热中心也逐渐东移。可见，正位相时的动热力条件为正位相时强高原低涡的生成和生成位置的东移提供了有利条件。（李论，张人禾，温敏）

1.4 青藏高原对大气热源次季节变化及其对东亚地区副热带夏季风形成的影响

研究表明，春季青藏高原通过动力和热力强迫，在我国江南地区形成低空辐合环流和对流层中部暖平流，这有利于当地大尺度层云降水和上升运动的发生。随后，在大尺度层云降水所释放凝结潜热的影响下，江南地区低空南风加强，并输送了更多水汽，令局地大尺度层云降水于5月向深对流降水转变。此时，江南地区的大气热源以深对流降水释放的凝结潜热为主，相应地大气环流向大气热源适应，形成了类似“夏季型”的风雨反馈，标志着东亚副热带夏季风的建立。这种风雨反馈的建立过程与东亚地区3—6月气溶胶光学厚度的季节性减少相对应。（金啟华，刘伯奇等）

1.5 西非夏季风与青藏高原热力异常年际变率的内在联系

研究了1979—2014年夏季（6—9月）青藏高原热力异常与同期西非萨赫勒地区降水之间的关系。结果表明两者之间存在显著的正相关关系，青藏高原对流层温度偏高的时候，西非萨赫勒地区降水容易偏多；反之亦然。两者之间的关系可以用青藏高原至地中海之间的异常的纬向垂直环流圈和地中海至非洲地区的异常经向垂直环流圈解释。在中纬度地区的对流层中高层，青藏高原异常加热引起了自青藏高原西部经中亚直至地中海的大气增暖（伴随着南亚高压的加强西扩）。这一增暖导致了该地区中纬度和副热带地区异常的温度梯度，进而引导了异常的纬向垂直环流：青藏高原西部地区出现异常上升气流，在对流层中上层向西偏转，并在地中海地区出现异常下沉运动。与青藏高原对流层加热对应，在西亚和东地中海到西地中海对流层之间形成了温度梯度，进而引导了北非区域北Hadley环流圈的增强：地中海地区出现异常下沉运动，西非地区出现了异常上升，对流层上层为异常南风，低层为异常北风。北非区域北Hadley环流圈的增强有助于非洲大陆低压的加强，同时也增强了对流层低层的西风和西南风，进而加强了从热带东大西洋向非洲大陆的水汽输送，最终引起萨赫勒降水增多。从改变青藏高原地表植被的敏感性实验结果可以也看到伴随青藏高原对流层加热，在30°～40°N纬度带从青藏高原向西到地中海对流层中上层温度升高，由此产生的从该纬度带向低纬地区的温度梯度，西亚和东地中海向西地中海的对流层温度梯度，欧亚-非洲大陆异常的纬向和经向垂直环流等。因此，夏季青藏高原对流层加热与西非萨赫勒降水之间的关系反映了青藏高原热力异常对萨赫勒地区降水的影响。（南素兰，赵平，陈军明）

1.6 北半球夏季风降水年际协同变化的主模态及其与ENSO事件季节演变的联系

使用EOF分析方法提取1979—2014年北半球夏季风年际协同变化的主模态，具有西北太平洋季风降水与其他季风区（东亚、印度、北美和北非）降水反位相变化的特征。该降水协同变化主模态与高、低层大气环流联系紧密，表现为热带海洋上两个反向的纬向异常环流在赤道中太平洋附近耦合，同时西太平洋暖池上空存在局地经圈环流异常。该主模态的强度主要取决于西北太平洋季风降水和北美季风降水年际变化的位相关系，并且受到ENSO事件季节演变及其引起的热带印度洋海温异常的调控。当该主模态较弱时，西北太平洋和北美夏季风降水异常同位相变化，同时前冬ENSO事件能够维持到夏季，并伴随着明显的热带印度洋海温异常；当该主模态较强时，西北太平洋和北美夏季风降水呈现反位相变化，同时前冬ENSO事件在春季快速衰减，与之对应的是较弱的热带印度洋海温异常。AGCM敏感性试验结果能够证明ENSO事件季节演变对该主模态强度变化的影响过程。（刘伯奇，祝从文）

1.7 次季节至季节研究的决策服务和业务支撑

在决策服务方面，基于对我国冬季次季节尺度寒潮事件的成因分析和夏季北方地区持续性异常高温的机理研究，先后撰写了3份决策服务材料，并上报中国气象局，为我国汛期和冬季次季节气候异常的预测和科学解读提供了参考和依据。在业务支撑方面，气候所基于面向预测对象的前兆信号选择新方法，完善了气科院“东亚季风统计季节预测系统”，并将其用于2018年夏季和冬季的全国气候会商，为季节预测业务工作提供可靠的科技支撑。考虑到传统基于相关系数方法寻找预测因子的缺陷，利用交叉检验回报技术，提出了面向预测对象的“潜在技巧分布图”，这种挑选前兆信号的新方法能够自动识别具有潜在预测技巧的关键区。基于该方法进一步引入集合预测技术，并改进了现有的统计预测系统，通过多成员建模和统计集合方法生成客观定量的预测结果。基于该预测系统，准确预测了今年汛期我国降水异常的空间分布特征，降水预测PS评分达72.3分（排名第5），预测和观测站点降水的符号一致率达57.2%（排名第3），在参加预测工作的多家机构中名列前茅。（刘伯奇）

2 气候变化研究

2.1 2017年7月下旬我国南方破纪录高温热浪事件归因及不确定性来源分析

2017年夏季我国南方经历了前所未有的高温，很多地区超过35 ℃的高温日数达到15 ～35 d，大大超出常年高温日数。多地高温记录被打破，其中上海徐家汇观测站在7月下旬记录到40.9 ℃的高温，该温度打破了该站自1873年建站以来的气象记录，成为史上最热一天。为应对高温天气，中国气象局在7月21—25日期间连续发布10次高温橙色及以上级别的预警。但尽管如此，该次热浪事件仍然造成了因热致病/死率大幅攀升，农作物减产明显，以及用电用水十分紧张。为了探索导致该次热浪发生的驱动因子，并明确回答人类活动是否对本次高温热浪事件起到了重要贡献，我们联合英国爱丁堡大学、牛津大学、英国气象局以及大气物理研究所等多个单位开展研究。

以往针对我国高温热浪的归因研究多关注月—季尺度的高温事件，在本研究之前尚没有针对日尺度的高温事件的归因研究和结论。本研究利用中国2400多站的最高温度逐日观测资料以及最新版本的哈得莱中心HadGEM3、GA6-N216模式，给出了我国南方地区区域平均的5 d滑动温度指数。发现对于整个地区而言，本次事件是1961年以来最强的一次5 d尺度的高温热浪事件。利用HadGEM3中的超大样本集合（525个member），将模式模拟结果分为有人类活动强迫和无人类活动强迫两组试验，通过对比发现，人类活动排放的温室气体使得类似强度的热浪事件发生概率增加至少10倍，使得原本应该50年左右一遇的事件变成了5年一遇。进一步对比有、无人类活动强迫下的大气环流差异发现，人类活动排放的温室气体有利于我国东部地区上空形成异常反气旋并且使其强度增强、持续时间延长，进而有利于高强度热浪的发生。考虑到上述结果基于单一模式，为了更加准确地描述结果的不确定性，后续合作研究使用牛津大学提供的weather@home超大样本集合，使得参与试验的样本达到近3000个。基于超大样本集合，进一步得到人类活动使得类似于2017年7月21—25日的超强热浪实际的发生概率增加了5倍左右。进一步分析发现造成上述两种结果的差异来源，发现除了所用模式不同，更多的是由于在模式中构建自然强迫下的海温模态的方法差异造成的。具体而言，自然强迫下海温模态的构建方法会影响到极端高温热浪事件概率分布密度函数的尺度参数，进而影响极端事件概率的估计。该成果已被英国气象局哈得莱中心采纳，用以改进HadGEM3模式中对自然强迫试验中海温模态的构建。（陈阳）

2.2 针对0.5 ℃全球变暖幅度的我国夏季极端高温事件的检测

2015年《巴黎协定》签订后，全世界的目光都关注2 ℃ 相对于1.5 ℃究竟会造成何种附加影响。因此，有大量快速的分析应用现有的CMIP5模式以及新研发的针对《巴黎协定》的试验分析两种温度目标下，极端事件变化的差异。但无论是传统的CMIP5还是新研发的稳定气候态下的试验的预估中不确定性都十分明显，模式预估结果分歧较大，这影响了决策者对相应研究结果的信任程度。本研究利用历史观测资料，分析在过去几十年间已经发生的全球变暖0.5 ℃的特定背景下，我国夏季极端高温事件对该幅度的全球变暖的相应特征，以及人类活动的影响在该幅度全球变暖背景下是否已经显著区别于自然变率造成的变化程度。基于此目的，首先确定了1960—1979年和1991—2010年2个20年时段的全球地表平均气温的差异刚好达到0.5 ℃。发现不同类型的极端高温事件对全球变暖0.5 ℃的响应幅度不同，其中混合型（白天热—晚上热）和独立夜间型（只夜间热）响应最为剧烈，而独立日间型（只白天热）并未出明显的变化。具体而言，在已经发生0.5 ℃全球变暖背景下，人类活动已经显著地区别于自然变率造成的影响，即没有人类活动的影响，上述极端高温事件不可能出现观测到的变化强度。人类活动已经能够在我国长江中下游地区、河套地区、东北、东南以及西南地区的混合型以及独立夜间型的响应中成功检测出来。不同类型之间对0.5 ℃全球变暖响应的差异性进一步造成了我国夏季极端高温主导类型发生了显著改变，在上述地区我国夏季极端高温正又从独立日间型事件向混合型事件转化。进一步细化人类活动的类别，发现上述变化主要是人类活动排放的温室气体增长主导的，城市化以及气溶胶的贡献相比而言均小很多。上述结果也间接表明，0.5 ℃的全球变暖已经足以导致我国夏季高温热浪发生超出自然变率范围内的变化。那么未来从1.5 ℃到2 ℃这种变化只会加剧，不会减小或者消失。（陈阳）

2.3 全球变暖背景下东亚冬季气温次季节变率明显增大的现象和机理

研究表明，在北极放大效应明显的年代（1988/1989—2015/2016年），东亚地面气温表现出明显的“两极化”特征，即极端冷事件和暖事件的发生频次都显著增多。一方面，全球变暖有利于东亚地区气温升高，造成更多的极端暖事件；另一方面，北极放大效应却令中纬度环流的经向度加大，引起了乌拉尔山阻塞的频发和更强大的西伯利亚高压。这种北极放大效应的动力影响有利于更多冷空气从西伯利亚入侵东亚地区，造成更为频繁的极端冷事件。由于东亚地区极端冷、暖事件发生频次的增幅相当，因此该地区季节平均气温异常的变化很小。该工作说明，即使在全球变暖背景下，东亚地区冬季遭受极端冷事件和暖事件侵袭的概率仍在不断加大。（马双梅，祝从文，刘伯奇等）

2.4 气候变化和自然内部变率对“Boss”级寒潮协同影响的物理过程

以2016年1月东亚的“Boss级”寒潮为研究对象，深入分析了气候变化和自然内部变率对该极端事件的影响。研究发现：与该次极端寒潮直接相关的大气环流机制表现为西伯利亚高压和乌拉尔阻塞高压的极端正异常，这种环流机制本身主要受大气内部变率控制；同时，全球增暖导致的北极放大效应令这种环流机制的发生概率显著增加，从而增加东亚地区类似“Boss级”寒潮事件的发生概率。（马双梅，祝从文）

2.5 全球变暖背景下ENSO事件非对称变化的可能原因

最近30年中部型El Niño事件频发，但La Niña事件却没有发现明显变化，目前对全球变暖下，ENSO的这种非对称变化的原因还不清楚。本研究发现极端La Niña以及中等El Niño 事件都在中太平洋增多，认为这种ENSO形态的变化与全球变暖下冷舌型模态的正位相有关。正的冷舌型模态会引发加强、收缩、西移的沃克环流，同时抬升了温跃层。这些特征放大了El Niño的形态变化特征，同时掩盖了La Niña的变化。本研究结果很好地解释了全球变暖下ENSO多样性的变化机制，对揭示ENSO和全球变暖的关系有重要意义。（蒋宁，祝从文）

2.6 基于台站观测的青藏高原小时尺度降水特征分析

基于青藏高原主体100个气象站点的逐时降水观测资料对降水事件进行了提取和归类，系统分析了夏季高原降水的小时尺度特征，包括降水频次、强度、频次-强度结构、日变化和降水事件持续时间等。分析表明，降水频次和强度都表现出东南强而西部和北部弱的特征。在高原中南部的雅鲁藏布江河谷，降水频次低而强度大，强（弱）降水的比例较大（小），高原东北部地区也存在相似的频次-强度结构。相较而言，高原南缘的降水表现出截然不同的特征，降水频次较高而强度较弱，弱降水频次的比率高于其他区域。在日变化方面，高原大部分台站的降水日峰值出现在傍晚至午夜，傍晚（午夜）的峰值主要来自于短时（长持续）降水事件的贡献，短时午后和长持续夜间的降水组成了高原降水的两个主要模态。极端强降水事件易于在傍晚开始、在午夜达到峰值，而在清晨结束。对上述小时尺度特征的可能机制进行了分析，指出大气整层可降水量通过调整降水事件的持续时间决定了降水频次的空间分布；高原地区的强降水与有组织的对流系统有关；台站周边的局地地形对短时午后和长持续夜间降水的比例有重要影响。（李建）

2.7 青藏高原东坡强降水区降水演变特征及其与上游高原对流系统的关联

青藏高原东坡、四川盆地西缘的喇叭口地形区是高原周边的降水大值区，也是强降水频发区。分析表明，该区域强降水来自于降水频次和强度的共同贡献，这与主要为弱降水的高原地区和强降水主导的四川盆地地区明显不同；同时，该区域降水持续时间也长于周边地区。对降水日变化的分析表明，从高原主体至高原东缘再到四川盆地降水峰值时间存在向下游滞后的特征，并且降水强度的滞后特征更为明显，即高原上主要是傍晚峰值，到坡上主要是午夜峰值，至盆地为后半夜峰值。降水事件开始和结束时间的分布也显示出从高原向下游滞后的特征，这表明高原对流系统向下游的传播可能是影响东坡降水日变化的重要因子。在此基础上，利用区域降水事件的方法，将东坡强降水事件进行了分类，分为前期上游高原有降水和无降水两种情况，并利用风云静止卫星亮温数据考察了对流演变情况。合成分析结果表明，高原前期发展旺盛且持续时间较长的对流可东传影响到东坡的降水，从对流演变情况可以清楚地看出对流系统自上游向下游传播的信号，表明自高原下传的对流系统对东坡强降水的发展演变有重要影响。（陈昊明，李建）

2.8 青藏高原东北坡祁连山地区降水小时尺度特征及其与地形的联系

利用高时空分辨率的台站观测降水资料揭示了祁连山地区夏季降水气候态分布及降水日变化的区域性特征，并分析了台站海拔高度对降水特征的影响。研究指出，祁连山地区夏季降水分布型与台站海拔高度紧密相关，山区降水量大于周围地势较低处，降水量的大值区主要位于祁连山的中东部地区，沿着祁连山东北坡自西向东，降水量呈现增加趋势。祁连山地区降水的日变化具有明显的区域差异，且这些差异与地形紧密相关。根据降水峰值出现时间可将祁连山分为4个区域：祁连山山顶降水的日变化表现为有着午后峰值的单峰型；随着海拔高度的降低，祁连山东北坡与东南坡地区降水以午后峰值为主，并出现了处于清晨时刻的次峰值；随着海拔的进一步降低，清晨峰值随之发展，在祁连山周围的平原地区降水呈现为有着清晨峰值的单峰型；比较特殊的是，青海湖地区降水日变化主要表现为夜间峰值。随着台站海拔高度的升高，降水量（频次）呈现出增加趋势，降水的午后峰值逐渐加强。（李亮亮，李建）

3 气候模式研发

对CAMS-CSM模式模拟的CMIP6试验的陆面、海洋、海冰和大气分量平均态以及不同时间尺度变率进行了系统评估。评估结果表明，CAMS-CSM能够合理再现与观测一致的全球气候平均态、季节循环、季节内变率、年际以及年代际变率的主要特征。部分成果已在JMR杂志的CAMS-CSM模式专刊上发表，其中关于模式整体介绍的论文被选为封面亮点文章。（容新尧）

3.1 陆-气系统及其水热交换特征的评估

CAMS-CSM对区域尺度的积雪深度和冬季平均温度的模拟要优于ERA-Interim资料，但模拟的整层土壤湿度误差比ERA-Interim资料稍大。CAMS-CSM模拟的表面感热的均方根误差要大于ERA-Interim资料，但小于或相当于GLDAS资料。相比于两组资料，CAMS-CSM模拟的感热的空间相关系数在除了北美之外的区域都要低。在潜热方面，CAMS-CSM模拟的误差在西伯利亚、北美和南美均最小，但其空间相关系数较低。（张果，容新尧，李建）

3.2 南北半球环状模模拟

CAMS-CSM成功再现了海平面气压场异常在南北半球极地区域和中纬度之间反相分布及纬向对称分布特征。模式也可再现和南半球环状模（SAM）和北半球环状模（NAM）相联系的对流层位势高度异常的相当正压结构和急流系统的经向倾斜分布特征。模式同时也可再现与NAM和SAM相联系的南北半球Ferrel环流的异常变化。CAMS-CSM模拟的NAM指数显示了4年和10 ～15年周期，而SAM指数现实2 ～3年、5年以及10 ～30年周期，上述周期在存在于观测数据中。模式成功模拟了和观测一致的冬季NAM与东亚大槽和气温之间的关系，以及春季SAM和夏季长江中下游降水之间的关系。但模式在NAM和SAM的强度和水平和垂直中心位置方面仍存在一定的偏差。（南素兰，容新尧，李建）

3.3 气候敏感度

对两组理想的CO2强迫情景试验（4倍CO2(abrupt-4XCO2)和每年增加1% CO2(1pctCO2)试验）的分析结果表明，CAMS-CSM的平衡气候敏感度（ECS）和瞬变气候响应（TCR）分别为2.27 K和1.88 K，其中ECS处于CMIP5模式较低区间。但由于较低的海洋热吸收（OHU）效率的补偿效应，CAMS-CSM的TCR和CMIP5的多模式平均比较接近。模式较低的ECS主要是由于热带太平洋和印度洋云短波反馈（λSWCL）导致的较强负气候反馈造成的。在增暖的情况下，热带太平洋蒸发增强，低层辐合和水汽增加，减弱了模式的稳定度，有利于低云的形成，因而导致云水增加，反照率增大，最终导致较强的负的云短波反馈和较低的ECS。（陈晓龙，容新尧，李建）

3.4 MJO模拟

模式对MJO的主要特征如季节变化和地理依赖性、ISV强度、主周期、传播特征、向外长波辐射（OLR）和风场的配置关系以及生命史均有较好模拟。但模式也存在一定的误差，比如模式高估了南北太平洋辐合带的降水、MJO东传特征稍弱、主周期偏长以及东传速度偏慢、夏季MJO北传特征不够显著，以及对流和风场一致性较弱等。对MJO传播过程中边界层的水汽过程的评估结果显示，模式对印度洋和西太平洋水汽异常的倾斜分布特征有非常好的模拟，模式准确再现了边界层超前于MJO对流中心的水汽辐合中心以及水汽收支特征。对印度洋和太平洋的边界层整层积分水汽异常收支的诊断结果表明，模式很好地模拟的超前于MJO对流中心的水汽汇集过程。（任鹏飞，齐艳军，容新尧，李建）

3.5 厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）稳定性的评估

CAMS-CSM能够合理再现和ENSO相关的BJ指数以及海气反馈过程。主要的偏差是CAMS-CSM低估了热力衰减效应以及温跃层反馈过程。进一步的分析显示模式中被低估的热力衰减作用主要源于模式中较弱的短波辐射反馈，这是由于模式低估了气候态的赤道中东太平洋海表面温度。而较弱的温跃层反馈是由于模式中弱于观测的平均上翻流和风-SST反馈。同时评估结果还表明，弱的风-SST反馈还源于赤道中东太平洋被低估的SST。这也表明了模式需要进一步改进，以更合理地模拟气候平均态。（华莉娟，容新尧，李建）

3.6 ENSO特征、动力机制及其和东亚气候遥相关评估

模式对ENSO的主要特征如空间分布和季节锁相性均作出了很好的模拟。两类ENSO也得到了再现，包括其空间分布和相互独立性。但模式没能模拟出ENSO振幅的不对称特征，同时模拟的强度偏大，这是由于模式模拟的短波衰减作用偏弱。相较于观测，CAMS-CSM模拟的ENSO振荡较为规则且周期比观测短。对Wyrtki指数的分析揭示模式的周期模拟偏差是由于温跃层和纬向平流反馈导致的过快的冷暖位相转换。除了ENSO内部动力机制，它的外部前兆因子如与北太平洋涛动相联系的footprint机制、超前于ENSO约1年的印度洋偶极子事件，均作出了很好的模拟。在ENSO影响东亚夏季风方面，虽然模式较好地再现了ENSO衰减阶段的菲律宾异常反气旋环流，但模拟的位置和观测相比偏东，这也导致模式对长江流域降水异常模拟的不足，同时也可能造成模式对南海海气相互作用的不真实的模拟。此外，模式还较好地模拟了冬季对流层低层对ENSO的响应，但对中国中部温度异常略有低估。（华莉娟，陆波，容新尧，李建）

3.7 CAMS-CSM对2016年夏季长江流域极端强降水事件的模拟能力评估

2016年梅雨期间长江流域强降水过程频繁、降水量异常偏多，造成灾害损失极为严重。在最强的一轮降水过程中（6月30日至7月5日），多个台站观测到突破或达到历史极值的日降水量。基于CAMS-CSM大气环流模式高分辨率（50 km）的NWP型积分试验结果，评估了大气环流模式对长江流域此次极端强降水过程中降水时空分布及其相关联的大气环流演变的模拟能力。结果表明，CAMSCSM较好地模拟出了此次降水过程中强降水带的空间分布，模式模拟的雨带宽度与强降水中心的位置和量级均与台站观测结果相当。从降水量的逐日演变来看，模式对此次过程中逐日降水的分布及强降水中心的演变情况均有较真实的模拟，表明大气环流模式在一定程度上可以再现强降水事件的极端性。但是模式对于小时降水频次—强度结构的模拟表现出与气候积分类似的偏差，特别是低估了最大小时降水强度。进一步分析此次极端过程中两次不同强降水阶段的特征，发现模式对于不同尺度环流系统主导的降水过程的模拟能力存在明显差异。在由低空西南涡主导的强降水阶段（6月30日至7月1日），模式对强降水雨带模拟较好，且真实再现了西南涡东移引起的强降水中心的移动过程。但是在7月3—4日由较小尺度低层涡旋主导的强降水阶段，模式未能合理再现观测中强降水中心的东移，而是在地形迎风坡产生了虚假的持续性强降水中心。该研究结果表明，在利用气候模式开展未来极端事件预估时，有必要针对不同类型的极端事件进行针对性分析。（李建，陈昊明）

4 极地研究

4.1 北极圈欧亚大陆的生物质燃烧——北冰洋黑碳气溶胶主要来源之一

针对北冰洋走航观测的特点，改进了黑碳仪自动进样装置并应用于北冰洋科学考察。基于考察期间进行的大气黑碳气溶胶实时浓度观测，结合卫星观测数据，使用后向轨迹分析模型等方法，揭示出北冰洋夏季大气黑碳气溶胶的主要来源是欧美国家的生物质燃烧排放。近两年，欧美国家专门立项研究和评估中国向北美和北极的污染物输送，我们的研究结论能够在一定程度上支持我国在国际气候谈判中的观点，有利于我国冰上丝绸之路战略的开展。（丁明虎）

4.2 极地气候变化研究若干创新性发现

研究发现北极春季液态降水发生时间明显提前，并加剧了北极海冰快速融化。重建了1300年以来北冰洋喀拉海-巴伦支海的海冰覆盖范围，受到国际关注，并在美国雪冰中心官网报道。基于已有的冰川跃动记录、能量平衡方法和卫星遥感方法，建立了一套高危跃动冰川的识别指标，并针对中巴公路/喀喇昆仑公路附近的区域进行了研究，识别了中巴经济走廊两侧的高危冰川，建立了高危冰川目录。鉴于该成果的原创性和预防冰川跃动灾害的意义，此项工作的研究者受邀参加在澳大利亚举行的“自然灾害与风险管理”大会并发言。（张琦，韩薇，丁明虎等）

4.3 南极中山站地面臭氧以及背景浓度

中山站观测到的地表臭氧受风向和风速的影响较小。在西风及平静风下的污染，只占总量度期的2.1%。一旦这种污染从数据集中消除，臭氧观测就可以用来表示在南极大陆东海岸测量的臭氧的背景。全年地面臭氧的平均日变化范围较小，1月为0.72×10-9，4月为0.24×10-9，7月为0.30×10-9，8—10月为0.83×10-9。中山市站的月平均地面臭氧测量值与南极其他观测站相似，2010—2013年全年臭氧幅值均在（15 ～35）×10-9。不同盐碱地年平均臭氧浓度的变化范围相差（1 ～2）×10-9。臭氧浓度与UVB呈显著负相关关系。结果表明，光化学反应是南极臭氧破坏的主要原因。由于没有太阳辐射，极地夜晚的地面臭氧浓度是极地白天的1 ～2倍。（卞林根）

4.4 CAMS-CSM模式对北极气候变化的模拟能力

基于气科院最新研发的CAMS-CSM模式的CMIP6历史模拟试验，从北极气温、降水、北冰洋海温和盐度、北半球积雪和海冰等方面综合评估了该模式对北极气候变化的模拟能力。结果表明，模式能够很好地模拟出北极气候分布型及其长期趋势，但受到模式分辨率、参数化方案和海气相互作用不完善等因素的影响，对北极区域变化的模拟仍存在较大误差。（魏婷）