依据政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告(AR6)第一工作组(WGI)报告第七章的内容,详细介绍了 AR6最新定义的有效辐射强迫(ERF)及其计算方法,并给出了 自工业革命以来(1750-2019年)各气候辐射强迫因子ERF的最佳估值.根据AR6的最新评估,工业革命以来总人为ERF的估值为2.72(1.96～3.48)W·m-2,相较于AR5估计结果(1750-2011年)增长了 0.43 W·m-2.2011年后温室气体浓度的增加及其辐射效率的修正是造成总人为ERF增加的主要原因.自工业革命以来温室气体浓度变化造成的ERF为3.84(3.46～4.22)W·m-2,二氧化碳仍然是其中的最大贡献因素(56％±16％).而气溶胶的总ERF(气溶胶-辐射相互作用(ERFari)与气溶胶-云相互作用(ERFaci)的总和)为-1.1(-1.7～-0.4)W·m-2,其中ERFari贡献20％～25％,ERFaci贡献接近75％～80％.AR6中气溶胶的总ERF的估算相较于AR5在数值上有所增加,而不确定性有所减少.但由于没有考虑部分重要的调整过程,ERFaci仍然存在较大的不确定性.
基于地面加密观测、ERA5再分析、ECMWF全球集合预报等多源资料,利用敏感性分析方法、涡度收支诊断方法以及拉格朗日水汽追踪方法,探讨1909号台风"利奇马"造成远距离暴雨的关键动力因子和水汽来源.结果表明,对流层低层短波槽的加深有利于台风远距离降水(Tropical cyclone Remote Precipitation,TRP)区南北两侧的气流共同增强TRP区域内的低层相对涡度,从而增强TRP.尤其相对涡度的散度项是影响TRP增强或减弱的关键作用项.在TRP增强阶段,有利于暴雨增强的正涡度主要由散度项贡献.负的散度项贡献导致相对涡度减小,TRP雨强也随即减弱.在水汽方面,TRP雨强和区域内的水汽含量密切相关.500 hPa上TRP区域内的水汽由局地和台风"利奇马"共同贡献;700 hPa的水汽主要由"利奇马"台风贡献;850 hPa的水汽则由局地和两个台风共同输送,其中台风"罗莎"的贡献更大一些.
基于2007年7月青海祁连站的野外加密探空资料,结合高分辨率的三维边界层模式,模拟研究了青藏高原东北边坡复杂地形条件下,边界层对流引起的干动力过程对该地区地形重力波产生及传播的影响机理.结果表明:在不同的背景场强迫下,高原东北边坡复杂地形上空对流和重力波的空间结构存在较大差异.当背景风向与山体垂直时,随着风速增加,山脊背风坡混合层顶附近大气不稳定能量加强,激发了下游区域较强的重力波信号,此时对流线组织性增强、重力波波列较长,高水汽含量的空气被波峰传输到较高的高度,为对流云发展提供了有利条件;当背景风向与山脊走向平行时,山顶上空对流发展旺盛,山脊背风坡混合层顶大气状态较稳定,激发的地形重力波信号较弱且波列较短,整个混合层顶附近水汽较少,对流云形成条件减弱;当背景大气浮力频率减小时,整个区域上空对流发展更加旺盛但组织性减弱,背风坡下游重力波向上传输的距离减小,信号不显著,混合层顶附近水汽分布均匀且变化幅度较小,有利于层状云发展.
为了解2021年南京市新冠疫情期间城市大气污染物浓度的变化和成因,利用南京大学SORPES站点2021年7月1日—2021年8月30日大气污染物在线监测数据,分析疫情前、中、后颗粒物及气态污染物的浓度变化,针对臭氧(O3)的关键前体物,挥发性有机物(Volatile Organic Compounds,VOCs)采用正定矩阵因子分解法模型(Positive Matrix Factorization,PMF)、拉格朗日粒子输送与扩散模型(Lagrangian Particle Distribution Model,LPDM)分析其污染来源.结果表明:疫情封闭期间,南京市PM2.5质量浓度较疫情前降低了 40％～50％,组分中硝酸盐、有机物质量浓度降幅最为显著,分别下降了 34.0％和16.5％.臭氧体积浓度不降反升,城中区域增幅最显著站点可达50％左右.其气态前体物氮氧化物(NOx)及VOCs浓度变化呈相反态势,分别较疫情前降低28％、升高49.6％.模型及卫星遥感结果表明,疫情期间南京市臭氧属于协同偏VOCs控制区.气团溯源结果显示,南京市受本地及周边区域传输的共同影响,疫情封闭期间省外上海方向、省内苏州-无锡-镇江-南通方向的气团贡献增大.PMF解析了南京市本地VOCs主要来源于机动车排放源、植物源、溶剂源、工业生产源以及油气挥发源,其中机动车源占比变幅最大,疫情封闭期间下降了15.1％,疫情后上升了4.3％.其次为油气挥发源、溶剂源,这两项污染源疫情封闭期间分别上升了 11.2％、1.7％,疫情后则分别下降了 4.8％、4.3％.
生物源与人为源有机气体氧化形成的二次有机气溶胶(SOA)对气候变化和人类健康具有重要影响.SOA的产生与其前体物研究已取得了一些进展,但由于有机气体之间存在复合相互作用以及SOA形成机制复杂,目前对不同有机气体混合体系中SOA的形成认知还比较匮乏.因此,深入了解有机气体多源、复杂的相互作用,摸清有机气体的大气氧化机制、SOA的形成及影响等对深入理解真实大气有机气体化学演变具有指导意义.本文旨在了解复合体系有机气体氧化生成SOA的相关研究进展.一方面总结了复合体系有机气体产生SOA质量浓度、产率、成分、挥发性、光学性质等的变化,侧重于实验室复合体系有机气体氧化对SOA形成的多重影响以及SOA组成元素、分子构成的变化特征,并总结了 目前实验室基于模型对复合体系SOA生成的模拟研究和拟合情况;另一方面探究了环境因素,如相对湿度(RH)、温度(T)以及无机气体,如氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、氨气(NH3)等对复合体系有机气体形成SOA的影响.
京津冀位于华北平原腹地,面临着严重的空气污染问题,尤其是河北省的重点工业城市唐山,长期位于全国空气质量最差的前十名.为改善空气质量,过去的十多年间我国颁布实施了多项污染防治计划,但唐山的PM2.5和夏季O3浓度仍超国家标准.为此,使用 WRF(Weather Research and Forecasting Model)-CMAQ(Community Multiscale Air Quality Model)模型量化了唐山市2020年PM2.5和O3浓度的行业贡献并分析其协同控制可行性.工业源对唐山市PM2.5浓度贡献最大,约占45％,其次是居民源约占16％.冬季能源、居民源和农业源占比为全年最高,分别达17％、19％和11％.O3浓度的背景值约占一半以上,4月占比最高.在非背景值中,唐山O3浓度最大来源为工业源,约占53％,其次是交通源,约占22％.生物源、交通源和能源行业的贡献在7月有所上升,分别约10％、27％和20％.不同污染情景下对唐山市PM2.5和O3的来源比较发现,工业和能源是其最重要的共同来源.
基于全可压非静力中尺度预报模式 WRF,选取Lin、WSM3、WSM5、WSM6、Goddard五种云微物理方案和Kain-Fritsch积云对流参数化方案,对2017年6月10日的江淮暴雨过程开展高分辨率数值预报试验,重点研究了云微物理方案对强降水预报的敏感性.结果表明:Lin方案模拟的局地暴雨区降水量随时间的演变与实况较为吻合,但降雨量偏小,WSM5、WSM6和Goddard方案模拟的降水量级与实况更为吻合;不同云微物理方案对此次江淮暴雨的预报能力具有明显差异,小雨量区域的模拟效果基本一致,暴雨和大暴雨对云微物理方案更加敏感;云中水成物的三维结构特征差异明显,其水成物含量也显著不同.WSM5方案模拟的雨水和云水含量较高,其降水量和落区质量较好;不同微物理方案产生差异明显的垂直速度,导致云量、云高有所差异,进而影响降水预报的性能,说明选用更为敏感的云微物理方案对降水预报质量的改善具有重要作用.
TraCE-21ka是全球首个利用全耦合模式针对末次盛冰期(LGM)至今气候演变的瞬变模拟.利用现代再分析资料和历史特征时期重建的连续冻土边界对TraCE-21ka模拟做了评估.结果表明TraCE-21ka能够较好地模拟现代半球尺度环流和降水的空间形态,对东亚地区的模拟冬季较好而夏季欠佳.TraCE-21ka模拟的现代时期与再分析资料相比偏冷,北半球年平均表面温度比再分析资料低3～4℃,基于现代温度误差的分析表明TraCE-21ka对东亚地区气候演变的模拟欠佳.对于历史特征时期,重建的连续冻土边界线指示TraCE-21ka模拟的亚欧大陆在LGM偏暖,全新世中期偏冷,即低估了 LGM以来的变温幅度.利用连续冻土边界线的年均表面温度约为-7℃ 这一特性,进一步定量评估出TraCE-21ka模拟的亚欧大陆中纬地区从LGM至今的升温幅度约为真实气候的40％.通过分析近百年全球升温速率证实TraCE-21ka的气候敏感性显著偏低,由此产生的误差在瞬变模拟中会不断累积.
基于 WRF(Weather Research and Forecasting)模式,选取河南"21·7"特大暴雨事件,采用局地增长模培育法(Local Breeding Growth Mode,LBGM)生成对流尺度集合预报系统,在此基础上对24 h累积降水量进行SAL(Structure,Amplitude and Loca-tion)检验,结合预报成功指数(Threat Score,TS)、公平成功指数(Equitable Threat Score,ETS)评分等评分结果进行对比分析,综合评估集合预报成员的预报效果,表明:1)基于局地增长模培育法生成初始扰动的集合预报系统成员对于强降水预报有一定优势,在降水强度和位置的预报上与实况较接近;2)经检验,成员e003的TS和ETS评分在20日00时—21日00时(北京时,下同)和21日08时—22日08时两个强降水时段内表现最佳,并在SAL检验中对应较好的降雨强度A和雨区位置L,而成员e008暴雨TS、ETS评分最低,对应SAL检验中具有一定的位置偏差,即TS、ETS评分和SAL检验之间存在相关性,将二者有机结合,可以为业务工作中定量评估模式降水预报效果提供参考;3)通过对比整体评分表现较好的成员e003和较差的成员e008,两者预报的位势高度场与ERA5(ECMWF reanalysis v5,ERA5)再分析资料之间的差值,可以验证降水预报误差主要源于对低涡系统的预报偏差,同时预报评分较好的成员其位势高度偏差较小,综合评估效果更佳.
为研究雾和霾天气下VOCs时空变化特征,于2020年11月19日—2021年1月15日在江苏省东海国家气象观测站进行为期58 d的外场观测试验.利用自主研发的多旋翼无人机捕获2次辐射雾和2次霾天气过程,获得气温、气压、相对湿度、风向、风速、VOCs、O3等7种要素100多条垂直廓线.结果表明:时间上,霾过程夜间VOCs体积浓度(0.225～0.253 ppm(parts per million,1 ppm=10-6))明显高于白天(0.191～0.205 ppm),雾形成前体积浓度(0.121～0.239 ppm)显著高于雾过程(0.056～0.209 ppm).雾过程中VOCs体积浓度与雾强度变化相反,雾层高度与VOCs体积浓度剧烈变化高度一致,雾层(＜200 m)中VOCs体积浓度(0.172～0.178 ppm)明显减小,显著低于雾形成前(0.195～0.240 ppm),雾层以上浓度变化大,雾结束后l h内保持雾过程中分布特点.雾对逆温层中的水溶性污染物有清除作用,VOCs体积浓度和O3质量浓度均下降.
为研究FM-120雾滴谱仪不同采样频率(5 Hz、1 Hz)对辐射雾微结构观测的影响,2020年冬季在连云港东海县开展了为期58 d的雾外场精细化观测.在2020年12月28日一次辐射雾过程中使用5 Hz和1 Hz两台不同频率的雾滴谱仪开展辐射雾精细化观测研究.研究发现,相较于1 Hz的观测结果,5 Hz更容易观测到雾的微物理量的极值.从整个雾过程来看,5 Hz雾滴谱仪平均成1 Hz后的结果在雾的形成和消散阶段与1 Hz雾滴谱仪的原始结果的相似度较低,但在雾的成熟和发展阶段相似度较高.从谱型来看,5 Hz和1 Hz观测到的谱型基本类似,主要差别出现在峰值.5 Hz和1 Hz均能反映此次雾过程中不同阶段微物理之间的关系,主要差别出现在雾的形成阶段,这可能是5Hz在此阶段观测到的活化并凝结增长的新雾滴相对较少所导致.
利用降水现象仪、双偏振雷达、常规气象观测资料和再分析数据,分析了郑州"7·20"极端强降水过程的微物理特征.此次过程受多尺度天气系统的共同影响,为复杂多变的降水微物理特征提供了有利的环境条件.结果表明,此次过程地面雨滴谱分布随时间存在明显变化,雨滴谱参数分布较广,覆盖了从大陆性对流降水至海洋性对流降水的分布区域.20日16-17时最强降水时段,小粒子数密度显著高于东亚地区普通对流性降水的统计结果和华南地区夏季平均值,且存在大量大粒子,保证了极高的降水效率.双偏振雷达参量的垂直结构反演结果显示,对流系统质心低,具有典型的暖云特征;0 ℃层以上冰相过程相对活跃,0 ℃层以下强烈的暖雨过程,大量的冰相粒子落下并融化和低层高效率的雨滴碰并增长过程,导致各尺度高浓度雨滴的生成,最终形成地面的极端强降水.
近年来南京O3污染逐渐加剧,为了 了解本地及周边城市排放对南京O3的影响,本研究利用源导向的 WRF/CMAQ区域空气质量模型对长三角2018年3-10月O3污染季节的空气质量进行了模拟.通过追踪长三角41个城市的排放,探究了长三角地区对南京O3的传输特征以及不同风向下的来源贡献.结果表明:研究期间南京O3非污染日和污染日的本地贡献差异不大,分别为56.8％和49.5％;而污染发生时周边城市对南京O3的贡献由36.4％增加至46.3％,长三角以外地区的贡献由6.8％减少至4.7％.;南京O3污染日江苏省内对其贡献占73.1％,而浙江省、安徽省和上海市分别贡献了 10.8％、10.5％和0.95％.污染期间南京本地分别由NOx和VOCs作为前体物生成O3(分别记为O3N和O3V)的贡献比率约为7∶13,说明南京本地VOCs对O3生成贡献较大.污染日期间东南风和东北风占比分别为38.0％和35.9％,当主导风向为东北风时,上风向城市扬州对其贡献达13.6％;主导风向为东南风时,上风向城市常州(7.3％)、镇江(7.0％)和无锡(6.5％)对南京O3的贡献较大.因此,南京O3污染控制应考虑根据不同风向对上风向城市群的区域联防联控控制策略.
近年来,我国东部地区夏季臭氧污染问题日渐凸显,成为影响空气质量、环境改善的重要因素之一,为量化评估臭氧前体物减排对臭氧污染的影响,本文以2021年6月19-30日中国东部地区臭氧污染过程为例,应用空气质量模型CMAQ-DDM方法与卫星遥感反演算法分析了东部地区臭氧浓度对人为源前体物排放敏感性的响应程度,并对臭氧前体物设置不同削减比例开展减排情景模拟,结果表明:1)2021年6月19-30日中国东部出现了一次长时间区域性臭氧污染过程,大部分城市达轻度至中度污染水平;2)整个污染时段东部地区主要以VOCs(Volatile Organic Compounds,挥发性有机物)控制区或VOCs与NOx 协同控制区为主,模型模拟与卫星反演结果具有较好的一致性,污染过程前段(19-25日)东部地区对VOCs敏感性较高,污染后段(26-30日)大部分地区转为VOCs和NOx 协同控制区,特别是河南、安徽、江苏部分地区,对NOx敏感性提高较为显著;3)在相同减排比例条件下(VOCs∶NO,=2∶1),减排幅度越大,臭氧降幅越大,当VOCs削减比例由20％提高到40％时,臭氧浓度降幅由1.7％增大至3.6％;由VOCs和NOx 协同减排(2∶1)过渡为强化NOx减排(1∶1)的分阶段控制优于单一的减排控制方案,臭氧改善率平均增强0.1％;仅削减高架源NOx 对臭氧降幅不显著.
短寿命气候强迫因子(Short-lived Climate Forcers,SLCFs)对大气污染和气候变化具有重要影响,政府间气候变化专门委员会(IPCC,2021)第六次评估报告(AR6)首次专门设立了关于SLCFs的独立章节,除了对人为源SLCFs评估以外,报告也包含了对于自然源SLCFs及其气候反馈的评估.特别地,在未来气候变暖和人为SLCFs持续减排的背景下,加深对SLCFs的自然源排放及其气候反馈的认识将更为重要.本文从自然源SLCFs排放评估、历史和未来气候情景下的排放变化、SLCFs的气候反馈几个方面解读了 AR6中有关的最新结论.未来气候变暖情形下,闪电源NOx、植被源BVOCs、生物质燃烧排放将会增加,土壤源NOx、沙尘、海盐颗粒物和二甲基硫(Dime-thlysulfide,DMS)对于气候变化的敏感性难以定量.同时,气候变化驱动着SLCFs的排放量、大气含量或寿命的改变,这些过程整体上造成的负反馈参数为-0.20 W/m2/℃(-0.41～+0.01 W/m2/℃),可能从一定程度上缓解气候变暖.
干旱/半干旱区气候变化研究一直是广泛关注的前沿科学问题,尤其是气候干湿变化规律及未来的发展趋势.过去大量的研究揭示了全球不同干旱/半干旱区的干湿变化事实和机理,取得了一系列重要进展,IPCC第6次评估报告明确指出未来全球干旱化将加剧,但也存在诸多问题没有得到一致的认识.本文将对全球变暖背景下有关干旱/半干旱区年代尺度干湿变化,特别是年代尺度干旱研究进行梳理,系统评述当前相关研究的现状并提出干旱/半干旱区研究所面临的关键科学问题.
利用再分析的陆地降水、环流和辐射数据,以及表征大气波动的指数,对比了1951-2020年期间El Ni?o春季快速衰减年和缓慢衰减年的东亚环流和华北夏季降水异常情况,并从大气波动强度的角度探讨了为何El Nino在一些年份的春季会发生快速衰减.结果表明,相较于其他不发生El Nino衰减的年份,El Nino春季快速衰减年华北7、8月的降水量显著偏多,尤其是8月;而El Nino缓慢衰减年夏季,华北降水相较其他年份偏多不明显.El Ni?o春季快速衰减年6-8月850 hPa上菲律宾到南海存在异常反气旋,其强度强于El Ni?o缓慢衰减年;El Ni?o春季快速衰减年8月500 hPa西太平洋副热带高压(西太副高)显著偏北,而缓慢衰减年西太副高偏北的特征不明显,而是以偏西为主;200 hPa副热带西风急流在El Nino春季快速衰减年8月显著偏北,而在El Nino缓慢衰减年中反而略偏南;El Nino春季快速衰减年6-8月沃克环流显著偏强,相比之下El Ni?o缓慢衰减年沃克环流偏强的特征要弱很多.上述环流异常特征为El Ni?o春季快速衰减年华北7-8月降水异常偏多提供了有利条件.通过近地面风场合成分析发现,春季El Nino快速衰减月前后,赤道中西太平洋异常东风爆发非常明显,而El Ni?o缓慢衰减年的异常东风信号较弱.春季El Nino快速衰减前印度洋对流活动非常强盛,并向海洋性大陆传播,这种对流可能通过不断激发大气波动,继而引发近地面东风爆发,最终导致El Ni?o出现快速衰减.
本文基于华北夏季降水数据、NCEP/NCAR再分析环流数据,采用了相关、合成和环流异常回归重构等方法,分析了东亚副热带夏季风指数、华北大气动力上升指数与华北夏季降水的关系.主要结果如下:1)东亚副热带夏季风指数、华北大气动力上升指数与华北夏季降水有很好的对应关系.当两个指数偏强时,华北夏季降水会异常偏多;两个指数偏弱,华北夏季降水异常偏少;如果两个指数强弱不一致时,华北会出现区域性降水偏多情况,但全区整体降水量基本为正常值.2)华北夏季降水异常是东亚副热带夏季风和华北大气动力上升运动协同作用的结果.在东亚副热带夏季风指数、华北大气动力上升指数偏强年,夏季500 hPa层贝加尔湖槽会加深、西北太平洋副热带高压会偏北,华北处于"东高西低"的环流型控制下,西部低槽东移受阻,在华北维持较长时间的大气上升运动;850 hPa层印度夏季风、东亚副热带夏季风会偏强,这时热带印度洋西风水汽输送以及东亚副热带地区偏南风水汽输送或东南风水汽输送会加强,华北水汽来源充足.这种高、低空环流配置非常有利于造成华北夏季降水异常偏多.反之,华北夏季降水会异常偏少.3)前期4-5月,东亚副热带夏季风指数、华北大气动力上升指数偏强,可以作为华北夏季降水异常偏多的一个气候监测预测指标.
本研究评估了现有热带气旋(Tropical Cyclone,TC)潜在生成指数(Genesis Po-tential Indice,GPI)对 北大西洋和西 北太平洋热带气旋生成频数(TC Genesis Frequency,TCGF)时空特征的表征能力.结果表明,现阶段使用的GPIs能较好地再现两个海盆TCGF的空间分布和季节循环特征,以及北大西洋TCGF的年际变化,但几乎不能模拟西太平洋TCGF年际时间尺度上的变化.利用美国联合飓风警报中心(Joint Typhoon Warming Center,JTWC)提供的1979-2017年热带气旋最佳路径数据集和ERA-Interim再分析数据,对西北太平洋GPI进行了改进.考虑到相对涡度在西北太平洋对热带气旋生成的重要作用,将绝对涡度分离为相对涡度和地转涡度(f),移除相对湿度,使用多元线性回归的方法构建了 GPIWNP.与现有GPIs相比,改进后的GPIWNP不仅对西北太平洋TCGF的空间分布和季节循环有较好的模拟能力,并且可以再现其年际变化特征.
基于CN05.1观测数据和一套经过降尺度偏差校正处理的模式(NEX-GDDP-CMIP6)数据,结合泰勒图、GEV极值拟合等方法,综合评估了模式对西南地区极端降水变化的模拟性能,并系统分析了未来西南地区不同重现期的极端降水演变趋势及其人口暴露度变化.结果表明,NEX-GDDP-CMIP6模式及其集合(N-CMIP6-MME)能够较好地再现观测极端降水的时空变化特征,且多模式集合结果优于大多数单个模式.未来西南地区绝大多数区域的降水和极端降水将持续增加,十年一遇、二十年一遇极端降水事件也呈增加趋势,使得未来西南地区人口暴露于不同重现期极端降水的风险进一步增加.相比十年一遇,重现期为20 a的极端降水事件增加速度更快,增加范围更广,模式一致性也更高,对应的人口暴露度增加幅度更大.到2050年左右,在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0 和 SSP5-8.5 情景下二十年一遇的 RX1day(RX5day)分别增加 了 175.2％(148.9％)、216.0％(162.4％)、210.9％(156.8％)和 274.3％(207.1％),对应人口暴露度分别增加了 129.1％(118.8％)、177.7％(135.1％)、182.4％(143.2％)和237.5％(161.5％).进一步分析指出,在未来极端降水人口暴露度的变化中,气候变化占主导作用,其次是人口变化和人口-气候协同作用的影响.
