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[硕士论文] 刘维
气象学 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:自工业革命以来,人类活动(化石燃料燃烧、土地利用等)不断排放CO2等温室气体,造成全球气候变化。大气CO2增加产生的辐射强迫是造成全球变暖的主要原因。除了CO2,太阳辐射、气溶胶等也是造成全球气候变化的重要外部强迫。本文以CO2强迫和太阳辐射强迫为例,利用HadCM3L气候系统模式,开展了一系列的模拟试验:(1)大气CO2浓度突然增加4倍(4×CO2试验),这个试验中既考虑CO2通过吸收长波辐射对气候的影响(CO2的辐射效应),又考虑CO2通过影响植被气孔性质产生的气候效应(CO2的气孔效应);(2)大气CO2浓度突然增加4倍,但仅考虑CO2对长波辐射的吸收作用,而不考虑CO2对植被的作用(4×CO2atm试验);(3)模式太阳常数突然增加4%,由1365.0Wm-2增加到1419.6W m-2(4%Solar试验)。
  CO2和太阳辐射等外源强迫发生后,气候系统的不同组成部分响应时间不同。大气和陆地地表具有较低的热容量,响应较快,而海洋热容量较大,温度变化较慢。近年来一些气候变化研究将气候系统对外源强迫的响应区分为“快响应”和“渐进反馈”。快响应是指全球平均温度,主要是海表温度发生明显变化之前气候系统的响应;渐进反馈是指随着时间推移,海表温度显著上升后引发的气候系统变化。本文从快响应和渐进反馈的角度出发,根据HadCM3L模拟结果,系统研究了气候系统在从外源强迫发生后的第1天到1000年后的连续演变过程,揭示CO2强迫和太阳辐射强迫对气候系统快响应和渐进反馈的影响异同。
  根据模拟结果,在强迫发生后的第1天,4×CO2试验和4%Solar试验中大气层顶向下的净辐射通量(即外源强迫对气候系统的辐射强迫)分别为9.69 W m-2和6.30Wm-2,而在1000年后,气候系统达到准平衡状态时,全球表面平均温度升高了5.71 K和5.70 K,这说明对于同样的平均地表温度变化,所需的太阳辐射强迫要大于所需的CO2辐射强迫,即CO2辐射强迫的效率高于太阳辐射强迫的效率。通过对模拟结果的分析,发现辐射强迫效率的差异主要与地气系统快速调整过程中晴空长波辐射的变化有关。这主要是由于CO2的辐射效应使得气候系统中更多的长波辐射被吸收,因此,第1年4%Solar试验中大气层顶更多的晴空长波逃逸到外太空。
  通过比较不同时间尺度上4×CO2试验和4×CO2 atm试验中全球表面温度的变化,发现在强迫发生后的第1天,4×CO2试验中陆地表面增温0.67 K,而4×CO2 atm试验增温0.25 K,在强迫发生后1个月后,4×CO2试验中陆地表面增温比4×CO2 atm试验高将近1倍,说明强迫发生后的短时间尺度(大约1个月)上,CO2的气孔效应对地面增温有着重要作用。大气CO2浓度增加,使得植物叶片导度降低,植被蒸腾减少,潜热释放减少。同时,陆地上空低云云量减少,到达地面的太阳辐射增加,引起地表增温。在数年以上的时间尺度上,4×CO2试验和4×CO2 atm试验温度变化差距随时间减小,模式达到准平衡状态时,4×CO2试验和4×CO2 atm试验的地表平均温度为5.71 K和5.22 K,表明随着时间的推移,4×CO2试验中CO2的辐射效应对气候系统中全球表面温度的变化起主导作用。
  4×CO2试验和4%Solar试验达到准平衡状态时全球平均地表平均温度变化基本相同,但二者造成降水的变化差异很大,相对于参照试验,4×CO2试验和4%Solar试验,降水分别增加了5.41%和10.81%。利用线性回归的方法,将平衡态降水的变化表示为降水对外源强迫的快响应和降水对温度变化渐进反馈的线性叠加。模拟结果表明,对于CO2强迫和太阳辐射强迫,由于温度变化造成的降水变化基本相同。CO2强迫和太阳辐射强迫造成的降水差异主要体现在海表温度发生显著变化前的快响应阶段,在快响应阶段,就陆地而言,大气CO2浓度增加,植被气孔导度降低,减少植被气孔向大气蒸腾的水汽,从而减少降水;就海洋而言,大气CO2增加,CO2的辐射效应导致大气增温,而海洋的比热较大,海表温度变化落后于低层大气,低层大气垂直稳定度增加,抑制蒸发和降水。
  本研究有助于理解CO2和太阳辐射强迫对气候系统的影响机制,为预测未来气候变化提供理论基础。另一方面,研究气候系统对CO2强迫和太阳辐射强迫的响应也有助于理解以减少太阳辐射为基础的地球工程产生的气候效应,为认知地球工程对气候系统的可能影响提供理论基础。
[硕士论文] 林婉莹
自然地理学 上海师范大学 2017(学位年度)
摘要:在气候变暖背景下,避暑旅游成为研究热点。我国北方地区具有较好避暑旅游气候条件。即使在较为舒适的气候环境下,较大强度的旅游活动量也会使旅游者出现不舒适状况,那么在某种气候条件下,适合的旅游活动是值得讨论的。本文使用旅游气候指数(TCI)、生理等效温度(PET)和旅游气候信息(CTIS)对我国北方25座避暑城市1980~2009年气候舒适进行分析,并使用慕尼黑模型模拟避暑城市的人体最大代谢率,提出旅游活动舒适度评价方法,评价避暑城市旅游活动的舒适性。最后,分析避暑城市的气候舒适度与旅游活动舒适度的关系,得出以下结论:
  (1)研究区25座避暑城市6月份旅游气候指数分为4个等级:“一般好”、“很好的”、“优良的”、“理想的”。随着7月份温度升高和相对湿度增加,旅游气候指数等级随之降低。7月份旅游气候指数分为4个等级:“边界的”、“可以接受”、“一般好”、“很好的”。8月份旅游气候指数分为5个等级:“边界的”、“可以接受”、“一般好”、“很好的”、“优良的”。7月份和8月份比较来看,TCI数值有所增加,TCI等级变化不是特别明显,8月份旅游气候舒适度较7月份更为舒适。9月份旅游气候指数分为3个等级:“很好的”、“优良的”、“理想的”。
  (2)25座城市因其温度、湿度、风速、降水量及其日照时数的变化,而呈现出不同气候舒适度变化类型。6-9月份旅游气候指数变化类型可分为“V型”、“槽型”两种。
  (3)6月份平均相对湿度和降水量对TCI影响为显著负相关,日照时数和风速有显著正相关性。7月份平均气温、最高气温和降水量与TCI为显著负相关关系,日照时数和风速与TCI为显著正相关性。8月份旅游气候指数受到影响最为复杂,其平均气温、最高气温、平均相对湿度、最小相对湿度和降水量与TCI呈显著负相关,日照时数与TCI呈显著正相关性。9月份平均气温、最高气温和风速与TCI呈显著正相关。
  (4)根据1980年到2009年期间PET为舒适/中立等级天数和平均PET(PETa),对研究区25个城市进行聚类分析,将其分为三类。第Ⅰ类包括11个城市无热的天气,少数城市有温暖天气,舒适期较长,温暖天气最短;第Ⅱ类包括7个城市无热的天气,温暖的天气较长,舒适期较短;第Ⅲ类包括7个城市:部分城市有热的天气,温暖的天气最长,舒适期最短。
  (5)25座城市中热舒适天气总频率最高的是绥芬河。阳光条件最好的是扎兰屯,阳光天气共有115天,6月份下旬到9月份下旬连续出现。多雨天气出现最多的是丹东,6月份中旬到9月份中旬多雨天气出现频率分别为30%、30%、60%、100%、100%、100%、100%、64%、40%、10%。闷热天气出现最多的是开封,6月份中旬到9月份中旬连续出现。1980年到2009年期间,25座城市日平均无大风天气、无雾天气。
  (6)本文设空气温度在16到30℃之间,风速小于2.5m/s,在研究时间段内,完整地计算出最大人体代谢率的城市共有10座城市(承德、遵化、秦皇岛、三门峡、郑州、徐州、丹东、泰安、赤峰、延安),人体代谢率最高的城市是赤峰市。
  (7)景区优美的景色,愉悦的心情,放松的状态等等影响着旅游者对出汗等旅游活动不舒适性的忍耐力。因此,本文提出从人体最大代谢率(Mmax)到高于旅游活动人体最大代谢率50W/m2(Mmax-Mmax+50W/m2)为较为舒适等级,Mmax+50-Mmax+150W/m2定义为旅游活动不舒适等级,>Mmax+150W/m2为极不舒适等级。
  (8)整体来看,10座城市能够满足日常生活所需的人体代谢率。夏季舒适等级和较为舒适等级旅游活动方式有步行、游船、索道、观光车、开车、观鸟、赏花、骑马、看表演和宗教活动等。极不舒适的旅游活动为上台阶和上山,夏季爬山和登高活动量较大,为了避免出现不适,建议旅游者多选择缆车、索道、观光车等舒适方式登山。
  景区受绿化、水域和地形等条件的影响,景区气候条件与气象站点的气候条件具有一定差距,特别是夏季,景区内应该更具有避暑旅游的优势。在全球变暖和热岛效应加剧的背景下,景区的气候条件和气候舒适度的研究更值得关注。
[硕士论文] 高雅琦
大气物理学与大气环境 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:湖泊蒸发是全球能量分布,水文循环的重要组成部分,同时是气候及生态系统环境变化的指示因子。利用太湖湖上涡度相关观测平台避风港站点2012年的辐射,湍流通量以及气象资料,分析了太湖蒸发量的变化特征以及能量平衡其他项的变化特征;评估3个离线湖泊模型对于太湖湖表热通量的模拟效果;并利用气候模式产品数据和湖泊模型模拟了未来(2010-2100年)不同温室气体排放情景下太湖蒸发情况。结果表明:
  (1)太湖2012年总蒸发量为1019.2mm。潜热通量是太湖净辐射能量分配中的主导项,2012年太湖地区潜热通量占净辐射通量的90%。3~7月为太湖水体储热阶段,当净辐射在7月达到最大值时,蒸发值也达到最大值;净辐射8月开始减少,至12月达到最小值,期间湖体储热释放,使得蒸发量在1月才达到最小值。潜热通量存在明显的日变化特征,下午13:00-14:00达到最大值,早上5:00-6:00达到最小值,与湖-气水汽压差的日变化趋势一致,潜热通量与水汽压差的相关系数达到0.96。
  (2)CLM4-LISSS,K-ε以及LAKE湖泊模型都能模拟出2012年8月湖表温度的日变化特征,其中以CLM4-LISSS湖泊模型模拟效果最佳,湖表温度的观测值与模拟值的相关系数为0.94,均方根误差为0.85℃。通过潜热通量的模拟评估发现,3个湖泊模型都会高估潜热通量,其中CLM4-LISSS湖泊模型对于潜热通量计算的考虑较为全面,模拟效果最好,观测值和模拟值的相关系数在0.78,均方根误差为55.32Wm-2,而K-ε湖泊模型的相关系数为0.72,均方根误差为64.53W m-2;K-ε湖泊模型的相关系数为0.55,均方根误差为61.96Wm-2。
  (3)在2010-2100年未来时期不同温室气体排放情景下太湖蒸发增加,但蒸发量增加的比例不同,在RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下,蒸发量每十年增加量分别为23.7mm,29.2mm和34.5mm。蒸发量的增加速率随着辐射强迫的增加而增大。
[硕士论文] 汪婉婷
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:利用英国哈德莱中心(Hadley Centre)逐月海表温度资料、NCEP/NCAR月平均再分析数据集等,首先在太平洋海温异常中扣除El Ni(n)o Modoki指数ⅠEM后,在Ni(n)o1+2区域定义了EP型海温异常指数ⅠEPN,分析了两个指数相应的海气状态及对海洋性大陆区域(Maritime Continent,MC)气候异常的影响;再通过在印度洋海盆模(India Ocean Basinwide Mode,IOBM)指数(ⅠIOB)中扣除长期趋势和两类ENSO的同期或超前信号后,得到了修正的IOBM指数(ⅠmIOBK、ⅠmIOBA、ⅠmIOBlK、ⅠmIOBlA),并由此分析了IOBM的变化及与MC区域气候异常的联系。主要结论如下:
  夏季El Ni(n)o Modoki指数在2-3年,8年和10年以上的周期上存在较大功率,而IEPN则在3-5年和6年的周期上存在较大功率。EM和EP型海温异常及其影响存在显著差异。在北半球夏季,当IEM处于正位相时,热带太平洋SSTA呈现“负正负”的结构,MC大部分区域SSTA为负,对流层低层太平洋地区辐合,MC地区辐散,对流层高层太平洋地区辐散,MC地区辐合。对应于辐合辐散中心,存在着自赤道中太平洋分别向赤道东太平洋和MC中东部地区的垂直环流,以及自MC西部向印度洋西部的垂直环流,MC区域北部大气加热、降水偏多,而南部冷却、降水偏少。当ⅠEPN处于正位相时,热带太平洋SSTA呈现“西负东正”分布型,MC区域SSTA呈现“西正东负”分布。与EM现象相比,对流层高低层辐合辐散中心位置东偏,热带环流异常在垂直方向上呈斜压结构,MC区域北部大气加热而南部冷却,大部分区域降水均偏少。
  印度洋IOBM为暖位相时,不同季节的印度洋地区均呈现异常偏暖,但大气是上升还是下沉运动则在印度洋不同季节和不同区域存在很大变化,就夏季而言,印度洋大部分地区存在上升运动,此与海温异常偏暖有关。滤除同期ENSO信号后,在北半球夏季,指数ⅠmIOBK和ⅠmIOBA存在3-5年的周期变化。当IOBM处于正位相时,印度洋至我国东海地区大范围海温偏暖。MC区域西部降水正异常,东北部降水为负异常。造成这种降水分布的原因是:在MC区域的西部对流层低层辐合高层辐散,上升运动增强,且水汽辐合,而MC区域的东北部对流层低层辐散高层辐合,上升运动不明显,水汽辐散,不易形成降水。而在对流层低层,与西太平洋辐散中心对应,南、北半球出现关于赤道对称的反气旋对,赤道印度洋上的异常加热激发东传的Kelvin波,加强了东风异常,同时加强了KMC区域之外南、北半球热带地区的这对Rossby波型。
  滤除超前的ENSO信号后,在北半球夏季,指数ⅠmIOBlK存在8年和2年左右的周期变化,ⅠmIOBlA存在8年和3-4年的周期变化。当IOBM处于正位相时,印度洋西部冷却而东部加热,MC地区大范围加热。海洋性大陆和印度洋地区降水异常带均呈纬向分布,MC区域经向分布型为负正负,印度洋区域经向分布型为负正负正。这种降水分布的原因由异常的高低层辐合辐散运动,赤道垂直运动来解释。地上2m温度异常的分布与海温异常类似,温度正(负)异常主要是由地面净长波辐射的正(负)异常以及地面吸收太阳辐射的增多(减少)造成。
[硕士论文] 李梦溪
3S集成与气象应用 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:随着城市化进程的迅速加深,城市建设完全改变了自然地貌条件,使空间的自然地貌分布完全被城市建设空间形态所取代,产生了与自然气候差别巨大的城市微气候。城市风环境是城市微气候的重要要素,对城市内部的风场环境进行研究和模拟,是评价城市风环境和对风环境状况进行改善的重要基础和前提。计算机模拟城市风场的技术已逐渐成为风环境研究的重要手段。
  本研究采用计算流体动力学(CFD)模拟方法,应用Fluent软件,利用高精度城市建筑地理信息数据及其高程属性数据,研究了建筑数据概化方案、GIS数据与CFD几何模型对接方案等关键技术,实现了对面积约722平方千米的整个晋江市的风场特征的数值模拟。通过建立计算域、划分网格、统计主导风向及其平均风速、确定边界条件、求解计算等工作,模拟了在风向平均风速下晋江主导风向(东北风)、次主导风向(西南风)、海风风向(东南风)、陆风风向(西北风)的风场情况,得到了城市的三维风场分布状况,获得了详细的、直观的典型流场信息,并以实测数据与模拟结果进行对比。
  研究结果表明:(1)建筑数据概化的关键技术可以解决计算时间、计算机软硬件条件与研究范围之间协调问题。GIS数据与CFD几何模型对接的关键技术可解决GIS数据与CFD几何模型数据结构的差异引起的问题。(2)经过了建筑数据的概化、GIS数据CFD几何自动建模等处理,利用CFD方法与城市建筑地理信息数据进行城市尺度的风场数值模拟在成本及效率上是可行的。(3)CFD风场模拟结果可直观反映城市中的三维风场信息。分析风场模拟结果发现,从建筑物影响风的特征上看,模拟结果符合物理规律,具有合理性。(4)风速模拟结果与实测值有显著的相关关系,风向模拟结果与多数站点实测风向相符,模拟结果具有一定的可参考性。
[硕士论文] 齐会娟
地图学与地理信息系统 重庆师范大学 2017(学位年度)
摘要:气温在全球气候变化、自然灾害监测、农业区划、生态环境评价等方面的研究均是重要的输入参数之一。传统地利用气象站点的观测值进行空间插值或者绘制等值线模拟气温空间连续分布的方法,由于气象站点的分布不均匀和研究区的复杂地形条件等因素的影响,给气温空间分布的模拟结果带来很大的不确定性,使其应用受到了极大的限制。因此,基于遥感数据的气温空间分布模拟研究成为模拟气温的重要研究方向。但是,由于遥感数据通常易受到太阳高度角、传感器、云覆盖等大气因素的影响,降低了遥感数据的质量和气温空间分布模拟的可信度。为此,在遥感数据长时间序列重建的基础上,并充分考虑地理和地形因素对气温共同的影响,将进一步提高近地表气温空间分布模拟的精度,对于起伏地形下的气温空间分布的应用也更有意义。
  本文主要开展了以下四方面的研究工作:
  (1)重庆市陆表温度数据质量评价。通过统计重庆月平均、年平均云量和日照百分率以及LST数据质量控制文件,研究发现,重庆2006~2015年历年年均日照百分率在21%~31%之间,10年平均总云量为7.7成,与Aqua星相比,Terra星获取的LST数据可用性较高,10年中以2013年的LST数据可用性最好,2012年的LST数据可用性最差。
  (2)重庆长时序陆表温度数据的重建。重庆地区由于受云雾影响严重,获取的LST数据存在大量缺失值,本研究利用 Hants方法和 Savitzky-Golay滤波分别对重庆2006-2015年的LST数据进行长时间序列重建,重建结果表明:总体上Savitzky-Golay滤波法对白天、夜间LST长时序数据重建精度均优于Hants方法,两种方法对夜间LST重建精度均在2℃以内,重建白天的LST数据精度在2℃左右,夜间LST数据的重建效果要好于白天数据的重建结果,选取重建较好的S-G滤波结果作为气温模拟的数据源。
  (3)重庆月平均气温空间连续分布的模拟。本研究选取了影响气温的气象站点地理数据和遥感地表参数产品,研究了气温与选取影响因素各自间相关性,并分别建立了气温与气象站点地理数据和气温与遥感地表参数产品的多元线性回归模型,最后建立气温与所有选取影响因素的多元线性回归模型,同时比较分析三种模型的拟合优度及其差异,采用实际验证的方法检验气温与所有因素的多元线性回归模型的准确性,多年月平均气温模拟结果的RMSE在0.67℃~1.21℃之间,根据检验结果选取气温与综合因素的多元线性回归模型作为月平均气温空间连续分布模拟的最终结果。
  (4)基于海拔高度、土地覆盖类型对重庆2015年1月、4月、7月、10月的平均气温空间分布做定量分析,研究发现,2015年重庆1月、4月、7月和10月的月平均气温的最小、最大及平均值均随着海拔高度的升高而降低,在不同的海拔高度分布上月平均气温的最小、最大及平均值均呈现出了随着月份的推移先增后减的趋势。2015年重庆1月、4月、7月和10月的月平均气温最大值在不同土地利用类型下较为接近,月平均气温的整体平均值稍有差异,依次为建筑区>水体>农用地>裸地>植被,月平均气温最小值和最大值相差较大,建筑区最小,其次为水体,植被、裸地、农用地较为接近。
[硕士论文] 邱欢
自然地理学 上海师范大学 2017(学位年度)
摘要:气候变化已成为当今社会最重要的环境问题。东海与毗邻的西北太平洋,对我国气候有十分重要的影响,也是近年来国际上关注的热点区域。海洋各层海水温度相互影响,海洋能够将储存的热量通过海气热量交换方式输送到大气中,通过热力变化驱动大气运动,影响大气环流,进而影响到气候变化。因此本文利用SODA(Simple Ocean Data Assimilation)海洋再分析数据集,主要研究了东海及毗邻的西北太平洋在新的气候基准期(1981.1-2010.12)的气候结构以及探析长时间尺度(140年)的气候变化过程特征。本研究希望为深入了解东海及毗邻的西北太平洋对我国气候变化的影响奠定基础。
  结果表明,在研究区域:
  1)1981-2010年,表层温度的结构特征表现为:在东海大陆架,月平均温度顺着大陆架向东南递增,等温线密集,温度范围为17-25.5℃,到达冲绳海槽处达到最大温度。在东海黑潮区域,由于东海黑潮的流经,温度持续升高,高温水舌一部分经土噶喇海峡向日本延伸为黑潮延伸体,另一部分向东北方向延伸为对马暖流。在西北太平洋区域,月平均温度从低纬向高纬递减,温度范围为27-24℃,等温线走向大致与纬度平行,等温线稀疏。东海平均温度要低于西北太平洋,而东海温度梯度要大于西北太平洋。东海大陆架的温度结构主要受地形的影响,东海黑潮的温度结构主要受洋流的影响,西北太平洋的温度结构主要受纬度位置的影响。
  2)在新的气候基准期,1-12月的表层温度月际变化特征表现为:季节变化明显;1-3月的低温区主要在东海大陆架,受苏北沿岸水的影响明显(2月),高温区主要在东海黑潮以及西北太平洋南部;3-6月,苏北沿岸水的影响进一步减弱(6月消失);7-9月,整个海区温度普遍较高,整个区域温度主要受太阳辐射、东海黑潮和河流径流的影响;10-12月温度开始降低,苏北沿岸水开始出现(12月)。
  3)30年表层区域温差变化特征表现为:在东海大陆架,温差顺着大陆架方向向东南递增,温度差异十分大,温差范围为-7~0℃,到达冲绳海槽处温度差异十分小;在东海黑潮区域,由于高温的东海黑潮的流经,温差范围为0~2℃;在西北太平洋区域,温差受纬度位置的影响,等温差线稀疏,温差范围为0~3℃。根据0℃和2℃温差等值线,研究区域可以分成了5个气候分区,它们分别为:东海陆架区、东海黑潮区、西北太平洋南部、西北太平洋北部和台湾西南部。
  4)30年纵深层的变化特征表现为:随着深度的加深,温度总体是下降的。东海黑潮只能影响到大致171m深度;而从381m深度层开始,西北太平洋温度随着纬度的升高反而升高,温度的变化并不受太阳辐射的影响,可能有洋流流经。
  5)140年的温度变化特征表现为:高温中心随着冲绳海槽(东海黑潮)的走向向西北方向延伸为对马暖流,另一部分延伸至吐噶喇海峡为黑潮延伸体,在该海峡东侧出现次高温中心,中层海水向东海大陆架上涌。黑潮由台湾东岸进入东海,大致沿着陆架坡折处向东北方向流动,并伴有入侵陆架的现象。黑潮入侵主要表现为黑潮次表层水的涌升。
  6)从表层到纵深,140年温度变化的特征表现为:温度从表层向深层递减,中层的温度变化不均匀,尤其是15-20℃左右的温度变化明显,随着经度的向东,这种趋势就更加明显;而温度变率最大深度在200~500m,分为明显的三层,温度较稳定的集中在底层。
  7)近25年东海及毗邻的西北太平洋,从表层到100m层温度变化的幅度最大,随着深度的加深,其它层25年温度变化率并不是最大。温度开始下降的深度随着东海大陆架向西北太平洋过渡而慢慢加深。
[硕士论文] 任侠
大气物理学与大气环境 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:太湖微气候条件及局地气象环境的研究对于太湖周边城市地区可持续发展以及大气宏观调控具有重要意义。为了更准确的模拟太湖湖气交换,将CLM4-LISSS浅水湖泊陆面过程参数化方案耦合进入WRF中的Noah陆面过程模型。采用太湖湖上平台及岸边陆上观测站观测的数据,评估了CLM4-LISSS浅水湖泊过程方案对太湖区域近地层气象条件的模拟性能,并基于耦合模型模拟研究了太湖对局地气象环境的影响。
  本文的主要研究结果有:
  (1)CLM4-LISSS湖泊陆面过程方案模拟的湖表面温度能反映真实温度的变化趋势。三种陆面过程方案在2m气温的模拟值也存在一定的差异。CLM4-LISSS方案与CLM4.5方案以及Noah默认方案计算所得湖上2m气温的模拟值与观测值的均方根误差分别为1.80℃、2.16以及2.22℃,相关系数分别为0.88、0.85以及0.84。三种方案模拟10m风速的均方根误差分别为1.93m/s(CLM4-LISSS)、2.73m/s(CLM4.5)以及2.13m/s(Noah),相关系数为0.72(CLM4-LISSS)、0.68(CLM4.5)、0.68(Noah)。
  (2)太湖对周边气象环境存在明显的影响。2015年4、8月昼间太湖对周边及下风向地区近地层降温最高达0.5~0.7℃,影响范围可达60km。夜间升温最高可达0.3~0.5℃,范围约50km。11月昼间太湖对周边地区近地层降温最高为0.3℃,影响范围约30km。夜间升温作用微弱。1月昼间太湖对近地层的降温范围达50km左右,使近地层降温幅度达0.5-0.7℃。夜间增温范围约10km,增温幅度约为0.2℃。湖风带来的冷空气抑制了城市热岛的垂直发展,在1、4、8以及11月份均会使苏州、无锡、常州城市地区昼间边界层下降。在高温天气下使得苏州、无锡、常州城市地区昼间边界层下降高度可达300m、400m、100m。无锡地区边界层内气温最高降幅可达0.5-0.7℃。
  (3)通过选取无锡地区2015年4月22日,8月28日,11月2日以及1月8日晴天小风天气作为背景条件,分析该地区湖风对城市热岛环流的影响机制。结果表明在4、8月份湖风能够瓦解无锡地区的热岛环流结构,改变近地面热量和水汽的分布,抑制城市热岛的垂直发展,并影响到整个无锡地区。11月湖风环流尺度较小,只能影响到无锡部分地区。1月无明显湖风环流产生。
  太湖流域局地热力环流的变化对于局地气象环境以及污染物质的输送与扩散可能产生重要影响,准确的湖泊陆面过程参数化方案对于天气预报、空气污染模拟以及气候模拟研究等都存在重要意义。
[硕士论文] 张璐
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:集合—变分同化方法逐渐成为发展同化方法的重心,它同时保留了集合方法和变分方法的优势。NLS-3DVar(Non-linear Least Squares-based onThree-dimensional Variational Data Assimilation,非线性最小二乘三维变分同化)方法作为3DEnVar方法(不依赖于伴随模式求解的集合3DVar方法)中的一个代表,采用有限集合样本估算背景误差协方差B,并通过局地化方案来缓解集合样本不足导致的虚假相关。合理的采样方法和局地化方案是同化方法成功与否的关键。本论文采用历史采样法和集合扩展局地化方案对NLS-3DVar方法进行完善,并优化计算方法,使其结果精度更高,计算过程消耗资源更少;另一方面,引入多重网格策略对不同尺度的观测信息进行分析,由于对观测数据的稀疏化处理,使得基于多重网格策略的NLS-3DVar方法在计算效率上有了很大提高。
  本论文将NLS-3DVar方法进行以上改进后,又通过与Cressman插值与STMAS(Space-Time Multiscale Analysis System)算法的对比来进行效果检验。用2400多个国家级气象观测站逐时气温数据和NCEP再分析气温数据的进行同化,得到中国区域空间分辨率1°×1°,时间分辨率为6小时的气温融合产品。分别从单重网格(分辨率1°×1°)和双重网格(分辨率由2°×2°到1°×1°)利用2014年1~12月(4、5月除外)的独立检验数据考察NLS-3DVar气温融合产品质量,验证基于多重网格策略的NLS-3DVar方法的优越性。在单重网格下,与Cressman插值产品(均方根误差和相关系数的年平均值分别为1.961℃ d-1和0.924)相比,NLS-3DVar产品全年始终具有最小的均方根误差和最大的相关系数,年平均值分别为1.915℃ d-1和0.929;站点间误差分析进一步表明,NLS-3DVar产品在大多数检验站点精度更高,在新疆、甘肃、云南、陕西等地区尤为突出;加入双重网格策略的NLS-3DVar产品与单重网格的NLS-3DVar产品误差对比显示,均方根误差年平均值分别为1.711℃ d-1和1.649℃ d-1,相关系数年平均值分别为0.968和0.970,二者在均方根误差和相关系数的表现上都极为相似,即双重网格NLS-3DVar气温产品尽管对观测数据采取了稀疏化处理,但依旧维持了原有的产品精度,并且在计算效率上提高了1倍多。而与同样在双重网格下基于多尺度的STMAS算法相比,双重网格的NLS-3DVar方法在产品精度上同样占据优势,在计算效率上单位时次耗时与STMAS算法几乎相当。
[硕士论文] 高琳慧
气候系统与气候变化 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:本文采用1961-2014年不同时间尺度的SPEI数据集、基于海温构建的海洋热含量数据以及NCEP/NCAR逐月再分析资料集等,应用观测分析、气候统计,以及全球大气环流模式NCAR CAM5.1数值试验,探讨了中国南方秋季干旱的特征及其与热带印度洋热含量和海表温度的关系,得到如下主要结论:
  (1)中国南方SPEI的EOF第一模态在不同时间尺度都表现为全区一致型,第二模态都表现为东西反相的分布型,自21世纪以来,中国南方都表现为偏旱。
  (2)中国南方秋季SPEI的EOF第一模态表现为全区一致型,且具有明显的年代际变化,在1988年发生了年代际转折,转折后(前)为偏旱(涝)期,且西部地区偏旱的程度要比东部大。
  (3)中国南方秋季干旱指数与同期秋季热带西印度洋热含量呈显著正相关,与同期秋季热带东印度洋热含量呈显著负相关,即当同期秋季热带印度洋热含量西低东高时,中国南方秋季易发生干旱。
  (4)热带印度洋热含量异常影响南方秋旱的可能机制为:当秋季热带西印度洋热含量偏低时,热带东印度洋热含量将偏高;热带东印度洋热含量偏高会使热带东印度洋-西印度洋海表温度偏高、OLR偏小、降水凝结潜热释放增强,使秋季热带东印度洋-西太平洋区域上升运动加强,造成东亚Hadley环流增强,从而使在中国南方的下沉支也增强,不利于降水。数值模拟结果也验证了秋季热带东印度洋-西太平洋海表温度的年代际偏高会造成中国南方的秋季干旱。
  (5)IOD正位相单独或与El Nino联合发生时,中国南方秋季都表现为偏涝;IOD负位相发生时,中国南方偏旱。ENSO的出现会影响IOD与中国南方秋季旱涝的关系,但是对中国南方秋季旱涝产生主导影响的还是IOD。数值模拟结果也验证了正位相IOD单独或联合ENSO发生,都会造成中国南方偏涝,反之,IOD反位相会使中国南方偏旱。
[硕士论文] 周文娟
应用气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:江苏地处亚热带向暖温带过渡地带,具有明显的季风特征,南北气候差异显著。此外,随着江苏城市化进程加快,热岛效应使城市逐渐增暖,气候变化给人们的生活带来了重要的影响。因此对江苏省气候舒适度的时空分布特征和各气候不舒适等级日数作相应的研究,并将江苏划分为5个不同的气候舒适区,以期为江苏省区域规划、能耗调控以及旅游发展提出有针对性的参考。
  主要研究内容为:介绍UTCI模型,并检验模型的可行性和参考性;1981-2014年江苏省UTCI值的年际变化趋势,从年代、季节和月尺度上比较苏南、江淮、淮北的不同变化特征;评价江苏省四个季节UTCI值的空间分布特征,分析省内不同地区的适宜期并进行综合气候区划;对江苏省各气候不舒适等级日数的时空变化特征和各月发生频率进行详细分析。
  分析结果表明:
  (1)1981-2014年江苏省年平均UTCI值均处在16~20℃内,属舒适范围,并且以0.52℃/10a的速率显著上升。各年代比较,1980-1990这十年江苏体感最冷,此后有逐渐增暖趋势。从各月看,江苏省UTCI呈现明显的先上升后下降的趋势。从季节看,江苏省UTCI值夏季最高,冬季最低,春秋两季适中且春、冬两季上升速率要远大于夏季。无论从哪个时间尺度看,苏南体感温度最高,江淮略高于淮北,且苏南增长趋势低于江淮和淮北。
  (2)江苏省各季节UTCI值有明显的空间分布差异。全年12个月,UTCI值多显示沿海向内陆递增的经向变化特征。此外,春、冬两季UTCI值南北差异大于夏、秋两季。江苏舒适期最长的地区是南通,为7个月,舒适期为6个月的范围最广,共有45个站点,最短为5个月,主要分布在苏南地区。江苏省热不舒适期为6-9月,冷不舒适期为12月至来年的3月,3月冷不适宜范围最小,仅盐城和南通沿海地带。
  (3)根据江苏省气候舒适度综合区划,江苏省可以划分为5个气候区:全省气候最舒适区主要位于苏南地区;气候舒适区大体分布在苏中和江淮之间;气候一般区位于淮北中南部;气候不舒适区主要位于淮北北部;气候最不舒适区主要位于淮北东北部的沿海地区。
  (4)江苏省热胁迫日数逐渐增多,冷胁迫日数逐渐减少且减少速率远大于热胁迫增多速率。微冷胁迫日数呈现由南至北递增的纬向变化特征,而热胁迫日数大体呈现出由沿海至内陆递增的经向变化特征,且其南北振幅小于冷胁迫日数。1月和2月微冷胁迫发生频率较高,7月和8月热胁迫发生频率较高。
[博士论文] 姜蓝齐
自然地理学 哈尔滨师范大学 2017(学位年度)
摘要:土地利用与土地覆盖变化(LUCC)在不同时空尺度发生快速变化,在全球及区域尺度剧烈改变地表覆盖状态,对气候系统具有重大影响,是人类活动影响气候的重要途径之一。黑龙江省作为全国范围内短时间经历人类活动高强度作用,以及近百年来升温速度最快的区域之一,是研究LUCC对气候影响的典型敏感区域,对深入理解人类活动引起的土地利用变化与气候变化的耦合关系提供参考。
  本文在总结和评述国内外LUCC及其气候效应研究的基础上,以黑龙江省土地利用变化过程及其对气温的影响为研究对象,结合区域气候模式(WRF),采用统计分析(OMR)、GIS空间分析等研究方法,揭示近百年来人类活动影响下的黑龙江省LUCC时空变化特征,探讨中高纬度典型LUCC对区域气温变化的影响及物理机制。为丰富和发展区域环境变化的理论和实践,实现区域可持续发展,促进人与自然关系和谐发展等方面,提供重要的理论基础和实践价值。本文的主要内容和结论如下:
  (1)基于历史文献、历史地图和遥感影像重建了1900s、1950s和2010s黑龙江省土地利用类型分布图,并分析百年尺度下黑龙江土地利用覆盖时空变化特征。结果表明,1900s~2010s黑龙江省土地利用时空分布格局发生了显著变化,以耕地面积扩张,林地、草地和湿地面积减少为主要变化方式,约占全省面积的48.01%,其中林地、耕地、草地和湿地的结构比例由1900s的63∶5∶20∶12变为2010s的47∶37∶6∶7∶2。黑龙江省土地利用变化方式空间上具有显著特征,在黑龙江省西部松嫩平原地区表现为草地转耕地区域集中分布,东部三江平原地区主要为湿地转耕地集中区域,北部大兴安岭地区主要为林地转草地集中分布区域。
  (2)黑龙江省LUCC对气温空间变化的影响呈现出明显的区域特征,在黑龙江省北部、西部、中南部地区表现尤为显著,充分表现出LUCC对区域气温的空间异质性。北部林地转草地地区,出现了以黑河市为中心的气温升高趋势;西部草地转耕地区和东部湿地转耕地的集中区,均出现了气温下降的低值区,并且东部气温下降幅度大于西部地区;南部出现了以哈尔滨为中心气温升高区,可能与区域建筑用地明显增加有关。
  (3)黑龙江省主要LUCC覆被比例程度与气温变化趋势存在线性/非线性拟合关系,LUCC覆被比例程度对气温变化趋势有显著影响。具体表现为耕地覆被比例大小对气温变化趋势的影响有显著性差异,随耕地覆盖比例的增加气温升温速度加快;森林、草地和湿地覆盖比例与气温变化为非线性关系,随森林覆被比例的增加气温呈上升趋势变化,当覆盖比例达到72.22%时,升温作用最大;随草地和湿地覆被比例增加降温效应增强,当草地覆盖百分比为90%,湿地覆盖比例为60%时,降温效应最大。
  (4)黑龙江省LUCC对气温的影响整体表现为降温效应,对减缓黑龙江省升温的贡献为25.57%;各季节中冬季、春季、夏季LUCC对气温的影响表现为降温效应,秋季则表现为升温效应。百年内黑龙江省典型LUCC过程中,草地转耕地与湿地转耕地利用类型的转变对气温变化的影响表现为升温作用,其中湿地转耕地升温幅度稍大于草地转耕地,近百年分别升温0.024℃和0.023℃,对全省气候变暖的贡献率分别为1.94%和1.88%;森林转草地与森林转耕地利用类型的变化对气温变化的影响表现为降温作用,其中森林转耕地降温程度远大于森林转草地,百年间气温分别下降0.103℃和0.009℃,对缓解全省气候变暖的贡献率分别为7.86%和0.71%;但整体LUCC对区域气温变化的影响甚微。
  (5)近百年黑龙江省土地利用/覆被变化显著改变了区域地表辐射平衡和能量收支的分配,全省土地利用变化以及典型土地利用变化过程对气温变化的影响机制相同,均体现在由土地利用变化引起的地表反照率增加(减少),地表吸收的短波辐射减少(增加),地表净辐射通量减少,而引起地表温度的下降(上升),进行产生制冷(升温)作用;与此同时由于LUCC过程地表潜热通量的增加(减少)和感热通量的减少(增加),对区域气温也起到降温(升温)作用。
[硕士论文] 潘涛
自然地理学 哈尔滨师范大学 2017(学位年度)
摘要:黑龙江省为中国森林面积最大的省份,也是过去百年来森林面积减少最多及性质转变最大的省份,其伴随而来的极端气候问题也极为显著。为揭示森林覆盖变化对极端天气的影响,本研究以黑龙江省1900s、1950s、1980s及2010s四期森林覆盖数据为基础,利用WRF/Noah-MP模式为研究工具,模拟过去百年来黑龙江省森林覆盖变化对当地的极端气温和极端降水的影响,结果表明:
  (1)过去百年来,黑龙江省森林覆盖变化主要呈现先减少后增加的趋势,1900s~1980s黑龙江省森林覆盖呈持续减少趋势,森林总面积减少了110901.920km2,其中1900s~1950s森林面积减少幅度最大约为22.710%,1980s~2010s黑龙江省森林面积呈增加趋势,增加了30011.754km2。
  (2)黑龙江省森林面积变化的原因主要由人为所致,1900s~1950s森林面积减少的原因是沙俄与日本帝国主义的疯狂掠夺以及人口迁移所导致的毁林开荒;1950s~1980s黑龙江省森林面积减少的主要原因是生态环境保护意识不高,长期的重采轻育甚至乱砍乱伐所导致;1980s~2010s森林面积增加是因为生态环境保护意识的提高以及退耕还林政策的实施。
  (3)黑龙江省森林面积减少导致冷昼日数(TX10)、冷夜日数(TN10)、暖昼日数(TX90)、暖夜日数(TN90)、霜冻日数(FD)、冰冻日数(ID)、热夜日数(TR)及夏日日数(SU)增多,全年日最高气温极高(低)值下降、最低气温极高值上升;空间上,全年日最高气温极高值(TXx)和全年日最低气温极高值(TNx)西部增加较明显,春季和秋季与全年类似,夏季日最高气温极低值(TXn)在西部增加较大,日最低气温极低值(TNn)在西南部和东部增加较大,冬季日最高气温极高值(TXx)和日最低气温极高值(TNx)表现出西南部和中西部减少,中南部和东北部增加的空间特征。
  (4)黑龙江省森林覆盖面积变化的减少,导致强降水量(R95p)、日降水量≥20mm日数(R20mm)及持续降水日数(CWD)增加,普通日降水强度(SDⅡ)、5日最大降水量(RX5day)及持续无雨日数(CDD)为减少。空间上,极端降水指数差异性较强,在东部地区R95p和CWD增加比较明显,在西北部的小兴安岭地区RX5day、R95p和SDⅡ减小较为明显,在大兴安岭地区CWD增加比较明显。
[硕士论文] 邓丽姣
环境工程 西北大学 2017(学位年度)
摘要:气候变化及其影响评估是当前全球变化研究中的热点问题。全球气候模式作为预估未来气候变化的一种可靠的工具,在大尺度上有很好的模拟能力,但是全球气候模式在区域尺度上的并不能很好的模拟许多物理过程。统计降尺度可作为连接全球气候模式数据与区域气候变化特征的纽带,对全球气候模式大尺度气候因子数据进行降尺度处理。尽管当前的全球气候模式能给出一个近乎可信的结果,但仍存在很大的不确定性,其中全球气候模式本身的不确定性占了主导地位,而通过多模式集成方法可以在一定程度上有效的减少区域气候变化预估结果的不确定性。本文利用秦岭地区10个气象站点在1961-2005年的日气温和降水观测数据、同期NCEP再分析数据以及1961-2100年7个全球气候模式数据,采用ASD统计降尺度模型提供的统计降尺度方法对研究区内气温和降水进行了基于统计降尺度的多模式集合模拟与预估,论文的主要研究工作和结论如下:
  (1)比较评估了多元线性回归与岭回归两种统计降尺度方法在率定期和验证期内对气温和降水的模拟效果。结果表明从站点尺度来看,两种统计降尺度方法在各站点的气温解释方差都在91%以上,均方根误差在0.03以内,降水解释方差都在14%以上,均方根误差在0.25以内。多元线性回归统计降尺度的气温和降水的解释方差都大于岭回归统计降尺度,并且均方根误差都小于岭回归统计降尺度。从研究区整体而言,率定期和验证期内两种统计降尺度方法都可以很好地模拟气温和降水。无论是率定期还是验证期,多元线性回归统计降尺度方法对大多数月份的气温和降水气候要素的模拟值更接近观测值。综合考虑两种统计降尺度方法在率定期和验证期内对气温和降水的模拟能力,我们认为多元线性回归降尺度方法更适用于在秦岭地区气候变化的统计降尺度研究。
  (2)基于多元线性回归统计降尺度方法,评估了在两种插值条件下所建立统计关系的可靠性和7个全球气候模式经统计降尺度后在基准期对气温和降水的模拟能力。结果表明:①无论是GCM→NCEP插值顺序还是NCEP→GCM的插值顺序,所建立的统计关系在秦岭地区气候变化统计降尺度研究中都是可靠有效的。②7个全球气候模式经统计降尺度后都可以较好的模拟研究区气温。无论是在月尺度还是季尺度上,大多数的全球气候模式经统计降尺度后都略微低估了气温均值和气温最小值,都略微的高估气温标准差和气温最大值。③7个全球气候模式经统计降尺度后,在基准期内能够在一定程度上模拟秦岭地区降水。但MPI-ESM-MR、IPSL-CM5A-LR、CNRM-CM5、MPI-ESM-LR4个全球气候模式经统计降尺度后,在基准期内对降水的四个气候要素的模拟能力要优于GFDL-ESM2G、Can-ESM2和BNU-ESM3个全球气候模式经统计降尺度后的模拟能力。在月尺度上,7个全球气候模式经统计降尺度后都高估了降水均值,低估了降水最大连续干旱日数,大多数的全球气候模式经统计降尺度后高估了降水标准差和降水湿日概率。在季尺度上,7个全球气候模式经统计降尺度后都高估了降水均值,降水标准差和降水湿日概率,低估了降水最大连续干旱日数。
  (3)基于多元线性回归统计降尺度方法,采用7个全球气候模式和4个在基准期内对降水模拟效果较好的全球气候模式在RCP45和RCP85的情景输出数据,对气温和降水进行多模式集合预估,结果表明:①未来两种RCPs情景下,7个全球气候模式经统计降尺度后集合预估的秦岭地区气温在21世纪三个时间段都明显上升,升温幅度随着辐射强迫增大而增大,未来三个时间段6-9月的气温增幅高于其他月份,其中8月的增幅最为明显,1月气温增幅最小。21世纪三个时间段气温的季节变化整体呈现夏季增幅最高,依次是秋季、春季和冬季。在年尺度上,RCP45情景下,三个时间段内气温增幅分别是0.888℃、1.631℃和1.855℃;RCP85情景下,三个时间段内气温增幅更加明显,分别增高了0.992℃、2.124℃和3.442℃。②未来两种RCPs情景下,4个全球气候模式经统计降尺度后集合预估的秦岭地区降水在21世纪三个时间段整体呈现不明显的减少趋势,降水变幅随着辐射强迫的增大而减小,未来三个时间段6-10月的降水变幅比其他月份更加剧烈,其中7月的变幅最为明显。21世纪三个时间段降水在季节变化整体呈现夏季增幅最高,依次是秋季、春季和冬季。在年尺度上,RCP45情景,三个时间段降水变幅分别是-1.453mm、-1.095mm和-1.578mm;RCP85情景,三个时间段降水变幅越加不显著,分别是-0.644mm、-0.562mm和0.139mm。
[硕士论文] 杨惠
农业信息化 安徽农业大学 2017(学位年度)
摘要:本文利用晋中全市共四个测站1980年-2014年内逐年逐月的月均最高气温、月均最低气温、月平均气温、月平均相对湿度、月降水量五个气象要素的观测资料和晋中全市1994-2015年月均风速和各月日照时数两个气象要素的观测资料,应用了人体舒适度指数计算、体感气温指数计算和气候学及统计学中功率谱分析等方法,分析了晋中市的气候特征。结果表明:
  (1)晋中市属于暖温带大陆性季风气候;晋中市冬冷夏热,多年平均气温为10.4℃,最热月出现在7月份,为24.0℃,最冷月出现在1月份,为-5.1℃,气温年较差较大;近35年来,晋中市的年平均气温总体变化趋势是上升的,年平均气温存在3.89年周期变化,突变主要发生在1990年前后;
  (2)晋中市年总降水量422.2mm,降水量主要集中在夏季,为248.1mm,占全年降水量的59%,冬季降水量为10.0mm,占全年降水量的2.4%;近35年来降水量变化总趋势是上升的,年降水量最多年与最少年相差370mm,降水量年际变化较大;年降水量存在2.19年的周期变化趋势;降水量发生突变的次数比较多,主要集中在1982年前后、2007年前后和2010年前后这段时间。厄尔尼诺现象会使晋中市当年降水量偏少,拉尼娜现象可造成晋中市当降水量增多,但是在冬季均表现得不明显。晋中市多年平均相对湿度为56%,近35年来相对湿度呈多波动的下降趋势;
  (3)晋中市多年年总日照时数为2446h;日照时数最多的月份为5月267.90h,最少的月份为12月,仅为159.99h;35年来年总日照时数呈上升趋势。多年年平均风速为1.91m/s;35年来年平均风速呈波动下降趋势;(4)通过舒适指数的计算得出晋中市舒适月为3-10月;绵山景区3-10月为舒适的季节,常家庄园景区3-11月表现为舒适和较舒适;乌金山森林公园景区3-10月表现为非常舒适和舒适。近35年晋中市和各景点人体舒适指数呈缓慢上升趋势。利用体感气温的计算公式计算、分析,得出晋中市的最佳旅游时间为3月至10月。
  以上研究结果可全面、详细的分析晋中旅游资源,深入研究了晋中旅游气候资源,为晋中旅游事业发展提供了科学参考依据。
[硕士论文] 谢韶青
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:利用ECMWF再分析资料和NOAA/NCDC站点资料,通过冬季欧亚大陆逐日的气温振荡,构造了冷强度指数,同时计算了欧亚大陆冬季低温事件的频数和温度平流。研究了1979-2013年欧亚大陆中纬度地区冬季低温事件频数与冷强度的变化特征及其影响因素,以及近16年来冬季欧亚大陆中纬度地区低温事件频数与冷强度的趋势特征及其影响因子,揭示了秋季北极喀拉海-巴伦支海海域海冰面积与中国冬季气温之间的关系。主要结论如下:
  (1)冬季欧亚大陆中纬度地区低温事件频数在20世纪80年代后期、90年代和2000年初期处于偏少的阶段,20世纪80年代前中期和2005年之后偏多。近16年来,极端低温天气发生频率呈显著的上升趋势。冬季冷强度的年际变化特征与低温事件频数的年际变化特征一致,而季节内温度方差的年际变化特征与低温事件频数的年际变化特征略有区别,表明冷强度指数能更好地刻画低温事件的年际变率。
  (2)由于近年来欧亚大陆中纬度地区寒潮事件频发且持续时间增加,对应冬季平均气温也出现显著下降趋势,导致了冬季冷强度不断增强。相应地,天气尺度反气旋活动越加活跃,伴随着西伯利亚高压持续增强并稳定维持,欧亚大陆中高纬度地区北风增强,西风减弱;另外冬季北半球热带外位势高度场EOF前两个模态对近年来冬季西伯利亚高压增强也有贡献,使得中纬度地区冬季气温偏低,低温事件频繁发生。
  (3)冬季欧亚大陆中纬度地区以冷平流为主,纬向、经向温度平流对降温都有重要贡献。除经向风及经向温度梯度变化项的作用外,纬向风与纬向温度梯度变化项也起着重要的作用。温度平流各项对各个地区的贡献不同,经向风与经向温度梯度的变化主要促使西伯利亚地区降温,纬向风变化项主要引起欧洲地区降温,而纬向温度梯度变化项主要使东亚地区降温。
  (4)当秋季北极喀拉海-巴伦支海海冰面积偏少时,欧亚大陆冬季西伯利亚高压增强,同时近地面的向极经向温度梯度和大气层斜压性显著减弱,反气旋活动持久而频繁,引起欧亚大陆中纬度地区冬季持续的降温。这说明秋季喀拉海-巴伦支海的海冰面积变化可能可以作为中国冬季气温变化的一个预测因子。
[硕士论文] 王莹
气象学 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:本文利用高分辨率WRF-ARW模式,对2013年5月31日发生在海南岛的一次海风降水过程进行数值模拟,通过不同地形高度及裸土化的敏感性试验,探讨了地形对局地海风降水模拟的影响,并在此基础上探讨了两种常用的近地层参数化方案(MM5方案和Eta方案)对该次海风降水过程模拟的影响。
  结果表明,随着海风环流的不断发展,海风锋与降水落区几乎同相向内陆推进,降水落区主要分布在岛屿西部的黎母岭山前。海南岛海风降水的强度及分布特征与当地四周低平、中间高耸的地形特点密不可分,地形在整个海风降水期间存在动力、热力作用的交替演变。11~16时,降水主要由岛屿单侧海风锋引起,由于海风所经之处地形坡度较低,地形对海风的影响以热力增强为主,地形高度越大,驱动海风发展的海陆感热通量差异越大,海风环流发展越旺盛,降水强度也越大。17~21时,降水主要由东南、西北向海风锋正向碰撞造成,随着海风不断向内陆传播,地形的动力阻挡作用越来越强,当地形坡度增加到一定程度时,这种阻挡作用可以迅速削弱海风环流,使降水强度减小。裸土化试验进一步表明,地形高度变化导致的以上影响依赖于下垫面的非均匀特征,地形和植被的共同作用可使地表能量的分配产生更大的差异,进而对局地降水产生较大的影响。
  改变近地层方案可对当地的海风环流及相应的降水特征产生明显影响,两个试验最重要的差别主要体现在模拟的海风及降水的强度差异上,与MM5试验相比,Eta试验的低层海风及辐合程度更强,相应的降水也更强,表现为岛屿总格点降水量、大于10mm的降水区域、最大格点降水三个量化指标均比较大。通过分析两种方案在不同降水阶段的地表通量及近地层变量场,发现Eta试验模拟的降水前环境场更有利于对流的启动,随着午后热力湍流的不断增强,将MM5方案替换为Eta方案可使近地层感热通量、潜热通量分别增加约3.57%、5.65%,动量通量减小约10.79%,感热、潜热的增加使Eta试验中近地层大气的加热加湿作用更加明显,相应的低层大气不稳定度更高,再配合海风锋前较强的辐合上升运动,局地不稳定能量的释放变的更加容易,因此降水强度更大。
[硕士论文] 汪海欧
气象学 安徽农业大学 2017(学位年度)
摘要:气候变化已经发生,而且可能会给全球带来不可逆转的、持久性的影响。随着全球气候变化研究的进展,适应被认为是继预防、阻止和减缓后,人类应对气候变化的明智之举。而气候变化认知和感知是气候变化适应和响应的前提与基础,也是揭示气候变化感知与适应机理的有效途径。气候变化感知与适应的相关研究不仅成为当前学术界最为活跃的研究领域之一,而且也是我国政府和相关部门落实可持续发展战略的重要关切点之一。
  就区域性而言,全球气候变化研究重点集中在自然地理区域的过渡地带和生态脆弱区,如农牧交错带、气候过渡带、农村以及山区等等。胶州湾地区作为我国北方沿海的典型代表和中纬度海岸带海洋性气候最强的地区,未来在气候变化和人类活动的双重影响下,很可能面临着更大的气候变化风险。本文以胶州湾地区居民为研究对象,基于“感知—适应”分析框架,结合问卷调查数据、气象数据和相关的统计年鉴数据等,利用M-K检验、反距离权重插值法和小波分析等方法分析了胶州湾地区气候变化的时间、空间和周期性特征;利用描述性统计、一致程度、相对感知强度和相关系数等方法研究了居民气候变化感知与适应情况;最后分别利用有序Probit、二元Probit和泊松回归模型定量分析影响居民气候变化感知、适应意愿和适应选择的因素。主要结论如下:
  (1)近30年来,胶州湾地区气候整体上呈现出暖湿化特征。气候变化背景下,地区增温趋势较为明显,受热岛效应的影响,增温呈现出东高西低的空间分布规律;相对于温度来说,地区降水变化趋势幅度较小,但降水年际变化波动大,尤其以夏季降水量和年降水量表现最为明显,区域降水总体上均有所增加。气温和降水的突变性明显,尤以温度表现最为显著,突变时间分别为1989年和1998年;1961~2013年地区降水主要存在两个明显的周期变化规律,分别是6a和12a。极端气候事件趋多趋强,早涝交替发生,高温日数和暴雨日数呈现出微弱增加的趋势,且波动幅度较大,尤以2000年以来表现更为明显。
  (2)居民对与降水要素相关的感知准确度明显低于与温度要素相关的感知,即对温度、干旱、高温的感知情况与事实契合度较高,而对降水、暴雨的感知情况与事实存在偏差。对极端气候事件发生情况的感知,居民感知结果与实际发生情况较为一致,但回忆中印象深刻的极端气候事件无论在频率上,还是在类型上,都明显低于或少于实际发生的极端气候事件;受到时间因素的影响,居民对近5年即2010年后发生的极端气候事件的记忆更为深刻和准确。居民对不同气候要素感知的一致程度不一,且感知与事实的一致性程度并不高,除了对暴雨感知的一致程度为中等的一致性,其他的都是低等的一致性。受居民个体特征(性别、年龄、学历、职业)的影响,居民对气候要素和极端气候事件的相对感知强度存在一定的差异。
  (3)居民感知气候变化与适应气候变化存在非对称性,尽管84.5%的居民感知到气候变化,且高达91.5%的居民切身感受到气候变化对经济收入、身体健康和谋生方式带来的不利影响,但仅仅有58.5%的居民采取了适应措施。对于采取适应措施的居民来说,居民有众多的自主适应行为,但其适应行为基本上属于事后应急的被动适应,不能满足气候变化适应的需要。因此,地区气候变化适应措施的多样化程度和应用比例仍存在一定的提升空间。
  (4)从感知到适应受教育程度、信息接受程度、职业特征以及经济水平等多种因素的影响,二者并非简单的正比例关系。其中,居民对温度、降水变化的感知与适应呈现出正相关关系,表明感知直接影响到气候变化适应;而由于极端气候事件的突发性和难以应对的特征,居民对其感知与适应呈现出负相关关系,干旱表现尤为明显。
  (5)影响居民气候变化感知与适应的因素复杂多样,主要包括个体特征、家庭特征、认知特征和环境特征四个方面,且各个变量的具体影响存在一定的差异性。其中对外联系频率、家庭规模、种养殖面积、影响感知、灾害损失和水资源可获得性是影响居民气候变化感知的主要因素;信息获取能力、降水感知、经济损失感知和地区年平均降水量是影响居民气候变化适应意愿和适应选择的主要因素。
[博士论文] 高骏强
控制科学与工程;系统分析、运筹与控制 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2017(学位年度)
摘要:冻土是冰冻圈的重要组成部分,不仅分布广泛,而且在相变过程中对于水分、能量传输过程影响重大,是陆面生态系统中极其重要、不可忽视的下垫面。土壤冻结/融化界面位置的移动影响陆地生态碳循环过程以及局部甚至全球气候变化,同时由于其对气候的敏感性,是气候变化的灵敏指示器。获取准确的冻结/融化深度信息对地表能量平衡、高寒生态、水文径流、寒区工程和温室气体排放等有重要作用。
  在实际工程计算中,使用数值解法是求解偏微分方程的有效途径。但是,数值解法求解方程的维数与区域剖分节点的数目是正相关的。为了得到足够的精度,定解区域需要更精细的划分,相应的计算量也会增大。这意味着在计算过程中将有巨大的计算量,同时需要计算机具有庞大的内存容量。研究如何在保证足够精度的前提下,降低计算的自由度、简化计算、节省计算时间和所需内存空间这一科学问题具有重要意义。
  针对以上科学问题,本研究发展了考虑冻融界面动态变化的冻土参数化方案,并将其与陆面过程模式CLM4.5耦合,进而利用新模型揭示冻土对全球气候变化的响应过程。同时,本研究运用POD方法构建降阶有限差分模型,由于使用模拟初始很短时段的数值结果构建POD基,再外推进行未来时段模拟,避免了现有POD降阶模型重复计算的缺陷。主要成果结论如下:
  (1)利用117个站点观测资料分析了内蒙古最大土壤冻结深度变化过程。伴随着温度的变化,内蒙古地区的最大土壤冻结深度具有明显的季节变化,冻土主要出现在冬、春季。且随着纬度的增加,冻土深度对于温度的响应具有滞后性。内蒙古地区冻土自西向东大致呈现出先升高后降低的趋势,最大值出现在呼伦贝尔草原、锡林郭勒草原区域,极值超过了260cm。同时,最大冻土的空间分布与空气温度的空间分布体现了很高的相关性。全年、冬季、春季的相关系数分别为-0.819,-0.782,-0.787。近36年来,内蒙古地区最大土壤冻结深度呈现明显的下降趋势。与之对应,内蒙古地区的平均温度呈上升趋势。这些结论表明,土壤冻结深度与气候变化密切相关。尤其是部分生态脆弱的多年冻土区,微小的气候变化可能就会导致较大影响。进一步证明了深入研究土壤冻结融化时空变化的必要性。
  (2)将双向Stefan方法与垂直一维土壤热扩散方程耦合,并进行了一系列敏感性试验以及青藏高原D66观测站点的试验验证。结果表明,新模型可以稳定、准确地模拟出冻融界面的动态变化。与此同时,新模型还能够提高土壤温度的模拟能力。这是因为在耦合过程中,将冻融界面位置视为0℃等温线深度,从而更新了土壤温度垂直廓线分布。陆面过程模式CLM4.5同样适用热扩散方程模拟具有垂直分层的土壤温度,因此,上述试验结果为接下来在CLM4.5中耦合包含冻融界面的新冻土参数化方案提供了理论依据。
  (3)利用双向Stefan冻融界面模拟方法,结合CLM4.5自身的算法过程,发展得到了考虑冻融界面变化的陆面过程模式CLM4.5_FTF。为了评估新模式的模拟能力,我们在多年冻土区D66站点、季节性冻土区葫芦沟站点进行了日尺度上的模拟验证。同时,在年际尺度上对北半球高纬度多年冻土区活动层进行了模拟,并模拟了中国区域不同冻土类型的分布特征。所得结果同样与观测数据相一致。这证明了新发展模型的合理性和有效性。在此基础上,我们运用该模型模拟1970-2010年全球冻土的空间分布和变化趋势。结果表明,在全球气候变暖的大背景下,多年冻土区活动层厚度逐渐加深,季节性冻土最大冻结深度除黑海、里海周边区域基本呈下降趋势。进一步的研究结果表明,是由于该地区大气强迫数据的冬季空气温度的下降导致了冻结深度的加深,模拟结果是合理的。
  (4)我们将POD降阶方法与包含沉积物浓度的二维浅水方程经典有限差分格式、Maxwell方程的经典FDTD格式相结合,分别构建了新的降阶外推差分模型。针对现有POD降阶模型通常存在的重复计算的问题,本研究使用初始很小时段的结果计算POD基,以此构建降阶模型再进行外推模拟。研究证明了新发展的两个POD降阶差分模型数值结果的误差估计,以此为根据确定选取POD基的个数以及是否更换POD基。对于每个新模型,通过两个数值算例试验,我们证明了POD降阶外推差分模型在解决包含沉积物浓度的浅水方程问题、以及Maxwell方程都是非常有效的。
[硕士论文] 韩春凤
地理学;地图学与地理信息系统 南京师范大学 2017(学位年度)
摘要:近百年来,全球变暖对亚洲季风的影响广受科学界关注,人类活动在其中的作用也饱受争议。要认识人类活动对气候变化的影响,需要将现代气候变化放到历史气候变化的背景中,而过去2000年便是历史气候研究中的一个重要时段。本文利用通用地球系统模式CESM进行的多个长积分模拟试验资料,探讨了过去1500年亚洲季风气候对主要外强迫因子的响应,分析了亚洲季风区夏季降水、冬季温度百年尺度的时空变化特征及其影响因子。
  为验证模式对亚洲季风气候的模拟能力,首先将全强迫试验结果分别与观测/再分析资料、CMIP5模式模拟资料及重建资料进行对比。结果表明,模式对亚洲季风区现代气候场的空间分布及历史时期亚洲区域温度变化的模拟都是合理的,模拟结果能够用于本文的研究。
  通过多个单因子敏感性试验与控制试验结果的对比,探讨了亚洲季风区冬、夏季气候对外强迫因子的响应,发现过去1500年在百年尺度上:太阳辐射和火山活动是调制亚洲季风区夏季降水的主要因子,太阳辐射增强(减弱)时期,降水均有一定程度的增多(减少),而在火山活动的活跃期,降水均相应地减少;温室气体和土地利用/覆盖对亚洲季风区夏季降水也有一定的调制作用,温室气体浓度的增加会使得降水有一定程度的增加,土地利用/覆盖的变化对降水百年际变化周期有一定的影响;亚洲季风区冬季温度对太阳辐射、火山活动和温室气体的响应均较大,而对土地利用/覆盖的响应较小;太阳辐射作用下冬季温度变化与太阳辐射变化非常一致,太阳辐射增强使得整个亚洲季风区冬季一致增温,而火山爆发会使得整个亚洲季风区冬季一致变冷;冬季温度变化也与温室气体浓度的变化密切相关,温室气体浓度增加温度上升;土地利用/覆盖的调制作用相对较弱。
  过去1500年亚洲季风区及其子区夏季降水和温度基本同相变化。亚洲季风区夏季降水变化存在准100年、准150年和准200年的百年际周期,其中准100年周期受到了四个外强迫因子的共同影响,准150年周期主要与气候系统内部变率有关,而准200年周期主要受火山活动的影响。亚洲季风区夏季降水第一模态呈阿拉伯海东部、印度半岛南端和华北平原及其以东同纬地区与其他地方反相的分布型态,该模态主要与气候系统内部变率和火山活动有关;第二模态在100°E以东由北向南呈“负-正-负-正”的条带状分布,在100°E以西的印度季风区呈西南-东北向的“负-正-负”分布,该模态主要受太阳辐射和气候系统内部变率的影响。
  亚洲季风区及其子区过去1500年的冬季温度在百年尺度上的波动变化非常一致,均存在准100年、准150年和准200年的百年际周期。亚洲季风区冬季温度序列准100年周期和准200年周期主要受气候系统内部变率的影响,准150年周期与太阳辐射和土地利用/覆盖有关。亚洲季风区冬季温度在百年尺度上的第一模态呈全区一致的分布,第二模态呈南北反相分布,其中第一模态的空间分布型主要受太阳辐射和温室气体的影响。三个子区冬季温度的第一模态也均为全区一致分布,对应的时间序列与相应的区域平均温度序列波动变化基本一致。
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