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菱盗郭
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2 CHINESE SCIENCE BULLETIN (KEXUE TONGBAO) 2014 年 9 月, 第 59 卷, 第 25 期 : 石墨烯在微纳电子能源材料等领域具有广阔的应用前景, 研究其瞬态导热特性对于解决高集成度电子器件的热管理提高其可靠性和寿命十分重要. 清华大学曹炳阳教授课题组采用分子动力学方法模拟了持续时间为 1 ps 的热脉冲在石墨烯中的传播过程, 发现热脉冲在石墨烯中激发出两道以不同速度传递的波, 一道波具有宏观动量, 传播速度等于声速, 是系统受热膨胀形成的声波 ( 第一声 ); 另一道波无宏观动量, 传播速度约为声速的 1/ 3, 是晶格无规则振动形成的热波 ( 第二声 ). 研究还揭示了热脉冲能量在石墨烯中的输运机制为弹道 - 扩散输运, 其中热波波峰的能量传递为弹道输运, 高温扩散区和热波衰减部分的能量传递则为扩散输运. 封面所示温度云图呈现了热脉冲在石墨烯中的传播过程, 等温线显示出的两个独立的温度 ( 能量 ) 峰分别对应热脉冲激发的声波和热波. 详见姚文俊等人文 (p2528). 科学通报编辑部 : 北京市东城区东黄城根北街 16 号中国科学杂志社 : : csb.scichina.com csb@scichina.org 主任安瑞 anrui@scichina.org ( 兼生命科学与医学编辑 ) 副主任张莉 zhangli@scichina.org ( 兼地球科学编辑 ) 责任编辑王元火 wyh@scichina.org ( 生命科学与医学 ) 王晶 wangj@scichina.org ( 物理学力学天文学工程科学 ) 智欣 zhixin@scichina.org ( 化学 ) 肖鸣 xiaoming@scichina.org ( 材料科学 ) 本期责任编辑王晶生产编辑程剑侠封面设计胡煜广告部 : ads@scichina.org 销售市场部 : sales@scichina.org

3 目次链接到网站 2014 年 9 月, 第 59 卷, 第 25 期 CHINESE SCIENCE BULLETIN 2439 高福评述 2440 毕磊, 潘纲,.. p p 李蓉, 朱杰, 黄鑫. 3, 2464 刘明雍, 雷小康, 杨盼盼, 彭星光,.. 论文 2484 吴松, 舒勇华, 李进平, 俞鸿儒 p p2490, R0.5 mm, 李星星, 黄在银, 钟莲云, 王腾辉, 谭学才,,, 杨林, 陈建军, 顾佳俊, 张荻,,, p p csb.scichina.com

刘景鹏, 陈丽娟, 张培群, 任宏利 1960~2011 518. 2528 姚文俊, 曹炳阳 ( ) ( ),.

4 CHINESE SCIENCE BULLETIN 2014 年 9 月, 第 59 卷, 第 25 期目次 2505 LA-ICP-MS U-Pb 王志强, 陈斌, 马星华,, F p p 李维京, 刘景鹏, 陈丽娟, 张培群, 任宏利 1960~ 姚文俊, 曹炳阳 ( ) ( ),. 科学新闻 p p2520 i csb.scichina.com

5 2014 年第 59 卷第 25 期中国科学杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 主编寄语科学通报自 1950 年创刊, 至今已有 60 余年的历史, 曾报道过我国很多有代表性的成果, 为中国科学与科学期刊的发展发挥了重要作用. 在前任主编夏建白院士指导的编委会和编辑部的共同努力下, 科学通报发展态势良好取得了很大的成绩, 连续两届获得了中国出版政府奖期刊奖中国百强报刊称号等国家级奖项, 受到了广大读者和作者的好评. 作为科学通报新一届的主编, 在此我代表本届编委会向上届编委会和编辑部全体同仁的辛勤付出表示感谢并致以崇高的敬意, 同时也感谢为科学通报进步做出贡献的众多作者和广大读者. 新一届的编委会由包括我在内的 116 位中青年科学家组成, 其中有两院院士 20 人, 其余均为杰青 ( 优青 ) 千人计划百人计划入选者和重要学科带头人, 具有较好的学术权威性和工作活力. 我们将继承优良传统认真工作, 努力推动科学通报中文版的进步与发展. 在国家目前科研评价体系的影响下, 科学通报中文版的压力很大, 稿源是主要问题. 但一定要化压力为动力, 办好这个期刊. 目前学术界对中文期刊不够重视, 但这也是个契机. 由于期刊是为科学家办的, 科学家既是作者又是读者, 是科研人员交流学术与思想的平台, 所以我们要和广大科研人员一起办好这个刊物. 希望科学通报办出刊物自身特色, 吸引更优秀的稿源. 具有丰富栏目的期刊, 会引起读者极大的兴趣. 科学通报已调整了原来的栏目设置, 增加了科学新闻社论观点等栏目, 鼓励用中文简述国际上研究的最新成果, 鼓励针对国内外热点重点问题进行科学讨论, 鼓励评论科技政策等方面的时间短速度快的文章. 希望通过这项调整能够充分发挥科学通报多栏目优势, 办出特色, 把她发展为国际科学研究的展台. 为增强刊物的竞争力, 我们会继续加快稿件的处理速度, 缩短论文发表的平均周期 ; 鼓励优秀科研工作者将最新研究成果投向科学通报, 提高论文的学术质量. 科学通报编辑部今后也将向广大读者作者提供更优质的出版服务, 做好每一个细节工作. 我们的目标是让科学通报中文版真正成为学术交流的平台读者知识的源泉向世界展示的窗口中文期刊的旗帜, 希望广大科学家能一如既往地关心和支持科学通报的发展, 欢迎您对我们的工作提出意见和建议. 科学通报主编 2014 年 8 月 csb.scichina.com 2439

6 论文 2014 年第 59 卷第 25 期 :2520 ~ csb.scichina.com 中国科学杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 中国月平均气温可预报性的时空特征及其年代际变化李维京 12*, 刘景鹏 12, 陈丽娟 2, 张培群 2 2, 任宏利 1 中国气象科学研究院, 北京 ; 2 国家气候中心, 中国气象局气候研究开放实验室, 北京 * 联系人, liwj@cma.gov.cn 收稿, 接受, 网络版发表国家重点基础研究发展计划 (2013CB430203) 公益类行业( 气象 ) 专项 (GYHY ) 和国家科技支撑计划 (2009BAC51B05) 资助摘要利用中国 1960~2011 年资料比较完整的 518 站逐日气温观测资料, 采用非线性局部 Lyapunov 指数 (NLLE) 和非线性误差增长理论, 定量分析了中国区域月时间尺度平均气温可预报性期限 (MTPL) 的时空分布和年代际变化特征. 分析发现 : 多年平均的 MTPL 空间分布存在明显的地域差异, 总体来看, 东北大部云南西南部和西北地区东部为可预报性高值区, 长江中下游地区及黄淮流域为可预报性低值区 ; MTPL 在各月份的空间分布存在明显的季节变化, 总体上表现为冬半年可预报性较低, 而夏半年较高 ; MTPL 还具有明显的年代际变化特征, 就全国而言, 从 1970 年以来, MTPL 具有上升的趋势, 在 2000 年前后出现下降的趋势, 尤其是东北地区在 1986 年之后可预报性显著提高. 西北黄淮东北 MTPL 的年代际变化可能与气温的持续性有关. 进入 21 世纪, 除南方地区外, 大部分地区的 MTPL 有降低趋势. 上述结果为进一步认识我国月尺度气温异常的机理奠定科学基础, 并为提高月尺度气温预测能力提供参考. 关键词月平均气温可预报性时空分布特征年代际变化非线性局部 Lyapunov 指数我国地域辽阔地形复杂, 月平均气温的时空变率很大, 而气温是气候系统最显著的特征量之一, 又是短期气候预测的主要预报对象, 因此开展对月平均气温可预报性的研究, 清楚地认识我国哪些区域月平均气温具有较高的可预报性, 哪些区域的可预报性较低, 对于认识影响月尺度气温异常的机理以及提高预测能力具有重要的科学意义和应用价值. 另外, 在全球气候变暖的背景下, 极端天气和气候事件频发 [1,2], 给短期气候预测的基础理论研究和业务带来了更大挑战. 在全球变暖的背景下, 大气内部动力过程和外强迫因子表现出不同的年代际变化特征 [3]. 月时间尺度平均气温的可预报性受这两种因素的影响, 是否发生了年代际变化, 也是国内外科学家关注的重点 [4,5] [4]. 王会军等人指出, 中国区域月尺度气温的持续性预报技巧在 1982~2005 年间有一定 [5] 的提升. Kang 等人指出, 全球地表气温潜在可预报性在 1914~1943 年为低值期, 而在 1968~1997 年为高值期. 如何定量描述中国月时间尺度平均气温的可预报性的年代际变化特征, 目前的研究工作还很少. 常用于研究可预报性有定性和定量方法 [6]. 定性方法一般是基于估计外部信号和系统内部噪音的相对大小 [7~9], 不能给出气候变量确切的可预报性时效. 定量方法主要有经验方法动力学方法和动力学 - 经验方法. 其中的动力学方法是定量估计可预报性期限研究中使用最多和最有效的方法, 这种方法又有 [10~12] 两大分支 : 利用数值模式进行数值试验和利用 [13~16] 非线性动力系统理论的方法. 而数值模式的缺 [17] 陷使得其无法刻画实际大气, 因此利用非线性动力系统理论的方法既可以定量地给出可预报性的估计 [18,19], 弥补了定性分析的不足, 又避免了模式大气引用格式 : 李维京, 刘景鹏, 陈丽娟, 等. 中国月平均气温可预报性的时空特征及其年代际变化. 科学通报, 2014, 59: 英文版见 : Li W J, Liu J P, Chen L J, et al. Spatiotemporal distribution and decadal change of the monthly temperature predictability limit in China. Chin Sci Bull, 2014, 59, doi: /s

7 论文和实际大气差异造成的误差问题. Lorenz [11] 从 Lyapunov 稳定性理论和误差增长的观点出发, 提出将误差倍增的时间作为可预报性的期限. Ding 和 Li [19,20] 提出的非线性局部 Lyapunov 指数 (NLLE) 进一步发展了 Lyapunov 稳定性理论. NLLE 已经广泛用于 [18~21] 研究天气尺度可预报性及短期气候可预报性 [22]. 然而, 已有的可预报性研究变量一般是基于格点的对流层中高层变量. 但是, 由于受资料理论和方法所限, 对于我国地表气候变量的可预报性的定量研究较少, 到目前还不能定量地给出我国月尺度气候 ( 温度和降水 ) 可预报性的时空变化特征. 由于我国地形复杂, 并且是显著的季风气候区, 因此地表变量的可预报性可能与全球其他同纬度地区有较大的差异. 本文拟采用 NLLE 方法并利用逐日站点观测资料来研究我国月尺度平均气温可预报性的时空分布及年代际变化问题. 而这些逐日站点观测资料实际上包含了各种外强迫缓慢变化的影响和大气内部各种过程相互影响结果的所有信息, 因此基于观测资料的可预报性分析实际上包含了依赖于初值条件的动力学可预报性和外强迫下的可预报性两类问题 [22]. 本文采用更密集更完整的台站逐日气温观测资料, 基于非线性局部 Lyapunov 指数 (NLLE) 方法, 通过合理处理观测资料, 定量研究月尺度平均气温的可预报性期限, 获得可预报性的时空分布和年代际变化特征. 目的是力求回答 2 个问题 : 全国月尺度平均气温在哪些区域什么月份多大程度上可以预报? 不同地区气温的可预报性是否发生了年代际的变化? 1 数据和方法本文使用的资料有 : 中国区域 1960~2011 年 518 个台站的日平均气温资料, 该资料经过质量控制 ( 连续缺测不超过 5 d, 总缺测不超过 60 d, 缺测数据用 1960~2011 年计算得到的平均态补齐 ). 这 518 站的日平均气温资料的空间分布密度以及资料序列的长度较以往的研究都要丰富 [23,24], 一定程度上保证了计算结果的时空代表性 [25] ; NCEP/NCAR 提供的 1960~ 2011 年 850 hpa 逐日 4 次气温场, 水平分辨率为经纬度 ; 国家气候中心提供的 160 站 1983~2012 年的月平均温度及月动力延伸预报的月平均温度资料 [26], 分别取 1983~2012 年 30 年月平均气温值作为气候场, 得到各月份月动力延伸预报和观测的月平均温度距平值. 为了更好地研究月尺度气温的可预报性问题, 对逐日气温资料做了如下处理 : 首先, 去除了站点气温观测资料的线性趋势项和季节循环 ( 采用 1960~ 2011 年资料计算得到逐日气温平均值 ); 其次, 对逐日观测资料序列进行 31 d 的滑动平均处理, 滤去序列的高频部分, 获得月时间尺度的资料序列 ; 最后, 对月时间尺度的资料序列做标准化处理. 基于非线性局部 Lyapunov 指数 (NLLE) [21] 和非 [27,28] 线性误差增长理论计算地面气温月时间尺度可预报性. 对于变量 x, 定义非线性局部 Lyapunov 指数 (NLLE) 为 1 ( t0 ) ( xt ( 0), ( t0), ) ln, (1) ( t0) x(t 0 ) 为相空间中参考轨道的初始状态, 这里指站点气温观测序列中 t 0 时刻的月时间尺度平均气温 ; δ(t 0 ) 为初始误差, 是通过在气温观测序列中寻找与 t 0 时刻气温未来演变局部动力相似的时刻 t [21], 则 t 时刻气温与 t 0 时刻气温的差值即为初始误差 ; τ 为演变时间, 这里指对 t 0 时刻月时间尺度平均气温的演变时长. λ>0 表示临近初始轨道间的距离随时间增长, 它们之间的相关性随时间减弱 ; 指数值越大表示误差发展越快. 平均的误差相对增长率 E( ( t 0), ) 可以通过平均的非线性局部 Lyapunov 指数 ( ( t 0 ), ) 获得, 即 E( ( t0), ) exp( ( ( t 0), ) ). (2) [27] 利用丁瑞强和李建平提出的非线性误差增长理论, 可得 E( ( t0 ), ) P c ( N ), (3) 即当样本数 N 趋于无穷多时, E( ( t 0), ) 趋于其理论饱和值 c. 误差增长达到饱和, 意味着系统的初始相似信息全部丢失, 预测失去意义. 因此利用这个饱和值, 能够定量地确定混沌系统的可预报期限. 可以将平均的误差相对增长率达到理论饱和值的 99% 时所对应的演变时间 t 作为该站点月尺度气温可预报性期限 (monthly temperature predictability limit, MTPL), 即 MTPL= te( ( t), ) 0.99 c. (4) 采用局部动力类比的思想, 可以实现用 NLLE 计算月时间尺度平均气温可预报性期限的目的 [21]. 若采用 (2) 式计算全序列平均误差相对增长率, 可得到全年平均的 MTPL, 若采用 (2) 式计算各月份平均的误差相对增长率, 可相应得到各月份平均的 MTPL. MTPL 本质上是一个动力统计量, 它的物理含义是 :

8 2014 年 9 月第 59 卷第 25 期在月时间尺度条件下, 初始动力相似的两种状态, 在 (MTPL)的空间分布. 12 月(图 2(a))西南和华北部分地多长时间后变的完全不具有相似性, 这个时间期限区的 MTPL 达 40~50 d, 其余大部地区的 MTPL 一般即为 MTPL. 它表示在动力学意义下, 可以提前多少在 30~40 d, 1 月和 2 月(图 2(b), (c))全国大部地区的天对月尺度气温进行预测. 通过计算各站点的 MTPL, MTPL 一般在 20~30 d, 3~4 月份(图 2(d), (e))除东北东即可获得其空间分布特征. 部西南局部江南东部的 MTPL 在 30~40 d 外, 全 2 国其余地区的 MTPL 均在 20~30 d. 5 月份(图 2(f)), 全月时间尺度平均气温可预报性的空间分布国的 MTPL 有所提高, 新疆北部西北南部的 MTPL 根据前述资料处理方法, 用(2)式计算了全序列在 40~50 d, 其余大部分地区的 MTPL 在 25~35 d. 6 平均误差相对增长率后, 由(3)~(4)式得到的全年平月份(图 2(g)), 新疆大部华北西部西南东部华均的月尺度平均气温可预报性的空间分布(图 1(a)). 南西部的 MTPL 可达 40~50 d, 其余大部地区的从图 1(a)可见, 在东北大部华北北部云南地区 MTPL 一般在 25~40 d. 7~8 月(图 2(h), (i)), MTPL 的青藏高原以及西北大部分地区均为 MTPL 的高值区, 空间分布特征十分相似, 长江中下游新疆南部的可预报性期限一般在 30 d 以上; 而在黄淮流域江淮 MTPL 较低, 一般为 25~35 d, 全国其余大部分地区地区江南地区, 均为 MTPL 低值区, 可预报性期限的 MTPL 一般在 45~60 d, 西南局部地区可达 60~70 d, 一般在 30 d 左右. 这表明就全年平均而言, 我国北方这里长江中下游地区的 MTPL 低值区与东亚夏季风以及西部地区月尺度平均气温可预报性较高, 而黄及雨带的活跃区相对应 [29]. 秋季 ( 图 2(j)~(l)) 全国淮以南大部地区可预报性较低. 为进一步验证采用 MTPL 趋向减小, 9 月份 (图 2(j)), 除长江中上游地面站点数据计算全年平均的 MTPL 的可靠性, 另 MTPL 值在 30~40 d 外, 其余大部地区在 50~60 d. 10 外采用 NCEP 提供的 850 hpa 一日 4 次的气温再分析月(图 2(k))西北南部东北南部及南部沿海的 MTPL 格点资料计算了全年平均的 MTPL(图 1(b)). 由于一般在 40~50 d, 全国其余大部地区在 30~45 d. 11 月 850 hpa 气温和地面气温的变化具有较高的一致性, (图 2(l)), 除西南大部华南西部 MTPL 达到 40~50 d, 由其计算得到的 MTPL 的空间分布理论上应与采用全国其余地区均在 30~40 d. 地面观测资料计算的 MTPL 的空间分布大致相同. 综上所述, 我国月尺度平均气温可预报性 MTPL 而图 1(b)的 MTPL 的空间分布特征与图 1(a)的空间分在 12 月到次年 5 月的冬半年(图 2(a)~(f))都比较低, 布十分相似, 主要在西北大部及云贵地区可预报性而在 6~11 月的夏半年(图 2(g)~(l))比较高. 这个结论有所提高. 表明本文选用地面气温站点资料分析同李建平和丁瑞强 [22]分析全球 500 hpa 高度场和温 MTPL 的时空分布特征具有代表性, 同时也表明某些度场得出的可预报性冬季略高于夏季的结论有所不地区高层温度变量的可预报性比低层温度的高. 图 2 给出 1~12 月的月尺度平均温度可预报性图1 同. 其主要原因可能是我国为著名的季风气候国家, 冬春季节我国主要受冬季风影响, 中高纬度大气环月尺度平均气温可预报性的空间分布 (a)和(b)分别为地面气温和 850 hpa 气温计算结果 2522

9 论文图2 各月份月尺度平均气温可预报性 MTPL 分布图 (a)~(c)为 12 月 1 月 2 月; (d)~(f)为 3~5 月; (g)~(i)为 6~8 月; (j)~(l)为 9~11 月流异常的影响显著, 而中高纬度冷空气影响频繁变夏季海温土壤湿度等下边界强迫作用比较强, 而大率大, 加之我国地形复杂, 使得我国的地表气温有比气内部动力过程的作用比较弱, 气温季节内变率较, 并且在全球变暖背景下, 东小 [23], 便导致了夏季气温 MTPL 比较高的值, 与本文亚中高纬度冬季的极端天气事件发生频率增多, 强结论是一致的. 中国气温与全球同纬度其他地区气较大的季节内变率 [23] 度增大, 也同样导致气温的季节内变率加大 [30], 从而降低了冬春季气温的 MTPL. 而夏秋季, 我国主要温可预报性的差异也表现出我国气温可预报性分布的复杂性. 受东亚夏季风的影响, 受热带海洋和副热带大气环为了进一步说明中国区域气温潜在可预报性在流异常影响显著, 热带和副热带系统相对于中高纬夏季较高和冬季较低以及 MTPL 的空间分布的合理度系统变率小, 因此夏秋季气温的 MTPL 比冬春季性, 采用国家气候中心提供的第一代气候模式对节明显偏高. Yang 等人 [31] 通过模式模拟分析得到的 1983~2012 年的月动力延伸预测结果, 计算了全国 1 全球 850 hpa 气温的季节潜在可预报性也表明, 中国月和 7 月 160 站月平均气温距平预报准确率. 计算方区域气温潜在可预报性在夏季较高, 冬季较低. 认为法如下: 利用 1983~2012 年全国 160 站月动力延伸预 2523

10 2014 年 9 月第 59 卷第 25 期测温度和观测温度的距平场, 若某站在 30 年(n 年)内疆南部河套华北大部及东北北部和南部 MTPL 预报值和观测值的符号一致的年份数为 m, 则该站较气候值(1965~2006 年平均)降低约 2 d, 黄淮及其以点的月动力延伸预报准确率为南地区的 MTPL 升高约 2 d 以上; 20 世纪 70 年代, 东北华北大部西北南部的 MTPL 减少约 2 d, 而全 m 100%. (5) n 利用(5)式分别计算了月动力延伸预报对 1 月(图年代, 东北江南东部西藏东部的 MTPL 降低约 3(a))和 7 月(图 3(b))平均气温的预报准确率的空间分 2 d, 而全国其余大部地区的 MTPL 升高约 2~4 d; 20 布(计算时段为 1983~2012 年). 由图 3 可知, 7 月份的世纪 90 年代, 我国中西部大部地区的 MTPL 降低约月动力延伸预报准确率要明显高于 1 月份, 这与 7 月 2 d, 而北方和东部大部地区 MTPL 升高约 2~4 d, 其 Ps 国其余大部地区的 MTPL 增加约 2~4 d; 20 世纪 80 MTPL(图 2(h))明显高于 1 月 MTPL(图 2(b))很一致. 中东北局部地区 MTPL 升高达 4~6 d; 2000 年以后, 并且 Ps(prediction score)与 MTPL 在 1(7)月的空间分我国西部大部地区的 MTPL 降低约 2 d, 其中新疆南布型也较为一致. 表明可预报性较低(高)的月份, 月部降低 2~4 d, 而全国其余大部地区的 MTPL 升高约动力延伸预报准确率也较低(高). 2 d, 其中东北部分地区升高约 4~6 d. 3 不同区域月尺度平均气温可预报性的年整体而言, 东北地区在 20 世纪 90 年代之后 MTPL 有明显的提高, 而全国其余地区的 MTPL 的年代际变化代际变化比较复杂. Ding 等人 [32] 对各层位势高度的为得到月尺度平均气温可预报性期限的年代际天气尺度可预报性的年代际变化的分析发现, 变化特征, 需要滤去年代际以下时间尺度的变率信 1953~2000 年间, 天气尺度可预报性在欧亚大陆的中息. 取 11 年的滑动窗口 [32], 采用(2)~(4)式计算窗口高纬度地区有明显的下降趋势. 而中国区域 MTPL 呈区平均的 MTPL, 将其作为窗口区中间年份的 MTPL. 现出更加复杂的年代际变化特征, 值得进一步分析. 当窗口遍历整个观测序列, 就得到了该站点 MTPL 为了更好地分析不同区域 MTPL 的年代际变化的年代际变化曲线. 由于滑动窗口取为 11 年, 因此特征, 将全国划分为 5 个子区域(图 5), 分别计算各年代际变化曲线范围为 1965~2006 年. 图 4(a)~(e)为区域平均的 MTPL, 获得每个区域 MTPL 的年代际变地面气温各个年代相对 1965~2006 年平均的 MTPL 化曲线(图 6 中实线). 距平值的空间分布, 图 4(f)为采用 1965~2006 年序列分别为西北区(Ⅰ区, 73 ~105 E, 34 ~50 N) 西时段计算得到的气候月尺度平均气温可预报性的空南区 ( Ⅱ 区, 79 ~105 E, 21 ~34 N) 东北区 ( Ⅲ 区, 间分布. 105 ~135 E, 38 ~54 N) 黄淮区(Ⅳ区, 105 ~123 E, 由图 4(f)可知, 1965~2006 年这段时间, 平均来 31 ~38 N) 南方区(Ⅴ区, 105 ~123 E, 18 ~31 N) 讲我国北方以及西部地区 MTPL 较高, 而黄淮以南图 6 表明不同区域月尺度平均气温可预报性大部地区 MTPL 较低. 而在不同年代, 不同区域的 MTPL 具有不同的年代际变化特征. 我国西北地区的 MTPL 有显著变化. 图 4(a)显示, 20 世纪 60 年代, 新 MTPL(Ⅰ区, 图 6(a))在 20 世纪 60 年代中期开始下降, (a) 图 (b) 月动力延伸预报对 1 月(a)和 7 月(b)平均气温的预报准确率(Ps)的空间分布

11 论文 55 N 45 N 35 N 25 N 15 N 55 N 45 N 35 N 25 N 15 N 图4 不同年代((a)~(e))MTPL 距平的空间分布以及气候平均值(f) 左边色标代表各个年代距平值, 右边色标代表 1965~2006 年气候平均值地区(Ⅲ区, 图 6(c))MTPL 的年代际变化尤其明显, 在 80 年代以来 MTPL 持续上升, 而 2000 年之后, 明显下降; 经过滑动 t 检验和 M-K 检验的气候突变检验分析, 均发现东北地区的 MTPL 在 1986 年出现气候突变(通过 0.01 的信度检验). 南方区(Ⅴ区, 图 6(e)) 的 MTPL 在 80 年代初期开始下降, 到 90 年代中期开始上升, 目前处于可预报性增大的阶段. 就全国平均而言(图 6(f)), 从 70 年代以来, MTPL 总体具有上升的年代际变化趋势, 在 2000 年前后出现下降的趋势. 图5 分析年代际变化采用的 5 个子区域示意图为了进一步分析本文计算的不同区域 MTPL 年代际变化特征的可能原因, 又计算了各个区域的月到 70 年代中期缓慢回升, 80 年代初期之后持续下降, 尺度气温持续性预报准确率的年代际变化(图 6 中虚 20 世纪末之后缓慢回升. 我国西南(Ⅱ区, 图 6(b))和线)进行对比. 具体计算过程如下: 利用全国 1960~ 黄淮地区(Ⅳ区, 图 6(d))的 MTPL 在 1980 年以来 MTPL 有缓慢下降的变化趋势, 但变化不显著. 东北 2011 年中国区域 518 站的逐日平均气温, 去掉趋势项后求出月平均气温距平序列, 将本月的气温距平 2525

12 2014 年 9 月第 59 卷第 25 期年份年份图 6 各区平均的 MTPL( 实线 ) 及持续性预报准确率 ( 虚线 ) 的年代际变化曲线图 (a)~(e) 分别为 Ⅰ~Ⅴ 区, (f) 为全国, MTPL 做了 9 点平滑, 持续性预报准确率做了 11 年平滑作为下个月的气温距平预报值, 若区域内预报值和实测值的符号一致的站点数为 M, 区域内总的站点数为 N, 则该月份的持续性预报准确率为 M Ps 100%, (6) N 进而可得到 1965~2006 年月平均气温持续性预报准确率的年代际变化曲线. 比较图 6 中的实线和虚线可以看出, 西北区和黄淮区 ( 图 6(a), (d)) 气温持续性预报准确率的年代际变化与 MTPL 的年代际变化呈现较一致的变化趋势 ; 东北区 ( 图 6(c)) 在 20 世纪 80 年代之后两者的变化趋势比较一致 ; 西南区 ( 图 6(b)) 在 20 世纪 80~90 年代比较一致, 而其余时段差异较大 ; 南方区 ( 图 6(e)) 预报准确率的年代际变化与 MTPL 的年代际变化几乎相反. 可见, 有的区域的 MTPL 的年代际变化与气温持续性的变化趋势是一致的, 而有的区域 MTPL 的年代际变化原因比较复杂. 从图 6 还可以看出, 目前 5 个区域中除去南方区 ( 图 6(e)) 外, 其余区域的 MTPL 和月尺度气温持续性预报准确率在进入 21 世纪以后均有不同程度的下降. 4 结论本文利用我国 1960~2011 年较为密集和完整的 518 个站点逐日气温观测资料, 采用非线性局部 Lyapunov 指数和非线性误差增长理论, 探讨了月尺度平均气温的可预报性, 主要结论如下. (1) 总体平均而言, 我国北方以及西部地区月尺度平均气温可预报性较高, 而黄淮以南大部地区可预报性较低, 具体到各月还有明显的空间差异. (2) 我国月尺度平均气温可预报性在 12 月到次年 5 月的冬半年相对较低, 而在 6~11 月的夏半年比较高. 这可能与我国的季风气候以及造成冬季风变率和夏季风变率的大尺度环流特征的差异有密切关系. (3) 从全国平均来看, 20 世纪 70 年代以来, 月尺度平均气温可预报性总体具有上升的年代际变化趋势, 在 2000 年前后出现下降的趋势. 但是不同区域月尺度平均气温可预报性具有不同的年代际变化特征, 特别是我国东北西北和华南地区具有比较显著的年代际变化. 西北黄淮东北的可预报性的年代际变化可能与气温的持续性有关. 进入 21 世纪, 除了华南区域外, 全国大部分地区月尺度平均气温可预报性有下降的趋势. 上述结果仅仅是对月尺度平均气温可预报性的初步认识, 初步了解中国哪些区域的气温具有较高的可预报性, 哪些区域气温的可预报性较低, 从而为气候预测提供一定的科学参考. 对于影响我国不同 2526

13 论文区域月尺度平均气温可预报性的原因及其物理机制还需要进一步研究. 本研究主要依据数据自身的演变规律, 来定量化讨论气温预测的可预报性. 因此, 数据资料的处理方式, 如去掉线性趋势和 31 d 滑动平均等, 很可能会对计算结果产生一定的影响, 这个问题将另文进行详细分析. 参考文献 1 Zhai P, Pan X. Trends in temperature extremes during in China. Geophys Res Lett, 2003, 30: Schär C, Vidale P L, Lüthi D, et al. The role of increasing temperature variability in European summer heatwaves. Nature, 2004, 427: 杨柳妮, 武炳义. 东亚冬季气温的年代际变化及其可能成因分析. 科学通报, 2013, 58: 王会军, 陈丽娟, 李维京, 等. 中国区域月平均温度和降水的模式可预报性分析. 气象学报, 2007, 65: Kang I-S, Jin E K, An K-H. Secular increase of seasonal predictability for the 20th century. Geophys Res Lett, 2006, 33: L02703, doi: /2005GL 李建平, 丁瑞强, 陈宝花. 大气可预报性研究的回顾与展望. 见 : 国家自然科学基金委员会地球科学部, 中国科学院资源环境科学与技术局, 中国气象局科技发展司, 等, 编. 21 世纪初大气科学前沿与展望第四次全国大气科学前沿学科研讨会论文集. 北京 : 气象出版社, Madden R A. Estimates of the natural variability of time-averaged sea-level pressure. Mon Weather Rev, 1976, 104: Shukla J, Gutzler D S. Interannual variability and predictability of 500 mb geopotential heights over the northern hemisphere. Mon Weather Rev, 1983, 111: Ying K R, Zheng X G, Quan X W, et al. Predictable signals of seasonal precipitation in the Yangtze-Huaihe river valley. Int J Climatol, 2013, 33: Thompson P D. Uncertainty of initial state as a factor in the predictability of large-scale atmospheric flow patterns. Tellus, 1957, 9: Lorenz E N. A study of the predictability of a 28-variable atmospheric model. Tellus, 1965, 17: Lorenz E N. Atmospheric predictability experiments with a large numerical model. Tellus, 1982, 34: 穆穆, 段晚锁. ENSO 可预报性研究的一个新方法 : 条件非线性最优扰动. 科学通报, 2003, 48: 穆穆, 段晚锁. 条件非线性最优扰动及其在天气和气候可预报性研究中的应用. 科学通报, 2005, 50: Mu M, Duan W S, Wang J C. The predictability problems in numerical weather and climate prediction. Adv Atmos Sci, 2002, 19: Mu M, Duan W S, Chou J F. Recent advances in predictability studies in China ( ). Adv Atmos Sci, 2004, 21: 郑飞, 王慧, 朱江. 初始误差和模式误差对 ENSO 集合预报的影响. 科学通报, 2009, 54: 陈宝花, 李建平, 丁瑞强. 非线性局部 Lyapunov 指数与大气可预报性研究. 中国科学 D 辑 : 地球科学, 2006, 36: Ding R Q, Li J P. Nonlinear finite-time Lyapunov exponent and predictability. Phys Lett A, 2007, 364: 丁瑞强, 李建平. 天气可预报性的时空分布. 气象学报, 2009, 67: Li J P, Ding R Q. Temporal-spatial distribution of atmospheric predictability limit by local dynamical analogs. Mon Weather Rev, 2011, 139: 李建平, 丁瑞强. 短期气候可预报期限的时空分布. 大气科学, 2008, 32: 乐群, 曹俊武. 中国月平均温度的气候噪声和潜在可预报性. 气象学报, 1999, 57: 赵晓川. 中国月季平均温度和降水量的潜在可预报性估计. 硕士学位论文. 南京 : 南京信息工程大学, 唐国利, 丁一汇, 王绍武, 等. 中国近百年温度曲线的对比分析. 气候变化研究进展, 2009, 5: 李维京, 张培群, 李清泉, 等. 动力气候模式预测系统业务化及其应用. 应用气象学报, 2005, 16: 丁瑞强, 李建平. 误差非线性的增长理论及可预报性研究. 大气科学, 2007, 31: 丁瑞强, 李建平. 非线性误差增长理论在大气可预报性中的应用. 气象学报, 2009, 67: Wang B. Rainy season of the Asian-Pacific summer monsoon. J Clim, 2002, 15: Wu B Y, Handorf D, Dethloff K, et al. Winter weather patterns over northern Eurasia and Arctic sea ice loss. Mon Weather Rev, 2013, 141: Yang X Q, Anderson J L, Stern W F. Reproducible forced modes in AGCM ensemble integrations and potential predictability of atmospheric seasonal variations in the extratropics. J Clim, 1998, 11: Ding R Q, Li J P, Ha K J. Trends and interdecadal changes of weather predictability during 1950s 1990s. J Geophys Res, 2008, 113: D24112, doi: /2008JD

14 (Chinese Science Bulletin) (Chinese Science Bulletin) 1950,.,,,. 2010, (2 ).,,. Chinese Science Bulletin SCI, Academic Search Complete, Chemical Abstracts, Current Contents, Environmental Engineering Abstracts, Environmental Sciences and Pollution Management, Inspec, Pollution Abstracts, Water Resources Abstracts, Zoological Record. 1. : (1) :,, ( 6 ). :,, ( 10 ). (2) : ( 4 ). : ( 7 ). (3) :, (2 ). :, (4 ). : ; (3 ). (4) : (1 ). : (2 ). : (Chinese Science Bulletin) (1 ). : (1 ). 2. : csb.scichina.com,.,,. 3., 30.,,. 60,.,.. 4.,, ( ). ( ). 5.. CHINESE SCIENCE BULLETIN 第 59 卷第 25 期 2014 年 9 月 10 日出版 ( 版权所有, 未经许可, 不得转载 ) (100717) 16 (100717) 16 刊号 : ISSN X CN /N 代号 : 国外 TM41 国内邮发每期定价 : 元全年定价 : 元广告经营许可证 : 京东工商广字第 0429 号

南京气象学院学报第卷

南京气象学院学报第卷 Ò Ò 潘敖大孙照渤在对长江中下游夏季降水进行分型的基础上分析了长江流域南北两支雨带与春季太平洋海温的相关关系并采用大气环流模式对前期海温进行了敏感性试验结果表明赤道东太平洋区域的海温异常对两支雨带夏季降水有重要影响海温正异常时南支雨带旱北支雨带不明显海温负异常时南支雨带涝北支雨带旱前期赤道东太平洋海温强迫可以在北半球对流层激发出遥相关波列并影响长江流域南北两支雨带的旱涝分布