一、着眼于中国云、雨全球的特殊性,探索云和降水的特性和演变




  大气中水物质的相变过程受多种因素影响,物理演变过程复杂,观测认识不足,数学表示为突变或不连续,人们对云雨形成和演变规律的掌握程度仍然有限。此类研究始终是气象学的热门研究课题,是提高天气预报和气候模拟的最重要努力方向。中国区域地理地形特别,海陆气相互作用过程复杂,云和降水的演变过程更加复杂,区域差异大。利用不断丰富的观测资料,着眼于中国云、雨过程的区域特点及其在全球的特殊性,开展深入分析和研究,取得了如下科研成果。


(一)揭示了中国独特的云及其辐射强迫特征和云辐射反馈过程



  (1)通过分析卫星全球观测资料,揭示了青藏高原下游的中国东部地区是全球最大的 雨层云分布区,对应的辐射通量资料显示了在该地区大气顶具有全球中低纬度最强的负的短波和净 的云辐射强迫。(2)研究提出了该地区云和地面温度之间存在着显著的云辐射正反馈过程:表面温度升高时,相对湿度降低,且对流层低层的稳定度减小,不利于层云的形成,有利于表面温度进一步升高。(3)研究指出该陆地层云的形成与大洋东岸冷洋面上层云的形成机制不同:后者主要是受稳定层结度主导的热力作用影响,而前者主要受青藏高原对西风气流的阻挡绕流、爬坡和摩擦主导的动力作用影响。(4)揭示了中国东部地区和印度地区云和辐射特征存在明显差的季节差异:两地的最大降水率都发生在夏季,但在印度区域的最大高、中、低云量都发生在夏季,而在中国东部的最大总云量发生在春季,且主要贡献是中低层状云系。

代表性工作:

  • Zhang, Yi, Rucong Yu, J. Li, W. Yuan, M. Zhang, 2013, Dynamic and thermodynamic relations of distinctive stratus clouds on the lee side of the Tibetan Plateau in the cold, J. Climate. (指导研究生完成)

  • Rucong Yu, Bin Wang and Tianjun Zhou, 2004, Climate effects of the deep continental stratus clouds generated by the Tibetan Plateau. J. Climate. 17(13): 2702-2713. [Detailed]

  • Yunying Li, Rucong Yu, Youping Xu, Xuehong Zhang, 2004, Spatial Distribution and Seasonal Variation of Cloud over China Based on ISCCP Data and Surface Observations, J. Meteor. Soc. Japan, 82(2): 761-773. [Detailed] (指导研究生完成)

  • Rucong Yu, Yongqiang Yu and Minghua Zhang, 2001, Comparing Cloud Radiative properties between the Eastern China and the Indian Monsoon Region, Adv. Atmos. Sci., 18(6): 1090-1102. [Detailed]



  • (二)系统分析研究了中国区域降水日变化的区域特征和成因



      (1)综合利用台站和卫星观测资料,分析揭示了我国夏季降水日变化鲜明的区域性特征:华南和东北地区的降水日峰值都集中出现在下午;西南地区多在午夜达到降水峰值;长江中上游地区的降水多出现在清晨;江淮、黄淮地区呈现出清晨、午后双峰并存;青藏高原大部地区是下午和午夜峰值并存。(2)指出了持续和短时降水的云结构特性和降水日峰值发生时间的显著差异:长持续性降水以层状云特性为主,峰值降水时间和降水廓线峰值大多位于午夜后至清晨,并在长江流域表现为自西向东峰值发生时间逐渐滞后的特点;短持续性降水以对流降水为主,降水和降水廓线峰值时间则多出现在下午至午夜前。但在四川盆地和华南部分地区,无论是层状云降水还是对流降水,降水率和降水廓线的峰值时间均分别出现在午夜后和午后。在盆地西部地区,对流降水的降水率峰值时间超前层状云降水约4小时。(3)研究指出了降水日变化存在明显的季节变化,并在东部地区存在季节内演变。暖季午后峰值更为突出,冷季清晨峰值更突出。由于夏季风雨带的季节内北进和南撤,东部降水日变化存在明显的季节内演变:雨带盛行(间歇)期的日降水峰值多发生在清晨(下午)。(4)研究指出了对流层底层环流日变化对长江流域持续性降水日变化峰值自西向东滞后特征的重要影响,并通过系统分析中国区域地面风的日变化区域特征,指出了高山站风场对对流层低层风场日变化有重要的指示意义。(5)综合上述研究和已有的相关研究成果,提出了一个区域尺度的评估数值模式模拟中国降水日变化的指标体系:高原地区降水峰值出现在下午和午夜,中西部地区降水表现为夜间降水峰值,且自西向东峰值位相存在自午夜至清晨的滞后,中东部地区降水量为清晨和午后双峰并存,东海地区降水为显著的清晨峰值,清晨(午后)降水峰值主要来自于层状云(对流)降水的贡献,中西部地区的层状云降水比例明显高于对流降水,东部地区两种云降水的比例相当。

    代表性工作:

  • Rucong Yu, Tianjun Zhou, Anyuan Xiong, Yanjun Zhu and Jiming Li, 2007, Diurnal variations of summer precipitation over contiguous China, Geophys. Res. Lett., Vol. 34, L01704, doi: 10.1029/2006GL028129. [Detailed]

  • Rucong Yu, Youping Xu, Tianjun Zhou and Jian Li, 2007, Relation between rainfall duration and diurnal variation in the warm season precipitation over central eastern China, Geophys. Res. Lett., Vol. 34, L13703, doi: 10.1029/2007GL030315. [Detailed]

  • Rucong Yu, Jian Li and Haoming Chen, 2009, Diurnal variation of surface wind over central eastern China, Climate Dyn., 33(7-8), DOI 10.1007/s00382-008-0478-3, 1089-1097.[Detailed]

  • Rucong Yu, Weihua Yuan, Jian Li and Yunfei Fu, 2010, Diurnal phase of late-night against late-afternoon of stratiform and convective precipitation in summer southern contiguous China, Climate Dyn., 35(4):567, DOI 10.1007/s00382-009-0568-x. [Detailed]

  • Jian Li, Rucong Yu and Tianjun Zhou, 2008, Seasonal variation of the diurnal cycle of rainfall in the southern contiguous China, J. Climate, Vol. 21, No. 22, 6036–6043. [Detailed]

  • Haoming Chen, Rucong Yu, Jian Li, Weihua Yuan and Tianjun Zhou, 2010, Why Nocturnal Long-Duration Rainfall Presents an Eastward-Delayed Diurnal Phase of Rainfall down the Yangtze River Valley, J. Climate, 23(4), 905-917. [Detailed](指导研究生完成)

  • Haoming Chen, Rucong Yu and Bingyi Wu, 2012, FY-2C-derived diurnal features of clouds in the southern contiguous China. J. Geophys. Res., 117, D18101. [Detailed]

  • Weihua Yuan, Rucong Yu, Haoming Chen, Jian Li and Minghua Zhang, 2010, Subseasonal characteristics of diurnal variation in summer monsoon rainfall over central eastern China. J. Climate, 23(24): 6684–6695. [Detailed](指导研究生完成)

  • Weihua Yuan, Rucong Yu, Minghua Zhang, Wuyin Lin, Haoming Chen and Jian Li, 2012, Regimes of Diurnal Variation of Summer Rainfall over Subtropical East Asia. J. Climate, 25(9), 3307-3320. [Detailed](指导研究生完成)


  • (三)揭示了降水演变过程的时间不对称性



      通过将夏季降水事件以降水峰值为中心的合成分析,发现降水开始至达到峰值的时间较峰值发生后至降水结束的时间明显偏短,且降水过程的不对称性与降水强度、降水发生区域以及发生时间均有关联。降水不对称性在强降水事件中更为明显,在我国西南等海拔较高且地形复杂的区域更为突出,峰值出现在下午至前半夜的降水事件的不对称性最强,而出现在上午的最弱。

    代表性工作:

  • Rocong Yu, Weihua Yuan, Jian Li, 2013, The asymmetry of rainfall process. Chin. Sci. Bull., 58(16), 1850-1856, doi: 10.1007/s11434-012-5653-6.




  • 二、系统研究了“南涝北旱”的环流结构和降水特性变化




      中国东部“南涝北旱”型年代际气候变化已引起世界众多学者的关注,并分别从不同侧面对其成因进行分析。但大多是局限某一侧面的分析和讨论,结论存在不确定性。通过对“南涝北旱”环流结构及其降水特性变化的系统分析,给出了 “南涝北旱”整体的结构图像,取得了更加可靠的科学认知。


    (一)揭示了“南涝北旱”的整体结构特征



      (1)研究发现了东亚对流层中上层温度存在显著的年代际变冷,且由此引发的大气环流变化直接影响着中国东部的云、降水和温度等的年代际气候变化。对流层中上层变冷,其上层(下层)将出现气旋(反气旋)式环流异常,使得西风急流偏南加强和夏季风减弱,导致中国东部夏季风雨带北进受阻,形成 “南涝北旱”型气候异常。(2)进一步研究表明对流层上层冷中心位置和强度呈现出的季节内变化影响着云、地面温度和降水等的变化。早春三月冷中心偏西,其对应的环流变化导致我国西南独特的层状云增多,导致了我国西南早春的年代际变冷;4、5月份冷中心表现为南移加强至35ºN附近,导致近几十年来华南很强的春旱高温现象。盛夏冷中心位于40N附近,引发了中国东部“南涝北旱”型雨带异常和长江中下游地区的年代际变冷。依此提出了一个东亚对流层上层冷变化影响中国东部年代际气温变化和“南涝北旱”降水变化的物理概念模型

    代表性工作:

  • 宇如聪, 周天军, 李建, 辛晓歌, 2008, 中国东部气候年代际变化三维特征的研究进展, 大气科学, 32(4): 893-905. [详细信息]

  • Rucong Yu and Tianjun Zhou, 2007, Seasonality and three-dimensional structure of the interdecadal change in East Asian monsoon, J. Climate, Vol. 20, 5344-5355. [Detailed]

  • Rucong Yu, Bin Wang and Tianjun Zhou, 2004, Tropospheric cooling and summer monsoon weakening trend over East Asia. Geophys. Res. Lett., 31, L22212, doi:10.1029/2004GL021270. [Detailed]

  • Xin Xiaoge, Rucong Yu, Tianjun Zhou and Bin Wang, 2006, Droughty Late Spring of South China in Recent Decades. J. Climate. 19(13), 3197-3206. [Detailed] (指导研究生完成)

  • Jian Li, Rucong Yu, Tianjun Zhou and Bin Wang, 2005, Why is there an early spring cooling trend downstream of the Tibetan Plateau? J. Climate, 18(22), 4660-4668. [Detailed] (指导研究生完成)



  • (二)揭示了“南涝北旱”对应的降水特性变化特征



      上面的研究初步表明了以“南涝北旱”为特征的中国东部年代际气候变化是东亚夏季风环流系统变化的结果。但已有的研究结果曾指出“南涝北旱”以温室气体和气溶胶直接强迫主导,强降水或极端降水是长江中下游降水增多的重要贡献。对降水特性的变化研究可以帮助提高对已有研究结论的理解。(1)通过对近40年逐时降水资料的分析发现,在长江中下游地区(华北地区),降水强度小于等于10mm/h的中等强度降水和弱降水显著增多(减少),约占降水量总变化的65% (96%),而强度大于20mm/h的强降水没有发生显著变化。即:中等或弱强度降水的南增北减是对“南涝北旱”的主要贡献,极端强降水变化没有明显的南北差异,降水量的“南涝北旱”对应的降水强度变化是“南减北增”,而不是此前的“南强北弱”。(2)进一步研究表明降水时数的南增(北减)主要来源于持续性季风雨带变化,表现为平均降水持续时间的增长(缩短)和长持续降水增多(减少)。华北平均降水强度的增加主要是由于午后短时强度增强(但频次减少)。对应的降水日变化的年代际变化表现为南部清晨峰值增强,北部午后峰值增强。(3)揭示了降水强度分布随温度变化的关系。近几十年盛夏,华北和华南沿海温度升高,长江中下游及华南北部温度下降。分析表明温度变化的空间分布型与强降水占总降水比例的分布型有显著的正相关。温度升高(下降)对应的是强(弱)降水相对于总降水的比例增大。即:华南沿海和华北的强降水比例增加,长江中下游至华南内陆中等强度和弱降水比例增加。由于华南沿海的水汽充沛,极端强度降水也明显增多。。

    代表性工作:

  • Rucong Yu, Jian Li, Weihua Yuan and Haoming Chen, 2010, Changes in Characteristics of Late-Summer Precipitation over Eastern China in the Past 40 Years Revealed by Hourly Precipitation Data, J. Climate, 23(12), 3390–3396. [Detailed]

  • Rucong Yu and Jian Li, 2012: Hourly Rainfall Changes in Response to Surface Air Temperature over Eastern Contiguous China. J. Climate, 25(19), 6851-6861. [Detailed]

  • Jian LI, Rucong Yu, Weihua Yuan and Haoming Chen, 2011: Changes in Duration-Related Characteristics of Late-Summer Precipitation over Eastern China in the Past 40 Years. J. Climate, 24(21), 5683-5690. [Detailed]

  • Weihua Yuan, Rucong Yu, Jian Li, 2013: Changes in the Diurnal Cycles of Precipitation over Eastern China in the Past 40 Years . Adv. Atmos. Sci., 30(2), 461-467. [Detailed]



  • (三)揭示了影响中国东部气候年代际变化的大气环流异常与NAO相关的中高纬度环流异常之间的关联



      (1)研究发现冬季的NAO指数序列变化趋势,和欧亚大陆副热带地区平均温度序列的变化呈反位相。在冬季NAO正位相时,欧亚大陆副热带的变冷表现出准正压的东传特征,这种变冷在对流层的中上层最强,且冷信号在到达青藏高原以东地区后维持少动,这正是前面所述的东亚对流层中上层温度冷变化开始,其相应的环流变化影响着中国东部地面云、降水和温度等变化。(2)提出了一个连接北大西洋和欧亚大陆气候异常的遥相关型(NAULEA)。此遥相关型有5个作用中心,自北大西洋向东北延伸至欧洲,然后继续沿欧亚大陆中纬度向东到达乌拉尔山脉,其最东端可到达中国北部地区。当NAULEA处于正位相时,NAO也呈现正位相,乌拉尔山地区地表至对流层上层异常偏暖且受异常高压控制,而中国北部地区对流层中上层为异常冷中心和异常气旋性环流,并影响着中国东部地面云雨和温度等变化。

    代表性工作:

  • Rucong Yu and Tianjun Zhou, 2004, Impacts of Winter-NAO on March Cooling Trends over Subtropical Eurasia Continent in the Recent Half Century. Geophys. Res. Lett., 31, L12204, doi:10.1029/2004GL019814. [Detailed]

  • Jian Li, Rucong Yu and Tianjun Zhou, 2008, Teleconnection between NAO and climate downstream of the Tibetan Plateau, J. Climate, 21(18), 4680-4690. [Detailed] (指导研究生完成)



  • (四)数值试验明确了“南涝北旱”是对全球变化的区域响应



      数值模拟结果表明,海温强迫能够较合理地模拟出观测中东亚夏季风环流的年代际变率,而温室气体与气溶胶的直接强迫作用,却是增加海陆热力差异从而使季风环流增强,与实际情况相反。综合结果表明气候变化大背景下海温强迫场的变化是导致“南涝北旱”的主要原因。研究结果为评估气候模式,检验不同强迫因子在东亚气候年代际变化中的作用,提供了直接的观测依据。

    代表性工作:

  • Haoming Chen, Rucong Yu, Jian Li, Xiaoge Xin, Zaizhi Wang and Tongwen Wu, 2012: The coherent interdecadal changes of East Asia climate in mid-summer simulated by BCC_AGCM 2.0.1. Climate Dyn., 39(1), 155-163.




  • 三、着眼于复杂地形处理和改进云雨物理过程,致力于数值模式发展




      数值模式既是气象及其相关科技成果的集中体现,又是开展天气气候模拟研究和预报的主要工具。中国区域的地形特点决定了其气象问题复杂,中国区域天气气候的相关数值模拟问题是世界性难题。


    (一)作为主要完成人长期坚持发展完善一个适合中国区域特点的数值模式(AREM)



      该模式在国内气象、水文、环境和军事保障领域的多个科研和业务单位甚至一些周边国家得到较广泛的使用。相关单位和个人基于该模式发展的气象、水文、环境等预测预报系统已获多个省部级科技进步奖,相关学者应用该模式完成的学术论文达百余篇,数十名研究生在硕士或博士学位论文的核心工作中使用了该模式。目前该模式的不同版本仍在国内气象、水文和军队的有关单位进行科研和业务应用。并以AREM为基础初步发展了区域气候模式CREM,其对中国东部,特别是对长江流域的降水和温度等有较好的模拟能力。

    代表性工作:

  • 宇如聪, 薛纪善, 徐幼平, AREMS中尺度暴雨数值预报模式系统, 2004年11月, 气象出版社 (书).

  • 宇如聪, 徐幼平, 2004, AREM及其对2003年汛期降水的模拟, 气象学报, 第62卷第6期, 718-724. [Detailed]

  • 宇如聪, 1989, 陡峭地形有限区域数值预报模式设计, 大气科学, 第13卷第2期, 139-149. [Detailed]

  • Shi, Hongbo, Rucong Yu, Jian Li and Tianjun Zhou, 2009, Development of a Regional Climate Model (CREM) and Evaluation on Its Simulation of Summer Climate over Eastern China, J. Meteor. Soc. Japan, Vol. 87, No.3, 381-401. (指导研究生完成)



  • (二)主持、组织或参予中国多个全球数值模式的发展



      (1)是中国科学院“百人计划”“海气耦合系统模式的有效化研究”项目负责人;国家自然科学基金委重点项目“发展模块化气候系统模式”的负责人;中科院创新团队国际合作伙伴计划“气候系统模式研发及应用研究”项目负责人;中国科学技术部全球变化研究重大科学研究计划“高分辨率气候系统模式的研制与评估”项目首席科学家。(2)合作完成了国内第一个全球海气耦合模式;建立了一个海洋环流和海冰耦合的北极区域冰洋耦合模式;组织并参与发展了中国科学院新一代气候系统模式;指导和参与完成了国家气候中心的高分辨率大气环流模式等。(3)稳定和发展了国内的模式研发团队。

    代表性工作:

  • 周天军, 宇如聪, 王在志, 吴统文, 大气环流模式SAMIL及其耦合模式FGOALS-s, 2005年3月, 气象出版社.(书)

  • 王在志, 宇如聪, 王鹏飞, 吴国雄, 2005, 全球海-陆-气耦合模式大气模式分量的发展及其气候模拟性能. Ⅱ: 垂直分辨率的提高及其影响, 热带气象学报, 21, 238-247.

  • 王在志, 宇如聪, 包庆, 周天军, 刘屹岷, 王鹏飞, 吴国雄, 2007, 大气环流模式(SAMIL)海气耦合前后性能的比较, 大气科学, 31(2), 202-213.

  • Bin Wang, H. Wan, Z. Ji, X. Zhang, Rucong Yu, Y. Yu, H. Liu, 2004, Design of a new dynamical core for global atmospheric models based on some efficient numerical methods, Science in China (Series A), 47(2).

  • Rucong Yu, X. Jin and X. Zhang, 1995, Design and Numerical Simulation of An Arctic Ocean Circulation and Thermodynamic Sea-Ice Model, Adv. Atmos. Sci., Vol.12, 289-310.

  • Xuehong Zhang, N. Bao, Rucong Yu and W. Wang, 1992, Coupling Scheme Experiments Based on an Atmospheric and Oceanic GCM, Chinese Journal of Atmospheric Sciences (In English), Vol.16, No.2.

  • Yongqiang Yu, Rucong Yu, X. Zhang and H. Liu, 2002, A Flexible Coupled Ocean-Atmosphere General Circulation Model, Adv. Atmos. Sci., Vol. 19, 169-190.

  • Tongwen Wu, Rucong Yu, F. Zhang, Z. Wang, et al., 2010, The Beijing Climate center atmospheric general circulation model: description and its performance for the present-day climate, Clim. Dyn., Vol. 34, 123-147.

  • Tongwen Wu, Rucong Yu and F. Zhang, 2008, A modified dynamic framework for the atmospheric spectral model and its application, J. Atmos. Sci. Vol.65, 2235-2253.



  • (三)积极组织和参与模式评估



      在模式发展中,始终把系统的模式评估分析作为重要工作内容。着重于评估模式系统对当代气候、特别是东亚气候的模拟能力,从而充分认识到目前气候模式的主要不足,使得后续完善气候模式的工作更具有针对性。比如:(1)对气候模式中层状云降水和对流降水比例和影响的评估分析表明模式中对流与层状云降水比例的显著差异对气候模式合理模拟季节内振荡和赤道辐合带季节演变有重要影响,是导致模式总降水日变化偏差的主因,从而影响气候模式的预估能力。(2)通过细致比较评估模式对流和层状云降水日变化和观测的短时和持续性降水日变化,进一步明确了积云对流参数化的不确定性是模式降水日变化偏差的主要因素。(3)评估指出目前的气候模式不能对东亚季风气候给出满意的模拟结果,尤其是大多数模式降水在高原东侧严重异常偏多

    代表性工作:

  • Weihua Yuan, Rucong Yu, Minghua Zhang, Wuyin Lin, Jian Li, Yunfei Fu, 2013: Diurnal Cycle of Summer Precipitation over Subtropical East Asia in CAM5. J. Climate, 26(10), 3159–3172. (指导研究生完成)

  • Xiaoliang Song and Rucong Yu, 2004, Underestimated tropical stratiform precipitation in the National Center for Atmospheric Research (NCAR) Community Climate Model (CCM3). Geophys. Res. Lett., 31, L24101, doi:10.1029/2004GL021292. [Detailed] (指导研究生完成)

  • Rucong Yu, Wei Li, Xuehong Zhang, Yimin Liu, Yongqiang Yu, Hailong Liu and Tianjun Zhou, 2000, Climatic Features related to Eastern China Summer Rainfalls in the NCAR CCM3. Adv. Atmos. Sci., 17(4): 503-518. [Detailed]



  • (四)对数值模式有关计算方案的研究和贡献



      (1)设计了一个能有效抑制气候漂移的海气耦合方案,并利用该方案参与完成了国内第一个全球海气耦合模式。(2)设计了一种简单有效的水汽传输算法(TSPAS),在国内多个大气(全球、区域)和海洋数值模式中广泛应用并显示出优势,并在以此替换NCAR CAM5的水汽传输方案后得到了对中国东部云和降水更好的模拟结果。(3)通过设计跳点差分方案解决了有限差分平流计算在极区时间步长过小的问题,从而实现了TSPAS在高分辨气候模式中的应用。(4)研究指出了E网格差分有良好的频散性能,设计了E网格沿对角线的差分计算方案,提高了计算精度。(5)指导发展和改进了低云参数化方案,从而改进大洋东岸低云的模拟。

    代表性工作:

  • Yu, Rucong, 1994, A Two-Step Shape-Preserving Advection Scheme, Adv. Atmos. Sci., Vol.11, No.4, 479-490. [Detailed]

  • 宇如聪, 1994, E-网格差分格式的特性, 大气科学, 第18卷第2期, 152-162. [Detailed]

  • 张祎, 宇如聪, 李建, 陈昊明, 2013, 两步保形平流方案在高分辨率球面经纬网格下的跳点差分试验, 气象学报. (指导研究生完成)

  • Dai Fushan, Rucong Yu, Xuehong Zhang, Yongqiang Yu and Jianglong Li, 2005, Impacts of an Improved Low-Level Cloud Scheme on the Eastern Pacific ITCZ-Cold Tongue Complex, Adv. Atmos. Sci., 22(4), 559-574. [Detailed] (指导研究生完成)