《大氣科學進展》出版紀念葉篤正先生誕辰百年專刊

專刊：紀念葉篤正先生

為紀念現代氣象學的主要奠基人之一葉篤正先生誕辰100周年，由科學院大氣物理研究所主辦的期刊《大氣科學進展》（Advances in Atmospheric Sciences, AAS）特組織專刊，紀念葉先生對氣象學和氣象人才培養的卓越貢獻。

AAS主編、大氣所所長朱江研究員為專刊撰寫了前言，回顧了葉先生70餘年的開創性工作：建立了青藏高原氣象學；創立了東亞大氣環流和季節突變理論、大氣長波能量頻散理論，為現代大氣長波的預報提供了理論基礎；發展了大氣運動的適應理論，在天氣預報業務上有重要的應用；開拓了全球變化科學新領域，提出了有序人類活動、適應氣候變化理論框架等一系列科學思想。

這期紀念專刊由五篇綜述、五篇原創文章組成。中科院黃榮輝院士、吳國雄院士、符淙斌院士、香港中文大學Gabriel Lau教授、美國夏威夷大學Bin Wang教授、美國紐約州立大學Wei-Chyung Wang教授、美國佛羅里達大學Ming Cai教授、廣州中山大學呂建華教授、大氣所黃剛研究員等葉先生生前學生、同事、好友，與葉先生神交已久卻只有一面之緣的英國劍橋大學Michael McIntyre教授，以及素未謀面、學術思想卻有共鳴的美國加州理工學院Tapio Schneider教授傾情撰寫，全面反映了葉先生的貢獻、影響和學術思想的發展。

專刊目錄及摘要

Preface

Jiang ZHU

01

The Pioneering Works of Professor Duzheng YE on Atmospheric Dispersion, Tibetan Plateau Meteorology, and Air-Sea Interaction

Ngar-Cheung LAU

這篇文章回顧了葉篤正教授的開創性工作對過去幾十年作者所做的一系列觀測和模式研究的影響. 這些工作的主要內容包括大氣能量頻散, 青藏高原陸氣相互作用和東亞地區與厄爾尼諾相關的海氣耦合過程.

本文闡述了觀測中與東亞寒潮事件相伴隨的大氣擾動的頻散過程. 韓國和華南地區的寒潮爆發與下游地區槽脊的持續發展同時發生. 這是因為波包的群速度明顯快於單個槽脊的位相傳播速度. 在更廣泛的研究內容中, 滯后遙相關和交叉譜表明10-30天尺度上觀測和模式模擬的位勢高度變率也體現出頻散特徵.

利用一個高解析度大氣環流模式的數據, 本文計算了青藏高原大氣能量收支中凝結潛熱, 感熱和輻射加熱的相對貢獻; 描述了與亞洲季風系統發展相關的對流層上層青藏高原反氣旋和東亞梅雨降水帶的快速變化過程.

本文還指出在厄爾尼諾事件發生期間東南部和菲律賓海地區海平面氣壓, 地表風場, 降水和海表溫度出現明顯的異常; 評估了厄爾尼諾遙強迫和局地海氣相互作用對這些異常發生的相對貢獻.

02

On Multi-Level Thinking and Scientific Understanding

Michael Edgeworth McINTYRE 20世紀60年代後期當我還在麻省理工學院師從Jule CHARNEY教授和 Norman PHILLIPS教授做博士后的時候, 就已經熟悉葉篤正教授的名字. 心懷巨大的喜悅, 我終於在1992年於北京見到了葉教授本人. 他對如何最好地發展科學和正確地運用科學的關注以及對人類有序活動的思考, 使我不但聯想到作為科學家所需要的交流技巧, 更讓我思索科學本身的多層面特性. 在這篇文章里, 我想談論1）什麼是科學；2）為什麼多層面思考, 也即採取多重視角看待問題,對科學以及其他形式的人類理解如此重要；3）在一個深層意義上, 科學理解以及與外行和跨專業領域人士對科學理解的交流究竟意味著什麼. 我希望葉教授能夠同意我的觀點.

03

From Climate to Global Change: Following the Footprint of Prof. Duzheng YE's Research

Congbin FU

為紀念葉篤正教授百年誕辰, 本文回顧了葉先生以及他的團隊在過去30多年裡對氣候變化到全球變化研究領域的貢獻, 主要包括 : 1) 氣候變化在全球變化中的角色; 2) 全球變化的關鍵時間尺度和可預報性; 3) 全球變化的敏感區—氣候和生態系統的過渡帶; 4) 有序人類活動及對全球變化的適應, 聚焦於主動適應策略的發展.

04

Formation and Variation of the Atmospheric Heat Source over the Tibetan Plateau and Its Climate Effects

Guoxiong WU, Bian HE, Anmin DUAN, Yimin LIU, Wei YU

值葉篤正先生誕辰100周年之際, 為了紀念他在青藏高原氣象學方面的研究工作, 和創造性的開啟了青藏高原氣象學這一門學科的偉大貢獻, 我們撰寫了這篇研究綜述文章, 主要回顧了對近幾十年來青藏高原大氣熱源研究的評估工作. 這些工作基於多種資料源, 包括局地的台站觀測資料, 衛星遙感資料,和各種再分析資料. 本文指出了這些熱源資料的不確定性和可用性. 對高原大氣熱源形成的分析表明, 熱源本身不僅僅是大氣環流變化的誘因, 並且它同時也是大氣環流變化的結果. 基於一系列數值試驗, 本文指出了海陸熱力差異僅僅是亞洲夏季風形成的部分原因, 而青藏-伊朗高原的熱力強迫作用對亞洲夏季風的形成具有至關重要的作用: 它不但將海洋的水汽從對流層低層抽吸到大陸上空對流層高層, 而且在角動量守恆的約束下, 它還導致了副熱帶經向季風環流的形成, 這給亞洲夏季風的發展提供了大尺度背景.

05

Evolving Perspectives on Abrupt Seasonal Changes of the General Circulation

Jianhua LU, Tapio SCHNEIDER 葉篤正教授對大氣環流的季節突變的觀點領先於他所處的時代數十年. 這體現在他所提議的一個模式實驗, 該模式實驗試圖用於驗證大氣環流的季節突變是否可能僅僅通過環流內部的反饋就可以產生, 而無須依賴於下墊面性質的非均一性. 在這裡, 我們首先簡單介紹葉篤正教授於1950和60年代關於大氣環流的見解, 並總結葉篤正、陶詩言和李麥村(1959)關於季節突變的主要結果及對其機理的猜想和實驗建議. 然後我們綜述對季節突變理解的最近進展, 尤其集中於那些通過由葉篤正先生等建議的模式實驗所得到的理解. 模式實驗顯示環流反饋本身確實能夠導致環流季節性突然轉折的產生. 在這樣的轉折中, 源於中緯度的大尺度渦旋及其與緯向平均環流和熱帶經圈翻轉環流的相互作用起著關鍵作用.

06

Modeling Aerosol Climate Effects over Monsoon Asia: A Collaborative Research Program

Wei-Chyung WANG, Guoxing CHEN, Yangyang SONG 20世紀80年代初, 葉篤正教授在美國能源部與科學院簽訂的氣候科學合作研究協議書的起草和簽訂中做出了重要貢獻. 本文介紹近年來在該協議下進行的合作研究項目「亞洲季風區氣溶膠氣候效應的模擬」的最新進展. 我們首先介紹該項目的理論基礎和研究方法, 合作單位, 以及近些年的研究動態,然後介紹討論當前的研究結果和相關科學問題, 以及後續研究的重點.

07

Differences and Links between the East Asian and South Asian Summer Monsoon Systems: Characteristics and Variability

Ronghui HUANG, Yong LIU, Zhencai DU, Jilong CHEN, Jingliang HUANGFU 東亞夏季風和南亞夏季風是亞洲夏季風的重要組成部分, 兩者既有區別又有聯繫. 本文從氣候態特徵和時空模態兩方面, 分析了兩個季風區夏季降水和水汽輸送之間的差異和聯繫. 結果表明北半球夏季, 兩個季風區緯向風和徑向風垂直切變和水汽輸送均不同, 這造成了兩個季風區層雲和季雲降水的特徵有所差異, 表現為東亞季風區降水表現為層雲和積雲降水的貢獻相當, 而南亞季風雨以季雲降水為主. 同時, 在年際和年代際時間尺度上, 東亞季風區和南亞季風區夏季降水變異的時空特徵也不同. 但是, 兩個區域降水變化的主導模態之間仍存在顯著的負相關關係. 這種聯繫可能是由於在亞洲大路上存在由印度向北部經向遙相關型(南亞東亞遙相關)而造成的. 在葉篤正先生誕辰100周年之際, 作者們謹以此文紀念葉篤正先生對大氣動力學發展的卓越貢獻

08

Equatorial Wave Expansion of Instantaneous Flows for Diagnosis of Equatorial Waves from Data: Formulation and Illustration

Cory BARTON, Ming CAI

本文提出EWEIF (Equatorial Wave Expansion of Instantaneous Flows) 方法, 用於將即時氣流場以赤道β平面淺水模式的線性自由波為基函數來展開，從而分析任意時刻所觀測到的赤道波水平空間分佈。在已知流體等效深度的前提下，EWEIF方法無需事先對氣流場進行時間和空間上的濾波，從而保證僅用即時氣流場，即可得到該時刻各類赤道波動的水平空間分佈。對不同時刻氣流場分別做EWEIF分析，便可得到各類赤道波動的時空連續演變特徵，包括東西傳播，振幅強弱， 發生，發展，和消失等變化。

本文用三組示例來演示EWEIF分析。第一組示例用於評估EWEIF是否能夠還原按赤道波理論解的時空演變所構造出的理想波場中的赤道波頻散關係，同時闡述了使用錯誤流體等效深度對EWEIF分析結果的影響。后兩組示例分別使用赤道?-通道淺水模型結果和ERA-Interim再分析資料，演示EWEIF方法能夠在無需假定數據中存在哪些波動的前提下，得到其中各類赤道波的時空演變序列。第二組示例的資料取於赤道β通道淺水模型結果而第三組取於ERA-Interim再分析資料。需要特別指出的是，第三組示例所演示的結果是首次從觀測資料中得到平流層中各類赤道波隨時空連續演變，並證實了QBO理論所預測的，平流層中各類赤道波的振幅強弱變化確實與背景緯向風場QBO振蕩同步。

09

Variable and Robust East Asian Monsoon Rainfall Response to El Niño over the Past 60 Years (1957-2016)

Bin WANG, Juan LI, Qiong HE 2016年夏季, 當2015 超強厄爾尼諾事件減弱到正常狀態時, 南北方均發生了嚴重的洪澇災害.然而, 2016年夏季（六-八月）平均降水並沒有呈現明顯異常.這表明東亞夏季平均降水對於洪澇災害的表徵具有局限性.通過進一步分析最近60年間16次厄爾尼諾事件, 我們發現四種強度不同類型的厄爾尼諾事件引起的東亞降水異常的空間分佈與季節演變相差甚大, 導致共同信號不顯著, 給預報帶來困難. 這是由於厄爾尼諾的強度和演變過程差異顯著, 加之東亞夏季降水異常所獨具的季節內北進使得夏季平均降水量失去代表性.唯一共同顯著的信號表現在厄爾尼諾發展階段的夏季北方中部地區的降水偏少.在厄爾尼諾衰退的夏季, 區分強弱厄爾尼諾事件對於東亞降水的影響非常重要. 只有強厄爾尼諾事件能激發異常西太反氣旋, 它通過與印度-西太暖池異常海溫的相互作用得以維持, 增強自厄爾尼諾冬季至次年夏季東亞副熱帶鋒區降水.弱厄爾尼諾事件也會加強東亞次年夏季降水, 但其物理過程不同, 那是由於東太平洋迅速降溫而導致西太異常反氣旋重新生成.結果表明, 準確的東亞夏季陸地降水預報要求動力模式不僅能對厄爾尼諾強度和演變做出準確預報, 還需要模式有能力預報出東亞異常雨帶的季節內北進.

10

Evolution of Surface Sensible Heat over the Tibetan Plateau Under the Recent Global Warming Hiatus

Lihua ZHU, Gang HUANG, Guangzhou FAN, Xia QU, Guijie ZHAO, Wei HUA 本文利用常規地面氣象觀測資料及NCEP/DOE再分析數據集, 探討了青藏高原中東部地區地表感熱在全球變暖停滯期的演變. 結果表明: 高原中東部地區自1980年代后持續減弱的地表感熱在全球變暖停滯期有所恢復; 高原感熱的這一變化主要由地表風速的減弱停滯及地氣溫差的增加導致; 在全球變暖停滯期, 一方面, 東亞中高緯地區經向溫度梯度的改變使前期持續減弱的高原地表風速有所恢復, 另一方面, 夜間總雲量的增加通過加強大氣逆輻射, 減弱地面有效輻射, 進而導致地溫及地氣溫差的顯著增加. 全球變暖停滯期雲-輻射反饋效應在高原溫度乃至感熱的變化中具有重要的作用, 該期間地氣溫差(尤其是夜間的地氣溫差)的變化是除地表風速以外影響高原感熱變化的另一重要因素.

文章來源：大氣科學進展AAS微信平台