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中国气象局--气候研究开放实验室
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科研项目
 
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项目简介

南海季风试验(SCSMEX,科技部"九五"重大基础研究项目)

南海季风试验(SCSMEX,1996-2000)
 
南海季风试验(SCSMEX)是中国科技部"九五"重大基础研究项目(1996-2000),是中国科学家首次发起并主持的国际联合科学试验项目。是一个多国别、多地区、多部门、多学科参与的大型观测试验和研究项目。首席科学家为丁一汇研究员(LCS,NCC)和李崇银院士(IAP,CAS)。
 
南海季风试验旨在通过开展大气与海洋联合观测试验,更好地理解南海及中国南部地区夏季风爆发,维持与变化的物理过程,从而改进对季风降水预报。该项目的科学目标为:
(1)描述与南海季风有关的大尺度环流与热力场,以及基本海洋流型的温盐结构的时空演变;
(2)确定南海与周围地区加热差异的影响及早期季风对流(4-5月)和南海多尺度过程在东亚季风的突然过渡和以 后演变中的作用;
(3)描述海洋对季风强迫响应的物理过程与南海的海气相互作用及其与临近海域的关系;
(4)评价并改进区域和全球模式对东南亚和中国南部地区季风爆发的模拟与预报能力。
 
南海季风试验积极响应世界气候研究计划(CLIVER)的GEWEX计划,于1998年成功地在南海及周边国家和地区开展了大气探测、地面、多普勒雷达、海气通量、船舶、浮标、岛屿、飞机等多种观测项目,观测到南海季风爆发前、爆发期间、爆发后的全过程。试验观测资料已被国内外相关研究机构和科学家广泛使用,取得了一批世人瞩目的研究成果。该项目还与青藏高原试验(TIPEX)、淮河能量与水分循环试验(HUBEX)、华南暴雨试验(HUAMEX)一起被中国科技部评为“1998年十大基础研究新闻”之一。该项目已与2003年通过验收,并获得高评价。
 
参加南海季风试验的国家和地区有:中国、美国、日本、越南、泰国、马来西亚、新加坡、文莱、菲律宾、印度尼西亚、澳大利亚,以及台湾、香港和澳门地区等。

观测试验

在外场观测时期进行了两次加强观测(IOPs),即5月5-25日与6月5-25日。第一个IOP重点观测南海季风的爆发、突然的季节转换及其对华南和东南亚地区降水的影响。第二个IOP重点监测东亚季风活跃和向北推进时期南海的大气与海洋条件及其对长江流域,朝鲜半岛和日本降水的影响。通过这次试验获得了南海季风爆发前后及东亚季风北推时期的大量信息与资料,它们为后续的研究工作提供了必要的条件。2001年4月以后,SCSMEX建立了完整的符合国际标准的资料库,包括各种气象观测、特别观测、海洋观测、卫星雷达,有限区四维同化资料,TBB与降水资料等。这些资料已被中国、日本、美国和其它国家广泛用于四维资料同化系统、数值预报试验以及季风研究中[16][17]。

图1 观测网分布图
图2 探空观测监测图                    图3 地面观测监测图
 
 
图4 六艘海洋科学考察船大面观测图
 
 
表1大气观测系统概况一览表
观测要素
观测系统
观测现象(过程)
高空气象要素(包括位势高度、温、压、湿、风等)
无线电探空系统,ISS,卫星遥感,船舶,岛屿,无人飞机
热带旋转、辐射、风场、对流层中层气旋、水分和能量循环
降水
卫星遥感,雨量站,雷达,浮标
降水分布型,不均匀加热
地面气象要素
地面站,浮标或锚定浮标,船舶,岛屿
El Nino,季节内振荡,季风低压
云和对流
雷达,卫星,ISS和船舶组成的观测阵
对流加热,水分和能量循环
海表风/风应力
沿海和岛屿常规测站,特殊站,锚定浮标,卫星遥感
季节变率,海气相互作用,低频震荡的风场异常
辐射(长波、短波)
地面站,卫星遥感
海表热平衡,海气相互作用
海表通量(动量、感热、潜热)
铁塔,岛屿站,船舶
海气相互作用,El Nino
海表气温(10m高度)
浮标列阵,卫星遥感,岛屿站,船舶
海表气温分布型,海气相互作用,El Nino
                        
 表2海洋观测内容概览

 

观测要素
观测仪器
观测现象(过程)
海平面高度
潮汐站,锚定的温度传感器,船载观测,锚定浮标列阵
斜温层的变化,海表地形表层洋流,风应力响应,斜压过程
次表层海温
浮标列阵,卫星遥感,XBTs
SST分布型,海洋内部冷热源变化
海洋盐度
考察船(海表抽样),XBTs,CTD
海水密度变化,分层和涌升
海表和次海表海流速度
浮标,ADCP, 锚定测流器
海表和次海表海流运动
海表温度
船舶观测,浮标,卫星遥感,CTD
海洋环流的异常事件,海表和次海表海流
 
        外场试验的主要成果
      
首次获得了1998 年夏季(5-8月)东亚和西太平洋大范围地区加密的大气和海洋观测资料,其水平分辨率可达中尺度(100-200km)。外场观测综合资料集对于研究El Nino 条件下季风的变异与活动非常可贵。
 
大量观测数据的分析证明,南中国海是亚洲季风爆发最早的地区之一。试验确定了南海季风的爆发日期,进一步揭示了南海季风的特征、演变以及它与洪涝特别是与1998年中国特大洪水的联系,建立了南海季风爆发概念模型。
 
清楚认识到亚洲季风活动,尤其是南海季风活动对中国暴雨/洪涝与干旱的影响。季风经历的7次重大变化分别对应于华南前汛期雨季的加强、长江和江南雨季的来临和加强,江淮梅雨出现,华北雨季出现,季节雨带南退,长江及江南经历“二度梅”与黄淮雨期和东北雨期,因而1998年长江和东北发生的特大持续性暴雨与洪涝是亚洲季风偏弱、偏南,并经过上述7次重大变化的直接结果。通过研究可以得到亚洲季风变异与中国特大暴雨/洪涝关系的理论与预报模式。
 
 海洋观测揭示了海洋与南海季风之间的相互作用。海温影响南海季风爆发的时间和强度。季风爆发后的扰动又影响临近区域整个夏季的暖海温的维持。通过海洋及海气相互作用观测结果的分析研究,可对南海季风在亚洲爆发最早的机理提出新的观点,即海气相互作用与海陆相互作用的综合理论。
 
位于南海北部的综合大气-海洋观测网揭示了季风气流中三维对流云系的结构和演变,第一次发现南海地区热带飑线和龙卷风等强对流云系的存在。
 
通过首次直接测量的海气通量和辐射观测数据分析,揭示出季风变化不同阶段海气通量和热量、水气输送的量值,由此可以了解南海海洋对季风气流和中国旱涝的影响程度。
 
外场观测获取的大量资料经中国、日本、和美国四维资料同化系统的处理,建成高质量的南海季风试验数据库,目前,这些资料已为中外科学家广泛应用。至2001年底,SCSMEX试验数据集共向22个单位、地区和国家发放,包括:广东省气象局、中科院南海海洋所、中科院青岛海洋所、北京大学、中科院大气物理所、国家气象中心、中国气象科学研究院、国家气候中心、南京气象学院、中山大学、国家海洋局二所、国家海洋局三所、澳门、台湾、香港,以及泰国、马来西亚、新加坡、菲律宾、文莱、澳大利亚、美国等。
 
       主要科学研究成果
 
       1. 修正了南海季风的爆发日期,揭示出东亚夏季风爆发最早不仅是在南海,而是中南半岛到南海地区,还揭示了南海季风爆发的过程,发现与印度季风有明显不同,它与赤道东印度洋双子涡旋及孟加拉湾热带气旋的发展以及穿越中南半岛的西南风涌密切有关。并据此设计了新的季风指数和确定了近50年南海季风的爆发日期。
        2. 利用双多普勒雷达观测,揭示了季风爆发前后南海北部对流和中尺度系统发展,形成、结构,日变化和季节内变化等,指出中纬度冷槽入侵在南海北部季风爆发期间的对流发展中起着很重要的作用。
        增强了对低频振荡的认识,揭示了季风爆发、推进和降水与30—60天东传的热带低频振荡及源自中纬度的10—25天振荡的相互作用有关。另外还确证了南海地区作为一种强迫源产生的行星尺度遥相关型。通过这种遥相关型,南海地区热力强迫不但可以影响东亚的天气—气候,还可以影响下游更大地区的天气—气候条件。
       3. 第一次给出了南海地区海气通量的测量值及边界层参数。揭示出季风爆发后海表感热和潜热通量都迅速增加的特征。
 
       4. 揭示了南海海温、海洋环流和涡旋结构的新事实,发现它与印度洋有明显不同。据此提出了季风与南海海洋上表层相互作用的概念模型。
       5. 成功地研制了海气耦合区域气候模式,并据此模拟了南海地区的海洋环流和季风环流的演变。
       6. 发现了南海地区季风爆发早晚及强度变化与华南及长江梅雨有密切关系,呈反相关关系。并且揭示了影响中国夏季降水的主要水汽通道是从热带东印度洋经中国南海输送到中国南部地区。得到了南海地区能量与水分平衡的完整图像。
       7. 建立了季风区三维资料同化分析系统。据此改进了模式的初始场,以及季风活动和降水的模拟与预报能力。
      8.  绘制了亚洲夏季风图集。这是国内外出版的第一部内容全面的亚洲夏季风图集,该图集内容广泛,资料可靠、准确,提供了许多有关夏季风建立、维持和撤退的许多气候学新事实。
      9. 本项目已出版专著3部,图集1部,专刊3本,发表论文总计222篇,其中,SCI 级论文16篇,核心刊物论文155篇,待发表论文38篇。参加国际会议和报告56次,国内全国性会议67 次。部分成果获部委级二等奖一项。
 
       国际合作
 
       南海季风试验是由中美科学家联合发起,南海11个周边国家和地区参与的区域性国际大气科学试验,也是中国科学家首次主持的大规模大气-海洋联合科学试验。在国家科技部、中国气象局的领导和支持下,项目从建议、立项到实施历经10年,充分体现了中外科学家紧密协作,联合攻关的科学精神。南海季风试验的延伸计划被列入2001-2004年执行的WCRP/CLIVAR太平洋海盆大气海洋观测实施计划与GEWEX的全球协同观测网中。WMO将在M1(东亚季风研究计划)计划中继续给予支持。
 
表3 各国家和地区参加观测的站数及观测次数

 

国家或地区
地面
雷达
探空
24次
8次
7次
4次
 
原来
加密
24次
24次
24次
 
 
 
中国
92
23
30
8
38
1
1
1
5
25
22
台湾
14
 
14
7
 
 
 
 
6
7
6
香港
1
1
 
 
 
 
 
 
1
1
1
澳门
1
 
1
1
 
 
 
 
 
1
1
马来西亚
19
18
 
 
 
 
 
 
5
8
1
新加坡
1
1
 
 
 
 
 
 
1
1
1
文莱
1
1
 
 
 
 
 
 
1
1
1
印度尼西亚
24
22
 
 
 
 
 
 
 
9
 
菲律宾
28
2
27
5
 
 
 
 
4
4
1
泰国
30
3
26
 
 
 
 
 
9
4
1
越南
24
 
22
7
 
 
 
 
 
3
 
合计
235
71
119
28
38
1
3
1
32
64
35
表4 各国和地区对SCSMEX的贡献

 

国家和地区
        主要贡献
中国大陆
四条海洋船,地面和探空升级,雷达、PBL观测和海气界面与边界层观测,作业运行中心,资料管理和项目办公室
美国
GPS探空,TOGA 多普勒雷达,TRMMT卫星,NOAA-K, 辐射观测,AXBT, 浮标
马来西亚、泰国、菲律宾、新加坡、印度尼西亚、越南和文莱
探空升级,常规和雷达观测,IOP资料提供和当地后勤支持
日本
TRMM 和GMS 卫星
韩国
与KOMEX交换资料
澳大利亚
TRMM 项目中的多普勒雷达
中国台湾
南沙高空站升级,无人飞机探测系统,一个ISS,装有CTD 和ADCP的两条船,3个ATLAS 锚定浮标阵,地面探空升级和PBL观测,雷达观测
中国香港
风廓线仪,预报指导、高空和地面升级观测
中国澳门
预报指导,高空和地面升级观测

    

 
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