青藏高原热状况特征分析

利用中日亚洲季风机制合作研究计划中的青藏高原自动气象站（AWS）观测资料和相应的常规测站资料,计算分析了拉萨、日喀则、那曲和林芝的大气热量收支及各热力分量的贡献状况,结果表明：高原大气在3－9月热源,10－2月是冷源;各热力分量都存在夏大冬小的现象,来自太阳的短波辐射和地表净辐射各占总供热40％;湍流感热和降水潜热各占供热约10％;辐射加热是高原大气热量的主要来源。     

东北半干旱地区辐射收支与地表能量分析——以锦州地区为例

本研究利用2015年锦州通量观测站实测资料,对东北半干旱地区的地表辐射收支、能量平衡、地表反照率和能量闭合度等方面进行分析,得出以下结论:锦州地区向下短波辐射、地面向上短波辐射和地面向上长波辐射有明显的日变化特征,而大气向下长波辐射没有.该地区8月午后易产生对流云,致使向下短波辐射日变化在午后有明显波动.净辐射平均积分值8月为12.7 MJ/m~2, 12月为-0.9 MJ/m~2,冬季全天均由土壤向地表传递能量,所以夏季盈余的能量可能储存到深层土壤,在冬季释放.感热和潜热随净辐射有相同的增减趋势,日变化并不平滑,有多个峰值.平均地表反照率12月(0.21)明显高于8月(0.18).受不同天气条件影响,在不同季节,各辐射分量的日变化特征不同.降水通过改变土壤湿度会对感热、潜热和地表反照率产生影响.采用过原点和有截距两种不同的拟合方法来评估锦州冬夏的能量闭合度,对比结果发现,冬季能量闭合度均远低于夏季.     

银川地区降水氢氧同位素变化规律分析

大气降水是区域水循环中重要环节,对于研究区域内水分循环、水分来源、水分转换等水文过程有重要意义.通过对银川地区降水中氢氧同位素特征随月降水量变化趋势进行分析,得出不同季节的降水水汽来源是影响银川地区降水同位素变化的主要因素,秋冬季节降水水汽主要来自于北冰洋地区,春夏季节降水水汽主要来源于印度洋、孟加拉湾及太平洋地区.区域内蒸发的水汽对降水的贡献及降水过程中的二次蒸发作用都使降水中重同位素富集.全年来看,银川地区降雨量效应不明显,但是夏季降雨量对降水中氢氧稳定同位素变化影响不容忽视.通过分析氘过量参数d随月平均降水量的变化趋势,辅助论证了不同季节不同水汽来源的降水是影响氢氧同位素变化的主要因素.     

阿拉善地区降水同位素特征与水汽来源

基于2013—2015年阿拉善高原阿右旗的降水氢氧稳定同位素组成数据,分析阿拉善高原降水δD和δ~(18)O的特征与变化规律,揭示当地的水汽来源与迁移路径。结果表明:(a)阿拉善高原降水δD和δ~(18)O的变化呈现明显的季节特征,即夏季偏高,冬季偏低。(b)主要气象参数(降水量、气温、大气湿度和风速)中,气温是控制阿拉善高原降水δD和δ~(18)O的主导因素;通过与周边区域的比较,阿拉善高原当地大气降水线的斜率和截距较低,这是由阿拉善高原降水受到非平衡蒸发作用强烈所致;(c)HYSPLIT气团轨迹模型模拟和降水同位素分析揭示了阿拉善高原阿右旗降水主要来自西风和极低气团。     

青藏高原冬季NDVI变化与我国夏季降水的关系

利用1982年1月—2001年12月NDVI资料、台站降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,通过相关分析和合成分析等方法,初步分析了青藏高原冬季植被变化与我国夏季降水的关系.结果发现,高原冬季植被多少与我国夏季降水存在明显的相关关系.高原冬季NDVI大时,我国华南地区、华北地区等夏季降水偏多,而长江流域(主要是中游地区)和西南地区西北部、东北地区西部降水偏少.高原冬季NDVI与我国夏季降水的相关系数从南到北,总体呈西北-东南向" - -"带状分布.降水的年内分布也因为不同年份NDVI的多少而存在较明显的差异,后期的大气环流变化能够较好地解释我国夏季降水的这种差异.     

夏季青藏高原东部热源异常与环流场和降水的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和中国160个站点的月平均降水资料,选取了2008年9月四川汶川地区特大暴雨实例,分析并验证了夏季青藏高原东部热源异常和中国局部降水异常的关系。结果表明:1夏季高原东部热源偏强会引起500h Pa风场能量偏大,其能量大值区与强降水区域分布相对应;2夏季高原东部热源偏强会引起南亚高压偏东偏强,从而引起西太副高西伸,使得水汽源源不断的向降水区域输送;3夏季高原东部热源异常时,通过加热场-高度场-降水场的同期及滞后效应,进一步影响到中国局部地区的降水异常。     

广东龙门地区草地下垫面地表辐射和能量平衡观测和分析

 利用2009年9月-2010年1月在广东省龙门县收集的涡动相关观测资料,比较了广东龙门地区草地下垫面秋、冬季不同天气条件下的地表通量特征。发现地表辐射平衡分量和能量平衡分量都存在明显的月际变化。典型晴天下辐射通量除长波辐射外均表现为标准的单峰日循环形态。在阴、雨天,辐射通量日变化曲线波动大,出现双峰甚至是多峰的形态。地面长波辐射略大于大气长波辐射,两者的差值在雨天、阴天、晴天依次增大。在辐射平衡中,地面长波辐射贡献最大,大气长波辐射次之,再依次为太阳短波辐射、净辐射和反射辐射。与晴天相比,阴天潜热、感热均减少。与秋季相比,冬季潜热减少,感热增加。在晚上存在负水汽输送现象。降水天里地热流量全天为负值,土壤从深层向地表释放热量。无论晴天还是阴天,地表和浅层土壤温度都表现为准正弦曲线。土壤温度的活动层基本在10cm土壤层内,各层土壤温度峰（谷）值出现的时间随着土层厚度增加而延迟,10cm以下土壤温度几乎无日变化特征,雨天时地面和浅层土壤温度呈下降趋势。各层土壤温度不仅跟天气状况有关,晴天高于阴天,还存在秋季地温度高于冬季的季节变化。     

中国东部气溶胶活化颗粒物浓度对区域气候影响的模拟研究

该工作利用区域模式(WRF),对我国东部三大城市群区域的气溶胶活化颗粒物浓度增加的气候效应进行了模拟研究.结果表明:增加气溶胶活化颗粒物后,我国东部许多地区的地表感热、潜热通量减少,华东大部分地区的地表2m气温降低;降水对气溶胶活化颗粒物浓度增加的响应较为复杂,缺乏一致的规律性,但增加活化颗粒物后,我国东部许多地区的降水明显减少;由气溶胶活化颗粒物浓度变化造成的大气水汽输送和水汽含量的变化,是气溶胶间接效应影响东亚夏季风降水的主要原因.从总体上来说,中国不同地区的气溶胶活化颗粒物浓度增加,使得中国东部大部分地区的低层气温降低、大气湿度降低、降水减少,呈现出干冷化的趋势.     

土地利用变化对城市气象环境影响的数值研究

采用南京大学的三维非静力区域边界层模式,选取典型天气状况作为代表,对北京1980、1990、2000及2004年不同土地利用类型冬夏两季的城市边界层特征进行数值模拟,结果表明:城市土地利用状况的改变对边界层热力及动力结构产生显著的影响,这种影响在夏季个例的日间尤为明显.如,由于建筑储热能力变化,地表反照率变化,导致城市表能量平衡重新分配,1980年个例较之2004年个例,夏季城市区域平均净辐射通量增加160 W.m-2.城市植被覆盖率减小,地表湿度降低,使得潜热通量最大减小81 W.m-2,感热通量则最大增加146 W.m-2.热通量和动量通量增大,地气相互作用的加剧,夏季城市区域气温增幅最大达2.2℃.建筑物高度及密度增大,湍能增强,且影响高度增大,混合层高度增加,使水汽等物质输送加强,分布更加均匀.城市动力粗糙度增加引起的阻尼作用在风速大时较明显,北京冬季日间风速较大,风速减少最大可达2.02 m.s-1;然而冬季大气层结较为稳定,湍能发展受到抑制,湍能及通量输送的变化不如夏季个例明显;地表较为干燥、植被覆盖稀少,潜热减小及感热增加的变化幅度较小,增温变化也不如夏季个例明显.     

不同地面类型热物理性质差异分析

热物理性质的差异是不同地面类型能量交换差异的物质基础。通过对青藏高原北麓河地区工程地面(沥青路面、砂砾路面)和自然地面(天然地表、高寒草原、高寒草甸)气象参数的观测与计算,分析地表温度、反照率、粗糙度和总体输送系数之间的差异。研究结果表明:夏秋季节沥青路面昼夜温度均高于其他地面类型,春冬季节沥青路面夜间温度高于其他地面类型;砂砾路面、高寒草原、高寒草甸白天表面温度差异约为2℃~5℃,夜间差异为1℃~3℃;天然地表的反照率大于沥青路面,反照率受太阳高度角和降水影响,随太阳高度角增加呈指数递减,在降雨时地面反照率有增有减,降雪增加地面反照率,降水后介质湿度增加,反照率减小;5种地面类型的粗糙度从大到小依次为砂砾路面、天然地表、沥青路面、高寒草甸、高寒草原;粗糙度的大小间接反映地面的能量输送能力,冬季天然地表输送系数大于其他地面类型,在其他季节,天然地表和沥青路面的动量输送系数较大,其次为高寒草原、高寒草甸、砂砾路面。     

青藏高原对非洲北部降水影响的模拟研究

利用耦合模式CESM1.0, 研究青藏高原地形对非洲北部降水的影响。敏感性试验结果表明, 去掉青藏高原地形后, 首先, 大气环流迅速做出调整, 出现自热带大西洋向东北方向至北非的水汽输送异常和自印度洋向西至北非的水汽输送异常, 造成北非大气水汽含量增加和水汽辐合增强, 降水增多。然后, 当海洋环流调整到准平衡态时, 北大西洋海表温度降低, 南大西洋海表温度升高, 地表大气温度也发生相应的变化。在南北温度梯度的影响下, 原本由热带大西洋向北非的水汽输送发生转向, 导致北非的水汽含量减少和水汽辐合减弱, 使得降水比前一阶段减少。即便如此, 在没有青藏高原的试验中, 当海洋环流调整到平衡态时, 北非大部分区域水汽辐合仍然强于有青藏高原的真实地形试验, 区域平均降水也增多。结果表明, 青藏高原的隆升可能在一定程度上加剧了北非的干旱化。     

基于CLM模型的植被覆盖变化对黄土高原气温和降水的影响研究

黄土高原位于我国第二阶梯,地理环境复杂,生态环境脆弱。本文结合GIMMS/NDVI遥感数据与气象站点观测资料开展诊断分析研究,并将其与模型模拟试验相结合,通过这种方法来研究黄土高原地区植被覆盖与气温和降水之间的作用关系。研究结果表明,黄土高原地区的NDVI、气温和降水量均具有明显的季节变化特征;1982—2006年,区域滑动平均NDVI、气温和降水的线性变化斜率分别为5E-04/10a、0.061℃/10a和-0.492mm/10a;研究区域内NDVI与气温和降水的同期滑动平均相关系数分别为0.459和-0.23,且均存在较明显的空间差异。应用CLM陆面过程模型的模拟结果表明,植被覆盖增加后,植被覆盖发生变化地区的净短波辐射有所增加,净长波辐射有所减少,导致地表吸收净辐射有增加趋势;研究区域内的感热通量和潜热通量均有所增加,且潜热通量的增加更为明显,这可能对植被覆盖增加后气温的降低产生一定影响;研究区域内的土壤含水量和地表蒸散均呈增加变化,这可能导致降水增加。但是,植被覆盖增加对区域气温降低和降水增加的影响作用有限。     

北疆大气降水水汽源识别及其对地下水补给的指示意义

 大气降水是水循环的输入项,其同位素特征是示踪水汽来源及运动路径的有效工具。利用北疆4个大气降水观测站的同位素数据,结合HYSPLIT模式,重点分析了北疆大气降水同位素特征。区域大气降水线方程δD=7.3δ¹⁸O+3.5,反映了新疆独特的干旱气候环境。受不同降水水汽来源影响,天山及阿勒泰2个地区降水同位素特征表现不同。天山地区受西风带水汽季节性漂移的影响,氘盈余夏季低冬季高,成“V”型;阿勒泰地区常年受北冰洋水汽影响,氘盈余年内变幅不明显。尽管δ¹⁸O均表现为夏季富集、冬季贫化,但多年均值差异明显,该差异也使得利用同位素确定地下水补给来源成为可能。准东盆地东天山附近地下水主要受到来自东天山的大气降水补给,而北侧自流区地下水同位素相对贫化,与阿勒泰站大气降水同位素及氘盈余特征相似,结合地形、水文地质条件等特征,认为该区主要受克拉美丽山大气降水补给。     

南京冬季城、郊下垫面辐射平衡特征对比分析

市区水泥下垫面是城市各种人为下垫面类型中占比重最大的一种且具有典型的城市化特征,其热力性质明显有别于郊区接近自然的下垫面,这必然造成地表辐射平衡和能量交换过程发生改变,对城市气候产生影响。分析城、郊不同下垫面的辐射平衡特征,有助于进一步了解城市气候的成因和影响机制。本文利用在南京冬末开展的"城市边界层三维结构研究"实验所取得的城、郊水汽、温度和地表辐射平衡及分量观测资料,分析了南京城、郊下垫面近地层的辐射平衡及各分量的变化特征,结果表明:①不同天气条件下城、郊辐射平衡及分量特征有一定差异,尤其在天气转折变化时差异更明显,在晴天时差异最大,在下雪天时差异最小,但多云时更接近各辐射分量城、郊差异的平均特征;②净短波辐射在地表辐射平衡城、郊差异日变化中起主导作用;③在冬季多云时的城市"干岛"效应和雪天时的城市"热岛"效应也是影响城市辐射平衡及各分量城、郊对比差异的重要因子。     

小冰期气候的模拟

利用含有陆面过程的全球大气环流模式AGCM SSiB进行了小冰期气候模拟.共设计了7个模拟试验,分析了模拟的温度和降水结果.主要结论是:(1) 温度:以太阳辐射减少为小冰期降温的假设机制对于季节的降温影响是不同的,夏半年的降温作用要较冬半年明显,同时由于其他反馈作用的存在,冬季温度的变化表现出区域差异.但全年平均温度降温是主要特征.火山灰对冬季降温的作用十分明显,且降温效应小于太阳辐射减小的作用.太阳辐射减少与火山灰光学厚度增加同时作用对大范围的降温有叠加增强效应.(2) 降水:在一定的太阳辐射减少情况下,有利于东亚地区夏季风降水的增加.火山灰光学厚度增加对欧亚大陆大部分地区年降水量未有显著影响.太阳辐射减少和火山灰增加的综合效果使中国东部地区的夏季风降水增加,而南亚地区的降水减少.叠加植被变化后的结果显示,降水变化存在区域差异.     

天津地区大气降水中氢氧稳定同位素特征及影响因素研究

依据国际原子能机构(IAEA)提供的天津地区1988~2001月降雨和同位素资料,分析了该地区大气降水的稳定同位素的组成和变化以及主要影响因素.天津大气降水线与我国东部季风区的局地大气降水线方程较为接近.大气降水同位素组成变化中的温度和降水效应较小,主要受季风以及季节水汽来源不同的影响,有显著的季节效应.     

城市水泥下垫面能量平衡特征的观测与分析

水泥下垫面是城市各种人为下垫面类型中占比重最大的一种,且具有典型的城市化特征,其热力性质明显有别于自然下垫面,是局地天气、气候变化的主要因素之一.利用2005.7与2006.3夏、冬两季,在南京进行的城市边界层外场试验通量观测资料,初步分析了水泥下垫面能量平衡方程中各项特性.结果表明:(1)夏、冬两季水泥下垫面净辐射通量(Rn)白天差异较大,通常有100 W/m2左右,但峰值差异却仅有10 W/m2;虽然夏季夜间地、气温度高于冬季,但夏季夜间水泥下垫面向外释放的净辐射通量小于冬季.(2)由于水泥下垫面的不透水性,潜热通量(LE)通常很小,感热通量(H)则成为水泥下垫面加热大气的最主要方式.夏、冬两季H在白天表现为量值差异;夜间表现为符号差异,即夏季夜间H通常为正值,表明下垫面仍在加热大气,而冬季夜间H为负值,表明下垫面对大气起冷却作用.该特征也是夏季夜间热岛强度明显强于冬季的主要成因.(3)储热项(△Qs)成为城市下垫面能量平衡方程中主要的源汇项,无论是冬季还是夏季,水泥下垫面△Qs在能量收支过程中所占份额明显大于(H LE);而自然下垫面通常是(H LE)大于△Qs,这正是城、乡下垫面热力性质最主要的差异.     

Community Climate Model 3气候模式在东亚季风区产生虚假降水的一种可能原因

通过分析NCAR CCM3气候模式的15年积分结果,从形成降水的垂直运动和水汽供应条件的角度,试图揭示该模式在东亚季风区产生不合理虚假强降水的可能原因.与观测的降水分布相比,CCM3模拟的东亚季风区降水中心位置偏西,雨量偏强,其中对流降水占虚假降水中心总降水量的82%左右.进一步分析发现,对流层上层200 hPa副热带急流南侧的散度季节变化与110°E以西的虚假降水季节变化具有较好的对应关系,急流入口区附近的直接垂直环流上升支位于青藏高原东北部,同时由于急流南侧对流层上层辐散引起的抽吸作用,加强低层的垂直运动,从而为虚假的强对流降水形成提供上升运动条件.分析对流层低层的水汽(比湿)分布和水汽输送表明,模拟的青藏高原地区大气的水汽含量比NCEP/NCAR再分析的水汽含量高,经过高原从孟加拉湾输送到虚假降水中心地区的水汽偏强,从而为虚假的强对流降水形成提供了充足的水汽条件.因此,在改进气候模式对东亚季风区虚假降水的模拟性能时,除了对模式物理过程做改进外,在青藏高原附近地区的水汽分布和水汽输送以及对流层上层西风急流位置和强度模拟的合理性方面也需要引起足够的重视.     

青藏高原冬季积雪异常对东、南亚夏季风影响的初步数值模拟研究

利用一个耦合了简化的简单生物圈模式的大气环流谱模式（ＳＳｉＢ－ＧＣＭ），初步探讨了青藏高原冬季积雪异常对东、南亚夏季风环流和降水的影响及其机理。结果表明，高原地区冬季积雪增加将使随后的夏季东、南亚季风明显减弱，主要表现为东、南亚季风区降水减少，索马里急流、印度季风槽和印度西南气流减弱。另外，还提出欧亚大陆雪盖与整个高原雪盖和高原东部雪盖对东、南亚夏季风影响的敏感性问题。与欧亚大陆雪盖相比，高原雪盖是影响东、南亚季风的更敏感区，冬季高原以外雪盖增加，有可能使亚洲季风增强；当高原东部雪盖增加时，高原以东地区及印支半岛降水减少，印度东部、南部和孟加拉湾西北部降水反而增加     

中南半岛春季土壤湿度对南海及其周边地区夏季降水的影响

通过SVD分析等统计方法对中南半岛春季土壤湿度对南海及其周边地区夏季降水的影响进行了诊断分析,结果表明:中南半岛春季土壤湿度与西太平洋夏季降水呈现显著正相关,而与东印度洋夏季降水为显著负相关。中南半岛春季土壤湿度表现正异常时,西太平洋夏季降水增加;东印度洋夏季降水减少;正异常时,局地的蒸发偏大,近地面湿度增大,地面到大气的潜热通量增加;地表反照率减小,对太阳短波辐射的吸收更加强烈,向上的短波辐射相应减少,导致近地面温度降低,感热通量和长波辐射减少,使得海陆热力差异减小,有利于季风加强,季风爆发时间偏早,从而导致从东印度洋的水汽输往西太平洋,增加西太平洋的降水;反之亦然。