近10 a来青藏高原地表温度时空变化特征分析

基于2008—2017年青藏高原地区133个地面气象站的地表温度观测数据和五套地表温度模拟资料(ERA-5、ERA-Interim、GLDAS2.1-Noah、JRA-55、MERRA-2),分析了近10 a以来青藏高原地区地表温度的时空变化特征以及多种地表温度模拟资料在青藏高原的适用性。结果表明:①青藏高原地区的地表温度呈现边缘地区高、中心地区低,由边缘地区向中心地区递减的变化趋势,地表温度的空间分布主要受海拔高度影响,同时服从纬度的地带性规律;②五套地表温度模拟资料均能够描述青藏高原地区地表温度的空间分布特征,但是均出现了低估现象,可以基于模拟资料所使用的高程数据与实际观测之间的高程差,对地表温度模拟结果进行修正;③近10 a,青藏高原地区的地表温度呈现变暖趋势,且随着海拔高度的降低,地表温度增暖趋势越剧烈;④在青藏高原多年冻土区3个地面气象站,五套地表温度模拟资料与观测资料呈显著相关(相关系数0.96),模拟误差具有季节性特征,在夏季和冬季偏差较大,在春季和秋季偏差较小。     

近10年来青藏高原地表温度时空变化特征分析

基于2008-2017年青藏高原地区133个地面气象站的地表温度观测数据和五套地表温度模拟资料(ERA-5、ERA-Interim、GLDAS2.1-Noah、JRA-55、MERRA-2),分析了近10年以来青藏高原地区地表温度的时空变化特征以及多种地表温度模拟资料在青藏高原的适用性。结果表明：(1)青藏高原地区的地表温度呈现边缘地区高、中心地区低,由边缘地区向中心地区递减的变化趋势,地表温度的空间分布主要受海拔高度影响,同时服从纬度的地带性规律;(2)五套地表温度模拟资料均能够描述青藏高原地区地表温度的空间分布特征,但是均出现了低估现象,可以基于模拟资料所使用的高程数据与实际观测之间的高程差,对地表温度模拟结果进行修正;(3)近10年,青藏高原地区的地表温度呈现变暖趋势,且随着海拔高度的降低,地表温度增暖趋势越剧烈;(4)在青藏高原多年冻土区3个地面气象站,五套地表温度模拟资料与观测资料呈显著相关(相关系数>0.96),模拟误差具有季节性特征,在夏季和冬季偏差较大,在春季和秋季偏差较小。     

青藏高原地表0cm温度的时空变化特征

利用青藏高原86个气象观测站从建站到2001年历年各月地面0cm温度资料，在分析高原冬季，夏季和平均地表温度基本气候特征的基础上，通过主成分分析、主值函数和功率谱分析等方法，对高原地表温度异常变化的空间结构和时间演变趋势作了诊断研究。结果表明：高原地表温度总体表现为海拔高度与纬度的函数，海拔越高温度越低，纬度越高温度越低；高原地表温度第一载荷向量除南部小范围的负值外大部分地方为一致的正值，即第一空间尺度表现为整体的一致性，而第二载荷向量为南正（负）北负（正），即第二空间尺度表现为南北差异；第一主分量在近30年的变化中表现为明显的上升趋势，即主要反映了高原主体偏北和东北部地区地表温度有显著升高趋势；而第二主分量的缓慢下降说明高原中部和东南部地表温度呈减小趋势。代表站温度变化表现出7～9年的周期震荡。     

1975-2008年青藏高原冬季气温变化

利用青藏高原及周边地区89个气象台站33年冬季月平均地表气温观测资料以及NECP/NCAR再分析资料,用统计学方法对该地区冬季气温变化作了分析研究,得到其整体变暖的变化趋势,该区域升温的线性趋势是0.6℃/10a。此外,由于高原台站分布不均匀,又分别从垂直方向和水平方向对高原冬季气温变化做了初步的分析。结果表明:青藏高原冬季气温整体变化趋势在增暖的同时个别区域也存在降温的趋势,600 hPa温度以及温度梯度随纬度增加而增加,而且随海拔高度的增高,增温趋势减小,到达一定海拔高度出现降温趋势,高原海拔高度较低的近地面层气温变化最明显。     

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。     

科尔沁沙地地区地表温度的确定和分析

利用2001年夏季和2002年春季在内蒙古科尔沁沙地开展的近地面层微气象观测资料, 计算和分析了流动沙丘下垫面地表温度及特征规律。在不同土壤深度间土壤性质分层均匀的假设下, 对不同实测土壤温度进行离散傅立叶变换, 结合土壤热传导方程, 由土壤温度主频振动振幅衰减与位相差计算的土壤导温率具有较好的相关; 利用不同深度土壤导温率关系和土壤温度主频及各谐波振动的振幅与位相推算地表温度, 由5 cm和10 cm土壤温度测量值计算的地表温度相关性较好。土壤温度振动日振幅随深度按指数衰减, 80 cm深度处地温值的日变化较小。     

青藏铁路冻土路基活动层形成特性研究

在环境温度季节性变化的条件下进行室内模拟试验,探索了模拟冻土路基活动层形成的试验方法,研究了青藏高原多年冻土区路基活动层的形成活动规律。试验表明：活动层从初始形成到基本稳定过程中,近地表土层对外界温度场的变化响应灵敏,随外界温度的改变出现规律的波动;深层土层对外界温度的变化表现出滞后性,温度曲线波动幅度较小;活动层在趋于稳定的过程中土层的温度特征呈现出较为明显的区域相似性,在一定外温影响范围内土层温度场变化规律接近;在环境负温的初期表层土层迅速降温,活动层厚度开始逐渐减小,受外界气温及深层冻土冷源作用的共同影响,活动层冻结过程中会出现从上下边界同时冻结的现象,加快了活动层的冻结速度。     

6种城市下垫面热环境效应对比研究

选择6种具有代表性的城市下垫面(沥青路面、水泥路面、荷兰砖地面、草地、嵌草砖地面、大理石地面)作为观测对象,基于热红外成像技术对其地表温度特征进行观测,系统分析不同城市下垫面地表温度的日变化以及季节变化特征,并利用不同下垫面温度的时间标准差、空间标准差及时空数据标准差定量揭示城市不同下垫面地表温度的时空变化特征,对比研究不同下垫面的热环境效应,结果如下。1)不同下垫面地表温度的日变化一般呈先上升后下降的单峰形态,草地地表温度在不同季节的日变化波动差异较大。沥青的地表温度在全年均为最高,对热环境的影响较大;嵌草砖和大理石在全年的温度均较低,对热环境具有较好的缓解作用,且缓解作用在夏季最显著。2)不同下垫面地表日均温度全年均高于大气温度,表明城市下垫面对大气在一年中都有加热作用。3)气温、太阳辐射以及空气相对湿度对下垫面地表温度的影响均较为显著;气温和太阳辐射与下垫面地表温度之间呈正相关关系,对下垫面以增温作用为主;空气相对湿度与下垫面地表温度之间呈负相关关系,对下垫面增温起抑制作用。4)嵌草砖的热环境稳定性较草地和大理石要好;沥青路面的温度变化特征最能代表本研究观测区域下垫面地表温度的时空变化特征。研究结果对了解城市不同下垫面热环境具有一定参考意义,可为缓解城市热环境提供科学依据。     

青藏铁路冻土路基活动层形成特性的试验研究

在环境温度季节性变化的条件下进行室内模拟试验,探索了模拟冻土路基活动层形成的试验方法,研究了青藏高原多年冻土区路基活动层的形成活动规律。试验表明:活动层从初始形成到基本稳定过程中,近地表土层对外界温度场的变化响应灵敏,随外界温度的改变出现规律的波动;深层土层对外界温度的变化表现出滞后性,温度曲线波动幅度较小;活动层在趋于稳定的过程中土层的温度特征呈现出较为明显的区域相似性,在一定外温影响范围内土层温度场变化规律接近;在环境负温的初期表层土层迅速降温,活动层厚度开始逐渐减小。受外界气温及深层冻土冷源作用的共同影响,活动层冻结过程中会出现从上下边界同时冻结的现象,加快了活动层的冻结速度。     

气候与环境的数学关系

借助天文学知识和常微分方程理论建立数学模型，反映地表温度与地面接受太阳的短波辐射强度、地面向外放射能量的系数、地表比热系数和远离地面的高空大气温度之间的内在联系，研究了环境对气候和温度滞后现象的影响，得到3个结论：（1）地表温度函数正向Liapunov渐近稳定，即地球具有自我调节地表温度的能力；（2）地面向外放射能量的系数与地表环境几乎无关；（3）某地的比热系数越大，则地表温度与太阳短波辐射强度之间的滞后量越大，地表温度变化越小，环境越舒适．最后根据国家气象局提供的连续5年（1996～2000年）的具体气象资料，分析了北京、武汉、石家庄、大连、桂林、酒泉、敦煌和吐鲁番等8个地区（其中北京、大连和酒泉纬度接近但地理环境明显不同）的日平均温度变化情况，所得结果与模型分析一致，验证了模型的合理性和实用性．     

青藏高原地面加热场与春季川渝地区气温的关系

应用奇异值分解(SVD)技术,研究了青藏高原地面加热场与东亚地区上空500hPa高度场及其东侧川渝地区春季气温场的时空联系和冷暖异常成因.结果表明:前期冬季青藏高原地面加热场与后期春季高度场的第1模态代表了两场间的主要耦合特征,具有显著的时空相关;前期冬季青藏高原地面加热场通过影响后期春季500hPa高度场,导致未来春季大气环流变化,是造成川渝地区春季气温异常的重要原因.       

青藏高原湖泊湖面变迁及影响因素

 湖泊对气候波动有敏感记录。以地理信息系统（GIS）和遥感（RS）技术为基础,从20世纪70年代、90年代、2000年前后和2010年前后4期Landsat遥感影像中,提取青藏高原所有湖泊边界信息,建立青藏高原湖泊空间数据库,并收集了青藏高原47个气象台站的年平均气温和年降雨量资料（1961-2010）,研究青藏高原湖泊湖面变迁及其影响因素。结果表明,1973-2010年,青藏高原湖泊个数和总面积呈显著增加的趋势;青藏高原湖泊湖面变迁主要受气温升高、降雨量增加和蒸发量减少的影响;此外,影响青藏高原湖泊湖面动态变化的因素还有冰川分布、人类活动、湖盆形状、补给和排泄区等。     

Variations in air temperature during the last 100 years revealed by δ~(18)O in the Malanice core from the Tibetan Plateau

By comprehensive analyses,it was found that the variations in δ^18O recorded in Malan ice core from the Kekexili Region on the Tibetan Plateau could represent the changes in air temperature during the summer half year (from May to October) over the Kekexili Region and the northern margin of the Tibetan Plateau.The general increase trend in δ^18O in the ice core during the past century indicated climate warming,and it was estimated that air temperature during the summer half-year rose about 1.2℃ over there then.However,this ice core record documented that the study area has been cooling while most of the world has been dramatically warming since the late 1970s. A tele-connection was found between the variations in δ^18O in the Malan ice core and the North Atlantic Oscillation.Moreover,the variations in δ^18O in this ice core were similar to that in the summer half-year air temperature over the southern Tibetan Plateau on the centurial time scale,but opposite on the multidecadal time scale.     

一个新的Ekman泵公式在大气边界层Ekman垂直速度计算中的应用

利用GCM模式资料和Tan最新得到的具有复杂边界的层结大气边界层的Ekman泵公式,计算了大气边界层顶的Ekman垂直速度.结果表明,除青藏高原外,一般地区的大气边界层顶垂直速度的量级为每秒零点几厘米.在青藏高原地区,大气边界层顶的垂直速度可达每秒几厘米的量级,其分布类型在冬季和夏季显著不同,与该地区的盛行风系紧密相关.将新的Ekman泵公式的结果与经典的Ekman泵公式的计算结果进行比较,讨论了二者间的异同.     

Thermal adaptation of the large-scale circulation to the summer heating over the Tibetan Plateau

The potential vorticity equation is employed to diagnose the variation in the large-scale atmospheric circulation in July by using the NCAR/NCEP daily reanalysis data from 1986 to 1995. Based on the theogy of thermal adaptation, the schematic diagram of the formation and maintenance of the circulation over the Tibetan Plateau is revealed in this paper. The result shows that near the surface of ground is the positive potential vorticity source produced by the increasing diabatic heating with height, which maintains the cyclonic circulation, and that the positive Ertel potential vorticitv (PV) source is balanced by friction dissipation. On the other hand, in the upper troposphere the negative PV produced by the decreasing diabatic heating with height maintains the anticyclone, and it is balanced by the divergence of the negative PV. The Gauss' theorem has been applied to analyze the Ertel potential vorticity flux crossing each of the lateral boundaries of the area over the Tibetan Plateau. The result shows that the negative PV flux is transferred through the eastern and northern boundaries of the area from the Tibetan Plateau region to the outer world. It is evident that the Tibetan Plateau region is an important source of negative vorticity of the atmosphere.     

Analysis of aerodynamic and thermodynamic parameters on the grassy marshland surface of Tibetan Plateau

The aerodynamic roughness z0m' the thermodynamic roughness zoh and the excess resistance to heat transfer kB are analyzed with the data obtained from Global Energy and Water Cycle Experiment ( GEWEX) Asian Monsoon Experiment on Tibetan Plateau (GAME/Tibet) in the Intensive Observation Period (IOP). 1998. Some new concepts on the aerodynamic and thermodynamic parameters over the grassy marshland surface of the Tibetan Plateau are proposed.     

Comparison of sensible and latent heat fluxes during the transition season over the western Tibetan Plateau from reanalysis datasets

The sensible and latent heat fluxes during the transition season over the western Tibetan Plateau from the NCEP-1 (NCEP/NCAR Reanalysis 1), AR-II (NCEP-DOE Reanalysis 2) and ERA40 reanalysis datasets were compared and analyzed. The results show that the phase change in soil moisture has a significant effect on the sensible and latent heat fluxes over the western Tibetan Plateau (TP) due to the freezing–thawing processes during the transition from the dry to the wet period. The uncertainties in the sensible and latent heat fluxes over the western TP are quite high in the reanalysis data, and depend largely on the success of the soil moisture simulations in the models. Improving the hydrological process simulations in the land-surface models in seasonally frozen ground and in the active frozen soil layer may be an effective way of enhancing the reliability of the surface heat fluxes from the reanalysis data over the Tibetan Plateau.     

南亚高压与我国盛夏气候异常

利用多年逐候平均资料，分析得到盛夏南亚高压的两类平衡态－青藏高压和伊朗高压，它们又可各分为东西部型。讨论了两类平衡态及其东西部型时的温度和降水分布差异。发现：青藏高压时，高压中心及其东南地区地面气温偏高，高压西北及北面的气温明显偏低，高压东侧的东亚地区多雨.伊朗高压时，高压中心及其西北区气温偏高，高压东南区的气温偏低，在高原南侧的印度北部地区降水偏强。青藏高压东部型使长江下游及西北地区多雨，华北和华南等大片地区干旱少雨；西部型使中国西南至华北大片东北－西南走向的地区为多雨，西北地区则高温干旱。伊朗高压东部型使中国东部沿海地区多雨；西部型使中国江淮流域有 明显的多雨带。     

青藏高原及周边地区云气候特征

利用25年(1983.7—2008.6)的ISCCP D2云气候资料,统计分析了青藏高原及其周边地区总云量时空分布特征,并根据高原地形特征、大气环流形势等作出了合理解释。     

青藏高原当雄地区湍流脉动耗散率特征研究

利用1998年第2次青藏高原气象科学实验（TIPEX）当雄地区观测站的湍流资料,分析了青藏高原中部地区湍流动能、温度脉动和湿度脉动耗散率的特征规律。结果表明,无量纲湍能耗散率φ_ε、无量纲温度脉动耗散率φ_N和无量纲湿度脉动耗散率φ_γ分别比风速梯度产生的能量、温度和湿度梯度产生的脉动约小20%,且随稳定度参数的绝对值的增加而呈增加的趋势;湍流输送和压力脉动项的影响贯穿于整个稳定度区间, 数值与z/L相联系。青藏高原中部地区湍流动能、温度脉动和湿度脉动耗散率的方程中系数与前人结果的差异,反映其对下垫面特征的依赖性。