塔克拉玛干沙漠腹地近地边界层温湿廓线与热量平衡分析

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测实验站2006和2007年7~8月取得的微气象观测资料,采用组合法、对数回归等方法,分析了沙漠腹地夏季近地层大气温湿廓线、沙层温度、地表辐射及热量平衡等微气象特征的日变化规律.结果表明:夏季夜间近地层存在逆温现象,在一定高度范围内气温随高度的升高而增加,日间气温变化情况与此相反.塔克拉玛干沙漠地表辐射平衡以正值为主,除大气向下长波辐射以外,其他各辐射分量(总辐射、反射辐射、地表向上长波辐射、净辐射)均有明显的日变化特征,呈现出标准的日循环形态.沙漠腹地地表热量交换以湍流感热占主导地位,只有一少部分热量以潜热形式输送给近地层大气,地表感热和潜热随着太阳高度角的升高和降低而变化,潜热最大值出现在凌晨,感热峰值出现在正午,观测分析还表明夏季沙漠下垫面对大气的加热作用较为显著,白天地面为强热源,晚上为弱冷源.     

巴丹吉林沙漠腹地降水事件后的沙山蒸发观测

巴丹吉林沙漠腹地高大沙山和湖泊的形成机理一直是学术界研究的热点,其中关于高大沙山上大气降水能否入渗补给地下水一直存在较大争议.本文基于沙漠腹地的2年降水观测和沙漠边缘的长时间尺度降水资料,结合概率分布模型和日降水极值重现期分析,对沙漠地区的降水等级进行了划分,并利用沙漠腹地的自动气象站和涡度相关系统的观测数据,对不同等级降水事件后的沙山蒸发进行分析.结果显示,沙漠地区的降水事件可分为3类,即5 mm以下的常规降水事件CP(占总降水的90%以上)、20 mm左右的普通年份最大日降水OAM和数十年一遇的极端强降水事件EP.CP和OAM事件后,降水分别约需1~3 d和3~4周可被蒸发出地表,EP事件后水分则需较长的时间方可蒸发出地表.三类降水事件的累积蒸发与累积降水表明,高大沙山上的大气降水对地下水没有显著补给作用.本研究对深入探讨巴丹吉林沙漠腹地湖泊群的形成机理有重要价值.     

世界第一条沙漠公路

1989年10月19日,中国勘探工作者在塔克拉玛干沙漠中部发现了石油,不久探明了亿吨级储量的塔中四油田。当时,从库尔勒到达那里要环绕沙漠边缘穿越5个地州24个县市,来到塔里木盆地南缘民丰县的安迪尔,然后再换乘从美、德、俄进口的沙漠车向北走两天到达塔中。其全程计2000多公里,相当于北京到广州的距离,时间需要10天。开发塔中油田需要运输几百万吨物资,运输费用高得令人无法容忍。因此修建一条从北部进入沙漠腹地的公路成为大规模开发塔中四油田必须立即要做的首要工作。 塔克拉玛干沙漠位于新疆维吾尔自治区南部,是世界第二大流动沙漠,东西绵延1500公里,南北宽500公里,和非洲的鲁卜哈利流动沙漠相比,流沙比例比后者高出20％,达到80％,每年沙丘移动速度7～9米。塔克拉玛干沙漠除了     

海河流域大气降水中稳定同位素的时空变化

利用海河流域2012年7月~2013年1月7个观测站点大气降水中的δD和δ18O数据,研究了流域降水稳定同位素的时空变化特征.结果表明流域降水稳定同位素季节变化具有明显的空间差异,南部站点降水稳定同位素值季风期(7~9月)相对贫化,非季风期相对富集;而流域北部站点则相反.这种季节上的空间差异主要反映了不同水汽来源和气候要素的控制,季风期间,受海洋水汽(d8.4‰)影响,流域降水中稳定同位素值普遍较低,而非季风期间由于大陆水汽(d14.1‰)影响,其降水中同位素以高值为特征;在日和月时间尺度上,降水中稳定同位素变化在流域南部地区(除惠民站外)表现出显著的降水量效应,而在北部地区则表现为显著的温度效应.流域降水易受到云底二次蒸发的影响,特别是在季风期间,受其影响,流域大气水线的斜率和截距显著降低.     

天然条件下塔克拉玛干沙拐枣对潜水条件变化的生理响应

通过对塔克拉玛干沙漠腹地不同潜水埋深、矿化度条件下特有灌木塔克拉玛干沙拐枣(Calligonum.taklimakanensis B.R.Pan et G.M.Shen)水分生理特性的研究.结果表明:(1)潜水埋深的变动对塔克拉玛干沙拐枣的水势(清晨、午后)和蒸腾速率的影响比较明显,二者均随潜水埋深的增大而降低,气孔导度的变化主要与外界环境温湿条件相关.渗透势(ψsat,ψtlp),相对含水量和相对渗透水含量(RWCtlp,ROWCtlp)也有随潜水埋深增大而减小的趋势;(2)潜水矿化度对植物水势的影响比较显著,对相对含水量影响不显著.高矿化度对植物生产力降低的影响比较显著;(3)塔克拉玛干沙拐枣通过高蒸腾降低同化枝的温度,保持较高的体内水分含量来适应沙漠腹地干旱、高热的气候条件.另外通过自身调节甚至牺牲生产力来适应沙漠腹地的潜水状况的变化.     

夏季纳木错湖水蒸发对当地大气水汽贡献的方法探讨:基于水体稳定同位素的估算

青藏高原中部和南部在夏季风期间的降水主要来自印度季风输送的水汽和高原自身蒸发的水汽. 然而, 目前两种水汽对降水的贡献率还不清楚. 夏季风期间(6~9 月), 纳木错湖区大气降水、河水中过量氘明显比纳木错以南地区降水中过量氘高, 这反映了纳木错湖水蒸发水汽与当地大气水汽的混合. 本文根据地表水体蒸发水汽对当地大气水汽贡献率的估算理论, 基于相关水体(降水、河水、大气水汽和湖水)中稳定同位素数据, 初步估算出近年夏季纳木错湖水蒸发水汽对当地大气水汽的贡献率平均约为28.4%~31.1%.     

“世界屋脊”大地形坡面探测同化信息对下游天气的预警效应

采用WRF模式多时间层三维变分同化技术(3DVAR),将青藏高原及其周边地区AWS自动气象站观测网多要素资料同化进数值模式的初始场,对发生于2008年1月中国南方及长江中下游特大雪灾天气进行数值模拟试验.由于青藏高原具有极其陡峭的大地形坡面,且高耸于对流层中部,故分布于高原大地形"坡面"不同高度的自动站网观测要素,将与无线电探空探测获取的大气"廓线"信息存在着某种程度的关联性,其不仅在观测点高度、梯度特征,而且在观测时间频数、"定点"、"定高"及其同步性等方面均具有不同于平原自动站、常规探空的特殊功能优势.高原大地形坡面自动站网信息同化场亦可提供高原东部下游天气系统高敏感区前兆性"强信号",并实现模式高原及周边区域初始场大气动力、热力三维结构客观化调整,从而提升下游区域灾害天气系统模拟与预报能力.研究表明,青藏高原及其周边地区自动站的水汽、温度、气压等资料同化信息对于预报下游区域的降水预报至关重要.     

那曲河流域季风结束前后大气水汽中δ 18O变化特征

在青藏高原中部那曲河流域2004年8~10月收集了大气水汽样品. 研究结果表明, 该流域大气水汽中 δ ¹⁸O值存在一定的波动, 尤其在季风撤退前后, 波动最为显著. 而且大气水汽中δ ¹⁸O与露点温度的波动趋势是明显反向的. 降水事件对该流域大气水汽中δ ¹⁸O波动具有绝对的影响. 在整个大气水汽样品收集时段, 降水发生时, 大气水汽中δ ¹⁸O都为低值. 不同的水汽来源对该流域大气水汽中δ ¹⁸O具有一定的影响, 特别是强烈的西南季风活动带来的海洋性水汽导致该流域大气水汽中δ ¹⁸O出现相对低值, 而当该流域主要受大陆性水汽影响时, 大气水汽中δ ¹⁸O相对较高.     

“世界屋脊”大地形坡面探测同化信息对下游天气的预警效应

采用WRF模式多时间层三维变分同化技术(3DVAR), 将青藏高原及其周边地区AWS自动气象站观测网多要素资料同化进数值模式的初始场, 对发生于2008年1月中国南方及长江中下游特大雪灾天气进行数值模拟试验. 由于青藏高原具有极其陡峭的大地形坡面, 且高耸于对流层中部, 故分布于高原大地形“坡面”不同高度的自动站网观测要素, 将与无线电探空探测获取的大气“廓线”信息存在着某种程度的关联性, 其不仅在观测点高度、梯度特征, 而且在观测时间频数、“定点”、“定高”及其同步性等方面均具有不同于平原自动站、常规探空的特殊功能优势. 高原大地形坡面自动站网信息同化场亦可提供高原东部下游天气系统高敏感区前兆性“强信号”, 并实现模式高原及周边区域初始场大气动力、热力三维结构客观化调整, 从而提升下游区域灾害天气系统模拟与预报能力. 研究表明, 青藏高原及其周边地区自动站的水汽、温度、气压等资料同化信息对于预报下游区域的降水预报至关重要.     

1992~2006年中国降水酸度的变化趋势

分析了全国74个酸雨观测站1992~2006年的降水pH资料. 结果显示, 15 a间中国酸雨区的整体分布格局没有重大改变, 长江以南仍是最大的连续酸雨区和重酸雨区, 北方地区尚未形成大范围的连续酸雨区. 1999年前的8 a间全国酸雨污染呈现减缓趋势, 2000年后, 华北、华中、华东及华南地区出现连续大范围的酸雨污染加重趋势, 其综合结果使得中国酸雨区的酸雨污染程度发生区域性变化. 15 a间, 华北、华中、华南呈现连续大范围的酸雨污染加重现象, 其中华北和华中的长江以北地区较明显; 中国重酸雨区之一的西南地区的降水酸度减弱, 酸雨污染程度呈现缓解趋势; 相应地, 长江以南的重酸雨区中心有向东发展的趋势. 对同期的降水电导率资料的分析显示, 15 a间中国降水中可溶性离子成分含量呈现整体增加的趋势, 其中1999年前为快速增加期, 2000年后基本稳定或呈下降趋势. 2000年后部分观测站的降水pH年变率与非氢电导率年变率正相关的事实显示, 颗粒物排放和其浓度水平下降导致降水酸性增强有可能是影响中国一些地区降水酸度变化的一个重要因素.     

利用PRECIS分析SRES B2情景下中国区域的气候变化响应

利用Hadley气候预测与研究中心的区域气候模式系统PRECIS单向嵌套该中心全球海-气耦合气候模式HadCM3高分辨率的大气部分HadAM3P, 分析PRECIS对中国区域当代气候的模拟能力和SRES B2情景下2071~2100时段(2080s)相对于气候基准时段(1961~1990年)中国区域的气候变化响应. 气候基准时段的模拟结果与观测资料的对比分析表明: PRECIS能够很好地模拟中国区域地面气温的局地分布特征; 总体上讲, PRECIS对中国北方地区降水的模拟效果优于南方地区, 模拟的冬季降水型态分布较好, 而夏季降水对地形比较敏感, 东南沿海地区降水的模拟值偏低. 对SRES B2情景下相对于气候基准时段的气候变化响应分析表明: 2080s中国北方地区增温幅度明显大于南方, 西北和东北地区尤为显著, 其夏季平均气温增幅可达5℃以上; 中国大部分地区降水量呈增加趋势; 冬季华南地区降水量明显减少; 夏季东北和华北地区气温增幅大而降水量减少明显, 而长江以南地区降水量显著增加.     

塔克拉玛干柽柳的根对多风环境的适应

采用全根挖掘的方法对塔克拉玛干沙漠腹地的成年塔克拉玛干柽柳根系分布的范围、垂直深度和特征分别进行了测量和研究.塔克拉玛干柽柳浅层侧根根系的形态分布与沙漠腹地的主导风向有着密切的关系;同时,垂直根分布深度受地下水水位的抑制.植株迎风面根系重量和长度的分布远远小于背风面.与此同时,柽柳背风面根径厚度相对于迎风面有明显增加.因此,塔克拉玛干柽柳对沙漠腹地多风生境的适应性响应是通过增加其背风面根系的分布和根径的厚度来实现的.     

大气质量南北涛动的季节循环

利用1979~2006年NCEP/NCAR逐日、月平均地表气压、经向风、辐射及水汽再分析资料, 对大气质量南北涛动(IHO)季节特征进行分析, 结果表明: (1) 由地表气压计算的大气质量IHO季节循环明显, 两半球大气质量呈一波型反位相变化, 且两半球年变程相当; (2) 半球水汽质量在南北半球呈现反相变化的季节循环特征, 其年变程与IHO的季节循环相当, 但位相相反; (3) 季节变化中, 越赤道气流的形成与大气中水汽质量的变化有关(E-P); (4) 辐射加热为IHO的主要外强迫因子, 其中半球地表净短波和净长波辐射, 分别与水汽质量及越赤道质量流季节变化相对应; (5) IHO季节变化主要与中纬度大气质量变动有关. 全球范围大气质量的重新分布, 在不同季节间有显著的海陆分布差异, 在北半球主要表现为纬向型分布, 而南半球则以经向型分布为主.     

中国东部季风区大气降水δ18O的特征及水汽来源

季风环流是水汽输送的重要载体, 它通过影响和制约大尺度水汽输送场的分布和水汽收支状况对季风区的降水产生影响. 对我国受季风影响最为显著的东部地区大气降水中稳定氢氧同位素的研究将有助于对季风降水机制的理解. 2005~2006年各月, 在中国大气降水同位素观测网络(CHNIP)位于该地区的17个观测站点进行了月大气降水样品的采集. 根据得到的274组稳定氢氧同位素组分所建立的局地大气降水线方程δD = 7.46δ18O + 0.90, 反应了该地区独特的局地气候特点. δ¹⁸O值由沿海向内陆地区逐渐贫化, 并且南部和东北地区δ¹⁸O值年内变化存在周期性. 不同地区影响降水同位素的气候因子不同, 由南向北, 温度效应逐渐增强, 降水量效应由全年存在变为只在主要降水期存在. 控制δ¹⁸O的地理因子存在差异: 南部和华北地区为高程, 东北地区是纬度. 此外, δ¹⁸O对季风的进退、雨带的移动以及台风/强热带风暴等强对流天气的运动路径有一定的示踪作用.     

北极地区春季降水呈现固态向液态转变的态势

降水形态的变化可以影响地表的温度和反照率,对下垫面物质和能量平衡、陆地水文及生态系统均产生极大影响.基于美国阿拉斯加8站和加拿大11站日平均气温和固态、液态降水资料拟合的固-液态降水临界气温,辨析了1961~2010年环北极地区253个站点的降水形态时空变化特征.结果表明:60°N以北地区,降雨量占总降水量的比值(rainfall to total precipitation ratio,RPR)随纬度升高而减小.RPR气候平均态在夏季最高,秋季、春季次之,冬季最小.在不同季节,RPR变化趋势存在明显的区域差异.在春季,RPR变化趋势较为一致,在北极大部分地区(82.46%站点)呈增加趋势,且有22.37%站点通过显著性检验,表明北极大部分地区春季降水在过去50多年间呈现由固态向液态转变的趋势.使用95%置信区间上限和下限临界温度对降水形态进行划分和趋势分析,其结果与使用最优解的计算结果一致.在北极冰雪开始消融的春夏季节转换期(3~7月),阿拉斯加、中西伯利亚和北欧部分地区存在明显的固态降水向液态降水转变的趋势,这一趋势可能正在对北极地-气相互作用施加着影响.     

一个长江中下游夏季降水的物理统计预测模型

提出了一个长江中下游夏季(6~8 月)降水的短期气候预测方法, 通过预测夏季降水的年际增幅, 进而再预测降水. 年际增幅(DY)定义为当年的变量值减去前一年的变量值. YR定义为长江中下游夏季平均季降水率. 通过分析与YR年际增幅有关的冬、春季节大气环流, 确定6个关键的预测因子, 建立物理统计的预测模型, 预测因子是南极涛动, 印尼-澳洲附近的850和200 hPa经向风垂直切变等. 这个预测模型对YR在1997~2006年后报中显示了很高的预测技巧, 预测的平均均方根误差是18%. 预测模型能够再现YR在1984~1998年的上升趋势和1998~2006年的下降趋势. 考虑到目前中国夏季降水的平均预测水平是60%~70%, 而长江中下游地区夏季降水的预测水平不高, 因此, 通过预测长江中下游夏季降水的年际增幅(然后再预测夏季降水)的方法, 能够显著地提高长江中下游夏季降水的业务预测技巧, 并具有潜在的应用意义.     

冬季极赤温差年际变化及其与东亚气候异常的联系

利用美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料,定义了冬季极赤温差(temperature difference between polar and equatorial regions,TDPE)指数,分析了地面以上2 m处极赤温差指数(ITDPE-S)的年际变化及其与同期东亚冬季降水、气温的关系.结果表明:ITDPE-S可反映出全球变暖过程中北半球高纬地区冬季地面温度显著升高,且在年际时间尺度上存在4~8 a的周期变化.ITDPE-S与东亚冬季降水和气温存在很好的相关.当ITDPE-S偏高(偏低)时,中国东北、新疆、河西走廊、日本海以及南中国海到菲律宾岛地区冬季降水增加(减少),对应着中国华北到东北地区冬季平均气温降低(升高).进一步研究发现,ITDPE-S高值年,东亚中纬度地区异常水汽主要来自西北太平洋,低纬度地区降水异常时的水汽主要来自热带海洋上空.水平温度平流引起的异常降温可部分解释东亚中纬度地区冬季平均气温异常偏低.这些结果对深刻认识大气环流异常的形成机理及其影响具有重要意义.     

季风降水中δ18O与季风水汽来源

利用稳定同位素瑞利分馏模型, 根据季风区可降水量与源区可降水量的比率f与季风降水中δ¹⁸O之间存在反相关关系这一基本假设, 提出了一种确定季风水汽来源的新方法. 应用西南季风区典型代表站新德里和东南季风区典型代表站香港夏季同位素资料, 对此方法的可行性进行了实例分析验证. 结果表明, 利用此方法确定的两站点季风降水的水汽来源与基本大气环流背景相吻合. 研究结果对于追踪季风水汽来源具有重要意义.     

大尺度大气环流异常与长江中下游夏季长周期旱涝急转

利用国家气象信息中心提供的1957~2003年中国720站夏季(5~8月)逐日降水资料, 对长江中下游地区夏季长周期旱涝急转现象(分旱转涝和涝转旱两种类型)进行研究, 定义了一个长周期旱涝急转指数(LDFAI), 再结合ERA-40再分析资料及1957~2003年南半球和北半球环状模(SAM和NAM)指数时间序列, 分析了异常年的同期和前期的大尺度大气环流异常特征, 结果表明: 旱转涝年旱期西太平洋副高主体偏南, 长江流域低层负涡度中心发展伴随着辐散、下沉的加强和水汽输送减弱, 同时南亚高压和高空西风急流位置偏南, 长江中下游地区干旱少雨; 涝期西太平洋副高北抬, 该地区低层有正涡度发展并伴随辐合、上升运动和水汽输送较强, 南亚高压和高空西风急流北抬, 导致该地区降水增多. 涝转旱年涝期北方冷空气活跃, 冷暖空气交汇于长江中下游地区, 低层正涡度发展同时辐合、上升运动和水汽输送较强, 南亚高压位于高原南侧上空, 长江中下游地区偏涝; 旱期低层有负涡度中心发展伴随着辐散、下沉的加强和水汽输送减弱, 副高异常显著的北跳, 南亚高压向东向北扩展至华北地区, 长江中下游转为东风急流所控制, 干旱少雨. 另外, 长江中下游夏季LDFAI与其前期2月份的SAM和NAM存在显著的负相关, 这为长江中下游夏季长周期旱涝急转现象的预测提供了有参考意义的前兆信号.     

季风降水中δ18O与高空风速关系

统计分析了西南季风区IAEA/WMO降水观测站曼谷、孟买、新德里、昆明及拉萨夏季降水中δ¹⁸O资料及各站高空大气风速资料发现, 高空风速与δ¹⁸O之间存在显著的正相关关系. 分析表明, 季风期间季风区上空存在一个季风水汽层, 雨滴在下落过程中通过这一水汽层并与季风水汽发生稳定同位素交换, 是导致高空风速和δ¹⁸O正相关的主要原因. 在西南季风区除温度和降水量外, 高空风速也是影响季风降水中δ¹⁸O变化的一个主要因子.