天山及周边地区空中水资源的稳定性及可开发性研究

本文利用天山及周边地区大气含水量序列的方差值和降水转化率,分析了天山地区空中水资源的稳定性和可开发性,结果表明：天山山区大气含水量的稳定性与大气含水量多少有密切关系,大气含水量低的地区,水资源稳定,而大气含水量高的地区,水资源不稳定。夏季是四季中方差最大的季节,稳定性较差;冬季是大气含水量方差最低的季节,特别是山区大气含水量稳定,秋季略高于春季。天山东部和西部地区的大气含水量方差明显要小,而中部地区的较大,这主要是由控制风带的强弱及水汽输送决定的。大气含水量的稳定性和海拔成反相关关系,这主要与水汽凝结的高度有关。地形高度变化和降水转化率密切相关,随海拔高度上升,降水转化率增大,降水转化率在2000m左右形成一个高值,天山山区年降水转化率最大,伊犁河谷冬季降水转化率最大。     

“鱼尾”状地形热力效应对天山降水系统及水资源的影响

利用卫星遥感资料、逐月2.5°×2.5°和1°×1°NCEP/NCAR再分析资料、逐月1°×1°CRU降水资料,以青藏高原与天山山脉相连区域的热源为切入点,重点探讨高原与天山山脉相连区域的热源、天山区域大气水份循环和云水资源的相关特征,计算了整层水汽、水汽输送、水汽相关矢及视热源等动力、热力诊断物理量,分析了天山区域夏半年降水的时空分布和变化特征。结果表明,天山区域降水和整层水汽集中区位于天山西部;天山区域强垂直运动能够描述出地形效应引起的气流爬升特征。分析天山地区的大气视热源与水汽汇的垂直结构揭示了天山西部充沛云水资源和高原与天山山脉相连的类似"鱼尾"区域的视热源存在显著相关。利用对"鱼尾"地形的整层视热源与整层水汽输送通道的相关矢分析,追踪影响夏半年天山地区丰富云水资源的远距离海洋水汽源,结果发现,夏半年天山地区的水汽源主要来自南部的大西洋、孟加拉湾、阿拉伯海和北部的北冰洋。天山地区水汽、降水和"鱼尾"地形热源具有12年的显著周期,在该周期上,20世纪50年代至末期,"鱼尾"地形热源的周期变化比天山地区的整层水汽的周期变化提前3~4年,而在50-80年代天山地区的整层水汽比降水提前3~4年,之后至末期提前1~2年。天山区域云水资源的年际变化特征一定程度上反映了该区域大气水份循环结构对"鱼尾"地形热源的响应机制。     

近30年西藏地区大气可降水量的时空变化特征

利用1980-2009年NCEP/NCAR再分析资料以及同期西藏地区34个气象站的月降水量资料,分析了该地区大气可降水量和降水转化率的时空变化特征.结果表明:(1)该地区大气可降水量具有从东南向西北逐渐递减的空间分布特征;近30年大气可降水量呈逐渐减少趋势且年际变率相对较小,还表现出显著的季节差异,即夏季大气可降水量最大、冬季最小;多、少雨年大气可降水量的空间差异不显著,说明西藏地区的空中水汽含量相对稳定,有利于空中水资源的合理开发和利用.(2)降水转化率在那曲中东部和西藏东南部最高、西藏西北部最低;近30年西藏地区降水转化率呈逐渐增加趋势且年际变率较大,其季节变化与大气可降水量的变化规律一致;降水转化率的高低在一定程度上决定了某年为多(少)雨年.(3)西藏地区大气可降水量和实际降水量的空间分布规律接近,但其时间变化趋势与同期降水量增加的趋势正好相反;大气可降水量转化率与实际降水量的变化趋势基本一致,降水转化率的升高(降低)对应着降水量的增多(减少).     

四川盆地与关中盆地春夏季大气降水氧同位素特征及意义

利用四川、关中盆地大气降水稳定同位素观测资料,通过计算、对比分析了两盆地内部降水稳定同位素春夏季节的变化特征.结果表明:两地降水稳定同位素在季节尺度上都具有显著的季节性变化;大气降水δ¹⁸O值与温度、降水量的相关性及变化趋势表明温度及降水量都不是两盆地内春、夏季上控制降水中稳定同位素变化的主要因素;两地春夏季大气降水线及其斜率、截距的异同,可以反映出两地局地气候特点及降水水汽来源的不同.降水水汽的来源是影响两盆地大气降水稳定同位素变化的主要因素,同时地理因素在季节上对地区降水水汽输送路径的影响改变了局地降水稳定同位素的组成.     

新疆北部冬季降水异常成因

利用1960—2004年天山山区及以北地区(新疆北部)38个气象站日降水量和NECP/NCAR逐日4次再分析资料,分析了新疆北部11,12月和1月降水异常的环流和水汽特征。结果表明:冬季斯堪的纳维亚环流型(SCA环流型)与新疆冬季降水异常密切联系;11月水汽输送量最大,1月最小,西风气流输送水汽多少决定降水异常;降水异常偏多时,新地岛以东北冰洋、西伯利亚和阿拉伯海向中亚地区水汽输送异常,高纬度地区和低纬度地区向中亚地区输送水汽汇合后沿西风气流进入新疆,而非来自地中海和里海水汽源地;降水偏少时,里海以东随西风气流向新疆水汽输送减弱。关注SCA环流型活动以及西伯利亚和阿拉伯海向中亚地区水汽输送异常对冬季降水预测具有一定意义。     

天山山区大气水分循环特征

将自然正交分解(EOF)和水平空间分辨率30"的地理信息数字高程(DEM)相结合,利用1961~2010年天山山区及其周边79个气象站月降水量应用梯度距离平方反比法计算面雨量,应用2000~2010年NCEP/NCAR逐日4次再分析1°(纬度)×1°(经度)资料计算水汽输送,研究了天山山区面雨量时空分布、水汽输送和外部水汽的降水转化率特征,以及降水转化率异常的初步成因。结果表明:1)天山西部和中部降水量平均在450 mm以上,东天山和天山西南端为150 mm左右。春季、夏季、秋季、冬季的面雨量分别为291.4×108 m3、625.9×108m3、218.1×108 m3和73.6×108m3,降水量分别为108.2 mm、232.4 mm、81.0 mm和27.4 mm,年降水量为449.0 mm。2)月水汽输送量呈正态单峰型分布,7月最大、1月最小,夏季水汽输送量为全年的41.3%,冬季为11.9%,春季、秋季分别为24.5%和22.3%。3)春季、夏季、秋季、冬季和年外部水汽的降水转化率分别为10.3%、12.6%、8.5%、5.4%和9.2%,降水转化率的大小与伊朗副热带高压、贝加尔湖高压脊和西亚副热带西风急流的位置和强度配置有关。     

青海高原不同地区大气水汽含量对比分析

利用青海省4个探空站和NCEP格点站的大气水汽含量及对应地面站温度和降水资料,对比分析青海高原不同气候区的大气水汽含量及其与气温、降水之间的相互关系。结果表明:青藏高原地区NCEP水汽含量与L波段探空估算的水汽含量变化趋势基本一致。4站大气水汽含量的季节和旬变化特征有明显差异,测站海拔越低大气水汽含量越高且与所处地理位置和地形有关,测站海拔越高时大气水汽含量与大气环流和天气系统密切相关。大于10 mm降水与水汽含量呈正比关系,水汽转化为降水的转化率较高;小降水和无降水与水汽含量关系不明确,水汽转化为降水的转化率较低。虽然降水与温度和水汽含量有一定的正比关系,但青海高原地区降水的产生过程复杂,因而不能用温度和大气水汽含量完全确定能否产生降水。     

基于地基GPS大气可降水量的福建水汽资源时空分布特征分析

利用福建省2010—2019年地基GPS站大气可降水量资料、地面气象观测资料和探空数据及ERA-Interim再分析资料,分析福建水汽资源的季节、月、日变化特征,并采用EOF、Mann-Kendall和滑动t检验等方法对近10 a水汽资源的时空分布和变化特征进行分析。结果表明:相较于ERA-Interim再分析资料,福建地基GPS大气可降水量具有较高精度。水汽季节分布以夏季最大,春季次之,秋冬季最低;其月际变化呈倒“U”型分布;晴日和雨日水汽变化差异显著。东部沿海地区水汽含量普遍高于西部山区,但降水转化率低于内陆山区。EOF分析结果显示福建省大气可降水量主要存在2种空间模态,其中第一模态方差贡献率占80.06%,主要表现为空间分布一致型,振荡强度由西北、西南向东部逐渐增强,相应的时间系数表征了大气可降水量显著的季节性变化特征。Mann-Kendall突变检验和滑动t检验的结果表明近10 a福建上空水汽资源未发生突变。     

东亚干旱半干旱区空中水资源研究进展

系统回顾了近年来中外对东亚干旱半干旱区空中水资源方面的主要研究进展,主要包括大气水汽、云的分布特征、空中水资源的降水转化率及其影响因子等。东亚干旱半干旱区西部及东部水汽含量较中部高,背风坡水汽含量较迎风坡高,季风区及山脉地区云水资源高于盆地、沙漠上空。20世纪80年代中期以后,东亚干旱半干旱区对流层底部的水汽显著增多,其中夏季增加最为明显。在全球气候变化背景下,中国西北部分地区云水路径总体呈现上升趋势,同时呈现"东正西负"的东西向变化差异以及"北正南负"的反相位特征。大气环流、地表温度、下垫面地表特征等因子通过影响东亚干旱半干旱区的水汽输送及蒸散,进而改变东亚干旱半干旱区空中水资源,空中水资源的改变通过影响辐射收支、不同高度云量及第2次相变产生的云水含量进而对局地温度和降水产生影响。以往研究中,大部分主要针对东亚干旱半干旱区大气中的水汽含量和云平均状态的分布与变化特征,而与降水相关联的空中水资源的变化特征目前仍不清楚,有待系统深入地研究。      

基于微波辐射计资料的祁连山东段大气水汽和液态水时空变化特征

气候变暖背景下全球干旱风险升高，而对气候变化高敏感的中国西北干旱半干旱区尤为突出，严重制约着区域经济的可持续发展，科学开发空中云水资源是解决该区域水资源短缺的有效途径。利用甘肃永登国家气象观测站地基多通道微波辐射计资料和常规气象观测资料，研究祁连山东段大气水汽和液态水的时空分布及不同性质降水前演变特征。结果表明：（1）受大气环流、地形、边界层及局地和区域天气气候条件等多因素影响，祁连山东段98%以上的水汽集中在6.0 km以下，大气水汽密度随高度下降，液态水含量则随高度先增后减。降水天气背景下，水汽密度及液态水含量明显增大，且液态水含量最大值出现高度有所降低。（2）水汽及液态水存在明显的季节变化，夏季大气可降水量远大于冬季，夏季液态水垂直伸展高度及最大值出现高度均大于冬季。（3）水汽及液态水日变化明显，且存在季节差异。水汽日峰值出现在下午至傍晚，谷值出现在清晨至中午；夏半年峰值及谷值出现时间较冬半年迟，且峰谷值变化幅度更大。液态水垂直伸展高度白天高于夜间，且夏半年垂直分布较冬半年深厚。（4）大气可降水量存在10～20 d和8 d左右的主周期，夏、秋季4～7 d和21～32 d的周期变化...     

沙尘暴过程中气象要素响应及输沙分析

通过野外监测系统获取的试验数据,对拐子湖地区2011年4月份一次强沙尘暴过程中贴地层微气象要素和输沙进行分析,得出如下结论：大气高温干燥,地表高温低湿、气压下降,风速增大是沙尘暴来临的前兆;沙尘暴过程中风向和风速相对稳定,气压、水汽压和相对湿度都会明显下降;地温下降速度较慢,土壤湿度略有上升;输沙量主要集中于距地表50cm以内高度层,在0-20cm高度层里输沙量呈增大趋势,20cm以上随着高度升高含沙量逐渐下降;跃移沙粒输沙量的空间分布与风向频率既有相似性,又有差异性;蠕移输沙量的方向分布比较复杂,同风向分布有显著的差异。这些结果对沙尘暴预报和沙源区的防风治沙有指导意义。     

巴丹吉林沙漠北缘沙尘天气过程中近地面气象要素变化及风沙流结构分析

提要：利用2013年春季在巴丹吉林沙漠北缘拐子湖地区的沙尘暴加强观测资料,对比分析该地区典型流动沙面晴天、扬沙和沙尘暴三种天气背景下各气象要素的变化特征及差异,同时对沙尘暴过程中近地层风沙活动特征进行分析。结果表明,随风速增加沙尘天气强度逐步提升且沙尘天气来临前风速、风向均表现出明显的调整现象,此后爆发过程中风速、风向相对稳定。随沙尘天气强度的增加气温逐渐减小且沙尘天气过程中地面呈利于沙尘起动的暖干状态,同时地面气压不断升高。悬浮的沙尘会导致拐子湖流动沙地各层地温有减小趋势,但减小程度相对较弱,使沙尘天气下各层地温仍保持良好的梯度变化和正弦型日变化趋势。拐子湖流沙地春季起沙风速为6.5m/s,输沙通量垂直分布状况在20cm左右具有明显的分段现象。地表100cm内总输沙量的50%和90%分别集中在地表20cm和56cm高度以内。观测期间整个5月地表0～100cm高度内的输沙通量为420.96kg/m。     

河套地区一次强沙尘暴天气过程分析

文章利用Micaps系统、地面常规观测气象资料,通过对高空、地面、风场、物理量场及卫星云图特征分析表明:前期的干暖气候及上游充足的沙源是形成巴彦淖尔市沙尘暴不可缺少的环境因素和物质基础;500~700hPa贝加尔湖低涡底部的西北气流风力在16~30m·s-1,并形成一支急流带,冷平流在10个纬度内有5根等温线的密集带,等高线与等温线交角≥45℃,是形成沙暴天气的前提条件之一;影响河套地区的地面冷锋,其后部的地面冷高压紧随其后,高低压之间气压梯度及地面风的加大以及沙尘暴出现前期近地面气温增温明显,大气层结不稳定度显著增大,为沙尘暴天气的爆发提供了动力条件和热力条件;通过对物理量场的分析,整层的干暖条件、强烈的上升运动及低层辐合高层辐散形成的次级环流的垂直作用,是沙尘暴发生发展的动力源泉;高空涡旋云系的发展配合地面辐合上升气流,表明了高低空强烈的抽吸作用对沙尘暴爆发的贡献。     

CWHF型全自动集沙仪结构设计及应用性能野外验证

集沙仪作为一种风蚀研究装置,可直接和准确的测定风沙流中的输沙量和风沙流结构。为此,我们自行设计了一种全自动、高频风沙流采样器—CWHF全自动集沙仪,并通过与2 m高度风速和Sensit跃移撞击传感器的野外配合观测,对比分析其野外实地的应用性能。CWHF全自动集沙仪整体外形呈“L”状,其最大特点是集沙容器底部安装有高精度单点称重传感器,使其能够实现集沙累积值的实时高频测量及长时间的采样任务。在野外环境中对沙尘暴天气背景下的相关数据进行分析,发现CWHF全自动集沙仪的累积量和输沙通量均与风速和撞击颗粒数间有较高的一致性,其能够很好地捕捉沙物质的输移信息,野外应用效果良好。此外,通过其估算塔中流动沙面2015年5月18日和25日两次沙尘暴天气近地表100 cm高度内,宽度为100 cm的截面上的水平输沙通量分别为101.37 kg和110.83 kg。     

Observed particle sizes and fluxes of Aeolian sediment in the near surface layer during sand-dust storms in the Taklamakan Desert

Monitoring, modeling and predicting the formation and movement of dust storms across the global deserts has drawn great attention in recent decades. Nevertheless, the scarcity of real-time observations of the wind-driven emission, transport and deposition of dusts has severely impeded progress in this area. In this study, we report an observational analysis of sand-dust storm samples collected at seven vertical levels from an 80-m-high flux tower located in the hinterland of the great Taklamakan Desert for ten sand-dust storm events that occurred during 2008–2010. We analyzed the vertical distribution of sandstorm particle grain sizes and horizontal sand-dust sediment fluxes from the near surface up to 80 m high in this extremely harsh but highly representative environment. The results showed that the average sandstorm grain size was in the range of 70 to 85 μm. With the natural presence of sand dunes and valleys, the horizontal dust flux appeared to increase with height within the lower surface layer, but was almost invariant above 32 m. The average flux values varied within the range of 8 to 14 kg m^?2 and the vertical distribution was dominated by the wind speed in the boundary layer. The dominant dust particle size was PM₁₀₀ and below, which on average accounted for 60–80 % of the samples collected, with 0.9–2.5 % for PM_0–2.5, 3.5–7.0 % for PM_0–10, 5.0–14.0 % for PM_0–20 and 20.0–40.0 % for PM_0–50. The observations suggested that on average the sand-dust vertical flux potential is about 0.29 kg m^?2 from the top of the 80 m tower to the upper planetary boundary layer and free atmosphere through the transport of particles smaller than PM₂₀. Some of our results differed from previous measurements from other desert surfaces and laboratory wind-dust experiments, and therefore provide valuable observations to support further improvement of modeling of sandstorms across different natural environmental conditions.     

PARAMETERIZATION OF MOBILIZATION AND TRANSPORT OF SAND-DUST DURING BLACK STORM AND MESOSCALE NUMERICAL EXPERIMENTS*

The typical black storms or sand-dust storms in the northwestern China are generated and developed through an interaction between the specific large scale circulation pattern and mesoseale systems.The passing by/over a huge sand-abundant desert of a strong cold front with intensive frontal zone at mid and lower levels is a necessary condition for the formation and development of a black storm or a severe sand-dust storm.In order to investigate the mechanism of the sand-dustmobilization,transport and sedimentation during the black or sand-dust storms,a parameterization scheme of sand-dust source-sink terms and an equation of transport for the sand-dust were proposed and incorporated into the MM4 mesoscale model.The modified MM4 model was applied to the "May 1993" black storm case and succeeded in reproducing the evolution of the weather systems associated with the black-storm,the sand-dust concentration at surface layer and its vertical distribution,and the sand-dust sedimentation and transport.Our results show that the numerical simulating method by using a mesoscale model,with inclusion of an equation of the sand-dust transport and a parameterization scheme of the sand-dust source-sink terms,is a promising approach to study the mechanism for sand-dust mobilization,transport and sedimentation during a sand-dust storm event.     

柯坪地区1971-2008年沙尘天气特征分析

利用1971—2008年柯坪站的地面气象资料及周边气象站的气候整编资料,分析了该地区的沙尘天气变化特征。结果表明:该地区沙尘天气以浮尘为主,扬沙次之,沙尘暴最少;具有明显的季节变化和年际变化,每年3—9月是沙尘天气的多发时段;浮尘年日数近38 a来无明显变化,沙尘暴和扬沙日数呈明显减少趋势;沙尘天气总体分布自东向西逐渐增多。沙尘天气与当地降水量和大风的关系密切,降水偏多的年份,沙尘天气偏少,在吹偏西北风时易出现沙尘天气。     

库尔勒市历年沙尘天气发生特性分析

本文根据1971~2010年库尔勒市气象实测资料,分析了库尔勒市沙尘天气40年变化特征,以及沙尘天气与平均风速,降水量,平均相对湿度,平均地面0cm温度和平均气温等气象因子之间的关系。结果表明:沙尘暴、扬沙、浮尘等沙尘天气在年际、季节与各月变化上具有一致性。20世纪的70年代沙尘天气发生日数最多,从1971~2005年沙尘天气发生日数呈波动下降趋势,1971年最高,共出现沙尘天气112d但不同沙尘天气发生日数最值出现的年份不同,2005~2010年沙尘天气发生日数又开始回升,到2010年沙尘天气的发生次数已接近70年代的平均水平。其次,沙尘天气呈现春夏季节发生日数多,秋冬发生日数少的季节变化趋势,每年的4月沙尘天气出现最多,1月沙尘天气出现最少。沙尘天气的发生与空气相对湿度、降水量呈现极显著的负相关,与风速呈现极显著的正相关,而与气温的变化关系不明显。根据2010年4月的沙尘颗粒物监测表明,沙尘天气使大气中的Ca、Mg、Fe等地壳元素含量增加。      

甘肃夏季特强沙尘暴分析

夏季沙尘暴的气候特征表明,夏季是甘肃省沙尘暴的次多发季节,主要集中在民勤、鼎新、金塔。通过对一次罕见的甘肃省夏季强沙尘暴天气分析发现:高空小槽、切变线、热低压是引发夏季沙尘暴的主要天气系统,而春季沙尘暴一般是大尺度天气系统造成的;夏季沙尘暴发生前期高空急流反映并不明显,急流风速的突然加大和沙尘暴几乎同时发生,这是夏季沙尘暴预报的难点之一;沙尘暴发生前8~12 h的螺旋度场对沙尘暴预报有较好的指示意义,正值越大,沙尘暴越强,但当沙尘暴与强降水同时发生时,沙尘暴区螺旋度值明显小于强降水中心螺旋度值。     

2010年春季北京地区强沙尘暴过程的微气象学特征

利用北京大学校园地区PM10质量浓度观测资料、中国科学院大气物理研究所325m气象塔气象要素梯度和湍流观测资料,分析了北京地区2010年3月20～22日两次强沙尘暴过程微气象学要素和沙尘参量的时空演变以及湍流输送特征,为理解北京地区强沙尘暴天气沙尘输送规律和微气象学特征提供参考。结果表明:3月20～22日强沙尘暴过程前后不同高度温度先升后降,气压和相对湿度则相反。强沙尘暴来临时,高层风速先迅速增大,低层风速增加略有滞后,风切变明显加强,PM10浓度最大值和风速极大值出现时间较吻合。强沙尘暴过境时,不同高度向下的湍流动量输送、向上的湍流热量输送和湍流动能明显加强。与3月21日非沙尘暴日相比,强沙尘暴过程湍流动量通量增加,有利于沙尘粒子的水平和垂直输送过程;由于冷锋过境,水平热通量增大;垂直热通量因白天温度垂直梯度减小而减小,夜间因逆温层被破坏而增加;水平湍流动能对湍流动能占主要贡献,垂直湍流动能仅占水平湍流动能的10%～25%。