青藏高原东部多、少雪年地表能量和水分特征对比研究

青藏高原积雪对地表能量和水分交换有重要影响。本文通过选取青藏高原东部玛多、玛曲和垭口3个站点多雪年和少雪年的气象资料,对比分析了多雪年和少雪年的地表能量和土壤水热特征。结果表明：在地表辐射平衡方面,多雪年或积雪较多的时期可以反射掉较多的向上短波辐射。玛多站多雪年反射掉的向上短波辐射是少雪年的2.3倍,玛曲站主要积雪期（3-5月）中多雪时期比少雪时期多反射掉10.07 W·m^-2的向上短波辐射,垭口站多雪年的年平均向上短波辐射分别比两个少雪年高出37.49 W·m^-2和31.92 W·m^-2。多雪年或积雪较多的时期还可以减少向上长波辐射的发射。玛多站多雪年与少雪年向上长波辐射的差值在整个研究时段中基本为负,垭口站两个少雪年在当年12月初到次年1月和次年2月末到4月初这两个时段,积雪越深,向上长波辐射值越小。向上短波和向上长波辐射的差异使得多雪年的地表净辐射少于少雪年。不论多雪年还是少雪年,土壤热通量的值都很小,地表能量分配主要以感热通量和潜热通量为主。玛多站少雪年以感热通量为主且感热通量为正,但多雪年感热通量为负;玛曲站的...     

黄河源区多、少雪年土壤冻融特征分析

利用2011年10月至2017年12月黄河源区鄂陵湖野外观测数据,对比分析多雪年与少雪年土壤冻结与消融时间、土壤温湿度、地表能量分量的变化特征。结果表明:多雪年地表反照率偏高,净辐射偏低,地表感热输送偏低,土壤由热“源”转为热“汇”的时间晚于少雪年。积雪可减少土壤吸收辐射能量,减少地表感热通量,在土壤完全冻结期与消融期增大地表潜热通量,在完全冻结期,减少土壤向大气的热输送,在消融期,减少大气向土壤的热输送。积雪在冻结期有降温作用,使得多雪年土壤较早发生冻结,且同一时期土壤温度偏低;在完全冻结期有保温作用,使得土壤温度偏高;在消融期有保温(“凉”)作用,使得消融较晚,且同一时期土壤温度偏低。在整个积雪年内,多雪年浅层土壤湿度高于少雪年,积雪对浅层土壤有保湿作用。积雪使土壤开始冻结时间有所提前,开始消融的时间有所滞后,可延长该年土壤完全冻结持续天数。     

三峡库区气温变化高精度区域气候模式模拟与预估

基于三峡库区1961—2005年气温逐日格点数据,评估由BCC_CSM1.1模式驱动的RegCM4区域气候模式、MPI-ESM-LR模式驱动的CCLM区域气候模式对三峡库区平均气温、极端高温的模拟能力,选用与观测值更为接近的区域气候模式模拟结果,预估三峡库区在RCP4.5温室气体排放情景下2016—2035年气温变化。结果表明:RegCM4和CCLM模式均能模拟出三峡库区多年平均气温、高温日数和高温强度的季节变化和空间分布形态,但均在库区东北部模拟的年平均气温偏低、高温日数偏少、高温强度偏小。同时,模式均能较好地反映出三峡库区年平均气温、年高温日数的年际变化,但对高温强度的年际变化模拟较差。总体而言,CCLM模式对三峡库区气温的模拟效果好于RegCM4。RCP4.5情景下,三峡库区2016—2035年平均气温、高温日数比当代(1986—2005年)分别增加0.6℃和5d,高温强度变化不明显。     

青藏高原冬春季积雪异常与我国夏季低温的关系

利用改进后的大气环流谱模式,进行长时间积分,模拟青藏高原积雪的年际变化。分别对模拟结果的多雪年和少雪年夏季温度场进行分析,结果表明：青藏高原冬春多雪年,我国北方大部分地区夏季气温比常年低,而南方地区夏季气温比常年偏高,少雪年则结论相反。同时结合历史实况资料的分析,可以看出东北夏季低温易发生在青藏高原多雪年,而长江中下游及南方地区夏季低温与青藏高原积雪异常的关系不明显。     

基于高分辨率区域气候模式的三峡库区降水变化模拟与预估

基于三峡库区1961—2005年逐日降水格点数据,评估由BCC_CSM1.1模式驱动的RegCM4区域气候模式、MPI—ESM—LR模式驱动的CCLM区域气候模式对三峡库区年平均降水量、极端降水的模拟能力,筛选出与观测更为接近的区域气候模式模拟数据,预估在RCP4.5温室气体排放情景下未来2016—2050年三峡库区降水变化特征。结果表明:RegCM4和CCLM模式能够模拟出三峡库区降水量和暴雨日数的季节、年际变化特征和空间分布形态,但在库区东南部模拟的数值均偏少,而对暴雨强度不具备模拟能力。总体而言,CCLM模式对三峡库区降水的模拟效果好于RegCM4。在RCP4.5情景下,2016—2050年三峡库区年降水量未表现出明显变化趋势,而年暴雨日数将显著增加,平均较当代(1986—2005年)增加1.2 d。     

土壤砾石参数化对一次高原低涡形成发展影响的数值模拟

为了验证陆面过程模式砾石参数化方案在青藏高原上的天气过程的模拟能力,本文通过耦合了砾石参数化方案CLM4.5的区域气候模式RegCM4,对一次高原低涡个例进行模拟研究,利用模拟的500 hPa高空形势场、2 m温湿度和土壤温湿度等数据,结合ERA5资料对比验证分析。结果表明：加入砾石参数化方案的RegCM4对本次高原涡个例模拟效果整体较好;在500 hPa高空形势场中,新方案比旧方案更为准确地模拟出高原涡中心位置和涡区温度场特征;在高原涡生成和发展阶段,新方案模拟的2 m温度和相对湿度效果明显较旧方案强,为低涡的生成和发展提供有利条件;在土壤温湿度的模拟中,加入砾石后提升了土壤的导热率和导水率,使高原涡在初生和发展阶段提供更好的土壤热力和水分条件;高原涡消亡阶段,新方案使浅层土壤温度下降,深层土壤温度升高;在500 hPa反气旋性环流地区,新方案模拟的土壤体积含水量较旧方案偏低,而当青藏高原高空无强烈天气系统时,新旧方案在土壤体积含水量的模拟表现差别不大。在高原涡整个生命史中,新方案在浅层土壤温度的模拟明显优于旧方案,而在土壤体积含水量模拟中第1层效果最好。     

基于RegCM4模式的我国西南地区极端降水变化预估研究

基于5个全球气候系统模式结果驱动的高分辨率区域气候模式(RegCM4)模拟输出,系统评估了RegCM4模式对中国西南地区极端降水变化的模拟性能,并科学预估了中国西南地区极端降水的未来演变特征。结果表明,RegCM4模式能合理再现西南地区极端降水变化特征,但模拟的四川中部的湿偏差较大而四川盆地干偏差较大;进行偏差校正后,模拟性能有所提升,对西南地区极端降水模拟偏差有所减小。相较于当代气候(1986—2005年),就区域平均而言在21世纪(2021—2098年),有效降水总量(Prcptot)、强降水日数(R10 mm)、日最大降水量(Rx1day)和极端降水量(R95p)都明显增加;在RCP4.5和RCP8.5情景下,Rx1day和R95p在西南大部分地区增多,到21世纪末RCP4.5情景下增加幅度分别为16.0%和12.6%;Prcptot和R10 mm未来变化存在一定的区域差异,但Prcptot和R10 mm变化在空间上较为相似,在云南南部和四川盆地地区呈现减少趋势,其余地区增加明显;且RCP8.5高排放情景的变化幅度明显大于RCP4.5情景。     

RegCM3.0与RegCM4.0对中国区域多雨年夏季气候模拟的对比分析

采用RegCM3.0和RegCM4.0模式,利用NCEP/DOE Reanalysis II数据、NOAA的周平均海温资料以及BATS、CLM3.5两种陆面过程方案,对我国4个典型多雨年(1998、2003、2007、2010年)的夏季气候进行模拟试验。结果表明,RegCM4-BATS1e模拟的降水量和雨带位置都与观测事实更为接近,尤其是对东南沿海地区强降水带的模拟,模式两个版本对湿润区的降水模拟均偏少,对干旱半干旱、湿润半湿润区的降水模拟则偏多;对于气温的模拟,其模拟结果均存在负偏差,但都能够模拟出位于东南沿海及新疆沙漠地带的温度高值区,RegCM4-CLM3.5模拟温度的量值更准确,而RegCM4-BATS1e模拟的温度空间分布型态与实际最为接近。     

青藏高原冬春积雪异常与中国东部地区夏季降水关系的进一步分析

为了进一步分析青藏高原(下称高原)冬春积雪异常与中国东部地区夏季降水的关系,利用1957～1994年高原地区的实测雪深、1951～1994年6～8月中国东部地区226个均匀分布测站的实测月降水量,以及美国国家环境监测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)1958～1994年1～12月的再分析格点值资料,对比分析了高原冬、春季多、少雪年后期中国东部地区夏季(6～8月)降水分布和环流的平均特征,也分析了高原积雪影响的机理.分析结果表明:1) 平均来说,多雪年夏季长江及江南北部降水可偏多1～2成,华北和华南的降水则偏少1～3成;少雪年夏季江淮流域及湘、黔地区少雨,华北和华南多雨.2)高原冬、春积雪不仅影响了后期高原的热状况,而且影响了后期东亚大气环流的季节变化和南亚与东亚的夏季风环流.     

东南亚地区未来气候变化的区域气候模式预估

在联合区域气候降尺度试验CORDEX(Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment)的框架下,使用全球气候模式MPI-ESM-MR（简称MPI）的模拟结果,驱动区域气候模式RegCM4(Regional Climate Mode version 4),开展了在中等温室气体排放路径RCP4.5下的东南亚区域21世纪气候变化预估试验。试验中模式的水平分辨率为25 km×25 km,积分时间为1981～2099年。模式对东南亚区域当代（1986～2005年）气候的模拟结果表明：MPI与RegCM4对这一区域年平均气温、降水的空间分布特征均具有较好的模拟能力;相比于全球模式,高分辨率的RegCM4提供了空间分布上更为精细的气候信息,但其模拟的气温存在系统性冷偏差,对降水的模拟则普遍偏多。对未来气候变化的预估显示,MPI与RegCM4预估的未来气温均一致表现为增加,至21世纪末期（2081～2099年）,预估的区域年平均气温升高幅度分别为1.8°C和1.7°C。二者对降水的预估则存在较大差异,MPI预估的年平均降水有不同程度增加,而Reg...     

黄河源积雪期土壤温湿及冻融特征分析与模拟

利用2017～2018年黄河源地区野外观测站数据,对黄河源区两个积雪期内土壤温湿及冻融特征进行了分析,并与CLM4.5模式模拟的积雪期土壤温、湿度及辐射分量进行了对比,结果表明:CLM4.5能很好地模拟出整个积雪期土壤温度的变化趋势;对不同土壤层在不同冻结阶段土壤含水量的模拟有所差异:在完全冻结阶段,对5cm 土壤层含...     

青藏高原多年冻土区典型下垫面冻融过程作用分析

利用青藏高原腹地安多站土壤观测资料,根据10cm土壤日最高和最低温度将冻土分为融化过程、完全融化、冻结过程和完全冻结四个阶段,并结合感热通量、积雪深度、相对湿度和降水资料定性的探讨了冻融过程对地气热量、水分交换的影响。结果表明:各层土壤在东亚季风爆发前期由上至下完成融化过程,10月中旬～12月上旬完成冻结过程,融化期普遍长于冻结期。土壤湿度大值区在时间上集中在高原雨季,空间上10cm深度以上为湿度大值区,而且上层土壤的温度梯度要明显大于下层。在融化阶段整层土壤的温度长期保持0℃的等温相变现象,此时,表层土壤温度日变化幅度为全年最大,最高日变幅达22.5℃。安多站地面除12月个别天数和1月上旬是冷源外,全年为地面热源,近地面感热通量从1月开始增大,到6月上旬达到峰值,之后逐渐减小。同时,感热通量的变化对相对湿度、降水和积雪的变化较为敏感。      

The contribution of snow condition trends to future ground climate

Global climate models predict that terrestrial northern high-latitude snow conditions will change substantially over the twenty-first century. Results from a Community Climate System Model simulation of twentieth and twenty-first (SRES A1B scenario) century climate show increased winter snowfall (+10–40%), altered maximum snow depth (?5 ± 6 cm), and a shortened snow-season (?14 ± 7 days in spring, +20 ± 9 days in autumn). By conducting a series of prescribed snow experiments with the Community Land Model, we isolate how trends in snowfall, snow depth, and snow-season length affect soil temperature trends. Increasing snowfall, by countering the snowpack-shallowing influence of warmer winters and shorter snow seasons, is effectively a soil warming agent, accounting for 10–30% of total soil warming at 1 m depth and ~16% of the simulated twenty-first century decline in near-surface permafrost extent. A shortening snow season enhances soil warming due to increased solar absorption whereas a shallowing snowpack mitigates soil warming due to weaker winter insulation from cold atmospheric air. Snowpack deepening has comparatively less impact due to saturation of snow insulative capacity at deeper snow depths. Snow depth and snow-season length trends tend to be positively related, but their effects on soil temperature are opposing. Consequently, on the century timescale the net change in snow state can either amplify or mitigate soil warming. Snow state changes explain less than 25% of total soil temperature change by 2100. However, for the latter half of twentieth century, snow state variations account for as much as 50–100% of total soil temperature variations.     

青藏高原腹地多年冻土区活动层水热过程对气候变化的响应

活动层作为多年冻土与大气系统之间能量和水分交换通道,其内部的水热状况是控制水循环和地表能量平衡的主要因素,并直接影响着寒区生态环境、水文过程以及多年冻土的稳定性。利用一维水热耦合模型CoupModel,对青藏高原风火山试验点活动层土壤剖面温湿度进行了模拟。模拟效率参数表明模拟结果很好地反映了研究区多年冻土活动层水热状况。基于已验证的模型,设置多种不同气候变化情形,来分析活动层内部水热状况对全球气候变化的响应。研究结果表明:(1)土壤温度与气温呈正相关关系,气温每升高1℃活动层平均增温约0.78℃,但随着土壤深度增加,增温幅度逐渐减小;(2)升温导致活动层土壤冻结和融化过程发生变化,且对融化过程的影响明显大于冻结过程;(3)活动层各深度土壤含水量随气温升高而增大,且增大幅度随土壤深度增加而不断增大;(4)在完全融化期,降水量增加降低了浅层土壤温度,升高了深层土壤温度,而完全冻结期土壤温度均随降水量增加而升高;(5)降水量增加导致活动层含水量增加,其中完全融化期土壤含水量变化最明显。因此,气候暖湿化将对青藏高原多年冻土区活动层土壤温湿度及冻融循环过程产生较大影响,可能不利于冻土发育。     

青藏高原东西部积雪效应的模拟对比分析

采用引入次网格尺度地形重力波拖曳的NCAR区域气候模式(RegCM2),以SMMR微波逐候积雪深度观测值为依据,加入较合理的积雪强迫,通过数值模拟,研究了青藏高原(下称高原)东、西部积雪异常对后期区域环流的不同影响。模拟结果的对比分析表明,高原西部多雪对高原东部积雪存在正的反馈作用,有利于高原东部积雪的增加,而高原东部多雪对高原西部积雪的影响很小。高原西部积雪偏多和高原东部积雪偏多对后期大气温度场和高度场的影响具有基本相同的分布形态,只是影响强度有所不同。高原西部积雪的融化要迟于高原东部积雪,高原西部积雪效应的持续性较强。另外,高原西部多雪对高原东部积雪存在正的反馈作用,高原东部积雪的增加进一步加大了整个高原积雪的异常,因此,高原西部积雪偏多对后期环流的综合影响明显大于高原东部积雪偏多的影响。     

大同市冻土气候变化初探

利用大同市所辖8个站1962—2012年地面气象观测记录中的冻土资料,采用线性倾向估计、累积距平等方法,分析大同市土壤开始冻结期、完全解冻期、冻结期及最大冻土深度的变化特征及其影响因素。结果发现：51年中大同市冻土主要表现为最大冻土深度减小, 开始冻结期推迟,解冻期提前, 冻结持续期缩短的总体变化趋势,冻土除了受气温的影响外,局地因素对最大冻土深度的影响较大。     

唐古拉地区活动层水热状况及地气系统能水平衡分析

活动层水热状况与地-气系统间能水交换直接影响着寒区生态环境、水文过程以及多年冻土的稳定性。利用唐古拉站2007年实测资料和SHAW模型,对研究点活动层土壤剖面温湿度进行了模拟。土壤温度方面,模型的纳什效率系数NSE≥0.93;水分方面,纳什效率系数的平均值为0.69,说明SHAW模型可用于多年冻土区活动层内水热动态变化的模拟研究。基于模型的输出结果,对唐古拉站活动层土壤冻融过程中的水分动态、地表能量收支的变化特征进行了分析讨论。结果表明:(1)活动层冻融过程中,土壤水分的冻结和融化响应时间随土壤深度的增加而逐渐滞后,水分迁移通量随土壤深度的增加逐渐减小;(2)地表能量平衡收支在季风活动引起的降水与活动层的冻融循环共同影响下,表现出明显的季节性变化特征。同时,通过改变SHAW模型植被输入参数中的叶面积指数,分析了植被覆盖变化对多年冻土区土壤蒸散发的影响。结果表明:植被蒸腾量、土壤蒸发量与总的蒸散发量与植被的叶面积指数呈正相关关系,而浅层土壤含水率(20 cm)则表现为负相关,当叶面积指数在-100%(裸土)~100%变化时,总蒸散发量的变化幅度为-5%~13%。     

黑龙江省季节冻土形成发育规律及特征

在黑龙江省均有季节冻结和季节融化现象发生，多年冻土区有季节融化层，季节冻结层主要分布在多年冻土区以外的地区。按季节冻结类型可把黑龙江省季节冻土分为过渡型、半过渡型、长期稳定型和稳定型等类型。季节冻结和融化深度在年际间有很大的差异，在多年冻土区南界附近，季节冻深年际间变化最大。土季节冻结和融化的影响因素主要有雪盖、植被、土壤成分及含水量、地表状况和地形等。     

青海南部高寒草地土壤冻融交替期水热特征分析

为进一步了解高寒草地土壤冻融交替过程及其对水热因子的响应机制,通过2014年8月1日至2015年8月1日不同土层土壤温度和水分观测资料的对比分析,较为系统地探讨了青南高寒草地土壤冻融期不同深度土层土壤温度和水分的变化特征。结果表明,青南高寒草地土壤冻融阶段大体可分为初冻期、稳定冻结中期、稳定冻结后期和消融期4个时期;不同土层土壤温度随气温的变化呈周期性波动,且随着土层的加深变幅减小;不同冻融期表层和亚表层土壤温度和水分波动幅度较大,下层土壤对水热因子的敏感性较小;土壤完全冻结的天数达44~115d,日冻融交替过程主要发生在表层和亚表层土壤。土壤冻融交替增强了土壤的保水性,对该区草地植被提前返青和初级生产力的提高具有促进作用。     

人工冻土观测的冻点对应的土壤温度研究

基于2018年12月至2020年3月喀左、沈阳、辽阳、满洲里4个国家级地面气象站人工冻土器与测温式冻土自动观测仪观测的资料,对人工冻土观测获得的冻点与测温式冻土自动观测仪获得的相应深度的温度进行对比分析。结果表明：人工冻土器获取的冻点对应的土壤温度与0℃总体一致,又不完全重合;0—35 cm深度范围,冻点对应的温度变化范围为-2~6℃,呈现跳跃性变化。35 cm以下深度范围,冻土冻点对应的温度变化范围为-0.5~1.0℃;融化过程冻点对应的平均温度高于冻结过程冻点对应的平均温度。从完全融化时间上来看,人工冻土器观测到的完全融化时间晚于测温式冻土仪0℃线完全消失的时间。人工冻土观测的实质是获得土壤温度0℃点所在位置。灌注不同台站水的冻土器内管在相同的温度环境下,冻结与融化状态无明显区别;人工冻土器内管冻结过程是温度和持续时间双重作用的结果,深层土壤温度变化缓慢,使得内管中的水冻结和融化需要的时间长。另外,作为接触式测温设备,减小外因产生的时滞是提高其灵敏度的重要环节,建议测温式冻土仪的外管壁使用温度滞后效应更小的金属外管。