1960-2009年中国西北地区东部低层风切变对雨日的控制作用及其在不同季节的降水效率

利用中国西北地区东部61个气象站1960-2009年逐日降水资料,结合同时次NCEP全球再分析风场资料,在气旋性风切变辨识算法的支撑下,分析了近50年西北地区东部低层气旋性风切变演变对同期雨日多寡的控制与指示作用,结合低层水汽条件与气旋性风切变的配置关系,对其在不同季节对雨日的可能影响程度及降水效率进行了逐一比对与成因探讨。结果表明:在冷暖空气交汇频繁的春、秋两季,即一年中气旋性风切变多发时段,700 hPa气旋性风切变在干旱区和半干旱区,对雨日产生的差异性最为显著,降水效率相差达24%,而冬季仅为10%;通过对比分析西北地区东部不同季节风切变效率多年和少年比湿分布,发现在在春、夏两季,水汽条件对700 hPa气旋性风切变的降水效率影响最为显著。气旋性风切变降水效率概念的引入,不仅较为符合西北地区的天气气候特点,且能够较好地反映雨日与700 hPa气旋性风切变之间在不同季节与不同区域中的相关性,对现实预报有较重要的指示意义。     

1953-2012年中国西北地区东部低层气旋性风场演变特征及成因

利用1953-2012年NCEP/NCAR全球再分析风场资料,结合同期NCEP全球月平均再分析资料和74项环流特征量资料,通过相关分析、M-K突变检验、小波分析等合成诊断分析方法,研究了近60年中国西北地区东部低层气旋性风切变频次的演变特征,并对其演变的成因进行了初步探讨。结果表明：西北地区东部低层气旋性风切变发生频次在近60年来呈显著的减少趋势,通过了a=0.001的显著性水平检验;风切变频次在1976年出现较明显的由多到少的突变,间接证实近30年来在西北地区东部低层出现风场辐合的次数显著减少,可能产生系统性降水的辐合条件下降;1960-1970年存在3～7年的振荡周期,其中以3年和7年的周期最为显著,基本与西北地区降水周期在时空上较吻合。西北地区东部低层气旋性风场演变的主要原因是大气环流在同一时期发生了较为显著的调整。     

北极涛动异常对西北地区东部沙尘暴频次的影响

利用西北地区东部沙尘暴日数资料、北极涛动指数资料、东亚高低空大气环流形势场资料,分析了沙尘暴日数与北极涛动的关系,进而研究了北极涛动异常年东亚大气环流分布特征,探讨了北极涛动影响西北地区东部沙尘暴的可能途径。结果表明：西北地区东部沙尘暴频次呈波动减少之势,20世纪80年代中期发生气候突变;北极涛动指数与西北地区东部沙尘暴频次显著负相关,二者年际、年代际变化都有较好的应关系,北极涛动正位相年,西北地区东部沙尘暴偏少,反之亦然。究其原因：北极涛动异常对东亚冬季风强度、东亚高低空气压场、风场分布形势有重要影响：北极涛动正位相年,东亚冬季风、蒙古高压均偏弱;500 hPa高度场上,春季西风带纬向环流占优势,极涡面积偏小,强度偏弱,贝加尔湖阻塞高压异常强盛,蒙古国及我国华北和西北地区位于贝加尔湖阻塞高压底部的暖区里,地面至高空西北风偏弱;在这种形势下,整个中高纬度冷空气势力较弱,活动次数偏少,不利于大风、寒潮天气的发生,因此沙尘暴频次也偏少。而北极涛动负位相年基本相反。     

1979—2012年中国西北地区东部低层水汽异常特征及成因

利用1979-2012年ERA-Interim全球再分析比湿与风场资料,通过累计距平分析、M-K突变检验、相似离度分析等方法研究了中国西北地区东部低层水汽演变特征,并依据导致水汽异常最直接的动力因子(风场差异)对其成因进行了初步探讨。结果表明:近30年西北地区东部低层700 hPa水汽呈弱的增加趋势,整个区域、青海高原区及西风影响区在1996年出现由减少到增多的突变,而季风边缘区的突变发生在1991年;且突变后偏西风减弱,偏南风增强显著。通过定量细化分析各气候区风场变化对水汽的影响,发现青海高原区经向风对水汽除夏季为弱的负贡献外,一般均表现为正贡献,而纬向风为负贡献;季风边缘区年平均经向风正贡献值为0.28 g·kg^-1,纬向风为-0.46 g·kg^-1;西风影响区冬春两季经纬向风一般均为弱的负贡献,夏秋两季一般为正贡献。依据特定区域、典型月份风场的气候型态差异分析,发现单一区域内的低层风偏差对水汽分布的影响与控制相差甚大,而不同背景下相邻区域内的风场配置及不同区域间的风场相互作用可能是水汽变化或异常的主要原因。     

西北地区近50a降水变化及水汽输送特征

用NCEP/NCAR再分析资料和中国西北地区145个站的降水资料,研究了西北地区降水与亚洲季风区水汽输送特征的关系。主要结论为:①西北地区降水具有明显的区域性特征,在20世纪80年代以后,西北地区东部降水明显减少,干旱化趋势严重;在西北地区西部,降水增加,气候逐渐向暖湿型转变;②西北地区东部的水汽在夏季主要来自孟加拉湾、南海和西太平洋;西北地区西部除了受西风带的影响外,来自北方西伯利亚的水汽输送在夏季也有一定的作用;③西北地区东部的南边界和西边界是主要的水汽输入,西北地区西部的西边界是主要的水汽输入。在降水偏多年,其水汽输入在7月达到峰值,且具有明显的年变化特征;④西北地区东部的南边界和西边界水汽输入减少趋势明显,使得水汽总收支逐渐减少。西北地区西部西边界的水汽输入自80年代中期以来有增加的趋势,而北边界的输出在减少,水汽总收支有增加的趋势。     

近50年来中国西北地区干湿状况时空分布

根据西北地区77个气象台站气候资料,并利用改进的Penman公式,计算了该地区1958年~2001年的44年平均潜在蒸散量的时空分布,并分析了与降水量变化之间的关系,得到4种类型潜在蒸散量与降水量年际变化的组合分布型。其中年平均潜在蒸散量减小而年降水量增大的组合占研究区站点总数的40%以上。分析潜在蒸散量及观测蒸发量与各气候因子的相关性,发现干旱区的蒸发与太阳辐射和风速有关。定义干燥指数为潜在蒸散量与降水量的比值,用来描述西北干旱区的干湿状况。对干旱区四个季节(春、夏、秋、冬)干燥指数近50年的线性变化趋势分析结果显示,干旱区春季大部分区域干燥指数呈增加趋势,即趋于变干;夏季大部分地区趋于变湿,但仅在新疆东部和甘肃西部较为明显;秋季新疆大部、甘肃西部和青海北部等地区趋于变湿,而干旱区东部区域则趋于变干。冬季干旱区大部分区域趋于变湿,只有新疆西南部和西北部及东部部分地区、甘肃西部和内蒙西部等地有变干趋势。     

基于标准化降水指数的1960—2011年中国不同时间尺度干旱特征

利用1960—2011年中国566个气象站逐日降水资料,采用标准化降水指数对近52年中国的干旱特征进行了详细分析。结果表明：近52年来,中国存在一条由东北向西南延伸的干旱趋势带,东北、内蒙古中东部、华北、西北地区东部以及西南地区东部趋于干旱,而西北地区西部的北疆地区、青海中部以及西藏中北部等地呈显著变湿趋势;华北地区干旱化主要是夏季趋于干旱引起的,东北和西南地区的干旱化主要是夏、秋季趋于干旱引起的,西北地区东部和长江中下游地区主要是春、秋季趋于干旱。东北地区20世纪70年代和2000年后轻旱以上日数较多,60年代干旱日数最少;华北地区和西北地区东部90年代最多,60—80年代旱日较少;西南地区东部2000年后干旱日数最多,60—70年代较少;长江中下游地区60年代和21世纪后干旱日数偏多,80年代较少。60年代,易旱区主要位于西北地区中、西部以及长江中下游部分地区;70年代,西北西部和东北地区是干旱的高发区;80年代,易旱区位于华北、黄淮、内蒙古中西部以及西南东部等地;90年代,易旱区转移到中部,西北地区东南部、华北、黄淮、江淮以及江汉等地是干旱的高发区;进入21世纪后,东北、内蒙古东部、西北地区东部、西南东部以及长江中下游的部分地区干旱高发。     

近58a我国西北地区干期与湿期变化特征

利用西北地区1960—2017年68个站点逐日降雨气象数据，分别将日降雨小于（大于等于）0.1 mm和1 mm定义为旱日（湿日），从干期和湿期变化特征的角度分析西北地区雨日年内分配变化。结果表明：西北地区东部年降雨量变化不明显，降雨频率下降，平均降雨强度增加；西北地区西部年降雨量、降雨频率和平均降雨强度均呈现增加趋势，平均降雨强度增加主要是由于降雨量增加速率快于降雨频率增加速率。结合干期和湿期变化特征，发现西北地区东部虽然干期旱日总数增加，但干期平均长度、干期次数和最长干期旱日数变化不明显，同时湿期湿日数和次数减少，说明西北地区东部在降雨量不变情况下，降雨更加集中。在西北地区西部，干期次数增加，但干期旱日总数、干期平均长度以及最长干期旱日数减少，湿期湿日数和湿期次数增加，湿期平均长度不变，西北地区西部在降雨量和降雨频率增加过程中，干期持续时间缩短，对该区域农业生产和生态环境有利。另外，使用不同阈值会影响特征值变化趋势大小及其显著性，甚至会得到相反的变化趋势，说明选择合理阈值对于研究降雨、干期以及湿期变化十分重要，需要结合区域气候特征进一步研究。     

西北地区大气水汽含量时空分布及其输送研究

利用ECMWF和NCEP/NCAR 1979-2016年逐月再分析资料,分析了我国西北地区大气水汽含量的时空分布及其输送特征。结果表明：（1）西北地区水汽含量在20世纪80年代中期至90年代末呈增多趋势,从90年代开始至21世纪初呈减少趋势。就季节而言,西北地区夏季水汽含量最多,占年平均水汽含量的46.6%。（2）西北地区水汽分布与降水分布具有一致性,水汽含量主要集中在西北地区东部及其西部的天山山脉、塔里木盆地东部一带,达12～30 mm,中部水汽含量较少,不足10 mm,水汽含量的空间分布呈现出“两边高中间低”的分布形式。（3）西北地区水汽输送以西风和季风两大环流系统为主,纬向西风水汽输送可达100～500 kg·m^-1·s^-1,在全年水汽输送中占主要地位,夏季从印度洋来的强度可达100～200 kg·m^-1·s^-1的西南季风水汽输送对西北地区东部影响较显著。（4）西北地区水汽源主要位于新疆天山山脉、青海中东部、甘肃河西走廊中西段、宁夏和陕西北部等地区,而水汽汇则位于甘肃南部、陕西南部一带。     

夏季东亚地区水汽输送年代际变化特征及其对中国东部降水的影响

利用经验正交函数(EOF)分析方法和1951-2004年NCEP/NCAR月平均再分析资料及160个中国地面测站月降水资料,对夏季东亚地区水汽输送的年代际变化特征及其对中国东部降水的影响进行分析.研究结果表明:20世纪70年代中后期至90年代初期,中国东部夏季降水以"南北旱中间涝"分布型为主,90年代初期之后则以"南涝北旱"分布型为主,呈现出显著的年代际变化特征,即20世纪90年代后雨带南移的特征开始明显:夏季整层水汽输送通量主模态的空间结构及其时间系数可以较好地反映出近50年来东亚大陆东部经向水汽输送从1974年起由强变弱的"转折点"特征及其年代际减弱变化趋势:印度大陆和孟加拉湾北部、长江中下游地区、南海以及热带西太平洋地区纬向水汽输送从1973年起由弱变强的"转折点"特征及年代增强变化趋势.揭示了东亚夏季水汽输送年代际分量主模态的时空演变造成中国东部夏季降水从"南北旱中间涝"分布型转向"南涝北旱"分布型,即中国东部夏季雨带呈现出南移年代际变化特征的关键因素之一.     

山西夏季不同等级降水时空演变特征及其影响要素研究

基于1961—2018年降水观测资料,应用经验正交函数分解（EOF）、大气诊断等方法对山西夏季不同等级降水时空演变特征及其影响要素进行分析。结果表明：① 山西夏季降水量主要由大雨贡献（51.9%）,但在降水频次上以小雨为主。山西大雨与小雨事件存在显著差异。小雨多年平均雨量由南至北递增,而大雨却由南至北递减。此外,EOF表明全区一致型均是不同等级降水中的主空间模态,但在小雨和大雨中高载荷区存在明显差异。② ENSO在影响山西降水特别是大雨中占据主导,而NAO在小雨中作用更为突出。对大气环流异常结构的诊断分析表明,冷（暖）ENSO位相时,源于热带西太平洋并经由南海北上的季风水汽输送增强（减弱）,同时在ENSO和中高纬度大气活动联动调控下,在东亚地区建立的异常反气旋（气旋）可通过其西支南（北）风气流引导（抑制）季风水汽向山西进一步纵深推进,两者共同调配使得山西大雨事件增多（减少）;NAO主要通过一条沿西欧?东欧?乌拉尔山?蒙古高原的高纬度路径对降水施加影响,NAO正（负）位相时,在蒙古高原甚至山西建立的深厚异常（反）气旋通过其南支西（东）风一方面阻挡低纬度季风水汽进入山西,另一方面增强（减弱）山西有限的内陆水汽供应,从而引起山西小雨事件的增多（减少）。     

东亚土地覆盖动态与季风气候年际变化的关系

以东亚地区1982－1989年时间序列降水资料及AVHRR 8km NDVI数据为基本数据源，应用地理信息系统技术，分别研究了东亚地区夏季（5－9月）降水及土地覆盖的年际变化，并揭示了研究时间段内各自的变化规律。进一步用奇异值分解（SVD）模型方法分析了以降水变化为表征的东亚地区气候年际变化与土地覆盖年际变化之间的关系。     

亚洲季风与中国干湿、农牧气候界线之关系

基于中国553个气象站点1958~2000年日降水量资料、北方295个气象站点同期(20(cm)蒸发皿资料,界定出半干旱区和农牧交错区各自的范围。利用东亚夏季风强度指数(1951~1995年)与印度夏季降水量(1951~1998年)资料, 分析了半干旱区和农牧交错区东南-西北界10年际空间变化与亚洲夏季风的关系。近50年中国干湿、农牧气候界线的动态变化是影响中国的季风环流强弱作用在空间上的实物表现, 季风环流的强弱变化控制着气候界线空间摆动的范围与方向, 其年代际变化是中国干湿、农牧气候界线呈现出年代际变化特征的根源。分析显示, 在现代情况下, 农牧气候界线位置的空间摆动主要反映人类生产活动强度的强弱差异, 人为因素起主导作用。     

全球各类旱区的成因分析

利用NCEP再分析降水资料划出了三类旱区:A、副热带旱区;B、亚洲内陆旱区;C、其他小块旱区。分析了各旱区的成因。研究表明:①高原夏季风与其北面的行星西风之间的反气旋切变是亚洲旱区形成的更重要的原因; ②大陆热低压西边的"高纬风"使对流层中、下层出现下沉辐散气流,是副热带旱区干旱的根本原因; ③低纬旱区的成因主要是冷洋流和上涌流。     

西北地区东部冬季降水与次年沙尘暴发生的关系

选用1970-2000年西北地区88个气象站的冬季降水量和1971-2000年沙尘暴日数资料, 用自然正交分解(EOF)分析了冬季降水的时空分布特征。结果表明, 西北冬季降水第一载荷向量分布有一定差异, 第二载荷向量零线位置基本以干旱和半干旱区界限为准, 各自然气候区冬季降水的时空分布具有不一致性的特征; 以民勤为代表站的A区、以敦煌为代表站的C区冬季降水量与次年沙尘日数呈相反的变化趋势。说明冬季降水对次年沙尘多发的春季下垫面土壤湿度、地表粗糙度等特征有一定的影响, 从而对代表了沙漠气候特征的A区和代表西风带影响的沙漠戈壁C区的沙尘暴发生起到抑制作用。     

最近50年来山东地区夏季降水的时空变化及其影响因素研究

利用山东地区16个气象站1961~2012年逐月降水资料以及同期大气环流指数资料,采用Mann- Kendall非参数检验法、累积距平法、有序聚类分析法以及Mann-Whitney-Pettitt(MWP)法等方法,对最近50 a来山东地区夏季降水及其占全年降水比例的时空变化及影响因素进行了研究。结果表明,最近50 a来,山东地区夏季降水呈现总体下降趋势,但有显著的阶段性。其中,沿海地区变化幅度小于内陆,其阶段转换和突变也早于内陆,内陆中山区又早于平原。沿海地区夏季降水占年降水比例呈现总体上升趋势,但无明显的阶段性和突变现象;而内陆地区呈现总体下降趋势,但存在阶段性和突变现象,其中山地与平原间又有差异。分析表明,山东地区夏季降水变化与同期东亚夏季风、南方涛动和北极涛动之间有显著的响应关系,但在沿海与内陆、山地与平原之间存在差异。     

TRMM降水数据在中天山区域的精度评估分析

 遥感降水产品能反映降水的时空分布变化,对于资料稀缺的西北干旱区生态水文研究有重大意义。TRMM卫星降水资料在热带湿润地区有大量应用,但要将其用于我国西北干旱半干旱气候地区,还需对该数据产品在质量进行评估。选择干旱区内陆的新疆天山中部为研究区,并以周边15个台站的实测数据为依据对TRMM3B42降水数据质量进行评价。结果表明：（1）TRMM3B42数据对日降水事件的估计准确率较低,但是总体上暖季好于冷季,相对于较大的降水,对发生量小的降水估计更为准确;在暖季高估量小降水,低估量大降水,冷季则相反;（2）月降水情况来看,天山南坡两站与北坡的规律不符;对北坡山区降水估计的精度好于平原区,并且精度与海拔呈抛物线分布,降水越大的区域精度越高;偏差量的年内分布在各海拔区域之内一致性较好,但区域之间规律各有特点;（3）从年降水量来看,TRMM降水整体低于站点观测值,并且差量随着高程具有抛物线分布的特征。总之,该降水产品的质量总体上不高,但是其偏差在时间和空间上具有一定的规律性,该数据在干旱区的应用需要进一步校准处理。     

东亚夏季风的变化特征及其对甘肃夏季暴雨日数的影响

采用NCEP/NCAR再分析资料,计算了1974—2013年乔云亭等定义的东亚季风指数,研究了东亚夏季风的变化特征,利用甘肃省80个站逐日降水资料,分析了东亚夏季风对夏季甘肃暴雨日数的影响。结果表明：（1）夏季,西南季风、东南季风和偏北季风存在明显的年际变化且有所差异。（2）夏季,西南季风、东南季风对甘肃省暴雨日数的影响存在很大差异：当西南季风盛行时,西太平洋副热带高压位置偏西,东亚大槽位于贝加尔湖至中国西北部,冷空气与西太平洋副热带高压输送的暖湿气流在陇东南一带交汇,贝加尔湖至张掖为西南暖湿和西北干冷气流,孟加拉湾水汽输送在陇东南地区辐合,造成河东陇南南部、天水东部、平凉、庆阳西部一带和河西张掖地区暴雨日数偏多;当东南季风盛行时,西太平洋副热带高压西伸北抬,冷暖空气主要交汇于甘肃中西部,孟加拉湾西南水汽输送在河东西南部辐合,造成甘南高原、甘肃中部、河西武威一带和酒泉地区暴雨日数偏多。