古尔班通古特沙漠积雪覆盖、沙尘天气特征及其相互关系

利用TERRA/MODIS MOD10A2雪盖产品数据和地面观测积雪日数、冻土深度和沙尘天气日数等数据,从不同时间尺度分析古尔班通古特沙漠地表积雪覆盖与沙尘天气的特征及其相互关系。结果表明:①沙尘天气主要发生在4—10月,春季（4—5月）沙尘天气最多,夏秋季逐渐减少。从年际变化看,20世纪80年代前,沙尘天气发生日数呈逐年增加趋势,而积雪日数增减波动较大,二者间关系不明显,80年代后,沙尘天气逐年减少,积雪日数呈波动增加趋势。②冬春季积雪覆盖率、≥1 cm积雪日数、≥5 cm积雪日数、≥10 cm积雪日数与翌年春季沙尘天气发生均呈显著负相关关系,冬春季≥1 cm积雪日数每超过常年平均积雪日数1 d,翌年春季沙尘天气日数则减少4.3 d,而平均冻土深度与沙尘天气呈显著正相关关系。③积雪覆盖使沙漠地表形成冷源性下垫面和近地层逆温层结,增加了大气稳定度,同时春季积雪消融增加了土壤湿度,为荒漠植被生长提供充足的水分,使表层土壤为强风提供沙尘的可能性降低,从而对沙尘天气的发生起到阻碍、消弱作用。     

春季东亚副热带西风急流的变化特征及其与中国沙尘天气的关系

利用欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的ERA-Interim全球大气再分析资料及1980-2012年中国北方逐月沙尘暴发生日数资料, 研究了春季东亚副热带西风急流(70°-120°E)的变化特征及其与中国春季沙尘天气之间的关系。结果表明:1980-2012年春季中国上空急流轴存在北移的趋势, 急流中心略向东移, 急流相对强度随年份增强, 与春季沙尘暴发生总站日数的年际变化呈显著负相关。春季沙尘暴多发年, 东亚副热带西风急流有所减弱, 而在哈萨克斯坦东部、蒙古国、中国内蒙古大部分地区及南疆地区等沙尘源地, 200 hPa纬向风速增大; 500、850 hPa风速、位势高度差值场的分布都有利于中国沙尘源地地面风速增大。在中国沙尘源地, 高层西风风速增大, 动量下传, 引起地面大风, 从而容易产生沙尘暴。     

2000—2020年中国西北地区区域性沙尘暴特征及成因北大核心CSCD

利用地面观测资料分析了2000—2020年中国西北地区区域性沙尘暴特征,同时基于气候动力因子、温度、降水和NDVI资料,研究西北地区区域性沙尘暴成因。结果表明:2000—2020年西北地区区域性沙尘暴年总日数呈波动下降趋势,且存在两个高(低)频期。春季是区域性沙尘暴高发季,其中4月总日数最高,达47 d;相较于上旬和中旬,春季各月下旬更易出现区域性沙尘暴。新疆南部的塔里木盆地、内蒙古中西部和甘肃河西是西北地区区域性沙尘暴高发区,总日数均在10 d以上,其余大部分地方总日数均小于8 d。北半球极涡面积指数、强度指数及亚洲区极涡强度指数均与区域性沙尘暴日数显著正相关,北半球极涡从扩张期到收缩期转变及其强度的减弱,是西北地区区域性沙尘暴减少的重要气候动力因素。西北地区年(春季)降水量和平均NDVI均与区域性沙尘暴日数显著负相关,近21年西北地区大部分地方气候趋于暖湿化,植被覆盖整体以改善为主要趋势,此种转变有利于沙化面积收缩,减少非输入性沙尘暴的发生。     

春季天气变率对华北沙尘暴频次的影响

利用欧洲中期数值天气预报中心再分析资料及地面台站观测资料,分析华北春季沙尘暴日数与500 hPa月平均环流及与近地面环流天气变率长期变化的关系,分析时段为1962~2000年。研究发现华北地区春季沙尘暴频次与东亚地区中高纬度500 hPa高度场有显著的负相关,相关中心区在蒙古国及西伯利亚一带,这可能说明高空环流场在这种形势下易于造成高纬度冷空气南下,因此使得华北沙尘暴频次增加。天气过程是形成沙尘暴的直接原因,东亚地区天气变率存在明显的年际和长期变化,研究发现天气变率与沙尘暴频次之间有非常显著的关系：当天气尺度变率增大 (减少) 时,沙尘暴频次也增加 (减少)。其中具体分析了850 hPa低压和地面冷高压活动与沙尘暴的关系,发现东北低压及自蒙古和西伯利亚南下的冷空气活动都对华北沙尘暴频次有明显的影响。近40年来东亚天气变率有显著的减弱趋势,这也在很大程度上解释了沙尘暴频数的显著减少。另外,北极涛动对东亚天气变率和华北沙尘暴频次的年际变化也有一定的影响,北极涛动强的年份华北沙尘暴次数偏少。     

西北地区大风日数的时空分布特征

利用选取的西北5省(区)以及内蒙古西部(110°E以西)分布均匀的127个气象站1960-2000年41a逐月大风出现日数资料, 分析研究了西北地区大风的空间、时间特征, 并具体分析了大风与沙尘暴的时空关系, 揭示了西北地区大风分布的一些新事实。西北大风天气可划分为较少区(年均大风日数小于10d)、较多区(年均大风日数10~50d)、多发区(年均大风日数50~100d)和频发区(年均大风日数大于100d)。西北地区大部分区域为大风较多区, 占总站数的614%, 大风频发区分布最小; 大风最频繁发生的地方在新疆西北部的阿拉山口, 年平均大风日数超过160d, 平均不到3d就有一次大风天气, 大风日数最少的地方是陕西北部延安, 平均每年发生大风天气的日数不到1d。大风日数空间分布与地形有很大关系, 两山之间的峡谷地带以及高山和青藏高原极易出现大风天气。西北地区多数台站近40a来大风呈减少趋势, 其中新疆西北部、甘肃河西走廊西部和陕西东部等地区减少最为明显, 大风增加的区域主要集中在新疆东北部到青海西部地区, 其代表站年均大风日数从20世纪60年代到80年代中期以后增加了近3倍, 达到190d。总体来讲, 西北地区大风天气最多的季节是春季, 以5月最多, 其次是夏季, 秋、冬季特别是秋季大风最少; 陕西、甘肃中南部夏季大风较多, 青海东南部则夏季最最少, 冬季大风更多一些。进一步分析表明, 西北地区大风频发区与沙尘暴频发区并不完全重合, 例如, 南疆是西北乃至我国沙尘暴最频发区之一, 但是南疆却是西北地区大风的较少区, 年大风日数远少于沙尘暴日数。同样是沙源丰富的沙漠地区, 也都是我国沙尘暴的主要频发区, 但是塔克拉玛干沙漠及其附近地区的沙尘暴日数远多于大风日数, 而巴丹吉林沙漠地区的大风日数却比沙尘暴日数明显偏多。最近40 a西北地区大风与沙尘暴发生次数随时间变化趋势一致, 基本呈线性减少特征, 这说明在下垫面状况不变或变化不大的情况下, 近年来沙尘暴次数减少可能主要是由于大风天气(沙尘暴驱动因子)减少而造成的。大风的时间变化可以决定沙尘暴随时间的变化。     

新疆春季沙尘天气与前期月环流特征量的关系

用新疆春季(3～5月)的沙尘日数和北半球500hPa月环流特征量等资料,使应用相关和逐步回归分析方法,研究了新疆春季沙尘天气与前一年的月环流特征量的关系,相关分析和统计结果表明：(1)新疆春季的沙尘天气不仅与同在中纬度地区的西风带上的经向环流、东亚槽等有关,还更多地与中低纬地区的副热带高压以及高纬地区的极涡等系统的月环流特征量有关。(2)新疆春季沙尘天气与前一年夏、秋季的大气环流之间存在明显的隔季相关现象。(3)利用前一年月环流特征量建立了新疆春季沙尘天气日数之间的9个回归模型,9个分析模型都通过了0．001信度检验。其中,南疆的3个模型沙尘暴、扬沙、浮尘和全疆的扬沙、浮尘模型试报效果最好。     

西北地区春季多雨与少雨年的高空环流特征

对西北地区1961—2000年119个气象站的春季降水,分析了其空间分布和时间变化及其多雨与少雨年的500 hPa高度场、OLR场、700 hPa风场、湿度场。结果表明:多雨年中纬度500 hPa春季高度距平场东正西负,东亚大槽弱,欧洲低槽强,700 hPa春季矢量风距平场非洲至欧洲、西伯利亚海和菲律滨海盆为辐散区,印度和中国西北地区为辐合区,北半球欧亚700 hPa春季比湿距平场正中心位于阿拉伯海到孟加拉湾和长江流域,OLR主要负距平中心在东南沿海和孟加拉湾,西北地区亦为负距平,主要正距平中心在西太平洋。少雨年500 hPa春季高度距平场西正东负,中亚到新疆的高压脊强,东亚槽偏强,700 hPa春季矢量风距平场欧洲、西西伯利亚、泰国为辐合区,中国西北地区为辐散区,700 hPa春季比湿距平场正中心位于孟加拉湾和菲律宾海盆,OLR负距平中心在东南沿海—青藏高原北—新疆北部,西北地区亦为正距平,主要正距平中心在西太平洋。     

2002年春季中国沙尘天气与物理量场的相关分析

通过对2002年春季中国沙尘暴、扬沙、浮尘天气的综合分析,给出了各沙尘区沙尘天气发生的频率。并分析了沙尘天气分别与850 hPa全风速、散度,500 hPa全风速、散度、涡度、总能量、垂直速度,不稳定度指数K_i、K_y和S_i,300~850 hPa两层之间的风切变等11个物理量场的相关性。结果表明:2002年春季沙尘天气,除了具有往年的阶段性特点外,还具有明显的区域特点,即南疆区浮尘较多;河套区扬沙较多;蒙古区沙尘暴较为明显。沙尘天气与各物理量场的相关分析进一步证实,风是影响沙尘天气发生的最主要的气象要素,它与浮尘的出现有一定关系,但不是决定因素;而扬沙和沙尘暴的发生,风确是先决条件。     

冬春季积雪与沙尘天气发生日数关系的探讨——以内蒙古中部地区为例

利用地面气象观测数据,以日积雪深度≥1.0 cm日数和沙尘天气（包括浮尘、扬沙及沙尘暴）发生日数为指标,从不同的空间尺度,分析了内蒙古中部地区冬季与初春积雪日数与沙尘天气发生日数的关系。研究结果表明,在内蒙古中部地区,冬季与初春沙尘天气发生日数与积雪日数之间均呈现负的相关关系,这种相关关系在不同区域和不同季节有所差异,冬季积雪日数与沙尘天气发生日数之间的负相关较初春积雪日数与沙尘天气发生日数之间的负相关更为显著;在中温带温凉半干旱气候区初春积雪日数与沙尘天气发生日数间的负相关较其他两个气候区更为显著。     

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。     

内蒙古中西部春季沙尘暴年代际振荡及环流特征分析

利用内蒙古中西部50个气象观测站1961—2000年春季沙尘暴日数资料,国家气候中心提供的北半球月平均500 hPa高度场网格尺度为10°(经度)×5°(纬度)的网格点资料、北半球500 hPa月平均环流特征量资料、东亚季风资料分析研究冬春季中高纬度大气环流的年代际尺度的演变特征及其对内蒙古中西部沙尘暴的影响,进一步揭示内蒙古中西部春季沙尘暴年代际变化的原因。结果表明：青藏高原位势高度、贝加尔湖地区位势高度、乌拉尔山地区位势高度、东亚冬季风、亚州经向环流、印缅槽、西太平洋副热带高压强度都对内蒙古中西部春季沙尘暴年代际振荡产生不同的影响。为内蒙古中西部春季沙尘暴的短期气候预测提供年代际尺度上的基本环流背景。     

西北地区伏期干旱特征及影响因子分析

利用西北的甘肃、宁夏、青海、新疆四省(区)140个气象观测站1971—2000年的伏期（7—8月）总降水、蒸发资料计算湿润指数,用REOF方法对伏期干旱的时空特征进行了分析,选取5个典型干旱和湿润的年份,利用NCEP/NCAR再分析资料对比了干旱和湿润年份的500 hPa高度、700 hPa 湿度、SST和OLR的距平场特征。结果表明:西北干旱具有一致性,西北地区东部区、青海西北部及甘肃河西区、南疆区和北疆区是西北伏期干旱的异常区域。20世纪70年代前期、90年代后期干旱明显,80年代较湿润。干旱年中国北方的环流形势为西高东低,冷空气活动在西伯利亚,新疆高脊强盛, 西太平洋副热带高压较弱,700 hPa湿度距平场青藏高原中部、西亚及西太平洋为负,SST距平场太平洋北部和西太平洋为负,赤道太平洋为正,OLR距平场中国北方、印度半岛和西太平洋为正距平,而且印度半岛的正距平比湿润年份高。湿润年欧亚500 hPa高度距平场呈西正东负的分布,乌拉尔山脊强盛,东亚槽深,中国大陆700 hPa湿度为正距平场,水汽最大中心位于青藏高原,SST距平场太平洋北部和西部为正距平,日本、太平洋中部和赤道为负,OLR距平场中国大陆以负距平为主,中心位于甘肃中部和南疆盆地。     

我国西北和内蒙古地区春季沙尘暴的年代际变化及原因探析

利用1961—2005年西北及内蒙古地区208个地面气象站春季沙尘暴日数的观测资料,对沙尘暴发生的年代际变化进行了分析。结果显示,20世纪60年代和70年代沙尘暴偏多,80年代沙尘暴开始减少,90年代最少,21世纪的前5 a沙尘暴呈现出先增多后减少的趋势。基于1961—2005年的NCEP资料进行了原因探析,结果表明：①在沙尘暴多发年代,我国北方大部分区域风速出现了正距平,而在沙尘暴少发的年代,风速呈现出负距平;②在沙尘暴多发的年代,我国中高纬地区出现明显的气旋性流场距平,其南侧西风增强了我国西北及内蒙古地区偏西风风速,而在沙尘暴少发的年代,则与之相反;③极锋锋区在60—70年代强度偏强,从80年代开始强度呈现出明显的减弱趋势,21世纪初期锋区强度继续减弱,但其中心位置有小幅的自北向南移动。     

中国东北夏季温度年代际变化特征

东北地区夏季温度变化主要有4个独立模态,其中EOF1呈全区一致型为第一模态,占总方差贡献的72%左右,其时间系数呈现多年代际尺度变化;其他3个模态仅分别占总方差贡献的10%、4%和3%,表现出受海洋、地形及纬度差异的影响,呈南北向、东西向和山脉与平原地区的反向异常分布型;突变和小波分析进一步揭示EOF1模态的多年代际尺度变化具有突变性质,2007~2010年受20 a左右周期影响,东北地区温度变化全区一致的模态时间系数处于负值为主的阶段,值得关注。东北地区夏季温度变EOF1模态与北半球500 hPa高度场和对流层中上层纬向风场(西风急流)在30oN~40oN呈环球尺度带状显著正相关分布,在东北亚地区纬度较高,可达60oN附近,而且该区500 hPa高度场与东北夏季温度EOF1模态多年代际变化近于同步。EOF1模态与靠近亚洲大陆沿岸和西太平洋暖池(包括印度洋的中部和北部)、南太平洋环澳大利亚、靠近北美大陆及北大西洋北部的漂流区和北赤道漂流区的海表温度存在显著的同步正相关,而与太平洋海表温度的年代际振荡模态亦有较显著的正相关;表明东北地区夏季温度的EOF1模态与北半球海-气系统多年代际变化联系密切,同时也受到全球变暖的影响。     

夏季北极涛动与西北夏季干湿特征的年代际关系

 摘要： 利用中国西北地区（新、青、甘、宁、陕及内蒙古西部地区）1960—2003年131个测站夏季降水量、小型蒸发皿蒸发量，NECP/NCAR月平均再分析资料及夏季北极涛动指数，首先通过降水量和蒸发量定义了均一化干湿指数，进而分析了夏季北极涛动同西北地区夏季干湿特征之间的关系。研究表明：夏季北极涛动与西北地区大部分地区夏季干湿特征之间存在着显著的正相关关系，特别是年代际尺度上关系尤其密切。夏季北极涛动与西北地区夏季干湿特征空间变化的南北差异密切相关，在夏季AO偏强年代，海平面气压场在东亚大陆为正距平，太平洋为负距平;700 hPa风场在贝加尔湖地区及其下方有较强的反气旋性距平环流，西北西风带区出现西风距平，季风区出现北风距平，而500 hPa高度场在中国西北地区表现为西低东高结构。这样使得东亚夏季风偏弱，西北西风带区在夏季以西风气流为主，降水偏多，气候偏湿，而季风区盛行偏北气流，降水偏少，气候偏干。反之亦然。     

中国西北地区沙尘天气的时空位移特征

沙尘暴是一种灾害性的天气,具有明显的时空分布特征。中国西北地区风大、沙多,是沙尘天气和沙尘暴的易发地区。通过GIS技术,利用中国西北5省区和内蒙古西北部158个气象站的沙尘资料,对中国西北地区近45 a总沙尘天气（包括浮尘、扬沙）和沙尘暴的时空变化特征进行分析,初步探讨了不同时间、不同区域的沙尘天气和沙尘暴影响范围。结果表明,无论是沙尘天气还是沙尘暴,都具有明显的时空分布特征;各季节沙尘天气和沙尘暴的影响范围和发生程度不同,总的来说,中国西北地区以春季最为多发,约占全年总数的1/2,依次为夏季、冬季和秋季;不同的季节,不同程度沙尘天气和沙尘暴的影响范围不同,春季是低度易发生区和中度易发生区面积较大时期;夏秋冬是低度易发生区和不发生区面积较大的时期。上述分析表明,沙尘天气和沙尘暴发生的时间和空间都存在差异性。     

Dust storms evolution in Taklimakan Desert and its correlation with climatic parameters

Based on the sand dust storms data and climatic data in 12 meteorological stations around sand dust storm originating areas of the Taklimakan Desert, we analyzed the trends of the number of dust storm days from 1960 to 2005 as well as their correlations with temperature, precipitation, wind speed and the number of days with mean wind speed ≥ 5 m/s. The results show that the frequency of dust storm events in the Taklimakan region decreased with the elapse of time. Except Ruoqiang and Minfeng, in the other 10 meteorological stations, the frequency of dust storm events reduces, and in 4 meteorological stations of Kuqa, Korla, Kalpin and Hotan, the frequency of dust storm events distinctly decreases. The temperature has an increasing trend, while the average wind speed and the number of days with mean wind speed ≥ 5 m/s have decreasing trends. The correlation analysis between the number of days of dust storms and climatic parameters demonstrates that wind speed and the number of days with mean wind speed ≥ 5 m/s have strong positive correlation with the number of days of dust storms, with the correlations coefficients being 0.743 and 0.720 (p<0.01), respectively, which indicates that strong wind is the direct factor resulting in sand dust storms. Whereas precipitation has significant negative correlation with the number of days of dust storms (p<0.01), and the prior annual precipitation has also negative correlation, which indicates that the prior precipitation restrains the occurrence of sand dust storms, but this restraining action is weaker than the same year’s precipitation. Temperature has negative correlation with the number of dust storm days, with a correlations coefficient of –0.433 (p<0.01), which means that temperature change also has impacts on the occurrence of dust storm events in the Taklimakan region.     

海冰和海温对西北地区中部6月降水异常的协同影响

利用1961年以来美国国家环境预报中心(NCEP)月平均再分析风场、高度场、NOAA重构海表温度以及西北地区中部54个气象站6月逐日降水资料、1979年以来北极10个区域的海冰面积,通过分析2019年6月西北地区中部降水异常的成因,揭示出对该区域6月降水具有显著影响的关键海区海冰面积及时段、北大西洋三极子(NAT)关键影响时段,结合厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件,分析其协同作用及影响机制。结果表明:1990年以来春季3-4月楚科奇海海冰面积异常容易激发欧亚中高纬度EU2(欧亚2型)遥相关型(即夏季EU(欧亚)遥相关型),有利于西北地区中部降水异常,1992年以来春季NAT对EU2遥相关型有明显影响,但其影响小于楚科奇海海冰面积的影响;当楚科奇海海冰面积偏少和NAT正位相(海冰面积偏多和NAT负位相)协同作用时,西北地区中部降水偏多(偏少)的概率明显增大;ENSO事件对西北地区中部6月降水无明显直接影响,但厄尔尼诺事件次年使得副热带高压异常偏强、偏西。2019年楚科奇海海冰面积异常偏少,春季NAT异常偏强,两者协同作用下使得EU2遥相关型正异常(“+-+-”),尤其使得贝加尔湖附近的阻塞高压异常偏强,鄂霍次克海和乌拉尔山附近低压异常深厚,厄尔尼诺事件使副热带高压异常偏强、偏西,将西太平洋的水汽输送至北太平洋,与鄂霍次克海附近的深厚低压相接,充足的冷空气和水汽导致西北地区中部出现异常降水。研究成果可为短期气候预测提供依据,同时,气-冰-海之间的相互作用需要更进一步研究。     

基于LUCC的新疆沙尘源空间格局及转化机理分析

我国北方地区春夏季节沙尘天气频发,精准识别沙尘源区对于沙尘天气预报及区域生态环境治理意义重大。以新疆为典型研究区,采用2000、2005年和2010年3期土地利用/土地覆被数据,分析了新疆沙尘源的空间分布格局,并基于土地类型转移矩阵分析了不同类型沙尘源的转化情况。结果显示：新疆沙尘源的正、逆向转化主要跟人类活动相关。（1）沙漠/沙地转化敏感区主要分布于塔克拉玛干沙漠的西北边缘地区;转化为裸土类型沙尘源最主要的土地类型为河流/湖泊和草地,其中河流/湖泊的转化主要受自然条件影响,而草地的转化则是由过度放牧所导致。（2）岳普湖、伽师和巴楚等县区存在过度放牧现象;塔里木盆地北部以及准噶尔盆地内部等绿洲-荒漠交错带及人口聚集区域,存在大面积的垦荒现象。（3）新疆地区绿洲-荒漠交错带面积广阔,但其生态系统脆弱,为潜在的沙尘源区,应科学划定生态保护区,禁止过度放牧和无序垦荒。本文研究结果有望为区域生态环境治理及农牧业发展提供科学依据。