天山暴雨数值模拟的试验研究

利用新疆天山地区加密自动气象站资料、常规探空资料和NOAA卫星AMSU辐射亮温资料,应用中尺度模式(WRF-ARW)和(3DVAR)同化系统,对2007年7月16-17日发生在新疆东天山的暴雨天气过程进行了数值模拟试验。结果表明:①通过WRF模式对天山地区“2004-07-18”和“2010-06-22”两次暴雨过程的数值模拟试验, WRF模式在天山地区以Lin微物理过程方案,Grell积云对流参数化方案,MYJ边界层参数化方案,耦合Noah陆面模式的方案组合更优。②同化天山地区加密自动气象站资料、常规探空资料和AMSU-A/B辐射亮温资料,使初始场更接近于当时的实际大气状况,且同化后的模拟预报效果,无论是对降水落区还是对降水强度均较控制试验有明显的改善。③适当提高模式水平分辨率,有助于改进暴雨落区的预报强度。     

土地覆被对气候影响的数值模拟实验

使用中尺度生态气象模式,并与积云对流参数化方案相结合,研究在不同的地形(平坦地形和复杂地形),不同天气背景(地转风为0.5m/s和5m/s,大气比湿分别为0.9,0.8,0.7)条件下,中纬度半干旱地区陆面变化对中尺度大气边界层结构和气候的影响.研究表明:当在部分的裸壤地区为植物覆盖时,其下土壤将变得比其附近的干燥的裸壤湿润.在植物上空大气边界层内的温度比其附近的裸壤地区偏低,而大气湿度增加.由此,一个中尺度的水平气压扰动将产生,以适应热力场的扰动.在没有地转风的影响下,在该气压扰动的作用下,在大气边界层内,将产生从植物地区流向裸壤地区的植物风环流.陆面状况的变化引起风场、温度场和湿度场的扰动以及积云对流降水,将随地转风、大气背景湿度和陆面变化的程度而改变.在地形复杂地区,在不同的位置产生和发展植物风环流与山谷风环流的相互作用,可导致不同形式的气候变化.     

黑河下游典型植被下垫面与大气间能量传输模拟研究

在分析过去地-气间相互作用的物理过程、研究进展基础上,探讨了土壤、植被、大气系统中水分与能量的传输过程在模型中不同的计算方法。同时对不同计算方法进行对比,确定了分析土壤、植被、大气系统中水分和能量传输方法的优缺点。利用黑河下游额济纳地区绿洲试验区2003年9月的大气资料作为陆面模式的强迫场,研究陆面过程模式（LSM）在极端干旱地区的模拟能力。模拟结果表明,在观测资料的强迫下,LSM能够较好地模拟出地表特征量的变化趋势。根据实际情况,定义额济纳地区绿洲的植被覆盖率为0.7, 叶冠高度为1.5 m,位移高度为0.64 h,Karman常数取0.4。通过对比试验发现,采用LSM模型模拟的空气温度和地面蒸发比实际蒸发少,但地表潜热通量、辐射和土壤热通量的模拟结果与实测值的比较吻合。如果地表和植被的参数选择较好,采用LSM模型模拟本地区的陆面过程将有较好的结果。     

黄土高原不同气候区裸地水、热特征对比

为了更好地理解陆地表面水、热通量的空间差异,利用2009年和2010年1月黄土高原陆面过程观测试验（LOPEX）的陆面过程资料,对比分析了不同气候区主要地表水、热通量特征。结果表明：半干旱区的定西在近地层气象要素、土壤湿度、动量通量、地表能量及CO2通量等主要陆面特征物理量与半湿润区的平凉、庆阳差异明显;气候背景相接近的平凉、庆阳的主要陆面特征量比较接近。虽然地形、地势、海拔、下垫面影响因子也是影响陆面特征的重要因素,但是气候背景差异愈明显,陆面特征差异也愈大,即一个地区的气候背景是陆面过程特征的主要决定因子,对陆面特征产生综合影响,而地形、地貌只对一个或几个陆面物理量有影响。     

陆面过程参数化模式的研究

在概述了近年来国内外陆面过程参数化研究的基础上,发展了一个改进的陆面过程参数化模式。该模式能被应用于地球表面不同土壤和植被类型的陆面过程的相互作用研究。在该模式中通过土壤结构参数和陆面过程湍流通量的参数化,可广泛应用于不同类型的区域。在模式中,大气-陆面系统包括3个子系统:近地层大气、冠层和土壤活跃层。土壤被分为4层,上两层分别相当于温度的日和季变化层,植被的根系活动也在这两层内,在最深层的温度和含水量是气候的平均值。发展的陆面过程参数化模式可应用于不同气候区域能量平衡和气候的模拟研究。对我国在该领域的研究,特别是在开发我国西北地区过程中的环境生态研究中具有重要的意义。     

太湖地区大气─水环境的综合数值研究

建立了一个适合太湖流域,考虑复杂地形,水陆、山地共同作用的三维非定常大气边界层数值模式,用于讨论湖陆风、山谷风共同作用下的局地小气候。利用模式进行了两方面数值实验:(1)取理想地形对模式描述能力进行检验;(2)考虑太湖流域实际地形进行了数值模拟并和实测资料进行对比。建立了太湖的二维、三维以及套网格水动力学模式,通过和大气边界层三维数学模式的耦联,对太湖湖流场以及散度场的分布进行了研究,得出了一些有益的结论。根据观测资料对太湖风浪、定振波、水平扩散系统、水底摩擦系统等进行了比较深入的分析和计算。在上述工作及前人工作的基础上,建立了一个适合太湖的富营养化生态学模型。模型主要考虑:(1)藻类、营养盐之间的动力转换项;(2)湖流、平流、扩散作用对浓度的影响项;(3)湖中点源(如入湖河道)、及面源(如降水)的作用对浓度的影响项。     

水汽吸收和下垫面发射率对晴空大气红外窗区遥感影响的综合分析

从数学上探讨了晴空大气红外窗区通道遥感陆面特性水汽吸收和陆面发射率的综合影响。首先,基于辐射传输方程推导出大气水汽含量和陆面发射率(ε)引起红外窗区通道遥感陆面亮温(Tg)变化的数学表达式,指出红外辐射在传输过程中水汽吸收衰减的影响主要是引起大气透过率的变化;分析了在高温高湿和低温干燥等不同地区,红外窗区通道的大气透过率所受到的不同程度的衰减,以及水汽吸收衰减和陆面发射率对不同的红外窗区通道的影响。此外,还建立了一个红外窗区通道遥感陆面温度与地面亮温差ΔT=(Ts-Tg,imax)与水汽含量变化Δq和陆面发射率ε的二元多项式拟合方程,进一步分析大气水汽含量和陆面发射率对不同的红外窗区通道遥感的影响;指出红外短波窗区通道不但受太阳辐射污染严重,而且受陆面发射率变化的影响激烈,特别是在寒冷干燥的亚北极冬季。最后强调,为了精确地反演陆面温度,最好采用热红外窗区通道;必须考虑大气订正,特别是在高温高湿区;同时应该考虑陆面发射率等因子的作用。     

1960-2004年新疆地区地表水热过程的数值模拟研究 Ⅰ. 以观测资料为基础的陆面过程模型大气驱动场的发展

 近20 a来,中国西北地区尤其是新疆降水显著增加、温度持续上升,冰川萎缩、冰川融水量持续增加、河川径流量增加、湖泊水位上升面积扩大、植被覆盖有增加迹象等等,这些事实都充分说明该地区的气候水文过程正在发生着重大的变化,但目前由于与水热过程有关的各个分量,如潜热、感热、蒸散、土壤湿度和径流等变量都缺少长时间、大范围的观测数据,因此,现有的研究还不能从整体上认识西北地区水热过程在全球增暖大背景下的变化特征和规律,无法客观地估算该地区水热过程的可能变化趋势。为了能够进一步深入研究这个问题,我们考虑以新疆地区108站1960—2004年气象站的观测数据为基础,并结合其他大气驱动场中结果检验的辐射数据来建立了一个长达45 a,时间分辨率3 h,空间分辨率0.5°×0.5°针对新疆区域的陆面模型大气驱动场,主要的变量包括降水、气温、风速、气压、比湿和辐射。最后得到的产品能够提供一个长期的、区域内具有良好均一性的近地面气象变量数据集,它可以用于驱动陆面、水文、生态过程模式,为研究整个新疆地区年际、年代际,甚至月季到日的连续水热过程变化奠定坚实的基础,并可以作为评估耦合模型以及其他陆面预测计划的初始化条件。     

绿洲和沙漠下垫面状态对大气边界层特征影响的数值模拟

采用两维高分辩率边界层数值模式,并与一个包括植被和土壤层的生物一大气能量传输模式(BATS)耦合,模拟研究绿洲和沙漠下垫面状态对大气边界层特征的影响。结果表明,沙漠中的绿洲对大气产生"冷湿效应",使之上空形成冷湿气柱;绿洲之间的沙漠对大气呈"暖干效应",使上空形成热干气柱。在水平平流的作用下,在绿洲下游的沙漠边缘形成降水峰值,有利于降水,但沙漠区下游的绿洲则相对于整个绿洲区降水偏少,不利于形成降水。     

考虑生物结皮影响的陆气湍流模式研究

在以前工作基础上,针对腾格里沙漠人工植被区陆气水热传输过程,提出了一个多层陆气耦合模式.特别给出了导水率的计算模型和修正后的根系吸水模式,考虑了结皮层对土壤水分入渗的影响以及植被演化的过程.陆面过程耦合模式分别对大气、植被、土壤作多层划分,以助于细致了解沿高度分布的各物理量.同时,利用本模式对中国科学院沙坡头沙漠站人工植被区陆气水热交换过程进行了数值模拟,模拟结果与实测值吻合较好,可为当地合理利用水热资源和沙漠治理提供科学依据.     

西北四省区不同季节降水,气温异常的时空分布与干旱的关系

利用西北四省区７３个台站１９６０～１９９０年逐月降水量和平均气温的距平资料，采用综合的经验正交函数（ＥＯＦ）分析方法，对西北四省区春（３～５月份）、夏（６～８月份）、秋（９～１１月份）３个季节降水、气温异常的时空分布特征进行了诊断研究，得到了几种降水和气温异常的典型配置及其反映这些典型场的年际演变规律的时间系数，并在此基础上进一步分析了降水、气温异常的时变特征以及与西北四省区出现较严重干旱年份之间的关系。结果表明，西北四省区不同区域发生较严重干旱的年份与某些时间系数出现极值的年份存在很好的对应关系。     

中国西北气候干湿变化研究进展

西北地区对全球气候变化十分敏感,研究分析该地区干湿变化特征,对区域发展至关重要。本文从气象（降水、温度、蒸发）、水文（地表水、土壤湿度、陆地水储量）和植被等角度综述了近50年西北地区干湿变化特征。结果表明：西北整体气温升高,降水增加,呈暖湿化。但考虑陆面因素作用的分析表明该地区呈现东西部分化的格局。考虑蒸发因素的结果显示西部趋向暖湿化,而东部趋向暖干化。地表水资源和土壤湿度也显示西部增加、东部减少的态势。同时,西北西部植被状况正在明显改善。但陆地水储量显示,西北地区整体水资源仍十分匮乏,且处于不断减少的趋势。未来,西北地区气温仍将持续升高,降水、径流和土壤湿度也将会增加,整体向暖湿化转变。     

赤道东太平洋海温在副热带高压预报上的应用

鉴于赤道东太平洋海温与副热带高压的相关事实,使用秋冬季海表温度预报夏季副高诸特征量,由此估计我国东部地区汛期雨带位置与降水分布特征。1976—87年的预报试验取得了明显的效果。本文还对其影响机制作了探讨。     

Impacts of snow cover and frozen soil in the Tibetan Plateau on summer precipitation in China

This paper presents an analysis of the mechanisms and impacts of snow cover and frozen soil in the Tibetan Plateau on the summer precipitation in China, using RegCM3 version 3.1 model simulations. Comparisons of simulations vs. observations show that RegCM3 well captures these impacts. Results indicate that in a more-snow year with deep frozen soil there will be more precipitation in the Yangtze River Basin and central Northwest China, western Inner Mongolia, and Xinjiang, but less precipitation in Northeast China, North China, South China, and most of Southwest China. In a less-snow year with deep frozen soil, however, there will be more precipitation in Northeast China, North China, and southern South China, but less precipitation in the Yangtze River Basin and in northern South China. Such differences may be attributed to different combination patterns of melting snow and thawing frozen soil on the Plateau, which may change soil moisture as well as cause differences in energy absorption in the phase change processes of snow cover and frozen soil. These factors may produce more surface sensible heat in more-snow years when the frozen soil is deep than when the frozen soil is shallow. The higher surface sensible heat may lead to a stronger updraft over the Plateau, eventually contributing to a stronger South Asia High and West Pacific Subtropical High. Due to different values of the wind fields at 850 hPa, a convergence zone will form over the Yangtze River Basin, which may produce more summer precipitation in the basin area but less precipitation in North China and South China. However, because soil moisture depends on ice content, in less-snow years with deep frozen soil, the soil moisture will be higher. The combination of higher frozen soil moisture with latent heat absorption in the phase change process may generate less surface sensible heat and consequently a weaker updraft motion over the Plateau. As a result, both the South Asia High and the West Pacific Subtropical High will be weaker, hence causing more summer precipitation in northern China but less in southern China.     

论西北地区持续发展研究的基本问题

本文根据区域持续发展研究的内容和西北地区发展面临的形势。分析了该我持续发展研究的基本问题。     

中国西北汛期极端降水事件分析

利用中国西北五省（区）1960—2004年125个台站汛期（5—9月）逐日降水资料,首先定义了不同台站的极端降水阈值,然后统计出了不同台站近45 a逐年汛期发生极端降水事件的发生频次,并进行了时空分布特征分析,结果表明:中国西北汛期极端降水事件发生频次同降水量的空间分布有很大的差异;一致性异常分布特征是中国西北汛期极端降水事件发生频次的最主要空间模态;中国西北汛期极端降水事件发生频次的空间分布可分为以下6个分区:高原东部区、南疆区、北疆区、西北东部区、青海高原区及河套区;从长期变化趋势来看,高原东部区近45 a来汛期极端降水事件发生频次没有明显的变化趋势,北疆区、南疆区、青海高原区及河套区表现为较明显的的增长趋势,而西北东部区表现为较明显的减少趋势;中国西北汛期极端降水事件发生频次的各主要空间分区中,近45 a来13 a左右的周期振荡表现得比较显著。     

中国西北地区夏季降水分区客观预报

本文在降水分区的基础上,对西北地区夏季降水进行预报。利用2007—2010年的6—8月T639资料和相应时段的实况资料,通过概率回归降水等级方案进行建模,对2011年6—8月进行了试报。结果表明:与单站建模预报相比,分区建模降水预报TS评分在各时效、各量级上均有提高,并且在空报和漏报上有较大减少,特别是中雨预报改善明显。分区建模比单站建模所选因子更丰富,利用了模式产品的有用信息,因此预报效果更好。分区建模降水预报与模式直接输出降水预报的对比分析表明:分区建模的降水预报效果优于模式直接输出降水预报,尤其小雨预报效果显著,中雨和大雨36 h和60 h预报的空报现象明显减少。     

河西经济带建设在大西北开发中的地位与作用

本文论述了建设河西经济带对开发大西北，维护社会稳定和国家统一，缩小东西部差异，减轻人口压力及发展边境贸易等方面的重大意义．     

中国华北和西北地区水量短缺对农业的压力及对策

华北平原的耕地占全国的 31.19% ,人口占全国的 2 6 .0 1,但水资源只占全国的 6 .14 % ,水资源的供需矛盾很大。而西北地区的水资源分布不均 ,内陆河流域的引水率过高造成了河水断流、湖泊干涸和土地沙漠化。至 2 0 5 0年 ,全国工业和城镇用水将消耗 5 0 %的供水 ,农业用水将比现在减少 ,但黄河流域和西北农业需水量将比2 0 0 0年增加 73× 10 8m3 ,保障农业用水的难度将比现在更大。要避免中国干旱区农业用水的短缺 ,需采取从中国南部的长江流域调水到华北、提高水资源的利用效率、应用节水灌溉技术、调整种植结构和在城市循环用水、净化工业和生活废水等措施     

中国降水观测误差分析及其修正

在1980s 乌鲁木齐河流域进行的降水误差观测试验结果基础上, 依据我国726 个气象站1951~2004 年逐日观测资料, 对降水的动力损失、微量降水以及湿润损失进行系统的修正, 以期获得更准确的长系列降水资料, 为区域乃至全球水热循环过程和水文学研究提供基础资料。修正结果表明, 在大部分地区由风速作用引起的动力损失是主要的误差来源, 但在降水较少的地区湿润和微量降水观测损失也起着重要作用, 全国726 个台站年降水修正量在8~740 mm 之间, 平均约125 mm, 相应的修正幅度在5%~72%, 平均约18%。从时间看, 冬季修正系数大于夏季, 但冬季修正量小于夏季; 从空间分布看, 西北地区年修正量一般小于50 mm, 东南地区大于100 mm, 总修正系数由西北向东南地区减少, 其中西北地区大于30%, 而西南地区小于20%, 这一修正系数高于全球的11%左右的平均修正量。