不同源降水数据在天山南坡阿克苏河流域适用性分析

降水是水热循环以及气候变化研究的重要环节,降水资料的准确与否直接影响流域尺度的水文过程研究。本文基于2000-2015年天山南坡阿克苏河流域气象站点观测降水数据,对比分析了Tropical Rainfall Measuring Mission（TRMM）降水数据集和Global Land Data Assimilation System（GLDAS）两种具有代表性的降水格网数据集在阿克苏河流域的适用性。结果表明：TRMM3B43数据在阿克苏河流域的整体表现优于GLDAS-2数据。两种数据的精度在月尺度上表现最优,相关系数分别为0.938和0.901,通过了0.01的显著性检验;在季节尺度,TRMM3B43数据各季节与站点插值的拟合度要优于GLDAS-2数据,但二者均呈现出高估冷季降水而低估暖季降水的趋势;在年尺度上,两种数据表现较差。在空间分布上,两种数据类型均能够反映出阿克苏河流域降水自西北向东南递减的空间分布趋势。并且两种数据在平原区的表现均优于山区,低估高海拔地区降水而高估低海拔地区的降水。     

1981-2019年全球气温变化特征

1981—2019年全球气温变化特征是揭示全球气温变化的空间差异性以及实现全球共同应对气候变化的关键。本文基于7套再分析数据,采用气候变化速率及空间插值等分析方法,分析了1981—2019年全球气温变化时空特征及主要国家气温变化。结果表明：1981—2019年全球陆地气温以0.320 ℃/10a的速率呈极显著升高趋势,年平均气温增加了0.835 ℃;南、北半球陆地气温变化速率分别为0.147 ℃/10a、0.362 ℃/10a,均呈极显著增加趋势,分别增加了0.874 ℃、0.828 ℃。全球陆地80%面积上气温呈现显著增加趋势,年平均气温升高速率最大的区域位于80°N~90°N,其次是70°N~80°N、60°N~70°N,高纬大于中、低纬,格陵兰地区、乌克兰、俄罗斯等中高纬度国家或地区增温速率较快,尤以格陵兰地区增加速率最快,气温变化速率为0.654 ℃/10a;增温最慢的地区主要位于新西兰和赤道附近的南美洲、东南亚、非洲南部等地,气温变化速率不足0.15 ℃/10a。本文统计的146个国家中,年平均气温呈显著增加趋势的国家136个,占93%;气温无显著变化的国家10个,占6.849%。1981—2019年全球增温2.0 ℃以上、1.5 ℃以上、1.0 ℃以上的国家分别为4个、34个、68个,分别约占统计国家的2.740%、23.288%、46.575%。本文认为1998年以来全球并没有出现气温变暖停滞的现象。     

东西伯利亚苔原—泰加林过渡带植被遥感物候时空特征及其对气温变化的响应

物候变化是气候变化的重要指示器,通过对植被物候时空变化的研究可以为进一步分析全球气候变化提供依据。基于2000—2017年MODIS-NDVI时间序列数据,利用不对称高斯函数和动态阈值法,提取、分析了东西伯利亚苔原—泰加林过渡带植被生长季起始期（SOS）、结束期（EOS）、中期（MOS）和长度（LOS）4种植被遥感物候参数的时空变化格局。同时结合同期CRU（Climate Research Unit）气温观测数据,分析了4种物候参数对气温变化的响应关系。结果表明：遥感物候参数可以直接、有效地反映气温的变化：研究区64°N以南区域4—5月气温升高,对应区域SOS提前5~15 d;64°N~72°N之间5—6月气温升高,对应区域SOS提前10~25 d;最北端北冰洋沿岸6月气温升高幅度较小且7月气温降低,对应区域SOS推后15~25 d;西北部8月、西南部9月气温降低,对应地区EOS提前15~30 d;67°N以南区域9—10月气温升高,对应区域EOS推后5~30 d;EOS的变化对气温变化较SOS更为敏感,较小的气温波动即引起EOS较大的变动;研究区内植被生长季整体呈前移趋势,且西北部LOS缩短,中部、南部LOS延长。     

地表岩石侵蚀速率对宇生核素暴露测年影响的研究

利用原地生宇生核素测定暴露年代时,通常会假设地貌体侵蚀速率为0。研究表明,该假设会低估地貌体的真实暴露年代。搜集2009~2012年全球不同区域56个岩石样品的宇生核素¹⁰Be测年数据,探讨侵蚀速率为0对于侵蚀速率为0.5、1以及2 mm/ka的样品,在不同暴露尺度上对暴露年代计算的影响幅度。结果表明,对于1×10⁴a尺度的样品暴露年代可能低估约0.5%,1%,2%;对于10×10⁴a尺度的样品可能低估约5%,7%,20%;对于50×10⁴a尺度的样品可能低估约40%,70%甚至100%以上。     

宁夏河东沙地不同坡度柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）水分利用策略差异

为探讨全球气候变化背景下多元线性混合模型（IsoSource）和贝叶斯混合模型（MixSIAR）解析宁夏河东沙地柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）水分利用策略差异及适用性,利用氢氧稳定同位素技术,结合直接对比法、IsoSource模型和MixSIAR模型对比分析不同坡度（6°、10°、16°和24°）样地柠条锦鸡儿在生长季不同时期对各潜在水源的利用率,并评估两种模型的植物水分溯源效果。结果表明：柠条锦鸡儿对不同土层深度土壤水的利用存在明显的季节性差异,生长季初期,随着坡度的增大,柠条锦鸡儿对中层土壤水的利用率呈现出先增大后减小的趋势;生长季中期,随坡度增大,柠条锦鸡儿主要水分来源由深层土壤转移至浅层土壤;生长季后期,柠条锦鸡儿主要水分来源随着坡度的增大由浅层土壤转移至深层土壤。基于直接对比法的定性判断结果,IsoSource模型和MixSIAR模型计算坡度6°、10°和16°样地柠条锦鸡儿主要水分来源利用率的适用性均较高;而MixSIAR模型计算坡度24°样地柠条锦鸡儿主要的水分来源以及其贡献率具有更高的可靠性。IsoSource模型更适合解析较小坡度（6°和16°）样地柠条锦鸡儿的水分利用策略;而MixSIAR模型解析较大坡度（10°和24°）样地柠条锦鸡儿水分利用策略的适用性更好。研究结果可为我国干旱区植物水分来源鉴别方法的选择提供科学参考。     

ERA-Interim和GHCN-CAM再分析气温数据在天山山区的适应性分析

天山山区是新疆主要河流的发源地,对该区域再分析气温数据进行适应性分析具有重要的研究意义,气温观测数据由于受到太阳辐射、海拔、大气环流和传感器角度等因素的影响,导致诸多误差;在其应用之前需要验证,尤其在海拔差异较大的天山山区。为验证ERA-Interim和GHCN-CAM两种再分析气温数据在天山山区的适应性,本文在数据预处理的基础上,利用45个气象站点日平均气温数据分别计算偏差(BIAS)、相关系数(R)、均方根误差(RMSE)等统计指标,并从不同海拔、偏差的空间分布上对天山山区1984—2016年ERA-Interim和GHCN-CAM逐月平均气温数据进行了适应性分析。结果表明:(1) GHCN-CAM(R=0. 94; BIAS=0. 55℃; RMSE=4. 08℃)气温值在天山山区的适应性强于ERA(R=0. 95; BIAS=2. 35℃; RMSE=4. 21℃)。(2)在气温的年内变化上,两种再分析数据值均低于观测值,表现为低估。(3)在季节尺度上,冬季(12月、1月和2月)表现为冷偏差,其他季节暖偏差。春秋两季模拟精度比夏冬两季高。(4)在1500～2000 m地区气温的模拟最好。从偏差的空间分布来看,天山中部、东部的再分析数据比天山南、北部能更好的反映气温的空间分布特征。山区地形复杂度和气象站点的不均匀是影响再分析数据精度的主要因素。     

京津冀地区无人机航路气象因子高分辨率模拟分析

京津冀地区低空环境复杂多变,低空飞行安全受到雷暴、风切变、能见度、温度和湿度等气象因子的影响,准确地模拟和预报无人机低空航路上的气象要素是一个难题。基于中尺度天气预报模式(WRF)及其先进的三维变分同化系统(3D-Var),论文以2016年华北“7·20”特大暴雨作为研究案例,对京津冀地区无人机低空航路上的温度场、湿度场和风场进行资料同化与数值模拟,对比地面观测资料和数值模拟结果,分析其结构及特征,以期为京津冀地区无人机航路飞行安全保障提供参考。结果表明：WRF模式能够较好地模拟出该地区近地面温度、湿度和风速的日变化趋势。平原站点(天津和密云)模拟值与观测值的均方根误差(RMSE)和偏差(Bias)较小,风速在山区的模拟值偏大,平原地区的模拟效果优于北部和西部山区。强降水发生时,平原地区和山区的温度相差15 ℃左右,相对湿度达95%以上,边界层高度低于500 m,强烈的温差、较高的湿度和较低的边界层都会影响无人机的飞行安全。900 hPa高空,沿117°E经线在河北省廊坊—衡水一线出现超过10 m·s^-1的风速值,形成强劲的东北风,区域北部(39°N~40.5°N)出现了明显的上升气流,1000 m高度处垂直风速也超过2 m·s^-1。强烈的上升气流极不利于无人机的飞行,会对无人机飞行姿态和飞行高度产生重大影响,造成安全隐患。     

高原复杂地理参数对雷电活动的影响分析

雷电活动参数作为反映区域雷电活动特征的重要指标,地形对其影响不容忽视。利用2014—2018年青海省地闪数据、数字地形高程数据以及HWSD土壤数据集,定量分析海拔、坡度、坡向以及土壤电阻率对青海省地闪分布特征的影响。结果表明：（1） 青海省地闪主要集中在海拔3150~4850 m、坡度0~35°的地区,其中东北坡向地闪次数最多,东南坡向地闪次数最少,地闪对应的土壤电阻率主要集中于100 Ω·m。（2） 地闪密度随海拔的升高先增大后减小,随坡度的增大而减小;地闪平均强度随海拔的升高先减小后增大,随坡度的增大而增大。（3） 选取92°27′00″~97°44′24″E、31°40′48″~34°16′48″N地闪活跃区域,对其1 km×1 km网格内地闪数据与地理参量平均值进行相关性分析,所选区域内地闪密度与平均海拔呈正相关关系,与平均坡度呈负相关关系;而地闪强度与平均海拔呈负相关关系,与平均坡度呈正相关关系。     

雅鲁藏布江流域降水时空变化特征

雅鲁藏布江流域是全球气候变化的敏感区,该流域降水变化对青藏高原的水系统、生态系统和山地灾害系统的演变具有重要影响。本文通过流域水文分析,将雅鲁藏布江流域的三大水资源区细分为9个分区。基于雅鲁藏布江流域1979—2018年降水数据,综合分析了雅鲁藏布江流域及9个分区的年、干湿季、月降水量以及日、小时尺度极端降水的时空变化特征,探讨了降水和典型大尺度大气环流因子的相关性。结果表明：① 1979—2018年间,在流域尺度上,各时间尺度降水整体上均呈上升趋势。其中,年降水量上升趋势最大,为2.5 mm·a^-1;年、干湿季降水量以及典型小时尺度极端降水（Rx3hour、Rx12hour）均在95%信度水平下显著上升。在水资源分区尺度上,各分区不同时间尺度降水的变化趋势呈现更明显的非一致性,所有分区除小时尺度极端降水均呈上升趋势外,其余时间尺度降水的趋势变化方向各异。② 雅鲁藏布江流域降水存在明显的空间分异性,且降水空间分异性会随着降水指标时间尺度的缩短而增强。各时间尺度降水整体上均呈现出自东部向西部逐渐减少的趋势,流域东南部（分区Ⅲ-2）始终是高值中心,流域中西部（分区Ⅰ-2、Ⅱ-1）存在区域性高值中心。③ 北半球副热带高压和北半球极涡对雅鲁藏布江流域降水变化具有显著影响。研究结果有助于掌握当地降水的多尺度变化特征,可为雅鲁藏布江流域和青藏高原地区的水循环研究、水资源开发利用和山洪灾害防治等提供科学基础。     

四种再分析辐射资料在东南极高原适用性评价

利用东南极Panda-1站2011年2月至2012年1月期间的辐射观测资料,检验了四种再分析资料在该地区的适用性。结果表明:对各辐射分量ERA interim在Panda-1地区的适用性都明显好于其他三种再分析资料,这主要归因于其四维变分(4D-VAR)数据同化系统的应用、新的云预报方程和改进的参数化方案以及同化了更多的卫星资料雷达等非常规探测资料。对于向下短波辐射,NCEP-1与实测值之间偏差最大(18.7 W·m-2),可能原因是模式对大气透明度的高估和对云量的低估。对反射率模拟的偏差直接导致了各模式对净短波辐射模拟偏差。NCEP-1与JCDAS都低估了Panda-1地区的地表反射率,模式中,地表吸收了更多的向下短波辐射,最终导致对净短波辐射模拟偏高。对向下长波辐射,四种再分析资料都存在不同程度的低估,冬季偏差大于夏季,其中NCEP-1与NCEP-2偏差最大(分别为-62.6 W·m-2和-37.3 W·m-2)。四种再分析资料均不能很好地反映Panda-1地区净辐射的年变化情况,一般而言,夏季偏差小,冬季偏差大。虽然再分析资料存在明显的缺陷和不足,在广袤的东南极高原地区,观测站点稀少,实测资料无法满足需要,再分析资料仍不失为研究东南极地区气候的一种有效工具。     

天山地区大气降水氧同位素的影响因素及其对西风环流变化的指示意义

利用全球降水同位素观测网（GNIP）提供的乌鲁木齐大气降水氧同位素（δ¹⁸O_p）观测数据（1986-2003年）,结合和田δ¹⁸O_p数据及天山冰芯δ¹⁸O记录,分析了天山地区δ¹⁸O_p在年内和年际尺度上的变化特征,及其与主要气候要素（温度和降水量）的关系。结果表明,年内尺度上,δ¹⁸O_p与月均温和月降水量均为显著正相关,表现出明显的“温度效应”;年际尺度上,加权平均年δ¹⁸O_p与年均温度却呈现负相关关系,与降水量仍为正相关。近40~50年的天山地区4支冰芯的δ¹⁸O具有整体偏负的变化趋势,与研究区逐步升高的温度呈反向变化,说明在年际至年代际尺度上,这一区域δ¹⁸O_p与温度之间的负相关关系是客观存在的。进一步对研究区水汽来源路径的对比分析发现：δ¹⁸O_p值偏负的高温年份（1997年）的暖季水汽相对更多来源于远源的高纬度区域,而δ¹⁸O_p值偏正的低温年份（1988年）则相对更多来自近源的中、低纬度区域;同时,研究区上风方向的欧亚大陆14个GNIP站点1997年和1988年的暖季加权平均δ¹⁸O_p值存在高纬度区域偏负而中、低纬度区域偏正的特征;这些结果说明年际至年代际尺度上,天山地区δ¹⁸O_p与温度之间的负相关,本质上指示了西风环流南北摆动所引起的水汽来源变化,可以作为西风环流变化的指示器。     

中国西北干旱区TRMM遥感降水探测能力初步评价

西北干旱区雨量站点稀少且分布不均,为水文过程研究带来一定困难。TRMM遥感降水数据覆盖范围广、时空分辨率高,是很有潜力的降水替代品,但其在西北干旱区应用的可靠性需要评价。对TRMM网格降水量与地面实测降水量在日尺度和月尺度上进行比较,通过FBI（frequency bias index）、POD（probability of detection）、FAR（false alarm ratio）、偏差和相关系数等指标分析TRMM对降水的探测能力。结果表明：TRMM对降水的探测能力因区域、海拔和冷暖季而异,月时间尺度上TRMM对降水事件的发生频率和降水量的估计比日时间尺度更为准确,但二者探测能力都非常有限;76个格点中,日降水的[FBI]值都远离最优值1,POD值和FAR值则分别在0.72以下和0.37以上,离最优值较远,相关系数几乎都在0.4以下,只有14个格点的偏差在±10%之间,其余格点最大偏差高达389%。最多有9个格点的月降水[FBI]值达最优,14个格点的POD值达最优,24个格点的FAR值达最优,67个格点的相关系数在0.4以上,14个格点的偏差在±10%之间,只有极少数格点的全部指标都在可接受范围之内,多数站点是某些指标达最优值,而某些指标在可接受范围之外。总体来讲,TRMM遥感降水数据在西北干旱区难以直接应用,需要进一步纠正处理。     

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。     

气候变化背景下尼雅河流域生态基流研究

流域生态基流是河流生态系统健康稳定的关键,以新疆尼雅河流域为研究区域,根据民丰县气象站1958—2018年的气象数据与尼雅河4个水文监测断面1978—2018年的水文数据,运用趋势拟合、Tennant法、相关性分析和回归模型等分析流域气候变化、确定生态基流并探究其时空分异与保证率变化,揭示生态基流对气候变化的响应。结果表明：61 a来流域气温以0.22 ℃·(10a)^-1的速度增加,年降水量以3.8 mm·(10a)^-1的速度增加;尼雅水库、八一八渠首、尼雅水文站和尼雅渠首的年生态基流推荐值分别为：1.989 m³·s^-1、2.188 m³·s^-1、1.755 m³·s^-1、1.702 m³·s^-1;生态基流年际最大值出现在2010年,最小值在1980年,年内最大值在7月,最小值在1月或12月;空间上表现为上游高下游低,以八一八渠首处最高,尼雅渠首处最低;各站多年平均生态基流保证率分别为：50%、45%、50%、45%,且表现出汛期明显高于非汛期;逐年、逐月生态基流与气温、降水量均在0.01水平上显著相关,但在春夏季对气温敏感,秋冬季对降水量敏感,各水文监测断面的回归模型耦合效果相似,流域整体回归方程R²=0.365,且生态基流对气候变化响应具有整体性和衰减性。研究结果可为尼雅河流域生态调水和水生态修复提供参考。     

毛乌素沙地东南缘植被NDVI时空变化及其对气候因子的响应

了解植被生长对气候变化的响应是厘清生态系统动态关系的重点。基于1990—2018年气象数据和归一化植被指数（NDVI）,应用偏相关分析与地理探测器等方法,分析了在生长季,毛乌素沙地东南缘不同类型植被年均NDVI的变化趋势,探讨了年均气温与年总降水量对各类型植被的影响。结果表明：（1） 1990—2018年生长季研究区植被年均NDVI显著与极显著增加面积达97.9%,整体生态环境质量大幅度改善。2005年之前植被年均NDVI增速缓慢,此后以0.011·a^-1的速率发生了突变增加,其中灌丛类植被年均NDVI增长幅度最大。（2） 2000年为年总降水量与年均气温的趋势突变点,突变前年总降水量以-5.510 mm·a^-1的速率减少,此后以5.541 mm·a^-1的速率增加,且主要依赖于大雨雨量的增加;年均高温与年均低温在突变前上升速率分别为0.122 ℃·a^-1与0.230 ℃·a^-1,突变后,年均高温下降速率为-0.014 ℃·a^-1,而年均低温上升速率为0.022 ℃·a^-1。（3） 在植被年均NDVI缓慢增长阶段（1990—2005年）,年均低温对植被影响较大,与不同类型植被年均NDVI多呈显著正相关;在植被年均NDVI快速增长阶段（2006—2018年）,年总降水量与不同类型植被年均NDVI呈显著正相关,大降雨事件的频发使得降水量对于植被的生长起主导作用。年总降水量与年均气温尤其是年均低温的交互作用是促进植被生长的关键。     

1906-2015年武汉市温度变化序列重建与初步分析

本文利用1906-2015年武汉月平均最高与最低气温资料,重建了过去110年武汉市年平均气温距平序列,分析了其年代际尺度的变化特征。主要结论为：①过去110年武汉市经历了“暖—冷—暖”3个多年代际波动,其中1906-1946年与1994-2015年气候相对温暖,1947-1993年则气候相对寒冷;②在多年代尺度上,武汉市存在多次显著增温和降温过程,其中增温速率最快的30年和50年分别出现在1980-2009年和1960-2009年;最快降温速率则出现在1928-1957年和1925-1974年;③过去110年武汉市年均温发生了3次跃变,其中由冷转暖的跃变出现在20世纪20年代初和90年代中后期,而由暖转冷的跃变则出现在40年代;④武汉市年均温变化与全球/北半球和中国的变化趋势基本一致,但变幅偏大。此外,全球增暖停滞现象在武汉市最近十几年也有所体现。     

1960~2015年中国天山南、北坡与山区极端气温时空变化特征

基于中国天山地区35个气象站点1960~2015年逐日最高、最低气温实测资料,应用Mann-Kendall趋势检验分析法, 空间分析法等研究了极端气温的时空变化特征,并探讨了气温指数的环流背景因素。结果表明：① 近56 a来,年平均最高、最低气温均呈上升趋势,而日较差呈下降趋势; 暖指数和日最低(高)气温极小值均呈上升趋势,而其他冷指数呈减小趋势;从季节变化看,除暖昼、暖夜之外,大部分气温指数的冬季变暖幅度均明显高于夏季。② 空间分布上,天山山区年平均最低气温和日较差以及大部分冷指数的变暖幅度大于南北坡,而暖指数则表现为南坡大于北坡和山区。③ 高温和低温指数变化幅度表现出明显不对称性变化,年平均最低温的变暖幅度明显大于年平均最高温,冷指数变暖幅度大于暖指数,夜指数变暖幅度显著大于昼指数。④ 天山地区年平均最高(低)气温和极端气温冷指数受环流指数北极涛动(AO)、北大西洋涛动(NAO)和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的影响较大,而北太平洋涛动(NPO)、东亚夏季风(EASMI)、南亚夏季风(SASMI)和南海夏季风(SCSMI)是暖指数变化的重要因素。