干旱半干旱区土壤水分研究进展

土壤水分调控着陆表-大气相互作用过程,是土壤-植物-大气连续体水分和能量交换的重要影响因子,也是影响生态系统水文、生物和生物化学过程的关键因素,是陆地生态系统中不可或缺的组成部分。本文简要回顾和评述了土壤水分点、面尺度的监测、分析方法,系统阐述了干旱半干旱区土壤水分的国内外研究进展,并结合目前的研究进展,提出了未来干旱半干旱区土壤水分研究展望,以期促进深入理解和准确预测干旱半干旱区土壤水分变化的生态与水文效应,为制定科学合理的干旱半干旱区水资源经营管理方案奠定理论基础。     

新疆沙尘源状况及其沙尘气溶胶释放条件分析

沙尘气溶胶是干旱、半干旱区大气中重要的组成物质, 沙尘天气多发是该区域沙尘气溶胶含量高的主要原因。新疆1/4的土地被沙漠覆盖,塔里木盆地绝大部分地区沙土和沙壤土占地比率大于60%,沙漠沙以细沙为主, 特殊的下垫面为沙尘天气的形成提供了丰富的沙源;沙漠周围的边缘地带、河流两岸、古河道中的土壤类型中粒径小于2.5 μm和粒径小于10 μm的土壤颗粒物中细颗粒物分别达到了50%和20%,是大气沙尘气溶胶中细颗粒物的主要来源和潜在来源。沙尘天气的产生受大风、降水、植被覆盖度、下垫面性质以及大气环流等多种因素的影响。     

宁夏春季沙尘暴频次异常与北太平洋海温异常的关系研究

利用宁夏沙尘暴频次资料、500 hPa环流特征量资料、NCEP再分析资料、北太平洋海温场格点资料,采用相关分析、合成分析、小波变换、SVD分析,对宁夏沙尘暴频次与北太平洋海温场的关系进行了研究,探讨了北太平洋海温场通过影响大气环流异常再影响沙尘暴异常的途径。结果表明：宁夏春季沙尘暴频次与前一年10月到当年5月加利福尼亚海温有显著的负相关关系,关键区海温冷、暖异常与宁夏春季沙尘暴日数多、少有较好的时频对应关系;另外发生在北太平洋的厄尔尼诺事件对宁夏春季沙尘暴有重要影响,当北太平洋海温场呈厄尔尼诺（拉尼娜）型分布时,宁夏各地沙尘暴日数以偏少（多）为主。加利福尼亚海温通过影响大气环流,进而影响宁夏沙尘暴的发生,冷水年春季（3—5月）,欧亚大陆高空系统较强,环流经向度加大,蒙古气旋加深,有利于极地冷空气南下;从风场形势看,冷水年河套至甘肃、内蒙西部及蒙古国中西部一带高层盛行西北风,而低层多为东南风,这种不稳定形势,也为西北沙尘暴的发生发展创造了有利气候条件。另外,冷水年冬春季东亚大槽位置以偏西为主,极涡强度偏强的年份占优势,西风环流指数负距平的年份偏多,经向环流偏强,冷锋活动频繁,大部分冬季平均气温偏低,表明冬季风偏强的年份为主;而暖水年基本相反。     

风水复合侵蚀研究进展与展望

风水复合侵蚀是干旱,半干旱区一种常见的土壤侵蚀类型,是风水两相外营力相互耦合驱动下发生的地表物质再分配过程。在辨析风水复合侵蚀类型的基础上,将风水复合侵蚀影响因子归结为侵蚀动力因子、土壤抗蚀性因子与干扰因子,并分析了影响因子间的互馈关系;从全球尺度、区域尺度和局地尺度,总结了风水复合侵蚀在空间尺度上的差异;评述了风水共同侵蚀过程中侵蚀力与侵蚀能量的叠加效应,风水交替侵蚀过程中侵蚀力与侵蚀能量的交替性特征,以及下垫面和干扰因子对风水复合侵蚀的响应;阐述了风力与水力侵蚀在总侵蚀量中的贡献比率与两者叠加所产生的耦合效应;认为风水复合侵蚀实验研究是认识风水复合侵蚀过程与机理的基础,应将风水复合侵蚀过程段研究扩展到全过程研究,同时加强下垫面在风水复合侵蚀中的响应机制以及水蚀与风蚀间的抑制效应研究,以期达到全面客观地认识风水复合侵蚀过程与机制的目的。     

近130年来中亚干旱区典型流域气温变化及其影响因子

利用中亚干旱区5 大主要典型流域代表性气象站点近130 年逐月实测气温数据,结合线性趋势、Mann-Kenndall 非参数检验和小波分析等方法,研究了各流域气温的多时间尺度特征,并探讨了引起气温变化的可能因素。研究发现,在近130 年来中亚干旱区各主要流域（除阿姆河外）年均气温均呈上升趋势,增温趋势高于全球和周边地区,中亚干旱区气温对全球变化的响应比其他地区更加明显。20 世纪80 年代之后更加明显,并表现出明显的多时间尺度周期振荡特征,这主要是自然外强迫动力作用、气候系统内部变化和人类活动相互叠加的结果,亚洲极涡强度减弱和面积缩小对主要流域气温变化的作用明显,其次是北半球环状模（北极涛动）和青藏高原的影响,而CO₂引起的温室气体增温效应在中亚干旱区也不容忽视。气温表现出与布吕克纳周期（BC）、太平洋年代际涛动（PDO）和准2~3 年振荡周期（TBO）等有关的显著周期,可以证实中亚干旱区气温变化与大气环流、海温和太阳活动等密切相关。     

层次分析法在下垫面因子影响沙尘暴危险度研究中的应用

沙尘暴是一种危害严重的气象灾害,其形成依赖于大气环流和沙质地表两种不同密度的物理介质的相互作用,风力条件和下垫面的性质是影响沙尘暴强度和危害程度的两个重要因素。减轻沙尘暴危害的有效方法就是改善沙尘暴源地的下垫面状况,但这需要评估下垫面各因子在不同天气、气候背景条件下对沙尘暴发生的影响程度。从下垫面的角度出发,以内蒙古中西部地区为例,利用气象资料和实测数据,应用AHP方法对下垫面定性与定量因子进行综合分析,得出不同地区下垫面因子对沙尘暴发生作用的权重,为从下垫面角度研究沙尘暴危险度奠定基础。     

多因变量物理集成方法在雨季开始预测中的应用

通过计算全球1951～2008年100hPa、500hPa高空资料、74项大气环流特征量、地面气压、太平洋海温以及中国160个测站的降水、气温等6种环流场和特征值与雨季开始期的相关性,找出了雨季开始期变化的高影响关键区,对关键区进行因子合成,筛选出了5种环流场的33个关键因子,分析因子的最佳界值和正贡献指数,经线性回归计算,建立分类环流一次预报方程和综合环流多因子集成预报二次方程,最后通过二次方程和正贡献指数方程建立三次集成预报模型,投入实际气候预测应用,4年来准确预测了玉溪雨季开始期。     

中国北方农牧交错带春季风速的年际变化与冬季海温的关系

利用中国北方农牧交错带1979—2016年64个气象台站的逐日风速资料、ERSST海温数据以及ERA-Interim再分析资料,探讨了前期冬季海温与北方农牧交错带春季风速年际变化的关系。研究表明,北方农牧交错带春季的风速存在强烈的逐年波动,年际方差占总方差的比例为36%。影响农牧交错带春季风速年际变化的前期冬季海温在北大西洋20°N~65°N区域呈现“负、正、负”的异常分布,在北太平洋10°N~55°N、130°W~180°区域呈现“负、正”的异常分布。冬季的海温异常与研究区春季风速年际变化联系的桥梁是北半球大尺度大气环流的异常。当北大西洋海温从高纬至低纬呈现“负、正、负”的异常分布时,从北大西洋至东亚位势高度呈明显的“正、负、正、负”的波列特征;当北太平洋海温从高纬至低纬呈现“负、正”的异常分布时,从北太平洋至东亚位势高度呈“负、正、负、正、负、正”的三波型分布。二者均能影响东亚地区春季大气环流的变化,导致东亚地区上空产生一个异常的气旋性环流,该气旋性环流在对流层中层与低层均存在,是造成研究区风速变化的直接原因。冬季海温与研究区春季风速的显著相关,说明冬季海温对农牧交错带春季风速的年际变化具有超前指示意义。利用北大西洋和北太平洋海温异常中心区的冬季海温作为预报因子,建立春季风速预报模型,可以解释风速年际变化的32%,回报交叉验证结果表明,海温与风速的时间滞后关系是显著和稳健的。     

大理州2005年初夏干旱成因探析

大理州2005年初夏出现了严重干旱气象事件.从500pHa高空环流特征、500pHa距平场特征、西太平洋副高特征量及北太平洋中低纬海温距平场、OLR距平场对这次干旱的成因进行了分析,分析结果表明：2005年初夏（4月1日～6月10日）降水异常偏少气温明显偏高是发生干旱的主要原因,高空大气环流异常、西太平洋副高持续偏强偏西、冷空气活动偏北是导致干旱的直接原因;孟加拉湾南部4月OLR场呈明显正距平,抑制低值系统的发展和东北移影响云南,是影响2005年大理初夏干旱重要原因;北太平洋中低纬海温特征与大理州初夏干旱有一定的遥相关性.     

三江并流区干热河谷成因新探析

干热河谷是青藏高原周边及三江并流区引人注目的、较为独特的地生态现象。干热河谷是构造-地貌-古生态效应、环流-季风-“狭管”效应、地形波-局地环流-降水-焚风效应、植被-土地利用-人类活动干扰效应等综合作用而形成的原生性的地生态现象。早第三纪时,三江并流区是斜贯我国广阔干旱气候带的组成部分。随着青藏高原的隆起和西南季风的形成演化,逐渐向暖湿性的亚热带气候和植被演化,进入上新世末-更新世以后,纵向岭谷地貌形成,大江大河溯源侵蚀,河谷深切,在深切河谷下部逐步形成与其纬度位置相当的干旱半干旱生态景观,从古生态上实现了某种意义上的“返祖”现象。冬半年本区受西风南支急流控制形成干季,夏半年受西南季风控制,尽管带来大量水汽,但受特殊地貌格局影响,在本区形成金沙江河谷等四个少雨区,部分气流沿狭窄平直河谷急速北流一路无阻,水汽被输送到北部地势增高之处形成地形降雨。纵向排列的岭谷地形波,形成明显的降水波状起伏分布曲线,气流越过山岭后下沉气流带来“焚风”效应,形成干热河谷。人类活动叠加在原已生态脆弱的干热河谷生态系统之上,社会经济发展使其土地利用强度加剧、植被减少、水土流失严重等,促使生态环境进一步朝干热化方向发展。因而,干热河谷形成有着其地史、大气环流、季风、大地貌及地形波效应、植被抗逆性差等自然要素的综合作用,并叠加了人类的干扰,是局地地-气-水-生-人交互作用及耦合效应的综合产物。     

基于反射率和亮度温度的锡林郭勒积雪深度估算

积雪是我国西北干旱半干旱区重要的水资源，也是影响全球气候变化的重要因子之一。 目前光学影像反射率和雷达亮温数据是积雪遥感领域的主要数据，本文首次结合两类遥感数据估 算积雪深度，并比较偏最小二乘法和机器学习算法（人工神经网络、支持向量机和随机森林算法） 在积雪深度估算方面的表现。以锡林郭勒盟 2012—2015 年积雪深度数据为例，基于反射率和亮度 温度相结合的积雪深度估算精度优于单个数据源，且随机森林算法表现最好，均方根误差为 2.93 cm，满足实际应用的需求。研究结果对我国西北地区水资源分布、生态环境评估等研究具有重要 意义。     

太平洋副热带高压、西风环流、极涡指数变化与中国夏季降水相关的研究

探讨了副热带高压、西风带环流、极涡指数的年际和年代际变化规律,揭示了来自副热带、中纬度和极地的大气环流系统的强迫对中国夏季降水的影响.结果表明初夏,当纬向环流指数偏弱时,中国东北和华北大部分地区降水量偏多,这表明东亚中高纬地区盛行阻塞和冷涡偶极子系统,呈有利于东北的冷涡雨季形势;盛夏,西太平洋副热带高压脊线位置和亚洲区极涡强度指数与中国同期降水量场相关波列,均为自北向南呈"-、 、-、 "经向波列分布;春季亚洲区极涡强度、亚洲纬向环流指数、西太平洋副热带高压北界位置以及前一年冬季北半球极涡强度指数与盛夏中国降水量相关显著.中国盛夏降水带,从东北地区开始,由北向南分4个雨带.     

2006年云南省盛夏高温干旱成因分析

对2006年云南盛夏严重的高温干旱及其成因进行分析。结果表明：西太平洋副热带高压强度偏强,位置偏西、偏北,不利于将孟加拉湾等地的暖湿气流带到云南、四川等地,使这些地区7-8月降水明显偏少;亚欧地区经向环流偏弱,纬向环流偏强,中高纬地区大气环流以纬向环流占优势,不利于冷空气向南方地区输送;阿拉伯湾、孟加拉湾、南海及云南、四川等地的OLR值偏高,对流活动受到抑制,不利于水汽的输送及降雨的产生;850 hPa温度场上,云南多处于高温暖区内,7-8月无明显冷空气影响云南等都是形成高温干旱的重要原因。     

干旱半干旱区山地土壤水分动态变化

水分是干旱半干旱区山地植物生长的主要限制因子，在这些地区开展土壤水分动态变化研究对农业生产和生态恢复的重要性是不言而喻的。近年来土壤水分测定技术有了很大进步，中子水分仪和时城反射仪已成为常规测量仪器，新型仪器不断出现，总的趋势是仪器的精度和自动化水平不断提高。土壤水分有其时空变化规律，一方面土壤水分随季节变化而变化，另一方面土壤水分随土壤深度和水平位置的变化发生相应变化。降水是影响干旱半干旱区山地土壤水分的最重要因素，气温、太阳辐射等其它气象因子对土壤含水量也用一定影响。此外，坡向、坡度、坡位等地形因子以及土壤特性、地表植被、土地利用情况等对土壤含水量空间分布也有重要影响。总之土壤含水量的时空变化是各种环境因子综合作用的结果。目前土壤水分动态变化的研究重点是对其影响因子的研究。就我国而言，宜加强干旱河谷区土壤水分动态变化的研究，促进土壤水分动态变化研究工作全面深入地开展。     

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。     

东亚沙尘气候效应对地面温度日较差影响的数值模拟

地面温度日较差（DTR）作为重要天气和气候指标,反映昼夜温差极值,比平均气温对地表辐射收支的变化更敏感,对环境变化和气候异常具有重要参考价值。沙尘气溶胶的气候效应是影响岩石圈-大气-海洋系统的重要因子,但目前的研究较少涉及沙尘气溶胶对DTR的影响机制。基于WRF-Chem模式（Weather Research and Forecasting coupled with Chemistry）揭示2002—2005年沙尘气溶胶气候效应对东亚地面温度日较差的影响。结果表明：WRF-Chem模式可以很好体现东亚气象场和沙尘气溶胶的时空分布特征。沙尘气候效应导致东亚大陆大部分地区DTR减小,沙尘直接辐射效应在其中起决定性作用。在白天,沙尘直接辐射强迫加热大气、冷却地表,减小地面总净辐射而降低日最高温度,导致DTR减小。在中国青藏高原和东北部地区,沙尘气溶胶间接效应占主导地位,导致青藏高原地区积雪覆盖减少,东北地区云水含量减小,间接导致DTR增大。     

1961—2010年中国东北半干旱区东界变化趋势分析

气候带边界的变化是大尺度地理特征对气候变化的响应方式之一,半干旱区的边界变化对其响应尤为敏感。我们整合了中国东北地区50年(1961—2010年)的气象数据,以降水量和温度所计算的干燥度指数作为干湿气候带划分的指标,在ArcGIS中采用Kriging空间插值法,在不同时间尺度上分析了近50年来中国东北半干旱区东界的波动趋势。结果表明:中国东北半干旱区界限变化呈整体向东、向南扩展的趋势,其变化受时间累积效应的影响,在50年(1961—2010年)尺度上范围最大,面积为285 648.4km2。数据分析表明,降水量减少是导致半干旱区边界变化的主要因素,气温的影响次之。     

青海南部牧区前冬积雪变化及其预测的关系模型研究

利用1961-2008年青海南部牧区地面气象观测资料、74个环流特征量和北半球500 hPa高度场网格点资料,整理了地表积雪序列和雪灾年表,并对积雪的变化趋势和雪灾发生的机理进行了研究。结果表明,1961-2008年青南牧区共有16 a发生积雪灾害,占总年数的33.33%。在4 450 m以下,累计积雪量随海拔高度的升高而增加,在4 451 m以上,累计积雪量随海拔高度的升高而减小。典型多积雪年新地岛地区的冷空气偏强、高原低值系统活动偏多,新地岛的冷空气容易沿偏西北路径侵入青南高原与高空槽前的暖湿空气汇合,形成云雨的物理条件充分,降雪多、积雪厚。典型少积雪年环流形势与上述基本相反。10-12月北美区极涡面积偏大和欧亚经向环流偏强、10月欧亚经向环流偏强、11月大西洋欧洲环流型E型日数偏多、12月大西洋副高北界位置偏北均有利于前冬青藏高原高度场的偏低和青南牧区累计积雪量的偏多。这些环流因子在相反的配置下,容易导致青南牧区累计积雪量的偏少。前冬模拟预报方程对典型多积雪年和1993年以来的积雪变化趋势全部预测成功。     

模拟增温和改变降雨频率对干旱半干旱区土壤呼吸的影响

温度和降水是干旱半干旱区土壤呼吸的重要扰动因子,全球气候变化导致的未来干旱半干旱区增温和降水变率增大对土壤呼吸有着重要影响。研究通过人工设置P_16×2.5mm、P_8×5mm、P_4×10mm、P_2×20mm、P_1×40mm的降雨频率梯度和增温2 ℃左右的控制试验,探讨不同降雨频率和增温处理对干旱半干旱区土壤呼吸的影响,以及土壤呼吸与土壤温湿度的关系及其对降雨频率改变的响应。结果表明：降雨频率和增温单独对土壤呼吸具有极显著影响（P<0.001）,但是两者之间并无交互作用（P>0.5）;在降雨量一定的情况下,土壤呼吸速率随着降雨频率的减小而减小,即多频率小降雨事件激发的土壤呼吸速率大于小频率大降雨事件;增温促进土壤呼吸,提高了约11%的土壤呼吸。本结果有助于对未来干旱半干旱地区全球变暖背景下降雨格局的改变对土壤呼吸产生的影响进行预测,同时也为进一步估算该区域生态系统的碳收支提供参考数据。     

南极地区冰雪消失对全球大气环流和气候影响的数值模拟

本文利用全球大气环流模式通过数值模拟研究了北半球夏季南极地区冰雪覆盖的消失对大气环流和全球气候影响的过程。结果表明南极冰雪消失不仅影响南半球大气环流异常,而且通过引起热带环流异常如增强东亚季风环流和减弱Walker环流等引起北半球大气环流和我国夏季气候的异常。南极冰雪覆盖的消失将给全球气候带来严重后果。文中也对南极冰雪气候效应的动力学机制进行了讨论。