MODIS反照率产品在模拟北京气温中的应用

地表反照率是制约地表能量收支平衡的基本因子,其变化会影响气温和降水等气象要素,进而影响区域乃至全球的气候。文中使用WRF模式,设计两组反照率敏感试验,探讨地表反照率参数对近地面2处气温模拟精度的影响。结果表明:(1)当北京地区地表反照率增大(减小)0.05时,气温相应降低(升高)0.1～0.5 K,气温变化从城区到郊区有一个明显的降幅,感热通量和潜热通量也相应减小(增大),且变幅主要为0～13 W/m2;(2)将控制试验和MODIS反照率敏感试验模拟结果与实况对比分析发现,两种试验的模拟结果偏低,但应用卫星反照率产品后,气温升高约0.2～0.7 K,更接近实际,即应用MODIS反照率产品替换WRF模式中原有反照率能进一步提高气温的模拟精度。     

MODIS反照率产品在模拟黄河源区陆面过程和降水中的应用

地表反照率是陆面过程中一个重要的物理量, 其变化直接影响地表能量的收支状况, 进而可以影响气温和降水等其它气象要素。本文利用WRF (Weather Research and Forecasting) 模式, 通过两组数值模拟试验分别探讨了地表反照率改变在黄河源区不同下垫面情况下潜热、 感热的分配关系, 详细分析了地表反照率改变对降水变化的影响机制, 最后应用EOS/MODIS地表反照率产品替代原模式低时空分辨率的地表反照率。研究结果表明: (1)当地表反照率减少(增加)时, 模拟的区域平均地表温度、感热、潜热数值相应增大(减少)。当地表反照率减少0.1时, 地表温度上升约1.0 K, 感热和潜热量增量比约为3∶1。 (2) 地表反照率改变对降水量变化影响最大的区域是黄河源区下游的草场区域, 其次是黄河源头区域, 最小的是黄河源区北部的稀疏植被区域。地表反照率通过对大气动力、 热力以及水汽条件的影响, 使得降水发生的环境改变, 主要体现在: 当地表反照率减少时, 地表气压的减少使得大气低层的辐合气流增强, 有利于上升运动的发生; 2.0 m气温的升高增强了大气近地层的热力不稳定度; 2.0 m比湿的增加表明近地层空气水汽含量增加。 (3) 与实况对比分析发现, 使用卫星遥感产品后在月尺度上能够更准确地模拟降水量的变化过程。     

青藏高原地表反照率时空分布与统计回归计算

本文在利用NOAA/AVHRR数据反演得到1982～2000年青藏高原地区地表反照率时空分布的基础上,分析了地表反照率的时空变化及其与温度和降水之间的关系,得到地表反照率与温度和降水之间的统计方程,并用此方程计算了青藏高原地区地表反照率的时空分布。研究结果表明：青藏高原地区年均地表反照率的分布与高原自然地理带的分布特征大致吻合;地表反照率与温度和降水均有较好的相关性,相关性因下垫面植被类型的不同而有较大的差异,滞后1个月的温度和滞后2个月的降水的综合作用与地表反照率的相关性最好;月均地表反照率与温度和降水之间的二元曲线回归方程可以比较好的统计回归计算出青藏高原地区地表反照率的空间分布,该模型的系统偏差比较小,回归计算的效果比较好。     

万年县夏季裸露土壤地表最高温度特征浅析

本文基于万年县1981-2010年夏季逐日观测场裸露地表最高温度、日最高气温和降水等25个气象因子的历史观测资料,分析了裸露土壤地表最高温度的变化特征。结果显示:地表最高温度与日最高气温有着明显的同步变化趋势,地表最高温度出现时间一般比日最高气温出现的时间要早;地表最高温度平均值7月最高,6月最低,8月居中;6、8月地表最高温度整体呈下降趋势,7月地表最高温度整体呈上升趋势;地表最高温度受日最高气温的影响最大,受降水、云量和日照的影响也比较明显,受相对湿度、风等的影响相对较小。     

东帕米尔高原地表辐射收支及地表反照率特征

利用东帕米尔高原塔什库尔干国家基本气候站2020年6月至2021年6月观测的辐射数据,分析了东帕米尔高原不同时间尺度和不同天气条件下各辐射通量及地表反照率变化特征。结果表明：（1）各辐射通量在逐日均值变化上呈“V”型曲线;向下短波辐射、向上短波辐射、向下长波辐射、向上长波辐射和净辐射年曝辐量分别为5001.6, 1370.3, 6090.7, 8550.8和1189.0 MJ·m-2;在季节尺度上,各辐射通量总体表现为夏季>春季>秋季>冬季,而向上短波辐射在冬季最高。（2）不同天气下,辐射通量也不同,晴天时,各辐射通量变化均为较平滑的单峰型,少云、多云时均为不规则单峰型,降水时,除冬季外均为多峰型,辐射通量均值变化表现为晴天>少云>多云>降水。（3）地表反照率在观测期间平均值为0.29,最大值出现在1月,最小值出现在7月,分别为0.58和0.24;在季节上表现为冬季最大,夏季最小;春、夏、秋季地表反照率呈“U”型,冬季为倒“U”型;降雨时地表反照率下降,降雪时则地表反照率上升,说明不同降水类型对地表反照率影响不同。     

基于结构相似度的巴丹吉林沙漠地表反照率时空分布特征

为研究巴丹吉林沙漠地表反照率的变化规律,以MODIS黑空短波地表反照率数据为基础,利用结构相似度(SSIM)算法,分析巴丹吉林沙漠地表反照率时空分布特征。结果表明:时间尺度上不同沙丘类型地表反照率结构相似度,受到风、降水、地表温度和海拔高度影响均表现为春季最大,秋、夏季次之,冬季最小,但结构相似度值域和变化幅度存在明显差异。在空间上,沙丘数量和间距是巴丹吉林沙漠地表反照率变化的主要影响因素,沙丘数量较多且间距较小时,SSIM值偏小,反之则较大。同时沙丘形态简单或相对稳定会减少地表反照率空间差异性。     

大尺度土地利用变化对东亚地表能量、水分循环及气候影响的敏感性试验

利用NCAR大气环流模式CAM4.0,针对潜在植被和当代植被的分布情形进行了两组25 a的积分试验,探讨了土地利用变化对东亚地区地表能量平衡、水分循环和气候的可能影响.结果表明:以森林退化、农田迅速增加为主的当代土地利用变化,显著改变地表属性,使得东亚地区不同季节的地表反照率均明显增加,并显著改变东亚地区的冬、春季节的地表能量和水分循环.此外,当代大尺度土地利用变化对东亚地区大气环流也有一定影响,可引起东亚冬季风环流显著加强和东亚夏季较弱的偏南风异常.当代土地利用变化未能引起东亚地区近地面气温的显著变化,但可引起东亚北(南)部地区春季降水的显著增加(减小).     

寿县地区小麦和水稻田地表反照率观测分析

利用寿县气候观象台2007年10月～2008年9月地表反射率观测资料,分析了农田地表反照率的季节变化,对比了小麦和水稻在不同生长期的平均反照率,讨论了天气状况和天气过程对反照率的影响.结果表明,在小麦和水稻的生长期内,地表反照率变化相似,均先增大后减小.在作物生长初期,水稻田平均反照率低于小麦田反照率约0.02;中期时,两者相近;成熟后,水稻反照率高于小麦反照率约0.04.降水过后,晴空地表反照率减小.     

中国农田下垫面变化对气候影响的模拟研究

使用同期的美国国家环境预报中心/能源部(NCEP/DOE)再分析资料驱动区域气候耦合模式AVIM-RIEMS2.0,从遥感卫星图像资料中获取3期中国土地利用/覆盖数据中的农田植被类型,将其分别引入到AVIM-RIEMS2.0模式进行积分,研究中国农田下垫面变化对东亚区域气候的影响。结果表明:中国农田变化对气候影响具有冬季弱、夏季强的季节性变化,夏季气温和降水的差异在一些地区通过了95%的显著性检验;20世纪80年代农田扩张,林地、草地为主的植被类型转化为农田,植被变化区域的叶面积指数降低,反照率升高,且通过了95%的显著性检验,使得中国东部地区的气温由南到北呈现增加—减少—增加—减少的相间变化趋势,而降水的变化趋势大体相反;20世纪90年代农田面积减少,除东北地区外,农田变化引起的植被变化与80年代基本相反,叶面积指数变化、反照率以及由此导致的气候各要素也呈现大体相反的变化趋势;不同时期农田变化引起的植被类型转化的差异,使850 hPa风场变化趋势基本相反,可能是导致气温和降水变化趋势差异的主要原因之一。     

用耦合模型模拟青弋江流域水文对气候变化的响应

用陆面模式SSiB与动态植被模型TRIFFID以及流域地形指数水文模型的耦合模型SSiB4T/TRIFFID模拟了长江下游的青弋江流域植被和水量平衡的动态过程,分析了气温和降水变化对流域径流和蒸发的影响。结果表明：（1）流域气温上升10C,径流减小6.7-9.7%;气温上升20C,径流减小11.7-17.4%;（2）降水增加5%,径流增加9.2-11.6%,降水减小5%,径流减小8.6-11.6%;（3）温度不变仅降水变化对流域蒸发影响很小,温度增加20C,流域总蒸发3-10月份增加8.0-10.7mm,其余月份增加5.4-7.1mm,1月和12月蒸发对温度增加最敏感;（4）气温上升20C,叶面积指数1月和12月增加,5-10月略有减小。降水和气温变化对青弋江流域径流影响明显且与植被类型有关,流域蒸发的变化主要受温度变化的控制。     

博斯腾湖流域气候变化对开都河径流量的影响

利用线性回归分析法、突变检验法等分析博斯腾湖流域1980～2018年的年均气温、年降水量、年蒸发量等气候因子变化趋势和突变现象及其对开都河径流量的影响.结果表明:1980～2018年博斯腾湖流域年均气温呈波动中上升趋势,其变化速率为0.15℃(10a)-1,年降水量则以0.765mm(10a)-1的速率增加,而年蒸发量...     

索马里越赤道气流与淮河流域夏季降水关系的年代际增强

基于1961~2016年淮河流域172个测站逐日降水资料,分析了淮河夏季降水的多时间尺度变率,发现其具有显著的准两年周期,1990年代以来亦呈现出明显的年代际变化。EOF分析结果显示,淮河夏季降水的异常主要表现为全流域一致偏多或偏少型（第一模态）,其方差贡献高达37%。相比于长江中下游地区,淮河夏季降水与东亚500 hPa位势高度场上的EAP遥相关型关系很弱,但和对流层低层西南水汽输送有更好的对应关系,表现为从索马里半岛至淮河流域的多个正负交替的相关波列。这一波列表明当索马里越赤道气流加强时,通过热带印度洋西风的纽带作用加强了进入淮河流域的西南暖湿气流,并在淮河上空低层形成水汽辐合,造成淮河多雨,反之当索马里越赤道气流强度弱时,淮河夏季降水偏少。索马里越赤道气流和中国台站降水的空间相关同样显示出最显著的相关区位于淮河流域。进一步的分析发现,研究时段内二者关系并非稳定维持,而是表现出显著的年代际变化,近二十年来索马里越赤道气流对淮河流域夏季降水的影响明显增强,且在季节预测上的指示意义也在增强。这一增强的可能原因是索马里越赤道气流与流域南侧的经向水汽输送和西侧的纬向水汽输送的关系均发生了年代际反转,并且这两条水汽输送带对流域夏季降水的影响发生了年代际增强。     

淮河流域夏季极端降水频次空间分布的客观分类及其形成机理

本文基于1961～2016年淮河流域四省（江苏、安徽、河南、山东）逐日降水观测资料及全球大气再分析资料,利用K均值聚类、旋转经验正交函数分解对淮河流域夏季极端降水频次分布进行了客观分类,利用统计诊断和数值模拟的手段讨论了其相关环流异常和形成机理。结果表明:（1）淮河流域夏季极端降水频次的空间分布可客观分为以极端降水主要发生在淮河流域33°N以南地区的南部型,主要发生在32°～36°N之间的中部型,和主要发生在34°N以北的北部型这三种分布类型;（2）南部型极端降水频次分布与西北太平洋副热带高压异常偏西偏南有关,西北太平洋异常反气旋北侧的异常气旋性环流使得水汽输送停留在淮河流域南部,导致南部极端降水频次偏多。中部型对应淮河流域受鞍型场环流结构控制,导致中部极端降水频次偏多。北部型极端降水频次分布时,淮河流域处于反气旋性环流异常西南侧,偏南风将水汽输送至淮河流域北部,导致北部极端降水频次偏多;（3）南部型和北部型的极端降水频次分布相关环流异常分别受厄尔尼诺和拉尼娜相关海表温度异常所影响,而中部型极端降水频次分布的相关环流异常是巴伦支海/喀拉海海冰异常在欧亚大陆上空激发的自西北向东南传播的准定常罗斯贝波所导致的。     

Numerical Study of the Impacts of Urban Expansion on Meiyu Precipitation over Eastern China

The Yangtze River Delta(YRD) has experienced significant urban expansion in recent years, while the Meiyu belt of China has demonstrated a decadal northward shifting trend. Thus, it is of interest to assess how urban expansion affects Meiyu precipitation and hopefully to reveal the underlying physical mechanisms involved. In this study, the urban extents over the YRD in 2001 and 2010 are derived based on land use/land cover(LULC) category data and nighttime light image data. Two parallel groups of10-summer(2001–2010) numerical simulations are carried out with the urban extents over the YRD in2001 and 2010, respectively. The results show that the urban expansion in the YRD tends to result in increased(decreased) Meiyu precipitation over the Huaihe River(Yangtze River) basin with intensities of0.2–1.2 mm day-1. Further analysis indicates that the spatiotemporal pattern of the Meiyu precipitation change induced by the urban expansion resembles the third empirical orthogonal function(EOF) mode of the observed Meiyu precipitation. Analyses of the possible underlying physical mechanisms reveal that urban expansion in the YRD leads to changes in the surface energy balance and warming(cooling) of tropospheric(stratospheric) air temperature over eastern China. Anomalous upward(downward) motion and moisture convergence(divergence) over the Huaihe River(Yangtze River) basin occur, corresponding to the increases(decreases) of the Meiyu precipitation over the Huaihe River(Yangtze River) basin.     

Variations in climatic and hydrological parameters in the Selenga River basin in the Russian Federation

The variations in average annual surface air temperature, precipitation, and runoff in the Selenga River basin (within Russia) are analyzed. It is demonstrated that the considerable increase in average annual temperature of surface air layers occurred in the 1980s-1990s. The decrease in peak water discharge in the rivers and the increase in the frequency of low-water periods were revealed in the forest-steppe and steppe zones of the Selenga River basin in 2001-2010. In the southwestern mountain regions (the Dzhida River basin) the river runoff increased during that period.     

淮河流域土壤湿度异常的时空分布特征及其与气候异常关系的初步研究

利用中国东部1990~2000年旬平均土壤湿度、降水和气温观测资料，通过对0~50 cm层次土壤湿度进行旋转主分量分析 (REOF)，重点分析了淮河流域土壤湿度的时空分布特征, 并初步研究了土壤湿度与前期、同期和后期不同时段降水与气温的关系。发现春季以30 cm为界，30 cm以上各层土壤湿度异常的第一旋转空间模态十分相似, 其大值中心主要位于淮河流域，而30 cm以下 (30~50 cm) 各层的第二旋转空间模态与之亦十分类似, 因此称该模态为“淮河型”，而夏季和秋季虽然该模态也很显著, 但特征不如春季突出。该模态在各层次土壤中具有明显的持续性特征，均存在40旬左右的显著周期；并与前期和同期降水（气温）呈显著正 (负) 相关关系，与约半年后的降水 (气温) 呈负 (正) 相关关系。     

淮河流域极值降水的统计参数特征及在水文频率分析中的意义

以淮河流域为研究区域,利用线性矩精确求解极值降水统计特征值,为极值降水频率估计值的计算提供理论基础和依据.主要结果表明：淮河流域各站点的年最大日降雨量（Annual Maximum Precipitation,AMP）的均值和离差范围分别为92.79~130.28 mm和0.193~0.266;各站点的AMP分布都为右偏分布,即至少有一半以上的AMP值是小于平均值的,有少数的AMP值远大于平均值,且对平均值的影响较大;各站点的分布相对于正态分布而言,都属于尖峰厚尾.极值降水统计特征值的空间分布表明：大值主要分布在流域的西南山区和东部丘陵地带,即这些地方具有更多更强的AMP极值.极值降水统计参数不仅能够反映AMP的一般平均水平和年际AMP的波动情况,还能更好地掌握AMP的两端分布情况,特别是尾端的暴雨极值.因此分析极值降水统计参数可以给洪涝灾害提供很好的指导.     

作物生长对流域水文过程与区域气候的影响

利用区域气候模式RegCM3以及考虑作物生长过程的耦合模式RegCM3_CERES对东亚区域进行20年模拟,研究作物生长对流域水文过程与区域气候的影响。结果表明：考虑作物生长过程的耦合模式模拟海河流域、松花江流域、珠江流域多年平均降水效果明显改进,在除黑河流域外的各流域模拟的温度负偏差有所减小,其中在海河流域、淮河流域的夏季改进尤为明显。各流域夏季（6、7、8月）月蒸散量最高,其中长江流域、海河流域、淮河流域、珠江流域的夏季月蒸散量基本上在100 mm左右,并且七大流域蒸散发的季节变化趋势跟总降水基本一致。多数流域考虑作物生长过程的耦合模式模拟得出蒸散发减少且进入的水汽增加,导致局地水循环率减小;黑河流域与黄河流域降水有所增加,其他流域均有不同程度的减小。针对长江流域,比较耦合模式RegCM3_CERES与模式RegCM3模拟结果显示,叶面积指数减少1.20 m²/m²,根区土壤湿度增加0.01 m³/m³,进而导致潜热通量下降1.34 W/m²（其中在四川盆地地区减少16.00 W/m²左右）,感热通量增加2.04 W/m²,从而影响到降水和气温。     

Climate changes in the Amur River basin in the last 115 years

Tendencies in climate change in the Amur River basin are generally synchronous to the global ones. During the last century, the annual mean temperature of surface air increased by 1.3°C, minimum warming being observed in the east part of the basin (0.6°C) and maximum one in the west part (1.7–2.5°C). The largest impact on the annual mean temperature growth comes from winter and spring temperature increase (2–4°C/100 years). During the last 30 years, the warming rate in the basin was 2–3 times higher than during the whole period of 1891–2004. Simultaneously with warming in the Amur River basin, annual and warm-season precipitation totals increased by 8 and 6%, respectively, during the 115-year period. The highest increase in precipitation totals occurs in cold season (29% during 115 years). During the last 30 years, together with intense warming in the Amur River basin, the annual precipitation totals are found to decrease by an average of 2.1%/10 years.     

1958～2018年永定河流域蒸发皿蒸发量的变化特征及其影响因子分析

基于永定河流域1958～2018年14个气象站的逐日观测数据,采用气候倾向率、Mann–Kendall趋势检验法分析蒸发皿蒸发量时空变化特征,并通过完全相关系数和多元回归分析识别气候因子与蒸发量的相关程度并定量计算其贡献率。结果表明:在全球气候变暖的背景下,60年来永定河流域气温以0.29°C/10 a的速率上升,而蒸发皿蒸发量不增反减,以－48.88 mm/10 a的速率显著下降（标准化统计量Z=－4.5）,该流域存在明显的“蒸发悖论”现象。流域蒸发量表现出显著的时空分布差异性,在季节上,春、夏季蒸发量分别占全年蒸发量的35%和37%,且春、夏两季蒸发量下降趋势较为显著;在空间上,永定河流域下游平原区下降趋势较上游山区（天镇、蔚县等地区）更为显著。完全相关分析表明,净辐射、平均风速和空气饱和差与蒸发量具有较强的相关性;贡献率分析表明,与基准期 1958～1979 年相比,1980～2018 年平均风速和净辐射减少对蒸发量减少的贡献率分别为77%和66%,空气饱和差的贡献率为－41%,净辐射和平均风速的减少是导致蒸发皿蒸发量下降的主要影响因素。