黄土高原半干旱草地近地层湍流温湿特征及总体输送系数

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站)2008年夏季晴天近地层湍流观测资料,分析了SACOL站近地层湍流温、湿统计特征,确定了大气动力学和热力学粗糙度长度,讨论了总体输送系数随大气稳定度的变化规律。结果表明,大气层结不稳定条件下,无量纲温度和比湿脉动方差与稳定度Z/L之间均满足-1/3次规律;大气层结稳定条件下,温湿脉动方差总体趋势是随大气稳定度增加而减小。水汽通量全天大于零,最大值为0.063 g·m-2·s-1,地表日平均蒸发量为1.9 mm。中性条件下,黄土高原半干旱草地动力学粗糙度长度为6.6×10-3m,热力学粗糙度为1.85×10-5m。大气层结不稳定条件下,CD平均值为4.4×10-3,CH平均值为3.9×10-3;中性条件下,CD和CH平均值分别为4.2×10-3和2.8×10-3;层结稳定条件下,CD平均值为3.1×10-3,CH平均值为2.1×10-3,表明总体输送系数随稳定度的增大而减小。     

Autumn daily characteristics of land surface heat and water exchange over the Loess Plateau mesa in China

The Loess Plateau, located in northern China, has a significant impact on the climate and ecosystem evolvement over the East Asian continent. In this paper, the preliminary autumn daily characteristics of land surface energy and water exchange over the Chinese Loess Plateau mesa region are evaluated by using data collected during the Loess Plateau land-atmosphere interaction pilot experiment （LOPEX04）, which was conducted from 25 August to 12 September 2004 near Pingliang city, Gansu Province of China. The experiment was carried out in a region with a typical landscape of the Chinese Loess Plateau, known as ＂loess mesa＂. The experiment＇s field land utilizations were cornfield and fallow farmland, with the fallow field later used for rotating winter wheat. The autumn daily characteristics of heat and water exchange evidently differed between the mesa cornfield and fallow, and the imbalance term of the surface energy was large. This is discussed in terms of sampling errors in the flux observations-footprint; energy storage terms of soil and vegetation layers; contribution from air advections; and low and high frequency loss of turbulent fluxes and instruments bias. Comparison of energy components between the mesa cornfield and the lowland cornfield did not reveal any obvious difference. Inadequacies of the field observation equipment and experimental design emerged during the study, and some new research topics have emerged from this pilot experiment for future investigation.     

黄土高原气溶胶垂直结构的微脉冲激光雷达观测

Knowledge of the vertical distribution of aerosols in the free troposphere is important for estimating their impact on climate. In this study, direct observations of the vertical distribution of aerosols in the free troposphere are made using surface Micro-Pulse Lidar (MPL) measurements. The MPL measurements were made at the Loess Plateau (35.95°N, 104.1°E), which is near the major dust source regions of the Taklimakan and Gobi deserts. The vertical distribution of the MPL backscattering suggested that non-dust aerosols floated from ground level to an altitude of approximately 9 km around the source regions. Early morning hours are characterized by a shallow aerosol layer of a few hundred meters thick. As the day progresses, strong convective eddies transport the aerosols vertically to more than 1500 m. Citation: Huang, J. P., Z. W. Huang, J. R. Bi, et al., 2008: Micro-pulse lidar measurements of aerosol vertical structure over the Loess Plateau, Atmos. Oceanic Sci. Lett., 1, 8-11     

A Case Study of a Typical Dust Storm Event over the Loess Plateau of Northwest China

Enhanced observational meteorological elements,energy fluxes,and the concentration of dust aerosols collected from the Semi-Arid Climate Observatory and Laboratory(SACOL) during a typical dust storm period in March 2010 at Lanzhou were used in this paper to investigate the impact of dust aerosols on near surface atmospheric variables and energy budgets.The results show that the entire dust storm event was associated with high wind velocities and decreasing air pressure,and the air changed from cold and wet to warm and dry and then recovered to its initial state.The response of energy fluxes occurred behind meteorological elements.At high dust concentration periods,the net radiation was significantly less in the daytime and higher at night,while the heat fluxes displayed the same trend,indicating the weakening of the land-atmosphere energy exchange.The results can be used to provide verification for numerical model results in semi-arid areas.     

黄土高原夏季极端降水及其成因分析

利用1961-2016年夏季黄土高原地区64个气象监测站的逐日降水资料及同期NCEP/NCAR再分析数据,分析了近56年黄土高原夏季极端降水的时空变化特征,并对比了极端降水强弱年以及不同年代黄土高原地区夏季大气环流形势的异同.结果表明,黄土高原夏季极端降水占夏季总降水量的54％左右,总体上呈现出东多西少的空间分布特征....     

黄土高原自然植被下垫面陆面过程参数研究

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站的观测资料,分析了黄土高原自然植被下垫面陆面过程相关物理参数.研究了总体输送系数的不同季节平均日变化和频率分布特征,考察了地表粗糙度的变化趋势以及降水的影响.降水正常年份的总体粗糙度为0.009 m,偏干年份总体粗糙度为0.006 m,月平均粗糙度变化与正常年份相比较为平缓,降水通过增加植被覆盖和生长高度,使地表粗糙度增大.对总体输送系数与粗糙度以及总体理查森数的关系分别进行了讨论,在中性层结下黄土高原地区动力输送作用占主导地位,发现动量总体输送系数和奈曼流动沙丘下垫面很接近,而感热输送系数与戈壁下垫面接近.分析了反照率和太阳高度角以及土壤湿度的关系,并拟合得到以这两个物理量为因子的参数化公式.总体上,黄土高原自然植被下垫面的反照率比敦煌荒漠小,而大于长白山松林下垫面,这与3个地区植被覆盖和土壤质地的不同有关.通过对参数化公式模拟效果的检验,发现低太阳高度角下的反照率对土壤湿度和太阳高度角以外的其他因素敏感,而对应高太阳高度角的反照率受土壤湿度和太阳高度角的控制较强.最后,计算了土壤热传导率和热扩散率等土壤热力参数,相同湿度的热传导率比敦煌荒漠要大,并拟合得到热传导率以土壤湿度为自变量的参数化公式.     

青藏高原感热与黄土高原春季降水异常关系研究

利用1961～2000年黄土高原56站的春季降水、气温资料,用SVD方法分析了其与青藏高原感热场的关系。结果表明,降水量与青藏高原感热场的前两模态代表了两场间的主要耦合特征;上年冬季和秋季青藏高原感热场的异常通过影响大气环流,能够导致次年黄土高原春季降水异常;青藏高原感热对黄土高原西部和南部、北部的部分地区影响较显著,而对陕西北部、山西中部影响不明显。前期高原感热场SVD第一、二模态的变化,可以作为黄土高原春季降水异常的预测信号。     

陇中黄土高原半干旱区总体输送系数的特征

利用在陇中黄土高原半干旱区2003年10月—2005年7月获得的近地层梯度观测资料,采用空气动力学法,计算了动量和感热总体输送系数。结果表明,陇中黄土高原半干旱区动量和感热总体输送系数均存在明显的日变化特征,夏季中午左右分别达到5.6×10-3和6.7×10-3。受下垫面植被的影响,在一年中呈现出双峰型特征,第一峰值出现在春小麦拔节—黄熟期,次高值出现在10月初。动量和感热总体输送系数平均值分别为2.9×10-3和3.1×10-3。当大气处于不稳定状态时,总体输送系数随着风速的增大而减小;相反当大气处于稳定状态时,随着风速的增大而增大。陇中黄土高原半干旱区的总体输送系数高于戈壁、平原草地和海洋下垫面的值,但低于青藏高原草地和城市下垫面的值。     

黄土高原一次冷涡飑线的综合分析与数值模拟

通过云图、环流背景和数值模拟等对2004年6月16日出现在黄土高原区域内的一次典型的冷涡飑线天气分析,揭示了该类天气的一些规律和特征,并运用数值模拟与实况进行对比验证。其结果对此类天气有一定的预报意义。     

黄土高原春季干旱时空分异特征

采用基于相对湿润度的干旱指数分析方法和黄土高原1961 2010年气候要素资料,研究了黄土高原春季干旱时空变化、异常分布和次区域演变特征。结果表明:1961 2010年黄土高原春季干旱强度变化呈现明显中心区域强、周边区域弱的分布特征,其中中部腹地干旱强度增加趋势倾向率最大,中部周边干旱强度增加次之,东北部和西部边缘呈减弱趋势。研究区不同区域春季干旱强度呈同位相变化是干旱变化的首要空间分布模态,异常中心区域在陕北、陇东及宁夏西南部。东西部反相位分布模态反映了黄土高原东西部所受大气系统影响差异性的特征。根据载荷向量不同模态空间异常分布型,可将春季干旱划分为西北部型、东北部型和南部型等3个次区域异常型,南部春季干旱强度时间序列呈显著增强趋势,其由弱变强的突变点出现在1977年,西北部和东北部干旱强度也呈波动增强趋势,但未通过显著性检验,没有突变。西北部和南部春季干旱指数存在显著的3~4年振荡周期,东北部存在显著的5~6年振荡周期。     

黄土高原陆面水分的凝结现象及收支特征试验研究

中国黄土高原是全球独特的地理区域,其陆面水分过程比较特殊。利用黄土高原陆面过程试验研究(LOPEX)的陇中黄土高原定西陆面过程综合观测站的资料,分析了陆面水分凝结现象及其出现频率与局地微气象条件的关系,研究了露水(霜)量及其出现频率的季节分布特征以及受降水和天气阴、晴的影响规律。同时,对比分析了降水、露水、雾水和土壤吸附水对陆面水分的贡献率,讨论了涡动相关法、蒸渗计和蒸发皿观测的陆面蒸发量的差别及其与陆面水分来源的年平衡关系,给出了半干旱区陆面水分平衡的日循环特征。发现露水对风速、大气湿度、近地层温度梯度的依赖很强,一般在风速为1.5 m/s、相对湿度大于80%和逆温强度为0.25℃的情况下露水(霜)量最大;刚降水后的晴天露水量比较大;实际蒸散量与蒸发力的差距十分明显,陆面水分平衡特征表现为一个"呼吸"过程。     

中国黄土高原塬区表层土壤水分盈缺状况的研究

陆地表层水分的盈缺直接关系到局地气候变化.本文利用黄土高原塬区初夏至盛夏期两次陆面过程野外试验(LOess Plateau land surface process field EXperiment 2005,LOPEX05和LOPEX06)的野外试验观测资料,分析了试验期间黄土高原白庙塬区不同下垫面的水分蒸散和表层土壤水分盈缺状况.结果表明:在土壤水分比较充足的条件下,植被蒸腾增加量在正午时的峰值为0.05 mm·h-1,而较大降水发生后的首个晴日.冬小麦地和裸地的蒸散分别可达4.60 mm·d-和3.70 mm·d-1.局地降水是影响陆面蒸散量变化的主要因素,而植被冠层的存在增加了陆面蒸散发量中的植物蒸腾量值.2006年4月下旬到7月中旬,裸地的水分缺失为16.3 mm·m2,冬小麦地的水分缺失为39.9mm·m2.其中缺失最严重的时间段为5月下旬到6月上旬,最大旬缺失量达16.5 mm·m2,7月上旬和中旬,由于降水季节来临,土壤水分有少量盈余.在2005年7月中旬至8月下旬,玉米地和裸地的水分盈余分别为17.9 mm·m2和25.3 mm·m2.不同时间尺度的统计均表明,降水不仅是影响陆面蒸散量的主要因素,而且也是表层土壤水分盈缺的决定性因子.     

黄土高原秋季气候对全球增暖的暖干化区域响应

利用69年(1937—2005年)的实测气候要素资料和各种统计方法,研究了黄土高原秋季气候对全球增暖的暖干化区域响应,结果表明:黄土高原秋季暖干化在四季中最为突出,降水(降水量、降水次数、连续性降水时量等)趋于减少、气温(平均、日最高、最低、季极端最高气温等)升高、蒸发量加大,暖干趋势明显;总低云量趋于减少、日照增多、地温上升等促进暖干发展。黄土高原秋季暖干化区域响应中全区一致性是其最主要的特征,高原中西部响应最敏感;在近70年中降水量演变出现2次明显转折,气温出现2次突变;降水异常与西太平洋副热带高压的夏季(JJA)东西位置、北太平洋海温异常联系紧密;年代际演变中降水量存在20~30年周期,气温周期不<70年;预测未来20年内秋季气候将以暖湿为主。     

黄土高原土壤湿度变化规律研究

利用黄土高原59个气象站1961—2002年月降水量和29个农业气象观测站从建站到2002年逐年4~10月旬土壤重量含水率资料,分析了黄土高原土壤湿度的地域和时间分布特征以及土壤湿度的变化规律。结果表明:(1)黄土高原4~10月土壤湿度与降水量的地理分布有较好的一致性,两者都从东南向西北减少。由于六盘山和太行山对东南季风的阻挡影响,在陇中和晋中黄土高原出现一条南北向的干舌;(2)采用年降水量和变异系数,结合植被地带,把黄土高原土壤湿度划分为5个气候区域:草原化荒漠带土壤严重失墒区、荒漠草原带土壤严重失墒区、草原带土壤失墒区、森林草原带土壤湿度周期亏缺区、森林带土壤湿度周期亏缺区。前3个气候区位于黄土高原中北部,经雨季之后,土壤水分不能得到有效恢复,土壤经常处于重旱或轻旱状态。后2个气候区位于黄土高原南部,土壤有季节性缺水现象。(3)土壤湿度具有动态变化规律。一般从7月份开始土壤湿度增加,但各区的增湿幅度有差异。(4)土壤湿度与降水呈极显著的正相关,与气温呈不显著的负相关。     

黄土高原陆-气相互作用预试验及其晴天地表能量特征分析

详细介绍了在2004年8月24日～9月11日在甘肃平凉进行的陆-气相互作用野外预试验,对观测仪器进行了对比和标定,并利用观测资料,初步分析了黄土高原塬上裸地、塬上和塬下玉米地的地表净辐射各分量、感热、潜热和地热流的特征。由于作物（玉米）的存在,降低了地表反射率,使白天地面向上短波减少,同时向上长波也减少,增大了地表净辐射,地表潜热明显增大,玉米地白天向下的地热流和夜晚向上的地热流都比裸地小。与塬上相比,塬下玉米地的向下短波略小,向上短波明显偏小,向上长波基本一致;净辐射只在中午附近略小,地热流上午偏小,下午偏大,夜晚基本一致;感热和潜热在白天基本一致;塬下玉米地在凌晨明显存在负感热通量。     

黄土高原作物气候生产力对气候变化的响应

利用中国黄土高原7省51个气象站1961—2000年主要气象要素观测资料,采用EOF和其他数理统计方法研究了黄土高原气候生产力对气候变化的响应,结果表明:中国黄土高原气候生产力呈递减趋势;年和各季节的平均气温均呈明显的上升趋势,增温速度大于全国同期增温速度;年降水量和作物生长季节降水量均呈下降趋势;黄土高原气候暖干化使作物气候生产力下降。“暖湿型”气候对作物生产最有利,平均增产幅度为5.9%,而“冷湿型”气候对作物生产最不利,平均减产幅度为6.3%。     

黄土高原典型塬区土壤热性质变化特征研究

利用2014年7月至2015年1月黄土高原地区土壤含水量和土壤热性质观测资料,分析了该区域土壤热性质及其变化特征,并讨论了降水对土壤热性质的影响,结果显示:(1)除10 cm外,各层土壤热扩散率整体上呈现夏季下降,秋季平稳,冬季上升三个阶段,土壤体积比热容和土壤导热率表现为夏季上升,秋季平稳,冬季下降的趋势;100 cm处的土壤热扩散率始终高于40 cm,土壤热扩散率不随土壤深度增加而线性增加。(2)5 cm与10 cm层的土壤热性质均有明显日变化特征,且振幅较大,40 cm与100 cm处的日变化振幅逐渐变小。由于10 cm层土壤含水量的波动最大,该层的土壤热性质变化波动也最大。(3)土壤温度与土壤热扩散率随降水增加而下降,土壤热扩散率下降主要是土壤含水量较高时,土壤导热率与土壤体积比热容变化的幅度不一致所致;土壤体积比热容与土壤导热率随降水量增加而上升,降水主要通过土壤含水量的变化影响土壤热性质。     

中国黄土高原地区春季气温时空特征分析

利用黄土高原40年的气温资料,采用小波分析方法,分析了该区域的春季气温变化特征。结果表明：黄土高原春季气温变化存在3个特征区域;在1991／1992年发生突变,突变后气温突然转暖,突变之前气温以负距平为主,突变后以正距平为主;1980年代中期最冷,1990年代后期最暖;且存在2年、3年和5～6年周期振荡,3年周期振荡最显著。春季逐月气温空间变化的主要特征是全区一致,各月气温以升温为主,1990年代最为明显,升温速度最大区和年际变化幅度最大区主要在黄土高原中部,准5年为主的年际振荡和10～12年年代际振荡在月气温变化中显著。     

Variability of soil moisture and its relationship with surface albedo and soil thermal parameters over the Loess Plateau

Data from July 2006 to June 2008 observed at SACOL(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,35.946°N,104.137°E,elev.1961 m),a semi-arid site in Northwest China,are used to study seasonal variability of soil moisture,along with surface albedo and other soil thermal parameters, such as heat capacity,thermal conductivity and thermal diffusivity,and their relationships to soil moisture content.The results indicate that surface albedo decreases with increases in soil moisture content,s...