大气——植被——土壤之间物质和能量输送过程与机制的分析

在绿洲－荒漠交界处，由于绿洲荒漠之间的相互影响，相互作用，使得大气－植被－土壤之间的特和能量交换形成其特有的过程，本文对这些交换过程与机制进行了较为详细，准确的讨论。     

西北干旱区冬、夏季大气边界层结构对比研究

利用2006年6月28日至7月17日和2007年1月1日至1月10日敦煌加强观测期的探空资料,对比分析了位于西北干旱区的敦煌荒漠冬、夏季大气边界层的结构特征和变化规律。分析认为,该地区冬、夏季大气边界层结构一致,但夏季边界层的厚度明显大于冬季。夏季,白天对流边界层顶最高超过3 500 m,夜间稳定边界层的最大高度平均达到900 m左右,而冬季,对流边界层和稳定边界层日最大高度分别较夏季低约2 350 m和500 m,这说明西北干旱区夏季晴天的确存在极端深厚的大气边界层,但这种超厚大气边界层现象在冬季并不出现。冬、夏季大气比湿和风速在边界层的分布特征符合一般规律,夏季比湿普遍大于冬季,且夏季大气比湿随高度变化幅度明显大于冬季。冬季从地表开始就出现逆湿现象,夏季逆湿则出现在60~100 m高度范围内。冬、夏季白天与夜间的风速均能呈现出Ekman螺线特征,且夏季地转风风速值与地转偏差均远高于冬季。     

绿洲荒漠过渡带夏季晴天地表辐射和能量平衡及小气候特征

利用张掖试验基地2006年6月24日至7月17日的加密观测资料,系统分析了夏季典型晴天张掖绿洲荒漠过渡带地表辐射收支和地表能量平衡特征及小气候特征。结果表明:夏季晴天绿洲荒漠过渡带总辐射值还是比较大的,并且净辐射值也很大,这说明绿洲荒漠过渡带地表具有比较充足的可利用热能,为加热大气和土壤提供了必要的热能条件。在地表能量分配中,晴天绿洲荒漠过渡区主要用于大气运动引起的感热交换,其次是土壤交换,用于水蒸发相变的能量相对较小。近地层空气温度和湿度的变化刚好相反。气温白天随高度的增加而递增,夜晚随高度的增加而递减。近地层大气温度变化要比地表温度缓慢。白天土壤辐射增温,越接近地表增温越快,夜间辐射冷却,地表温度下降最为明显。近地层水平风速在白天较大,夜间逐渐减小。在绿洲荒漠过渡带全天以上升气流为主,水平风速随高度增加明显递增。     

极端干旱荒漠地区大气热力边界层厚度研究

通过对以往一些野外观测事实分析,发现在极端干旱荒漠区的晴天热力大气边界层厚度远远超出了以往在其他地区发现的热力大气边界层厚度,由此提出了荒漠地区超常厚度大气热力边界层现象。并且,讨论了控制大气热力边界层形成和发展的主要物理因素,还对极端干旱荒漠地区这种超常厚度大气热力边界层现象进行了理论分析和解释,初步认为地表白天强烈加热和夜间快速冷却是极端干旱荒漠区出现超常厚度大气热力边界层的最根本原因。     

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。     

再议绿洲－沙漠过渡带——以策勒绿洲－沙漠过渡带为例

 被长期质疑的绿洲－荒漠过渡带在不断观测和丰富积累的基础上让我们有了一个完整的认识。以策勒绿洲为例对其进行剖析,作为绿洲－荒漠过渡带的一种典型类型,绿洲－沙漠过渡带可以界定为自绿洲边缘（人工防护体系或天然稀疏灌木林边界）到植被盖度为20%～25%的固定－半固定沙地为外缘边界（绿洲与流动沙漠之间）的荒漠地带。过渡带的内缘边界为绿洲外缘的人工防护体系,包括防风阻沙林带或天然稀疏灌木林。过渡带形成是因为从绿洲到外部荒漠存在水热环境因子的梯度变化,导致植被、土壤、地貌等综合景观展现出过渡特征,其组成与结构模式为：由绿洲向沙漠方向,稀疏灌木林（或边缘防护林体系）地－缓起伏灌草沉沙地－起伏灌丛沙堆和高起伏灌丛沙堆地。过渡带是乡土动植物重要的保留与保护地,是绿洲与沙漠间能流物流输送交换的缓冲带、绿洲的天然生态屏障,对地貌、土壤以及植被具有保护功能,且具有重要的固碳作用。     

邻近绿洲的荒漠表层土壤逆湿和对水分"呼吸"过程的分析

利用"我国西北干旱区陆气相互作用试验"2000年8~9月在甘肃敦煌进行的野外观测资料,分析了临近绿洲的荒漠戈壁土壤湿度和大气湿度特征,发现:活动层内土壤空气湿度远离饱和状态,水分以气态和液态两种形态存在和输送;由于绿洲效应影响,临近绿洲的荒漠戈壁不仅近地层空气多为逆湿,而且这种空气逆湿在夜间较强时可以继续向土壤活动层延伸。土壤湿度日变化能清楚地被区分为湿维持(1~6时)、水分损失(7~11时)、干维持(12~18时)和水分补充(19~0时)等4个阶段,其中湿维持阶段的土壤逆湿是最主要的结构特征,这一土壤湿度结构表明夜间土壤可以通过凝结吸收大气水分,它与白天的土壤水分蒸发共同构成土壤对大气水分的"呼吸"过程;活动层土壤逆湿的形成与土壤温度状态、大气逆湿强度和大气稳定度都有关。     

荒漠绿洲区农业特征及其可持续发展策略

荒漠绿洲是干旱区人类生存的主要场所,地域内蕴藏着大量的自然资源。在工业化社会日益发展的时代,众多国内外学者对干旱区荒漠绿洲的自然资源、环境及开发利用进行了大量的研究。本文在对西北荒漠绿洲的生态环境,如气候条件、植被分布特征、土壤特征、水文特征分析的基础上,进一步对荒漠绿洲农业特征进行了剖析,提出了荒漠绿洲农业可持续发展的对策,即:充分利用资源优势,发展特色产业,合理分配水资源,构建可持续发展模式。     

绿洲-荒漠生态脆弱带的研究

在分析了绿洲－荒漠生态脆弱带的性质、特点等以后，按照其毗邻绿洲的不同，探讨性地将它分为三类：（1）河岸林绿洲－荒漠脆弱带；（2）冲洪积扇绿洲－荒漠脆弱带；（3）湖沼和湖滨三角洲绿洲－荒漠脆弱带。由于其本身所具有的脆弱性，加上人类活动的强烈干扰，该区出现了以土地荒漠化为主的多种生态环境问题。针对这些问题，作者提出了若干治理建议。     

黑河中游绿洲及绿洲-荒漠生态脆弱带 土壤含水量空间分异研究

以黑河中游平川绿洲和六坝绿洲为例,对绿洲及绿洲-荒漠生态过渡带土壤含水量空间分异进行了分析研究。结果表明:在无灌溉条件下绿洲及绿洲-荒漠生态过渡带的土壤含水量水平分异明显,绿洲土壤含水量高于绿洲-荒漠生态过渡带和荒漠地区土壤含水量,并出现从绿洲到绿洲-荒漠过渡带和荒漠依次递减的趋势,主要受土壤性状、土壤水分水平运动和绿洲-荒漠局地大气环流影响;绿洲活动层土壤含水量垂直分异上表现为从表层向下逐渐增加,而过渡带和荒漠区活动层土壤含水量垂直分异则是表层和底层比20~30cm处低,可能与荒漠土壤凝结水的形成与运动有关。受绿洲地下水过度开采和绿洲边缘人类活动影响,在绿洲-荒漠过渡带形成了生态裂谷,对绿洲生态系统的安全构成威胁。     

巴丹吉林沙漠夏季大气边界层结构

利用国家自然科学基金项目“巴丹吉林沙漠陆-气相互作用观测试验和研究”于2009年7—9月在巴丹吉林沙漠取得的系留气球、GPS探空等加强观测资料,分析了沙漠夏季大气边界层位温、比湿及风等的日变化特征。研究表明：（1）巴丹吉林沙漠近地面气温日较差较大,比湿的变化与气温相反,白天风速变化大。（2）昼（夜）不平衡能量差额R_d>0（R_d<0）,莫宁-奥布霍夫长度L<0（L>0）,大气层结趋于不稳定（稳定）;白天大部分净辐射能量转换为感热通量,为深厚大气边界层的发展提供热力条件。（3）午前稳定边界层经历了从重建到消退的过程,其上残留层较厚;午后混合层打通残留层发展迅速,近地面层出现明显的超绝热递减层;夜间稳定边界层迅速发展,最大厚度达900 m;（4）从整个边界层来看,午前出现的5层结构在午后变为3层,稳定边界层消失,混合层迅速发展,厚度达到3 000 m。夹卷层厚度最大值为1 500 m,近地面的超绝热层最大达200 m。     

沙漠-绿洲过渡带风沙活动特征——以敦煌黑山嘴地区为例

统计2013-2014年度敦煌黑山嘴地区沙漠-绿洲过渡带气象资料,对区域风沙活动特征进行系统研究。结果表明：区域内合成起沙风以偏南风为主,即由沙漠指向绿洲。从沙漠腹地到绿洲内部,由于植被和房屋增多,起沙风频次和合成输沙势减小,风沙活动减弱,且春季风沙活动最强烈。夏秋季节植被可有效降低风速,减少起沙风频次,改善局地气候。平均气温与平均空气湿度负相关。月平均气温与月平均风速呈现同步性,越靠近沙漠腹地,两者同步性越强;日间气温与风速变化存在同步性,但夜间沙漠与绿洲气温差对风速存在影响,温差越大,风速波幅越大。     

塔克拉玛干沙漠腹地起伏地形近地层微气象特征

利用2018年10月8日至2019年1月31日塔克拉玛干沙漠腹地起伏地形上高大沙垄高点和低点的温度、相对湿度、风速和大气压同步观测资料,对比分析沙漠起伏地形上秋冬季的微气象特征。结果表明:塔克拉玛干沙漠腹地高大沙垄造成的地形起伏,使得沙垄高点和沙垄低点气温、比湿和风速日变化差异明显。沙垄高点和沙垄低点气温差异主要体现在夜间,与沙漠腹地夜间存在逆温现象有关,表现出沙垄高点气温明显高于沙垄低点,观测期气温差异平均值为6.6 ℃。沙垄低点气温日较差高于沙垄高点。2018年10、11、12月,气温随高度变化出现逆温现象与沙垄高点气温高于沙垄低点气温在时间上相互对应。两个站点比湿较小,平均比湿分别为0.68 g·kg^-1和0.99 g·kg^-1。比湿日变化趋势随季节发生显著变化,主要与大气稳定度增加、冬季水汽增多及夜间逆湿现象逐渐显著相关。地形位置较高的沙垄高点风速比沙垄低点大,风速差异主要体现在夜间。2018年11月2、14、15、20日和2019年1月30日,沙垄高点风速维持在1.9~4.6 m·s^-1,平均3.2 m·s^-1,沙垄低点风速维持在0.8~4\^5 m·s^-1,平均2.5 m·s^-1。     

金塔绿洲风场与温湿场特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3.6非静力平衡模式,采用三重嵌套的降尺度方法,模拟研究了甘肃河西走廊金塔绿洲风场与温湿场特征。结果表明:由于绿洲的存在,绿洲沙漠系统产生的次级环流对局地环流有一定影响;平流作用将沙漠中的干热空气送向绿洲,绿洲近地层会出现逆温,感热向地表输送;沙漠上由于临近绿洲的水汽平流作用,上层大气湿度比低层更大,这就是逆湿现象。     

敦煌和酒泉夏季晴天和阴天边界层气象要素特征分析

利用国家重点基础研究发展规划项目《中国西北干旱区陆-气相互作用观测试验》2000年加强观测期(2000年5月29日～6月9日)敦煌探空观测资料和国家自然科学基金重点项目《绿洲系统能量与水分循环过程观测与数值研究》2004年加强观测期(2004年6月1日～7月16日)酒泉探空观测资料,分析了敦煌和酒泉地区夏季典型晴天和阴天天气下有关气象要素如风、温、湿的时空分布和变化特征,得到了以下结论:夏季,敦煌和酒泉地区大气边界层的东西分量风速(切变)晴天比阴天大;南北分量风速(切变)阴天比晴天大;东西分量风速(切变)比南北分量风速(切变)大。敦煌地区夏季晴天和阴天的风速比酒泉地区的大,但风速切变酒泉地区的要比敦煌地区的大。两地白天(晚上)的对流(稳定)边界层特征在晴天和阴天均很明显;阴天稳定边界层厚度和对流边界层的高度较晴天时的都低。比湿夜间比白天的大,阴天比晴天的大;在敦煌地区和酒泉地区都出现了逆湿现象;强逆湿主要出现在夜间,白天虽然也出现逆湿,但强度普遍较弱。     

金塔绿洲主要特征量的数值模拟

 采用RAMS模式模拟了金塔绿洲非均匀地表的空气温度、湿度、风速、地表能量。结果表明,绿洲地表温度明显比周围戈壁和沙漠低,空气湿度明显比周围戈壁和沙漠大,近地层感热通量最大值约为戈壁和沙漠的1/3,近底层潜热通量比戈壁和沙漠大20倍左右。模拟结果与观测值的对比表明,RAMS对绿洲、戈壁和沙漠不同下垫面近地面温度、湿度、感热通量和潜热通量的模拟与实测基本一致。由于湍流的随机性,风速的模拟偏差比较大,这种偏差有一多半是由于非线性偏差造成的。     

北冰洋浮冰站大气边界层结构的观测研究

利用2003年8月23日-9月3日我国第二次北极科学考察队在北冰洋浮冰站探测的50次大气廓线及相关资料,对北冰洋的大气边界层垂直结构进行了研究。结果显示,观测期间北冰洋(78°N附近,143°-148°W)浮冰区白天的对流边界层高度大于夜间的稳定边界层高度。大气边界层可分为稳定型、不稳定型和多层结构等几种类型。个例分析表明来自高空较强的暖湿气流与冰面近地层冷空气强烈相互作用,会形成强风切变和逆温、逆湿过程,有时100m高度内的风切变达10m/s,逆温达8℃。此种过程会导致北冰洋高纬度地区的大块海冰破裂,形成新的无冰海域,加强了海/冰/气的相互作用。该观测事实将有助于进一步提高对北冰洋高纬度边界层特征及其影响的认识。     

Analyses of structure of planetary boundary layer in ice camp over Arctic ocean

The vertical structure of Planetary boundary layer over Arctic floating ice is presented by using about 50 atmospheric profiles and relevant data sounded at an ice station over Arctic Ocean from 22 August to 3 September,2003.It shows that the height of the convective boundary layer in day is greater than that of the stability boundary layer in night.The boundary layer can be described as vertical structures of stability,instability and multipling The interaction between relative warm and wet down draft air from up level and cool air of surface layer is significant,which causes stronger wind shear,temperature and humidity inversion with typical wind shear of 10 m/s/100 m,intensity of temperature inversion of 8 ℃/100 m.While the larger pack ice is broken by such process,new ice free area in the high latitudes of arctic ocean.The interactions between air/ice/water are enhanced.The fact helps to understanding characteristics of atmospheric boundary layer and its effect in Arctic floating ice region.