那曲高寒草地总体输送系数及地面热源特征

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站那曲/BJ观测点的野外观测数据,估算了青藏高原那曲地区典型高寒草地下垫面的热量和水汽总体输送系数以及地表大气相对湿度因子,在此基础上利用中国气象局那曲气象站1980-2016年的常规业务观测数据,采用总体输送法计算并分析了那曲高寒草地地表通量特征。研究结果表明:(1)那曲/BJ观测点地表大气相对湿度因子γ的数值在33%~62%,9月最大,2月最小,热量和水汽输送系数CH和Cλ的季节变化范围分别在1.6×10^-3~2.7×10^-3和1.0×10^-3~2.0×10^-3,两者存在较大的差异。(2)1980-2016年那曲高寒草地感热通量总体呈现减弱趋势,而潜热通量呈现增强趋势,导致地面热源变化趋势不明显;分阶段来看,感热通量的变化在2004年前后发生转折,转折点前后的趋势为先减弱后增加,潜热通量在1994-2005年下降趋势明显,这也导致地面热源在1995-2005年有一个明显的减少。(3)年内季节变化上潜热通量相较于感热通量更明显,地面热源的季节变化更依赖于潜热通量的季节变化。     

陆面模式CLM4.5对青藏高原高寒草甸地表能量交换模拟性能的评估

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2013年9月1日至2014年8月31日一个完整年的观测资料,对陆面过程模式CLM4.5在青藏高原(下称高原)高寒草甸下垫面地表能量交换的模拟性能进行了评估。模拟结果表明,CLM4.5能够较好的模拟高原春季、夏季和秋季非冻结期地面长波、反射辐射和地表净辐射、感热和潜热通量以及地表土壤热通量等的季节变化和日循环特征。但对冬季冻结期地表温度的模拟偏低,导致模拟与观测的感热反相,对地面反射辐射模拟偏大。截断冬季降水的敏感性试验进一步指出,模式冬季反射辐射偏大主要是由于积雪引起的地表反照率偏高造成,进而造成地表温度以及感热通量的模拟偏低。因此,高原积雪参数化方案以及与积雪相关的反照率参数化方案还需进一步改进和完善。     

纳木错湖地区近地层微气象特征及地表通量交换分析

利用中国科学院青藏高原研究所纳木错圈层相互作用综合观测研究站2006年全年的观测资料,研究了青藏高原纳木错地区的草甸下垫面气温、湿度、风速、风向和地表温度的日变化及季节变化规律,并研究了地表感热、潜热通量和辐射通量的日变化和季节变化规律,初步揭示了纳木错地区草甸下垫面微气象特征和地气能量交换的一般规律。     

白洋淀水陆不均匀地区能量平衡特征分析

应用2005年9月在河北白洋淀地区进行的大气边界层综合观测实验资料, 对水陆不均匀地表条件下的白洋淀地区陆地的能量平衡特征进行了分析。结果表明: (1) 该地区存在能量不闭合现象。涡动相关法得到的感热、 潜热之和仅为有效能的75%, 其中涡动相关法得到的潜热通量为Bowen比法得到的潜热通量的70%, 而涡动相关法得到的感热通量为Bowen比法得到的感热通量的77% 。 (2) 地表潜热通量和感热通量随着净辐射的变化而变化。但潜热通量明显比感热通量大, 净辐射主要消耗于地表的水汽蒸发。 (3) 该地区白天的Bowen比平均在-0.4~0.4之间, 总体平均为0.131。受天气条件影响较大, 有明显的日变化, 午后15:00以后近地面层会出现逆温, Bowen比变为负值。 (4) 能量闭合程度有一定的日变化, 随着太阳高度角的增大而增大。     

黄河源区玛曲土壤冻融过程中地表水热交换特征分析

土壤冻融过程显著影响地表含水量和能量收支变化。利用玛曲2017年8月至2018年7月的土壤温度/湿度、涡动观测资料以及公用陆面模式(Community Land Model,CLM)最新版本CLM5.0的模拟资料,其中冻结过程阶段的辐射和能量通量使用模式模拟的数据,通过分析土壤冻融过程中土壤温湿度、地表能量平衡各分量的时间演变特征,探讨冻融过程中地表水热交换的特征。数据分析表明：(1)土壤冻融过程包括冻结过程、完全冻结、消融过程及完全消融四个阶段,各阶段中的土壤温度/湿度、辐射和能量通量存在明显的日变化,在冻结过程和消融过程阶段,土壤湿度随土壤温度变化显示出明显的日冻融循环。(2)冻融过程通过影响表层土壤水分影响地表辐射收支和能量分配。冻融过程中土壤中的水相变为冰,改变下垫面性质影响地表辐射收支。土壤中的液态水通过相变影响地表潜热通量,完全消融(冻结)阶段,地气之间能量交换以潜热(感热)通量为主。相比于以潜热通量为主的冻结过程阶段,消融过程阶段净辐射通量逐渐增大,地气之间能量交换主要受感热通量影响。土壤中水分的昼融夜冻导致频繁的潜热通量释放影响地表热通量。土壤热通量在冻结过程(G     

玛曲高寒草甸地表辐射与能量收支的季节变化

利用中国科学院黄河源区气候与环境综合观测研究站2010年观测资料,分析了玛曲高寒草甸地表辐射与能量收支的季节特征。结果表明:玛曲高寒草甸入射太阳辐射与净辐射年累积量分别为6482.2和2577.2MJ.m-2.a-1;年平均地表反照率为0.25,生长期平均地表反照率为0.22;全年入射太阳辐射的38%转换为地表长波辐射,明显高于低海拔地区的草地;净辐射占入射太阳辐射的38%,低于全球以及低海拔地区的草地;在冻结期,感热通量占净辐射的93%,在生长期,潜热通量占净辐射的62%。     

围栏封育下藏北高寒湿地和高寒草原水热通量特征研究

围栏封育作为直接有效的退化草地恢复治理模式,广泛应用于青藏高原退化草地恢复。围栏封育显著提升植被覆盖并改变地表与大气之间的水热交换,然而当前对其如何影响高寒生态系统水热通量的定量研究不足,缺乏对影响机制的认识。本研究以藏北腹地典型高寒湿地和高寒草原为研究对象,采用涡度相关技术开展禁牧-放牧配对观测,并基于围栏内外2019年7月至2021年6月连续两年的观测数据,探究围栏封育后的地表水热平衡变化,以提升对围栏封育改变地表水热通量机制的认知。结果显示：高寒草原和高寒湿地生态系统水热通量均表现出明显的单峰型日变化特征,且分别以感热作用(波文比为1.60)、潜热作用(波文比为0.31)为主导向大气传输能量。围栏封育降低了高寒草原地表通量值,感热通量减小5.99 W·m^-2,潜热通量减小4.84 W·m^-2;围栏封育提升了高寒湿地的地表通量值,感热通量增加3.04 W·m^-2,潜热通量增加30.95 W·m^-2,围栏封育后高寒草原感热通量和潜热通量日均值均下降,高寒湿地则增加。围栏封育对地表能量通量影响强度集...     

青藏高原典型下垫面地表能量通量的模型估算与验证

青藏高原地区地表能量通量的估算与验证对高原及其周边地区能量和水循环研究具有重要意义,地表能量平衡系统SEBS(Surface Energy Balance System)模型为研究高原非均匀地表区域地表能量通量提供了一种行之有效的方法。基于中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站(简称那曲站)、中国科学院纳木错多圈层综合观测研究站(简称纳木错站)和中国科学院珠穆朗玛大气与环境综合观测研究站(简称珠峰站) 2008年辐射资料、大气边界层塔站观测资料,结合MODIS卫星数据,利用SEBS模型估算地表能量通量,并用站点地表能量通量观测资料进行验证。结果表明,模型估算的感热通量和土壤热通量与站点实测值具有较好的一致性,且感热通量和土壤热通量的估算精度明显优于潜热通量;感热通量的估算精度最高,那曲站、纳木错站和珠峰站的均方根误差分别为54. 98,37. 37和27. 10 W·m~(-2);而模型估算的潜热通量验证结果偏差较大和站点实测数据存在"能量不闭合"问题相关。鉴于在地表能量通量观测中广泛存在"能量不闭合"的问题,利用波文比校正方法校正站点实测潜热通量。研究表明波文比校正方法可以明显改善地表通量观测数据"能量不闭合"的问题,那曲站、纳木错站和珠峰站的能量闭合率分别提高了19. 4%,21. 4%和19. 1%;与原始站点实测潜热通量相比,校正后的潜热通量与SEBS模型估算结果一致性较好,3个站点潜热通量的均方根误差分别减少了6. 78,33. 48和29. 30 W·m~(-2)。     

高山草甸下垫面夏季近地层能量输送及微气象特征

利用青藏高原东坡理塘站2007年6～8月的观测资料, 分析了高原东坡草甸下垫面夏季近地层气象要素和湍流通量日变化特征, 并用涡动相关法估算地面的曳力系数。结果表明: 水平风速、 动量通量、 摩擦速度等均在下午最大, 早晨最小。二氧化碳浓度表现为早晚高、 中午低的日变化特征, 比湿的最大值出现在早晨。地表辐射、 热量平衡各分量最高值出现在中午, 最低值出现在早晨。地表反照率表现出早晚高中午低的 “U” 型分布, 日平均值为0.164。夏季地面热源强度在白天午后表现为强的热源, 在夜里表现为弱的冷、 热源交替出现。夏季近地层地气热量交换中, 感热输送作用小, 潜热输送占主要地位。     

青藏高原东南缘大理地区近地层微气象特征及能量交换分析

利用2008年1月-2010年2月青藏高原东南缘大理站的长期观测资料,初步分析了该地区近地层基本气象要素、辐射通量和湍流通量的日变化和季节变化.结果表明,各参数均表现出显著的日循环结构和干、湿季变化特征.近地层的风速、气温和动量通量等均在早晨最小、午后最大;相对湿度、地表温度等均是湿季高于干季.近地层2 m高度处的盛行风向,白天以东东南风和东风为主,夜间以静风和偏西风为主,并且盛行风向转变与日出、日落时间有较好的对应关系.地表辐射四分量最高值出现在正午,最低值出现在日出前.除向上短波辐射通量干季大于湿季外,其他辐射分量都是湿季大于干季.地表反照率表现出非对称的“U”形分布,早晨最大、傍晚次之及中午最小.早晚地表反照率差异可能是由于露水、东西两面山体不同程度遮挡以及云的影响造成的.感热、潜热通量全年有相似的日变化过程,变化幅度随季节变化,但潜热通量明显大于感热通量,表明地气热量交换中,感热作用小,潜热输送占主导地位.感热通量一天之中约在20:00出现最小值,这主要是由于风速减弱和地气温差回升影响热量交换系数造成的.地面对大气的加热作用明显,主要是以潜热方式加热大气;地面全年均为大气热源,白天表现为强热源,夜间则表现为较弱的冷源.     

高原季风特征及其与东亚夏季风关系的研究

利用ERA-Interim的位势高度场、温度场和风场再分析资料,计算了1988-2017年的传统高原季风指数(Trational Plateau Monsoon Index,TPMI)和动态高原季风指数(Dynamic Plateau Monsoon Index,DPMI),分析了高原季风的空间分布特征和时间演变规律,结合东亚夏季风指数(East Asian Summer Monsoon Index,EASMI),探讨了高原季风与东亚季风的关系。研究表明:(1)高原夏季风从4月开始形成,暖性低值系统在高原上生成;6月暖性低压系统中心形成并达到最强,此时高原夏季风强度也达到最大;10月暖性闭合低压系统向东北方向移动且强度也随之减弱并退出,高原夏季风结束。(2)DPMI和EASMI具有明显的年际变化特征,在关键年高原夏季风和东亚夏季风的强度表现一致。(3)中纬度受东亚季风所影响区域的位势高度场和青藏高原区域的位势高度场均处于同一正相关区域,而且超前两个月的DPMI同EASMI的相关系数最大,表明高原夏季风对东亚夏季风具有一定的指示意义。(4)东亚夏季风经圈环流受高原温度场变化的影响而移动,高原夏季风的低压系统与高原温度场关系密切。     

基于FLEXPART模式对黄河源区盛夏降水异常的水汽源地及输送特征研究

依据近10年黄河源区流域气象台站的降水观测资料,提取夏季降水最强月对应的异常特征,利用拉格朗日粒子扩散模式(Flexible Particle Dispersion Model,FLEXPART),针对目标时段开展大气粒子群(气块)的后向模拟,着重分析了流域内降水正负异常状态下的水汽输送特征及其差异,并评估各水汽源地对流域内三类降水的贡献。结果表明,以“S”型跨赤道输送(“由阿拉伯海至孟加拉湾和印度半岛再由青藏高原西南侧进入黄河源区”)和“几”型输送(“由南中国海经长江中下游平原后途径四川盆地再进入黄河源区”)为代表的南支路径是2012年7月黄河源区对应的主要水汽输送路径;而以东、西风急流作用下的两条远距离输送(“由南中国海至孟加拉湾和印度半岛东北部附近后再经由青藏高原西侧或北侧进入黄河源区”以及“由欧洲平原东部和中亚地区进入青藏高原西侧或北侧后到达黄河源区”)为代表的北支路径是2015年7月黄河源区对应的主要水汽输送路径。在对气块后向模拟追踪的同时,对其运动过程中的比湿变化进行了对应经纬度网格的空间平均,变化特征显示出喜马拉雅山南麓、四川盆地周边、孟加拉湾和青藏高原北侧是黄河源区流域降水对应的潜在水汽源地。由定量评估贡献率的结果可知:青藏高原北侧的广大干旱及半干旱草原地区是2015年7月黄河源区降水的最主要水汽来源,其贡献率高达52.9%;而在2012年,三个主要源地的贡献率差异远不及2015年显著;无论对应何种类型的降水,青藏高原西南部和北侧提供了黄河源区主要可供降水的外来水汽。     

X波段双线偏振雷达数据质量分析及控制方法

利用双偏振参量在弱降水过程中性质均一、随时空变化缓慢的特征,选取北京、佛山地区弱降水过程的观测资料,通过将较长时间观测结果沿径向或方位累积的方法,分析双偏振参量测量精确度受地物、避雷针、旋转及俯仰关节的影响,并提出相应的质控方法,得出以下结论:(1)差分反射率(ZDR)、相关系数(ρhv)及差分传播相位(ΦDP)比水平反射率(Z)对地物更敏感,其中在地物处ρhv小于0.85,ZDR低于-1 dB。根据降雨与地物之间偏振参量特征的不同,将ρhv长时间累积能有效的识别地物回波。(2)每根避雷针对双偏振参量影响的方位和幅值是近似一致的。在以避雷针为中心的±15°的方位范围内,ZDR增大0.4~1.5 dB,ρhv降低0.01以下、Z降低1~2 dBZ,且均在避雷针中心处影响达到极值。通过基于上述方位的统计订正可以较好的去除避雷针对双偏振参量的影响。(3)雷达旋转关节的异常会导致ZDR在水平方向上不平稳变化,而俯仰关节异常会使ZDR在高、低仰角差距较大,通过ZDR沿方位一段时间的累积得到各层仰角ZDR变化曲线,用此曲线来实现ZDR的误差标定。通过检验,本文提出的质量控制方法有效的提升了X波段双偏振雷达的数据质量,为其在业务中的进一步推广提供了支持。     

汛期西南涡暴雨的数值模拟研究

利用西南区域数值预报模式系统SWCWARMS,结合全国汛期高空加密观测资料,对2013年6月29—30日的一次西南涡暴雨过程进行数值模拟和敏感性试验。结果表明,与控制试验相比,同化试验模拟的降雨与实况更为接近,并成功模拟出四川东部的强降雨中心,对于西南涡的模拟,同化试验西南涡出现时间更早,强度更强。并且,通过两组试验初值差异对比发现,同化试验初值在四川盆地对流层中低层表现出更强的低压,更强的涡度以及更强的旋转风扰动,四川盆地西部边坡也存在更强的上升气流,这都有利于西南涡的发生、发展。另外,同化汛期高空加密观测资料对强降雨中心单站的预报改进也较明显。因此,加强汛期加密气象观测,有利于揭示西南涡的发生、发展及其降雨天气影响,也有助于提升数值预报业务技术水平。     

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。     

疏勒河流域极端水文事件对极端气候的响应

为了明确疏勒河流域极端水文事件对极端气候事件的响应关系,选取疏勒河流域内及其周边的托勒、敦煌、瓜州、玉门、酒泉、马鬃山等气象站点的气温、降水和蒸发的日值数据,昌马堡水文站的日径流数据,通过趋势分析、滑动平均、主成分分析等方法,分析疏勒河流域极端气候指数、极端水文事件的年际变化规律以及影响极端水文事件的因素,并明确该流域极端洪水年内分布特征。结果表明:疏勒河流域年际气温升高趋势明显,降水量呈波动变化,增加趋势不明显,而蒸发量呈下降的变化趋势。表征高温的极端气温指数呈显著上升趋势,表征低温的极端气温指数呈显著下降趋势,说明疏勒河流域气温增幅明显。极端降水指数呈显著的增加趋势。该流域极端洪水事件和频次呈上升趋势,而极端枯水事件和频次呈下降趋势。极端洪水事件主要受控于极端降水事件,特别是极端降水总量,极端高温事件对极端洪水总量的增加也有影响,而极端枯水事件主要受控于极端低温事件。此外,2000-2016年年最大洪峰流量出现的时间有由8月向7月转变的趋势。     

利用Ka波段毫米波雷达功率谱反演云降水大气垂直速度和雨滴谱分布研究

利用中国气象科学研究院2016年华南云降水试验中Ka波段毫米波雷达探测一次层状云降水过程,开展了云内大气垂直速度和雨滴谱的反演研究,并与地面激光雨滴谱仪和微降水雷达的测量雨滴谱结果进行对比分析。首先,采用小粒子示踪法从功率谱密度中反演大气垂直速度以得到静止空气条件下的功率谱密度,进而利用粒子下落末速度-粒子直径关系反演出雨滴谱,最后进行标准化的Gamma分布拟合。研究表明:(1)云降水从零度层到地面1 km,主要由下沉气流主导,近地面大气浮游粒子和直流干扰造成的晴空杂波会影响雷达的功率谱分布;受动态范围限制,回波强度过饱和现象会影响近地面大气垂直速度的反演结果;(2)毫米波雷达CR、微雨雷达MRR和地面雨滴谱仪测量回波强度存在一定差异,MRR相较于CR与地面雨滴谱仪测量偏差较小;在稳定降水时CR和MRR功率谱密度对比较为一致;(3) CR和MRR反演雨滴谱对比实验中,雨滴谱反演对大气垂直速度十分敏感,大气垂直速度的变化,会使CR反演雨滴谱随着高度增加数浓度量级变大、粒子平均半径变小。CR反演的雨滴谱与M RR反演结果基本一致,验证了CR功率谱反演雨滴谱方法的可靠性;(4) CR与地面雨滴谱仪雨滴谱拟合参数的对比表明,CR大气垂直反演的雨滴谱与地面雨滴谱相比粒子平均直径Dm较小,数浓度则较为一致。     

高寒沙区生物土壤结皮覆盖区凝结水组分分析

凝结水作为干旱半干旱地区重要的组分,对生物土壤结皮具有重要的生态学作用。为阐明高寒沙区青海共和盆地生物土壤结皮表层5 cm凝结水水汽来源,利用2017年5—9月自制微渗仪对土壤表层5 cm不同类型生物土壤结皮(苔藓结皮、藻类结皮、物理结皮)和流沙凝结水进行了观测。结果表明:高寒沙区凝结水量随结皮发育程度变化呈增加趋势,表现为:苔藓结皮>藻类结皮>物理结皮>流沙;生物土壤结皮覆盖区凝结水量显著大于流沙凝结水量,即生物土壤结皮有利于凝结水的产生;凝结水主要由吸湿水和大气水汽凝结水与土壤凝结水两部分组成;观测期间,不同类型结皮日土壤凝结水量无显著性差异;吸湿水量和大气水汽凝结水总量显著高于土壤凝结水量(P<0. 05);随时间的变化,吸湿水和大气水汽凝结水与土壤凝结水对凝结水的贡献率呈波动性变化;吸湿水和大气水汽凝结水贡献率主要集中在65%～80%,土壤凝结水贡献率主要集中在20%～35%。     

1951—2018年汕头汛期暴雨变化趋势及与ENSO的关系

根据汕头气象站1951—2018年汛期逐日雨量资料,采用滤波、线性倾向计算、趋势系数计算、相关分析等方法,分析该站汛期暴雨的变化趋势及与ENSO事件的关系。结果表明:汕头市近68年来的前汛期暴雨日数没有显著的上升或下降趋势,后汛期自20世纪90年代以后有轻微下降趋势;前汛期雨量有波动下降趋势;前、后汛期最大日雨量变化呈波动下降趋势;后汛期最大日雨量在La Nina时期呈减少趋势。