1975-2011年渭河上游径流演变规律及对气候驱动因子的响应

为探讨渭河上游径流的变化特征及其对气候变化的响应,选取1975-2011年河流实测径流量进行计算和分析. 结果表明：近40 a来,渭河上游径流总体呈明显下降趋势,其中,20世纪90年代前处于丰水期,90年代后进入枯水期,进入21世纪有明显增多趋势. 径流年际丰枯变化激烈,枯水年的发生概率高、持续性强,最长的连枯年份达8 a. 径流量集中在汛期,各年代的分配峰型有所不同,在70、80年代为7、9月双峰,之后变为单峰型分布. 流域内气候增暖明显,降水减少,蒸发加剧;90年代为明显的暖干型气候,21世纪初期气候向暖湿型转变的过程对径流的增加十分有利. 径流对气候变化有较强响应,但响应程度随时间变化而变化. 通过定量分析气候因子对径流变化的贡献值,发现由于气候增暖导致潜在蒸散量的加剧对径流变化的负贡献达60%以上,绝对值高于降水量的正贡献.     

黄河源区地表湿润指数及与气象因素的敏感性分析

应用Penman-Monteith模型计算了黄河源区地表潜在蒸散,分析了区域1961-2009年49 a来地表湿润指数的变化特征和趋势,并进行影响地表湿润指数的气象因素敏感性分析.结果表明:49 a来黄河源区年地表湿润指数呈减小趋势,其中20世纪60年代相对湿冷,70年代半湿冷,80年代为弱暖湿型,90年代暖干化明显.但进入21世纪初,特别是2003年以来,黄河源区降水增多,湿润指数上升,表现为暖湿型的气候特征.不同季节湿润指数变化略有不同,比较而言,49 a来地表湿润指数在冬春季呈增加趋势,夏秋季呈减小.湿润指数对降水量、日照时数和相对湿度的响应最为敏感.     

黄河源区地表湿润指数及与气象因素的敏感性分析

应用Penman-Monteith模型计算了黄河源区地表潜在蒸散,分析了区域1961-2009年49 a来地表湿润指数的变化特征和趋势,并进行影响地表湿润指数的气象因素敏感性分析.结果表明:49 a来黄河源区年地表湿润指数呈减小趋势,其中20世纪60年代相对湿冷,70年代半湿冷,80年代为弱暖湿型,90年代暖干化明显.但进入21世纪初,特别是2003年以来,黄河源区降水增多,湿润指数上升,表现为暖湿型的气候特征.不同季节湿润指数变化略有不同,比较而言,49 a来地表湿润指数在冬春季呈增加趋势,夏秋季呈减小.湿润指数对降水量、日照时数和相对湿度的响应最为敏感.     

1960-2013年艾比湖绿洲湿地潜在蒸散量及地表湿润度变化特征分析

基于阿拉山口、精河、博乐、温泉4个气象站点1960-2013年地面观测气象数据,采用Penman-Monteith公式、Mann-Kendall检验、小波分析、主成分相关分析等方法分析艾比湖绿洲湿地年及季节潜在蒸散量及地表湿润度的特征变化及定量化成因,以期为艾比湖绿洲湿地区域的水资源科学配置提供科学依据。结果表明：（1）1960-2013年,艾比湖绿洲湿地年平均潜在蒸散量为1 063.52mm,夏季值最大为552.3 mm,冬季最小为25.3 mm,年平均潜在蒸散量以12.68 mm·（10a）^-1的速率递减,各季节潜在蒸散变化趋势与年变化一致,夏季表现最明显;（2）Mann-Kendall检验表明,年均和春、夏、秋潜在蒸散量显著性突变时间分别是1991年、1994年、1994年和1993年,冬季不存在突变,显著性突变均发生在21世纪90年代,地表湿润度年突变时间为1985年;（3）艾比湖绿洲湿地潜在蒸散量及地表湿润度存在明显的周期变化,主震荡周期分别为29 a和21 a,以多、少交替发生,具有全域性;（4）风速是年及季节潜在蒸散量的主导因素,地表湿润度变化的主导因素是降水量和相对湿度。     

青海湖区降水序列及其变化的特征研究

利用青海湖区1958-2005年8个降水观测点月资料, 整理出5条(A～E)年、季降水序列, 应用气候诊断方法分析了降水的年代际变化及其突变特征. 结果表明: 5条序列年、季降水量的年际变化趋势大多数年代比较一致, 并且E序列代表青海湖区降水量比较可靠. 多数序列表现出20世纪60年代春季多雨, 70年代秋季多雨, 80年代春夏秋季多雨, 90年代冬春夏季多雨的季节变化特征以及60-70年代少雨、 80年代多雨和90年代少雨的年代际变化特征比较明显, 多数序列年度和冬、夏季降水量增多的趋势与新疆、河西中西部、柴达木盆地相同. 春季降水量在80年代初发生了一次气候突变, 年度和其它季节没有发生突变.     

天山山区近40a夏季降水变化及与南北疆的比较

利用新疆1959-1998年的降水资料,分析了天山山区近40a来夏季降水变化特征,并与南疆、北疆进行了比较.结果表明:天山山区近40a来的夏季降水在干湿阶段、最干最湿年份、降水变化的周期方面均与南北疆有别;天山山区夏季降水空间上的同步性变化比南疆及北疆弱一些;天山山区近40a来夏季降水年代际变化与北疆较为相近.新疆近40a来夏季降水最多的年代是90年代,天山山区偏多12%,南疆偏多25%,北疆偏多21%.     

基于CI指数的甘肃省黄土高原地区气象干旱的变化趋势分析

基于甘肃省黄土高原区33个气象站1962-2010年气象资料, 利用综合气象干旱指数(CI)对其近50 a的干旱频率和平均持续时间的空间分布、 干旱强度趋势变化和极端干旱事件频次进行了分析, 此基础上应用基于分型理论的R/S方法对干旱强度未来变化趋势进行了预测. 结果表明: 甘肃省黄土高原区干旱发生频率和多年平均持续天数在兰州-靖远一带和庆阳北部属于高值区, 而岷县、 渭源一带属于低值区; 106° E以西"临洮-通渭-天水"一带和庆阳东南部是干旱变幅最大的地方. 20世纪90年代以来, 干旱强度增大的较快, 四季均呈现出干旱强度变大的趋势, 其中春、 秋季干旱强度加剧的趋势明显, 夏季近10 a都处于非常严重的干旱状态, 但未通过0.01的显著性检验; 20世纪60年代至今, 极端干旱事件发生频次快速增多. 四季干旱强度Hurst指数H 均大于0.5, 同时分维数D 均小于1.5, 因此, 未来一段时间干旱强度仍然保持与过去相一致的变化趋势. 研究结果可为相关部门制定相应抗旱对策提供科学依据.     

黑河流域水资源系统演变和人类活动影响

黑河流域降水集中于山区,平原稀少。50多年来,除了20世纪70—80年代上游的中东部地区降水偏多外,其它区域为正常变化;蒸发量从山区向平原逐渐增大,除了中游蒸发量显示稳定变化外,山区和下游区表现为减少趋势;黑河多年出山径流量呈现稳定变化,但在中下游盆地间的正义峡水文站,径流量自20世纪80年代中期以来,出现了非常明显的减少过程:这是受到中游地区地下水开采量增加、补给量减少和水位下降的影响,主要是中游地区人口数量增多、大规模扩耕灌溉和水工建设作用的结果。计算表明,人类活动影响强度:20世纪50年代占18%,60—70年代占28%,80—90年代占54%;上游占1%,中游占87%,下游占12%。这说明黑河中游80—90年代是人类活动影响强度达到最大的地区。因此,提出了充分认识流域水资源系统演变规律性,约束人类活动的影响,均衡保护利用流域水资源的有关建议。     

近40 a来青藏高原地区总辐射变化特征分析

利用青藏高原及周边22个日射站近40 a的总辐射及日照百分率资料确定了Angstrom-Prescott模型(APM)系数, 结合高原及毗邻地区116个地面站的资料估算了高原地区近40 a的总辐射. 结果表明: 高原主体光照充沛, 年均日照时数可达3000 h以上, 有较好的利用前景; 总辐射40 a平均年总量在高原西部为高值区, 此高值带向东北和东南延伸, 其中北支可抵达内蒙古高原.年代际变化在高原及周边地区不一致, 但从整体上看, 总辐射距平值60、 70年代为正值, 表明这一时期高原总辐射增大; 80、 90年代总辐射距平为负, 这一时期总辐射减小. 火山活动是该时段总辐射减小的一个重要原因; 总辐射随着纬度的增大而减小, 随着海拔、 日照百分率的增大而增大. 纬度、 海拔、 日照3个因子中, 日照是总辐射的一个主要影响因子, 纬度对总辐射影响较大, 海拔对总辐射影响较小; 高原地区总辐射变差系数大值区在高原西部. 就平均状况而言, 高原地区总辐射变差系数仅为0.031, 表明高原地区总辐射波动相对较小, 总辐射较稳定.     

西北地区农林牧业生产及农业结构调整对全球气候变暖响应的研究进展

受西北地区现代气候变化呈现冬暖夏干的影响, 甘肃黄土高原200 cm深土壤贮水量呈减少趋势, 适宜农作物生长时段减少2-3月. 黄土高原作物气候生产力呈下降趋势, 年递减率为10.45 kg·hm-2, 暖干型和冷干型气候对作物生长非常不利, 减产为4.3%～27.1%. 对畜牧业的影响利弊共存, 使牧区草场产草量和质量以及生产力下降;但牲畜死损率明显降低, 幼畜成活率明显增加;牲畜抓膘育肥利弊因素相当, 牲畜肉量呈波动式变化. 小陇山森林资源呈减少趋势, 90年代最为严重. 在全球变暖的气候变化下, 需要农林牧业结构发生重大调整, 提出了甘肃省以及祁连北坡、陇东、陇东南和陇南等4个具有代表性的重点地域的农林牧业种植结构调整发展战略与优化方案. 其研究结果为西北地区农林牧业安全生产、趋利避害、减轻不利影响提供科学的指导意见.     

Spatio-temporal variability in remotely sensed surface soil moisture and its relationship with precipitation and evapotranspiration during the growing season in the Loess Plateau,China

The distribution and variability of surface soil moisture at regional scales is still poorly understood in the Loess Plateau of China. Spatial and temporal dynamics of surface soil moisture is important due to its impact on vegetation growth and its potential feedback to atmospheric and hydrologic processes. In this study, we analyzed surface soil moisture dynamics and the impacts of precipitation and evapotranspiration on surface soil moisture using remote sensing data during the growing season in 2011 for the Loess Plateau, which contain surface soil moisture, precipitation, vegetation index and evapotranspiration. Results indicate that the areas with low surface soil moisture are mainly located in the semi-arid region. Under dry surface soil moisture, evapotranspiration temporal persistence has a higher positive correlation (0.537) with surface soil moisture temporal persistence, and evapotranspiration is very sensitive to surface soil moisture. But under wet surface soil moisture regime, surface soil moisture temporal persistence has a higher negative correlation (?0.621) with evapotranspiration temporal persistence. Correlation of surface soil moisture and monthly precipitation, evapotranspiration and vegetation index illustrated that precipitation was a significant factor influencing surface soil moisture spatial variance. The correlation coefficients between monthly surface soil moisture and precipitation was varied in different climatic regions, which was 0.304 in arid, 0.364 in semi-arid, 0.490 in transitional and 0.300 in semi-humid regions. Surface soil moisture is more sensitive to precipitation, evapotranspiration, in transitional regions between dry and wet climates.     

甘肃黄土高原土壤水分气候特征

利用甘肃黄土高原42个气象站1961—2000年3～7月降水量和11个农业气象观测站逐年3～11月上旬的土壤重量含水率资料，分析了甘肃黄土高原土壤水分的地域和时间分布特征。结果表明：①甘肃黄土高原土壤水分从西南向东北减少，中部有一条从北向南的干舌，干旱中心在陇中北部，受六盘山的影响较大；②甘肃黄土高原分为7个气候区：陇中、陇东土壤严重缺水区，陇中、陇东土壤季节性缺水区，土壤水分适宜区，土壤水分湿润区和甘南高原土壤水分湿润区；③陇中北部和陇东北部土壤严重缺水区浅层土壤严重缺水主要出现在春季和春末夏初，深层土壤也常年处于缺水状态。季节土壤缺水区浅层主要缺水在5、6月份，深层土壤水分陇东高于陇中，适宜区和湿润区无明显土壤缺水时段。     

长江源区高寒退化湿地地表蒸散特征研究

青藏高原作为“亚洲水塔”,对东亚乃至全球大气水分循环都有非常显著的影响.高寒退化湿地是高原上生态多样性的保证,也是水汽循环和地表径流的重要源地,其地气之间水分交换不但可以反映气候变化,而且也对生态环境保护具有重要意义.以长江源区隆宝滩湿地连续一年、每10分钟一次的观测资料为基础,利用FAO Penman-Monteith方法分析了长江源区高寒退化湿地蒸散量的变化特征及其与环境因子之间的关系.结果表明：1）牧草生长期,潜在蒸散量日、月变化特征显著;实际蒸散量整体表现为冬小、夏大,夏季蒸散贡献最大.2）观测期间,蒸散量远大于降水量,水分亏损严重,局地蒸散对降水的贡献较高.3）土壤温度对蒸散发过程影响显著,尤其是表层5 cm地温与蒸散发相关性较好,土壤湿度变化表明其为蒸散发过程提供了充足的水分.4）全年变化中,气温是影响蒸散的主要因素.晴天中,高寒退化湿地实际蒸散量与辐射具有几乎相同的变化趋势,气温对蒸散量影响较小,蒸散量与相对湿度呈现显著的反相关.     

黄土高原西段表层土壤有机碳储量及时空变化规律

黄土高原表层土壤有机碳在土壤碳循环中具有重要地位,通过土地质量地球化学调查获得的黄土高原甘肃省境内表层土壤有机碳数据,总结了表层土壤有机碳在不同土壤类型、土地利用方式及地形地貌中的分布特征,分析了研究区土壤有机碳密度与全国其他典型地区的差异,并与全省第二次土壤普查成果进行了比较。结果表明:在不同土壤类型中有机碳密度呈灰褐土>高山草甸土>黑钙土>栗钙土>红黏土>灌漠土>灌淤土>黑麻土>黑垆土>黄绵土>灰钙土>风沙土的分布趋势;在不同土地利用方式下土壤有机碳密度呈林地>建设用地>耕地>园地>草地>未利用地的分布趋势;在不同地形地貌单元间土壤有机碳密度呈塬面>梯田>坡地>沟道的分布规律。黄土高原西段表层土壤有机碳密度在全国各典型地区最低,为1.87 kg/m²;有机碳储量为78.56 Mt,较1990年增幅10.54%,近年来土壤有机碳储量呈不断上升趋势。     

黄土高原水蚀风蚀交错区土壤剖面水分动态的数值模拟研究

利用SWAP(Soil-Water-Atmosphere-Plant)模型对黄土高原水蚀风蚀交错区坡地土壤-植被-大气系统中的水循环进行数值模拟。结果显示,SWAP模型很好的模拟了不同土地利用方式条件下的土壤水循环过程。根据模拟结果,水蚀风蚀交错区的丰水年份,农地和种植第一年的紫花苜蓿地季末土壤水分稍有盈余,谷子和紫花苜蓿的日蒸散量分别为1.2~2.6mm和1.2~2.5mm。     

我国北方地区农业生态系统水分运行及区域分异规律研究的内涵和研究进展

概述了国家自然科学基金重大项目"我国北方地区农业生态系统水分运行及区域分异规律研究"的内涵及初步研究进展,提出要通过对我国北方地区农业生态中水分运行和转换规律的综合田间试验及联网研究,确立北方地区农业生态系统水平衡、水循环过程的机制,确立北方地区有限水环境下作物生产力模型,对北方地区农业生态系统中水分运行与农业可持续发展及其区域分异规律作出评估,研究给出了我国北方地区主要作物的耗水、需水规律,夏玉米的水肥优化耦合模式和农田生态系统综合模型;获得了近40年来我国北方蒸发潜力自东向西逐渐递增的空间变化和自90年代以来北方部分地区潜在蒸发有明显下降趋势的时间变化特征;得出了黄土高原旱作高产农田土壤干燥化是高产田产量产生波动性的主要原因,比较了森林和草地的水文效应差异,指出在郁闭度相同的情况下,森林小流域较自然牧草小流域有较小的径流量、较大的蒸散量和较低的3 m土层平均含水量。     

近13万年来黄土高原干湿气候的时空变迁

第四纪时期，黄土高原粉尘物质的搬运、沉积及其后的成土过程受控于干湿气候的变化。对黄土高原这一特定地区而言，风成沉积序列在地域上的差异主要与东亚地区的季风环流在时间和空间上的变化有关。本文的研究揭示出，近１３万年里，最为显著的成壤期有６期，与这６个成壤期对应的时段也应当是夏季风环流加强、气候温湿的时期；在空间上，全新世适宜期及末次间冰期中与深海氧同位素阶段５ａ，５ｃ，５ｅ对应的时期，夏季风足可以深入到毛乌素沙漠腹地，并具有占优势的环境效应。在阶段３的早、晚期及５ｂ时期夏季风虽然也能深入沙漠－黄土边界带，但其环境效应在黄土高原北部及毛乌素沙漠南缘已不再显著。在阶段２、阶段４及阶段３的中期夏季风已不能深入沙漠－黄土边界带。     

Impacts of climate change on aridity index and its spatiotemporal variation in the Loess Plateau of China,from 1961 to 2014

The Loess Plateau, the transitional zone between humid and arid regions of China, is an important region to examine the regional hydrological cycle and variation in humid and arid regions under global climate change. Aridity index (AI), the ratio of precipitation (P) to potential evapotranspiration (ET₀), is an important indicator of regional climate conditions and is also used to classify drylands. In this study, data from 51 national meteorological stations during the period of 1961–2014 were collected to estimate the AI in the Loess Plateau. Results show that a downward trend in annual AI was detected and the boundary of the drylands region based on the AI was expanded across the Loess Plateau over the period of 1961–2014. The spatiotemporal variability of P was the main cause in the AI variations. Furthermore, data analysis suggested the occurrences of the extreme minimum AI values were mostly affected by fluctuations of the two factors (ET₀ and P) rather than its corresponding trend during the period. Thus, this study indicated the major driving factor of AI and the relationship between extreme AI values and the global climate anomalies in the Loess Plateau region, and meanwhile, provided an understanding of the impacts of climate change on hydrological cycle in the Loess Plateau of China.     

The role of rainfall in the thermal-moisture dynamics of the active layer at Beiluhe of Qinghai-Tibetan plateau

The active layer in permafrost regions plays an important role in energy exchange between permafrost and atmosphere. Rainfall is one of the dominant factors affecting thermal-moisture dynamics of the active layer. To better understand the thermal-moisture dynamics and the interaction between rainfall and the active layer in-detail, in situ experiment was carried out and soil temperature, soil moisture and soil heat flux of the active layer were measured from 2007 to 2009. The observation data demonstrated that the volumetric soil water content of the active layer remained fairly constant during the winter and had a notable fluctuation resulted from evapotranspiration and rewetting from rainfall events in summer. The daily variation amplitude of soil temperature and soil heat flux in summer was bigger than that in winter. Soil moisture content increased and soil temperature decreased after rainfall. Rainfall in summer led to the change of surface energy balance and caused subsurface soil cooling. The convective heat transfer from water infiltration reduced the temperature gradient along depth and changed near-surface heat fluxes. The increase in rainfall may mitigate permafrost degradation on the Tibetan Plateau.