中国东部土壤温度、湿度变化的长期趋势及其与气候背景的联系

利用1971-2000年中国722站逐月的土壤温度资料和1981-1998年178站逐旬的土壤湿度观测资料,分析了中国东部土壤温度、湿度变化的长期趋势及其与气温、降水变化的关系.结果表明:①我国东部土壤温度的变化在年际一年代际时间尺度上存在明显的区域性差异,其中东北地区表现为持续上升型,而西北东部一华北、江淮和西南一华南地区均为先降后升型;②1970-2000年代,土壤温度的变化在东北以及西北东部一华北地区有显著的上升趋势,而在江淮和西南一华南地区,总体而言变化趋势不显著.此外,1980-1990年代,各区域土壤湿度的变化趋势均不显著;③在年际一年代际尺度上,各区域土壤温度和气温的变化具有显著的正相关关系,而土壤湿度与土壤温度的变化普遍呈负相关关系,其中尤以西北东部-华北地区最为显著.而在较长的时间尺度上,土壤湿度与降水的变化仍然存在较好的正相关关系.     

青藏高原春季土壤湿度与中国东部夏季降水之间的关系

应用SVD方法分析了青藏高原地区春季土壤湿度异常和中国东部地区夏季降水之间的关系.结果表明,青藏高原不同地区、不同深度的土壤湿度与中国东部夏季降水的相关特征不同.青藏高原东北部和西北部0~10cm深度(表层)土壤湿度与中国华北、东北地区的夏季降水为正相关,而与华南地区为负相关;青藏高原中部及南部0~10cm表层土壤湿度与华北地区夏季的降水有较强负相关;青藏高原北部及东部10~200cm深度(深层)土壤湿度与华北、东北地区的夏季降水为负相关,而与华南地区夏季降水为正相关;青藏高原中东部10~200cm深层土壤湿度与长江中下游和华南大部分地区夏季降水呈负相关关系.即青藏高原不同地区、不同深度层春季土壤湿度的变化,对中国东部地区的夏季降水具有显著影响.     

近千年中国东部夏季降水的模拟研究

利用ECHO­G海气耦合气候模式模拟的中国东部过去近1000年的降水资料,通过经验正交函数分解方法得到了中国东部夏季降水分布的主要空间型态： 华北和华南地区与长江中下游地区反位相,即华北和华南地区降水多(少)时长江中下游地区降水少(多)。对31年滑动平均后3种空间分布型的时间系数进行Morlet小波分析和功率谱分析发现,3个地区均存在准60年的年代际振荡周期,长江中下游和华南地区均存在准200年的百年际振荡周期,华南地区还存在120年和80年的变化周期。全球海温场与3个地区夏季降水31年滑动平均后的相关分析表明,在40°～70°S,170°～60°W海域海温与华北和长江中下游地区夏季降水负相关,与华南地区夏季降水正相关除该区外的南北半球(30°～60°)中高纬海域海温与华北和长江中下游地区夏季降水正相关、与华南地区夏季降水负相关,说明在年代际和百年际时间尺度上,中高纬海域海温是影响长江中下游地区和华南地区夏季降水反相的主要因子之一。最后通过对太阳常数、火山活动等外强迫因子与中国东部夏季降水的功率谱分析发现： 中国东部夏季降水的年代际与百年际变化周期大都与外强迫因子的变化周期一致,说明外强迫因子,尤其是太阳常数和火山活动的变化是影响中国东部夏季降水年代际和百年际振荡的主要原因。     

多尺度气象干旱与土壤相对湿度的关系研究

通过分析我国东北、华北、西北地区东部、西南以及黄淮、江淮和江汉5个区域不同时间尺度气象干旱指数与20 cm土壤相对湿度的相关关系, 探讨了前期气象干旱对后期土壤湿度的影响, 并利用多元线性回归方法分区域、分季节建立了土壤湿度预测模型.结果表明: 春季, 东北地区土壤湿度主要受前5~6个月, 尤其是上年秋末冬初的降水的影响, 而其他4个区域土壤湿度主要受前1~2个月大气水分的影响;各区域夏季土壤湿度与前1~2个月时间尺度上的大气水分相关最密切;秋季, 东北地区20 cm土壤湿度主要受前2~4个月的气象干旱的影响, 其余区域土壤湿度仍与前1~2个月尺度的大气水分相关最密切.基于前期气象干旱指数建立的各区域、各季节的土壤湿度回归模型对当地土壤湿度具有一定的拟合能力, 平均估计偏差在10.1%~13.9%之间, 其中, 西北地区东部和华北地区春、夏季偏差较大, 2008-2011年间干旱等级拟合准确率在65%~74.9%之间;东北、西南、黄淮、江淮和江汉区域拟合较好, 拟合准确率在88%以上.     

1980-2012年青藏高原土壤湿度时空演变特征

基于美国气候预测中心（CPC）土壤湿度资料和80个青藏高原气象观测站的降水、气温资料,对青藏高原土壤湿度时空演变、突变,及土壤湿度与降水、气温的关系进行了分析.结果表明：青藏高原土壤湿度呈自东南向西北递减的分布特征,土壤湿度与降水量在空间上有很好的对应关系,在时间上存在2~4个月的时滞相关.1980-2012年高原土壤湿度呈显著增多趋势,土壤湿度变化发生突变的年份为2003年.在土壤湿度变化过程中,降水和气温的作用明显,5-10月降水量和1-6月气温是影响高原土壤湿度变化的主要因素.5-10月降水量决定了多水期的土壤湿度,而多水期土壤湿度和1-6月气温共同决定了少水期的土壤湿度.     

藏北高原土壤温湿变化特征分析

利用"全球协调加强观测计划(CEOP)亚澳季风之青藏高原试验"(CAMP/Tibet,2001—2010)的观测资料,从不同的时间尺度分析了藏北高原不同地点不同深度的土壤温度和土壤湿度变化特征.结果表明:10 cm以上日平均土壤温度呈正弦变化,而10 cm以下土壤温度变化不大;各层土壤温度最高都出现在7～8月;年际气候的差异至少可以反映到40 cm土壤;各层土壤湿度无明显日变化,存在明显月变化,夏季降水量的多少对各层土壤湿度都有明显的影响.     

华北汛期降水与青藏高原地表温度的相关分析探讨

利用1980～2002年青藏高原月平均地表温度、1957～2002年我国华北地区104站月降水,分析了青藏高原地表温度与华北以及各分区汛期(7、8月)降水的可能联系,结果表明,青藏高原5月地表温度与华北地区汛期降水具有显著的正相关,高相关区域位于高原的东北部和西南部。华北地区汛期降水偏少年,青藏高原5月地温以负距平为主；降水偏多年,青藏高原5月地温为大范围的正距平,距平中心也位于高原的东北和西南部。SVD的分析表明,青藏高原5月地表温度和华北地区汛期降水的第一典型场表现出一致的变化特点,前者的分布型态与华北地区干旱或洪涝对应的合成分布以及相关系数场相似,高值区域分别位于高原的东北部和西南部地区,后者的高值区域,位于华北中部和东部地区。华北不同区域汛期降水与青藏高原地表温度的相关有明显的差异,华北中部和东部与5月高原地温的正相关最显著,其它地区与上年10～12月地温的负相关最显著,同时,影响各分区夏季降水的高原地温关键区也有所不同。     

北半球季节性冻融区与北半球夏季降水关系的研究

针对冻融过程引起的土壤湿度异常与北半球夏季降水的关系， 基于1981 - 2010年ERA5的月降水和土壤湿度资料， 采用奇异值分解（SVD）方法， 分析了北半球季节性冻融区春季土壤湿度和北半球夏季降水的年际变化特征以及它们之间的相关关系。结果表明： 北半球季节性冻融区春季土壤湿度年际变化的大值区与北半球夏季降水年际变化的显著区之间存在较好的对应关系； 季节性冻融区春季土壤湿度与夏季降水之间存在着指数函数变化关系， 在北美西部、 西亚以及东亚的大部分地区， 春季土壤湿度与夏季降水呈显著的正相关， 表明季节性冻融区春季土壤湿度的增加会引起该地区夏季降水的增加。     

1980-2019年青藏高原积雪深度时空差异性分析北大核心CSCD

积雪是地表特征的重要参数,其对辐射收支、能量平衡及天气和气候变化有重要影响。利用1980-2019年被动微波遥感积雪深度资料对青藏高原积雪时空特征进行分析,在此基础上将高原划分为东部、南部、西部及中部4个区域,并分区域讨论了多时间尺度积雪的变化特征及其与气温、降水的相关关系。结果表明:不同区域积雪深度在不同时间尺度的变化特征存在差异,高原东部积雪深度累积和消融的速率比西部快,南部积雪深度累积和消融速率比中部快。季节尺度上,冬季积雪高原东部最大,中部最小;春季积雪高原东部消融速率最大,西部积雪消融较慢但积雪深度最大;夏季高原西部仍有积雪存在。年际尺度上,各区域积雪深度在1980-2019年均呈现缓慢下降趋势,但东部积雪减少不显著;高原东部积雪深度在1980-2019年呈现出增加-减少-增加-减少的变化,其余3区均呈现出减少-增加-减少-增加-减少的变化。不同区域积雪深度对气温、降水的响应不同,高原东部和中部积雪深度与气温相关性较好;各区域积雪深度与降水呈不显著的正相关关系。     

五台山积雪变化趋势及其影响因素

基于MODIS积雪产品与微波遥感数据,分析五台山2000—2019水文年积雪时空分布、变化趋势及与影响因素的Pearson相关性,结果表明：（1）五台山积雪期为10月至翌年4月,年内呈单峰型变化趋势,积雪集中于西北部。（2）积雪面积和积雪日数的年际变化呈显著减少趋势（p<0.05）。（3）积雪面积和积雪日数与海拔正相关,积雪面积在北坡高于南坡。（4）积雪面积与气温相关程度高于降水量,积雪面积在年内与气温和降水量日值呈显著负相关（p<0.05）,在年际与气温年均值呈显著负相关（p<0.05）。     

物理过程参数化方案对中国夏季降水日变化模拟的影响

系统地分析了不同陆面过程、辐射传输以及积云对流参数化方案对区域气候模式模拟中国夏季降水日变化能力的影响,发现日内最大标准化降水及其出现时刻的模拟对不同模式物理过程的组合方案敏感。陆面过程、辐射传输参数化方案只影响降水强度的模拟,而对降水日变化形式和峰值出现时间模拟的影响较小,降水日变化形式的模拟对积云对流参数化方案敏感且与模拟区域的选择关系密切。Grell方案对青藏高原东部、长江中游地区夏季降水的日变化特征具有较好模拟能力,Kuo和Anthes-Kuo方案较好地模拟出了东北、华南地区夏季降水的日变化特征,BM方案仅能模拟华南地区夏季降水的日变化特征。4种积云对流参数化方案均不能模拟出江淮—华北地区夏季降水日变化的双峰值结构。     

物理过程参数化方案对中国夏季降水日变化模拟的影响

系统地分析了不同陆面过程、辐射传输以及积云对流参数化方案对区域气候模式模拟中国夏季降水日变化能力的影响,发现日内最大标准化降水及其出现时刻的模拟对不同模式物理过程的组合方案敏感。陆面过程、辐射传输参数化方案只影响降水强度的模拟,而对降水日变化形式和峰值出现时间模拟的影响较小, 降水日变化形式的模拟对积云对流参数化方案敏感且与模拟区域的选择关系密切。Grell方案对青藏高原东部、长江中游地区夏季降水的日变化特征具有较好模拟能力,Kuo和Anthes Kuo方案较好地模拟出了东北、华南地区夏季降水的日变化特征,BM方案仅能模拟华南地区夏季降水的日变化特征。4种积云对流参数化方案均不能模拟出江淮—华北地区夏季降水日变化的双峰值结构。     

胶东半岛丘陵区典型流域径流衰减态势及驱动力分析

利用大沽夹河流域1966-2004年各水文站逐年月实测水文资料,从年际、年内和年代际三个不同时间尺度,分析了近40年来大沽夹河流域径流变化趋势及其影响因素。结果表明,近40年来,在不同时间尺度上,大沽夹河流域径流均呈明显衰减态势。由年际变化知,流域年径流量自20世纪70年代初至80年代中期下降明显,70年代年径流距平值均大于0,变化范围为0．58-2．81亿m3,平均距平值高达1．73亿m3,80年代以后,距平值基本处于0线以下,为径流低值期。年内各季变化趋势和年际变化基本相似。从年代际变化看,20世纪80年代径流衰减幅度最大,年平均径流量仅为70年代的23．24％,多年平均的53．91％,表明近20年来大沽夹河流域径流锐减。降水、气温与径流量的统计、相关分析表明,流域径流量随降水减少和气温上升呈明显下降趋势,两者与径流量的相关系数分别为0．8861和-0．3842,分别在α=0．001和α= 0．05时达显著相关。此外,水利工程取用水量(蓄、引、提河道来水)也是导致大沽夹流域径流量衰减的主要因素。     

黄河上游玛曲县植被指数与气候变化研究

利用8 km分辨率Pathdfinder NOAA AVHRR NDVI时间序列数据和玛曲气象站日资料,分析了玛曲1982—2000年植被指数变化和1967—2000年气候变化特征以及植被指数与气象条件的相关性.结果表明:玛曲的年平均植被指数都>0.4,20世纪90年代植被状况好于80年代;玛曲降水主要集中在夏季,秋季降水>春季,年降水量有略有增加趋势;气温呈变暖趋势,平均增温率为0.25℃.(10a)-1.NDVI与20 cm土壤温度相关最好,在地下一定距离以内,深度越深相关越好;其次是15 cm土壤温度与气温,相关最差的是5、0 cm土壤温度和降水.     

中纬度亚洲现代间冰期气候变化的“西风模式”讨论

中纬度亚洲地区存在主要受季风环流影响的东南部湿润地区(简称季风区)和主要受西风环流控制的内陆干旱区(包括青藏高原北部高寒干旱区,简称西风区)。根据对近年来新发表的气候变化记录证据梳理总结,发现西风区在中—晚全新世气候湿润,与亚洲季风在早—中全新世强盛的格局显著不同。过去千年的西风区中世纪暖期干旱,而小冰期相对湿润,与此相对,万象洞石笋氧同位素记录则显示季风降水在中世纪暖期时整体处于高值,在小冰期处于低值段。在近百年,尤其是近50a,西北干旱区湿度增加,而季风影响范围内的西北东部和华北等地变得更干。不仅如此,在分属西风和季风影响区的青藏高原北部和南部,年代际—百年尺度上降水变化也表现出反相位关系。据此我们提出,亚洲中部西风带控制区在现代间冰期从数千年到年代际的各个时间尺度上均存在不同于季风区的湿度(降水)变化模式,称之为现代间冰期气候变化的西风模式。     

高寒针茅草原土壤湿度变化特征及与降水量和牧草产量的关系

利用青海省三江源区兴海县牧业气象站1999-2012年西北针茅牧草生长季的土壤湿度、降水量及牧草产量资料,分析了西北针茅牧草生长季不同生育期土壤相对湿度的变化特征,及与降水量和牧草产量的关系。结果表明：高寒草地西北针茅牧草生长季降水量随年际呈显著增加趋势。牧草返青和枯黄期间的降水量呈减少趋势,抽穗、开花和成熟期降水量均呈增加趋势,其中开花期间的降水量增加趋势极显著。牧草生长季土壤相对湿度随年际呈显著上升趋势,且与生长季降水量之间相关极显著。牧草开花、成熟、抽穗和枯黄期土壤相对湿度的增加趋势显著。牧草开花期土壤相对湿度与气温为显著正相关,抽穗期和全生育期的土壤相对湿度与气温负相关显著。抽穗期、开花期、成熟期和全生育期土壤相对湿度与降水量正相关显著。西北针茅牧草产量与枯黄期土壤相对湿度呈极显著的相关关系。     

西北与华北地区现代降水变化趋势的对比

利用研究区内国家级气象站观测资料,分析1951~2013年降水变化趋势。其结果表明:西北与华北地区年均降水呈"东多西少"的空间格局;西北地区降水呈明显增加趋势,以青海及新疆西部较为显著,华北地区降水呈减少趋势,两地区降水趋势增加与减少的变化在104°E附近地区过渡;西北地区降水增加趋势起始于1980年代中期,华北地区降水减少趋势起始于1980年代初期;两地区降水变化"反(错)位相"特征在降水量累计距平百分比指标上表现明显。采用REOF方法,结合地理位置和地形等因素,西北与华北地区可分为6个降水子区域,各子区域及其之间的降水变化更详细体现出"反(错)位相"特征的情况,这种特征可能受到近几十年亚洲季风变化的影响。     

青藏高原那曲中部土壤温湿分布特征

青藏高原土壤水热状况对气候变化和植被退化方面的研究具有重要意义,土壤湿度的准确刻画还会影响到数值预报模式对当地及其下游地区降水的模拟能力。为此,采用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站安多观测点2014年1—12月的土壤温度、土壤湿度观测资料以及同期安多气象站观测数据,分析了青藏高原那曲中部不同深度土壤温湿度的分布特征及其与气温、降水量等气象要素的关系。结果表明：土壤温度在浅层为正弦曲线,随着土壤深度的增加,曲线逐渐接近直线。土壤升温迅速而降温过程缓慢。封冻和解冻日期随土壤深度的增加而推迟,封冻期逐渐缩短。不同层次土壤湿度日内变化较小。月变化呈单峰型结构,峰值和谷值基本出现在8月和12月。土壤湿度上升速率较下降速率缓慢。区域尺度上GLDAS-NOAH资料显示出类似的变化特征。土壤温湿度在一年中的变化不一致,但土壤温湿度呈显著正相关。浅层土壤的温度梯度明显大于深层;浅层土壤湿度最大,中间层较大,深层土壤湿度最小。随着干季向湿季的转换,由于太阳辐射的增加,非绝热加热呈增加的趋势。土壤湿度与气象要素在不同时段的相关性存在一些差异,但总体上土壤湿度与气温、降水量和相对湿度呈正相关,与风速、日照时数相关性不显著。     

1981-2006年西北干旱区NDVI时空分布变化对水热条件的响应

气候是植被变化的重要驱动因子. 利用1981-2006年GIMMS归一化植被指数（NDVI）时间序列数据,结合68个气象站降水、气温数据和DEM地形数据等资料,研究分析了西北干旱区植被活动的年、季变化和空间差异. 结果显示：在1981-2006年的26 a,西北干旱区植被的覆盖率增加了4.5%,年平均NDVI增加了3.2%;植被的生长季延长,主要表现在生长季的推迟. 从总体来说,植被覆盖率、生长季和NDVI值在2000年以前显著增加,而在2000年以后都呈现减小的趋势;其中,减少明显的区域是在伊犁河谷、中天山及平原区,在河流上游山区或源头以及部分河流两岸呈现增加态势;在年际变化上,大部分区域的气温、降水与NDVI相关性不强. 而年平均气温在4.58 ℃以下低温区和年降水在180 mm以上的相对湿润区,气温和降水都呈现正相关;在季节变化上,NDVI值在春季和秋季与温度相关显著,而夏季与降水相关性强. 2000年以后,植被覆盖率和NDVI值开始出现降低趋势与气温持续升高、降水量增幅下降有关.     

全球土壤湿度的记忆性及其气候效应

利用1948-2010年全球GPCC月平均降水,GHCN_CAMS月平均气温资料,GLDAS-NOAH月平均、3h土壤湿度和降水资料以及观测资料,分析了土壤湿度与降水和气温之间的关系。结果表明：全球土壤湿度记忆性的时间尺度在20~110d不等,干旱地区浅层（0~10cm）土壤湿度记忆性较短,中深层（10~200cm）较长,湿润区及高山地区土壤湿度记忆性均较长,北半球春季土壤湿度记忆性最长,南半球夏季土壤湿度记忆性最长;降水和气温对同期土壤湿度在不同地区的作用不同,北半球夏、秋季降水是土壤湿度的主要来源,除非洲干旱区以外的中低纬度地区及南半球,土壤湿度随降水的增加而增加,随气温的升高而减小;浅层土壤湿度受同期降水和气温的影响最为显著;前期降水和气温对土壤湿度的影响存在着较大的空间差异,北半球中高纬度地区,当年的夏、秋季降水是次年春季土壤湿度的主要来源,中层土壤（10~100cm）是降水的主要存储层。浅层土壤受外界影响较大,对前期气候信息的存贮有限。中低纬度地区及南半球,中深层土壤更多地是存储前一个季节的气温和降水信息,对跨季节气候信息的存储并不明显;低纬度地区春季土壤湿度的增加可能有利于后期降水的增多,高纬度地区春季土壤湿度的增加可能使后期降水减少,在季节尺度上中层土壤湿度对后期的降水影响较明显,在月至日尺度上浅层土壤湿度对后期降水的影响更重要;春季干旱区尤其是中层土壤湿度的增加可能有利于夏季气温的降低。