天山可降水量和降水转化率的研究

水是干旱半干旱地区的命脉,实施人工增水是增加水资源的一个重要途径。笔者根据1971-2000年30 a天山山区及其周边44个地面站每日4个时次的水汽压和日降水量,运用整层大气可降水量的经验计算公式,计算了天山山区及其周边地区的大气可降水量和降水转化率。分析得出天山地区可降水量夏季多、冬季少,空间分布表现为自西向东、自山区外围向山区中心地带递减的规律。降水转化率的时空分布说明夏季山区的降水转化率较高,一般为100‰~200‰,最大为355‰;冬季降水转化率低于夏季,相对而言山前的平原地区,如伊犁地区、北疆石河子到阜康一带的降水转化率较高,为80‰~125‰。上述结果表明天山地区具有很大的增水潜力。     

西北地区大气水汽含量时空分布及其输送研究

利用ECMWF和NCEP/NCAR 1979-2016年逐月再分析资料,分析了我国西北地区大气水汽含量的时空分布及其输送特征。结果表明：（1）西北地区水汽含量在20世纪80年代中期至90年代末呈增多趋势,从90年代开始至21世纪初呈减少趋势。就季节而言,西北地区夏季水汽含量最多,占年平均水汽含量的46.6%。（2）西北地区水汽分布与降水分布具有一致性,水汽含量主要集中在西北地区东部及其西部的天山山脉、塔里木盆地东部一带,达12～30 mm,中部水汽含量较少,不足10 mm,水汽含量的空间分布呈现出“两边高中间低”的分布形式。（3）西北地区水汽输送以西风和季风两大环流系统为主,纬向西风水汽输送可达100～500 kg·m^-1·s^-1,在全年水汽输送中占主要地位,夏季从印度洋来的强度可达100～200 kg·m^-1·s^-1的西南季风水汽输送对西北地区东部影响较显著。（4）西北地区水汽源主要位于新疆天山山脉、青海中东部、甘肃河西走廊中西段、宁夏和陕西北部等地区,而水汽汇则位于甘肃南部、陕西南部一带。     

基于微波辐射计的宁夏六盘山西侧大气水汽变化特征

采用隆德气象站2 a德制微波辐射计与同期1 h降水量资料,利用统计法分析了六盘山脉西侧大气水汽含量以及云液态水含量的时间分布特征,并分析了92次不同降水性质、不同降水量级的降水个例,得到降水前跃增时间的变化特征。剔除降水背景结果统计表明:(1)六盘山西侧大气水汽含量和云液态水含量有明显的季节变化,其中夏季是大气水汽含量最多的季节,平均为23.44mm,占年均水汽含量的47.7%。(2)大气水汽含量和云液态水含量日变化呈一谷一峰分布,春、夏、秋三季均在午后出现最大峰值,冬季在11:00出现峰值;大气水汽含量低值区春、夏、秋季出现在日出前后,冬季出现在22:00。(3)87.0%的降水个例在降水发生之前大气水汽含量都在12.00 mm以上,且其值随着降水的量级增大而增大。(4)降水前云液态水含量发生明显跃增现象,春、夏季表现强,根据降水性质及降水量级不同,降水前跃增时间也不同。研究结论对把握人影作业时机具有一定的参考价值。     

青藏高原夏季上空水汽含量演变特征及其与降水的关系

利用青藏高原(以下简称高原) 近30 年(1979-2008 年) 14 个探空站的温度和湿度观测资料以及83 个地面台站的月平均降水资料,分析了高原夏季上空水汽含量与地面降水的联系以及高原地区的降水转化率问题。结果表明：1) 高原夏季水汽含量在空间分布上表现出随海拔高度增高而减少的特征,其中东北部为最大值,东南部为次大值,而西北部为最小值。夏季降水整体上由东南向西北递减;2) EOF分解表明,高原夏季水汽含量存在两种主要的空间分布型：即全区一致变化型和南北反向变化型,其中以唐古拉山脉北侧为界呈现出的水汽含量南北反向型与降水的第一特征向量场表现出的南北反向型在空间分布上十分相似;3) 在年际变化上,高原夏季水汽含量的南北反向型与降水的南北反向型之间存在较一致的对应关系：即水汽含量出现南多北少时,高原南部降水普遍偏多而北部降水普遍偏少,反之亦然;4) 高原夏季平均降水转化率在3%~38%之间,其空间差异非常明显,高原南部降水转化率明显大于北部地区。     

祁连山空中云水资源开发利用研究综述

分析了祁连山空中云水资源开发利用的科学重要意义,介绍了空中云水资源开发利用研究的国际现状,系统概括了国家科技攻关计划重大项目"祁连山空中云水资源开发利用研究"在地形云野外科学试验、云水资源监测方法、地形云形成物理模型、云水资源和地面降水的分布特征及影响机制、地形云的微物理特征、祁连山人工增雨概念模型等方面取得的最新研究进展,初步评估了祁连山区人工增雨的效果和效益,讨论了祁连山空中云水资源开发的一些科学问题.     

新疆巴州地区降水量、可降水量及降水转化率计算解析北大核心CSCD

利用1965-2014年巴音郭楞蒙古自治州（简称巴州）地区11个气象站降水量和水汽压月资料,运用整层大气可降水量经验公式,计算巴州不同区域降水量、可降水量和降水转化率,并对其进行分析。结果表明：（1）巴州各区域月降水量、可降水量与降水转化率都呈单峰形态分布。（2）各区域夏季降水量均最大,冬季降水量最小,20世纪60年代降水量普遍偏少,80和90年代为降水量的高值年代,巴州从北到南,从东到西,降水量逐渐减少。（3）可降水量近50 a均呈上升趋势,其中上升最为显著的为焉耆盆地,其次为南部地区,四季可降水量均呈现上升趋势,其中夏季可降水量增加最明显。（4）各区域降水转化率均在夏季达到最大,南部地区最小值出现在秋季,其它三区最小值均出现在冬季,北部山区各季节降水转化率均最大。（5）降水量、可降水量及降水转化率相互间均呈正相关关系,降水量与降水转化率之间相关性最好,相关系数介于0.96~0.99之间。     

阿尔泰山降水氢氧稳定同位素特征及水汽来源分析

阿尔泰山横亘于亚欧大陆中部,是中纬度西风带气候研究的重点区域之一。利用阿尔泰山地区4个站点的监测数据,研究了该区域降水氢氧稳定同位素的年内变化特征及大气降水线方程,分析了降水同位素的温度效应,并利用后向轨迹探讨了水汽来源。结果表明：（1） 阿尔泰山各站点降水同位素比率在季节上表现为夏高冬低,且南侧站点的季节差异比北侧大,除Novosibirsk外大多数站点的降水氘盈余值为夏低冬高。（2） 除Novosibirsk外,研究区大多数站点大气降水线方程的斜率和截距都低于全球平均值。（3） 各站点降水同位素存在明显的温度效应,体现在季节变化和空间分布上。（4） 后向轨迹表明,研究区受到西风水汽、极地水汽和近源水汽路径的影响,且偏北站点可能受极地水汽路径的影响更大。上述认识有助于明确阿尔泰山不同区域降水同位素时空变化反映的水文气候信息,并为该区域大气水循环及气候变化研究提供参考。     

1979-2012年夏季黄土高原空中云水资源时空分布

利用欧洲数值预报中心(ECMWF)发布的新一代全球全分辨率ERA-Interim再分析数据,采用经验正交函数(EOF)、小波分析、回归分析等方法,分析1979-2012年夏季黄土高原空中云水资源分布特征。结果表明:(1)夏季黄土高原空中云水资源远大于该地区实际年降水量,具有较大空中云水资源开发利用潜势;(2)空间上云水资源表现为两种模态--西北部、东南部反位相振荡(EOF1)以及中部云水资源偏多西北、东南两端偏少(EOF2),且具有显著年际变化周期;(3)黄土高原的空中云水资源主要来自东海,当水汽输送反气旋环流中心偏南(北)时,影响EOF1(EOF2)空间模态;(4)云水、云冰量峰值分别出现在700 hPa、400 hPa左右,当700 hPa存在水汽辐合及上升运动时有利于黄土高原空中云水资源开发。     

新疆巴州地区降水量、可降水量及降水转化率计算解析

利用1965-2014年巴音郭楞蒙古自治州(简称巴州)地区11个气象站降水量和水汽压月资料,运用整层大气可降水量经验公式,计算巴州不同区域降水量、可降水量和降水转化率,并对其进行分析。结果表明:(1)巴州各区域月降水量、可降水量与降水转化率都呈单峰形态分布。(2)各区域夏季降水量均最大,冬季降水量最小,20世纪60年代降水量普遍偏少,80和90年代为降水量的高值年代,巴州从北到南,从东到西,降水量逐渐减少。(3)可降水量近50 a均呈上升趋势,其中上升最为显著的为焉耆盆地,其次为南部地区,四季可降水量均呈现上升趋势,其中夏季可降水量增加最明显。(4)各区域降水转化率均在夏季达到最大,南部地区最小值出现在秋季,其它三区最小值均出现在冬季,北部山区各季节降水转化率均最大。(5)降水量、可降水量及降水转化率相互间均呈正相关关系,降水量与降水转化率之间相关性最好,相关系数介于0.96~0.99之间。     

近60 a祁连山极端降水变化研究

利用祁连山24个气象台站1961—2017年逐日降水资料,选用12个极端降水指数,采用线性趋势法、Pearson相关性分析法等,分析了祁连山极端降水指数的时空变化特征,并分析了海拔、大气环流指数对祁连山极端降水指数时空变化的影响机制。结果表明:(1)祁连山、河西内陆河流域、柴达木内陆河流域、黄河流域(外流)连续干旱日数(CDD)呈显著减少趋势,连续湿润日数(CWD)呈增加趋势,空间分布表现出东西差异;其他极端降水指数总体呈增加趋势,空间分布呈现出祁连山中部增加幅度较大,向外围呈环状递减的趋势。(2)降水总量增加的主要原因在于雨日天数显著增加,中雨日数的天数也显著增大,这种降水分配模式将增大极端降水事件发生的概率,进一步证实祁连山降水活动增强,极端降水频度更高,持续时间更短,降水向降雨日数更多、时间更集中的方向发展。极端降水空间分异表现在极端降水强度的降低幅度随海拔的升高而减少,高海拔区降水量和降水日数增加更为明显,CDD的减少主要发生在高海拔区。(3)在所选的11个大气环流异常因子中,祁连山极端降水受北大西洋年代际振荡(AMO)指数影响最大,北极涛动(AO)指数与祁连山极端降水的关系最为复杂,大西洋海平面表面温度指数越大、南海夏季风(SCSSMI)指数、南美夏季风(SAMSMI)指数越低则流域发生多雨、洪涝现象的概率越大,反之发生少雨现象的概率越大。     

气候变暖背景下祁连山区秋季层状云变化特征

利用祁连山区及周边29 个气象观测站近41 年秋季云形状和气温观测资料, 分析了祁连山区秋季层状云出现频率的空间分布与时间变化特征, 探讨了秋季层状云出现频率与气候变暖的关系, 并选用同期NCEP/NCAR全球再分析资料, 对祁连山区秋季层状云的环流特征和水汽输送进行了分析。结果表明:①祁连山区秋季层状云出现频率为8%～26%, 呈西少东多的空间分布。②近41 年来, 祁连山区秋季增温1.2℃, 气温变化的倾向率为0.29℃/10a, 80 年代中期以后发生了增温的突变。③祁连山区秋季层状云的出现频率呈明显的减少趋势, 近41 年来减少约11%, 倾向率为-2.7%/10a, 尤其在20 世纪80 年代中期以后与同期祁连山区显著增温相对应, 层状云出现频率减少更为明显, 层状云出现频率与气温呈明显的反相变化趋势。④在气候变暖的背景下, 祁连山区的层状云出现频率减少, 减少的幅度从西北向东南递增。当祁连山区秋季平均气温在升高1℃ 时, 祁连山区层状云出现频率减少2%～10%, 祁连山西段、中段减少2%～4%, 祁连山东段减少4%～10%。⑤祁连山区秋季层状云偏多与偏少年在欧亚500 hPa 环流场上存在明显的差异, 层状云偏多年, 极涡向亚洲北部伸展, 东亚大槽较偏弱, 乌拉尔山高压脊偏强, 脊前偏北气流引导极地冷空气沿偏西北路径向中国西北地区输送, 中亚地区到高原上不断有低值系统发展东移, 同时南支槽加强, 来自阿拉伯海、南海、东海的暖湿气流向内陆地区的输送明显加强, 与进入高原北部的冷空气交绥, 从而使祁连山区层状云出现频次增多;层状云偏少年, 中亚-中国西北地区暖性高压异常加强, 东亚大槽偏强, 冷空气活动路径偏东, 亚洲大陆至西太平洋冬季风特征明显, 偏北风加强, 不利于东南暖湿气流向西北内陆地区的输送, 冷暖气流在祁连山区交绥次数减少, 从而使祁连山区层状云出现频次减少。⑥印度洋沿孟加拉湾的向北的水汽输送, 副热带西太平洋的偏东气流在南海和中南半岛附近转为向北的水汽输送, 地中海、里海的西风带纬向水汽输送是3支影响祁连山区秋季层状云多寡的水汽输送通道, 进而对祁连山区秋季降水产生影响。     

冰川下垫面对夏季云结构和云水含量的影响——以祁连山区疏勒南山为例

云水含量和云结构参量是天气预报、高山区水循环过程分析的基础。基于2012-2015年夏季CloudSat卫星遥感资料的2B-CLDCLASS、2B-GEOPROF和2B-GEOPROF-LIDAR,结合中国第二次冰川编目数据及气象资料,对祁连山地区疏勒南山冰川区与非冰川区云水含量和云类型特征进行分析。结果表明:(1)云水含量的垂直分布受下垫面和云类型的影响,主要表现为有冰川覆盖的高山上空降水云类型以深对流云为主,无冰川覆盖的高山上空降水云类型以雨层云为主。(2)疏勒南山地区高含水量主要分布在5 km以下的中低层云中,且冰川区气流垂直运动较非冰川区活跃。(3)疏勒南山冰川区云水含量平均值为0.07 g·m^-3,非冰川区云水含量平均值为0.17 g·m^-3,云水的空间变化在一定程度上能够反映降水和水汽的分布状况。     

Satellite-measured water vapor isotopologues across the Tianshan Mountains,central Asia

The satellite-based water vapor stable isotope measurements have been widely used in modern hydrological and atmospheric studies. Their use is important for arid areas where the precipitation events are limited, and below-cloud evaporation is strong. This study presents the spatial and temporal characteristics of water vapor isotopologue across the Tianshan Mountains in arid central Asia using the NASA Aura Tropospheric Emission Spectrometer (TES). The near-surface water vapor stable isotopes are enriched in summer and depleted in winter, consistent with the seasonality of precipitation isotopes. From the surface to 200 hPa, the isotope values in water vapor show a decreasing trend as the atmospheric pressure decreases and elevation rises. The vapor isotope values in the lower atmosphere in the southern basin of the Tianshan Mountains are usually higher than that in the northern basin, and the seasonal difference in vapor isotopes is slightly more significant in the southern basin. In addition, bottom vapor isotopologue in summer shows a depletion trend from west to east, consistent with the rainout effect of the westerly moisture path in central Asia. The isotopic signature provided by the TES is helpful to understand the moisture transport and below-cloud processes influencing stable water isotopes in meteoric water.     

西北地区东部夏季水汽输送特征及其与降水的关系

采用ERA Interim 再分析资料和160 站逐月站点降水资料,运用经验正交函数（EOF）分析、合成分析等方法揭示了西北东部3 个分区的水汽输送的区域气候特征、与降水EOF气候模态相对应的整层水汽输送特征以及降水偏多（少）年的水汽输送异常特征。结果表明：西北地区东部夏季经向水汽输送的大值区处于900 hPa~800 hPa 高度上;纬向水汽输送大值位于700 hPa~500 hPa 高度上。对西北东部降水做EOF 分析,第一模态为全区一致型,与降水相对应的西风影响区主要盛行西风水汽输送,季风边缘区的南部盛行西南风水汽输送;第二模态为东南-西北型,东风、东北风水汽输送流入西北东部地区;第三模态为东北－西南型,西风和西北风水汽输送将水汽带到西风影响区内。     

祁连山东部大气降水分δ17O变化特征及水汽输送

祁连山作为我国西部重要生态安全屏障，是河西走廊内陆河流域核心水源区。通过测定2013年7月~2014年7月收集的降水样品中δ¹⁷O与δ¹⁷O值，分析了祁连山东部乌鞘岭大气降水中δ¹⁷O的特征，在此基础上对水汽来源进行了研究。结果表明：降水稳定同位素¹⁷O存在夏高冬低的变化特征；¹⁷O存在显著的温度效应而不存在降水量效应，¹⁷O与水汽压在干季呈现正相关关系。研究区大气降水的氧同位素降水线方程为：δ′¹⁷O = 0.509δ′¹⁷O -0.16，低于氧同位素全球降水线斜率；过量δ¹⁷O表现出夏低冬高的特点；综合分析氧同位素大气降水方程线和过量δ¹⁷O变化，发现该区域大气降水主要受局地水循环和大陆气团控制。祁连山东部地区主要受到西风和东南季风携带水汽影响，东南季风携带水汽对于祁连山东部的影响主要集中于夏季。研究可提高对祁连山区降水同位素演化的认知，为寒旱区同位素水文学的进一步研究奠定基础。     

中天山山区大气总水汽量和云液水量的遥感研究

使用QFW-1型双通道微波辐射计,于2002年盛夏(7月10日至8月5日)在天山山区乌鲁木齐河流域上风方的小渠子进行了大气积分水汽和云中积分液水量的遥感观测。观测表明;中天山山区盛夏的晴天平均大气水汽含量与目前公认的亚洲大气中的水汽含量相近;晴天的平均大气水汽量具有明显的日变化。对降水云系的液态水含量及其变化遥感监测表明:云系降水具有先兆性;不同类型降水性云的降水临界值不同;云液水由0.5 mm开始上升到降水临界值的降水酝酿期的时间,可以作为天山山区人工增雨实施播云作业的重要参照指标。     

2001-2017年祁连山积雪面积时空变化特征

科学监测祁连山积雪面积及变化特征对该区域气候研究、雪水资源开发利用、环境灾害预报及生态环境保护等具有重要意义。基于2001—2017年MOD10A2积雪产品和气象数据，分析祁连山积雪面积动态变化特征及与气温降水关系。结果显示：（1）2001—2017年祁连山积雪面积年际波动趋势较大，呈减小趋势，多年平均积雪面积约为5x104 km2，占祁连山总面积的25.9%；年内变化成 “M”型，即在一个积雪年中有两个波峰和波谷，波峰出现在11月和1月，波谷出现在7月；季节变化波动趋势较大，夏冬季积雪面积减小趋势大于春季，秋季呈现略微增加趋势。（2）祁连山区积雪面积主要分布在3 000~4 000 m及4 000~5 000 m，积雪覆盖率随着海拔上升呈现逐渐增大的趋势；祁连山区不同坡向积雪覆盖面积差异较大，积雪覆盖率差异较小；积雪频率高值区呈典型的条带状分布，与祁连山地形相一致，呈西北-东南分布，积雪频率高值区的分布西部大于东部。（3）初步分析认为祁连山积雪面积变化对气温要素更敏感。