青藏高原山体效应的遥感估算及其生态效应分析

山体效应是隆起的山体所产生的热力效应,其结果之一就是相同垂直带界限自外围向内部有升高的趋势。本文结合MOD11C3地表温度产品和地面144个气象台站实测气象数据,估算青藏高原内外相同高度上的温差(也即高原山体效应值)。具体结论如下:(1)最大温差(10.04℃~11.70℃)出现在高原中南部,即雅鲁藏布江以北藏北高原以南。由此为核心向北、向东、向西均逐渐减小;(2)数据点上同高度内外温差与局部基面高度有紧密关系,基面高度每抬升100 m,温差增加约0.051℃,并有加速增大的趋势;(3)山体基面高度与山体效应存在明显的线性关系,其决定系数R2高达0.5306。但山体基面高度最高的区域山体效应并非最大,说明还有其他因子影响山体效应的大小,可能的因子包括大气湿度、纬度、地形开阔程度等,在建立山体效应数字模型时必须加以考虑;(4)高原山体效应对雪线分布高度的抬升作用更甚于其对林线。山体效应估值最大的区域,分布着6 000 m以上极高雪线;最高林线(4 900 m)分布于本研究中山体效应估算值较低的相对多雨区,因为林线的发育还要求一定的降水量。     

1970—2020年秦岭南北夏季昼夜复合高温时空变化及其影响因素

基于1970—2020年逐日最高温和最低温数据,对秦岭南北夏季昼夜复合高温时空变化特征进行分析,探讨不同分区昼夜复合高温变化与海温、大气环流异常的相关关系。结果表明：(1) 1970—2020年,秦岭南北夏季昼夜复合高温显著增加。其中,关中平原昼夜复合高温增速最快（0.93 d/10a）,是秦岭南坡（0.54 d/10a）的1.7倍。(2)空间上,昼夜复合高温天数格局呈现“谷地高、山地低”的分布特征,高值区主要分布于：关中平原、汉中盆地、安康盆地和丹江口水库周边。有35.0%的区域昼夜复合高温呈显著增加趋势,空间分布于：关中平原西段黄土台塬区、嘉陵江流域、秦岭山地西段和大巴山区。(3)在影响因素上,春季青藏高原500hPa气压变化与3个子区夏季昼夜复合高温异常呈显著正相关。即春季青藏高原500hPa气压异常偏强时,秦岭南北夏季昼夜复合高温天气发生风险较高。     

青藏高原和阿尔卑斯山山体效应的对比研究

山体效应不仅对气候产生重大影响,也对区域地理生态格局有深远影响,尤其是它对山地垂直带分布和结构类型等的影响已经为地理学家和地植物学家所认识。目前相关研究主要集中在山体效应定量化方面,缺少不同山地山体效应的对比研究,因此对山体效应的区域差异性了解不足。本文选择欧亚大陆上具有明显山体效应的两个山地青藏高原和阿尔卑斯山为研究对象,利用收集到的气象台站观测数据、林线和DEM数据以及基于MODIS地表温度估算的青藏高原和阿尔卑斯山气温数据等,通过对比分析青藏高原与阿尔卑斯山相同海拔高度上的气温以及林线分布高度等来探讨两个山地的山体效应差异性。分析结果表明青藏高原的山体效应比阿尔卑斯山更为强烈,表现为：① 由于山体效应影响,在相同海拔高度上（4500 m）,青藏高原内部气温远高于阿尔卑斯山的气温,尤其是在最热月高原内部气温比阿尔卑斯山内部气温高10~15℃,在最冷月高原内部气温比阿尔卑斯山内部气温高5~10℃。② 由于山体效应影响,青藏高原内部林线也远高于阿尔卑斯山内部林线,约高2000~3000 m。本研究将为山体效应的影响因素分析奠定基础,同时对于揭示欧亚大陆山地生态系统格局具有一定的科学意义。     

我国高空风速的气候学特征

利用全国119个探空站1980~2006年13个等压面和地面附近的月平均风速资料,分析了不同高度年、季节平均风速的气候学特征。结果表明,全国平均200hPa以下风速随高度增加而增加,200hPa~30hPa之间风速随高度增加而降低,30hPa以上风速随高度增加而再呈增加趋势;春、秋季平均风速随高度变化与年平均相似,但冬、夏季的垂直分布差异明显;700hPa及其以上最大风速出现在1月,最小风速在7月或8月;850hPa和地面最大风速发生在4月;对流层风速年较差从下向上增加,在200hPa附近风速年较差最大。我国地面风速在东、西部地区较大,中部地区较小;500hPa年平均风速分布呈西低东高态势,最大中心出现在辽东半岛东部;200hPa年平均风速在江淮地区出现高值中心;500hPa冬季最大风速区在大陆南部,夏季北移并向西扩展;200hPa各季强风速区基本呈东西走向的带状分布,其中春季在江淮地区,夏季移至西北,秋季位于黄淮地区,冬季位置最南。     

青藏高原自然环境的演化与分异

青藏高原的强烈隆起导致其本身自然环境的巨大变化和自然区域的明显分异。本文阐明上新世以来青藏地区由低海拔亚热带环境向高寒环境的演化以及因全球气候冷暖波动所引起的变化。对山地垂直自然带结构类型的划分和此较研究,揭示了与山体效应密切相关的分布模式。在自然地域分异规律的背景上,探讨了水汽通道、干旱河谷和寒旱核心等高原山地独特的地生态现象。     

中国西北地区大范围极端高温事件的大气环流异常特征

 利用中国西北5省(区)90个台站1961—2005年的逐日气温资料,分析了西北五省(区)发生大范围极端高温事件时的大气环流异常特征。结果表明,当出现大范围极端高温事件时,100 hPa南亚高压强度偏强并北移至西北地区上空,副高脊线偏北,同时500 hPa高度场上有一与温度暖中心相匹配的闭合高压单体控制着西北地区,西北地区上空大气高(中低)层为负(正)温度距平。此外,西北地区上空下沉气流强度明显偏强,下沉运动加强中心在300 hPa高度左右。与此同时,除了新疆西南部,西北其他地区的散度场形势都是大气上层辐合,下层辐散,并且辐合辐散强度都偏强,其中的辐合带主要位于150～300 hPa高度,辐合中心及其加强中心在200 hPa高度左右。     

科罗拉多落基山脉山体效应定量化研究

落基山脉作为北美最大的内陆山地,其山体效应对林线分布具有很大影响,导致林线海拔远高于周围内陆山体及其他海岸山地。然而,以往落基山脉山体效应研究多集中于定性研究,但是山体效应如何量化,如何根据落基山脉的地形气候条件构建区域山体效应的定量化模型,目前鲜有研究。通过分析台站处山体增温及量化落基山脉山体效应的影响因子,并计算最热月均温10℃等温线的海拔高度,来定量化地估算科罗拉多落基山脉山体效应值大小及其对林线分布的影响。结果表明:(1)用山体增温值表示山体效应大小是合理且比较理想的指标。科罗拉多落基山脉增温显著,所有台站的增温均值为2.07℃,增温幅度为0.78~4.29℃。(2)科罗拉多落基山脉山体效应的主要影响因素为山体基面高度和降水大陆度,二者与山体增温构建的线性拟合模型具有较高的解释能力,判定系数高达71.2%。(3)科罗拉多落基山脉不同纬度带山体内外最热月10℃等温线分布高度对比表明,山体内部理想林线高度均高于山体外部的理想林线分布,内外分布差异为400~700 m。定量分析科罗拉多落基山脉的山体效应模型,优化了区域尺度的山体效应模型精度,有助于深入认识山体效应及其对垂直带分布的影响。     

山体效应对台湾常绿阔叶林分布上限的影响

山体效应使山体内部的垂直植被带相对升高,影响山地的立体生态格局.台湾岛中央山脉在3500m以上,山地植被的分布高度不仅受到纬度和季风的影响,也必然受到山体效应的影响.采用台湾生物多样性信息中心发布的数据,利用多元线性回归模型分析纬度、山体效应(以山体基面高度为简单量化指标)以及季风(以冬雨量占全年降水量百分比为简明代表)对台湾常绿阔叶林分布上限的影响.结果表明,纬度、山体效应和季风为自变量的线性回归模型R2为0.562,回归方程显著,具有统计学意义,三个变量的贡献率分别为26.32％、64.12％与9.56％.这表明山体效应对台湾山地垂直带的影响非常显著,远远超过了纬度与季风的作用.同时还发现,冬雨量与垂直带分布高度的相关性以24.13°N为界,南北完全相反.该纬度以南,冬雨量与垂直带分布高度呈现较强的正相关性;而在以北,正相关性显著下降甚至出现了一定的负相关.后者应该与冬雨量过多有密切关系.     

内蒙古中西部春季沙尘暴年代际振荡及环流特征分析

利用内蒙古中西部50个气象观测站1961—2000年春季沙尘暴日数资料,国家气候中心提供的北半球月平均500 hPa高度场网格尺度为10°(经度)×5°(纬度)的网格点资料、北半球500 hPa月平均环流特征量资料、东亚季风资料分析研究冬春季中高纬度大气环流的年代际尺度的演变特征及其对内蒙古中西部沙尘暴的影响,进一步揭示内蒙古中西部春季沙尘暴年代际变化的原因。结果表明：青藏高原位势高度、贝加尔湖地区位势高度、乌拉尔山地区位势高度、东亚冬季风、亚州经向环流、印缅槽、西太平洋副热带高压强度都对内蒙古中西部春季沙尘暴年代际振荡产生不同的影响。为内蒙古中西部春季沙尘暴的短期气候预测提供年代际尺度上的基本环流背景。     

青藏高原地区臭氧总量与温度场关系初探

分析NCEP-NCAR逐月再分析温度场资料和ECMWF逐月再分析臭氧浓度混合比资料,得出了青藏高原不同层次上的臭氧总量与温度变化关系。研究结果显示:(1)青藏高原地区200 hPa臭氧总量春季最大,秋季最小,比北半球臭氧总量变化趋势提前一个月。(2)青藏高原地区200 hPa臭氧总量变化与500 hPa温度变化规律恰好相反,呈现了明显的反相关。(3)5～8月,这一反相关更为明显。具体为5～7月高原西部相关系数高于其他区域,6～8月高原东部相关系数高于其他区域。(4)300 hPa处,AO与BMI小波变换谱能量大致成正相关分布,只有在高频部分略表现为反相关。(5)在对应的13～15年周期频段有一区域通过了0.05显著性检验,年代际变化较为明显。这一特征大约从1982～1994年维持了10多年之久。     

阿尔卑斯山山体效应及其对林线的影响分析

阿尔卑斯山是欧亚大陆上著名的山地,对欧洲的地理生态格局具有重要的影响。山体效应产生的原因在于隆起的高原或山地吸收了更多的太阳辐射。因此,论文以阿尔卑斯山为研究对象,利用收集到的气象台站观测数据、林线、数字高程数据,以及基于半球视域算法计算得到的太阳辐射数据等,分析阿尔卑斯山气温的空间分布格局以及最热月、最冷月、全年的太阳辐射量,同时以太阳辐射作为山体效应的代用因子,采用逐步回归分析方法构建了阿尔卑斯山林线分布模型,探究该山地的山体效应及其对林线的影响。研究结果表明：① 阿尔卑斯山具有明显的山体效应,山体内部的太阳辐射量远高于山体边缘地区,这也是山体内部气温和林线高度都高于山体边缘地区的主要原因。最热月、最冷月和全年总太阳辐射量在山体内部比边缘地区分别高10~20、20~40和200~400 kWh/m²。② 太阳辐射能更好地定量化山体效应,以太阳辐射为山体效应代用因子建立的林线分布模型具有更高的精度。与基于气温、降水构建的林线分布模型(R²= 0.522)相比,该模型具有更高的模拟精度(R² = 0.736),同时太阳辐射对林线分布的贡献率最大(1月、7月太阳辐射的贡献率分别为34.75%、27.82%),超过了气温和降水的贡献率(分别为26.24%和11.17%)。     

基于MODIS的秦巴山地气温估算与山体效应分析

秦巴山地作为横亘在中国南北过渡带的巨大山脉,其山体效应对中国中部植被和气候的非地带性分布产生了重要的影响,山体内外同海拔的温差是表征山体效应大小较为理想的指标。本研究结合MODIS地表温度（LST）数据、STRM-1 DEM数据和秦巴山地的118个气象站点的观测数据,分别采用普通线性回归（OLS）和地理加权回归（GWR）两种分析方法对秦巴山地的气温进行估算,在此基础上将秦巴山地各月气温转换为同海拔（1500 m,秦巴山地平均海拔）气温,对比分析秦巴山地的山体效应。结果表明：① 相比OLS分析,GWR分析方法的精度更高,各月回归模型的R ²均在0.89以上,均方根误差（RMSE）在0.68~0.98 ℃之间。② 利用GWR估算得到的同海拔气温,从东向西随海拔升高呈现了明显的升高的趋势,秦岭西部山地比东段升高约6 ℃和4.5 ℃;大巴山西部山地年均和7月份同海拔的气温较东段升高约8 ℃和5 ℃。③ 从南向北,以汉江为分界,秦岭与大巴山的同海拔的气温均呈现出由山体边缘向内部升高的趋势。④ 秦巴山地西部大起伏高山,秦岭大起伏高中山和大巴山大起伏中山,相比豫西汉中中山谷地,各月均同海拔气温分别升高了约3.85~9.28 ℃、1.49~3.34 ℃和0.43~3.05 ℃,平均温差约为3.50 ℃,说明秦巴山地大起伏中高山的山体效应十分明显。     

1979~2005年青藏高原位势高度场变化趋势的时空特征

利用NCEP/NCAR位势高度再分析资料分析了1979~2005年青藏高原及其邻近地区30hPa、100hPa、300hPa和500hPa位势高度场变化趋势的时空特征。研究表明:(1)1979~2005年青藏高原区域平均位势高度场在对流层中层存在上升趋势,且主要发生在冷半年;随着等压面的升高,高度场上升趋势减弱;到平流层高度场呈显著降低趋势,且主要发生在暖半年。(2)从空间上看,平流层位势高度场年平均变化整体呈显著降低趋势,大致呈纬向分布,南部降低趋势强于北部,特别是高原东南、孟加拉湾北部降低趋势最强;对流层中层位势高度场变化趋势以上升为主,高原东北部上升趋势尤其显著。(3)尽管与高原各层位势高度值本身相比,变化趋势是一个小量,但国内外不同区域及不同空间尺度的研究都发现有类似现象,故对此应给予重视。今后应进一步加强青藏高原位势高度场时空变化趋势的驱动机制、影响及其对全球变暖的区域响应研究。(4)1979年以来NCEP/NCAR位势高度再分析资料用于青藏高原及其邻近地区的气候变化研究是有效的。     

红河州2006年冬春连旱的气候环境诊断分析

采用北半球500 hPa高度场、700 hPa热带流场和海平面气压场资料,对2006年1～3月的大气环流特征进行分析。得到2006年云南出现冬春连旱天气的大气环流特征为西风带强劲,欧亚大陆中高纬地区高度场偏低,中低纬地区高度场偏高,使得冷空气和暖湿气流难以交绥,致使云南缺乏降水条件,长时间持续干旱少雨天气。对红河州的地貌和土壤进行分析,发现海拔高差悬殊,土壤保水性能差,是红河州中北部地区旱情更为严重的重要原因。     

青藏高原中东部水热条件与NDVI的空间分布格局

青藏高原受大气环流和地势格局的共同作用,水热条件及植被空间分布呈现独特的三维地带性特征。但是青藏高原范围广、地势起伏大,水热条件及植被空间分布具有明显区域差异。本文利用青藏高原中东部100个气象站1982²000年的降水、气温资料以及同期NO-AA AVHRR植被指数产品（NDVI）,分析水热条件及植被的空间分布特征。首先,设置经向、纬向海拔渐变样带,考察海拔对水热条件及NDVI空间分布的影响;然后,按500米海拔间隔进行站点分组,分析约束了海拔高差后的经纬位置对水热条件及NDVI空间分布的影响。研究表明:在青藏高原中东部由于海拔高差大,热量条件分布首先受海拔递减规律控制,其次才表现出因太阳辐射差异的纬度地带性;而降水分布则主要受水汽通道位置和方向的影响,北上水汽和东部偏南走向山脉是研究区降水经向特征的主要成因;指示植被状况的年均NDVI,则受水热组合的控制,其分布格局是二者的叠加与综合。     

西北太平洋热带气旋快速增强与环境垂直风切变统计分析

利用1990-2009年美国联合台风警报中心整编的热带气旋（TC）最佳路径资料和NCEP/NCAR再分析等压面流场资料,在分析西北太平洋TC每24 h强度变化统计特征的基础上,确定了西北太平洋TC快速增强的阈值,对比不同阈值条件下,TC快速增强初始时刻的强度,TC快速增强发生的季节变化和空间分布特征,进一步研究环境垂直风切变与TC快速增强的关系。结果表明：在西北太平洋海区,当TC强度24 h变化达到样本累积百分率的88%、90%、93%和96%的概率时,对应的强度变化值分别为25 KT、30 KT、35 KT和40 KT,定义它们为TC快速增强的阈值。该阈值越大,快速增强初始时刻的强度也越强。60%左右的TC快速增强发生在8-10月,TC快速增强的空间分布集中于125°-150°E、10°-25°N的矩形区域内。对流层不同层次的垂直风切变与TC快速增强的关系有差异,TC快速增强阈值为40 KT时对应的对流层中上层（200~500 hPa）、对流层中下层（500~850 hPa）和对流层（200~850 hPa）的垂直风切变值的概率分布显示：当垂直风切变≥12 m/s时,分别只有9.7%、1.5%、11.1%的TC可以快速增强;且其与TC快速增强时强度变化的相关系数分别为-0.15、0、-0.04,以200~500 hPa的最为显著,表明对流层中上层垂直风切变对TC强度增强的抑制作用最明显。在TC快速增强阈值为40 KT的初始时刻,将200~850 hPa垂直风切变划分为东风切变和西风切变的统计表明,57%的TC在东风切变的环境下可以快速增强。     

中国温带昼夜增温的季节性变化及其对植被动态的影响

结合1982-2015年归一化植被指数（NDVI）、植被类型和气象数据,分别利用一元线性回归和二阶偏相关分析方法,揭示了中国温带地区的生长季不同季节昼夜增温的时空格局以及昼夜增温的不对称性对各类型植被活动的影响。结果表明：① 近34年来中国温带大部分地区季节性昼夜气温都存在显著的上升趋势;生长季昼夜增温速率呈现出不对称性,春季、夏季白天气温上升速度略快于夜间,秋季夜间增温快于白天;② 不同季节的昼夜增温对植被活动的影响呈现出明显的分异特征,相对于夜间增温,白天增温对植被活动影响程度更大,影响区域更为广泛;相比夏季和秋季,春季昼夜增温对植被活动的影响范围更广;③ 不同类型植被对昼夜增温速率的不对称性产生了不同的响应,并且在不同季节上的响应程度存在差异。     

影响中尺度对流系统移动的知识发现

空间数据挖掘是近年来迅速发展起来的面向应用的新技术。运用1998年夏季日本静止气象卫星(GMS) 探测反演出的红外辐射亮温资料和国家卫星气象中心高分辨率有限区域分析预报系统产品中的数值格点预报资料 (HLAFS) 对青藏高原上的中尺度对流系统 (MCS) 进行了自动追踪。在此基础上,运用空间关联规则研究了移出高原的MCS与其环境场之间的关系,结果表明, 在400 hPa这一层次,等压面高度、相对湿度、涡度、散度、垂直速度这5 个物理量是影响其移出高原的主要因子;而在500 hPa 层次,移出高原的MCS与等压面高度、相对湿度、温度、垂直速度和K指数关系密切。     

赤道中东太平洋关键区海温对宁夏春季降水的影响

基于宁夏全区范围内24个常规气象站近53 a春季降水量资料和美国气候预测中心1961-2013年Niño1+2和Niño3.4月平均海平面温度指数资料及NCEP/NCAR北半球月平均500hPa高度距平场再分析资料,采用经验正交函数分解(EOF)及滑动相关分析方法,对宁夏逐年春季降水量的空间分布进行分型,并分析了各空间分布型的时间演变特征,进一步研究了赤道中东太平洋关键区(Niño1+2、Niño3.4)海温是如何通过对西太平洋副高及500 hPa中高纬大气环流的影响来影响宁夏的春季降水。结果表明:近53 a来,宁夏春季降水全区一致偏多或偏少分布型的占比超过70%,21世纪后全区降水一致偏少型明显减少;前一年夏秋季节赤道中东太平洋关键区海温与次年宁夏春季降水存在持续5~8个月的显著高相关,其中7~9月相关最显著,且相关程度逐步提高;研究发现,前一年夏秋季节,赤道中东太平洋关键区海温异常,通过海气相互作用,对次年春季北半球500 hPa高度距平场上中高纬度大气环流的配置以及西太平洋副热带高压的位置产生明显的影响,近而影响形成次年春季宁夏降水的水汽来源以及空间分布。因此,这些前期的稳定强信号对宁夏春季降水预测具有明确的指示意义。     

山体基面高度对青藏高原及其周边地区雪线空间分布的影响简

山体效应是地理地带性之外,在大尺度上影响垂直带分布的主要因素,山体基面高度则是山体效应的第一影响因子。青藏高原及其周边地区,雪线呈现出中心高、周围低,与山体基面高度相一致的环状分布模式。为分析山体基面高度对雪线分布的影响,本文共收集青藏高原及周边地区雪线数据142个,采用纬度、经度和基面高度为自变量的三元一次方程拟合研究区雪线分布,计算各自的标准回归系数和相对贡献率,再将基面高度划分成5个子集（0~1000 m、1001~2000 m、2001~3000 m、3001~4000 m和4001~5000 m）,分析基面高度不同的山地对雪线的影响差异。结果表明：① 在青藏高原,纬度、经度和基面高度对雪线高度分布的相对贡献率分别为51.49%、16.31%和32.20%;② 随着基面高度的增高,各子集模型的决定系数虽有逐渐降低的趋势,但仍保持在较高的值域（R²=0.895~0.668）,说明模型的有效性;③ 随基面高度的抬升,纬度和山体基面高度对雪线分布高度的相对贡献率分别表现出降低（92.6%~48.99%,R²=0.855）和增大（3.33%~31.76%,R²=0.582）的趋势,表明基面高度越高,其对雪线分布高度的影响越大。