Characteristics of abrupt changes of snow cover and seasonal freeze-thaw layer in the Tibetan Plateau and their impacts on summer precipitation in China

In this paper, a variation series of snow cover and seasonal freeze-thaw layer from 1965 to 2004 on the Tibetan Plateau has been established by using the observation data from meteorological stations. The sliding T-test, M-K test and B-G algorithm are used to verify abrupt changes of snow cover and seasonal freeze-thaw layer in the Tibetan plateau. The results show that the snow cover has not undergone an abrupt change, but the seasonal freeze-thaw layer obviously witnessed a rapid degradation in 1987, with the frozen soil depth being reduced by about 15 cm. It is also found that when there is less snow in the plateau region, precipitation in South China and Southwest China increases. But when the frozen soil is deep, precipitation in most of China apparently decreases. Both snow cover and seasonal freeze-thaw layer on the plateau can be used to predict the summer precipitation in China. However, if the impacts of snow cover and seasonal freeze-thaw layer are used at the same time, the predictability of summer precipitation can be significantly improved. The significant correlation zone of snow is located in middle reaches of the Yangtze River covering the Hexi Corridor and northeastern Inner Mongolia, and the seasonal freeze-thaw layer exists in Mt. Nanling, northern Shannxi and northwestern part of North China. The significant correlation zone of simultaneous impacts of snow cover and seasonal freeze-thaw layer is larger than that of either snow cover or seasonal freeze-thaw layer. There are three significant correlation zones extending from north to south: the north zone spreads from Mt. Daxinganling to the Hexi Corridor, crossing northern Mt. Taihang and northern Shannxi; the central zone covers middle and lower reaches of the Yangtze River; and the south zone extends from Mt. Wuyi to Yunnan and Guizhou Plateau through Mt. Nanling.     

中国地区水汽输送异常特征及其 与长江流域旱涝的关系

利用中国地区1981-2002 年的常规观测资料和ECMWF 再分析资料, 研究了中国地区水汽输送的异常特征、水汽输送异常与长江流域降水的关系及其环流特征。研究表明: 中国地区水汽输送异常存在一些主要的模态, 其中第一模态最为显著, 其空间分布表现为在长江流域的水汽辐合或辐散, 其变化与长江流域的降水存在很好的关系。当西太平洋副热带高压偏南偏西偏强, 印度季风低压偏弱, 我国北方地区处于中高纬度槽后时, 大量来自孟加拉湾、南海、西太平洋的水汽在长江以南形成强大的西南风水汽, 与我国北方的冷空气在长江流域辐合, 容易导致长江流域降水偏多。当西太平洋副热带高压偏北偏东偏弱, 印度季风低压偏 强, 中高纬为平直西风气流时, 不利于引导低纬海洋水汽进入我国, 长江流域以南没有稳定的西南风水汽输送, 我国北方冷空气偏弱, 不易南下到长江流域, 导致在长江流域没有明显的水汽辐合, 降水容易偏少。     

黄土高原半干旱草地降水前后土壤的温、湿度及热力特征

本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(简称SACOL站）陆面过程综合观测资料,分析了强降水前后榆中黄土高原半干旱草地土壤温、湿特征的差异,讨论了水分状况对土壤热力参数及地表能量分配的影响。结果表明:水分胁迫条件下,黄土高原半干旱草地土壤在10 cm深度存在一个湿层;强降水过程可使土壤湿度受影响范围接近40 cm深度。水分胁迫条件下,感热通量是黄土高原半干旱草地生态系统能量分配过程中净辐射的最大消耗项;无水分胁迫条件下,潜热通量是能量平衡系统中净辐射分量的最大消耗项。降水改变了土壤湿度并使得土壤热传导率发生变化,土壤热传导系数和土壤热容量随土壤湿度增加而增大。     

青藏高原土壤水热分布特征及冻融过程在季节转换中的作用

利用GAME-Tibet期间所取得的高分辩率土壤温度和含水量资料，对青藏高原（主要是藏北高原）土壤水热分布特征及冻融过程在季节转换中的作用进行了分析。指出藏北高原4cm学深处土壤在10月份开始冻结，次年4-5月份开始消融，冻结持续时间长达5-7个月。冻结过程有利于土壤维持其水分，因此，在刚刚开始消融时土壤含水量仍然很高。从而为夏季风爆发前土壤通过蒸发向大气提供水分打下了基础。指出土壤冻融过程可能在高原季节转换中起着重要作用。     

中国土壤湿度的时空变化特征

基于中国155个农业气象观测站1981-2010年逐旬土壤湿度资料,分析了全国和12个气候区域0~50 cm逐层的土壤湿度时空分布规律,采用趋势分析和Cramér-von Mises（CVM）方法探究了土壤湿度的变化趋势及突变性。结果表明：西南、江淮、东北、江南、江汉、黄淮和华南地区各层土壤湿度均高于全国平均值,内蒙古地区最低;随着深度增加,西南地区土壤湿度增加最明显,仅青藏高原地区土壤湿度减小。不同区域0~50 cm各层土壤湿度年变化和季节变化差异明显,并具有阶段性特征,大部地区深层土壤湿度高于浅层;总体上,新疆、华南、华北、青藏高原、东北、黄淮地区1981-2010年土壤湿度减小趋势显著,其中新疆地区减小最为明显。除江淮地区外,各区域土壤湿度均存在较为明显的年际差异,突变时段主要集中在20世纪80年代后期至90年代初期、90年代后期两个时间段。     

中国区域水汽输送异常与长江流域旱涝的关系

The characteristics of water vapor transport (WVT) over China and its relationship with precipitation anomalies in the Yangtze River Basin (YRB) are analyzed by using the upper-air station data in China and ECMWF reanalysis data in summer from 1981 to 2002. The results indicate that the first mode of the vertically integrated WVT is significant whose spatial distribution presents water vapor convergence or divergence in the YRB. When the Western Pacific Subtropical High (WPSH) is strong and shifts southward and westward, the Indian Monsoon Low Pressure (IMLP) is weak, and the northern part of China stands behind the middle and high latitude trough, a large amount of water vapor from the Bay of Bengal (BOB), the South China Sea (SCS) and the western Pacific forms a strong and steady southwest WVT band and meets the strong cold water vapor from northern China in the YRB, thus it is likely to cause flood in the YRB. When WPSH is weak and shifts northward and eastward, IMLP is strong, and there is nearly straight west wind over the middle and high latitude, it is unfavorable for oceanic vapor extending to China and no steady and strong southwest WVT exists in the region south of the YRB. Meanwhile, the cold air from northern China is weak and can hardly be transported to the YRB. This brings on no obvious water vapor convergence, and then less precipitation in the YRB. Foundation: International Technology Cooperation Project of the Ministry of Science and Technology of China, No. 2007DFB20210; Application Technology Research and Development Project of Sichuan Province, No. 2008NG0009; Basic Research Foundation of Institute of Chengdu Plateau, China Meteorological Administration, No.BROP2000802 Author: Jiang Xingwen (1983–), specialized in the study of climate diagnosis.     

西太平洋副热带高压的年代际变化 及其气候影响

西北太平洋副热带高压是影响我国夏季气候的一个非常重要的环流系统，本文主要分析了其年代际尺度的变化。发现在１９７９／１９８０年前后，其强度和范围发生了一次明显的年代际尺度的变化。１９８０年代以来，副高明显偏强，范围向西向南显著扩展。副高的年代际变化也对我国东部地区的气候产生了显著的影响。主要表现在近２０多年来长江中下游地区夏季降水显著增加，华南地区夏季气温显著偏高，以及西太平洋２０°Ｎ以南台风活动相对偏弱而２０°Ｎ以北洋面台风活动相对增强。副高的年代际变化与冬、春季赤道太平洋海表温度及同期热带印度洋海温有密切联系。     

黄土高原春季降水对青藏高原感热异常的响应

利用1961—2000年黄土高原56站的春季降水和NCEP/NCAR再分析资料,采用SVD方法分析了黄土高原春季降水与青藏高原地面感热的关系。结果表明,黄土高原春季降水量与青藏高原地面感热的前两个模态代表了两场间的主要耦合特征,具有高度的时空相关。青藏高原感热对黄土高原降水影响最显著的区域在西部和南部、北部。前期高原感热场的第一、二模态对黄土高原春季干旱的预测具有指示意义。     

沙漠化扩展对区域气候影响的数值模拟研究

利用GCM -SSiB全球大气环流谱模式,设计两组数值模拟试验(即控制试验(CE)和沙漠面积扩大试验(DE)),研究了大陆沙漠化对我国区域气候变化的影响。模拟结果表明:沙区扩展后,大陆年平均地表温度降低,海平面气压上升,纬向风速、季风加强,夏季低空上升运动减弱,冬季下沉运动增强,降雨量显著减少,地表蒸发、感热和潜热通量亦显著减少。我国区域气候随大陆沙漠化扩展趋向冷干、风速加大,沙漠扩展与区域气候恶化存在正反馈。     

青藏高原北部五道梁地表热量平衡方程中各分量特征

利用青藏高原北部五道梁地区实测的太阳辐射及气象资料,计算分析了高原北部地面热量平衡方程中各分量特征,定义了一个无量纲参量土壤热平衡系数k。结果显示:五道梁地区地表净辐射及地面加热场强度表现为夏季大,冬季小,地表净辐射累年平均通量为65.5 W/m2;土壤热通量自1997年来有增大的趋势;土壤热平衡系数有增大的趋势,平均值为1.17;感热及潜热是地面热平衡方程中的大项,其中感热居首位,潜热居其次;暖季感热、潜热以相反的趋势变化,Bowen比β值有下降的趋势。     

Simulated effect of soil freeze-thaw process on surface hydrologic and thermal fluxes in frozen ground region of the Northern Hemisphere

Soil freeze-thaw process is closely related to surface energy budget,hydrological activity,and terrestrial ecosystems.In this study,two numerical experiments(including and excluding soil freeze-thaw process)were designed to examine the effect of soil freeze-thaw process on surface hydrologic and thermal fluxes in frozen ground region in the Northern Hemisphere based on the state-of-the-art Community Earth System Model version 1.0.5.Results show that in response to soil freeze-thaw process,the area averaged soil temperature in the shallow layer(0.0175?0.0451 m)decreases by 0.35℃in the TP(Tibetan Plateau),0.69℃in CES(Central and Eastern Siberia),and 0.6℃in NA(North America)during summer,and increases by 1.93℃in the TP,2.28℃in CES and 1.61℃in NA during winter,respectively.Meanwhile,in response to soil freeze-thaw process,the area averaged soil liquid water content increases in summer and decrease in winter.For surface heat flux components,the ground heat flux is most significantly affected by the freeze-thaw process in both summer and winter,followed by sensible heat flux and latent heat flux in summer.In the TP area,the ground heat flux increases by 2.82 W/m2(28.5%)in summer and decreases by 3.63 W/m2(40%)in winter.Meanwhile,in CES,the ground heat flux increases by 1.89 W/m2(11.3%)in summer and decreases by 1.41 W/m2(18.6%)in winter.The heat fluxes in the Tibetan Plateau are more susceptible to the freeze-thaw process compared with the high-latitude frozen soil regions.Soil freeze-thaw process can induce significant warming in the Tibetan Plateau in winter.Also,this process induces significant cooling in high-latitude regions in summer.The frozen ground can prevent soil liquid water from infiltrating to deep soil layers at the beginning of thawing;however,as the frozen ground thaws continuously,the infiltration of the liquid water increases and the deep soil can store water like a sponge,accompanied by decreasing surface runoff.The influence of the soil freeze-thaw process on surface hydrologic and thermal fluxes varies seasonally and spatially.     

沙区绿化对区域气候影响的数值模拟研究

利用GCM-SSiB全球大气环流谱模式,设计两组数值模拟试验(即控制试验(CE)和绿化面积扩大试验(GE))。研究了大陆绿化对我国区域气候变化的影响。模拟结果表明:沙区绿化后,年平均地表温度升高,海平面气压下降,纬向风速减弱、夏季风增强,冬季风减弱,夏季低空上升运动加强,冬季下沉运动减弱,降雨量显著增加,低层大气比湿、地表蒸发量、感热及潜热通量亦增加。绿化后气候趋向暖湿,极有利于生态环境建设和荒漠化的进一步治理。     

黄土丘陵沟壑区不同深度土壤水分对降雨的响应及其稳定性

通过采用点面结合的方法,分析黄土高原地区降雨影响下不同深度土壤水分的时空变化,从土壤水分复杂的“变异性”中提取相对的“不变性”。结果表明:20 cm以上土壤水分无明显规律,难以表征不同植被类型或空间位置上的土壤水分差异;小于30 mm的降雨基本不会引起40 cm以下土壤水分明显波动;100 cm深处,各采样点的土壤水分能在一个稳定值上保持数月时间,在大于46 mm的强降雨之后出现阶梯式抬升,之后又保持稳定状态;越往土层深处,土壤水分时空稳定性越明显,能较好的表征各植被类型或空间位置上的土壤水分差异。该研究从土壤水分的稳定性角度进行分析,对黄土高原土壤水分的地面采样设计和时空预测具有实际应用价值。     

基于卫星遥感和再分析数据的青藏高原土壤湿度数据评估

土壤水是地表与大气在水热交换方面的关键纽带,是关键水循环要素,更是地表产汇流过程的关键控制因子。青藏高原是地球第三极,也是亚洲水塔,探讨青藏高原土壤水变化对于探讨青藏高原热力学特征变化及其对东亚乃至全球气候变化的影响具有重要意义,而获取高精度长序列大尺度土壤水数据集则是其关键。本文利用青藏高原100个土壤水站点观测数据,从多空间尺度（0.25°×0.25°,0.5°×0.5°,1°×1°）、多时间段（冻结和融化期）等角度,采用多评价指标（R、RMSE、Bias）,对多套遥感反演和同化数据（ECV、ERA-Interim、MERRA、Noah）进行全面评估。结果表明：① 除ERA外,其他数据均能反映青藏高原土壤水变化,且与降水量变化一致。而在那曲地区,遥感反演和同化数据均明显低估实测土壤水含量。从空间分布来看,MERRA和Noah与植被指数最为一致,可很好地反映土壤水空间变化特征;② 青藏高原大部分地区土壤水变化主要受降水影响,其中青藏高原西部边缘与喜马拉雅地区土壤水变化则受冰雪融水和降水的共同影响;③ 除阿里地区外,大部分遥感反演和同化数据在融化期与实测土壤水相关性高于冻结期,其中在那曲地区,遥感反演和同化数据均高估冻结期土壤含水量,却低估融化期土壤含水量。另外,遥感反演和同化数据对中大空间尺度土壤水的估计要好于对小空间尺度土壤水的估计。本研究为青藏高原土壤水研究的数据集选择提供重要理论依据。     

1961- 2005 年中国霾日气候特征及变化分析

利用1961-2005 年中国霾日统计资料, 对中国霾的时空气候分布特征、变化趋势进行了详细分析, 并探讨了霾变化的可能原因及其与太阳总辐射、日照时数变化的关系。结果表明: 近45 年来, 中国年和四季霾日的空间分布特征均呈现东多西少的空间分布态势, 东部地区集中在三个多发区, 分别为长江中下游、华北和华南; 季节变化, 除东北地区、青藏高原、西北西部四季霾日均很少且变化不明显外, 其余大部分地区均呈现为冬季多, 夏季少, 春秋 季居中的特点。近45 年, 全国平均年霾日数呈现明显的增加趋势, 2004 年为最高值。我国东部大部地区主要呈现增加趋势, 尤其霾多发地区, 如长江中下游、珠江流域及河南西部等 地, 霾日增加幅度大, 趋势显著, 人类活动造成的大气污染物增加及天气气候变化是这些地区霾日呈现增加趋势的可能原因, 我国西部地区和东北大部地区则以减少趋势为主。华北、长江中下游地区、华南地区霾日变化趋势与日照时数变化趋势相反, 霾的增加是造成太阳总 辐射减少的主要原因之一。东北地区、西北地区、西南地区、青藏高原霾日变化和日照时数变化均呈现不明显的减少趋势, 但由于这些地区霾日发生少, 其变化不会对日照时数和太阳总辐射变化造成很大的影响。     

土地覆被变化过程中叶面积指数与降水量对地表能量平衡的贡献——基于SiB2的模拟结果

土地覆被变化过程中,叶面积指数（LAI）是地表能量平衡重要的影响因素,且与降水等多种因素存在交互作用。以2003 年中国东北地区农田、森林和草地三种覆被类型和三种LAI月变化过程为研究对象,着重分离出土地覆被变化过程中LAI对地表能量平衡的作用,认清覆被和LAI 变化对地表能量平衡的相对作用。利用SiB2 模型研究不同降水条件下土地覆被和LAI 变化对地表能量平衡的影响。结果表明：① 覆被变化对净辐射的影响最大,年均14.5W·m^-2左右。② LAI 主要改变净辐射对潜热和显热的分配,对农田和草地而言,LAI 增加明显提高（减小）潜热（显热）分配比例;对森林而言,LAI对潜热和显热分配的影响较弱。③ 降水对净辐射的分配起重要作用,降水增加,潜热增加。④ 表层土壤水分受降水和LAI 调控,与潜热有相反的变化趋势。     

改进的热惯量模式及遥感土壤水分

本文提出一个考虑地表显热通量及潜热通量的热惯量模式。模式利用了地面定标的方法并充分利用了热象图的空间分布信息,因而较大幅度地提高了估算土壤水分含量的精度。     

积雪对冻土热状况的影响

研究表明季节性积雪对其下覆冻土的热状况有显著的影响，雪盖的存在不仅阻隔了冻土层的热能散失，从而有提高地温的作用；而且由于积雪本身所具有的低导热性和较大容积热容量等特点，延滞外部气候条件对冻土热状况的影响。反映冻土热状况的一个重要指标－冻土深度的变化与气温，太阳辐射的变化密切相关，因此，地理位置和地形在地一气系统之间的能量交换中，对冻土的状况也重要的影响作用。     

三江平原季节性积水沼泽湿地能量平衡要素研究

2005年6月1日到8月30日,在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站沼泽综合试验场季节性积水沼泽湿地,观测了净辐射和土壤热通量;利用Penman-Monteith公式和地表能量平衡方程式计算了潜热通量和感热通量;同时用SHAW模型对以上4个能量平衡要素进行了模拟研究,并用观测值以及模型效率、标准差和平均方差检验和评价了其模拟效果。结果表明,三江平原季节性积水沼泽湿地净辐射在6月末至7月初较大;潜热通量主要受净辐射的影响,与土壤水分关系不密切;沼泽湿地地表在6月初至8月中旬以吸收能量为主,8月末以后则开始释放能量;感热通量在植物生长季的初期和末期较大,在中期则比较小。SHAW模型能较好的模拟出沼泽湿地的净辐射、潜热通量和土壤热通量;该模型虽对感热通量的模拟结果并不理想,但能较好的模拟其变化趋势。这说明SHAW模型基本适用于对季节性浅积水沼泽湿地（水深小于10cm）能量平衡各要素的模拟。     

1983—2019年黑龙江省春季土壤湿度时空变化特征及影响因素

春季土壤湿度是影响东北粮食产量和品质的重要因素。在气候变暖的背景下,东北春季土壤湿度如何变化,鲜有研究。本文基于1983—2019年黑龙江省22个农业气象站的土壤湿度和气象观测资料,采用方差分析、突变分析及空间分析等方法,分析20世纪80年代以来黑龙江省春季土壤湿度的时空变化特征及其影响因素。结果表明：1983—2019年黑龙江省春季0~30 cm土壤湿度均值为88.22%,0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm土层土壤湿度平均值分别为82.63%、89.66%、92.36%,土壤湿度随深度增加而增加,各层均未出现干旱状态。但各层土壤湿度均出现极显著下降趋势,21世纪最初10年较20世纪80年代各层土壤湿度下降6%~15%,在20世纪80年代末进入偏干期。黑龙江省春季土壤湿度呈现由东到西逐渐减小的趋势,32%左右的观测站点呈现显著下降趋势,主要集中在黑龙江省西部及东部地区。前秋季降水量、积雪期长度和积雪初日是影响各层及各月份土壤湿度最重要的因素,其对土壤湿度的影响能持续到5月份,并能影响到20~30 cm。积雪深度及积雪终日对4月份表层土壤湿度有重要影响。地表温度、日平均气温、日平均风速和降水量也是影响不同时期不同深度土壤湿度的关键因素。