黑河流域气象要素与全球性大气环流特征量的多尺度遥相关分析

黑河流域生态-水文过程集成研究是我国近年来干旱半干旱地区的研究热点,气候变化条件下流域生态-水文过程的响应机制是其中一个重要科学问题。基于1956-2015 年黑河流域气温、湿度、降水观测数据及多个大气环流特征量监测资料,采用小波分析方法研究了流域气象要素与大气环流特征量的周期性及遥相关。结果表明：（1）流域气温与大气环流特征量的遥相关关系最为明显,湿度、降水次之。（2）气温与Niño3.4 SSTA、SOI 的显著遥相关共同周期为12～16 a,与NAO、AO为9～11 a,与WP遥相关周期为5～9 a,与PDO为8～15 a。（3）湿度与NAO遥相关周期为4～5 a,与POL为3～6 a,与WP为9～15 a,与PNA为2～8 a。（4）降水与Niño3.4 SSTA遥相关周期为9～15 a,与NAO为2～4 a,与AO为3～7 a,与POL为11～19 a,与WP为9～14 a。（5）上述各遥相关周期的地域分布、显著时段与时滞特征各有差异。本文研究有助于加深流域气象要素对环流特征量响应机制的认识,为我国干旱半干旱地区内陆河流域严峻的水-生态问题的解决及水资源管理提供依据。     

中国干旱内陆河出山径流对流域气象要素与全球气象指数的响应特征研究

干旱内陆河出山径流及其影响因素分析对于流域水资源评价、流域经济生态安全保障具有重要意义。基于1960-2012年塔里木河流域"三源流"与黑河流域的出山径流、降水、气温资料及4个全球气象指数监测数据,采用小波分析方法研究了各水文气象要素的周期特征,以及流域出山径流对气象要素与气象指数的响应特征。结果表明：（1）各水文气象因子多具有1~2个显著周期,周期多在2~7 a尺度范围内。（2）叶尔羌河、黑河出山径流与流域降水分别在6~17 a、2~16 a周期上关系显著。各出山径流与流域降水、气温的多尺度共振周期性差异,反映了各径流来源构成及其与气象要素年际动态方面的差异。（3）各流域出山径流对气象指数的响应特征不同,这在显著时频域以及径流响应时滞等方面均有表现。此研究可为气候变化条件下干旱内陆河流域生态-水文过程响应及水资源管理提供依据。     

西江流域径流与气象要素多时间尺度关联性研究

使用水文统计和交叉小波方法对西江流域1961~2005年径流变化特征及其与气象要素的多时间尺度的关联性进行分析。结果表明,径流量总体呈现减少的变化趋势,可能是人类活动引起流域内蒸发和入渗增加,使径流对降水的响应减弱造成的,径流丰枯变化基本与降水的波动相一致。气温对径流的显著作用主要集中在1990~2000年3~5 a周期上,径流对气温变化的响应时间为6~12个月;降水与径流在大部分时频域中呈同相相位变化,其相互作用主要集中在1992~2003年3~4 a和1980~2000年11~12 a周期上;大气环流变化对径流的影响主要集中在1965~1975年2~3 a及1993~2000年3~5 a周期上,对径流的影响可能是通过对区域降水影响实现的,径流对前一次环流变异响应时间为6~12个月,对后一次响应时间较快,时间的差异可能是下垫面的改变引起流域产汇流机制变化造成的。     

近47 a来黑河流域的降水时空特征分析及预报评估

 利用1960—2006年黑河流域13个气象站, 地面气温、降水等观测资料,对该流域降水的气候年代际特征及干旱变化的成因进行了初步分析。结果表明,该流域降水量,由于受地形地貌、海拔高度和不同尺度大气环流的影响,流域内降水分配极不均匀,南北差异很大, 呈现为东南多西北少, 但降水日数的年月分布和流域的地理分布与降水量分布基本一致。总体上变化均呈波动性上升状态。同时,对2000年承担黑河流域分水的预报任务中研制的黑河流域降水预报服务系统输出的24~48 h降水量预报过程的准确率进行了TS评分检验。证明该系统对黑河流域的降水具有较强的预报能力,预报产品在气象服务工作中有重要参考价值,同时也为今后的精细化预报业务工作打下了一定的基础。     

黑河流域春季降水空间分异性特征及其与黑河流量的相关分析

利用黑河流域13个气象站建站至2012年3—5月降水量资料和黑河莺落峡水文站流量资料,分析了黑河流域春季降水的基本气候特征;通过EOF、REOF、Morlet小波变换等方法,对黑河流域春季降水的时空特性进行了研究;用Mann-Kendall检验法检验黑河流域春季降水序列是否存在突变现象.结果表明:黑河流域春季降水空间分布极不均匀,其空间分布特征是南部为多雨区、北部为少雨区.黑河流域春季降水在第一空间尺度上为全区一致,在第二空间尺度上可分为2个自然气候区,在第三空间尺度上可分为3个自然气候区.从年代际变化来看,21世纪最初10年是近半个世纪来降水最多的10年,20世纪70年代是降水最少的10年;黑河流域春季降水的年际变率十分显著,降水最多的年份是最少年份的6倍多.1961—2012年间河西走廊春季降水发生了明显的突变:2001年出现了一次趋于增多的突变.最显著的周期是4年的短周期、14年和22年的长周期.黑河流域春季各月降水与黑河流量均呈正相关,尤其是春季各月降水滞后1个月的相关和5月份降水的同期相关性显著;春季气温与黑河流量也均呈正相关,特别是春季各月气温的同期相关和3月气温滞后1个月的相关性显著,说明黑河流量的增加取决于前期降水量的增加和同期气候的明显变暖.     

黄河流域降水格局及影响因素北大核心CSCD

黄河流域位于干旱、半干旱与半湿润过渡地带,是中国重要的经济地带和生态屏障,研究流域降水时空格局及其对多驱动因素的响应具有重要意义。本文分析了近70年降水的时空格局规律、多尺度特征以及降水对不同气象要素与环流因子的响应。结果表明:黄河流域降水量呈下降趋势,降水变率为-0.88 mm/10a,而上游地区呈增加趋势。流域降水存在显著的年周期尺度;年际周期尺度为主导模态,集合经验模态分解(EEMD)的累积方差贡献率为94.85%。偏小波相干性(PWC)分析表明蒸散量为降水多尺度特征的主导气象因素,气象因素主要调制降水的季节性与年周期,环流因子主导降水的年际和年代际周期;不同类型因素的耦合可以增强对降水在所有周期尺度的解释能力。     

河西走廊春末夏初降水异常与大气环流及海温场关系

使用1961-2010年NCEP/NCAR逐月再分析资料、NOAA月平均海表温度资料和河西走廊月降水资料,在分析河西走廊春末夏初降水变化特征的基础上,对春末夏初降水异常的大气环流及其与早春3~4月海温场的关系进行了分析。结果表明:河西走廊春末夏初降水变化主要以全区一致型为主,存在3 a、5 a、10a和13~15 a显著周期变化。春末夏初降水异常多年850hPa距平风场河西走廊盛行东风,散度场为辐合;500hPa欧亚中高纬度高度距平场呈"+-+"分布,类似负欧亚遥相关型(EU);距平风垂直环流为印度洋上升,高原下沉、35~45°N上升的经圈环流;整层水汽通量距平场上,我国西北以东地区的东风气流有利于东部暖湿空气向西北地区输送,河西走廊为水汽辐合区;前期3~4月赤道南印度洋和赤道中东太平洋海温为大范围正异常。降水异常少年上述特征正好相反。通过3~4月海表温度与5~6月500hPa高度场相关分析表明,赤道南印度洋海温正(负)异常时,欧亚中高纬度会出现+-+(-+-)的类似EU遥相关型波列,说明前期赤道南印度洋海温异常对后期中高纬度EU遥相关型有激发或增强作用,进而影响河西走廊春末夏初降水异常。     

阿克苏河径流变化与北大西洋涛动的关系

使用小波、交叉小波多尺度分析、相关和突变检验以及线性趋势等方法研究了阿克苏河天然径流与北大西洋涛动的关系。结论如下：（1）对NAO与阿克苏河径流的年代际变化、周期、相关等分析表明两者关系密切;（2）交叉小波谱表明：阿克苏河径流与NAO在年、冬季和夏季各周期尺度上的20世纪90年代相关性高,相关显著区多集中在90年代;（3）阿克苏河径流与NAO年代趋势强弱变化具有一致性;（4）NAO突变影响阿克苏河径流突变;（5）NAO通过大气环流变化来影响阿克苏河流域温度和降水,进而影响其径流。     

科尔沁沙地1961—2021年主要气象要素的变化特征——以奈曼旗为例北大核心CSCD

为了分析全球气候变化背景下科尔沁沙地主要气象要素的变化特征,基于逐月站点气象数据,采用趋势分析、Mann-Kendall突变分析和小波分析等研究方法,分析了1961—2021年奈曼旗主要气象要素(气温、降水量和蒸发量)的多尺度时间变化特征。结果表明:在全球气候变化下奈曼旗各主要气象要素变化显著,其中气温以0.21℃/10a速率极显著升高,降水以-9.2 mm/10a速率极显著减小,蒸发量以32.50 mm/10a速率不显著增加;从季节变化来看,春季和秋季气温、降水和蒸发量均表现为增加趋势,夏季和冬季温度和蒸发量增加,降水量减少。各气象要素出现突变点的时间不同,其中气温为1971年左右,降水为1978年和1987年,蒸发量为2002、2009、2013年。各气象要素在研究时段内均表现出明显的周期变化,其中气温为3~7、14~23、34~43 a,降水量为3~6、8~11、13~23、43 a,蒸发量为5~7、11~16、27、35 a。     

近55年淮河上中游流域气候要素多时间尺度演变特征及关联性分析

选取1960~2014年淮河上中游流域19个气象站点的月降水量、气温和日照时数等数据,采用气候倾向率、Mann-Kendall、Morlet小波和相关系数法,对流域年和四季降水、气温和日照时数的变化趋势、多时间尺度演变特征以及相关性进行了研究。结果表明：① 降水在年和四季线性变化趋势不显著;气温除夏季不显著外,年和春、秋、冬季变暖趋势显著;日照时数除春季不显著外,年和夏、秋、冬季节变短趋势显著;② 降水、气温、日照时数在年和四季分别表现出多个时间尺度的相对丰枯、冷暖和长短交替特征;第一主周期尺度及其相应的平均变化周期在年和四季有的较接近有的相差较大,第一主要平均周期介于2~10 a之间;③ 气温的复相关系数均小于降水和日照时数;除冬季气温复相关系数较小外,其他季节各要素均较大。降水-日照的偏相关系数绝对值在年和四季均最大。降水-日照时数、降水-气温大部分情况呈反相关系,冬季气温和日照时数在主周期尺度28 a下呈同相变化。     

格尔木河流域近60 a降水、蒸发及温度变化特征分析

以西部内陆柴达木盆地格尔木河流域近60 a气候变化特征为主题,以流域水循环理论为指导,应用趋势分析、Morlet小波函数等技术手段,采用定性判断和定量分析相结合方法,首先,对研究区大气降水、气温、蒸发多年监测资料进行系统分析,包括深入了解研究区水文、水资源开发利用状况,分析其年际、年内变化规律。结果表明：（1）近60 a研究区气候由冷干向暖湿转变,研究区气温呈波动上升趋势。自1955年至今气温累积上升0.37℃,1967年之后区域气温升高速率明显增加。自1968年开始降雨量显著增加,多年平均降雨量为38.27 mm·a^-1,其中7、8月份降水量增加对全年降水量增加的贡献率最大。自1956年开始蒸发量显著下降,由1956年的3 278.2 mm·a^-1下降至2014年的2 211.57 mm·a^-1,平均减速为18.08 mm·a^-1。（2）利用Morlet小波变换对气候变化特征进行了动态周期分析,分析得出研究区内降水、蒸发和温度都存在多时间尺度特征。其中降水存在14~16 a和32~36 a左右周期,蒸发量存在9~12 a和24~27 a时间尺度的周期,而温度存在7~8 a尺度和25~27 a两个时间尺度的周期特征。根据降水周期特征,可以推测出2016-2030年左右年降水量将经历几年降水偏多期,然后呈减少趋势,温度在未来几年内呈增多趋势,而蒸发则呈减少趋势。研究成果为该区水资源合理开发利用提供科学依据。     

近百年北极涛动对中国冬季气候的影响

北极涛动 (AO) 是北半球冬季热带外行星尺度大气环流最重要的一个模态,对北半球及区域气候有重要影响。利用中国近50年和近百年气温和降水资料分析了北极涛动对我国冬季气候的影响。当AO指数偏强时,我国大部分地区冬季气温偏高,同时降水也偏多。AO和西伯利亚高压对我国冬季气候的影响在年际和年代际尺度上有不同的特征, 在年际尺度上西伯利亚高压对我国气温的影响要远强于AO,而AO对我国降水的影响则比西伯利亚高压的影响要显著。这种关系也可以通过比较分析对流层低层和中高层环流形势在AO不同位相时的变化得到进一步验证。这说明AO对我国冬季气温和降水影响的机制是不一样的。在年代际尺度上,AO对气温和降水都有显著的影响。AO和西伯利亚高压一起能解释近百年来我国冬季温度和降水方差的35% 和11%。     

黄河中上游流域夏季异常降水的变化特征及环流分析

 从中国气象局信息中心提供的全国地面台站逐日观测资料中选取黄河中上游流域66 个台站资料,结合NCEP/NCAR再分析资料,运用小波分析等统计方法,对黄河中上游流域夏季降水异常的变化特征、周期分布及影响降水的因子进行分析,研究结果表明：（1）流域旱涝年夏季降水空间分布上差异显著,易涝区位于河套平原,易旱区位于黄土高原东北部;（2）1960-2008年,流域夏季降水量线性趋势变化不明显,但年际间波动较大,多雨年少雨年相间出现,近50 a中降水整体呈现平稳—少雨—多雨—平稳—多雨—少雨的过程;（3）黄河中上游流域降水变化周期复杂多样,总体以2 a周期振荡为主,异常少雨年多表现为9 a周期振荡,异常多雨年多表现为15 a周期振荡,且流域主周期的空间分布可能与地形地貌、海拔高度及流域分布等地理因素有关;（4）丰、枯雨年环流形式差异显著,影响流域降水的环流系统有季风,西太平洋副高,温带气旋及贝加尔湖低压。     

北疆西部近50 a来气候、水文变化趋势及其与北大西洋/北极涛动的关系

 根据北疆西部11个气象站点1957—2007气象资料,主要代表性河流1960—2006年流量数据以及1957—2007年NAO和AO时间序列数据,采用趋势分析,Mann-Kendall检验以及相关分析等方法,研究了北疆西部地区近50 a来气候、水文的变化趋势,分析了气候变化对径流的影响,初步探讨了NAO和AO对区域气候变化的影响。研究结果表明,近50 a来,北疆西部地区增温、增湿显著,但二者变化幅度存在季节差异。受气候变化的影响,奎屯河年径流量表现出显著增加趋势。进一步分析发现,奎屯河、四棵树河年径流量的变化主要受温度因子控制,卡琅古尔河、精河和博尔塔拉河的年径流量则主要受降水因子控制。研究表明,艾比湖水域面积同样受气候变化的影响,尤其是与年降水量增加紧密相关,二者相关系数为0.584。相关分析证实NAO和AO确实对北疆西部地区的气候变化具有显著影响。具体体现在,NAO和AO显著的影响研究区冬季温度和全年的温度变化;NAO对整个区域年降水具有显著影响。温度比降水对NAO和AO的响应更敏感。     

西南地区干旱的变化特征及其与大气环流的关系

选用1962—2017年（10月~次年5月）西南地区（四川、贵州、云南和重庆市）90 个地面气象观测台站的逐日降水和日平均气温实测气象要素资料,运用综合气象干旱指数[WTBX](CI)[WTBZ]统计出西南地区累计干旱日数和频次，并分析两者近56 a来的时空变化特征，再挑选其高、低值年进行大气环流形势讨论，最后制作差值图（均为高值年减低值年）与相关场构造的图进行比较。研究结果表明：累计干旱日数和频次均呈逐渐降低的趋势；两者的年代距平在20世纪60年代~80年代同为正，而在20世纪90年代同为负，其后21世纪初两者距平则相反；累计干旱日数具有5 a和9 a的年际周期变化，12 a的年代际周期，干旱频次具有8 a左右的年际周期和20 a的年代际周期；两者均在四川西部地区和云南中北部为大值中心，云南西部、重庆和贵州中东部为小值中心；高、中和低层的环流形势也缺少水汽和系统抬升等配置关系。     

近47a塔里木盆地近地面水汽含量的趋势和突变研究

利用塔里木盆地38个站1961-2007年水汽压资料,采用5点3阶平滑趋势线、小波分析,Mann-Kendall趋势统计突变检验等方法分析了盆地近地面大气中水汽变化。结果表明:(1)塔里木盆地近47 a来水汽含量有明显的一致增多趋势,平均趋势值是0.023 8;有3个增多的高值和3个低值中心,从盆地东北到西南,呈条块状交替分布。(2)塔里木盆地年和四季水汽含量变化趋势具有年际和年代际差异。最小值和47 a波动性增长开始时期出现在20世纪60年代末和70年代中,最大值出现在90年代,四季中夏季增多趋势最强,秋季次强,春季的最弱。(3)小波分析表明:塔里木盆地47 a中水汽各尺度内的偏多期和偏少期交替分布,年尺度和季尺度都有明显的周期。年水汽的8 a和4 a周期,春季的8~10 a和4~6 a,夏季的4~6 a,8~10 a和16~20 a,秋季的4~6 a,8 a和20 a,冬季的8~10 a周期明显。突变分析表明:盆地年和四季水汽含量都在1986年发生了突变,都通过了α=0.05的显著性水平检验。(4)塔里木盆地水汽与西风环流、青藏高原环流和塔里木盆地年均气温的趋势变化及突变时期相近。盆地水汽与大气环流和气温相关显著,青藏高原环流和盆地水汽相关最高,四季中春季水汽与大气环流和气温相关最低。     

黑河出山径流过程与气象要素多尺度交叉小波分析

运用交叉小波对黑河上游野牛沟气象站1959-2010年和祁连气象站1957-2010年年降水(AP)与年均气温(AAT)、北极涛动指数(AOI)和莺落峡站(1944-2010年)的年均径流量(AAR)进行了多尺度分析。结果表明:AOI存在3~5 a尺度的显著周期,AAT存在3 a尺度的显著周期,AP存在3 a和4~6 a尺度的显著周期,AAR存在3 a、2.5~4 a和5 a比较显著的周期;黑河上游径流的增加主要是受"暖湿"气候影响;AAR与AOI、AAT呈现出3 a的负相关和3~4 a的近似负相关共振周期,AAR与AP存在2~7 a的显著性的共振周期,降水对径流的影响很大,为径流的主要补给来源;受AOI的影响,AAR在1987年发生3 a周期的"丰-枯"转换,受AAT的影响,AAR在1974年和1996年发生3 a周期的"丰-枯"转换,受AP的影响,AAR在1986年发生3 a周期的"丰-枯"转换。降水和气温是影响径流变化的主导因素。     

黑河流域中上游地区降水中氢氧同位素与温度关系研究

根据黑河流域中上游地区所取得的降水水样和降水气象资料,分析了该区域降水中氢氧同位素随温度的变化特征,研究了内陆河黑河流域中上游地区降水中氢氧同位素与温度的关系,揭示了降水中氢氧同位素随温度的变化规律。降水中氢氧同位素与温度有很好的正相关关系,且与降雨前后平均气温之间的相关性优于与降雨前和降雨后气温之间的,温度与δ~(18)O之间的相关性优于与δD的。在黑河流域,局地性降水的增加影响降水中氢氧同位素与温度之间的关系,在山前或山前盆地,因局地性降水增加,所以降水中氢氧同位素与温度的关系与山区相比较差。     

艾比湖流域降水、地表水和地下水稳定同位素特征

选取艾比湖流域降水、地表水和地下水为研究对象,结合流域水文地质资料,利用野外调查、室内试验和统计分析等方法分析了流域不同水体氢氧稳定同位素的时空变化特征。结果表明:(1)艾比湖流域降水δ~2H和δ~(18)O变化范围分别为-148.2‰～-34.5‰和-20.16‰～1.20‰,流域大气降水线斜率为6.69。降水δ~(18)O值与气温呈正相关关系,与降水量在夏季表现出显著的负相关关系。(2)地表水δ~2H和δ~(18)O变化范围为-101.0‰～-17.0‰和-14.54‰～0.29‰,其中8月最大,其次为5月和10月。博尔塔拉河同位素值从上游到下游沿流程逐渐增加,而精河沿流程变化趋势不明显,河水δ~(18)O与气温存在正相关关系。(3)地下水δ~2H和δ~(18)O值的范围分别为-85.0‰～-65.5‰和-12.18‰～-9.05‰,平均值分别为-75.5‰和-11.00‰。博尔塔拉河区地下水同位素值从上游到下游沿流程逐渐增加,精河区沿流程变化趋势不明显。艾比湖流域水体稳定同位素的测定,为阐明流域水文过程提供同位素证据,对变化环境下有效利用水资源,维护流域生态安全具有重要意义。     

我国南方冬季异常低温和异常降水事件分析

统计分析1951 年以来1 月份以及1880 年以来冬季, 我国南方的异常低温与降水事件, 结果表明1 月异常低温(温度距平< -1σ) 有12 次, 降水异常偏多(降水距平> +1") 有10 次, 冷湿组合有3 次(1969、1993、2008); 冬季异常低温有29 次, 降水异常偏多有16 次, 冷湿组合有2 次(1886/87、1904/05)。利用NCEP/NCAR 再分析资料等, 采用合成方法分析异常低温与异常降水事件时大气环流特征, 结果表明有利于南方低温的环流特征是: 西伯利亚高压、东亚大槽及东亚急流异常偏强。有利于降水偏多的环流特征是: 东亚大槽偏弱; 200 hPa 上中东急流异常偏强、东亚急流偏弱; 东亚从对流层低层到中高层都有异常南风。当发生冷湿组合时, 低温主要是受到西伯利亚冷高压异常偏强的影响, 而降水主要受对流层850 hPa 至200 hPa 环流异常的作用。南方冬季水汽主要来自南支槽的西南气流和南海上空的转向 气流, 在降水偏多时有异常西南水汽输送距平。西伯利亚高压、欧亚遥相关型、西太平洋遥相关型、北极涛动4 个环流因子能解释南方1 月和冬季气温方差的47.2%和51.5%; 而中东 急流、东亚经向风、欧亚遥相关型则能共同解释南方1 月和冬季降水方差的49.4%和48.4%。 统计降水异常与ENSO 的对应关系表明, 当发生El Niño 事件时南方冬季降水偏多的概率较 大, 当发生La Niña 事件时, 降水偏少的概率较大, 而温度与ENSO 没有明显的统计相关。