西北干旱区绿洲不同灌溉制度的数值模拟

运用耦合了包含土壤－植被－水文－积雪参数化的陆面过程的非静力平衡中尺度模式MM5,将水平分辨率提高到1km,在“我国西北干旱区绿洲不同水量灌溉对环境影响的数值模拟”一文的基础上,通过数值模拟的方式,运用保持土壤体积含水量稳定的方法确定灌溉制度的方法研究了我国西北干旱区绿洲7月下旬在不同灌溉制度滴灌下土壤、径流与近地层大气的不同变化状况。结果表明：1. 当按50m³/hm²/天的水量进行隔天灌溉,或隔4天灌溉一次,土壤体积含水量不能保持稳定,需要补充灌溉才能保证其稳定,所以这样的灌溉制度不适合于7月下旬的河西绿洲。2. 均匀施灌10天,每天施灌50m³/hm²;施灌5天,隔一天施灌100m³/hm²,以及隔4天施灌一次,每次灌水250m³/hm²这三种灌溉制度中,前者形成的径流最小,土壤湿度变化幅度也最稳定,所以是最优的灌溉制度。但是现实生活中由于设备、人力等一系列客观条件限制,每天平均施灌的灌溉制度难以实现,可以采取相近的灌溉制度,如隔天施灌,尽量缩短两次灌溉间隔时间,每次所需的灌溉量很小,使得滴灌水量最大程度地转化为土壤水,减少地表径流的产生。所以说,为了不造成水资源的浪费,应该在选取合适灌溉水量的基础上,依合理的施灌制度进行灌溉,这样的水其利用率会比较高,达到节水灌溉的功效,从而为干旱区节约有限的水资源。     

水分胁迫对绿洲影响的数值模拟

运用耦合了包含土壤-植被-水文参数化陆面过程的非静力平衡中尺度大气模式MM5,将水平分辨率提高到1km,通过数值模拟的方式,分别从地气间水热交换、对绿洲小气候影响、土壤湿度变化以及径流量的角度,研究了2002年7月下旬我国西北干旱区绿洲环境在不同水量滴灌条件下的变化,从理论上找到了较适宜绿洲小气候维持的滴灌水量。结果表明：1、绿洲下垫面为农田时,从土壤保湿和绿洲小气候维持角度考虑,500m^3／hm^2／10天的滴灌水量对7月下旬黑河流域中游绿洲是一个比较合适的灌溉量。2、500m^3/hm^2／10天的灌溉水量仅为同期大水漫灌定额下限的一半,上限的1／3,间接证明了滴灌是一种高效节水的灌溉方式,可以为干旱区节约大量水资源。     

2001年4月8日强沙尘暴天气的数值模拟研究

利用MM5中尺度气象模式对2001年4月7~9日发生在新疆南部、青海北部、甘肃大部、陕西北部、宁夏和内蒙古的大范围大风、强沙尘暴、寒潮和降雪天气过程进行模拟研究。结果表明:MM5中尺度模式能够模拟出这次天气过程的系统变化,小网格尺度的模拟结果较大网格更能够反映出系统的特征;在地形、地貌相对稳定的情况下,特殊的天气环流形势造成的强而持久的大风和激烈的中尺度垂直对流是这次天气过程的主要原因;从空中槽脊形式的配合、发展趋势,地貌、地形特征,地面大风,降温、降压等特征综合分析,提前24 h就能预示出这次大范围的大风、寒潮和沙尘天气的出现。这次过程的特殊之处是:整个模拟过程中模拟区域内在200 hPa以上有弱的层结不稳定状态出现,对流层中、低层层结稳定;沙尘暴发生区域的主要上升气流出现在上午。     

气候变化下的祁连山地区近40 年多年冻土分布变化模拟

冻土是一种对气候变化极为敏感的土体介质,故气候的变化过程能反映和模拟冻土的分布及变化趋势。基于高程-响应模型,运用高分辨率的高程数据（DEM）、经度数据（Longitude）、纬度数据（Latitude）、年平均气温数据（MAAT）和气温垂直递减率数据（VLRT）对祁连山地区近40 年的多年冻土分布状况进行了数值模拟。分析表明：① 该高程-响应模型模拟的冻土范围和变化趋势与相关研究所引入逻辑回归模型的模拟结果基本一致。② 该模型模拟的1970s、1980s、1990s,2000s 的祁连山地区冻土分布面积分别为9.75×10⁴ km²、9.35×10⁴ km²、8.85×10⁴ km²、7.66×10⁴ km²。在这40 年中,冻土的分布范围呈现出明显减少的趋势。③ 从1970s 到1980s、1980s 到1990s、1990s 到2000s 三个时间段内,冻土分布范围的退缩速率分别为4.1%、5.3%、13.4%,其呈现逐渐增速的趋势,1990s 到2000s 出现了跳跃式增长。本研究可为分析长时间序列祁连山地区的多年冻土变化提供科学参考依据。     

广东省风能资源分布的数值模拟

以风能资源数值模拟评估系统（WERAS）为基础,对其中的MM5模式模拟方案进行改进（即利用格点分析张弛逼近的方法完成3 h间隔的地面观测资料的四维同化处理,以减小原WERAS系统的模拟误差）,对广东省2009-06-01―2010-05-31的逐时风能资源进行高时空分辨率的数值模拟评估。模拟结果表明：广东省风能资源较丰富的地方主要分布在沿海地区和粤北、粤西海拔较高的山区,70 m高度上年平均风速达到6.0 m/s以上,年平均风功率密度达到300 W/m2以上;冬半年的风能资源优于夏半年;风能主要由出现频率相对较低的大风速过程产生。模拟结果所揭示的广东省风能资源时空分布特征与本地的气候特征和地形地表特征相符合,70 m高度风速模拟误差在10%左右,风功率密度模拟误差在30%左右。     

干旱沙漠地区小麦田土壤水分变化的数值模拟

利用SWAP模拟程序模拟沙漠地区小麦土壤水势变化、水分利用的结果,无论是灌淤土,还是流动沙丘沙土,即使是在最低灌溉标准(土壤水分含量保持田间持水量的40%),小麦作物仍不受干旱威胁。由于每次灌溉水量偏大,以及土壤的高渗水特性,流动沙丘风沙土深层渗漏损失率高达60%~90%,而灌淤土也达30%~70%,这种损失随灌溉量增加而增加,这表明在这一地区将灌溉量降到目前的最低标准(6 490 m³·hm^-2)以下是值得考虑的。实验区土壤养分含量较低,且施肥改良土壤水肥保持能力的效果不能立即表现,在目前的施肥标准下,施肥量对土壤水势、以及水分利用率没有显著影响。流动沙丘沙土的灌溉量远高于灌淤土,但根系区土壤水势平均值、最低值均相对较高,特别是最低值是灌淤土的2~3倍。相比两种土壤,除在表土层、根系层土壤水势有明显差异之外,临界层以下土层并无显著差异。     

侧边界融化对北极海冰影响的数值模拟

对NCAR CSIM5 海冰模式中海冰侧边界融化参数化方案进行了详细阐述,并利用CSIM5模式模拟了侧边界融化对北极海冰厚度和海冰面积变化的影响,试验结果表明：（1）侧边界融化热力过程会增大海冰厚度和海冰面积的消融,海冰厚度消融最明显的区域分布在西伯利亚海和格陵兰海,海冰面积消融最明显区域分布海冰边缘地区;（2）侧边界融化过程对夏季海冰厚度影响比冬季更为明显,而对冬季海冰面积的影响要比夏季更为明显;（3）侧边界融化方案能更好地模拟出海冰面积的季节性变化;（4）海水表面温度（SST）是影响海冰侧边界融化过程的重要因子,侧边界融化率的大值区分布在SST零度线附近的狭窄区域。     

黄河源区草地农牧化对气候环境影响的数值模拟

 利用中尺度数值模式MM5,设计了一个控制试验和一个敏感性试验。模拟分析黄河源区草地农牧化对局地气候环境的影响,得到一些初步结论:在全球增暖的大背景下源区草地农牧化引起源区平均气温和地表温度升高,平均日较差增大;源区农牧区降水以增加为主,周围地区以减少为主;源区空气湿度、土壤湿度明显减小;地表径流增加,地下径流减小,增加的降水大部分随地表径流流失;农牧区感热通量增加,潜热通量减小,有效通量增加。源区植被改变对气候环境的影响状况不同于其他地区。     

“8.25”曲靖突发局地大暴雨的中尺度系统特征分析和数值模拟

“8.25”曲靖突发性局地大暴雨,在近30年来8月强降雨中是罕见的。采用Barnes带通滤波方法分离出中尺度天气系统表明,500hPa上的中尺度低压扰动系统和700hPa上的中尺度低涡是产生这次暴雨天气过程的直接的天气系统。在潜在不稳定条件下,由于中尺度系统的扰动,局地水汽强烈辐合,造成了此次强降水。同时中尺度数值模式MM5结果很好地模拟了这次局地暴雨过程的落区、雨强以及发生和发展。强降水发生时有强的上升运动与深厚饱和气柱互耦结构是富源、马龙大暴雨产生的重要动力机制。师宗站上升运动主要出现在对流层中高层,降雨量与上述两站相比要小得多。深对流气柱内云团发展的微物理结构显示,造成富源大暴雨的强对流云不是只含有云水和雨水的暖云云体,在对流层高层有含有雪和冰的混合相云体。马龙暴雨的强对流云团的微物理结构上在对流层中低层与富源云团性质一样,同属暖云云体,但云水合比和雨水混合比均比富源云团小,在对流层高层马龙云团为仅含有雪的单一云体。师宗云团与上述两站均不同,雨水混合比在3者之中最小,产生强降水的主要是对流层高层含有雪和冰的混合相云体。     

环境风场对绿洲冷岛效应影响的数值模拟研究

 利用中尺度数值模式MM5对模拟的金塔绿洲效应偏离进行了敏感性试验研究,发现环境场对造成绿洲冷岛、高湿中心的偏离的作用起着非常重要的作用,而同时绿洲的存在对于冷岛、高湿起决定作用。模拟结果显示风场风速越小,冷岛效应越显著;风速越强,偏离中心程度越大,但增大至一定量值后,冷中心将无法激发,即不再呈现出冷岛作用。     

祁连山西段冰川积雪中大气粉尘沉积特征

基于2012 年夏季野外考察、微粒粒度测试和扫描电镜(SEM-EDX) 微观形貌观测研究, 对位于我国青藏高原东北缘的祁连山西段典型极大陆型冰川区老虎沟12 号冰川、野牛沟十一冰川积雪中大气粉尘沉积进行了分析研究。两冰川区积雪中微粒的平均质量浓度分别是3461 μg/kg、2876 μg/kg, 年均沉积通量分别是207.6 μg/cm²、143.8 μg/cm²。将本研究区与其他区域冰川积雪中粉尘浓度对比研究表明, 冰川受周边粉尘源区影响较大。雪坑微粒浓度剖面和离子相关性分析表明, 祁连山西段冰川积雪中污化层富含亚洲粉尘的富Ca²⁺、Na⁺矿物;微粒体积-粒径分布众数介于3~22 μm, 两冰川区的粒径众数分别为12.6 μm和12 μm, 粒径分布均显示了单结构模式, 同时反映了祁连山冰川区与毗邻的天山地区雪冰中粉尘粒径分布模式的相似性和粒径众数的差异性。通过SEM-EDX对粉尘颗粒的微观结构研究发现, 颗粒绝大多数为形貌不规则的矿物粉尘颗粒, 和很少数量的飞灰颗粒等。同时, 对粉尘来源结合Sr-Nd同位素测定和气团后向轨迹分析进行验证, 认为位于研究区北边的巴丹吉林沙漠是祁连山12号冰川区粉尘最可能的源区。     

天山暴雨数值模拟的试验研究

利用新疆天山地区加密自动气象站资料、常规探空资料和NOAA卫星AMSU辐射亮温资料,应用中尺度模式(WRF-ARW)和(3DVAR)同化系统,对2007年7月16-17日发生在新疆东天山的暴雨天气过程进行了数值模拟试验。结果表明:①通过WRF模式对天山地区“2004-07-18”和“2010-06-22”两次暴雨过程的数值模拟试验, WRF模式在天山地区以Lin微物理过程方案,Grell积云对流参数化方案,MYJ边界层参数化方案,耦合Noah陆面模式的方案组合更优。②同化天山地区加密自动气象站资料、常规探空资料和AMSU-A/B辐射亮温资料,使初始场更接近于当时的实际大气状况,且同化后的模拟预报效果,无论是对降水落区还是对降水强度均较控制试验有明显的改善。③适当提高模式水平分辨率,有助于改进暴雨落区的预报强度。     

祁连山青海云杉林树线温度特征

树线温度对于解释树线位置及树线形成机理、预测树线对于气候变化的响应具有重要意义。通过在祁连山北坡青海云杉林郁闭林内、树线地带、高山灌丛分布带设置土壤温度自动观测仪器,初步分析了青海云杉林树线温度特征。结果表明:(1)树线处青海云杉根际土壤温度(10cm深度)生长季平均值为4.9℃,低于全球树线生长季平均土壤温度(6.7℃)。(2)生长季长度方面,青海云杉树线(104天)与亚北极(Subarctic,103天)、北方林(Boreal,106天)树线相近。(3)高山灌丛分布带在海拔上高于树线地带,但灌丛地带根际土壤生长季节均温(6.4℃),生长季长度(122天)均高于树线地带,显示了树线之上灌丛相对于乔木生活型有更佳的保持根际土壤热量的优势,从而也成为在树线之上灌丛能够很好生长,并且取代乔木的重要因素。     

祁连山东段河流阶地的形成时代与机制探讨

第四纪期间祁连山东段发育了多级洪积台地与河流阶地,它们是研究区域构造活动与气候变化良好的载体。对该区主要河流阶地序列的野外考察,利用ESR、TL、IRSL以及¹⁴C等测年方法,研究表明,第四纪期间石羊河上游的各大支流普遍发育了5-6级阶地,其中南营村附近金塔河五级河流阶地的形成时代大致为1.24MaB.P.(T₅)、0.78MaB.P.(T₄)、0.14MaB.P.(T₃)、0.06MaB.P.(T₂)和0.01MaB.P.(T₁),完全可以与该区沙沟河、黄河兰州段以及长江三峡段的阶地序列相对比。从各级阶地砾石层的堆积时代以及阶地的沉积特征分析,我们认为,即使在构造活动区域,气候变化在河流地貌演化过程之中起着重要的控制作用。     

祁连山北麓地貌信息熵与山体演化阶段分析

利用定量化的手段分析地貌演化的阶段和趋势,是地貌学研究领域的一个重大的理论课题。在地理信息系统软件ArcGIS和ArcView的支持下,利用数字高程模型提取祁连山北麓的河网和流域。利用Strahler积分计算了各个流域的地貌信息熵,按照主夷平面的高度将祁连山北麓的各个流域分为不同的部分,它们具有不同的地貌信息熵值。结果显示,祁连山地区正在进入戴维斯侵蚀旋回的幼年期阶段。     

祁连山自然保护区不同高度带气候差异性分析

为了揭示祁连山不同高度带的气候差异性规律,选择了祁连山自然保护区的森林、草原和荒漠建立气象站,气象站分别位于不同的高度带,进行长期定位监测。气象站分人工和自动两种,人工监测从1985年开始,自动监测从2003年开始。基于22 a气象监测数据,利用平均值法、Excel电子图表等方法对监测数据进行深入分析。结果表明,平均气温有逐年升高趋势,降水有逐年下降趋势;年平均气温和年降水量呈负相关关系,年日照时数和年蒸发量呈正相关关系;荒漠、草原和森林带气温变化曲线一次性方程斜率都为正,分别为0.0182、0.0427和0.01167,3个带的年平均气温都是上升的;地温、日照和蒸发均为荒漠＞草原＞森林。