我国干旱半干旱区气候变化特征及其对干湿波动的影响

气候干湿状况是表征区域气候特征的重要指标,是在全球气候变暖背景下,水循环与陆面蒸散发作用的综合结果。本文从湿润度指数入手,结合降水与潜在蒸散的时空变化,分析了我国干旱半干旱区气候特点与干湿变化特征及对土壤湿度的影响。分析发现：近50年来,我国干旱与半干旱区均呈变湿趋势。干旱区与半干旱区潜在蒸散与降水月差值在年内出现时间上存在不一致,且干旱区明显大于半干旱区;3～9月为干旱气候区潜在蒸散与降水差值大值期,3～6月半干旱区潜在蒸散明显大于降水,7月起差值明显减小。作用分析表明,在干旱区,降水对湿润度指数的影响更大,而对于半干旱区,降水与潜在蒸散作用相当。长期以来,我国整个干旱与半干旱区大部分土壤湿度在逐渐变干,尤其是农业耕作层的浅层土壤,几乎全区域一致呈现变干趋势,说明我国干旱半干旱区农牧业生产存在较大的潜在干旱风险。     

中国西北干旱、半干旱区春季地气温差的年代际变化特征及其对华北夏季降水年代际变化的影响

利用我国1951~2000年夏季降水观测资料分析了我国夏季降水的年代际变化特征,表明了我国夏季降水在1976年前后发生了一次明显的气候跃变,在1976年之后华北地区和黄河流域夏季降水明显减少,出现了严重持续干旱,而西北地区从20世纪70年代后期开始,降水增多,且西北地区降水振荡位相要超前于华北地区降水振荡位相5~8年。并且,本文从1960~2000年我国西北干旱、半干旱区的地温、气温观测资料分析了我国西北干旱、半干旱地区的地气温差(Ts-Ta)的变化特征,其结果表明了在20世纪70年代后期以前,我国西北干旱、半干旱地区的地气温差大部分年份偏低,低于平均值,而从70年代后期之后到2000年,我国西北干旱、半干旱地区的地气温差偏高。此外,本文还分析了西北干旱区地气温差变化的最大地区新疆西部春季地气温差与我国夏季降水的相关关系,其正相关区分别位于西北地区、东北地区和长江流域,而负相关区分别位于华北地区东部和西南地区,这表明我国西北干旱、半干旱区春季地气温差可能是华北地区夏季降水年代际变化的原因之一。     

中国西北干旱、半干旱区感热的年代际变化特征及其与中国夏季降水的关系

利用1951～2000年我国西北干旱、 半干旱区地温、 气温和表面风场逐日4个时次 (02、 08、 14和20时) 的台站观测资料, 计算并分析了我国西北干旱、 半干旱区春、 夏季感热的年代际变化特征。分析结果表明: 中国西北干旱、 半干旱区春、 夏季感热输送出现相反的年代际变化特征, 春季感热从20世纪70年代中期开始增强, 而夏季感热却减弱了。并且还分析了中国西北干旱、 半干旱区4月感热与中国夏季降水的相关关系, 其结果表明了中国西北干旱、 半干旱区的春季感热输送与中国夏季降水有很好的相关关系, 其中正相关区分别位于东北地区和长江中下游地区, 而负相关区分别位于华北地区和西南地区。作者还利用欧洲中心 (ECMWF) 1958～2000年再分析资料分析水平和垂直环流的年代际变化特征, 在1977～2000年期间, 中国西北地区春季感热增强, 使此地区上升气流增强, 华北地区上空下沉气流增强, 不利于华北地区夏季降水偏多, 并出现持续性干旱, 而长江流域的上升气流增强有利于长江中下游地区夏季降水增多, 出现洪涝。因此, 西北地区春季感热异常可以作为我国夏季降水的一个预报因子。     

亚洲中部干旱半干旱区近100年来的气温变化研究

利用亚洲中部干旱半干旱区1961—2003年共计69个站的气温实测资料,并通过EOF展开的延长插补方法,将研究区的气温序列延长到1901年,进而分析了这一区域近100年来的气温变化。研究表明,该区域气温的一致性变化占主导地位,同时存在东部季风区、中亚、蒙古高原和塔里木干旱区等4个主要温度变化分区,均表现出显著的增暖趋势,其代表站近100年来线性拟合的增温率分别为0.19,0.16,0.23和0.15℃/10a,研究区平均增温率为0.18℃/10a,冬季达0.21℃/10a,远高于北半球、全球和我国的增温率,但与青藏高原增温率相近。除20世纪10年代和50年代外,研究区气温变化主要取决于冬季温度的变化。研究区近100年来的气温变化经历了70年代以前的相对缓慢升温和以后的显著升温过程,且增温率越来越大。亚洲中部干旱半干旱区的气温变化过程与我国东部地区显著不同,没有出现明显的20~40年代暖期,整个升温过程由6次明显的锯齿状的升温-降温变化过程(即20,40,60,80,90年代和本世纪初气温变化过程)构成,升温阶段持续时间较长,幅度较大,而降温阶段时间短,幅度小,但不论升温还是降温过程,其变化幅度均大于我国东部和全球平均。     

中国北方干旱半干旱区降水的多年代际变化特征及其与太平洋年代际振荡的关系

基于最新版本的全球降水气候中心(Global Precipitation Climatology Centre Version 7,GPCC_V7)资料与欧洲中期数值预报中心20世纪再分析资料(ERA-20C)融合的百年尺度逐月降水资料(1901~2012年),运用集合经验模态分解方法(EEMD)、合成分析等方法系统分析了我国北方干旱半干旱区降水多年代际变化特征及与太平洋年代际振荡(PDO)之间的相互关系。结果表明:北方干旱半干旱区大多数区域降水都具有50~60年的平均变化周期,而PDO对大多数地区降水多年代际变化特征具有明显的调制作用;其中新疆北部和内蒙古北部的降水与PDO呈现出显著的正相关,而河套东西部地区的降水则与PDO的变化呈现显著负相关。进一步分析表明,当PDO为暖相位时,径向环流增强使得北冰洋水汽南下,当遇到低空北上的阿拉伯海域暖湿气流时,会造成新疆中南部的降水增多;另一方面,PDO暖相位时赤道西太平洋及印度洋区域通过对流加热的作用激发了太平洋—日本/东亚—太平洋(PJ/EAP)遥相关型的产生,这有利于渤海湾暖湿水汽输送至干旱半干旱区北部区域,增大降水概率;同时,当偏北和偏西气流在河套北部区域相遇时会形成降水中心。当PDO位于冷位相时,结论则反之。     

东亚中纬度干旱/半干旱区降水年际变化及其可能成因

基于NOAA的全球陆地降水资料(PREC/L)1948～2003年56年的月平均降水资料、NCEP/NCAR月平均再分析资料以及英国气象局哈德莱中心的海温(Sea Surface Temperature,SST)资料,并根据多年降水平均图选定了东亚中纬度干旱/半干旱区,对该区域夏季(6～8月)降水进行了经验正交分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)。EOF第一模态呈现出全区一致的变化类型,第二模态则呈现出以100°E为界东西相反的分布类型。通过分析干旱/半干旱区以及以100°E为界的东西两部分降水异常年的环流形势和海温并加以对比,结果表明:在环流场上,对应于东亚中纬度干旱/半干旱区降水偏多年,对流层中下层环流异常在中高纬度呈现为一个东西向波列,乌拉尔山东侧为正的高度异常,贝加尔湖附近乃至以东地区为低压槽所控制;不同的是,对应于100°E以西的干旱/半干旱区夏季降水偏多年,波列有所东移,并且西太平洋副热带高压有显著北抬;而对应于100°E以东干旱/半干旱区夏季降水偏多年,环流形势异常基本与整个干旱/半干旱区降水偏多年一致,只是在里海附近有一高度负异常。在200hPa纬向风场上可以看到,当西亚副热带急流偏南加强时,对应于100°E以西的干旱/半干旱区降水偏多;而当东亚、西亚风急流都有显著北抬且加强时,对应于100°E以东干旱/半干旱区的夏季降水偏多,这可能与急流所激发的次级环流有关。进一步对SST的分析表明,海温与100°E以东或以西干旱/半干旱区降水异常的关系也不一样。当前冬、前春赤道中东太平洋都有正的海温异常,而到夏季转换为负的海温异常,且南太平洋在前冬和前春呈现显著负海温异常时,整个干旱/半干旱区夏季降水偏多;当赤道中东太平洋海温在前冬、前春有正的海温异常并一直减弱,但能维持到夏季,并且北印度洋海温也存在类似的海温异常时,100°E以西的干旱/半干旱区夏季降水偏多;而当前冬中东太平洋海温较暖但其南部海域偏冷,到了前春这些异常维持,并发展到同期为大范围弱的异常冷海温时,有利于100°E以东的干旱/半干旱区夏季降水偏多。比较的结果还揭示出,对应于干旱/半干旱区以及100°E以东干旱/半干旱区的降水异常年,海温异常分布大致是一致的;而对应于100°E以西干旱/半干旱区的降水异常年,海温异常分布及时间演变则有较大差异。     

中国干旱半干旱区洪涝灾害的初步分析

中国干旱半干旱区的洪涝灾害是一个尚未引起人们重视的重大科学问题,这主要是因为干旱半干旱区对洪涝灾害的防范意识比较薄弱。而极端降水事件的次数、强度和持续时间与干旱半干旱区的洪涝灾害有密切联系,直接影响该区域洪涝灾害及其次生地质灾害的次数与严重程度。以干旱半干旱区的极端降水事件为切入点,分析了中国干旱半干旱区的极端降水事件次数和极端降水量的变化特征,旨在为干旱半干旱区的洪涝灾害研究提供科学依据。结果表明,进入21世纪以来,中国110°E以西的干旱半干旱区极端降水事件的日数有所增多,而110°E以东的区域日数都有所减少。干旱半干旱区极端降水量的变化也呈现出西增东减的分布,大部分干旱半干旱区的极端降水量变化占总降水量变化的40%以上,一部分地区能达到50%,甚至100%-200%。从季节变化来看,春季天山以北、新疆南部、甘肃敦煌和内蒙古包头以北地区极端降水量增加较多,夏季110°E以西的干旱半干旱区极端降水量均增大明显,秋季陕西榆林、内蒙古鄂尔多斯、包头和呼和浩特等地极端降水量增大较明显。     

末次间冰期亚洲中部干旱区干湿变化的模拟研究

利用国际古气候模拟对比计划第四阶段的多模式结果,分析了末次间冰期亚洲中部干旱区的干湿变化及机制。多模式集合平均结果表明,末次间冰期亚洲中部干旱区年降水减少0.7%,其中中亚地区的年降水减少2.8%,新疆地区年降水增加1.8%。水汽收支方程表明,末次间冰期中亚地区在雨季(冬春季)的降水变化主要与垂直动力项有关,新疆地区在雨季(夏季)的降水变化主要与垂直动力与热力项有关。此外,基于Penman-Montieth方法计算的亚洲中部干旱区的干旱指数在末次间冰期减小约10.2%,表明末次间冰期亚洲中部干旱区气候明显变干且存在旱区扩张的现象,这主要受到潜在蒸散变化的调控。潜在蒸散的增加进一步受到有效能量增加与地面风速增大的调控。本研究从模拟的角度揭示了末次间冰期亚洲中部干旱区干湿变化的可能特征及机制,在一定程度上有助于理解旱区气候在增暖情景下对轨道参数的响应特征。     

我国干旱半干旱区降水的特征分析

利用聚类分析对全国160站1951～1992年的年降水标准化资料做分析,结果可划分为两大区——干旱半干旱区和非干旱区,在此基础上进行降水区划及降水分布型研究,得出我国干旱半干旱区大致分成9个小区以及它的3种年降水分布型式。     

东亚干旱半干旱区空中水资源研究进展

系统回顾了近年来中外对东亚干旱半干旱区空中水资源方面的主要研究进展,主要包括大气水汽、云的分布特征、空中水资源的降水转化率及其影响因子等。东亚干旱半干旱区西部及东部水汽含量较中部高,背风坡水汽含量较迎风坡高,季风区及山脉地区云水资源高于盆地、沙漠上空。20世纪80年代中期以后,东亚干旱半干旱区对流层底部的水汽显著增多,其中夏季增加最为明显。在全球气候变化背景下,中国西北部分地区云水路径总体呈现上升趋势,同时呈现"东正西负"的东西向变化差异以及"北正南负"的反相位特征。大气环流、地表温度、下垫面地表特征等因子通过影响东亚干旱半干旱区的水汽输送及蒸散,进而改变东亚干旱半干旱区空中水资源,空中水资源的改变通过影响辐射收支、不同高度云量及第2次相变产生的云水含量进而对局地温度和降水产生影响。以往研究中,大部分主要针对东亚干旱半干旱区大气中的水汽含量和云平均状态的分布与变化特征,而与降水相关联的空中水资源的变化特征目前仍不清楚,有待系统深入地研究。      

西北干旱区极端高温时空变化特征分析

利用1961—2010年西北干旱区83个气象观测站的日气温资料,通过线性倾向率、百分位法及Mann-Kendall法得出西北干旱区极端高温的具体变化特征。用百分位法对西北干旱区日气温数据进行处理,确定极端高温指标的阈值,得出极端高温强度和极端高温事件的频率。结论如下:自1989年开始,西北干旱区年极端高温呈显著上升趋势,空间上西部大于东部,局部地区盆地南缘大于北缘;极端高温日数呈明显的上升趋势;四季极端高温均有上升趋势,秋季增长率最高、冬季最低,秋季极端高温日数增长速率最大;季极端高温及高温日数高值区分布在西北干旱区西北和东南部的盆地边缘,干旱区沙漠边缘及戈壁区;西北干旱区年、季极端高温日数均与年平均气温相关性突出。     

近50 a华南干湿状态的时空特征

利用华南地区63个气象站1961-2007年的降水和气温资料,采用月干湿气候指数计算华南各月的干湿状态,其结果可以明显区分华南地区的干湿季.通过趋势分析、EOF(the empirical or-thogonal function,自然正交函数分解)分析、合成分析等方法分析了近50 a华南地区干湿状态时空特征.趋势分析结果表明:华南地区2－3月、5月和7－8月明显变湿,而4月、9－12月显著变干,1月和6月变化趋势不明显,即华南地区的秋季旱情在过去50 a有加重的趋势,而春季旱情有所缓解,夏季洪涝则加重.EOF分析表明,华南地区东、西部干湿状态的时间演变位相相反.背景特征分析表明,华南地区干湿状态主要影响因子可能为海气相互作用过程和陆气相互作用过程.     

中国夏季干湿型热浪天气时空分布及环境舒适度评价

基于中国气象局对热浪天气的定义并参考地理分区和热浪日湿度分级标准,定义连续3 d以上地面最高气温≥35 ℃的天气过程为热浪,选取 1960—2018 年 476 个地面气象站观测数据研究中国夏季干热型和湿热型热浪日数的时空分布特征及其变化趋势。结果表明,中国夏季热浪日数除新疆外呈现东南高、西北低的空间分布格局,江南地区夏季热浪发生日数最多（年均 15 d）。温湿指数和人体舒适度指数评价结果表明江淮地区热浪天气期间环境舒适度最差,热浪天气对人体的不利影响更显著。相对于内陆地区,沿海地区因海风影响午后气温显著降低,有利于缓解热浪天气的影响,因而沿海站点夏季热浪日数比邻近的内陆站点偏少。除黄淮地区外中国大多数站点热浪日数均呈现增加趋势,江苏、浙江沿海、广东、重庆、海南、新疆及广西东部热浪日数增加趋势显著（1 ～5 d·(10 a) -1,α=0.05）;中国东部和东南沿海湿热型热浪增加趋势显著,增幅达 1～5 d·(10 a) -1;浙江、江西北部、甘肃、新疆等地区干热型热浪日数显著增加（α=0.01）。1990 年以来全国夏季热浪天气发生更为频繁;其中 2000—2009 年间干热型热浪日数偏多,而 2010 年之后强湿热型热浪日所占比例增加。     

Precipitation changes in wet and dry seasons over the 20th century simulated by two versions of the FGOALS model

Seasonal precipitation changes over the globe during the 20 th century simulated by two versions of the Flexible Global Ocean–Atmosphere–Land System(FGOALS) model are assessed. The two model versions differ in terms of their AGCM component, but the remaining parts of the system are almost identical. Both models reasonably reproduce the mean-state features of the timings of the wet and dry seasons and related precipitation amounts, with pattern correlation coefficients of 0.65–0.84 with observations. Globally averaged seasonal precipitation changes are analyzed. The results show that wet seasons get wetter and the annual range(precipitation difference between wet and dry seasons) increases during the 20 th century in the two models, with positive trends covering most parts of the globe, which is consistent with observations. However,both models show a moistening dry season, which is opposite to observations. Analysis of the globally averaged moisture budget in the historical climate simulations of the two models shows little change in the horizontal moisture advection in both the wet and dry seasons. The globally averaged seasonal precipitation changes are mainly dominated by the changes in evaporation and vertical moisture advection. Evaporation and vertical moisture advection combine to make wet seasons wetter and enhance the annual range. In the dry season, the opposite change of evaporation and vertical moisture advection leads to an insignificant change in precipitation. Vertical moisture advection is the most important term that determines the changes in precipitation, wherein the thermodynamic component is dominant and the dynamic component tends to offset the effect of the thermodynamic component.     

长江中下游地区冬夏干湿韵律特征分析

通过分析中国160站1952—2013年的月平均降水观测资料,揭示了长江中下游地区冬季和夏季降水间存在显著的韵律现象,即当该地区冬季降水异常偏少(偏多)时,次年夏季降水也趋于异常偏少(偏多),这里称之为干(湿)韵律现象。对干、湿韵律年大气环流背景的分析结果显示,干韵律年和湿韵律年对应的环流形势基本相反:在干(湿)韵律年冬季,东亚地区500 hPa位势高度距平呈现西高东低(东高西低)的分布型,中国南方东部主要受偏北(南)风异常控制,这不利(有利)于低纬度暖湿气流向长江中下游地区输送,导致该地区冬季降水异常偏少(多);在次年夏季,西北太平洋副热带高压异常偏弱(强),不利(有利)于西南暖湿气流向中国东部地区输送,使得长江中下游地区夏季降水也异常偏少(多)。研究进一步指出,长江中下游地区的冬夏干、湿韵律现象与东亚冬夏季风活动的强度密切相关。干、湿韵律现象多在东亚冬夏季风强度变化一致的情况下出现:冬、夏季风一致偏强时多导致干韵律现象,而一致偏弱时易导致湿韵律现象。     

干湿地表的湍流特征及其对深对流影响的大涡模拟

利用大涡模式模拟了对流边界层结构演变以及深对流触发过程.通过改变鲍恩比的敏感性试验研究不同大气初始状况下湿润和干旱下垫面湍流特征及其对深对流触发过程的影响.结果表明:干旱下垫面的混合层干而暖,厚度较大;湿润下垫面相反.由于地表感热通量对热力湍流形成的作用更大,干旱下垫面上湍流混合和夹卷作用更强,使得水汽和相当位温在边界...     

近46年青藏高原干湿气候区动态变化研究

利用青藏高原62个气象站1961～2006年逐日气象资料, 用世界粮农组织 (FAO) 在1998年推荐的、并唯一承认的Penman-Menteith模式计算潜在蒸散量; 比较了降水量、积温降水比、气温降水比、蒸散降水比和降水蒸散比5种湿润度指标在青藏高原的适用性, 用常规统计方法和墨西哥帽小波变换分析青藏高原各气候区干湿状况及其界线的动态变化。结果表明: 5种指标中, 用降水蒸散比得到的青藏高原湿润、半湿润、半干旱、干旱和极端干旱气候区的分区结果比较合理; 近46年来青藏高原大部分地区湿润度和每个气候区的平均湿润度均呈增加趋势, 半干旱和半湿润气候区的界线呈向西北推进趋势, 气候在向暖湿方向发展。     

西北干旱区夏半年深厚的混合层与干旱气候形成

为了更好地理解西北干旱区大气混合层(ML)厚度的变化特征及其对当地干旱气候形成的影响,我们利用张掖和民勤站夏季及相关月的实测探空资料及T-log P图解法,首先计算了该两地逐日ML厚度,然后分析并讨论了它的时空间变化特征、与干湿天气气候的关系,以及夏半年的深厚ML,对加剧当地干旱气候的影响.结果表明:(1)河西中东部ML厚度的年变化及地区差异明显.冬季最浅薄,夏半年深厚(特别是5、6月),4月及10月分别是ML急剧增厚及变薄的过渡期;同时,更靠近西北干旱区中心的河西西部及北部的ML更深厚.(2)夏季干(湿)天气通过加强(减弱)地气间的感热交换和干对流,而明显影响当地的ML厚度.平均而言,以高温日最深厚,千日次之,小雨日再次之,而中强雨日最浅薄.千年夏季的ML厚度平均比湿年的对应值增厚300 m左右.夏季典型千日的ML厚度比雨日厚3000 m,典型干日的ML厚度昼宿变化不大.(3)反过来夏半年深厚的ML也通过增加雨滴蒸发损耗,减少了干旱区的降水,加剧了当地干旱的程度,因此夏半年深厚的ML也是形成干旱气候背景的成因之一.