黄土高原半干旱区陆面温度和能量的气候特征分析

利用黄土高原半干旱区＂定西陆面过程综合观测试验站＂2004年11月至2005年10月的各种陆面物理量综合资料,比较系统地研究了黄土高原半干旱区土壤温度、降水量、地表反照率、地表辐射分量和能量平衡分量的年变化和日变化特征及其影响机制。结果显示,黄土高原陆面过程特征与其他地区有很大不同。土壤温度变化向下传播速度约为2.5~3.5 h/10cm;地表反照率随土壤湿度的增大而减小,两者的相关系数达到了0.5338;而地表反照率随降雪量增大而增大,与降雪量的相关系数为0.6645;长波辐射年最大值出现的时间比总辐射迟1个月左右,年平均日变化中地表和大气对太阳辐射加热大约需要1个小时的响应时间;潜热通量夏季是冬季的5倍多,感热通量有了两个比较明显的峰值,潜热通量、感热通量和土壤热通量的日峰值比净辐射滞后30 min~1 h。     

陆面过程模式TBLSHAW的设计及其在黄土高原地区的模拟研究

为了改善陆面过程模式在半干旱地区的模拟能力,在SHAW(Simultaneous Heat and Water Model)模式和CoLM(Common Land Surface Model)模式参数化方案基础上,结合黄土高原SACOL站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University)得到的部分土壤和近地层的研究结果,利用SHAW模式的动力框架,发展了一个新的陆面过程模式TBLSHAW(Two-Big-Leaf-SHAW)。该模式由一层植被、多层土壤和湍流边界层构成。在植被层主要采取双大叶模型计算能量平衡;土壤层利用水热耦合传输模型计算土壤温度和湿度,并包含了冻融、蒸发及降水渗透等物理过程;湍流边界层采取莫宁—奥布霍夫理论计算湍流通量。最后利用SACOL站获取的观测资料,对TBLSHAW模式进行了模拟检验。结果表明,TBLSHAW模式能够合理地模拟半干旱地区各项陆面过程特征的变化趋势;模拟的土壤温度和土壤湿度与观测值的偏差较小,模式效率和相关系数较高;模拟的净短波辐射及向上长波辐射较好;但是模拟的感热通量、潜热通量与观测值偏差较大,这可能与该地区的能量闭合度较低有关,还有待进一步研究。     

SHAW模式的改进及其在黄土高原半干旱区的模拟研究

陆面过程模拟研究中的一个关键问题是如何准确的计算陆气间能量交换,但现有的陆面过程模式模拟的湍流通量与观测值间仍然存在较大偏差,因此改进湍流通量的参数化方案对于提高陆面过程模式模拟能力有重要意义。本研究通过改进陆面过程模式SHAW中的热力粗糙度方案,以及引入干表层蒸发方案,以期改善湍流通量的模拟能力。在此基础上利用黄土高原半干旱区SACOL站观测资料,进行模式改进前后的单点模拟对比试验,研究其参数化方案改进对陆面过程模拟的影响。结果表明:改进后的SHAW模式能够合理地模拟黄土高原半干旱区陆面特征的变化趋势,模拟值与观测值偏差较小。与原来的SHAW模式模拟结果相比,改进后的SHAW_MOD模式显著提高了湍流通量的模拟能力,并改善了净辐射和深层土壤温度的模拟,但对土壤湿度的改进并不明显,这可能与土壤内部水热传输过程及相关参数化方案有关,还有待做进一步研究。     

黄土高原气溶胶垂直结构的微脉冲激光雷达观测

Knowledge of the vertical distribution of aerosols in the free troposphere is important for estimating their impact on climate. In this study, direct observations of the vertical distribution of aerosols in the free troposphere are made using surface Micro-Pulse Lidar (MPL) measurements. The MPL measurements were made at the Loess Plateau (35.95°N, 104.1°E), which is near the major dust source regions of the Taklimakan and Gobi deserts. The vertical distribution of the MPL backscattering suggested that non-dust aerosols floated from ground level to an altitude of approximately 9 km around the source regions. Early morning hours are characterized by a shallow aerosol layer of a few hundred meters thick. As the day progresses, strong convective eddies transport the aerosols vertically to more than 1500 m. Citation: Huang, J. P., Z. W. Huang, J. R. Bi, et al., 2008: Micro-pulse lidar measurements of aerosol vertical structure over the Loess Plateau, Atmos. Oceanic Sci. Lett., 1, 8-11     

黄土高原半干旱雨养农田空气动力和热力参数分析

利用甘肃省定西干旱气象与生态环境试验基地2003年夏季加强观测期间的资料,计算动量粗燥长度、热量粗糙长度和热量输送附加阻抗,结合卫星反演的差值植被指数Indv和表面温度Ts将其推广到中国西北区东部,可用于计算非均匀地表能量通量。     

黄土高原秋季气候对全球增暖的暖干化区域响应

利用69年(1937—2005年)的实测气候要素资料和各种统计方法,研究了黄土高原秋季气候对全球增暖的暖干化区域响应,结果表明:黄土高原秋季暖干化在四季中最为突出,降水(降水量、降水次数、连续性降水时量等)趋于减少、气温(平均、日最高、最低、季极端最高气温等)升高、蒸发量加大,暖干趋势明显;总低云量趋于减少、日照增多、地温上升等促进暖干发展。黄土高原秋季暖干化区域响应中全区一致性是其最主要的特征,高原中西部响应最敏感;在近70年中降水量演变出现2次明显转折,气温出现2次突变;降水异常与西太平洋副热带高压的夏季(JJA)东西位置、北太平洋海温异常联系紧密;年代际演变中降水量存在20~30年周期,气温周期不<70年;预测未来20年内秋季气候将以暖湿为主。     

黄土高原干旱半干旱地区气溶胶光学厚度遥感分析

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2006年8月-2008年10月太阳光度计(CE-318)观测资料和同期卫星MODIS(Terra和Aqua)产品资料,分析了该站气溶胶光学厚度(AOD)日变化、月变化和Angstrom波长指数(α指数)月变化特征,发现春季AOD日变幅最大,存在双峰现象,秋、冬季较小;9月AOD最小,4月和12月AOD较大;α指数在4月最小,7月最大.采用太阳光度计反演的550 nm AOD与Terra-MODIS和Aqua-MODIS AOD产品相比较,Terra-MODIS与太阳光度计AOD相关系数为0.69,大于Aqua-MODIS的0.62.并从地表反照率假设、气溶胶模型选择和云影响等方面分析了产生对比偏差的原因,进一步分析了黄土高原干旱半干旱地区AOD的分布和季节变化特征.结果表明:气溶胶光学厚度呈西低东高的分布特征;AOD高值中心与大城市有较好对应;黄土高原干旱半干旱地区AOD在春季最大,夏季有所减小,秋季最小,但冬季升高;Aqua-MODIS中深蓝算法对西北荒漠地区亮地表AOD的反演效果较好.     

黄土高原作物气候生产力对气候变化的响应

利用中国黄土高原7省51个气象站1961—2000年主要气象要素观测资料,采用EOF和其他数理统计方法研究了黄土高原气候生产力对气候变化的响应,结果表明:中国黄土高原气候生产力呈递减趋势;年和各季节的平均气温均呈明显的上升趋势,增温速度大于全国同期增温速度;年降水量和作物生长季节降水量均呈下降趋势;黄土高原气候暖干化使作物气候生产力下降。“暖湿型”气候对作物生产最有利,平均增产幅度为5.9%,而“冷湿型”气候对作物生产最不利,平均减产幅度为6.3%。     

黄土高原陆-气相互作用预试验及其晴天地表能量特征分析

详细介绍了在2004年8月24日～9月11日在甘肃平凉进行的陆-气相互作用野外预试验,对观测仪器进行了对比和标定,并利用观测资料,初步分析了黄土高原塬上裸地、塬上和塬下玉米地的地表净辐射各分量、感热、潜热和地热流的特征。由于作物（玉米）的存在,降低了地表反射率,使白天地面向上短波减少,同时向上长波也减少,增大了地表净辐射,地表潜热明显增大,玉米地白天向下的地热流和夜晚向上的地热流都比裸地小。与塬上相比,塬下玉米地的向下短波略小,向上短波明显偏小,向上长波基本一致;净辐射只在中午附近略小,地热流上午偏小,下午偏大,夜晚基本一致;感热和潜热在白天基本一致;塬下玉米地在凌晨明显存在负感热通量。     

黄土高原陆面水分的凝结现象及收支特征试验研究

中国黄土高原是全球独特的地理区域,其陆面水分过程比较特殊。利用黄土高原陆面过程试验研究(LOPEX)的陇中黄土高原定西陆面过程综合观测站的资料,分析了陆面水分凝结现象及其出现频率与局地微气象条件的关系,研究了露水(霜)量及其出现频率的季节分布特征以及受降水和天气阴、晴的影响规律。同时,对比分析了降水、露水、雾水和土壤吸附水对陆面水分的贡献率,讨论了涡动相关法、蒸渗计和蒸发皿观测的陆面蒸发量的差别及其与陆面水分来源的年平衡关系,给出了半干旱区陆面水分平衡的日循环特征。发现露水对风速、大气湿度、近地层温度梯度的依赖很强,一般在风速为1.5 m/s、相对湿度大于80%和逆温强度为0.25℃的情况下露水(霜)量最大;刚降水后的晴天露水量比较大;实际蒸散量与蒸发力的差距十分明显,陆面水分平衡特征表现为一个"呼吸"过程。     

近50年陕西黄土高原云量和气温年际变化

利用陕西黄土高原24个气象站1957年以来的气温、总云量和低云量观测资料,分析了它们的年际及年代际演变趋势及相关关系。结果表明:近50年区域年平均气温波动升高,尤其是1987年以后;北部风沙区气温的年际变化较大,增温幅度由北向南递减;1957年以来区域年平均总云量呈逐渐减少趋势,低云量下降趋势较总云量更为明显,2000年以后总云量有所增加。相关分析表明:陕西黄土高原年平均气温与年均总云量及低云量呈明显的负相关,均通过了0.001显著性水平检验,且低云量的相关更为显著;总云量和低云量与降水量呈显著正相关;不同区域和不同季节总云量和低云量与气温的相关系数有明显差异,但与降水量的相关非常显著。     

黄土高原地区农业生产对气候变化的脆弱性分析

根据IPCC定义和实地考察、文献、问卷调查等结果确定了评价黄土高原地区农业生产对气候变化的脆弱性判别指标体系及其权重分配结果，并对几个代表站点做了脆弱性现状评估，为进一步完成黄土高原地区农业生产对气候变化的脆弱性地区分布和对策研究提供了一定的基础和方法。     

黄土高原农业生产气候脆弱性的初步研究

介绍了农业生产的气候脆弱性概念和评估方案,并据此估算和分析了1990年和1997年黄土高原地区130个县市农业生产的气候脆弱性分布现状;然后利用IPCC推荐的最新GCM模拟结果确定了我国西北地区未来2010～2050年气候变化情景,在现有和设定的社会经济发展情景下分析了黄土高原农业生产的气候脆弱性可能变化,并讨论了有关农业可持续发展对策.     

黄土高原夏季极端降水及其成因分析

利用1961-2016年夏季黄土高原地区64个气象监测站的逐日降水资料及同期NCEP/NCAR再分析数据,分析了近56年黄土高原夏季极端降水的时空变化特征,并对比了极端降水强弱年以及不同年代黄土高原地区夏季大气环流形势的异同.结果表明,黄土高原夏季极端降水占夏季总降水量的54％左右,总体上呈现出东多西少的空间分布特征....     

Experimental Study of the Imbalance of Water Budget over theLoess Plateau of China

The imbalance of land-surface water budget was discovered in past studies, but there have been fewfurther investigations on the relevant causes. To probe into the problem, annual variations of precipitationand land-surface evapotranspiration were analyzed by using the historical observation data from a comprehensiveland-surface observation base of LOPEX (Loess Plateau Experiment). A remarkable imbalance inthe land-surface water budget was found, and the total annual imbalance reached 20.6%. Then, the impactfactors related to additional water budget components and observational methods were studied. The totalannual imbalance could be reduced to 3.8% by using a combination of compensated land-surface water budgetcomponents and the surface evapotranspiration values obtained from the large-scale weighing lysimeterrather than from the eddy correlation method.     

黄土高原植被变化对环境影响的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5非静力平衡模式,模拟了黄土高原2003年6月26~30日的一次降水过程。该试验是通过改变黄土高原局部地区植被覆盖情况,对比分析植被改变区域内各气象要素的变化情况。结果表明:植被改善能使雨量增加,径流量减小,湿度增大,温度日较差减小,使气候变的温和。植被退化却使雨量减少,径流加大,易使水土流失,对水土保持不利。试验较全面地揭示了非均匀地表大气边界层内的温、湿场与陆面相互作用的机理。     

青藏高原感热与黄土高原春季降水异常关系研究

利用1961～2000年黄土高原56站的春季降水、气温资料,用SVD方法分析了其与青藏高原感热场的关系。结果表明,降水量与青藏高原感热场的前两模态代表了两场间的主要耦合特征;上年冬季和秋季青藏高原感热场的异常通过影响大气环流,能够导致次年黄土高原春季降水异常;青藏高原感热对黄土高原西部和南部、北部的部分地区影响较显著,而对陕西北部、山西中部影响不明显。前期高原感热场SVD第一、二模态的变化,可以作为黄土高原春季降水异常的预测信号。     

陇中黄土高原半干旱区总体输送系数的特征

利用在陇中黄土高原半干旱区2003年10月—2005年7月获得的近地层梯度观测资料,采用空气动力学法,计算了动量和感热总体输送系数。结果表明,陇中黄土高原半干旱区动量和感热总体输送系数均存在明显的日变化特征,夏季中午左右分别达到5.6×10-3和6.7×10-3。受下垫面植被的影响,在一年中呈现出双峰型特征,第一峰值出现在春小麦拔节—黄熟期,次高值出现在10月初。动量和感热总体输送系数平均值分别为2.9×10-3和3.1×10-3。当大气处于不稳定状态时,总体输送系数随着风速的增大而减小;相反当大气处于稳定状态时,随着风速的增大而增大。陇中黄土高原半干旱区的总体输送系数高于戈壁、平原草地和海洋下垫面的值,但低于青藏高原草地和城市下垫面的值。     

黄土高原多沙粗沙区生态环境评价

以水土保持作用系数、降蒸差、初级生产力为评价因子,对黄土高原多沙粗沙区的生态环境现状进行了评价,并根据近40年气候变化的规律及国家气候中心GCM模型对未来50年气温、降水的预测结果,对未来该区生态状况进行了预评估。提出,要改变生态环境脆弱、生产水平低下、资源利用和潜力发挥受阻的局面,进行生态环境建设,实行农业结构调整,宜林则林、宜草则草、宜沙则沙,是十分有效的途径。     

气溶胶对青藏高原气候变化影响的数值模拟分析

利用美国大气研究中心(NCAR)提供的2组数值试验结果对比,分析了只考虑温室气体增加(1%CO2试验)和综合考虑大气温室气体与气溶胶持续增加(50yrs试验)条件下,青藏高原地区地表温度、积雪深度及其他气候要素的变化,并在此基础上探讨了大气气溶胶含量变化对高原气候变化的可能影响.分析结果表明:只考虑大气CO2含量每年增加1%的变化时,青藏高原相对邻近地区地表温度显著增加,春、夏、秋及冬季地表温度线性增温率均表现出随着海拔高度升高而增强.例如,在海拔1.5～2 km,3～3.5 km和4.5～5 km范围内对应的冬季增温趋势分别为0.29 ℃/10 a,0.36 ℃/10 a和0.50 ℃/10 a.在温室气体引起的高原增暖过程中地表积雪深度普遍降低,且高海拔地区的积雪减少愈加明显.当综合考虑气溶胶和温室气体含量共同增加时,青藏高原地表增暖相对偏弱,春、夏和秋季增温也随海拔高度上升而加强,但冬季地面增温幅度随海拔上升反而下降,海拔1.5～2 km,3～3.5km和4.5～5 km范围内对应的冬季增温趋势分别为0.02 ℃/10 a,-0.03 ℃/10 a和-0.13 ℃/10 a.对比分析发现,大气气溶胶增加造成青藏高原冬季增温不明显甚至出现变冷趋势,地面积雪也随之增多,这可能歪曲了青藏高原地区气候变暖对海拔高度的依赖性.