内蒙古半干旱草原下垫面地表辐射特征

中纬度半干旱草原是全球陆地生态系统的重要类型之一,也是我国北方主要的地表类型,为深入了解我国半干旱草原区陆面对大气的辐射强迫,选取锡林浩特国家气候观象台2010年的辐射观测资料,分析了内蒙古半干旱草原下垫面地表辐射平衡各分量、地表吸收辐射和有效辐射以及地表反照率的日变化和季节变化规律,并与西北典型干旱区作了对比分析。结果表明：半干旱草原区太阳总辐射季节变化特征非常明显,季节平均日积分值由大到小依次为夏季、春季、秋季、冬季,年总量为6 036.64 MJ/m²,与黑河地区绿洲接近,明显小于戈壁和沙漠下垫面的值;半干旱草原地表反射辐射年变化趋势较为复杂,在4～10月由于下垫面植被和土壤类型、湿度等的差异,半干旱草原地表反射辐射月平均值低于黑河地区草地和荒漠的值,但高于农田的值;地表吸收辐射季节变化规律与总辐射保持一致;大气长波辐射年总量为8 155.23 MJ/m²,低于黑河地区草地、荒漠和农田下垫面的值,主要是由于半干旱草原区地理纬度较高,全年平均气温较低造成的;在植被覆盖较好的6～9月,半干旱草原区地表长波辐射月总量为4 532.14 MJ/m²,低于黑河流域的荒漠区,而高于草地和农田的值;半干旱草原区地表有效辐射年总量为2 398.75 MJ/m²,小于黑河地区沙漠和戈壁下垫面而大于绿洲;半干旱草原区地表反照率年均值为0.35,均大于西北干旱区不同下垫面,主要由于半干旱草原区冬春季地表积雪覆盖时间明显长于干旱区,可见,地表积雪对反照率的影响非常大。     

内蒙古半干旱区沙尘天气特征及其与地表特征的关系

利用2002-2010年朱日和气象站观测资料,结合同期归一化植被指数(NDVI),叶面积指数(LAI),植被净初级生产力(NPP)资料,分析了内蒙古半干旱区朱日和地区2002-2010年的沙尘天气特征。结果表明：朱日和地区临界起沙风速为9.4 m·s-1,2002-2010年沙尘天气频率和大于临界起沙风速频率呈波动变化,沙尘天气频率和大于临界起沙风速频率有很好相关性,超过18 m·s-1的强风极易导致沙尘天气的发生;定义标准化的沙尘天气频率（NfDO）为沙尘天气频率与大于临界起沙风速频率之比,当夏季降水量大于100 mm,夏季最大NDVI、最大LAI和最大NPP分别大于0.24、0.3 g·m-2·d-1和0.6 g·m-2·d-1（以碳计算）时,次年春季NfDO较低,沙尘天气不易发生;反之沙尘天气较易发生。对沙尘天气发生机制的分析发现,夏季有效的降水促进了植物生长,夏季降水量、最大NDVI、最大LAI和最大NPP增大,来年春天土壤不容易侵蚀,沙尘天气不易发生。     

中国区域降雪量和降雪频率对沙尘天气的影响作用分析

1970—2000年间气象台站降雪量和沙尘天气统计结果显示,在中国冬春季主要积雪覆盖区域,沙尘天气发生频次相对较低,各类沙尘天气基本发生在积雪覆盖率低、年降雪量少的区域。时间序列分析结果进一步显示,年降雪量和沙尘天气之间存在显著的负相关,降雪量的增多对沙尘天气的年发生次数具有明显的抑制作用。同时,年降雪频率也是影响沙尘天气爆发频次的重要因素之一。对于中国西北干旱少雪的地区,尤其体现在新疆北部地区,年降雪频率的增加能够显著地减少各类沙尘天气的发生次数。     

西安沙尘天气特征及其对空气质量的影响

利用1971-2003年西安市常规气象观测资料、2001-2003年西安市区主要污染物日均浓度资料和2002年3月一次重度污染事件逐时的PM₁₀浓度资料,分析了西安市沙尘天气的时间分布特征及其对主要空气污染物浓度的影响。结果表明:西安市沙尘天气近30多年来总体呈波动式明显减少的趋势,但2001-2002年有所增多,2003年又减少。沙尘天气主要出现在春季,4月最多,占全年天数的22.6%。沙尘天气对西安空气质量影响显著,可使3~4月PM₁₀月浓度平均提高12.1%,在分析的一次强沙尘暴个例中,一小时内PM₁₀浓度最高增加了0.585mg·m^-3,达到0.970mg·m^-3,从而造成严重的空气污染事件。     

塔里木盆地沙尘气溶胶对短波辐射的影响——以塔中为例

利用2006年8—9月塔克拉玛干沙漠腹地塔中气象站的80 m铁塔上,距地1.5 m的KIPP & ZONEN自动辐射仪获取的监测资料,根据沙尘暴资料中PM10的小时浓度变化,参照TSP的变化趋势和塔中地面气象站的能见度和风速,将天气划分为晴空、浮尘和扬沙、沙尘暴三种类型,并分别选取其代表性天气,分析以塔中为代表的沙漠腹地,沙尘气溶胶浓度的变化对短波辐射的影响。结果表明：沙尘气溶胶减弱到达地面的总的太阳辐射,在大气总的透过率上表现为晴空是沙尘暴的2.04倍;直接辐射表现在大气透明系数的变化与沙尘暴、浮尘PM10呈显著负相关,相关系数分别为-0.714,-0.771;沙尘气溶胶改变散射辐射波形,由遁形平顶型改为倒“V”型,增加散射日总量,沙尘暴是晴空的1.68倍,浮尘是晴空的2.12倍。     

2018年春季中国北方大范围沙尘天气对城市空气质量的影响及其天气学分析

利用多源卫星数据、空气质量数据和再分析资料ERA-Interim分析了2018年春季中国北方一次沙尘天气过程中沙尘气溶胶的光学特性及垂直结构、沙尘天气对颗粒物浓度及空气质量的影响及其机制。结果表明：（1）2018年3月27-30日中国北方地区气溶胶光学厚度、吸收性气溶胶光学厚度和气溶胶指数分别大于0.4、0.035和1.0。沙尘气溶胶主要分布在地面至8 km的范围内,且体积退偏比大部分在0.06~0.4,色比0.6~1.2。（2）各城市颗粒物浓度在一定程度上均受到沙尘天气的影响。3月27-28日,PM_2.5和PM₁₀的平均值分别是国家一级标准的4.1倍和4.3倍。29-30日,PM_2.5和PM₁₀的平均值分别是国家一级标准的3.5倍和3.4倍。28日河北张家口PM₁₀/PM_2.5达4 d之最,最大比值为10.9。（3）低层贝加尔湖高压南压对内蒙古西南部及河西走廊地区的起沙有重要影响,河套地区地面气旋和低层切变是造成华北西部起沙的关键因素,鄂海地区高压脊和东北地区地面的低压系统有利于东北地区的起沙。     

河西走廊干旱区春季沙尘气溶胶对辐射的影响初步研究

利用2008年春季中美沙尘暴联合观测实验中张掖站晴朗少云天正午的地表辐射和太阳光度计资料,计算分析了沙尘气溶胶对太阳辐射和大气逆辐射的影响,结果表明：沙尘对太阳总辐射有一定程度的削弱作用,经估算,大气浑浊度每增加0.1,太阳总辐射平均减少约10.45 W·m^-2;当大气浑浊度一定时,沙尘粒子越小,对太阳总辐射的削弱效率就越高;大气浑浊度小于0.3时,大气逆辐射有随大气浑浊度的增加而增加的趋势,大气浑浊度大于0.3时,大气逆辐射随大气浑浊度增加有减小的趋势。     

西北地区沙尘天气的时空特征及影响因素分析

利用1960—2005年西北地区135个台站的沙尘日数、月降水和气温资料,以及500 hPa高度场和太平洋海表温度资料,通过常规统计和诊断方法,分析了沙尘天气的时空特征及其影响因素。结果表明,除北疆北部外,西北地区大部分地方年平均沙尘日数在5 d以上,沙尘日数25 d以上的地方主要在南疆、青海西部、甘肃河西及中部地区以及宁夏、内蒙古中西部和陕北一带,而50 d以上沙尘高频区主要集中在塔克拉玛干沙漠周边地区以及巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和毛乌素沙地一带。沙尘天气在春季发生最频繁,而很少发生在秋季。近46 a年沙尘日数总体上呈显著下降趋势,在沙尘天气高发区的下降趋势更为明显。20世纪70年代中期开始,沙尘天气发生频数由较多期跃变为一个相对较少期。当北太平洋地区位势高度偏低,青藏高原至新疆500 hPa高压脊异常偏强,亚洲大陆中高纬高度场较常年偏高时,西北地区沙尘日数偏少,反之亦然。当春季太平洋海温表现为厄尔尼诺(拉尼娜)典型态时,同期沙尘日数偏少（多）。     

2016—2020年沙尘天气对陕西省空气质量的影响特征

基于2016—2020年陕西省环境空气质量监测数据,分析沙尘天气对陕西省空气质量的影响特征。结果表明：(1)陕西省域沙尘天气过程每年发生9—19次,沙尘影响日每年20—46 d;春季为沙尘天气高发季,5月和3月为高发月;沙尘天气过程发生频数空间分布整体表现为自北向南、自东向西递减。(2)各城市沙尘天气过程持续时间2—120 h,关中城市持续时长总体高于陕北和陕南城市;不同沙尘天气过程PM10峰值浓度变化范围大,最高值出现在榆林(3 219μg·m^-3)。(3)2018年沙尘天气对陕西省PM₁₀年均浓度影响最大,2020年影响最小,年均浓度绝对贡献分别为9.3μg·m^-3和2.9μg·m^-3;各城市沙尘影响日超标占比66.7%—89.7%,污染等级以轻度和中度污染为主,严重和重度污染较少;榆林、延安和商洛的严重污染100%来源于沙尘天气,关中5市的严重污染20.5%—66.7%来源于沙尘天气。     

冬春交替期沙尘过程对黑河流域戈壁地表能量平衡扰动的个例分析

利用张掖国家气候观象台梯度塔温度、湿度和风观测资料,结合近地层辐射、土壤温度、湿度和土壤热通量资料,由地表热量平衡条件和Bowen比概念求得感热和潜热通量,对比分析了冬春交替期背景条件与沙尘天气黑河戈壁地表能量和辐射平衡特征。结果表明,典型晴天和出现扬沙天气前同时段内净辐射的小时平均值非常接近,但沙尘天气发生后,净辐射迅速减小;沙尘天气发生时近地面层空气湿度远小于同时段背景条件下小湿度;典型晴天各层地温存在比较典型的日变化特征,而沙尘天气发生之初,0 cm、5 cm和10 cm处土壤温度快速升高;典型晴天表现出明显的地表辐射平衡的日循环特征,扬沙期间日循环特征被破坏,向下短波辐射减少尤为明显。     

春季晴天与阴天草原辐射和能量平衡特征的一次对比观测

利用2008年3月锡林浩特国家气候观象台通量观测系统获取的资料,对草原初春晴天和阴天地表能量和辐射平衡特征进行了对比。结果显示,初春典型晴天总辐射、反射辐射、向下和向上长波辐射的最大值分别为801 W·m-2、203 W·m-2、197 W·m-2和390 W·m-2;阴天总辐射与反射辐射明显减弱,峰值分别为595 W·m-2、147 W·m-2,向下、向上长波辐射最大值分别为290 W·m-2和182 W·m-2。晴天感热、潜热、土壤热通量和净辐射的日积分值分别是6.58 MJ·m-2·d-1、1.05 MJ·m-2·d-1、-0.25 MJ·m-2·d-1和5.89 MJ·m-2·d-1,阴天感热、潜热、土壤热通量和净辐射的日积分值分别是1.15 MJ·m-2·d-1、0.49 MJ·m-2·d-1、-0.08 MJ·m-2·d-1和1.65 MJ·m-2·d-1。典型晴天地表反照率早晚大,中午最小,最小值为 0.26;而阴天受云的影响,最小值仅为0.22,且日变化不明显。     

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。     

一次沙尘过程对天津气溶胶浓度分布的影响

利用气溶胶质量浓度和数浓度监测资料以及不同高度的常规气象资料,结合后向轨迹模式,分析2011年4月30日至5月1日一次沙尘天气过程对天津城区气溶胶浓度的影响。结果表明：沙尘过程前的轻雾天气下PM1贡献了气溶胶质量浓度的96%和数浓度的99.9%以上;本次沙尘天气存在两个不同的浮尘过程,主要区别体现在细粒子浓度差异上,第一次浮尘过程PM1~2.5、PM2.5~10和PM10~100分别占气溶胶数浓度的6.5%、2.5%和0.1%,第二次浮尘过程占比则依次为11.3%、2.6%和0.01%;两次浮尘过程气溶胶粒子性质有明显差异,第一次浮尘过程中粗粒子浓度占PM10的80%以上,第二次浮尘过程风向转变为偏北风,细粒子浓度增高至40%,气溶胶由单纯的沙尘气溶胶转变为沙尘-污染气溶胶。     

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。     

中国半干旱草原施氮梯度下的土壤激发效应（英文）

为了探究施氮对土壤有机质(SOM)的激发效应,本研究在施氮梯度样地(0、4和16 g N m^–2 yr^–1)上进行了¹³C标记葡萄糖的原位添加实验,并对土壤CO_2排放量和磷脂脂肪酸(PLFA)含量进行了测定。研究发现施氮降低了土壤CO_2排放、土壤PLFA含量以及土壤真菌细菌比。在0 g N m^–2 yr^–1样地上葡萄糖添加导致的正向激发效应最强,同时4 g N m^–2 yr^–1样地释放的葡萄糖来源的碳最多。因此,施氮减少了土壤中SOM转化产生的CO_2,微生物碳的来源由SOM转变为添加的易分解碳。本研究采样早期土壤微生物生物量和群落结构稳定,表明该草原存在"表观激发效应",因此未来研究应着重对微生物功能的多样性进行探讨。     

多伦县沙质草原植被的变化趋势分析

在多伦县1984年草原普查资料的基础上,2001年又在28个样点上进行了较详尽的野外考察,比较了相隔17a的草原植被变化。结果表明:潜在沙漠化土地的面积占有相当大的比例;中度、重度退化的比例从50%又有了扩大的趋势,这说明多伦县沙漠化的潜在隐患十分严重;近年来实施的草原保护起到一定的作用,表现在一些退化的样点有了恢复,最典型的例子就是黑山嘴乡胜利村(沙质栗钙土,冷蒿+寸草苔+杂类草,重度退化)沙质草原中的冷蒿群落在封育保护下已经恢复为以大针茅为建群种的群落;而不合理的利用,继续使一些样点上的群落退化。总的趋势仍是局部好转,总体恶化;挖掘和开垦则具有剧烈性的破坏作用,植被表面形成的"破口"在风蚀、水蚀的作用下,沙漠化的进程将会迅速发展。     

Soil Priming Effect Mediated by Nitrogen Fertilization Gradients in a Semi-arid Grassland,China

The priming effect is well acknowledged in soil systems but the effect of nitrogen (N) fertilization remains elusive. To explore how N modifies the priming effect in soil organic matter (SOM), one in situ experiment with ¹³C labeled glucose addition (0.4 mg C g^-1 soil, 3.4 atom % ¹³C) was conducted on soil plots fertilized with three gradients of urea (0, 4 and 16 g N m^-2 yr^-1). After glucose addition, the soil CO₂ concentration and phospholipid fatty acid (PLFA) were measured on day 3, 7, 21 and 35. The study found that N fertilization decreased soil CO₂, PLFA and the fungi to bacteria ratio. Glucose triggered the strongest positive priming in soil at 0 g N m^-2 yr^-2, meanwhile N fertilization decreased SOM-derived CO₂. Soil at 4 g N m^-2 yr^-2 released the largest amount of glucose-derived carbon (C), likely due to favorable nutrient stoichiometry between C and N. Stable microbial community biomass and composition during early sampling suggests “apparent priming” in this grassland. This study concludes that N fertilization inhibited soil priming in semi-arid grassland, and shifted microbial utilization of C substrate from SOM to added labile C. Diverse microbial functions might be playing a crucial role in soil priming and requires attention in future N fertilization studies.     

内蒙古奈曼流动沙丘下垫面近地面能量收支研究

利用2000年7月18日~8月12日在内蒙古奈曼流动沙丘下垫面取得的大气边界层观测资料,分析了地表能量收支各项的日变化、总体输送系数日变化及其与稳定度的关系;比较了涡旋相关法、波文比-能量平衡法所得到的感热通量。得到奈曼流动沙丘下垫面平均地面阻曳系数Cd为4.69×10-3;感热通量总体输送系数Ch为2.25×10-3。在近中性层结条件下,Cd和Ch分别为4.83×10-3和1.34×10-3。近地面层湍流方差在不稳定层结下均满足Monin-Obukhov相似理论。