西北地区东部可利用降水的时空变化特征

 利用西北地区东部91站1961-2009年间的实测气温降水资料,分别计算了该区水分资源各分量降水、蒸发及可利用降水,使用REOF等统计方法,整体分析了该区可利用降水的时空变化特征。结果表明：西北地区东部水分资源匮乏且年际变化大,水分资源各分量时空分布极不均匀;总体上各分量从该区东南部向西北部递减,呈南多北少特征,其中该区东南侧的陕南、陇南、六盘山区及青藏高原东部部分地区年降水量、蒸发量和可利用降水量分别在500、200和200 mm以上,年降水可利用率在30%~50%,可利用降水标准差达80~110 mm,而该区西部的河西走廊和青海西部的年降水量不足50 mm、年可利用降水量不到10 mm,年降水可利用率不足10%,可利用降水标准差在20 mm以下;各分量夏季最大,冬季最小,5~9月是该区主要降水和可利用降水的集中期;降水在水资源各分量中起决定性作用,因此降水的小幅变化导致可利用降水的大幅变化是降水稀少的西北地区东部可利用降水资源匮乏的主要原因,但气温变化造成的影响也不可忽视;西北地区东部5~9月可利用降水异常分布的局域特征明显,常出现陇南、河东、高原、河西走廊等4种异常分布特征。近50 a来,区内可利用降水总体呈东部减少(六盘山区及陇南区尤甚),西部增加的变化格局。     

新疆大气可降水量的气候特征及其变化

利用1961—2000年NCEP/NCAR再分析逐日资料,分析了新疆地区不同季节大气可降水量（APW）的气候分布特征和变化趋势。结果表明:新疆夏季APW小于季风区界限25 mm,从该角度表明新疆为非季风区。APW空间分布呈塔里木盆地和准格尔盆地为高值区,海拔高的阿勒泰山、天山和昆仑山为低值区。APW夏季最大,但小于同纬度东部季风区,春、秋次之,冬季最少,春、秋和冬季APW与同纬度东部季风接近。APW的地理分布与实际降水量分布相反,其最大（最小）区域却为降水量最小（最大）区,受西风带影响,新疆APW模态主要表现全疆一致变化,分布稳定,与降水模态分布差异性大有显著不同,且近40 a来无显著变化趋势,表明决定新疆降水差异的根本原因不在于水汽的多少,而是由降水产生的动力条件、水汽辐合和其他因素差异决定的。     

中国西北地区东部短时强降水时空特征

基于中国西北地区东部136个气象站2001-2011年每6 h地面降水常规观测资料、1 674个自动站2009-2011年逐时降水资料,运用气候统计、线性趋势、归一化、分区域统计以及降水集中度（PCD）和集中期（PCP）分析等方法,研究了西北地区东部短时强降水的时空分布和气候特征。结果表明：该地区短时强降水日数年际变化不大,但区域性的短时强降水过程呈明显增加趋势;短时强降水主要发生在7月上旬至8月下旬,且具有明显的日变化特征;短时强降水总频次的空间分布与地势分布比较一致,高频高值区多位于夏半年环流盛行西南气流的迎风坡附近;在空间上PCD由东南向西北越来越集中,PCP自东向西逐步推迟。     

2007～2010年云南GPS观测大气可降水量特征分析

利用最新云南地基GPS站观测和探空观测资料分析表明:GPS/PWV和探空大气可降水量变化趋势一致,相关性好;云南省GPS/PWV年内干湿季气候特征分明,湿季开始前GPS/PWV月变率小于干季开始前的月变率;全省GPS/PWV年平均日变化峰值和谷值出现时间一致,勐腊、蒙自和昆明具有准双峰型特征;勐腊站干季、湿季日变化明显不同,其余测站干季和湿季的PWV日变化特征与全年平均日变化特征基本一致。GPS/PWV资料能够反应云南雨季开始期时空演变趋势。     

1901-2012年中国西北地区东部多时间尺度干旱特征

以干旱的多时间尺度特征出发,利用CRU最新数据,计算了考虑降水和气温双因子影响的标准化降水蒸散指数(SPEI),并与标准化降水指数(SPI)进行对比,分析中国西北地区东部1901-2012年不同时间尺度的干旱特征。本文不仅对百年来CRU资料的可靠性进行检验,而且对SPEI在西北地区东部的适应性进行讨论。结果表明:CRU资料可靠性较好,但由于CRU资料本身的属性,1920年以前资料的可靠性不确定。从干旱事件的发生强度及干旱范围分析,SPEI在西北地区东部具有较好的适用性。SPEI与SPI在不同时间尺度下的波动变化一致,短时间尺度主要表现年内或季节特征,长时间尺度则侧重表现年际、年代际特征。将研究区分为高原东北区和陕南区进行分析,1901-2012年高原东北区有4个干期,陕南区有5个干期。针对温度变化对西北地区东部干旱的影响及与SPI对比表明,高温对干旱的贡献不容忽视。     

中国西北空中可降水量的年内非均匀性特征

利用NCAR/NCEP资料,通过引进表征时间分配特征的参数集中度和集中期对西北上空大气可降水量年内非均匀性特征进行分析,结果表明:一致性异常分布是西北上空大气可降水量集中度和集中期的最主要的空间分布特征;西北地区上空大气可降水量集中度和集中期近45年来主要表现为2~4年、6~8年的高频振荡;西北上空大气可降水量集中度异常强弱年其水汽输送特征存在显著差异,在集中度异常强年,西北东南部西南季风水汽输送较常年偏强,其余区域西风带水汽输送较常年偏强,由于充足的水汽供应使得整个西北地区上空大气可降水量与常年相比偏多;反之亦然。     

1953-2012年中国西北地区东部低层气旋性风场演变特征及成因

利用1953-2012年NCEP/NCAR全球再分析风场资料,结合同期NCEP全球月平均再分析资料和74项环流特征量资料,通过相关分析、M-K突变检验、小波分析等合成诊断分析方法,研究了近60年中国西北地区东部低层气旋性风切变频次的演变特征,并对其演变的成因进行了初步探讨。结果表明：西北地区东部低层气旋性风切变发生频次在近60年来呈显著的减少趋势,通过了a=0.001的显著性水平检验;风切变频次在1976年出现较明显的由多到少的突变,间接证实近30年来在西北地区东部低层出现风场辐合的次数显著减少,可能产生系统性降水的辐合条件下降;1960-1970年存在3～7年的振荡周期,其中以3年和7年的周期最为显著,基本与西北地区降水周期在时空上较吻合。西北地区东部低层气旋性风场演变的主要原因是大气环流在同一时期发生了较为显著的调整。     

西北地区东部冬季降水与次年沙尘暴发生的关系

选用1970-2000年西北地区88个气象站的冬季降水量和1971-2000年沙尘暴日数资料, 用自然正交分解(EOF)分析了冬季降水的时空分布特征。结果表明, 西北冬季降水第一载荷向量分布有一定差异, 第二载荷向量零线位置基本以干旱和半干旱区界限为准, 各自然气候区冬季降水的时空分布具有不一致性的特征; 以民勤为代表站的A区、以敦煌为代表站的C区冬季降水量与次年沙尘日数呈相反的变化趋势。说明冬季降水对次年沙尘多发的春季下垫面土壤湿度、地表粗糙度等特征有一定的影响, 从而对代表了沙漠气候特征的A区和代表西风带影响的沙漠戈壁C区的沙尘暴发生起到抑制作用。     

1960-2010年中国西北地区水分盈亏量时空特征

基于1960-2010年中国西北地区126个国家气象站点实测数据,应用Morlet小波函数、Kendall趋势系数、Mann-Kendall突变检验等方法分析西北地区水分盈亏量时空变化特征。结果表明:西北地区大部分区域水分盈亏量为负值,呈由东南和西北两侧向中部逐渐减小的空间格局。在研究时段内水分盈亏量总体呈上升趋势,但各季节水分盈亏量变化存在一定的差异性,其中春夏冬三个季节水分盈亏量呈上升趋势,而在秋季呈下降趋势。西北地区水分盈亏量变化存在3.5~5 a左右的主周期,其中夏季周期变化以强振荡为主,年际波动大,而其它三个季节以弱振荡周期为主。位于西风带气候区与高原气候区的站点水分盈亏量呈上升趋势,且多发生突变;水分盈亏量呈下降趋势的站点主要位于东南季风区及其边缘区。     

新疆三大山区可降水量时空分布特征

利用美国宇航局(NASA)发布的2003年1月～2015年12月的AIRS Standard Physical Retrieval Edition 6. 0中的level2的反演数据,对新疆及其周边地区——特别是三大山区近13 a的可降水量的时空分布特征进行了研究。结果表明,从空间分布看,可降水量高值区主要集中在盆地地区,尤其在塔里木盆地、准噶尔盆地及吐鲁番盆地。低值区主要分布在新疆南部的昆仑山脉和北部的阿尔泰山脉。最高值达14. 74 mm,最低值达1. 92 mm;新疆及其周边地区可降水量所有格点13a平均值来看,总体上,夏季最高,冬季最低。从时间分布看,对新疆及其周边地区、天山、昆仑山和阿尔泰山4个研究区域分别进行区域平均,发现以上4个区域年变化呈单峰型,从1～7月的可降水量逐渐增加,8～12月份的可降水量逐月减少;可降水量的整体年际变化趋势是一致的,2003—2010年呈上升趋势,2010—2015年呈下降趋势。     

1979—2012年中国西北地区东部低层水汽异常特征及成因

利用1979-2012年ERA-Interim全球再分析比湿与风场资料,通过累计距平分析、M-K突变检验、相似离度分析等方法研究了中国西北地区东部低层水汽演变特征,并依据导致水汽异常最直接的动力因子(风场差异)对其成因进行了初步探讨。结果表明:近30年西北地区东部低层700 hPa水汽呈弱的增加趋势,整个区域、青海高原区及西风影响区在1996年出现由减少到增多的突变,而季风边缘区的突变发生在1991年;且突变后偏西风减弱,偏南风增强显著。通过定量细化分析各气候区风场变化对水汽的影响,发现青海高原区经向风对水汽除夏季为弱的负贡献外,一般均表现为正贡献,而纬向风为负贡献;季风边缘区年平均经向风正贡献值为0.28 g·kg^-1,纬向风为-0.46 g·kg^-1;西风影响区冬春两季经纬向风一般均为弱的负贡献,夏秋两季一般为正贡献。依据特定区域、典型月份风场的气候型态差异分析,发现单一区域内的低层风偏差对水汽分布的影响与控制相差甚大,而不同背景下相邻区域内的风场配置及不同区域间的风场相互作用可能是水汽变化或异常的主要原因。     

西北地区东部群发性强沙尘暴序列的建立与分析

利用1954－2001年60个站的气象实测资料，探讨了西北地区东部群发生强沙尘暴的认定标准，建立起该地区近48年较完整的群发生性强沙尘暴序列，并初步分析了该地区群发性强沙尘暴的时空分布特征和年际变化。结果表明：近48年西北地区东部共出现了99例群发生强沙尘暴；阿拉善高原，鄂尔多斯高原及河西走廓的大部分地区是强沙尘暴的主要多发区；强沙尘暴的多发季节为3－5月，约占全年的78．8％；强沙尘暴的发生次数，持续时间和覆盖范围以20世纪90年代最少，最短和最小，但是1997年以后有明显的增加趋势。     

北极涛动异常对西北地区东部沙尘暴频次的影响

利用西北地区东部沙尘暴日数资料、北极涛动指数资料、东亚高低空大气环流形势场资料,分析了沙尘暴日数与北极涛动的关系,进而研究了北极涛动异常年东亚大气环流分布特征,探讨了北极涛动影响西北地区东部沙尘暴的可能途径。结果表明：西北地区东部沙尘暴频次呈波动减少之势,20世纪80年代中期发生气候突变;北极涛动指数与西北地区东部沙尘暴频次显著负相关,二者年际、年代际变化都有较好的应关系,北极涛动正位相年,西北地区东部沙尘暴偏少,反之亦然。究其原因：北极涛动异常对东亚冬季风强度、东亚高低空气压场、风场分布形势有重要影响：北极涛动正位相年,东亚冬季风、蒙古高压均偏弱;500 hPa高度场上,春季西风带纬向环流占优势,极涡面积偏小,强度偏弱,贝加尔湖阻塞高压异常强盛,蒙古国及我国华北和西北地区位于贝加尔湖阻塞高压底部的暖区里,地面至高空西北风偏弱;在这种形势下,整个中高纬度冷空气势力较弱,活动次数偏少,不利于大风、寒潮天气的发生,因此沙尘暴频次也偏少。而北极涛动负位相年基本相反。     

基于LM-BP神经网络的西北地区太阳辐射时空变化研究

定量模拟太阳辐射对认识西北地区气候变化至关重要,但西北地区辐射站点稀少,而气象站点较多,利用众多的气象站点观测值模拟太阳辐射是获得太阳辐射数据很好的方法之一。利用LM (Levenberg-Marquardt) 算法对普通的BP神经网络进行优化（优化后的BP神经网络简称LM-BP神经网络）模拟太阳辐射,通过与传统气候模型模拟的太阳辐射结果对比发现,LM-BP神经网络模型的模拟精度最高,模拟值与实测值的拟合程度明显优于H-S模型和A-P模型。由此利用西北地区159个气象站点的气象数据和LM-BP神经网络模型模拟了1990~2012年这些气象站点的太阳总辐射月总量,将LM-BP神经网络模拟的气象站点的太阳辐射和25个辐射观测站的实测太阳辐射数据相结合,通过空间插值得到了西北地区太阳总辐射的空间分布,并分析了其时空分布及变化特征。研究结果发现西北地区1990~2012年的年均总辐射月总量变化为262~643 βMJ/m²,呈现“中间高,两端低”的空间分布特征。LM-BP神经网络模型的模拟精度高,是一种很有发展前景的辐射模拟方法,可将其应用在无辐射观测地区的太阳辐射模拟中。     

西北地区东部沙尘暴转型对气候和生态环境变化的响应

 利用西北地区东部近50 a较完整的沙尘暴资料序列和1981年以来NOAA/AVHRR的NDVI数据,通过量化反演关键区植被覆盖率,并结合土地详查等代用资料的校准,对西北地区东部沙尘暴转型的生态演变量化特征与基本型态及沙尘暴过程发生频次、持续时间和高发站沙尘暴启动风速的年代际演变特征进行了综合分析。结果表明:1951年以来,西北地区东部沙尘暴过程发生频次出现了由多到少的明显转型,年突变出现在1987年,春季突变出现于1986年;近50 a,该区域年NDVI指数振荡幅度较大,并在波动中略有减小,生态环境整体呈退化趋势,在此背景下,沙尘暴过程持续时间明显增加,启动风速显著降低。依据生态/气候影响分析模型,在不同生态/气候型态下,西北地区东部沙尘暴过程频次和持续时间有明显差异,气候变化对沙尘暴过程发生频次具有明显的驱动作用,而生态环境的变化对沙尘暴过程持续时间有显著的调节与控制作用。     

西北地区近50a降水变化及水汽输送特征

用NCEP/NCAR再分析资料和中国西北地区145个站的降水资料,研究了西北地区降水与亚洲季风区水汽输送特征的关系。主要结论为:①西北地区降水具有明显的区域性特征,在20世纪80年代以后,西北地区东部降水明显减少,干旱化趋势严重;在西北地区西部,降水增加,气候逐渐向暖湿型转变;②西北地区东部的水汽在夏季主要来自孟加拉湾、南海和西太平洋;西北地区西部除了受西风带的影响外,来自北方西伯利亚的水汽输送在夏季也有一定的作用;③西北地区东部的南边界和西边界是主要的水汽输入,西北地区西部的西边界是主要的水汽输入。在降水偏多年,其水汽输入在7月达到峰值,且具有明显的年变化特征;④西北地区东部的南边界和西边界水汽输入减少趋势明显,使得水汽总收支逐渐减少。西北地区西部西边界的水汽输入自80年代中期以来有增加的趋势,而北边界的输出在减少,水汽总收支有增加的趋势。     

1971——2010年中国西北地区秋季降水变化特征

本文采用1971—2010年9—11月逐月NCEP/NCAR再分析数据和国家气候中心全国台站资料,通过常规统计分析、趋势分析、Morlet小波变换、M-K 检验以及奇异值分解,对中国西北地区秋季降水量与降水日数两个方面进行了较为详细的分析,得到了较为全面的中国西北地区秋季降水时空分布特征,并分析了500 hPa环流异常对其可能的影响。结果表明：1971—2010年间西北地区秋季降水量与降水日数均为上升趋势,相对来说,秋季降水日数在这40年间的变化趋势更为显著;西北地区秋季降水量及降水日数整体呈现出增加的趋势,主要是受青海、甘肃两省大部分站点的降水量及降水日数明显增多引起的;西北地区秋季降水量、降水日数变化幅度较大区主要位于青海东南部与陕西南部;降水日数在未来将会有减少的变化趋势;500 hPa东高西低的异常环流形势越明显,甘肃东南部、宁夏、陕西大部秋季降水量越大,北高南低的异常环流形势则在中国西北地区大部易造成秋季降水量偏多。