郑州市降水特征分析与水资源问题初探

分析1971-2004年郑州市降水资料发现,郑州市降水量年际变化大,季节分配极不均匀。利用同期月降水量和月平均气温资料,依据陆面实际蒸发经验公式,计算了陆面蒸发量、蒸发系数和可利用降水系数,结果表明,郑州水资源的变化特征与降水量变化特征基本相似,且春季是郑州最易出现干旱的季节。通过分析1991-2000年郑州地表、地下水资源资料,得出郑州缺水状况更加严重的结论,并提出了应对和缓解水资源缺乏的对策。     

郑州市降水特征分析与水资源问题初探

分析1971-2004年郑州市降水资料发现,郑州市降水量年际变化大,季节分配极不均匀.利用同期月降水量和月平均气温资料,依据陆面实际蒸发经验公式,计算了陆面蒸发量、蒸发系数和可利用降水系数,结果表明,郑州水资源的变化特征与降水量变化特征基本相似,且春季是郑州最易出现干旱的季节.通过分析1991-2000年郑州地表、地下水资源资料,得出郑州缺水状况更加严重的结论,并提出了应对和缓解水资源缺乏的对策.     

泰安市降水特征与水资源分析

分析泰安市1951～2002年降水资料,利用Excel图表分析得出泰安降水分布特征和未来趋势。降水年际变化大,年降水量最大值是最小值的5倍;季节分配极不均匀,分布总体呈下降趋势,特别是1997年以来降水量持续少于平均水平,下降趋势明显。利用1951～2002年月降水量和月气温资料,依据高桥浩一郎的陆面实际蒸发经验公式,计算出陆面蒸发、蒸发系数和可利用降水系数,得出泰安水资源的变化特征与降水变化特征基本相似,春季是泰安最易出现干旱的季节。分析1984～2002年泰安地下水埋深资料,得出地下水位的变化基本随每年降水量的多少而升降,总体呈明显下降趋势,地下水资源相应减少,特别是自1995年以来地下水位逐年下降。提出缓解和解决水资源缺乏的两个有效方法,人工影响天气增加降水量和开源节流节约用水。     

四川地区可利用降水分析

本文利用40a的四川地面台站的降水和气温资料,从计算分析可利用降水系数入手,分析了四川地区水资源的基本特征,给出了一些定量评估的结果。研究表明,四川地区的水资源季节变化明显,降水量和蒸发量高度集中在夏季,冬季最少。年可利用降水系数为0.45,与降水量和蒸发量的季节差异一样,冬季可利用降水系数最小,夏季最大,秋季大于春季。可利用降水系数一年之内,1⁷月逐渐增大,87月逐渐增大,8¹2月逐渐减少。总体来说,四川地区可利用降水资源的空间分布不均,其中四川盆地的可利用降水系数低于川西高原和攀西地区。     

近30年西藏地区大气可降水量的时空变化特征

利用1980-2009年NCEP/NCAR再分析资料以及同期西藏地区34个气象站的月降水量资料,分析了该地区大气可降水量和降水转化率的时空变化特征.结果表明:(1)该地区大气可降水量具有从东南向西北逐渐递减的空间分布特征;近30年大气可降水量呈逐渐减少趋势且年际变率相对较小,还表现出显著的季节差异,即夏季大气可降水量最大、冬季最小;多、少雨年大气可降水量的空间差异不显著,说明西藏地区的空中水汽含量相对稳定,有利于空中水资源的合理开发和利用.(2)降水转化率在那曲中东部和西藏东南部最高、西藏西北部最低;近30年西藏地区降水转化率呈逐渐增加趋势且年际变率较大,其季节变化与大气可降水量的变化规律一致;降水转化率的高低在一定程度上决定了某年为多(少)雨年.(3)西藏地区大气可降水量和实际降水量的空间分布规律接近,但其时间变化趋势与同期降水量增加的趋势正好相反;大气可降水量转化率与实际降水量的变化趋势基本一致,降水转化率的升高(降低)对应着降水量的增多(减少).     

华北水资源年代际变化及其与全球变暖之间的关联

本文利用1951～2011 年期间中国台站资料、东亚地区的探空资料、NCEP/NCAR 和ERA40 等大气再分析资料,通过对水分平衡方程诊断探讨了华北地区过去60 年中水资源和可利用降水量的变化特征及其与大尺度环流变化之间的关系。结果发现,华北地区69%的降水量被蒸发,可利用降水仅仅为降水量的31%。夏季可利用降水是华北水资源的主要来源,华北夏季可利用降水量在80 年代初发生突变减少,进入21 世纪初,伴随蒸发量的增加该地区可利用降水量进一步减少。西风带水汽与东亚夏季风水汽是华北可利用降水的主要来源。NCAR/NCEP 和EAR40 再分析资料的结果均显示贝加尔湖一带的位势高度偏低和西太平洋高压的偏强有利于该地区降水增多。利用探空资料进一步证明,蒙古以及贝加尔湖地区的温度在对流层低层变暖和位势高度场的加强导致了过去几十年华北可利用降水量减少。由于贝加尔湖地区温度变化与全球变暖存在密切关联,监测该地区温度的变化对预测华北水资源和东亚夏季风的长期变化具有重要的意义。     

1961～2018年长白山区不同等级降水时空变化特征

在全球气候变化影响下,长白山区的降水量发生着显著的变化,降水强度也发生着不同程度的变化。明确长白山区不同等级降水的降水量和降水天数的变化趋势对于揭示长白山区水资源演变规律具有重要意义。本研究基于长白山区气象观测站点的逐日降水数据,选取不同等级降水指标,分析了1961～2018年长白山区不同等级降水时空变化特征。结果表明:近60年,长白山区年均降水量呈现不显著的下降趋势（?0.31 mm/a）,降水天数呈现显著的下降趋势（?0.16 mm/a）,平均降水强度呈现不显著的上升趋势。不同等级降水变化主要体现为:小雨、中雨和大雨年均降水量和降水天数呈现下降趋势,而暴雨年均降水量和降水天数呈现不显著的增加趋势。长白山区年均降水量和降水天数的减少主要受小雨、中雨和大雨降水量和降水天数的减少影响。不同季节降水变化方面,长白山区春冬季降水量呈增加趋势,夏季和秋季降水量和降水天数均呈下降趋势。     

三门峡市近50年降水变化趋势及周期分析

利用1960-2009年三门峡市50 a逐日降水观测资料,采用线性倾向估计、Mann-Kendall法和小波分析方法,对三门峡市降水变化趋势及突变情况进行了分析.结果表明:三门峡市年降水量呈逐年减少的趋势,气候倾向率为-10.37 mm/10a;季节降水量也趋于减少,其中夏季和秋季减少幅度最大;从月降水的变化趋势看,5月、6月、8月的月降水量呈上升趋势;从降水日数变化来看,全年大于0.1 mm和大于5.0 mm降水日数呈下降趋势,大于10.0 mm的降水日数呈上升趋势,全年暴雨日数有减少的趋势;从干燥系数变化特征来分析,三门峡市50 a中25年干燥系数K≥3.5,干旱年份占50％.Mann-Kendall法检验三门峡市降水在1963、2000、2005年存在明显交点,特别是在2000年,三门峡市降水量出现了由多变少的明显突变点.从小波分析的结果看,三门峡市降水序列具有3 a、5 a、10 a周期振荡变化,3 a振荡周期为主要特征.     

黔西南近30a降水时空变化特征分析

利用贵州省黔西南州8个台站1982—2011年的逐月降水资料,采用Morlet小波分析、一元回归分析、Mann-Kendll法对黔西南州30 a降水序列变化进行分析,对小波的功率谱变化进行了检验,空间场及时间场上给出了黔西南州30 a的降水气候态年及四季分布。结果表明:黔西南州年降水存在多时间尺度特征,30 a时间尺度周期振荡明显,时间上表现为线性减少,空间分布表现为州西部及北部多,东部少;降水的年内分配极不均匀,每年6月前降水量呈逐月增大趋势,且增幅逐月增大,至6月达到年内最大值,之后月降水量呈下降变化,且变幅逐月减小;季节变化特征明显,夏季降水最多,占全年降水量的55%,冬季最少为5%;近30 a黔西南州降水量一直呈减少趋势,比较明显的突变点是1989年;Morlet小波分析结果表明黔西南州季节降水具有较明显的周期变化规律,30 a降水量在年际尺度上存在6 a、2 a的周期振荡。     

西藏夏季降水的季节内变化特征及其影响系统

利用西藏地区1980-2013年夏季降水量资料、NCEP再分析资料等,分析了西藏地区夏季降水主模态季节内变化特征,尤其是盛夏7和8月降水异常对应的大尺度环流特征和影响系统。结果表明:西藏夏季降水存在明显的季节内变化,6和7月降水主模态的时间系数变化具有较好的持续性,而7和8月降水主模态的时间系数的相关关系明显减弱。西藏地区7和8月降水偏多年,西藏地区上游低层纬向风场均呈西风异常,但是水汽来源有差异;同时欧亚中高纬地区对流层中高层环流存在显著差异。西藏7月降水与南亚高压强度存在显著负相关关系,南亚高压偏强/弱时,降水偏少/多。西藏8月降水与南亚高压的位置关系更密切,南亚高压偏南/北,降水偏多/少。     

陇中黄土高原陆面辐射分量年际变化及其对气候波动的响应

本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL站)2006—2012年陆面过程观测资料以及榆中站气象资料,分析了陆面各辐射收支分量对于气候波动的响应,并且研究了地表反照率年际波动变化,讨论了各陆面过程参数对于黄土高原气候背景年际波动的反馈。并且根据黄土高原降水类型将全年分为冬夏半年讨论,以得到更为显著的年际变化特征和相关关系。结果显示,2006—2012年气温降水的趋势与近年来黄土高原暖干化总趋势相吻合。地表浅层土壤湿度和温度都与气温、降水呈现很好的响应。气候因素的综合影响是地表反照率变化波动的原因。通过冬夏半年资料区分探究得到,长波辐射分量与气候要素的相关较短波辐射分量与气候要素的相关性更强。但总体而言,陆面过程对于该地区气候背景波动的响应机制是较为复杂的。     

Mesoscale modelling of interactions between rainfall and the land surface in West Africa

Summary Within the joint research project IMPETUS (An integrated approach to the efficient management of scarce water resources in West Africa), the effect of interactions between the Earth’s surface and the atmosphere on fresh water availability is investigated. Explorations are conducted for a river catchment in Benin by means of simulations with a non-hydrostatic mesoscale meteorological model. A combination of idealised ensemble simulations with a column version of the model and 3-D modelling of real precipitation events is employed to assess the sensitivity of precipitation to variations in the land surface. Simplified ensemble studies exhibit a dominant influence of initial soil water content and an enhanced dependence of precipitation on vegetation when soil water availability is reduced. For wet soils, the influence of parameters that determine the intensity of near-surface turbulence is dominant. 3-D modelling confirms that these relationships are useful to identify critical land use changes in realistic settings, but do not comprehensively account for the effect of heterogeneous land surface changes on regional precipitation. Instead, the interplay between surface properties, atmospheric dynamics and precipitation systems can generate intrinsic precipitation anomaly patterns that are incongruent with the imposed surface anomalies. Hence, assessments of land use change effects on precipitation for a specific region should be based on an integrated consideration of the interactions between surface processes, atmospheric forcing and precipitation systems. Based on these findings, possible effects of successive land degradation are investigated by sensitivity studies of land surface and rainfall system interaction for the Haute Vallée de l’Ouémé (HVO). In a first series of 3-D model simulations, a successive increase of the surface fraction with adverse conditions for the development of precipitation systems is performed. Within the scope of a second series a successive reduction of surface vegetation and soil water at randomly distributed areas that cover half of the simulation domain is carried out. Basically, a uniform decrease of average precipitation forced by changing conditions and a strong reduction of rainfall in some parts of the HVO are found. As a whole, the results strongly support the hypothesis of a growing risk of rainfall decrease as a result of land use changes. Current affiliation: Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit, Cologne, Germany.     

Quantifying the contributions of anthropogenic and natural forcings to climate changes over arid-semiarid areas during 1946–2005

In this study, the contributions from changes in man-made greenhouse gases (GHG), anthropogenic aerosols (AA), and land use (LU), as well as natural solar and volcanic (NAT) forcing changes, to observed changes in surface air temperature (T) and precipitation (P) over global land, especially over arid-semiarid areas, during 1946–2005 are quantified using observations and climate model simulations from the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5). Results show that the anthropogenic (ANT) forcings dominate the ubiquitous surface warming seen in observations and lead to slight increases in precipitation over most land areas, while the NAT forcing leads to small cooling over land. GHG increases are the primary factor responsible for the anthropogenic climate change, while the AA forcing offsets a large part of the GHG-induced warming and P changes. The LU forcing generally contributes little to the T and P changes from 1946 to 2005 over most land areas. Unlike the consistent temperature changes among most model simulations, precipitation changes display a large spread among the models and are incomparable with the observations in spatial distributions and magnitude, mainly due to its large internal variability that varies among individual model runs. Using an optimal fingerprinting method, we find that the observed warming over land during 1946–2005 can be largely attributed to the ANT forcings, and the combination of the ANT and NAT forcings can explain about 85~95% of the observed warming trend over global land as well as over most arid-semiarid regions such as Northern China. However, the anthropogenic influences on precipitation over the past 60 years are generally undetectable over most land areas, including most arid-semiarid regions. This indicates that internal variability is still larger than the forced change for land precipitation.     

Surface energy balance complexity in GCM land surface models. Part II: coupled simulations

 Global coupled simulations with the Bureau of Meteorology Research Centre climate model and the CHAmeleon Surface Model (CHASM) are used to examine how four general extensions to the representation of the basic land surface energy balance affect simulated land-atmosphere interface variables: evaporation, precipitation, skin temperature and air temperature. The impacts of including separate surface energy balance calculations for: vegetated and non-vegetated portions of the land surface; an explicit parametrisation of canopy resistance; explicit bare ground evaporation; and explicit canopy interception are isolated and quantified. The hypothesis that these aspects of surface energy balance parametrisation do not contain substantial information at the monthly time scale (and are therefore not important to consider in a land surface model) is shown to be false. Considerable sensitivity to each of the four general surface energy balance extensions is identified in average pointwise monthly changes for important land-atmosphere interface variables. Average pointwise changes in monthly precipitation and land evaporation are equal to about 40 and 31–37% of the global-average precipitation and land evaporation respectively. Average pointwise changes for land surface skin temperature and lowest model layer air temperature are about 2 and 0.9 K respectively. The average pointwise change and average pointwise biases are statistically significant at 95% in all cases. Substantial changes to zonally average variables are also identified. We demonstrate how the globally averaged surface resistance parameter can vary from 150 to 25 s/m depending on which aspects of the surface energy balance are treated implicitly. We also show that if interception is treated implicitly, the effective surface resistance must vary geographically in order to capture the behaviour of a model which treats this process explicitly. The implication of these results for the design of land surface models is discussed. Received: 8 July 1999 / Accepted: 1 September 2000     

A NUMERICAL SIMULATION OF THE EFFECT ON CHINESE REGIONAL CLIMATE DUE TO SEASONAL VARIATION OF LAND SURFACE PARAMETERS(PART I)

Sensitivity experiment is an important method to study the effect on regional climate due toseasonal variation of land surface parameters.Using China Regional Climate Model(CRCM)nested in CCM1.we first simulate Chinese regional climate,then two numerical sensitivityexperiments on the effect of vegetation and roughness length are made.The results show that:(1)If the vegetation is replaced with the monthly data of 1997.precipitation and land-surfacetemperature are both changed clearly,precipitation decreases and land surface temperatureincreases,but there is no regional correspondence between these changes.And the results aremuch better than the results when climate average vegetation was used in the CRCM.(2)If theroughness length is replaced with the monthly data of 1997,there is significant change on landsurface temperature,and there is very good regional correspondence between these changes.Butthe effect on precipitation is very small.     

耦合不同陆面方案的WRF模式对2007年7月江淮强降水过程的模拟

利用WRF模式, 分别选用不同陆面参数化方案 (SLAB、 RUC、 NOAH、 UCM) 对2007年7月7～8日的江淮暴雨进行数值模拟试验, 模拟结果的对比分析表明: 虽然主要雨带的基本位置和大致走向受陆面方案的影响并不大, 但是降水强度的分布对陆面物理过程是敏感的, 耦合陆面方案比不耦合陆面方案的模拟效果更接近实况; 不同陆面方案模拟的降水量均较实况偏小, 然而由于考虑的要素和物理过程存在一定差异, 它们对降水的中心落点、 雨量值、 降水日变化、 降水类型以及降水条件的模拟各有所长; 特别值得指出, TRMM资料与4种方案的模拟结果均反映出本次降水日变化过程中夜间的峰值特征, 这是短时降水 (1～3 h) 和持续性降水 (≥6 h) 的综合反映, 而凌晨后的降水则主要由持续性降水造成; 在各种试验的综合比较中, NOAH方案较其他方案的模拟结果显得更稳定与合理, UCM方案针对城市下垫面的模拟有一定优越性。     

土地利用变化对长江流域气候及水文过程影响的敏感性研究

使用区域气候模式(RegCM3)和大尺度汇流模型(LRM), 研究土地利用/植被覆盖变化对长江流域气候及水文过程的影响。RegCM3嵌套于欧洲数值预报中心 (ECMWF) 再分析资料ERA40, 分别进行了中国区域在实际植被和理想植被分布情况下两个各15年 (1987～2001年) 时间长度的积分试验。随后, RegCM3 两个试验的输出径流结果分别用来驱动LRM, 研究土地利用/植被覆盖变化对长江流域河川径流的影响。研究结果指出, 中国当代土地利用变化对长江流域降水、蒸散发、径流深及河川径流等水文气候要素的改变较大, 对气温的改变并不明显。土地利用变化引起长江干流河川径流量在夏季(6～8月)有所增加, 并且越向下游增加幅度越大, 其中大通站径流量增加接近15%。总体而言, 土地利用改变加剧了长江流域夏季水循环过程, 使得夏季长江中下游地区降水增多, 径流增大。     

城市效应对登陆热带气旋妮妲降水影响的模拟

运用中尺度数值模式WRF耦合城市冠层模式（urban canopy model,UCM）,对2016年登陆深圳的热带气旋妮妲（1604）（以下简称妮妲）进行数值模拟。高分辨率数值模拟较好地再现了妮妲登陆前后的强度、路径和累积降水。利用城市化过程当中城市冠层对热带气旋降水的敏感性试验结果表明:城市冠层会减弱对流运动和水汽的输送,导致热带气旋登陆后珠江口城市群区域累积降水量略减少。应用最新的土地利用资料进行的城市下垫面敏感性试验结果表明:由于城市下垫面粗糙度增加,造成登陆地面风的减速,强度减弱,潜热通量与2 m高度比湿相应减小;城市下垫面粗糙度增加会加强该区域垂直对流运动以及不稳定能量增加,有利于降水增强,尤其在城市化下垫面处,热带气旋登陆后6 h累积降水增加量最大可超过20 mm。总体而言,对登陆热带气旋降水而言,耦合城市冠层使城市区域热带气旋降水减少,但在数值模拟中城市冠层影响作用不显著。城市化下垫面对登陆热带气旋暴雨的增幅作用明显,在登陆热带气旋降水预报中应重视。