河西走廊东部沙尘暴气候特征及短时预报

沙尘暴是河西走廊东部多发的灾害天气之一。利用河西走廊东部5个气象站1961-2014年月沙尘暴资料,运用统计学方法分析了河西走廊东部沙尘暴日数的时空分布特征及变化趋势;选取1990-2009年逐日NCEP再分析资料,依据气流的南北配置对沙尘暴天气进行了环流分型;采用诊断方法、因子组合和日常的经验预报等方法对不同层次、不同物理量进行分析和计算,构建了具有经验性的预报因子库,利用线性相关、经验预报和最大靠近原则等诊断分析方法建立了沙尘暴诊断预报模式。结果表明:受天气系统、地形以及海拔等影响,低海拔地区沙尘暴日数多于高海拔地区。年、年代沙尘暴日数呈显著减少趋势,递减率为民勤 >凉州 >永昌 >古浪 >天祝。年沙尘暴日数的时间序列存在着5~6 a的准周期变化,北部年沙尘暴日数发生了突变,而南部没有发生突变。沙尘暴日数月变化也比较一致,峰值出现在4月,谷值出现在9-10月。 沙尘暴日数均为春季最多,秋季最少。沙尘暴的环流形势分为西北气流型、西南气流型和西风气流型。确定了各型沙尘暴的预报指标和阈值,诊断预报模式的预报准确率在73.3%以上,达到了较高的预报水平,填补了沙尘暴精细化预报的空白,可为沙尘暴的业务预报预警提供客观有效的指导产品。     

我国北方沙尘暴与强沙尘暴过程的分形特征及趋势预测

沙尘暴是一种常见的灾害性天气现象。由于其爆发的频繁性和危害的严重性,沙尘暴趋势预测的研究已经成为了国内外专家学者关注的热点和焦点。在回顾相关研究进展的基础上,借助于分形理论在处理复杂系统方面的独特切入点,利用1954-2002年中国北方720个气象站的沙尘暴观测资料和681个气象站的强沙尘暴观测资料,分析了近49 a来,我国北方沙尘暴及强沙尘暴事件的时序分形特征,并运用R/S分析方法对其变化趋势进行科学预测。研究发现,我国北方地区沙尘暴及强沙尘暴事件具有近似一致的变化态势,即自20世纪50年代以来呈逐渐减少,但近期又相对增多的变化趋势。1954-2002年沙尘暴及强沙尘暴事件的时间序列具有分形特征,其关联维数分别是2\^64和3\^34;平均可预测时间尺度分别为7~8 a和8~9 a。Hurst指数能够较好的表征我国北方沙尘暴及强沙尘暴事件的发生规律。根据Hurst指数及其变化趋势可以预测,2002年以后的7～8 a内,我国北方沙尘暴事件将具有先增加后减少的趋势;1999年以后的8～9 a内,我国北方强沙尘暴事件也将具有先增加后减少的趋势。     

近49a古尔班通古特沙漠南缘地区沙尘暴变化特征初探

运用小波分析、累积距平、滑动t检验及灰色关联度分析等方法对1961 - 2009年古尔班通古特沙漠南缘沙尘暴年日数序列的变化趋势、周期特征、突变特征及与气候因子的关系进行了分析.结果表明:(1)49 a间,古尔班通古特沙漠南缘沙尘暴年日数呈波动式减少的趋势,趋势系数为-0.565.(2)沙尘暴年日数序列存在多个周期;在...     

甘肃河西沙尘暴对兰州市空气污染的影响

通过对1975-1997年甘肃河西沙尘暴发生日数和兰州市同期颗粒物污染资料进行统计分析,结果表明:两者有很好的正相关关系,其中,70年代后期和1986年前后甘肃河西沙尘暴的多发年份正好与兰州市同期TSP的高污染浓度相对应;在沙尘暴频繁发生的春季,两者的正相关性更显著(相关系数达0.706),其年际变化趋势几乎完全一致。甘肃河西4月份是全年沙尘暴发生日数最多的月份,使得兰州市在该月份的IP浓度也出现全年的次峰值,从而导致IP浓度的年变化成为双峰型(污染严重的12月份出现主峰值),这有别于SO₂等其它几种主要污染物均呈单峰型(12月份出现峰值)的年变化特征。春季河西大风沙尘暴发生期间,兰州市的TSP浓度会明显升高,此种天气过程结束后,TSP浓度迅速降低,这表明春季河西地区大风沙尘暴天气是影响兰州市区颗粒物污染浓度日变化的主要因素。总之,诸方面的分析结果均表明,甘肃河西沙尘暴对兰州市大气颗粒物污染所产生的重要影响是不可忽视的。     

宁夏盐池沙尘暴特征分析

对盐池气象站1961-2000年逐月气象数据进行了较为详细地分析，结果表明，干旱多风的气候特征在时间搭配上的一致性，是沙尘暴发生的主要直接原因；沙尘暴频率与降水量和大风日数显著相关，降水量对沙尘暴的影响滞后1-3个月。从较长时间序列看，影响沙尘暴发生的自然因子（以降水和大风为代表）的作用在逐渐下降，而人为因素的权重在不断加强，反映出生态环境的不断恶化；沙尘暴逐年序列的2-8a周期，是受到厄尔尼诺影响的结果。     

腾格里沙漠东南缘沙尘暴变化趋势的Markov模型分析

从概率的角度出发,应用Markov模型分析了腾格里沙漠东南缘近20a来沙尘暴变化趋势,结果显示:①2000年发生的强沙尘暴和特强沙尘暴的概率各为0.5,而事实上2000年发生沙尘暴11次,接近预测结果。② 2000年发生伴随降雨的特强沙尘暴概率为0.25,不伴随降雨的沙尘暴概率为0.5,这和2000年中国北方干旱,很少发生伴随降雨的沙尘暴的事实一致。③随着时间序列的延长,Markov模型可成为预测沙尘暴发生的一条有效途径。     

1960～1997年新疆北部降水序列的趋势探测

利用非参数统计检验法（Mann-Kendall法）分析了新疆北部地区13个气象台站1961-1997近40年降水序列的趋势。因季节性差异，对1月、4月、7月、10月的降水序列也进行了分析。结果表明，1961-1997年新疆北部地区年降水序列大致存在增加的趋势，但不是很普遍；多数测站的年降水序列无趋势。以4月、10月为代表的春秋季降水量没有趋势存在；在少数测站以1月为代表的冬季降水序列出现了上升趋势，说明1961-1997年间新疆北部冬降水量有一定量的增加；3个测站在以7月以代表的13个夏季降水序列中出现了上升趋势，还有一个测站出现了下降趋势，说明新疆北部地区夏季降水在1961-1997年间有少量的增加，并且降水变化趋势存在一定的地区差异。     

博斯腾湖与伊塞克湖水位变化特征及预测对比

根据1961—2012年湖泊水位观测资料,采用时间序列线性趋势分析与小波分析法,对比研究了博斯腾湖与伊塞克湖近50多年来水位变化特征,并对湖泊未来水位变化趋势进行预测。结果显示:(1)1961—2012年,博斯腾湖和伊塞克湖年水位总体呈显著的下降趋势。20世纪80年代中期之前,两湖水位变化趋势基本一致,都平稳下降;90年代后,博斯腾湖水位变化波动比伊塞克湖更为频繁,经历了迅速上升和下降的阶段,而伊塞克湖年水位较为稳定。(2)水位小波分析结果表明,博斯腾湖和伊塞克湖年水位变化分别存在18a和22a的主周期,从水位未来变化趋势预测结果来看,博斯腾湖水位将来一段时间继续下降,伊塞克湖水位则继续上升。     

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。     

我国北方春季沙尘暴与气候因子之关系

利用我国北方1954—2005年470个站点的春季沙尘暴资料和相应的气候资料,在合理区划沙尘暴易发地区的基础上,采用气象统计分析中的相关分析方法,对沙尘暴与气温、降水量、相对湿度、地温、风速、风蚀指数等气候因子间的相关性进行了统计分析,研究各个区域沙尘暴发生的气候特征,并提出了春季沙尘暴多发的简单气候概念模型。结果表明:①气候要素与我国北方春季沙尘暴的发生有一定的耦合关系,南疆的沙尘暴与气候要素的相关性最好,而北疆的最差。与沙尘暴相关性最好的气候因子是风速,其次是风蚀指数。②我国北方春季沙尘暴多发的简单的气候概念模型:前期（前冬）,北、南疆地区较常年多干冷的西北气流;青藏东南地区和柴达木地区多暖湿的西南气流;河西地区、河套地区和东北地区为冷湿的偏西气流偏多。同期（春季）,北、南疆地区较往年干燥且多大风;青藏东南地区和柴达木地区暖干;河西地区、河套地区和东北地区冷且多大风。     

地形对民勤沙尘暴发生发展影响的模拟研究——以一次特强沙尘暴为例

河西走廊是中国西北路径冷空气的必经之地,其狭管地形加之丰富的沙尘源地,使其成为中国沙尘暴多发区;民勤位于走廊中段,地处巴丹吉林和腾格里两大沙漠的接壤地带,正好位于雅布赖山和龙首山形成的山口下游方。河西走廊加上民勤周边这种双狭管的特殊地形,使得民勤又成为河西走廊沙尘暴的多发区以及中国的生态环境极度脆弱区。本文以2010年4月24日河西走廊一次特强沙尘暴（部分时段能见度为0,达到了黑风标准）为例,利用GRAPES_SDM沙尘模式对这次沙尘暴进行了数值模拟,并重点对民勤周边山地采取改变高度和范围等方式,模拟研究了地形对过境民勤的风速、地面起沙通量、沙尘浓度以及沙尘输送的影响。结果表明：（1）民勤周边地形高度降低的情况下,地面风速减弱,携沙气流遇到地形阻挡,沿着坡地爬升,部分沙尘可以翻越地形到背风坡,此时的地形特征将减弱沙尘扩散强度;（2）民勤周边地形高度增高,风速小于地形不变时的风速,气流发生明显的绕流,改变沙尘扩散方向;（3）改变民勤周边山体地形位置,狭管效应减弱,地面风速明显减小,沙尘影响范围较控制试验向南及东南方向扩展;（4）河西走廊南部祁连山高度改变对沙尘的影响程度大于民勤北部雅布赖山的改变,这与祁连山的山体面积和高度明显大于雅布赖山有关,说明河西走廊“狭管”地形是民勤沙尘暴之所以多发的重要原因,民勤周边的小型“狭管”地形又使得民勤成为走廊中沙尘暴最为严重的区域。（5）地形改变将减小地表起沙量,从而减小沙尘浓度,也即减弱沙尘暴的发生发展。     

河西走廊入口区下垫面对沙尘天气影响的模拟研究

在利用常规观测资料统计分析2000—2011年和沙尘天气多发年河西走廊入口区代表站点春季风速分布特征的基础上,采用区域气候模式（Regcm4.3.5.6）和欧洲中心更新的4DVar同化的ERA-interim资料,分析了河西走廊入口区下垫面类型改变对2007年4月13日一次沙尘天气过程的影响。结果表明：沙尘暴爆发时,河西走廊为风速大值区,风速8～10 m·s^-1;区域气候模式模拟的沙尘特征量与站点观测的沙尘天气分布对比发现,模拟的沙尘区的发展变化能较好地表征这次沙尘天气过程的变化;河西走廊入口区植被由沙漠改为落叶阔叶林后,发生沙尘天气时该地区风速有所减小,减小平均值为3 m·s^-1,且风速越大,减小越明显。不同粒径沙尘的起沙率和沙尘粒子柱含量对下垫面类型改变的响应有所不同,减小量最大分别达到-50 mg·m^-2·d^-1和-50 mg·m^-2,0.01～5.0 μm粒径沙尘减小范围和强度相差不大,5.0～20 μm粒径沙尘由于粒径最大减小最明显,由于模式中考虑的2.5～5.0 μm粒径沙尘在大气中所占比例小,减小量级和范围最弱。改变下垫面类型使得起沙率和沙尘粒子柱含量在沙尘天气最强时刻减少最显著。     

新疆沙尘暴的趋势和突变研究

采用新疆77个站1961—2005年沙尘暴日数资料,使用Mann-Kendall趋势统计检验方法、最大熵谱分析,突变的t检验等方法分析了南北疆沙尘暴变化的趋势、周期和突变以及与气候变化的关系。结果显示：①南疆和北疆45 a沙尘暴趋势是减少的,南疆减小的趋势比北疆的强,两者趋势值是-0.25和-0.06,都通过了α=0.01的显著性水平检验,减少趋势中心分别位于南疆皮山、安得河附近和天山中段南北坡,20世纪80年代的减少趋势最大。②南疆和北疆低于45 a平均趋势值的年份大多集中在近20 a;南疆沙尘暴的周期分别为2.9 a和2.8 a,北疆为3.4 a和2.3 a。准3 a周期变化是南疆和北疆所共有的特征。③南北疆年沙尘暴日数与气温和降水呈反相关关系,与大风呈正相关关系,与大风的相关性最高;在南北疆,沙尘暴与气温、降水的相关性显著水平不同。受南北疆大风和降水量出现突变以及平均气温趋势出现明显转变影响,南北疆沙尘暴日数都在1987年出现突变。     

河北省坝上地区1971-2010年沙尘暴日数变化特征及与气象因素关系

利用1971-2010年地面气象观测资料,分析了坝上地区沙尘暴日数的季节变化和年变化特征及其与大风、降水、气温的关系。结果表明：坝上地区沙尘暴日数具有明显的季节性变化特征,春季沙尘暴日数最多,占全年沙尘暴日数的84.88%,秋季最少,仅占全年沙尘暴日数的1.39%,冬季沙尘暴日数多于夏季;从年变化特征上看,20世纪70年代沙尘暴发生日数最多,80年代减少,90年代达到最少,2000年后沙尘暴日数又开始增加,但总体来说沙尘暴日数呈现出波动中下降的趋势;年沙尘暴日数和年大风日数有显著的正相关,与前期、同期降水量没有达到显著相关,但是有着很好的对应关系,与年平均气温有显著的负相关。     

1960-2012年河西走廊中部沙尘暴空间分布特征和变化规律

利用6个常规气象站1960—2012年的沙尘暴观测资料,分析了河西走廊中部近53年沙尘暴日数的年代际、年际、季节、各月变化和空间分布,并用Mann-Kendall检验法检验河西走廊中部沙尘暴序列是否存在突变现象;在分析沙尘暴变化规律的基础上,建立了河西走廊中部沙尘暴日数的均生函数预测模型。结果表明：该地区1960—2012年的沙尘暴日数以11.75 d/10a的倾向率递减;20世纪60年代至80年代中期为沙尘暴多发期,进入80年代末沙尘暴日数开始明显下降;20世纪70年代最多,60年代次之,80年代到90年代中期逐渐递减,从1997年开始到2004年又处于逐渐上升的趋势,突出年份是2001年,此年共21 d发生了沙尘暴天气;20世纪80年代河西走廊中部沙尘暴日数有一明显减少的突变,具体时间是1983年。与沙尘暴日数相关性最强的是年平均气温,呈显著负相关,其次是春季平均气温、冬季蒸发量和春季蒸发量,有5个站点的沙尘暴日数与春季平均气温呈显著负相关、与冬季蒸发量和春季蒸发量呈显著正相关,有3个站点的沙尘暴日数与冬季平均气温和冬季降水量呈显著负相关。据预测,2013-2032年河西走廊中部沙尘暴日数将呈继续减少趋势。     

河西走廊东部强沙尘暴分布特征及飑线天气引发强沙尘暴特例分析

利用2004年1月～2008年10月河西走廊东部6站的地面观测资料,采用统计学方法分析了强沙尘暴的分布特征.发现强沙尘暴主要出现在2～6月,1～3月出现的强沙尘暴主要为高压脊前强西北气流动量下传风所致;4～7月出现的强沙尘暴主要为冷空气东移南下伴随地面冷锋过境锋面大风所致.河西走廊东部的飑线活动造成的强沙尘暴出现在4～6月,均为冷锋型,其中5月居多,出现的7次强沙尘暴中有4次伴有飑线,说明5月份强冷锋东移经河西走廊特殊峡管地形时易诱发飑线,飑线活动造成的强沙尘暴爆发性强,往往造成严重灾情.利用常规探测、地面加密观测、T213数值预报产品和fy-2c/2 d红外卫星云图资料对2008年5月2日河西走廊东部飑线引发的强沙尘暴过程进行了天气动力诊断和中尺度分析.结果表明:中尺度飑线所伴随的强风暴是产生强沙尘暴的主要原因;500 hPa阶梯短波槽是中尺度飑线产生的大尺度触发系统,河西走廊中西部700 hp变形场、中尺度低压为强沙尘暴形成和维持提供了必要的动力条件;地面冷锋前上升运动与高空急流入口区次级环流的上升气流的叠加,为深对流发展提供了深厚的垂直环流发展条件,是促使飑线发生和沙尘卷起的基本动力;地面热低压的加强和午后气温的日变化加大了冷锋前后的温度和气压梯度,为大风、强沙尘暴爆发提供了必要的热力不稳定条件;强沙尘暴出现在垂直螺旋度为-200 m~2/s~2中心的下游,垂直螺旋度对飑线的发展和沙尘暴的落区具有较好的指示意义;中尺度飑线发生在不稳定层结内,较强的不稳定层结为强沙尘暴形成、发展提供了位能转化为动能的基本条件.     

近45a我国沙尘暴和扬沙天气变化趋势和突变分析

利用1954-1998年我国334个站每月沙尘暴和扬沙发生日数资料,通过线性趋势估计和多项式函数拟合等方法分析了沙尘暴和扬沙日数的长期趋势变化和周期变化,发现沙尘暴和扬沙日数的总体趋势是下降的,沙尘暴和扬沙年平均日数都是在20世纪50年代最高,60年代减少,之后70年代又有回升的趋势,到80年代又减少,90年代最少。沙尘暴日数的变化存在着6.7a的周期及2.59a和3.38a的周期,并且2.59a和3.38a的周期都通过了α=0.1的显著性检验。扬沙不存在显著性周期。由于资料长度的限制,无法对22a以上的长周期进行分析。利用滑动t检验法和气候跃变参数J_y分析了沙尘暴和扬沙日数的突变问题,发现沙尘暴和扬沙日数从80年代到90年代的变化率最高,沙尘暴和扬沙分别在1985年和1984年发生了由多到少的突变。我国北方强沙尘暴的发生次数从50年代到90年代呈上升趋势,从而使沙尘天气对我国的影响不但没有减弱反而有增强的趋势;近年来,大范围的强沙尘暴天气出现的频率增加、程度增强、范围扩大,因此保护生态环境,防止土地荒漠化,是我们目前面临的紧要任务。     

河西走廊东部沙尘天气与武威市大气污染的关系研究

利用河西走廊东部武威市1991-2003年春季污染浓度资料和1971-2003年气象要素资料, 分析污染物浓度与各种气象要素和非气象要素的关系, 找出造成河西走廊东部春季污染严重的气候成因, 并提出大气污染治理对策。结果表明, 春季3~5月沙尘暴发生日数和颗粒物污染资料两者有很好的正相关关系, 相关系数达0.8, 沙尘暴天气是造成河西走廊东部春季空气重度污染的主要原因。     

1961-2011年甘肃雷暴气候分布特征及变化趋势

利用1961-2011年甘肃省63个测站的雷暴观测资料,采用气候倾向率趋势系数和小波分析方法,研究了甘肃省雷暴气候变化特征。结果表明:年平均雷暴日数呈东北-西南走向,东北少、西南多,全省平均为24 d,有3个雷暴高发中心,地形是影响甘肃雷暴空间分布的主要因子。近51年中,1961-1990年为多雷暴期,1991-2011年为少雷暴期,雷暴日数总体呈减少趋势,其中甘南高原减少速率最快,每10年约减少4 d,这可能与对流有效位能和700 hPa相对湿度的下降有关。在春、夏、秋三季中,夏季雷暴日数减少的趋势最为明显,每10年减少3.4 d,尤以6月最甚。初、终雷暴日的地区差异较大,甘南高原初雷暴日出现最早,终雷暴日结束最晚,河西走廊初雷暴日出现最晚,终雷暴日结束最早,因此甘南高原是甘肃雷暴期最长的地区,达204 d,河西走廊则最短,为105 d。近51年来甘肃雷暴期的缩短主要是初雷暴日的显著推后和终雷暴日的提前所致。小波分析表明甘肃雷暴日数存在24 a和8 a的周期震荡,当前雷暴的发生正处在一个偏少的周期内。