用冬季地气图预测河套地区春夏旱涝的初步方法

分析了河套地区9个测站1954-2005年春季(3~5月)和夏季(6~8月)降水距平百分率及对应的冬季地气形势,经对比分析地气形势可分为5种类型:(1)大涡型,(2)小涡型,(3)河套处于地热涡或地冷涡的东(西)边缘(东西相反型),(4)河套处于地热(冷)涡的南(北)边缘(南北相反型),(5)地气系统尺度很小(系统零乱型)。分析发现:“大涡型”最为稳定,河套春、夏季降水也是稳定的多或少(对大地热或冷涡);“小涡型”的稳定性不如大涡,但做夏季预测时可参考大涡型;“东西相反型”意味着河套地区在地热涡和地冷涡之间,可预测河套地区春夏季降水将是正常;当出现“南北相反”或“系统零乱”型时,预报准确率较低。     

河套地区一次寒潮天气的环流背景及成因

利用常规观测资料和MICAPS提供的相关资料,对2006年3月9—11日在河套地区发生的大范围大风、沙尘暴、寒潮天气的环流形势及物理量进行分析。分析表明:影响本次沙尘暴的高空系统是斜压性很强的蒙古横槽及北路冷空气南压形成的密集的高空锋区,地面蒙古气旋的暖性性质为沙尘暴的爆发提供了有利的热力条件;沙尘暴发生前期河套及上游地区干暖的气候条件及下垫面增厚的干土层及沙区,对沙尘暴的发生提供最基本的环境条件。另外,高空蒙古横槽南压、转竖是寒潮爆发南下的关键点;地面蒙古气旋的东移及地面冷高压中心强度达到1060.0hPa是寒潮爆发南下的必要条件;蒙古横槽诱发北路冷空气南压,使地面冷高压前沿气压梯度的不断加强加剧了寒潮爆发的速度。     

2012年7月21日北京特大暴雨成因分析

2012年7月21日10时至22日02时,北京经历了自1963年8月8—9日极端降水事件以来最强的一次降水过程,导致人民生命和财产重大损失。文章对此次极端降水过程进行了详细分析和探讨,主要结论是:(1)高空低槽伴随地面冷锋东移,在华北遇到副热带高压和山西地形阻挡移动缓慢;另外2012年第8号台风韦森特登陆前,台风低压和副热带高压之间形成强气压梯度,导致通向华北地区的东南风/南风低空急流建立并加强,为华北地区输送了充分的水汽,为北京特大暴雨的发生提供了极为关键的条件。(2)导致北京极端暴雨的中尺度对流系统MCS起源于河套地区低层涡旋的发展。河套地区在7月20日20时左右类似热带气旋形态的α中尺度涡旋的形成有可能与涡旋自组织机制有关,而上述MCS系统是20日20时河套地区类似热带气旋形态的α中尺度涡旋的主要降水部分,该MCS系统从形成到消散历经44小时,其超长的生命史的主要原因包括:(a)其始终具有的明显的正垂直螺旋度(由正的垂直涡度和垂直上升气流组合而成)阻止了其动能向较小尺度串级输送;(b)低层暖湿平流、对流云团云顶辐射降温、下游地区正的对流有效位能这些使对流维持和加强的因素强过由对流垂直混合和非绝热加热等导致的对流消散的因素,或二者处于大致动态平衡的状态;(c)该MCS位于地面冷锋之前的暖区和地面的低压槽内,也始终位于500 hPa低槽前的正涡度平流区,那里盛行天气尺度上升气流。(3)21日北京及周边环境非常有利于大暴雨发生,包括500 hPa明显的正涡度平流、1000～2000 J·kg~(-1)的C APE值、深厚的湿层、强的低空急流、高的地面露点温度和异常大的可降水量。(4)21日08—20时,MCS主轴的走向与太行山和风暴承载层平均风(西南偏南风)大致平行,加上东部副热带高压的阻挡,使得MCS系统移动缓慢。中午之后加强的东南或偏南低空急流在向MCS区域输送大量水汽的同时,低空急流在太行山东坡强迫抬升,使得不断有新的单体在MCS强降水区的西南侧生成,在随后向东北偏北方向的移动过程中加强、维持和最终衰减,向西南方向的后向传播和速度更快向东北向的平流结合导致对流单体反复经过同一区域,形成列车效应,整个MCS系统在西风槽推动下缓慢东移的同时,不断有强回波移入北京地区,导致极端的降水。(5)21日12时以后逐渐增加的深层垂直风切变导致很多小型超级单体形成,其内部的旋转与环境垂直风切变的相互作用导致更强的上升气流、更大的雨强和更长的对流单体生命史,对极端降水事件的形成也起到一定作用。     

基于改进SWAT模型的灌溉—施肥—耕作对乌梁素海流域营养物负荷及作物产量的影响

不合理的灌溉、施肥和耕作是导致乌梁素海流域农业面源污染的主要根源,乌梁素海作为我国北方地区重要的生态安全屏障,多年来面临着湖泊水环境污染、水生态退化等问题,科学开展湖泊水环境综合治理首先要解决流域内农业面源污染问题.研究通过修改土壤水平衡、溶质平衡、地下水平衡和作物生长等模块对SWAT 2012原始版本进行改进,并采用改进的SWAT模型构建了乌梁素海流域分布式水文模型,利用实测径流、硝态氮与总磷排放量、地下水埋深以及作物产量校正和验证模型.基于现状情景,以玉米、葵花和小麦3种主要作物为研究对象,设置了削减灌水量、施肥量及调整耕作方式3种农田管理情景.基于改进SWAT模型不同情景的模拟结果,计算分析各管理情景下的硝态氮与总磷负荷及对各作物产量的影响.结果表明,改进SWAT模型具有良好的模拟效果.不同作物削减5%夏灌水量增产最多达8.41%～10.32%,削减10%秋浇水量均明显减少硝态氮和总磷负荷.不同作物营养物负荷均随着氮磷施肥削减比例的增大呈现逐渐降低的趋势,但下降曲线逐渐趋于平缓;各作物产量随氮磷施肥削减比例的增加呈先增加后减少的趋势,其中玉米、小麦氮磷施肥削减比例达20%时产量开...     

内蒙河套地区黄河阶地与新近纪砾石层的发现及其对黄河发育、中国河流古老性与河湖共存论的意义

通过内蒙河套地区的多次野外调查和多个横穿黄河河谷剖面的测量,热释光(OSL)与电子自旋共振(ESR)年龄样品的采集和测定,以及与黄河上中游其它河段和长江及中国其它河流河段的对比,从而取得了如下几方面的发现与认识:(1)河套地区不仅包括了具有多期湖泊发育,堆积了厚达数千米的晚新生代河湖相地层的断陷盆地,而且在其北侧的阴山山脉南麓,特别是南侧的鄂尔多斯高原北缘,还保存着拔河高度可达300m或更高的黄河9级阶地(T1～T9)。其中,T1的拔河高度2～12m,为内叠的堆积阶地,由松散的砂砾层组成,沿黄河及其支流均有分布。T2至T4,拔河高度分别为12～45m,28～80m和60～115m,阶地高度有自下游向上游变小的趋势。这些阶地大多分布在河套盆地之内,往往以河套古湖的湖相沉积为基座,在鄂尔多斯高原北缘,有时以三趾马红土或古近纪地层甚至基岩为基座,在阴山南麓,则以湖相地层、古近纪地层或基岩为基座,往往缺少三趾马红土。河套古湖的湖相沉积往往呈海拔1080～1100m的湖积台地出现,如在托克托东南表现最为明显。在湖积台地之上,有时能见到马兰黄土覆盖,其底部甚至有隐约的古土壤层S1出现。T5至T8,拔河高度分别为75～160m,130～200m,170～260m和250～295m,也有下游高差大、上游相对较小的趋势。组成阶地的砾石层或砂砾石层,有时与含1至多条古土壤的黄土互层,而以三趾马红土或古近纪地层甚至基岩为基座。有时在阶地沉积或三趾马红土之下,保存有河流相的砾石或砂砾石层,部分已被钙质胶结而成为砾岩或砂砾岩,显然是古黄河的沉积物。T9阶地我们只在黑赖沟剖面的两个地点发现,其拔河高度为290～315m,且下伏含有多达22层白色钙质结核层的三趾马红土的基座。(2)ESR与OSL测年结果表明,阶地的时代贯穿了整个第四纪时期。其中,T1形成于全新世中期:T2至T4分别形成于晚更新世晚期、中期和早中期;河套古湖沉积形成于晚更新世早期;T5～T9分别形成于中更新世晚期、中期、早期、早更新世晚期和早期。在黄河T5～T8之下,特别是其基座的三趾马红土之下所发现的古黄河的砾石层、砂砾层或胶结的砂砾层,其所夹砂层的石英热活化法ESR年龄测定结果为中新世或上新世。(3)研究表明,自新近纪以来,黄河不仅一直存在于强烈下沉的河套盆地,而且也徘徊在与其相伴的、长期持续但具有不同隆升幅度的阴山山脉南麓和鄂尔多斯高原北缘之间。这表明,即使在河套断陷的成湖时期,无论是断陷湖还是堰塞湖,黄河不仅可以从一端注入湖泊并从其另一端流出,而且河道也可以在湖泊的一侧或两侧流动。这就是河湖共存。(4)作者在对黄河整个上-中游及部分其它河段考察与研究的基础上还发现,自新近纪早中期以来,黄河就是一条上、下游贯通的古老大河,尽管古黄河的遗迹已受到不同地质构造单元的不同特征的地壳运动的影响而发生了巨大的破坏与变动,使其保存状况和连续性远不如第四纪不同时期的古黄河遗迹。(5)湖泊与河流是可以共存的。黄河并非泄空了某个断陷盆地(如三门古湖、河套古湖、贵德古湖、共和古湖等)才开始出现的,也不是第四纪以来因溯源侵蚀而逐段贯通的。黄河干流所流经的众多断陷盆地,可以多阶段成湖,也可以多次泄空;河道可以像现今梯级开发的水库而与古湖呈串珠状相连,也可以流经其旁与之并列;但黄河始终存在。(6)黄河自中新世早中期形成以来,可以深深地切割隆升地段的高山高原低山丘陵,形成沿途许多巨大的峡谷与多级河流阶地,也可以不断地充填所途经的强烈断陷地段的盆地谷地平原,形成巨厚的晚新生代地层,但黄河则始终存在,甚至在不同时期均能保留其大体呈抛物线状的河流纵剖面。(7)新近纪以来,黄河不仅一直存在于强烈下沉的河套盆地,而且也徘徊在与其相伴但具有不同隆升幅度的阴山山脉南麓和鄂尔多斯高原北缘之间。这表明,它不仅在不同河段可以同时穿越许多个隆升的高原山地和沉降的盆地平原,而且同一河段也可以游荡在隆升的山地或高原及下沉的平原或盆地之间。河套地区就是一个河湖多阶段共存的典型范例。(8)作者综合对黄河、长江等中国大型水系干流河谷发育问题的初步研究结果,提出如下几点想法供今后研究加以重视:(1)黄河与长江等中国其他典型的大型河流应该都是古老的,并且大多至少形成于中新世早中期,这就是中国河流的古老性。但因研究程度限制,目前对这些河流的最初发育情况并不清楚。(2)在河流的长期发育过程中,会由于内外动力的原因(如构造升降运动、断裂活动、地震、冰川作用、崩塌滑坡泥石流灾害等),在某一或某几个河段,会有一段或几段或长或短的时期,有构造湖或堰塞湖发育,但因河流规模巨大,始终能穿过这些湖泊或者在其旁流过,这就是河湖共存论。用湖泊贯通或河流袭夺解释中新世以来就已经存在的黄河、长江和中国其他河流是近期形成的观点,是值得商榷的。而要寻找黄河和中国其他河流的起源,是否由袭夺而来的问题,则至少要在中新世初或之前的古近纪去解决。(3)一条源远流长的大型河流一旦形成,由于其水量充沛,侵蚀与堆积能力很强,一般的内外动力作用都是难以阻挡的:它能穿过强烈活动的构造带并侵蚀切割因构造引起的隆升地段,在高山高原低山丘陵上形成峡谷或多级阶地;也能在长期下沉的盆地谷地平原中,不断地充填堆积,形成巨厚的冲积层,即使在其流经地区会有多段不同性质与幅度的升降运动不断地改变其纵剖面,但每条河流除其源头段的小河或冲沟外,在其绝大多数时段,都会大体保存其抛物线状的形状。受到调查研究程度的限制,目前仍无法完整地勾绘新近纪不同时期古黄河的位置和恢复其演变历史,也因缺少对河套断陷中的晚新生代地层的详细研究及其与断陷之外受到构造变动的古黄河沉积物的对比研究,而无法恢复其确切的升降运动幅度与速率,这些都期待能在今后的研究中加以解决。     

基于随机森林建模预测河套盆地高砷地下水风险分布

河套盆地浅层地下水砷污染严重,对当地居民健康造成严重影响。当前对河套盆地浅层地下水高砷分布的研究受限于采样时间和样本数量,难以从宏观角度对河套盆地高砷地下水的空间分布作出较为全面的评价。本文基于研究区506个浅层地下水样品,以9个地表环境参数为初始预测变量,经过最佳变量组合筛选,采用随机森林建模来产生风险概率,评价了预测变量的重要性以及对高砷地下水的影响。以气候因子为动态预测变量,根据模型识别不同季节地下水高砷的概率分布并制作了风险区专题图。结果表明：研究区的地下水样品砷含量为0.05~916.7μg/L,超标率（砷浓度>10μg/L）为50%;地下水高砷风险区主要分布在河套盆地的沉积中心地带,但冬季高砷风险区面积减少1907km²,占研究区总面积14.14%;降水、干旱指数、排灌渠影响、潜在蒸散、温度是影响高砷地下水最重要的指标。研究认为,河套盆地的气候变量（降水、干旱指数）与含水层砷含量显著相关,控制高砷地下水在河套盆地的沉积中心地带发生季节性变化。     

内蒙古河套盆地晚更新世晚期化石动物群

河套盆地上更新统地层发育,在盆地北侧的山前构成台地,为一套黄色、灰白色河湖相砂砾石层,夹黄绿色粉砂、细砂层,产多种哺乳动物化石,包括5目19属,其中诺氏古菱齿象化石点9处、披毛犀7处、马鹿7处、大角鹿2处,并发现了属于大角鹿演化晚期阶段的新种化石包头大角鹿。哺乳动物群化石中既有喜冷的披毛犀、普氏野马、马鹿等,也有喜温湿的诺氏古菱齿象。除了象类以树干、干草类为食、虎和鬣狗为肉食类外,其余均为以草原生存的大型食草动物。地层和化石的年龄表明该动物群较萨拉乌苏动物群更为年青,建议定名为包头动物群,地质年代为晚更新世晚期,同位素年龄为距今4.0～2.2万年,是在河套古湖周边生息繁演、适应于较为温凉气候条件和稀树草原环境下生存的一个食草动物群,末次冰期以后大多数哺乳动物已灭绝。包头动物群明显地晚于萨拉乌苏动物群,与峙峪动物群和北京周口店山顶洞动物群具有较多的相似处,应同属晚更新世晚期动物群。     

河套平原西部地下水砷富集机制研究

干旱内陆盆地高砷含量的地下水威胁着当地饮用水安全，其形成机制尚不完全清楚。为厘清这类高砷地下水的形成机制，本文以河套平原西部地下水为研究对象，分析其中As等部分氧化还原敏感元素含量和氢、氧同位素组成(δD和δ¹⁸O)。结果表明，地下水样的As的质量浓度为1.5～155μg/L(均值为36.7μg/L),超半数样品超过10μg/L,主要分布于盆地中部的浅层含水层。水样的氢、氧同位素组成和离子间的相关性分析表明，虽然蒸发浓缩作用导致地下水富集Na⁺和Cl^-,但对As的富集影响不显著；在偏碱性环境中因解吸附作用产生的As进入地下水，对As的富集有一定贡献；负载As的铁氧化物还原性溶解和沉积物中的As(V)还原性解吸附是地下水中As富集的主要原因；强还原环境中，硫酸盐还原作用形成的硫代砷可能会促使As在地下水中高度富集。