北极海冰对中国西北地区东部主汛期7月降水分布型的可能影响

选取1961-2020年中国西北地区东部154个气象站7月降水、NCEP/NCAR大气再分析及北极海冰资料,利用SVD分解等统计诊断方法,分析了北极关键区海冰对西北地区东部主汛期7月降水主要模态分布型的可能影响途径。结果表明:影响西北地区东部7月降水异常分布型主要有两种海冰模态,一种是当巴伦支海、千岛群岛海域海冰密集度偏小(大),戴维斯海峡海冰密集度偏大(小)时,激发从戴维斯海峡向东南以及从鄂霍次克海向西南方向传播的波列,使得我国西北地区东部上空500 hPa位势高度场距平为“西高东低”(“西低东高”)的分布,造成区域降水异常为“一致偏少(多)”分布型;另一种当波弗特海东海域海冰密集度偏小时,激发从里海东传至鄂霍次克海的波列以及配合我国华南上空的正位势高度异常,使得冷空气路径偏东、偏南以及西太平洋副热带高压偏强,造成研究区降水异常为“北少南多”分布型,反之为“北多南少”分布型。利用“SVD投影法”建立的海冰关键区因子预测模型,其对西北地区东部主汛期7月的降水距平符号的把握及空间分布型具有一定的预测能力,尤其对“区域一致少型”和“北多南少型”的预测效果较好。

基于印度洋海温信号的我国西北地区东部夏季降水组合降尺度预测方法研究

利用国家气候中心第二代气候模式预测业务系统(BCC-CPSv2)预测产品,引入印度洋海温信号,采用组合降尺度方法建立了西北地区东部汛期降水预测模型。该预测模型对1991—2017年西北地区东部夏季降水的回报技巧较BCC-CPSv2预测技巧显著提高,空间相关系数由0.42提高到0.75,均方根误差明显减小,最多下降达80%。预测模型对降水空间分布型的预测能力较好,很好地回报了典型年份(1987年和2010年)夏季的降水距平百分率分布。通过抓住气象变量的空间分布特征,组合降尺度方法可以修正动力模式产品的预测误差,为西北地区东部夏季降水预测提供科学依据和技术支持,具有较好的应用前景。

西太平洋台风活动对中国西北地区东部夏季降水的影响

基于1979~2020年(42年)降水及台风资料,利用常用的统计方法和随机森林方法,研究了西太平洋台风对我国西北地区东部(33°N~45°N,93°E~110°E,ENWC)降水的影响。结果发现,在台风频数和降水量都出现峰值的7、8、9月,出现在西北太平洋的台风对台风期间的ENWC平均日降水(TP)有影响。7月份台风的位置和强度对降水影响显著,8月份台风的位置、强度和频数对降水都有影响,9月份影响较小。台风的影响具有地域选择性,不同的月份这种选择性不同,对不同等级降水的影响也不同。其影响主要表现在EOF分解的第二模态以及强降水和极强降水等级上,这说明了台风不是影响TP的主要因素,这种影响是间接的和非线性的,台风的出现是通过影响东亚地区中高纬度的槽脊系统、西太平洋副热带高压以及低纬度低涡的强度和位置来形成有利于降水的条件,从而影响降水的分布和强度。相对于多元线性回归方法,基于随机森林方法建立的降水模型能更好地拟合出降水分布和强度,这说明台风对TP的影响主要是非线性的,且降水强度越强,非线性作用越明显。同时,随机森林模型也显示出台风的位置是影响ENWC降水的最关键因素。

西北地区东部春夏季旱涝转换环流特征及其与大西洋海温的关系

随着全球变暖,旱涝异常的强度和频率不断增加,为增进对旱涝异常转换事件的认识,提高西北地区东部降水预测水平,利用1979—2020年我国西北地区东部逐月降水、海表温度(Sea Surface Temperature, SST)数据以及NCEP/NCAR环流再分析资料,通过建立旱涝转换指数,对西北地区东部春、夏季旱涝转换环流特征进行分析,并围绕大西洋SST异常对其可能产生的影响进行探讨。结果表明:西北地区东部旱转涝年,春季极涡偏弱,乌拉尔山阻塞高压偏强,东亚大槽偏深,西北地区东部受西北干冷气流控制,降水易偏少;夏季上游低值系统活跃,南亚高压偏强,西太平洋副热带高压偏强、偏西,西北地区东部受副热带高压和上游低槽系统共同影响,且有暖湿气流,降水易偏多,涝转旱年情况相反。上年冬季至当年夏季,大西洋类“三极子”型的SST异常是造成季节间降水明显差异的关键因子,旱转涝年春季大西洋类“三极子”负位相的SST状态激发出一支纬向型遥相关波列,经欧洲中西部、巴尔喀什湖地区东传至我国东北至日本海一带,此时中高纬环流形势有利于西北地区东部降水偏少;夏季SST异常激发的波列强度减弱、位置西移,中高纬关键环流系统的强度和位置较春季明显调整,转为有利于研究区降水偏多的环流形势,涝转旱年相反。

不同时间尺度海温因子对西北地区东部夏季降水的影响及预测

利用1961—2020年中国西北地区东部夏季降水量月平均资料、NCEP/NCAR环流再分析以及英国Hadley逐月海表温度(SST)资料,采用功率谱、合成分析、多元线性回归等,分析了西北地区东部夏季年代际、年际降水分量的主导海温模态,并利用时间尺度分离前后得到海温因子分别建立降水预测模型。结果表明:(1)西北地区东部夏季降水不仅具有30 a左右的年代际震荡周期,还具有准3 a的年际周期,其中降水的年代际分量由太平洋十年际涛动(IPO)主导,春、夏季IPO正位相时,有利于西北地区东部夏季降水处于偏多的背景;反之,处于降水偏少背景。(2)降水年际分量的主导信号来自热带印度洋、热带西太平洋和北大西洋,当春季热带印度洋呈类全区一致海温模(IOBW)负(正)位相、类北大西洋三极子(NAT)为正(负)位相及热带西太平洋为冷(暖)海温异常时,有利于夏季中高纬贝加尔湖地区出现高(低)压异常,西太平洋副热带高压偏弱(强)、偏南(北),西北地区东部降水易偏少(多)。(3)独立检验时段内,基于时间尺度分离模型的西北地区东部夏季降水年均趋势异常综合评分(Ps)、符号一致率评分(Pc)分别较原始模型提高6%、7%,具有一定的预测能力。

西北地区东部干旱半干旱区极端降水事件的变化

应用面积权重方法,利用西北地区东部80个测站1960—2000年的资料,对降水的变化及极端降水事件进行了分析。结果表明:西北区东部的气候在近十几年变得更加极端。降水量虽然没有一致的增加或减少的趋势,但自从1990年开始,降水距平百分率低于气候平均值,变化异常;降水异常偏多的区域呈减少趋势,到20世纪90年代中期以后,就几乎没有出现过降水异常偏多的区域;1960—1962年连续3年降水异常偏少的情况是近40a来少见的,这种偏少主要发生在干旱地区;90年代的异常偏少则是全区域的,特别是在湿润、半湿润地区,降水偏少尤其明显;1997年降水偏少最为明显,偏少的区域达20%以上。而在这种气候背景下,90年代极端降水事件并没有减少。

西北地区东部季节干旱的时空变化特征分析

干旱作为我国西北地区东部影响最大的气象灾害,可引起农业减产、水资源短缺、土地荒漠化和生态环境恶化等严重问题.在国家新一轮西部大开发战略实施之初,在全球气候变暖背景下,有必要对干旱发展的最新特征和演变趋势进行详细分析研究,为加强防旱、抗旱,促进经济发展提供科学决策依据和参考.采用国家干旱标准综合干旱指数(CI指数),利用西北地区东部74个气象代表站逐日气温、降水资料,分析了西北地区东部不同级别干旱日数在各个季节的时空分布和变化趋势.结果表明:在气候变暖背景下,西北地区东部从长期趋势看,春、夏、秋季干旱呈加剧趋势,冬季干旱呈减轻趋势.21世纪以来春、夏季干旱进一步加剧,尤其是夏季加剧更显著,而秋、冬季干旱出现了减弱的新趋势.在西北地区东部主降水期3-11月重-特旱加剧趋势比轻-中旱加剧显著,南部干旱化趋势比北部更加明显.尤其是宁夏同心地区春旱加剧非常显著,已成为西北地区东部重-特旱最严重的地区.对于干旱发展的这一新动态,必须引起有关部门的高度重视,采取科学、有效手段加强防旱、抗旱.

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。

热带印度洋海温与西北地区东部降水关系研究

利用西北地区东部1961 2009年99个气象测站逐月降水量资料,以及Hardley中心逐月海表面温度(SST)资料,采用最大协方差分析(MCA)、相关、回归等统计方法,考虑扣除ENSO(El Ni珘noSouthern Oscillation)影响后,分析了西北地区东部降水量和热带印度洋SST之间年际、年代际变化关系。结果表明:前期冬、春季持续异常的热带印度洋海盆模与西北地区东部5月降水异常主模态存在显著正相关关系,通常超前1~2个季节的暖(冷)海盆模对应5月西北地区东部降水偏多(少),并且这种显著关系存在年代际差异,20世纪70年代中期之前两者关系不显著,之后两者关系加强,通过了0.05显著性水平检验。热带印度洋海盆模对西北地区东部5月降水的影响可能是热带印度洋海盆模"电容器"效应的一种具体体现。

西北地区东部夏季不同等级降水的空间分布特征及其在旱涝年分布的差异

根据我国西北地区东部59个气象台站近50 a(1965-2014年)的逐日降水资料,将降水划分为小雨、中雨和大雨3个等级,分析了该地区夏季不同等级降水的降水量、降水日数和降水强度的空间分布特征,并讨论了不同等级降水量及降水日数与夏季总降水量的关系及其在典型旱涝年的空间分布差异。结果表明:(1)西北地区东部夏季降水日以小雨为主,约占总降水日数的81%;但在夏季总降水量中,小雨、中雨和大雨降水量相当,各约占1/3。(2)该地区夏季不同等级降水量、降水日数和降水强度的空间分布不均,但均大致呈现出由南向北递减的空间分布特征。(3)该地区夏季总降水量与中雨日和大雨日的相关关系显著,表明中雨以上量级降水日数的变化可基本反映夏季降水量的变化。(4)西北地区东部典型涝(旱)年,降水量的偏多(少)主要是由于中雨以上等级降水日数偏多(少)引起的中雨量和大雨量偏多(少)所致。

西北地区东部短时强降水概念模型

利用2001-2011年NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料对影响西北地区东部的天气环流形势进行分型,分析了各类天气型下短时强降水的时空特征和气候特征,以短时强降水发生的时间和环流状态为着眼点,结合能量天气学理论分类建立了西北地区东部短时强降水的低涡型、低槽型、两高切变型和西南气流型等4类天气学中尺度概念模型。结果表明:西北地区东部区域性短时强降水事件的天气型有明显的季节性特点和区域性特征。时间上,春末夏初和秋季主要为低槽型短时强降水,而盛夏主要为西南气流型和两高切变型;空间上,戈壁荒漠区以低槽型短时强降水为主,青藏高原东北边坡区以西南气流型为主,而黄土高原区和秦岭以南区以西南气流型和低槽型为主。

用Palmer湿润指数作西北地区东部冬小麦旱涝评估

根据Palmer气象干旱指数(PDSI)的中间量Palmer湿润指数原理,计算了西北地区东部冬小麦农气观测站延安、咸阳等多个站点1961—2000年逐月Palmer湿润指数,对各站点的冬小麦不同发育期的旱涝情况做了初步的验证和应用。Palmer湿润指数与Z指数对比结果表明:Palmer湿润指数对农作物旱情分析更具有客观性,分析结果更符合实际情况,因而可以作为我国西北地区东部农作物旱涝的评估工具。

西北地区东部夏季极端降水量非均匀性特征

利用极端降水量集中度和集中期讨论西北地区东部夏季极端降水量的非均匀性分布特征。结果表明:西北地区东部夏季极端降水量集中度与集中期的空间差异并不大;西北地区东部夏季极端降水量的季节内分配状况同夏季极端降水量存在较好的相关性,极端降水量越集中、集中期越早,则极端降水量越少,反之亦然;东亚夏季风同西北地区东部夏季极端降水量、极端降水量集中期存在负相关,与极端降水量集中度存在正相关。

西北地区东部夏季水汽输送特征及其与降水的关系

采用ERA Interim再分析资料和160站逐月站点降水资料,运用经验正交函数(EOF)分析、合成分析等方法揭示了西北东部3个分区的水汽输送的区域气候特征、与降水EOF气候模态相对应的整层水汽输送特征以及降水偏多(少)年的水汽输送异常特征。结果表明:西北地区东部夏季经向水汽输送的大值区处于900 h Pa^800 h Pa高度上;纬向水汽输送大值位于700 h Pa^500 h Pa高度上。对西北东部降水做EOF分析,第一模态为全区一致型,与降水相对应的西风影响区主要盛行西风水汽输送,季风边缘区的南部盛行西南风水汽输送;第二模态为东南-西北型,东风、东北风水汽输送流入西北东部地区;第三模态为东北-西南型,西风和西北风水汽输送将水汽带到西风影响区内。

西北地区东部耕作层土壤湿度近22年变化分析

利用西北地区东部17个测站1981～2002年3～10月固定地点测得0～30 cm土壤湿度资料,分析了近22 a来西北地区东部耕作层土壤湿度的空间变化和时间变化。结果表明:土壤湿度自西南向东北减少;1981～2002年呈现明显下降趋势,20世纪80年代前半期处于峰值;湿度变化大多有5～6 a的周期,1986～1988年为较为一致的干旱时期;春、夏、秋三季中春季湿度最小,秋季最大;22 a中春、秋季湿度下降明显,显著减少区位于陇中。

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50a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50a,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。

用卫星资料反演中国西北地区东部蒸散量的遥感模型

根据定西干旱气象与生态环境试验基地的麦田微气象观测和研究区的124个气象站常规资料，结合NOAA-16／AVHRR的资料，采用地表能量平衡算法的卫星遥感模型估算了中国西北地区东部4—8月的日蒸散量及其区域分布，并按气候和土地利用类型分别统计灌溉农田、干旱草地、冬春小麦农田、针阔混合林、常绿林和沼泽草甸等不同地表的蒸散量平均值和标准差，揭示了作物不同生育期自南到北由湿润的常绿林区至半干旱雨养农田直到干旱的荒漠地带的蒸散递减的分布特征。模型探索了卫星遥感无法得到近地层气温的难点，从而提高计算精度。经试验区54站蒸发皿推算的日蒸散量检验，相对误差为16．6％，与定西用LI7500型CO2／H2O通量仪实测的日蒸散量误差仅16．2％。结果表明计算的蒸散量与实测值在整个试验区内有良好的一致性。

MOS方法在西北地区东部春季干旱预警中的应用与检验

应用西北地区东部40个气象站1982—2005年3—5月逐月气象干旱综合指数(C_i指数)以及同期国家气候中心动力延伸预报1～30天的500 hPa平均高度场,利用MOS方法在数值预报产品释用方面作了应用及检验。结果表明:预报方程预测C_i指数的平均预测准确率仅为66%,但经过订正后,按40个站的序列分析,春季平均预测准确率上升为77%,平均准确率提高11%,3月幅度最大提高15%,5月幅度最小提高了8%,尤其是最小值提高的幅度最大,平均提高25%。

西北地区东部强降水过程与大气低频振荡关系分析

利用Butterworth带通滤波器对降水量、风场、相对涡度、OLR进行了30~50天滤波处理,分析了西北地区东部强降水低频特征及与大气低频振荡的关系。结果表明,2012年5—9月期间该地区降水主要集中于6月中旬至9月中旬,尤其集中于6、7、8月的月末,降水存在30天左右的周期振荡,强降水均发生在低频滤波曲线的正位相时段。西北地区东部强降水过程均发生在低频偏南气流与低频偏北气流汇合后低频偏南气流时段;正好出现在相对涡度30~50天低频振荡的正位相期及附近;大多发生在对流扰动的负位相区,也就是强对流活动区,其中45°N以南的负位相对流振荡向南传播及该地区西面的负位相对流振荡向东传播到此,共同形成了该地区的强降水过程。应用大气低频振荡方法对西北地区东部强降水过程进行预报,近4年预报准确率在67%以上,预报时效在1 0~30天,有效地衔接了天气与气候预报的时间缝隙。

越赤道气流与西北地区东部夏季降水的联系

利用1951—2002年NCEP/NCAR再分析月平均气候资料和西北地区东部夏季降水资料,研究了越赤道气流的年际变化及其对西北地区东部夏季降水的影响。结果表明,自1951年以来,越赤道气流总量呈增强趋势,且持续性好;索马里急流是最主要的越赤道气流,且比较稳定,它是影响西北地区东部夏季降水的重要环流因素。