利用中国气象局国家气象信息中心研发的中国气象局陆面数据同化系统(China Meteorological Administration Land Data Assimilation System,CLDAS)大气近地面强迫资料,驱动美国国家大气研究中心公用陆面模式(Community Land Model,CLM3....利用中国气象局国家气象信息中心研发的中国气象局陆面数据同化系统(China Meteorological Administration Land Data Assimilation System,CLDAS)大气近地面强迫资料,驱动美国国家大气研究中心公用陆面模式(Community Land Model,CLM3.5),对中国新疆地区土壤温度时空分布进行逐小时Off-line模拟(模拟时段为2009—2012年);利用国家土壤温度自动站(新疆区域105站点)数据验证CLDAS驱动场强迫下的CLM3.5模式在中国新疆地区3个土壤层(5cm、20cm和80cm)的土壤温度模拟能力。研究发现:在月变化方面,第1层(5cm)土壤温度模拟与实测值差异最大,在每年7月最大差异达5k左右;第2层(20cm)在每年7月达最大差异(3k左右),而第3层(80cm)在每年7月均模拟的很好。造成这种现象的原因可能因为新疆地区7月前后浅层土壤温度变化剧烈,温度白天最高可达300K以上,昼夜温差大,导致模式不能很好抓住浅层土壤温度的变化趋势。研究还发现,在80cm土壤深度,模式在1月、12月的模拟结果均较前两层差。在日变化方面,研究发现:较浅的两层(5cm和20cm)土壤温度模拟值在夏季和秋季均较差。与月变化模拟结果类似的是,80cm土壤层日变化在1、12月模拟较差,然而在其他时段却模拟的很好。在小时变化方面,分析发现:第1层土壤(5cm)模拟结果在每年的1—4月及9—11月的全天(即24 h),模式也会有不同的偏差:其中,在03UTC—21UTC之间主要表现为模式结果比观测结果偏高,而在日内21UTC—00UTC主要表现为模拟结果偏小。在每年的5—8月,全天模拟值都偏小,其中在09UTC达当日最大值。而距离第2层(20cm)处的土壤温度模拟值在大部分月份都偏差较小(-1K至1k之间),并在日内12UTC偏差达到当日最大值。研究发现,在土壤20cm处,模式模拟的最大值较观测值提前,而第3层(80cm)的土壤温度基本不受日内变化影响,表现较为平稳。造成这种影响的原因可能是因为新疆地区5—8月、9—11月为昼夜温差大,深层土壤温度较浅层土壤温度温差变化小,这也造成了模式对于浅层土壤模拟较深层差的主要原因。总体研究表明:CLDAS驱动场强迫下的CLM3.5模式可较为精确的模拟中国新疆地区多年平均土壤温度时空分布,并较为准确的反映中国新疆地区土壤温度的小时、日、月及年际的变化规律。模式浅温度模拟不好的原因可能与模式参数化方案及地表参数有关,后期将继续修正该问题。展开更多
利用大气和水文模型定量描述陆表相关变量变化规律一直是大气科学和水文学界的研究热点。然而,由于我国西部地区站点匮乏,传统气象观测站点已不能满足大尺度地表分量高精度模拟分析的需求。建立SWAT模型中国大气同化驱动数据集(China Me...利用大气和水文模型定量描述陆表相关变量变化规律一直是大气科学和水文学界的研究热点。然而,由于我国西部地区站点匮乏,传统气象观测站点已不能满足大尺度地表分量高精度模拟分析的需求。建立SWAT模型中国大气同化驱动数据集(China Meteorological Assimilation Driving Datasets for the SWAT model,CMADS)驱动SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型(简称为CMADS+SWAT模式),选取传统气象站点稀缺的新疆精博河流域为靶区,完成流域各地表分量(如土壤湿度、雪深、融雪)校准、验证及其时空关系提取与分析。分析发现:CMADS数据集可很好地驱动、率定SWAT模式完成本地化工作。其中,CMADS+SWAT模式在月尺度上总体NSE效率系数均在0.659—0.942,日尺度也均在0.526—0.815。对流域内土壤湿度和融雪过程进行相关分析发现:精博河流域土壤湿度在年内3—4月份达到其第一次峰值,主要贡献来自于流域内高山融雪现象;融雪期结束后,流域降水量增加,伴随气温上升等现象导致土壤温度呈现波动态势,至10月中旬冷空气过境产生较大降水(雪),最终使土壤水转变为冻土,直至次年接近融雪期,土壤水再次增加直到融雪过程结束。一方面证明CMADS+SWAT模式可有效提高SWAT水文模型在我国西北干旱区(站点稀缺区域)的表现能力,另一方面理清了精博河流域相关地表分量(土壤湿度、蒸发等)时空演变规律。本研究对我国大气水文学科发展将起到一定的科学促进作用。展开更多
水文模式在较长的发展阶段由简单的概念模型逐步演变复杂的分布式物理模型,大气学科的各类气候模式在近年来迅猛发展同时也逐步带动了水文学的发展。从大气、水文两个学科发展角度纵向开展研究,通过分析以往研究成果认为,虽然大气、水...水文模式在较长的发展阶段由简单的概念模型逐步演变复杂的分布式物理模型,大气学科的各类气候模式在近年来迅猛发展同时也逐步带动了水文学的发展。从大气、水文两个学科发展角度纵向开展研究,通过分析以往研究成果认为,虽然大气、水文模式在其各自的发展已经到达了较为完善的地步,然而其相互耦合并取长补短的优势并未发挥。在探讨大气、陆面及水文模式发展的基础上,选取XJLDAS(Xinjiang Land Data Assimilate Datasets)大气陆面同化系统,CLM3.5(Community Land Model,Version 3.5)公用陆面模式及快速汇流模式RAPID(Routing Application for Parallel computation of Discharge)作为关键耦合对象,利用以上耦合系统对新疆精博河流域径流过程进行模拟。通过研究分析,认为:XJLDAS+CLM3.5+RAPID模式可较好地重现流域地表径流年内分布状况,然而,由于陆面参数化方案选取等原因,研究区径流量出现一定偏差。此外,在本研究中发现,陆面模式径流汇流模拟结果与实际结果存在一定偏差,将这种偏差进行分析后发现:在进行大尺度水文模拟时,需要在考虑在研究区相关地理特性(如地质构造、地表覆被)基础上进行模式相应改进,以最大限度的重现大尺度径流真实过程。展开更多
干旱区植被生态系统对气候变化极为敏感,并且干旱区的植被变化研究对全球碳循环具有重要意义。然而近几十年来,中亚干旱区植被对气候变化的响应机制尚不甚明朗。利用归一化植被指数NDVI数据集和MERRA(Modern-Era Retrospective Analysis...干旱区植被生态系统对气候变化极为敏感,并且干旱区的植被变化研究对全球碳循环具有重要意义。然而近几十年来,中亚干旱区植被对气候变化的响应机制尚不甚明朗。利用归一化植被指数NDVI数据集和MERRA(Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications)气象数据,采用经验正交函数(EOF,Empirical Orthogonal Function)和最小二乘法等方法系统分析了31a(1982—2012年)来中亚地区NDVI在不同时间尺度的时空变化特征。进一步分析和研究NDVI与气温和降水的相关性,结果表明:1982—2012年,中亚地区年NDVI总体呈现缓慢增长趋势,而1994年以后年NDVI呈现明显下降趋势,尤其在哈萨克斯坦北部草原地区下降趋势尤为突出。这可能是由于过去30年间,中亚地区降水累计量的持续减少造成的。NDVI的季节变化表明春季NDVI增长最为明显,冬季则显著下降。与平原区相比,中亚山区的NDVI值增长幅度最大,并且山区年NDVI与季节NDVI呈现显著增加趋势(P<0.05)。中亚地区年NDVI与年降水量正相关,而年NDVI与气温变化存在弱负相关。年NDVI和气温的正相关中心在中亚南部地区,负相关中心则出现在哈萨克斯坦的西部和北部地区;NDVI和降水的相关性中心刚好与气温相反。此外,在近30年间的每年6月至9月,中亚地区NDVI与气温存在近一个月的时间延迟现象。本研究为中亚干旱区生态系统变化和中亚地区碳循环的估算提供科学依据。展开更多
新疆地区生态环境脆弱且对气候变化敏感,在全球气候变化背景下,新疆生态环境及水资源可持续发展方面均面临巨大的挑战。以新疆降水为重点研究对象,应用欧洲中期数值预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts,ECMWF...新疆地区生态环境脆弱且对气候变化敏感,在全球气候变化背景下,新疆生态环境及水资源可持续发展方面均面临巨大的挑战。以新疆降水为重点研究对象,应用欧洲中期数值预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts,ECMWF)的全球再分析气象数据(ECMWF Re-Analysis-Interim)探究新疆的降水变化规律。研究结果表明:新疆地区南北疆、山地、平原、盆地、荒漠和沙漠不同地域的气候差异极为显著,北疆的降水量多于南疆,西部的降水量多于东部。其中,西部伊犁地区降水量达东部哈密地区的近6倍;此外,山区降水量远多于盆地,天山山区的年降水量约235.65 mm。通过分析1979—2013年降水量数据时间序列和月、季度、年各气候区划的降水量均值和变化趋势发现,新疆不同气候区划的降水量差异显著。其中,天山北坡气候区降水充沛,多年平均降水量达278.52 mm,为新疆降水量最多的气候区,阿尔泰山气候区次之,多年平均降水量达221.91 mm,北疆准噶尔盆地气候区的年降水量为181.87 mm,而南疆塔里木盆地气候区的多年平均降水量仅为66.03 mm。本研究总体认为:新疆降水量时空分布呈现北疆多、南疆少,山地多、平原少,夏季多、冬季少的时空分布特征。研究结果将为新疆水资源对气候变化的响应研究起到重要的推动作用。展开更多
新疆春季积雪融化极易引发融雪性洪水,给当地的农牧业生产和人民生活都带来严重影响和财产损失.融雪中包含复杂的水-热耦合过程,融雪水产流机制受冻土影响,融雪洪水模拟与预报十分复杂,一直是水文研究的难点.新疆大学刘志辉研究团队长...新疆春季积雪融化极易引发融雪性洪水,给当地的农牧业生产和人民生活都带来严重影响和财产损失.融雪中包含复杂的水-热耦合过程,融雪水产流机制受冻土影响,融雪洪水模拟与预报十分复杂,一直是水文研究的难点.新疆大学刘志辉研究团队长期开展季节性融雪洪水模拟与预报研究,在积雪特性监测、冻土融雪水产流机制、分布式融雪径流模型以及融雪洪水预警等方面进行了深入研究.首次提出冻土条件下的融雪水的三个产流机制,即冻土未融化时的超渗产流、冻土部分融化时的饱和产流以及冻融期的交替产流;基于热量平衡和水量平衡研制出分布式融雪径流模型,耦合WRF(Weather Research and Forcasting model)模型实现融雪洪水预报;研制出新疆融雪洪水预警决策支持系统,实现融雪洪水预警系统的应用.研究成果有助于融雪洪水模拟的进一步研究,也为政府部门融雪洪水预警决策提供科学依据.展开更多
文摘利用中国气象局国家气象信息中心研发的中国气象局陆面数据同化系统(China Meteorological Administration Land Data Assimilation System,CLDAS)大气近地面强迫资料,驱动美国国家大气研究中心公用陆面模式(Community Land Model,CLM3.5),对中国新疆地区土壤温度时空分布进行逐小时Off-line模拟(模拟时段为2009—2012年);利用国家土壤温度自动站(新疆区域105站点)数据验证CLDAS驱动场强迫下的CLM3.5模式在中国新疆地区3个土壤层(5cm、20cm和80cm)的土壤温度模拟能力。研究发现:在月变化方面,第1层(5cm)土壤温度模拟与实测值差异最大,在每年7月最大差异达5k左右;第2层(20cm)在每年7月达最大差异(3k左右),而第3层(80cm)在每年7月均模拟的很好。造成这种现象的原因可能因为新疆地区7月前后浅层土壤温度变化剧烈,温度白天最高可达300K以上,昼夜温差大,导致模式不能很好抓住浅层土壤温度的变化趋势。研究还发现,在80cm土壤深度,模式在1月、12月的模拟结果均较前两层差。在日变化方面,研究发现:较浅的两层(5cm和20cm)土壤温度模拟值在夏季和秋季均较差。与月变化模拟结果类似的是,80cm土壤层日变化在1、12月模拟较差,然而在其他时段却模拟的很好。在小时变化方面,分析发现:第1层土壤(5cm)模拟结果在每年的1—4月及9—11月的全天(即24 h),模式也会有不同的偏差:其中,在03UTC—21UTC之间主要表现为模式结果比观测结果偏高,而在日内21UTC—00UTC主要表现为模拟结果偏小。在每年的5—8月,全天模拟值都偏小,其中在09UTC达当日最大值。而距离第2层(20cm)处的土壤温度模拟值在大部分月份都偏差较小(-1K至1k之间),并在日内12UTC偏差达到当日最大值。研究发现,在土壤20cm处,模式模拟的最大值较观测值提前,而第3层(80cm)的土壤温度基本不受日内变化影响,表现较为平稳。造成这种影响的原因可能是因为新疆地区5—8月、9—11月为昼夜温差大,深层土壤温度较浅层土壤温度温差变化小,这也造成了模式对于浅层土壤模拟较深层差的主要原因。总体研究表明:CLDAS驱动场强迫下的CLM3.5模式可较为精确的模拟中国新疆地区多年平均土壤温度时空分布,并较为准确的反映中国新疆地区土壤温度的小时、日、月及年际的变化规律。模式浅温度模拟不好的原因可能与模式参数化方案及地表参数有关,后期将继续修正该问题。
文摘利用大气和水文模型定量描述陆表相关变量变化规律一直是大气科学和水文学界的研究热点。然而,由于我国西部地区站点匮乏,传统气象观测站点已不能满足大尺度地表分量高精度模拟分析的需求。建立SWAT模型中国大气同化驱动数据集(China Meteorological Assimilation Driving Datasets for the SWAT model,CMADS)驱动SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型(简称为CMADS+SWAT模式),选取传统气象站点稀缺的新疆精博河流域为靶区,完成流域各地表分量(如土壤湿度、雪深、融雪)校准、验证及其时空关系提取与分析。分析发现:CMADS数据集可很好地驱动、率定SWAT模式完成本地化工作。其中,CMADS+SWAT模式在月尺度上总体NSE效率系数均在0.659—0.942,日尺度也均在0.526—0.815。对流域内土壤湿度和融雪过程进行相关分析发现:精博河流域土壤湿度在年内3—4月份达到其第一次峰值,主要贡献来自于流域内高山融雪现象;融雪期结束后,流域降水量增加,伴随气温上升等现象导致土壤温度呈现波动态势,至10月中旬冷空气过境产生较大降水(雪),最终使土壤水转变为冻土,直至次年接近融雪期,土壤水再次增加直到融雪过程结束。一方面证明CMADS+SWAT模式可有效提高SWAT水文模型在我国西北干旱区(站点稀缺区域)的表现能力,另一方面理清了精博河流域相关地表分量(土壤湿度、蒸发等)时空演变规律。本研究对我国大气水文学科发展将起到一定的科学促进作用。
文摘水文模式在较长的发展阶段由简单的概念模型逐步演变复杂的分布式物理模型,大气学科的各类气候模式在近年来迅猛发展同时也逐步带动了水文学的发展。从大气、水文两个学科发展角度纵向开展研究,通过分析以往研究成果认为,虽然大气、水文模式在其各自的发展已经到达了较为完善的地步,然而其相互耦合并取长补短的优势并未发挥。在探讨大气、陆面及水文模式发展的基础上,选取XJLDAS(Xinjiang Land Data Assimilate Datasets)大气陆面同化系统,CLM3.5(Community Land Model,Version 3.5)公用陆面模式及快速汇流模式RAPID(Routing Application for Parallel computation of Discharge)作为关键耦合对象,利用以上耦合系统对新疆精博河流域径流过程进行模拟。通过研究分析,认为:XJLDAS+CLM3.5+RAPID模式可较好地重现流域地表径流年内分布状况,然而,由于陆面参数化方案选取等原因,研究区径流量出现一定偏差。此外,在本研究中发现,陆面模式径流汇流模拟结果与实际结果存在一定偏差,将这种偏差进行分析后发现:在进行大尺度水文模拟时,需要在考虑在研究区相关地理特性(如地质构造、地表覆被)基础上进行模式相应改进,以最大限度的重现大尺度径流真实过程。
文摘干旱区植被生态系统对气候变化极为敏感,并且干旱区的植被变化研究对全球碳循环具有重要意义。然而近几十年来,中亚干旱区植被对气候变化的响应机制尚不甚明朗。利用归一化植被指数NDVI数据集和MERRA(Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications)气象数据,采用经验正交函数(EOF,Empirical Orthogonal Function)和最小二乘法等方法系统分析了31a(1982—2012年)来中亚地区NDVI在不同时间尺度的时空变化特征。进一步分析和研究NDVI与气温和降水的相关性,结果表明:1982—2012年,中亚地区年NDVI总体呈现缓慢增长趋势,而1994年以后年NDVI呈现明显下降趋势,尤其在哈萨克斯坦北部草原地区下降趋势尤为突出。这可能是由于过去30年间,中亚地区降水累计量的持续减少造成的。NDVI的季节变化表明春季NDVI增长最为明显,冬季则显著下降。与平原区相比,中亚山区的NDVI值增长幅度最大,并且山区年NDVI与季节NDVI呈现显著增加趋势(P<0.05)。中亚地区年NDVI与年降水量正相关,而年NDVI与气温变化存在弱负相关。年NDVI和气温的正相关中心在中亚南部地区,负相关中心则出现在哈萨克斯坦的西部和北部地区;NDVI和降水的相关性中心刚好与气温相反。此外,在近30年间的每年6月至9月,中亚地区NDVI与气温存在近一个月的时间延迟现象。本研究为中亚干旱区生态系统变化和中亚地区碳循环的估算提供科学依据。
文摘新疆春季积雪融化极易引发融雪性洪水,给当地的农牧业生产和人民生活都带来严重影响和财产损失.融雪中包含复杂的水-热耦合过程,融雪水产流机制受冻土影响,融雪洪水模拟与预报十分复杂,一直是水文研究的难点.新疆大学刘志辉研究团队长期开展季节性融雪洪水模拟与预报研究,在积雪特性监测、冻土融雪水产流机制、分布式融雪径流模型以及融雪洪水预警等方面进行了深入研究.首次提出冻土条件下的融雪水的三个产流机制,即冻土未融化时的超渗产流、冻土部分融化时的饱和产流以及冻融期的交替产流;基于热量平衡和水量平衡研制出分布式融雪径流模型,耦合WRF(Weather Research and Forcasting model)模型实现融雪洪水预报;研制出新疆融雪洪水预警决策支持系统,实现融雪洪水预警系统的应用.研究成果有助于融雪洪水模拟的进一步研究,也为政府部门融雪洪水预警决策提供科学依据.
