西北地区气候暖湿化增强东扩特征及其形成机制与重要环境影响

西北地区地处欧亚大陆腹地,水汽来源匮乏,干旱是其主要气候特征。近年来随着区域降水的不断增加,中国西北暖湿化问题引起国际及国内相关领域科学家和社会各界的广泛关注。为了揭示中国西北气候暖湿化增强东扩特征与形成机制及其重要环境效应,科学回应社会关切,研究团队利用多源融合数据,从多尺度、多维度对中国西北暖湿化问题开展全面深入研究,发现了西北湿化趋势具有显著的非线性增强特征,且湿化正在向东扩展,本世纪内西北仍维持暖湿趋势,明确了西北陆面蒸散对气候变暖具有特殊的负反馈机制,揭示了西北湿化趋势受多因子综合驱动机制;评估了西北暖湿化对区域生态环境、水资源、农业生产和粮食安全的重要影响及其互馈效应;提出了应对西北暖湿化的技术对策,形成了“西北地区气候暖湿化增强东扩特征及其形成机制与重要环境影响”系列研究成果。基于研究的重大决策咨询报告为新时代西部大开发和黄河流域生态保护和高质量发展等国家战略发挥了重要决策支撑,成果也受到国际学界广泛关注,并入选2022年度“中国生态环境十大科技进展”。

我国夏季风过渡区陆-气相互作用研究的新进展

中国夏季风过渡区是全球陆-气相互作用强盛区域之一,也是极端天气灾害频发且易造成严重经济损失的区域,对过渡区陆-气相互作用的进一步认识将有助于提升该区域防灾减灾能力。以近年来中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室为平台开展的夏季风过渡区相关项目群取得的研究成果为基础,对过渡区陆-气相互作用时空分布规律、陆面水分收支对夏季风响应新特征、边界层时空变化特征及发展机制、季风与陆-气相互作用对区域气候影响、陆-气相互作用对作物产量影响以及多因子和多尺度动力学粗糙度参数化方案等方面的新进展进行系统总结,并根据夏季风过渡区陆-气作用研究的发展趋势,提出今后应在侧重加强陆-气交换多循环过程对夏季风年循环响应规律研究基础上,探讨陆-气相互作用对夏季风的多尺度动态响应,建立地表过程和大气边界层关键物理量的气候动力学关系,以改进和提升区域气候模式模拟水平。该工作对推动我国陆-气耦合过程的研究具有重要意义。

自然条件下半干旱雨养春小麦生育后期旗叶光合的气孔和非气孔限制

为探究半干旱地区雨养春小麦旗叶的光合作用限制因素、不同生育期差异及其适应策略,分析了大田条件下春小麦旗叶在抽穗期和灌浆期光合生理特征的动态变化规律,探讨了自然条件下光合作用的气孔与非气孔限制特征。结果表明:净光合速率日变化趋势在抽穗期和灌浆期分别为单峰型和双峰型,峰值相当,为18.5μmol(CO2)·m-2·s-1左右。气孔导度具有与净光合作用几乎相似的日变化规律,胞间CO2浓度大致为上午下降、下午回升。胞间CO2浓度变化除受光合作用消耗和气孔限制共同作用外,下午时段叶肉导度增大,也影响胞间CO2浓度变化。在抽穗期和灌浆期,春小麦旗叶光合作用速率与气孔导度相关性十分显著,相关系数分别达0.916(P=0.000)和0.945(P=0.000)。并且2个生育期均出现明显的光合气孔限制,抽穗期达0.64,灌浆期为0.53。其中,抽穗期气孔导度对饱和水汽压差响应十分敏感,下午出现较为明显的气孔限制;灌浆期中午出现较为明显的光合"午休"现象,其主要原因是半干旱区较大饱和水汽压差和强烈辐射致使气孔关闭,气孔限制达到极大值,并且非气孔限制因素也较为突出。抽穗期至灌浆期,由于气孔对饱和水汽压差敏感性的下降以及"午休"策略,光合气孔限制逐渐减小,是春小麦在半干旱地区维持较高光合速率和保证产量的重要自适应机制。

半干旱雨养地区春小麦气孔导度和胞间CO_2浓度对环境因子的响应

黄土高原半干旱区雨养春小麦(Triticum aestivum L.)产量一直受到当地特殊环境条件制约,气孔导度和胞间CO2浓度的变化对于分析光合作用限制十分重要。因此,在大田自然条件下分析了春小麦气孔导度、胞间CO2浓度对环境因子的响应及其阈值,结果表明:1土壤温度、空气温度对气孔导度和胞间CO2浓度影响显著,温度与两生理指标成二次曲线关系,且在不同生育期、不同生理指标的最适温度不同,黄土高原最适温度较湿润地区低;2土壤湿度与气孔导度和胞间CO2浓度呈正相关,土壤湿度低,变化幅度小,更倾向于是一种气候背景;3空气湿度与气孔导度呈正相关,特别是灌浆期对春小麦具有较大的促进作用。抽穗期空气湿度与胞间CO2浓度呈负相关,灌浆期二者关系不显著;4不同生育期生理特征对环境因子的敏感性有较大差异。

“动力气象学”课程教学改革创新研究

"动力气象学"是大气科学中的一门基础性学科,其课程中包含大量基础性知识理论,且过于空洞抽象,对物理学原理、数学方法的应用较多,所以学习难度较大。因此,其课堂教学方式方法就成为影响学生最终学习成效的关键。当前国内"动力气象学"课程教学存在诸多问题,难以达到新时期大气科学人才培养目标。对此,文章从"动力气象学"课程的基本内容和特点出发,分析了教学现状以及其教学改革的必要性与可行性,进而针对其教学改革创新提出了具体路径。

黄土高原春小麦农田蒸散及其影响因素

蒸散与水循环、能量平衡密切相关,是黄土高原雨养农田生态系统最重要的水通量之一。准确测定半干旱区农田生态系统蒸散,对增强陆气相互作用的理解以及科学应对气候变化有重要意义。采用涡度相关技术对黄土高原春小麦农田生态系统蒸散进行了观测,利用气象梯度系统进行环境因子观测;分析了春小麦农田生态系统蒸散日、季动态及其环境影响因子。结果表明,黄土高原半干旱区春小麦农田生态系统蒸散呈早晚低、中午高的"单峰型"日变化特征;最大日峰值出现在8月(0.22mm/h)。生长季蒸散日峰值高于非生长季。春小麦农田最大日蒸散率值相对较低,这可能与该地区干旱少雨的气候特征有关。农田蒸散且具有明显的季节动态,与降水季节分布密切相关。7、8月份降水较多,月蒸散量较高。全年蒸散量(318.0 mm)略低于年降水量(332.3 mm);蒸散量与降水量比值为95.7%。非生长季蒸散量显著低于生长季(4—9月);二者之比为0.26。农田蒸散随土壤含水量和空气温度(低于26℃)增大呈指数增长趋势;随空气相对湿度、太阳辐射、风速增大呈先增大后降低的二次曲线变化趋势。净辐射是黄土高原半干旱区农田生态系统蒸散主要环境控制因子,土壤含水量次之。

一种基于地表能量平衡的遥感干旱监测新方法及其在甘肃河东地区干旱监测中的应用初探

目前遥感干旱监测方法的精度普遍不高,探求新的遥感干旱监测方法有助于干旱监测预警技术的提升与发展.波文比是感热通量与潜热通量之比,能综合反映地表水热特征,可尝试将其引入到遥感干旱监测领域加以利用.应用甘肃河东地区的EOS-MODIS卫星资料和同步地面气象资料,基于地表能量平衡原理构建了波文比干旱监测模型,对比分析了波文比（β）指数、温度植被指数（TVX）与土壤水分的相关性,并以典型晴空影像（2014年10月5日）为例初步建立了β的干旱分级标准,对研究区进行了旱情评估.结果表明：β与土壤相对湿度呈现出高度负相关,相比于当下广泛应用的TVX,β与0-20cm平均土壤相对湿度具有更好的相关性,监测精度得到了显著提高.用β干旱分级标准评估的研究区干湿状况与前期降水空间分布吻合得相当好,评估表明2014年10月5日研究区基本为适宜（无旱）,与2014年9月的降水距平百分率特征一致.基于地表能量平衡的波文比（β）指数在干旱监测中效果突出,具有很好的应用前景.

黄土高原影响LAS观测感热通量的物理因素分析

利用2010年1月和6月黄土高原定西和庆阳两站大孔径闪烁仪(LAS)的观测数据,结合涡动相关系统(EC)、辐射观测、梯度塔等观测系统的同步观测资料,分析了不同下垫面LAS和EC观测感热通量的时空差异及其与下垫面净辐射、风向、风速和稳定度等物理量的关系。结果表明,LAS和EC观测感热通量值之间的差异(HLAS-HEC)大小与下垫面的不均匀性有关,相对复杂的下垫面HLAS-HEC较大。净辐射Rn是感热通量的主要驱动因子,HLAS-HEC在生长季大于非生长季,并与Rn成正相关。风向对LAS和EC观测感热通量值有显著影响。对流边界层低频涡旋的存在导致EC通量统计值偏低,HLAS/HEC随着风速的增大而减小,随着稳定度z/L的增大而增大。

半干旱雨养区苗期土壤温湿度增加对马铃薯生物量积累的影响

为了了解半干旱区苗期土壤温湿度的增加对马铃薯生物量积累的影响,在西北半干旱雨养农业区定西开展了双垄沟全膜覆盖(DFRPM)对马铃薯生长的影响试验。结果表明:与平地无覆膜对照(CK)相比,利用双垄沟全膜覆盖微集雨种植模式,可增加马铃薯发芽出苗期浅层土壤的温湿度,日平均地温增加3.49℃,土壤储水量增加21.79%,显著增加了植株高度、LAI,使得冠层光合叶面积增大,同化更多的碳水化合物并向地下运输和转移,叶片、匍匐茎、根等器官的干物重也显著增加。成熟收获时,垄沟覆膜的根冠比比对照高出66.21%,差异达到显著水平。另外,苗期土壤温湿度的增加能够显著影响块茎膨大,尤其能够增加大薯(>150 g)的数量和重量,最终使得块茎产量增加78.2%。

陇东黄土高原下垫面不均匀性指标的建立及其对大孔径闪烁仪(LAS)观测感热通量的影响

目前定量研究下垫面不均匀性对大孔径闪烁仪(LAS)、涡动相关仪(ECS)观测感热通量差异的影响还比较少.本文利用黄土高原庆阳观测站2012年6、7月典型晴天两主风向范围E-SE和SW-W的陆面过程数据,在建立了下垫面不均匀性定量化指标的基础上,分析了下垫面不均匀性与地表温度变率的关系及其对LAS、ECS观测感热通量差异的影响.结果表明:庆阳站下垫面不均匀性大小η和地表温度变率г具有很好的相关性,相关系数达到0.566以上,证明了新建立指标的合理性.下垫面不均匀性大小η和LAS、ECS观测的感热通量差异HLAS-HECS具有很好的一致性,相关系数达到0.634.下垫面不均匀性对LAS和ECS的感热通量差异影响显著,下垫面越不均匀LAS和ECS测量的感热通量差异越大.对两主风向分别进行分析,在E-SE风向范围η和HLAS-HECS的相关系数为0.430,HLAS和HEC拟合的线性趋势系数为1.279,在SW-W风向范围η和HLAS-HECS的相关系数为0.680,HLAS和HEC拟合的线性趋势系数为1.297.下垫面不均匀性的影响程度越大,LAS和ECS观测的感热通量差异越大.

陇中黄土高原LAS在非均匀下垫面的观测优势及其在区域陆面模式验证中的初步应用

目前通用的通量观测技术涡动相关仪(EC)在区域陆面模式验证中存在能量不闭合和空间代表性有限的问题,寻求改进EC观测热通量的新技术是提高陆面模式验证效果的关键环节,大孔径闪烁仪(LAS)的出现有效改善了这一现状。基于黄土高原定西站2010年1月和6月的同步综合观测资料以及目前比较有代表性的陆面过程模式CLM的模拟数据,分析研究了LAS对EC观测地表能量不平衡问题的改进以及LAS对EC在区域陆面模式验证中的提高,结果表明:LAS可有效解决EC观测存在的地表能量不平衡问题,提高EC的地表能量闭合度,在非均匀下垫面LAS观测优势突出;利用LAS观测的感热通量进行区域陆面模式的验证,能够很大程度地避免EC能量不闭合和空间尺度不匹配在验证中造成的偏差,LAS观测更适合于大尺度模拟的验证,验证效果更好。

动力气象学课程教学改革探讨

文章针对动力气象学教学实践中遇到的问题,从课堂教学内容、教学模式、考核方式三方面进行优化。希望通过教学改革,增加教学容量,提高教学质量,激发学生学习兴趣。

青藏高原蒸散年际变化及其对西风和季风环流的响应

在评估4种蒸散格点资料(GLDAS,GLEAM,MERRA-2,CRET)在青藏高原适用性的基础上,以精度最高的CRET(R^(2)为0.83,RMSE为14.76 mm)及同期气象环境数据,在年际尺度上分析了青藏高原蒸散变化特征及其受大尺度西风和季风环流的影响.结果表明,青藏高原年平均蒸散为414.2±18.32 mm,具有明显的年际变率和变化趋势,且区域(西风区、季风区和过渡区)间差异明显.蒸散年际变化与西风和季风环流强弱的年际变化密切相关,且季风和西风对蒸散的影响存在显著的区域差异.西风和季风通过调节局地气候环境因子影响蒸散:土壤湿度、归一化植被指数(NDVI)和风速三个局地气候环境要素是青藏高原蒸散主要调控因子,蒸散与土壤湿度和NDVI呈显著正相关,与风速在高原西部呈显著负相关、在高原东部呈显著正相关;研究WYI(Webster-Yang Index)和WI(Westerly Index)与影响蒸散的主导气候环境因子的关系发现,WYI与土壤湿度和NDVI呈显著正相关,且WYI与NDVI的相关系数在高原中部和南部较大,使得WYI对蒸散影响在中部分过渡区和南部季风区较大,WI也与土壤湿度和NDVI呈显著正相关,但WI与NDVI的相关系数在中部和北部较大,WI对蒸散影响在中部过渡区和北部西风区较大,同时,WI与风速在大部分高原显著相关,WI在高原东部通过风速对蒸散变化具有正贡献,使得季风区东部蒸散年际变化也受WI影响,最终使得WI对蒸散的影响在除季风区西部以外的区域较大.该研究结果可加深认识青藏高原水循环变化及其机理,为区域水资源和生态系统管理提供科学依据.

青藏高原高寒草甸的空气动力学粗糙度特征

为认识高寒草甸下垫面的空气动力学粗糙度特征,利用阿柔冻融站的夏季观测资料,通过两种方法计算青藏高原高寒草甸的空气动力学粗糙度,并分析空气动力学粗糙度的日演变特征,探讨空气动力学粗糙度与大气动力因素之间的关系。结果显示,阿柔高寒草甸的夏季平均动力学粗糙度为0.026 m,白天和夜间的动力学粗糙度分别为0.033 m、0.019 m。从平均的日演变看,动力学粗糙度表现出明显的单峰型演变特征,峰值出现在中午至下午时段,这与大气动力特征的日变化密切相关。其次,动力学粗糙度线性相关于摩擦速度u,但两者的相关性受到风速u的影响,u越大则两者的线性关系越强,并且两者的拟合关系在高风速区间(3~6 m/s)保持较高的稳定性。而标准化变量u/u与动力学粗糙度之间存在负指数拟合关系,u/u与动力学粗糙度的关系相比于u或u更加稳定,并且u/u解释了空气动力学粗糙度60%左右的变化,可用于空气动力学粗糙度的参数化研究。

中国西南地区百年气温的时空演变特征

为深入认识中国西南地区过去百年气温变化,采用英国东英吉利大学气候研究中心(CRU) 1901-2019年的气温数据,分析中国西南地区百年来的气温趋势和时空分布特征,并与中国其他区域的气温进行对比。结果表明:(1)过去百年西南地区年平均气温、最高和最低气温表现为上升趋势,倾向率分别为0.28℃/100 a、0.18℃/100 a和0.34℃/100 a,最低气温对气候变暖的贡献显著高于最高气温。西南地区经历了两次显著的变暖事件,两次变暖事件所能达到的年均气温极值基本一致,均表现为最低气温的上升速率最大,对气候变暖的贡献更大。但是两次变暖事件在升温速率及升温持续时间方面差异明显。(2)西南地区气温表现出3个明显的空间特征。首先,气温在空间上呈现出极值的空间型,中心位置与四川盆地范围重叠,这对应气温EOF的第一模态(方差贡献为73.9%);其次,西部高海拔地区比东部低海拔地区的气温低,对应第二模态(方差贡献为9.0%);最后,气温总体呈现南部高于北部,对应第三模态(方差贡献为7.6%)。(3)西南地区的升温进程与中国其他地区存在非同步性,该地区的升温率相比于其他地区偏小。

中国北方蒸散-降水耦合度时空变化与水热因子的关系

中国北方气候过渡区作为陆-气耦合“热点”区域,水热条件空间梯度大,当前研究较少关注水分和热力因子对蒸散-降水耦合度时空变化的影响,尤其对水热协同影响考虑不足。基于多源融合蒸散、降水、气温和卫星遥感土壤湿度数据,分析中国北方地区蒸散-降水耦合度时空变化特征分别与水、热单因子及两者协同作用的关系。结果表明,中国北方地区蒸散-降水耦合度由西北区域的强正耦合逐渐过渡为东南角和东北角的负耦合。蒸散-降水耦合度随平均土壤湿度降低逐渐增大,随气温变率增大而增强。考虑水热协同作用时,平均土壤湿度和平均气温协同较土壤湿度和气温变率协同对蒸散-降水耦合度空间分布影响更大,起主导作用。时间变化上,耦合度呈春、夏、秋、冬季依次减弱的年内变化,且具有明显的年际波动特征。土壤湿度变率和平均气温是主导中国北方地区蒸散-降水耦合度年内变化的主要因素,平均土壤湿度和土壤湿度变率对蒸散-降水耦合度年际变化的影响突出。考虑协同作用时,平均土壤湿度和气温的年内循环共同决定了蒸散-降水耦合度年内变化,对蒸散-降水耦合度年际变化的影响仅在耦合度最大的半干旱地区显著。研究结果可加深认识陆-气耦合度对陆面状态时空变化的响应特征,为提高陆气耦合数值模拟提供参考。

青藏高原蒸散变化及其影响因素

为进一步研究青藏高原东部陆面地水、热交换过程对本区域乃至全球气候变化与环境变化的影响;通过对四个蒸散产品与三个站点(QMOS, NAMORS, SETORS)的实际观测值,计算得出的决定系数和均方根误差,对比得到最适合高原地区的蒸散产品;再通过运用此产品,来分析高原区域的蒸散长期变化特征、平均ET空间分布、变率的空间分布,线性趋势空间分布和高原整体的ET时间变化;再根据实际分析情况,划分出子区域分析子区域30年的时间序列。最后结合气象环境数据来分析其气象要素与蒸散变化的相关性,揭示蒸散变化的主导因素。

半干旱地区旱作春小麦净光合速率和蒸腾速率对微气象条件的响应

黄土高原春小麦产量一直受西北地区特殊的气候条件限制,以往研究多注重从定性上探究光合生理特征对气象条件的响应,未涉及其变化的阈值,且由于光照对光合生理特征的影响已相当明确,在此基础之上,通过大田试验,着重探讨了光合生理特征对空气温湿度的响应及其阈值。结果表明:抽穗期净光合速率(P n)与空气温度(T a)成负相关,灌浆期P n与T a成二次曲线相关,P n阈值为6.98μmolCO2·m-2·s-1,阈值温度条件T a为23℃。P n在半干旱地区T a阈值较其他地区低。净光合速率(P n)与空气相对湿度(RH)成正相关,抽穗期相关系数R=0.817(P=0.000),灌浆期相关系数R=0.772(P=0.000),均达到极显著水平(P≤0.01)。蒸腾速率(T r)对T s和T a及RH的响应趋势与P n相似。抽穗期P n和T r对微气象因子的敏感性高于灌浆期。

黄土高原旱作区马铃薯叶片和土壤水势对垄沟微集雨的响应特征

于2011年在黄土高原半干旱地区以平地不覆膜为对照,研究了不同沟垄和覆膜方式对马铃薯叶片和土壤水势水势的影响。结果表明:不同沟垄和覆膜方式在不同土层和不同生育期对土壤和叶片水势的影响差异显著。(1)土壤水势日变化趋势:0~20cm土层,土垄处理在开花期为先下降后上升型,土垄和覆膜垄处理在块茎膨大期为先下降后上升型,覆膜垄和全膜双垄沟播处理在成熟期为先下降后上升型,其余为逐渐下降型;20~40cm土层,各处理土壤水势呈逐渐下降趋势。(2)叶片水势日变化趋势:开花期和块茎膨大期表现为双低谷型,双低谷分别在13:00和17:00,成熟期为"V"型,即单低谷型,低谷出现在17:00。各处理变化趋势相同,但水势存在差异。土垄处理在水分关键期(开花期和块茎膨大期)叶片水势显著高于其他处理,而全膜双垄沟播处理在成熟期最高。(3)生育期土壤水势和叶片水势均表现为先减小后增大的趋势。20~40cm土层对叶片水势影响较大,土垄处理在该土层具有较好的水分状态,蒸腾作用较强加速了水分运移速率,是导致覆膜垄和全膜双垄沟播处理水势低于土垄的主要原因。在前期降雨较少的年份,由于较小的蒸腾作用,土垄处理可以保证马铃薯承受较小的水分胁迫;在前期降雨量较多的年份,覆膜垄和全膜双垄沟播处理则可以凭借其较大的蒸腾作用发挥较大的增产效果。

陇中黄土高原垂直感热平流输送对LAS和EC观测感热通量差异的影响

利用"黄土高原陆面过程试验研究(LOPEX)"2010年6月定西站的陆面过程综合观测资料,以造成大孔径闪烁仪(LAS)和涡动相关仪(EC)测量感热通量的差异为切入点,从中尺度垂直感热平流输送过程入手,将垂直感热平流输送的贡献作为地表有效能量的一部分引入EC直接观测的感热通量,对比引入前后LAS和EC测量感热通量的差异大小。结果表明:黄土高原定西观测站近地层大气垂直方向主要表现为向上运动,峰值达到0.074m·s-1,为垂直感热平流输送提供了必要的动力条件。尤其该地区处在半干旱区,地表受太阳辐射加热比较显著,近地层温度梯度最大可达0.39K·m-1,为产生垂直感热平流提供了能量基础。加入垂直感热平流输送的贡献后,EC地表能量不闭合度的日均值由直接观测的0.30缩小到0.24。修正后,LAS和EC测量的感热通量拟合的线性趋势系数由直接观测时的1.258缩小到1.186,两者差异得以缩小。