东疆黑戈壁陆面过程参数及陆面模式离线模拟

新疆东部黑戈壁气候恶劣、人迹罕至,是具有黑色砾石下垫面的生态脆弱区。利用东疆哈密戈壁陆气相互作用站2018年全年观测资料,给出该戈壁地表动力学与热力学粗糙度、比辐射率和地表反照率等陆面过程特征参数,并将这些参数代入Noah模式对该戈壁热通量、地表温度及土壤温湿度进行模拟。结果表明:(1)东疆黑戈壁下垫面动力学粗糙度为1.13×10^(-3) m,热力学粗糙度为0.32×10^(-3) m,比辐射率为0.905。(2)地表反照率日变化呈早晚高、中午低的“U”型曲线。12月因地面积雪反照率最高,年内极大值出现在12月8日,为0.79,年均反照率为0.29。(3)将改进后的陆面过程参数代入Noah模式,大大提高了模式在戈壁区域的模拟能力。

新疆昌吉绿洲地表辐射收支特征

利用新疆昌吉佃坝绿洲区陆气相互作用观测站2020年3—11月的地表辐射观测数据和同期的天气现象观测记录数据,定量分析昌吉绿洲区不同时间尺度和不同天气条件下的地表辐射变化特征。结果表明:(1)辐射分量日均值和日峰值时间有季节性差异,特殊天气现象对辐射通量有影响。(2)地表辐射月曝辐量随季节变化显著。(3)地表反照率月平均日变化季节性明显,晴天时地表反照率呈平滑的“U形”曲线,非晴天时曲线变化皆不规则、不平滑。(4)不同天气下辐射分量有独特日变化特征,轻雾、雨天、大风、扬沙、多云天等典型天气会给辐射分量带来不同程度的衰减,雨天、大风和多云天气衰减最明显。

塔里木盆地东北缘一次强对流天气过程中的阵风锋特征

利用地面自动站逐小时观测、多普勒天气雷达及WRF模式高分辨率数值模拟,分析2016年7月塔里木盆地东北缘一次强对流天气过程中的阵风锋特征。结果表明:阵风锋前沿较强的辐合抬升运动不断触发多个对流单体,其中大部分单体与其后方的对流系统合并且进一步发展,使得强对流天气不断发展和维持。在对流系统快速发展阶段,阵风锋前沿水平风的垂直切变造成湿位涡的斜压分量显著增强,从而增强局地的条件对称不稳定,为对流系统的发展和维持提供了重要的不稳定能量。不稳定能量释放需要的锋生强迫作用主要是由阵风锋前方的辐合辐散项和倾斜项决定,而阵风锋前沿附近的水平形变项及其上方的非绝热加热项贡献相对较弱。

基于VOSviewer的塔克拉玛干沙漠沙尘暴研究文献分析

作为中国最大和世界第二大流动沙漠,塔克拉玛干沙漠是我国主要的沙尘暴中心之一,其沙尘天气对当地及周边地区的生产生活会造成巨大影响。利用VOSviewer可视化分析工具,以中国知网(CNKI)数据库和Web of Science核心数据库中塔克拉玛干沙漠沙尘暴相关355篇文献为对象,从发文时间、作者、关键词、期刊来源与学科分布、发文机构(国家)等方面进行可视化与计量分析,进而综述了塔克拉玛干沙漠沙尘暴研究的现状及发展趋势和未来展望。结果表明:塔克拉玛干沙漠沙尘暴研究的中英文文献产出分为2个阶段,即1996—2005年为起步阶段,2006—2020年为稳步发展阶段;塔克拉玛干沙漠沙尘暴的成因、传输特征及发展规律、沙尘暴过程数值模拟预报研究、沙尘天气及沙漠气象等问题受到了国内外众多学者的高度关注;相关论文主要发表在《沙漠与绿洲气象》、《中国沙漠》及Journal of Geophysical Research Atmospheres等期刊,其中《沙漠与绿洲气象》为中文发文量最多的核心期刊,Journal of Geophysical Research Atmospheres为SCI发文量最高的期刊。

Noah-MP陆面模式在东疆黑戈壁的适用性

新疆东部黑戈壁作为气候恶劣、人迹罕至及黑色砾石下垫面的生态脆弱区,陆面过程参数化方案不易确定。利用东疆哈密戈壁陆气相互作用站观测数据集,开展Noah-MP陆面模式离线模拟试验,找出适合戈壁区域的最佳参数化方案组合,给出了土壤湿度对戈壁区域陆气热交换的影响。结果表明:(1)针对感热通量(H)、净辐射通量(R0)和土壤地表温度(T0)均表现为第二种组合方案的模拟误差(MB)最小,其中MBH=18.28 W·m^(-2),MBR0=14.92 W·m^(-2),MBT0=-1.19℃,模式效率(NSE)最高NSEH=0.74,NSER0=0.98,NSET0=0.96。针对潜热通量(LE)表现为第一种组合方案模拟效果最佳,其中MB为7.10 W·m^(-2),NSE为-0.57。(2)模式针对土壤湿度的模拟效果均不好,模式预报土壤湿度偏干,第七种组合方案的模式效率指数较高,为0.278。(3)针对土壤10 cm温度,第一种组合方案虽预报效率指数最高,为0.7,但误差较大,达1.23℃,第二种组合方案误差最小,为0.45℃。第二种组合方案在东疆黑戈壁地区的普适性最高。(4)Noah-MP在RMAPS-CA系统中在线耦合后,2 m温度的预报效果整体优于离线Noah模式。

基于模式参数化方案的塔中地区临界起沙阈值分析

利用2009年7月4日~29日塔中野外试验观测数据,基于MARTICORENA和SHAO提出的2种起沙模式参数化方案,初步探讨塔中地区不同沙尘天气临界起沙风速,所得结论如下:(1)非沙尘天气,沙尘撞击颗粒数≤10 000;扬沙天气,10 001≤沙尘撞击颗粒数≤20 000;沙尘暴天气,沙尘撞击颗粒数≥20 001。(2)基于MARTICORENA起沙参数化方案,临界起沙风速的平均值为4. 88 m·s^(-1),基于SHAO起沙参数化方案,临界起沙风速的平均值为6. 24 m·s^(-1),临界起沙风速在非沙尘天气最大,在沙尘暴天气最小。(3)在观测期间沙尘水平通量为732. 9 kg·m^(-1),其中非沙尘天气125. 2 kg·m^(-1),扬沙天气80. 9 kg·m^(-1),沙尘暴天气526. 8 kg·m^(-1),SHAO起沙参数化方案适合估算总沙尘水平通量以及非沙尘和扬沙天气的沙尘水平通量,MARTICORENA起沙参数化方案适合估算沙尘暴天气沙尘水平通量。

沙漠陆面过程与沙漠小气候研究进展

陆面过程是影响大气环流和气候变化的基本物理、生化过程之一。沙漠陆面过程及相应的小气候效应已经成为当前沙漠气象研究的热门问题。近年来,在沙漠陆面过程野外观测、陆面过程特征及参数化、陆面过程模拟、小气候及陆面过程对小气候影响等方面已取得重大进展。本文对于沙漠小气候、沙漠陆面过程及沙漠陆面过程参数化进行了简要概述,重点总结了国内外在沙漠地区气候考察、沙漠边界层高度、沙漠热力环流、绿洲效应、塔克拉玛干沙漠气候特征、沙漠陆面过程野外观测试验及结果、沙漠陆面过程对气候的影响、沙漠陆面过程参数化方案方面的成果,回顾了近年来利用地面观测设备和数值模式等对气候效应和陆面过程直接观测和数值模拟所获得的观测事实和模拟试验,并讨论了其陆面过程参数化对模拟的影响,在总结前人研究成果的基础上对未来的研究方向进行了讨论。

AIRS辐射亮温在中亚地区的偏差分析及适用性

中亚地区常规观测站点稀少,需借助星载高光谱AIRS资料分析出该地区数值预报最优初始场。以CRTM中输入探空模拟出的AIRS辐射亮温为参考值,分析了AIRS观测亮温偏差,并评估了AIRS卫星资料在中亚数值天气预报业务系统中的适用性。结果表明:(1)各通道模拟所选站点上空亮温最大正偏差的平均值约为3.3 K,最大负偏差的绝对值约为2.6 K。(2)多个站点平均的AIRS观测辐射亮温整体略高于模拟亮温,其概率密度分布比单个站点更加接近正态分布曲线。(3)AIRS的同化改善了RMAPS-CA对位势高度、温度、比湿等高空要素的预报效果,并未改善高空风速的预报。对各个要素,AIRS的同化改善幅度在低层较高层大。同化后,位势高度、温度、比湿和风速的预报RMSE分别小于20 gpm、2 K、8×10^-4 kg·kg^-1以及5 m·s^-1。

新疆沙尘暴研究进展

沙尘暴是风蚀荒漠化中的一种天气现象,既是加速土地荒漠化的重要过程,又是土地荒漠化发展到一定程度的具体体现。新疆地处我国西北干旱、半干旱区,是我国荒漠化土地最多的省区,也是风沙危害最严重的地区之一。重点论述了新疆地区沙尘暴的若干研究进展,从6个方面对沙尘暴的形成及研究现状进行综述,即新疆沙尘暴气候背景、长期变化趋势、分布、沙漠近地层起沙输送机制、沙尘暴监测技术、沙漠大气边界层与陆面过程研究进展、沙尘暴数值预报模式优化及数值模拟研究;并论述了目前面临的问题及短板,提出了沙尘暴科学研究的未来展望。

巴音布鲁克高寒区气象观测资料分析

利用2011—2013年巴音布鲁克高寒无人区的自动气象站资料,揭示了观测区域的气象条件,给出部分气象参数的变化特征。结果表明:(1)迎风坡盛行风向为东南风(SE)和北风(N),其中SE占35%,N占25%,N向风力集中4级以下,SE明显偏大,3级风比重15%,4级风比重7%,5级风比重4%;6级风比重1%。背风坡主导风向角度范围在247.5°~337.5°,风力基本在6级以下,3~5级风出现频率最高,6级及以上风力出现频率不足1%。(2)日平均气温≤-10℃日数所占观测总日数的百分比,其值分别为:0.0%(恰西)、44.5%(江布肯达坂)、9.8%(江巴口子)、15.1%(铁力买提达坂)。恰西、江布肯达坂、江巴口子、铁力买提达坂4站日平均相对湿度≥80%的频率分别为5.9%、18.4%、16.1%和22.6%。(3)换算得出恰西、江布肯达坂、江巴口子、铁力买提达坂观测期间10 m高度最大瞬时风速与小时平均风速分别为33.8/27.9、41.0/27.3、25.7/17.7、34.0/17.2 m/s。

CWHF型全自动集沙仪设计及应用性能野外验证

集沙仪作为一种风蚀研究装置,可直接和准确地测定土壤风蚀过程中的输沙量和风沙流结构。为此,一种全自动、高频率的沙尘采样器(Continuously weighing,high frequency sand trap,简称:CWHF全自动集沙仪)被设计,并通过与2 m高度风速和Sensit跃移撞击传感器的野外配合观测,对比分析其野外实地的应用性能。CWHF全自动集沙仪整体外形呈"L"状,其最大特点是集沙容器底部安装有高精度单点称重传感器,使其能够实现集沙累积值的实时高频及长时间测量。通过对沙尘暴天气背景下的相关数据进行分析,发现CWHF全自动集沙仪的累积量和输沙通量均与风速和撞击颗粒数有较好的一致性,其能够很好地捕捉沙物质的输移信息,野外应用效果良好。

塔克拉玛干沙漠腹地近地表输沙方向探测研究

利用塔克拉玛干沙漠腹地2008年3月-2018年2月实时探测的近地表沙粒运动数据,结合同步观测的气象和土壤等环境数据,分析了该地区近地表输沙方向特征,并基于输沙方向的观测事实,评估了几起沙风风向和输沙势为指标判定输沙方向方法的不确定性。结果表明:(1)塔克拉玛干沙漠腹地近10 a间累计发生风沙活动3 609.8 h,约占总观测时长的4.1%,春、夏、秋、冬起沙时长分别占总起沙时长的39.2%、45.1%、11.8%和3.8%;(2)起沙时风向主要为N-ESE 6组风向,占总起沙时长的68.8%;(3)利用起沙风风向确定的各方向起沙时长百分比分布与实测结果基本一致,二者相关系数r为0.94,各方向的输沙势百分比与起沙颗粒数二者的相关性较好,相关系数r为0.84~0.93。上述研究结果表明起沙风风向适合判定各方向起沙时长百分比;如果考虑起沙风风速变化,输沙势与各方向的输沙量百分比则更加一致。

塔克拉玛干沙漠人工绿地与自然沙地能量收支差异研究

利用2013年塔克拉玛干沙漠自然沙地和人工绿地的辐射能量观测数据,解析不同下垫面能量收支的差异。结果表明:(1)辐射各分量参数日变化特征显著,地面长波辐射(U_(LR))日尺度最大差值为50 W·m^(-2)。(2)土壤湿度是引发地表反照率产生差异的主控因子之一,滴灌是沙漠中人工绿地水分供给的主要方式,促进了沙漠土壤含水率的提升,从而影响了地表反照率的变化。(3)净辐射(R_(n))在白天与夜间耗能形式不同,白天以感热通量(H)为主,夜晚以地表土壤热通量(G_(0))为主。在植被生长周期,潜热通量(L_(E))耗能份额会有所递增,耗能比增加了1.5%。(4)地表能量平衡比率(E_(BR))在绿地的波动幅度大于沙地,沙地的E_(BR)上升速率要大于绿地。绿地夏季闭合率最高,沙地春、夏季闭合率最高。

沙漠气象若干问题研究进展

沙漠占据地球陆地面积的1/4,沙漠天气和气候对全球生态、环境及气候等的影响一直都受到社会各界极大关注。本文参考国内外有关沙漠气象学研究的代表性著作,简要回顾了沙漠气象学的国内外发展历史,并从沙漠表层物理特性研究、沙漠天气与边界层研究、沙漠气候研究、沙漠影响区域及全球环境研究等多个方面阐述了沙漠气象学的研究进展。最后对沙漠气象学研究提出了展望。

浮尘气溶胶对沙漠大气边界层结构作用的昼夜差异

利用2016年7月塔克拉玛干沙漠腹地每日4次强化探空和地面气象观测数据,对比分析了夏季塔克拉玛干沙漠晴日和浮尘日的大气边界层结构变化及地表辐射收支差异,揭示了浮尘气溶胶对大气边界层结构影响作用的昼夜差异及作用机理。结果表明:(1)夜间晴日和浮尘日稳定边界层高度分别为270 m和360 m;晴日稳定边界层逆温强度达到3.1 K·(100m)^(-1),强于浮尘日的1.6 K·(100m)^(-1);白天晴日对流边界层高度接近3600 m,浮尘日仅达2700 m。(2)夜间浮尘气溶胶的向下长波辐射削弱了地表辐射冷却,抬升稳定边界层高度并减弱其稳定度。(3)白天晴日强的太阳短波净辐射加热沙漠地表,其强烈的感热作用形成了超高对流大气边界层;浮尘气溶胶明显减少了地表短波辐射和感热加热,降低了白天对流边界层高度。塔里木盆地独特的浮尘气溶胶辐射效应对沙漠地区大气边界层结构具有昼夜相反的影响。

塔克拉玛干沙漠腹地贴地层风沙流结构研究

利用微梯度集沙仪在塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区实测的2014年7—8月贴地层输沙量梯度观测资料(观测高度区间0~5 mm、5~15 mm、15~35 mm、35~85 mm),对沙尘天气过程贴地层风沙流结构进行了研究。结果表明:(1)沙尘天气(沙尘暴和扬沙)过程中,随着风速的增大,各高度层输沙量也随之增大。沙尘暴天气中,风速<7.5 m·s^(-1)时,15~35 mm处的百分含量超过5~15 mm处的百分含量,风速>7.5 m·s^(-1)时,15~35 mm处的百分含量达到最大,其余各高度含量变化不明显。扬沙天气中,风速<8.0 m·s^(-1)时,百分含量最大值出现在35~85 mm高度处,占48.9%,风速>8.0 m·s^(-1)时,大小依次为:15~35 mm(49.5%)>35~85 mm(31.7%)>0~5 mm(12.7%)>5~15 mm(9.2%)。(2)两种天气过程中,沙粒的平均粒径在垂直高度上均呈现先减小后增大的趋势。粒径峰值均处在125~250 um,极细砂含量最高,细砂次之。与扬沙天气相比,沙尘暴天气过程中极细砂、细砂、中砂在各高度层上的含量略微下降,粉尘含量有所升高。

塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射和能量平衡及小气候特征

利用塔克拉玛干沙漠大气环境综合观测试验站——塔中站2014年30 min步长实测数据,系统分析塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射和能量平衡特征及小气候特征。结果表明:塔中地区辐射平衡和能量平衡各分量均表现为春、夏季较大,秋、冬季较小,并具有明显的日变化特征,峰值出现在12:00(地方时,下同)左右。该地区地表能量通量(净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量)中,净辐射、感热通量和土壤热通量均在08:00开始上升,至14:00左右达到峰值,而潜热通量变化很小。感热通量为能量的主要消耗形式,春、夏、秋、冬四季分别占净辐射的百分比为44. 6%、68. 1%、55. 2%和55. 3%,其次为土壤热通量,仅有很少能量用于水的相变。云和沙尘对能量通量各分量有明显削弱作用。近地层空气温度白天随高度的增加降低,夜晚则随高度的增加升高,空气相对湿度也呈明显变化规律。近地层水平风速随高度增加明显增大,风向以东北风为主。

中天山地区草地地表辐射收支演变规律

地表辐射对研究地表能量平衡及气候形成机制具有重要意义。利用中天山乌拉斯台地区陆气相互作用观测站2018年5月至2019年4月地表辐射数据,分析了中天山草地不同时间尺度和不同天气条件下的地表辐射与反照率变化特征。结果表明:(1)地表辐射月平均日变化除大气长波辐射较弱外,其余分量均呈单峰型,极值大小及时间存在差异,太阳总辐射与净辐射最大日峰值均出现在6月,为920.9与603.3 W/m^(2),大气与地表长波辐射分别出现在7月和8月,为327.5 W/m^(2)与471.7 W/m^(2),而反射短波辐射则出现在2月,为520.6 W/m^(2)。(2)太阳总辐射、反射短波辐射、大气与地表长波辐射年曝辐量分别为6860.62、2101.72、7171.25、10089.69 MJ/m^(2);就季节变化而言,反射短波辐射曝辐量在冬季明显高于其它季节,其它分量则均表现为夏季>春季>秋季>冬季。(3)不同月份地表反照率日变化均呈“U”型曲线,年均值为0.393,最大与最小月均值分别出现在12月与8月,为0.760与0.217。这种变化体现在季节上则为冬季>秋季>春季>夏季。(4)晴天地表辐射各分量日变化均较为光滑,多云、降水天则不如晴天平滑。太阳总辐射和地表长波辐射对降水的响应均为减弱,而大气长波辐射则为增强。反射短波辐射对降水的响应与地表反照率一致,即在雨天和降雪后分别为减弱和增强。

新疆东部黑戈壁地表辐射及能量收支演变特征

新疆东部黑戈壁作为气候恶劣、人迹罕至的生态脆弱区,具有丰富的太阳能资源。利用红柳河陆气相互作用观测站2019年4、7、9月观测资料,分析东疆黑戈壁地表辐射及能量收支演变特征。结果表明:(1)地表辐射及能量收支各分量日变化均为单峰型。就不同季节而言,太阳总辐射和净辐射为夏季>春季>秋季,反射短波辐射为春季>夏季>秋季,地表和大气长波辐射为夏季>秋季>春季。(2)能量收支各分量季节变化明显,感热通量为春季>夏季>秋季,潜热通量为夏季>秋季>春季,地表土壤热通量为秋季>夏季>春季;能量分配在不同季节均以感热为主,地表土壤热通量次之,潜热通量极其微弱。(3)地表反照率日变化均为"U"型,季节变化表现为春季>秋季>夏季,月均值依次为0.29、0.27、0.26。

古尔班通古特沙漠及周边区域冬季大气边界层高度对地表积雪的响应

古尔班通古特沙漠是中国唯一冬季存在长期积雪的沙漠,在此特殊地理环境下,沙漠及周边区域冬季雪深和边界层高度的时空变化特征和相互关系尚未明确。本文利用1980—2019年SMMR(Scanning Multichannel Microwave Radiometer)、SSM/I(Special Sensor Microwave/Imager)、SSMI/S(Special Sensor Microwave Imager/Sounder)被动微波遥感雪深数据、古尔班通古特沙漠腹地雪深观测数据和ERA5再分析资料(the Fifth Generation ECMWF Reanalysis)边界层高度数据,分析了沙漠及周边区域冬季雪深和边界层高度的时空变化特征与相互关系。结果表明:古尔班通古特沙漠及周边区域冬季雪深年均值为8.45 cm,整体呈现东北部和南部积雪较深,其他区域积雪较浅并呈现出由沙漠中心区域向四周逐渐减少的特点,雪深在古尔班通古特沙漠及其东北、南边的邻近区域呈升高趋势,剩余地区呈下降趋势。古尔班通古特沙漠及周边区域冬季边界层高度年均值为105.54 m,呈现东南部和西北部高,中心沙漠区域、东北部、西南部较低的特点,边界层高度在沙漠及周边区域升高而其他区域降低。古尔班通古特沙漠的冬季雪深和大气边界层高度时空变化整体呈负相关,其中93.17%以上的沙漠区域呈负相关,平均相关系数为-0.32,最大相关系数绝对值为-0.58,空间相关系数为-0.42(P<0.05)。