青藏高原多圈层地气相互作用过程研究进展和回顾

青藏高原高大的地形条件,使得其具有十分显著的动力作用和热力作用,这导致高原地表与大气之间的相互作用和大气边界层发展过程对高原及周边地区的天气过程和气候变化的影响至关重要。自20世纪60年代,特别是1979年以来,人们先后开展了"第一次青藏高原气象科学试验(QXPMEX)"、"第二次青藏高原大气科学试验(TIPEX-Ⅱ)"、"全球能量水循环亚洲季风青藏高原试验研究(GAME/Tibet)"、"全球协调加强观测计划亚澳季风之青藏高原试验(CAMP/Tibet)"、"青藏高原观测研究平台"(TORP)及"第三次青藏高原大气科学试验(TIPEX-Ⅲ)"等观测研究项目,地气相互作用过程以及大气边界层过程的观测分析、数值模拟及卫星遥感应用研究都是其中最重要的研究内容。本文以地气相互作用研究为主线,回顾了40年来历次重大青藏高原大气科学试验,系统归纳总结了陆面过程和大气边界层过程观测试验,分别从地气相互作用过程观测研究、大气边界层过程观测研究、地面和大气热源观测与估算研究、地表蒸散发遥感估算研究以及地气相互作用过程数值模拟研究等方向,对相关研究成果进行了简要的归纳梳理,并且针对野外观测、资料分析以及模式发展方面存在的不足进行了讨论,同时对青藏高原地气相互作用研究在这几个方面未来的发展进行了展望。

近56年中国极端降水事件的时空变化格局

基于中国693个地面观测站1961-2016年的逐日降水资料,全面分析了全国和各分区极端降水事件、连续性极端降水事件及其起止时间的时空分布和变化特征。结果表明,近56年,全国极端降水事件明显增多,极端降水量和极端降水日数呈增加趋势的站点占总站数的68%,且主要集中在东南沿海和西部地区。华东地区是全国极端降水量增长幅度最大的地区,增速达18. 2 mm·(10a)^-1,西北地区的极端降水日数增速最快,每10年增加0. 37天。全国平均的连续性极端降水事件表现为不显著的增加趋势,其中仅西北地区的连续性极端降水量和降水频次的增加趋势达到0. 01显著性水平,华北和西南地区的连续性极端降水事件表现为不显著的下降趋势。全国平均的极端降水事件的开始时间和结束时间分别呈现出明显的提前和推迟趋势,西北、青藏和东北地区极端降水事件的开始时间显著提前,西北地区的结束时间显著推迟,受其影响,西北地区的极端降水事件持续期增长幅度最大达到10. 4 d·(10a)^-1。

1961—2010年青藏高原气候变化特征分析

利用1961-2010年青藏高原及其周边地区158个气象站温度(包括平均温度、最低和最高温度)、降水和风速资料,对青藏高原的气候变化特征进行了分析。结果表明:(1)1961-2010年青藏高原主体正在变暖变湿,但是高原东侧部分地区正在变暖变干,同时高原整体风速都在减小。(2)升温主要是夜间的最低温度贡献的。不同地区升温速率有差异,中部地区高于东部地区;平均温度和最高温度分别在1994年和1997年发生突变,突变后升温速率明显加快;三种温度都存在准8年周期震荡,其他短周期及更长周期震荡表现不一致。(3)降水量空间分布上表现为从东南向西北逐级减少,并且出现过多次突变,突变时间分别为1965年、1977年和1995年,突变前后降水的变化速率明显不同,降水存在准4年和准10年周期震荡。风速存在18~20年周期震荡。(4)青藏高原平均温度、最低温度及最高温度EOF分解的第一载荷向量均表现出全区一致的正值,中心区位于94°E97°E一带,说明青藏高原腹地是平均温度、最低温度及最高温度变化最敏感的地区。(5)平均温度、最低温度及最高温度EOF分解的第二载荷向量大体表现出高原主体与东部以及北部边缘地带变化趋势相反,即高原主体升温(降温)时,东部及北部边缘地带是降温(升温)的。

全面推进畜禽养殖废弃物资源化利用--湖北十堰市畜禽粪污治理调查报告

为调查湖北省十堰市关于畜禽废弃物资源化利用情况,对十堰市从事畜牧行业的人员组织了一次问卷调查,样本遵循随机原则从各畜牧相关部门和养殖企业中选出。调查主要包括行业人员的基本信息、样本经营特征、各养殖企业粪污处理模式和种养结合的利用程度以及微生物菌剂的使用情况等方面。并根据存在的问题提出了相应的建议和对策,以期为十堰市畜禽养殖废弃物利用提供思路,有力推动畜禽养殖废弃物资源化利用进程。

那曲高寒草地长时间地面热源特征及其气候影响因子分析

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2002—2015年自动气象塔(AWS_Tower)和2011—2014年涡动相关系统(EC)的观测资料,基于地表能量平衡组合法和涡动相关法计算那曲高寒草地下垫面湍流通量。利用涡动相关法对地表能量平衡组合法计算的感热通量、潜热通量进行校正,并将校正规律外推得到一个长时间连续的地表通量序列,分析那曲高寒草地下垫面感热通量、潜热通量的长时间变化特征以及地面热源与气候影响因子的关系。结果表明,该序列地表能量闭合度在春、夏、秋以及全年接近1,而冬季辐射观测值偏小导致能量闭合度正偏差较大为1. 34。近14年中,感热通量在年际变化上呈上升趋势;潜热通量呈显著减弱趋势,造成地面热源呈减弱趋势。地面热源与风速、地表温度、土壤湿度以及净辐射通量资料的关系显著。其中地面热源全年对净辐射通量响应显著,对地表温度在春、秋以及冬季响应显著,与土壤湿度在春、夏以及秋季响应明显,与风速在春季响应特征较为突出。季节变化上,感热通量在4月达到全年最大值,在7月为最小值;潜热通量在7月为全年最大值,在1月为最小值。

高原季风特征及其与东亚夏季风关系的研究

利用ERA-Interim的位势高度场、温度场和风场再分析资料,计算了1988-2017年的传统高原季风指数(Trational Plateau Monsoon Index,TPMI)和动态高原季风指数(Dynamic Plateau Monsoon Index,DPMI),分析了高原季风的空间分布特征和时间演变规律,结合东亚夏季风指数(East Asian Summer Monsoon Index,EASMI),探讨了高原季风与东亚季风的关系。研究表明:(1)高原夏季风从4月开始形成,暖性低值系统在高原上生成;6月暖性低压系统中心形成并达到最强,此时高原夏季风强度也达到最大;10月暖性闭合低压系统向东北方向移动且强度也随之减弱并退出,高原夏季风结束。(2)DPMI和EASMI具有明显的年际变化特征,在关键年高原夏季风和东亚夏季风的强度表现一致。(3)中纬度受东亚季风所影响区域的位势高度场和青藏高原区域的位势高度场均处于同一正相关区域,而且超前两个月的DPMI同EASMI的相关系数最大,表明高原夏季风对东亚夏季风具有一定的指示意义。(4)东亚夏季风经圈环流受高原温度场变化的影响而移动,高原夏季风的低压系统与高原温度场关系密切。

那曲高寒草地上四种地表通量计算方法的对比

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2013年9月至2014年8月自动气象站(AWS)和涡动相关系统(EC)的观测资料,基于空气动力学法、地表能量平衡组合法、总体输送法以及涡动相关法,计算了高寒草地下垫面的湍流通量,并对不同方法计算结果间的一致性和差异性进行了分析。结果表明,不同方法计算的湍流通量特征具有明显的差异。地表能量平衡组合法满足能量平衡关系,但在早晨和傍晚层结转换期间,计算的湍流通量出现异常不稳定值;空气动力学法计算的湍流通量在整个观测期与涡动相关法计算的湍流通量相关性最高,但在大气稳定度参数接近0,计算结果不稳定;总体输送法计算的通量数据在地气温差为负值时发散明显,但该方法原理简单,适合在只有常规观测项目的业务气象站或在气象观测项目不全的野外台站使用。空气动力学法和地表能量平衡组合法与涡动相关法的湍流通量的平均偏差相对较小,而总体输送法平均偏差相对较大。研究方法和结果除了为这些方法的使用提供参考外,也为建立长时间通量序列提供了一个较为合理的依据,有助于深入了解高原地气相互作用。

基于Noah-MP模式的影响青藏高原冻融过程参数化方案评估

针对陆面模式冻融过程模拟偏差较大问题,基于Noah-MP模式对冻融参数化方案进行比较分析,并利用观测资料对模拟试验结果进行评估。结果表明:Noah-MP模式能够较好地模拟出青藏高原冻融过程特征;冻融过程模拟对冻融参数化方案相当敏感,冻结阶段到融化阶段期间,4组试验模拟值差异显著,融化阶段之后到冻结阶段之前,4组试验模拟值相当一致;相对于过冷水参数化方案,冻土渗透率参数化方案对冻融过程期间土壤温度的模拟更为敏感,过冷水参数化方案不同会导致冻融过程期间土壤液态水含量模拟值差异显著。地表能量通量模拟对冻融参数化方案相当敏感,4组试验地表能量通量模拟值在冻结阶段、冻结稳定阶段、融化阶段均存在显著差异。

那曲高寒草地总体输送系数及地面热源特征

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站那曲/BJ观测点的野外观测数据,估算了青藏高原那曲地区典型高寒草地下垫面的热量和水汽总体输送系数以及地表大气相对湿度因子,在此基础上利用中国气象局那曲气象站1980-2016年的常规业务观测数据,采用总体输送法计算并分析了那曲高寒草地地表通量特征。研究结果表明:(1)那曲/BJ观测点地表大气相对湿度因子γ的数值在33%~62%,9月最大,2月最小,热量和水汽输送系数CH和Cλ的季节变化范围分别在1.6×10^-3~2.7×10^-3和1.0×10^-3~2.0×10^-3,两者存在较大的差异。(2)1980-2016年那曲高寒草地感热通量总体呈现减弱趋势,而潜热通量呈现增强趋势,导致地面热源变化趋势不明显;分阶段来看,感热通量的变化在2004年前后发生转折,转折点前后的趋势为先减弱后增加,潜热通量在1994-2005年下降趋势明显,这也导致地面热源在1995-2005年有一个明显的减少。(3)年内季节变化上潜热通量相较于感热通量更明显,地面热源的季节变化更依赖于潜热通量的季节变化。

青藏高原季风演变及其气候效应综述

青藏高原季风是在高原热力作用影响下形成的冬夏相反的盛行风系,是青藏高原气候的主宰者,对高原能量与水分循环和转换起着至关重要的作用,并深刻影响着高原及亚洲气候与环境的形成和演变。对高原季风及其气候环境效应的研究不仅是深入理解高原环境和气候变化、水分和能量循环的需要,同时也符合国家生态文明建设与社会经济发展的要求。本文从高原季风的多尺度变率、影响高原季风的动力和热力因子及其气候与环境效应角度回顾评估了高原季风的研究进展,并梳理出未来亟待解决的科学问题。已有的研究表明,高原季风的形成是青藏高原隆升到抬升凝结高度的必然结果,同时也是第四纪开始的重要标志。青藏高原季风多尺度变率受高原局地热力作用以及高原外太平洋海温、北极涛动和中高纬遥相关波列调控。青藏高原气候效应主要体现在对高原及其周边地区气候格局及其变化的影响。最后,讨论和展望了高原季风研究的问题和方向:青藏高原复杂下垫面陆面过程对高原季风的影响研究有待加强,全球变化背景下高原季风对高原增暖的响应及其成因还需要更加深入分析。

那曲地区浅薄残余层对对流边界层发展的影响

利用那曲站2016年夏季探空数据及其他气象观测数据,对8月25日和26日那曲大气边界层结构进行了研究。发现8月25日和26日白天晴空对流边界层的发展过程存在显著差异。8月25日和26日14:00(北京时,下同)的边界层高度分别为1244 m和1966 m,而25日和26日08:00-14:00累计的地表感热通量分别为605 W·m-2和650 W·m-2。也就是说,在地表感热加热的累计通量的差异仅为7%的条件下,白天晴空对流边界层高度的差异能达到60%。进一步分析发现,浅薄残余层的存在可能是造成边界层高度差异的主要原因。本文还初步评估了欧洲中期天气预报中心最新一代高时空分辨率的再分析数据ERA5在那曲地区的适用性。结果表明,8月26日的ERA5再分析数据可以基本再现位温、风速的垂直分布特征,边界层高度也与观测比较一致,但峰值时间存在滞后性。

北大西洋-东亚和北亚型遥相关的机制及其对新疆夏季旱涝的影响

北大西洋-东亚和北亚(简称NAENA)型遥相关是夏季欧亚大陆对流层上层经向风异常的第二主导模态,对欧亚大陆多尺度气候变率有显著影响。本文在分析NAENA型维持的动力学机制的基础上,研究了该遥相关型对新疆夏季旱涝异常的影响及其可能机制。大气波列的涡度收支分析表明,气候态的旋转纬向风引起的扰动涡度平流可以被扰动旋转经向风引起的平均涡度平流所补偿。能量转换过程分析表明,该大气波列有效地从平均流中提取有效位能,通过斜压能量转换过程得以维持。大西洋海温异常三极子模态则是NAENA型维持的重要外强迫因子。回归分析表明NAENA型遥相关能通过促进南疆夏季降水,显著影响新疆的旱涝异常。NAENA型位于中亚的气旋性低压一方面增强了南疆地区的垂直上升运动,同时气旋性环流将更多的水汽输送到该地区,有利于水汽在对流层中低层的异常辐合,进而对南疆的降水有促进作用。

青藏高原近60年来气候变化及其环境影响研究进展

作为全球能量水分循环的关键区域,青藏高原(下称高原)气候变化对高原及周边地区气候与环境变化具有重要影响。本文从高原表面增暖、辐射变化、降水的多尺度变率、表面风速及环境变化方面回顾了高原近60年来气候变化及其环境效应与物理机制的研究进展,并基于再分析和台站观测资料讨论了近10余年来高原表面温度和风速变化的特征及原因。最后,就高原气候变化研究亟待解决的科学问题进行了梳理与展望。研究表明:(1)相较于北半球增暖,高原增暖发生时间早,增温速率大。海拔依赖型增暖和年代际大气增湿导致晴空向下长波辐射的增强是高原表面增暖的主要原因。近10余年来,高原东部地区表面温度主要以年际变化为主。(2)受持续增暖和年际、年代际尺度的海温与大气环流异常影响,高原不同季节和区域的降水呈现出多尺度变化特征。(3)在高原与中高纬度地区增暖的经向差异及大尺度环流异常的影响下,高原表面风速在年代际尺度上变化显著。(4)高原环境变化主要表现为湖泊扩张、多年冻土退化、植被返青期总体提前;受高原降水的年代际变化影响,自20世纪90年代以来,高原西部冰川趋于稳定甚至部分恢复,而东南部地区冰川持续退缩;夏季风系统的季节和季节内变化对高原植被生长和返青期的时空变化有较好的指示意义。(5)不同季节和区域表面温度和风速变化的机理研究和数值模拟需进一步深化;提高气候模式对高原温度和降水的模拟性能仍是重要研究内容;高原高分辨率的区域气候模拟与资料同化的研究亟待加强。

黄土高原夏季极端降水及其成因分析

利用1961-2016年夏季黄土高原地区64个气象监测站的逐日降水资料及同期NCEP/NCAR再分析数据,分析了近56年黄土高原夏季极端降水的时空变化特征,并对比了极端降水强弱年以及不同年代黄土高原地区夏季大气环流形势的异同。结果表明,黄土高原夏季极端降水占夏季总降水量的54%左右,总体上呈现出东多西少的空间分布特征。在近年来黄土高原夏季降水整体下降的背景下,极端降水占比在将近70%的站点表现出增长趋势。对比极端降水强弱年环流形势发现,当贝加尔湖低压增强,西北太平洋副热带高压偏强偏北时,有利于西北太平洋及南海暖湿气流向北输送,与北方干冷空气在黄土高原上空交绥,从而导致更多的极端降水。在强极端降水年的夏季,存在着异常强的水汽净收入。6月,北边界和南边界的水汽输入加强。北边界在7月和8月转为水汽输出边界,同时西边界和南边界的输入加强,且8月的增加更为明显。在强极端降水年,夏季黄土高原上还可以观察到更加明显的冷暖空气交绥,这有利于研究区域不稳定能量的释放和极端降水的增加。此外,研究发现黄土高原夏季极端降水在1980年代经历了从偏多到偏少的转变,近些年来又逐渐增加。对比不同年代夏季大气环流可见,当水汽净收入为正,同时冷暖空气交汇明显时,对应年代的黄土高原夏季极端降水偏多,反之则降水偏少。

基于激光雷达和航空器报告识别低空风切变及其演变过程研究

低空风切变是影响航空安全和高效运行的重要因素。中川机场作为山地型内陆机场,受复杂地形和天气系统影响,风切变发生频率高且多发于夏季。本文根据航空器报告统计分析2009-2018年中川机场低空风切变事件的时空分布特征,采用基于测风激光雷达(Windcube 400s-at)资料的风切变识别方法对比了固定窗口法和自适应窗口法的识别效果,并探究了该地区风切变三维结构的连续演变和空间分布特征。研究表明,近十年中川机场低空风切变事件发生频次的增长率大于航班量的增长率;受天气影响,低空风切变事件峰值出现于4-7月和8-10月;67.2%低空风切变事件伴随对流天气,多发生于午后200 m高度以下,危险性高、风切变强度受对流天气强度影响。相比于固定窗口法,自适应窗口法识别范围更大,更适用于风切变三维结构连续演变的研究。该区域风切变垂直空间分布低,水平尺度多为1000~1500 m和2000~2600 m,过程持续时间多在20 min内,移动方向主要受背景风影响。本文研究结果有助于进一步了解该区域风切变的特征,为低空风切变识别、演变机理和预报预警等提供参考。

近60年青藏高原季风期降水的南北变化特征及机理研究

青藏高原(以下简称高原)对全球气候的影响一直是被研究的重点,国外的学者更多地关注的是青藏高原对全球气候系统的影响,但是其本身的气候变化也是全球气候系统变化中的重要分量。随着南亚夏季风的建立和副热带急流的北抬,高原降水呈现出多尺度变化和多因子影响的特征。本文基于1961-2020年的GPCC逐月降水资料和ERA5逐月再分析数据的环流场数据,分析了全球变暖背景下,青藏高原5-9月季风期降水的时空分布特征及其演变规律,分析了夏季风期高原降水时空演变特征的机制。结果表明:气候平均态下,高原降水自5月开始增强并向北推进,并于7月延伸至高原中部;9月份后高原降水开始南撤;季风期降水的经验正交函数分解(EOF)第二模态显示,以唐古拉山为界,高原南北部季风期降水异常呈南北反向的偶极性分布。在年代季尺度上,高原南部降水1961-1980年偏少,1981-2002年较多,2002-2019年又偏少的年代际变化特征。总体来看,1961-2020年的60年间,季风期高原南部降水呈略微减少的线性趋势,这可能和南亚夏季风的衰退有关。高原北部降水基本和南部呈相反变化,1961-2020年间,季风期高原北部降水则存在着28 mm·(10a)^(-1)增加的趋势,高原南部降水呈-3 mm·(10a)^(-1)略微减少趋势。对应高原南部和北部降水的大气环流结果表明,高原南部降水主要受南亚夏季风影响,南亚夏季风的推进及撤退直接影响着高原南部的降水的增加和减少,而高原北部降水则与中纬度西风急流中的Rossby波传播有关。

青藏高原热源对我国旱区气候异常影响研究进展

青藏高原热源作用加强了我国旱区气候背景的形成和维持,同时也对我国旱区的气候异常产生重要影响。深入认识高原热源变化与我国旱区气候异常之间的联系,对于维系旱区生态安全、防范重大气象灾害、促进区域可持续发展具有重要意义。本文回顾和梳理了当前关于高原热源对我国旱区气候异常影响的相关研究,包括高原热源的气候特征、高原热源对我国旱区气候异常的影响以及高原热源前期信号对我国旱区气候的预测作用。已有研究表明,高原热源的时空分布特征具有显著的季节性、区域性以及时间阶段性差异,通过调控高原北侧经圈环流、南亚高压、西风急流、纬向行星波等环流系统可对我国旱区气候异常产生影响;同时,高原积雪、冻土等通过陆面过程改变地表能量平衡和土壤水热传输影响高原热源,可作为前期信号运用于旱区夏季降水预测。最后,在总结已有研究进展和成果的基础上,对今后高原热源对我国旱区气候异常影响的研究方向做了展望,即在全球变暖背景下高原热源的时空变化规律仍存在很大不确定性,高原热源影响我国旱区气候异常的途径目前尚不全面,二者之间的内在影响机制仍有待进一步研究。

基于CLM4.5的高寒草地辐射收支和水热交换的数值模拟研究

利用那曲高寒气候环境观测研究站本部BJ观测点2014年6-8月的近地层观测资料,结合CLM4.5陆面模型,探究空气动力学粗糙长度、叶面积指数、植被覆盖度和热力学粗糙长度参数化方案的改变对陆面能水平衡的模拟结果产生的影响,并且探讨了粗糙度及植被状态指数影响陆面能水平衡模拟性能的机制。结果表明:(1)CLM4.5默认的热力学粗糙长度方案Z98高估了感热通量,并且低估了地表温度,Z12方案和B82方案能够很大程度上减小感热模拟的正偏差与地表温度模拟的负偏差。(2)基于不同类型数据计算了两组空气动力学粗糙长度的月均值,在替换模式中原有值后,明显减小了地表通量的模拟偏差。(3)叶面积指数的增加(减少),使感热减小(增大),潜热增大(减小),反射辐射和地面长波辐射通量降低(增加),并且土壤温湿度也有所下降(上升)。(4)随着植被覆盖度的增加(减少),潜热通量降低(升高),感热、反射短波辐射以及地面长波辐射增强(减弱),地面土壤温、湿度有所增加(降低)。本研究为选择最优参数及参数化方案,进而更合理地模拟出整个高原地区的地表能水平衡提供了参考依据。

基于CLM4.5模式的季节冻土区土壤参数化方案的模拟研究

利用位于季节冻土区的中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站那曲/BJ观测点的野外观测数据,通过CLM4.5的单点模拟实验,分析评估了Luo土壤热导率参数化方案、Johansen土壤热导率参数化方案、Coté土壤热导率参数化方案和虚温参数化方案对土壤温、湿度的模拟能力,为将来选取最优的参数及参数化方案来更合理的模拟青藏高原土壤冻融过程为目的的工作提供依据。结果表明:(1)三种土壤热导率参数化方案模拟结果的土壤热传导率有明显差异,其中Coté方案的土壤热传导率最高,Luo方案的土壤热传导率最低。(2)三种热传导率方案均能合理地模拟出土壤温湿度的日变化趋势,Johansen方案对土壤温度年变化趋势模拟的更好,Coté方案对土壤温度模拟的数值较观测值偏离的更小,Luo方案对土壤湿度的模拟更好。(3)加入虚拟温度方程,并引入相变效率参数后,减少了模式对土壤湿度模拟的负偏差,Y-L方案在保持土壤温度较好模拟能力的基础上,能够进一步的提升土壤湿度的模拟能力。

那曲地区不同季节陆面过程与大气边界层演变耦合关系的对比分析

陆面过程与大气边界层之间耦合关系是理解青藏高原热力效应的关键环节和难点之一。本文基于那曲高寒气候环境观测研究站2019年5月、7月和10月地面及探空观测数据分析了青藏高原那曲地区地表能量收支及大气温湿垂直廓线的日变化和季节差异,探讨了该地区干湿季大气边界层高度的演变规律。结果表明,在5月观测期间内受日间净辐射强度变化的影响,对流边界层在晴天较高,为2842 m;阴天较低,为1481 m,强对流天气也可能使其在低层转变成稳定边界层。同时,位于近地层大气的感热和潜热交换为大气边界层的维持和发展提供了能量支持,位温和比湿垂直廓线能够正确反映出那曲地区大气边界层高度的季节性差异,对流边界层高度在5月最高、10月次之、7月最低,而稳定边界层在7月最高、5月次之、10月最低。