基于绿洲尺度沙尘暴天气降尘的变化特征研究

以一次典型沙尘暴全过程的沉降沙尘为例,通过在策勒绿洲迎风向前缘、前缘向内2 km、中央及后缘不同位置设置取样点,研究了绿洲范围沙尘沉降的变化特征。结果表明:本次沙尘暴平均降尘量高达123.8 g/m2,沉降沙尘以细砂成分为主(约占77%),平均粒径偏粗,约为74μm。绿洲不同位置的沙尘沉降量以绿洲前缘最多(172.8 g/m2),向绿洲内部延伸,有逐渐减少的趋势,后缘位置最少,仅为75.8 g/m2;从绿洲前缘到内部,沙尘粒径逐渐变小,在前缘位置沙尘最粗,后缘的最细;而分选程度有逐渐变差的趋势,但变化不很显著,前缘到中央3个位置的分选较好,只有后缘点的分选较差;不同位置的粒度曲线基本都为稍呈负偏的常峰态分布,越深入绿洲内部,负偏程度越大。不同高度沉降沙尘亦有明显差异,随高度升高,沙尘平均粒径逐渐变小,沉降量显著减少,尤以低于2 m高度的递减率最为显著。

不同尺度绿洲环流和边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3.4非静力平衡模式,通过三重嵌套,模拟研究了西北地区不同尺度绿洲环流及边界层特征,发现不同绿洲系统地面能量和水分的输送是不同的,尺度较小的绿洲其地面潜热大,感热相对小。尺度在15km以上的绿洲可以形成绿洲—沙漠环流和绿洲的小气候,有较低的边界层,同时在绿洲边缘的沙漠形成湿气柱。尺度在几公里的绿洲不能形成绿洲—沙漠环流和绿洲边缘的湿气柱。尺度较大的绿洲形成的温度和湿度边界层结构和环流配合,使绿洲形成具有自我保护的绿洲小气候环境,有利于绿洲生态的发展。

绿洲与沙漠相互作用的数值试验研究

利用简化的绿洲与沙漠相互作用的动力学模式和绿洲系统与沙漠环境的熵平衡方程,从动力学和非平衡态热力学角度分析了绿洲与沙漠的相互作用特征,揭示了绿洲蒸发率对绿洲湿度和绿洲尺度的依赖性。结果表明:绿洲尺度和绿洲湿度是“冷岛效应”的两个重要控制因子;绿洲的维持与发展存在一个最小临界尺度。

塔里木南缘绿洲下垫面生物物理参数与地表温度相关性研究

以1999年和2009年Landsat TM/ETM+为数据源,塔里木南缘策勒于田地区的三个不同规模的孤立绿洲作为研究对象,基于"植被-不透水层-土壤"地表组成基础,通过归一化线性分解模型计算了植被丰度和不透水层比率分量。研究通过回归分析和区域分析计算了两分量与地表温度之间的相关性和响应关系,对比分析了绿洲尺度对植被丰度、不透水层比率与地表温度之间相关性的影响。结果表明:(1)植被丰度与地表温度在大规模的绿洲下有较显著的负相关关系,但随着绿洲规模的减小,植被丰度与地表温度之间相关性逐步减弱(R2从0.5～0.6降至0.1～0.2);不透水层分量与地表温度在大规模的绿洲下有较弱的正相关关系,而随着绿洲规模的减小,其相关性几近于零(R2从0.18～0.36降为0.002～0.04);(2)随着植被丰度的增加,绿洲区域温度最大值和最小值受影响较小,而温度均值有明显的减弱;随着不透水层分量的增加,区域地表最低温度有明显的上升。

稀疏植被下垫面与大气相互作用研究进展

介绍了国家自然科学基金委员会"十五"重点项目"稀疏植被下垫面与大气相互作用研究"的成果。通过资料分析、数值试验和理论分析,研究干旱地区稀疏植被复杂下垫面上水、热及CO2输运过程的机理;非均匀下垫面的复杂非线性效应;干旱地区更合理的陆面过程参数化方案以及绿洲的稳定性;强沙尘暴的发展机制和干旱地区生态环境建设对策。主要结果表明:(1)揭示了植物生态生理过程、净第一生产力和生物量对气候的敏感性,为稀疏植被下垫面与大气相互作用研究提供了较好的接口。(2)发展了适用于干旱、半干旱地区土壤中水热输送交叉耦合的物理模型;以能量和物质守恒定律为基础的雪盖物理模型,它显著地改善了陆面过程的模拟效果,是国际上最早开发的同类模型之一。(3)发展了大气非平衡态热力学,证明了非线性区普遍成立的最小熵产生原理,为研究气候和环境复杂系统提供了新思路和新方法;揭示了大气辐散和辐合运动对垂直湍流输送的影响,非均匀下垫面地气相互作用,为非均匀下垫面陆面过程参数化提供了物理基础;研究了绿洲稳定性并估算了绿洲临界尺度约为3～6km,为绿洲保护和建设提供了理论依据;提出了干旱地区有限水资源条件下增强其稳定性和抗干扰能力的生态环境建设对策。(4)发展了强沙尘暴发展的动力学模式。