Oasis cold island effect and its influence on air temperature: a case study of Tarim Basin, Northwest China

Oasis effect can improve the regional climate and habitability of an arid region. In this study, we explored the cold island effects of oases distributed along the edge of Tarim Basin by analyzing the oasis cold island effect （OCIE） intensity, spatial-temporal variation of OCIE, factors influencing the OCIE and impacts of OCIE on air temperature using geographical statistics and GIS methods based on the MODIS land surface temperature, land use/cover change （LUCC） and observed air temperature data. Results showed that all the oases in the Tarim Basin exhibited cold island effects, with the OCIE intensity highest in summer （-9.08℃）, followed by autumn （-4.24℃） and spring （-3.85℃）. The total area of oasis cold island （OCI） and the comprehensive OCIE index showed the same seasonal change trend as the OCIE intensity. However, the changing trends in areas of OCI with strong, medium and weak OCIEs were inconsistent across different seasons. Farmland and water areas were found to be the key contributors that affected the OCIE, and the area and aggregation metrics of these two land use/cover types directly contributed to the OCIE. By contrast, natural vegetation, such as forest and grassland, almost had no contribution to the OCIE. Simulation of observed air temperature data showed that if farmland is replaced by forest or grassland in the oasis, the mean, maximum and minimum air temperatures will increase significantly. This heating effect will be higher in summer （reaching 1.14℃ to 2.08℃） and lower in spring and autumn. Moreover, the heating effect of farmland being replaced by forest will be higher than that of farmland being replaced by grassland. These results can provide a basis for understanding the cold island effect of oases in arid regions.

Numerical Simulation of the Critical Scale of Oasis Maintenance and Development in the Arid Regions of Northwest China

Oasis is a special geographic landscape among the vast desert/Gobi in Northwest China (NWC). The surface sensitive heat flux and latent heat flux at Zhangye Oasis during 1 to 11 August 1991 are simulated using the NCAR nonhydrostatic mesoscale model MM5 Version 3. The horizontal grid resolution is set as 1km. By comparing the simulation results with HEIFE observations, it is proved that the model can be used to simulate the surface energy and water mass exchange of arid and semiarid regions in NWC. Based on the above results, the influence of different oasis scales on the local atmospheric field near the ground surface, and the critical scale of oasis maintenance, in NWC are studied dynamically. The following conclusion is obtained: the local thermal circulation between the oasis and the desert/Gobi is formed in the oasis downstream if the oasis scale is larger than 4 km. This local thermal circulation between the oasis and the desert adjacent to the oasis helps to conserve water vapor over the oasis. At the same time, it transfers the abundant water vapor from the oasis into the desert/Gobi near to the oasis to supply relatively plentiful water vapor for desert crops to grow on the fringe of the oasis. So, it is advantageous for oasis extension. However, if the scale of the oasis is smaller than 4 km, it is not easy for the local thermal circulation between the oasis and the desert/Gobi to take shape. This study provides a new standpoint for oasis maintenance and development.

An analysis of oasis stability in arid areas:a case study in the northern slope areas of the Tianshan Mountains

This paper discusses oasis stability at regional scale with a case study in the northern slope areas of the Tianshan Mountains (NSTM). The results showed certain significant aspects. (1) As long as water resources in the oasis keep stable and their utilization efficiency can be maintained or gradually increased, the primary productivity could be continuously increased and the natural primary productivity keeped relatively stable. In this case, it is considered that the oasis is stable and its sustainable development can be achieved at regional scale. (2) Considering the availability of water resources in the oases, the oases on the alluvial-diluvial fans are highly stable. In the alluvial plain downstream of the groundwater overflowing zones the oases are moderately stable and in the lacustrine deltas or dry lacustrine deltas the oases are lowly stable. (3) Enlargement of oases and the increase of water resources and vegetation coverage in the oasis will certainly enhance the 'cold-island effect' of the oasis and increase the stability of oases.

COLD ISLAND EFFECT OVER OASIS AND LAKE

There is a 'heat island effect' in the microclimate character over the cities. It is an important meteorological phenomenon in the atmospheric boundary layer, and has been studied widely by observation and theory.

Temporal and spatial variation and stability of the oasis in the Sangong River Watershed, Xinjiang, China

Starting with the change of the land cover and the landscape patterns as well as the cold-island effect of the oasis, the temporal and spatial variation and the stability of the oasis of the alluvial-diluvial-fan/alluvial-plain type in the Sangong River watershed are researched by using the theories and methods of GIS, RS and landscape ecology based on the aerial photos in 1978 and 1987, the TM images in 1998 and the meteorological and hydrological data of the watershed. The results show that (ⅰ) the land cover of the whole oasis changes rapidly in a big amplitude, and there is an obvious temporal variation; (ⅱ) during the period of 1978—1987, the diversity and the variation of the oasis landscapes were increased but the stability of the oasis was decreased, the diversity of the oasis landscapes, however, has been decreased, but the stability has increased since 1987; (ⅲ) the cold-island effect of the oasis in the Sangong River watershed has been gradually increased since the 1960s, which reveals that the stability of the oasis has been obvi-ously increased viewed from the angle of climate.

柽柳(Tamarix spp.)和梭梭(Haloxylon ammodendron)的“肥岛”效应

灌丛"肥岛"是全球干旱生态系统中的普遍现象,其发生和发展对干旱灌木、草原生态系统的结构和功能都具有重要影响,但其物种效应容易得到忽视。对准噶尔盆地南缘柽柳(Tamarix spp.)和梭梭(Haloxylon ammodendron)这两种不同地表形态灌木的冠下、冠缘和灌丛间地3种生境的土壤进行了采样、分析,结果表明:(1)柽柳和梭梭都存在"肥岛"现象,主要表现在土壤表层,其土壤性状与"岛"外土壤的差异随土壤深度增加而减弱;(2)生物性限制土壤养分由"岛"内向外梯度递减,而非生物性限制土壤要素可能高于、也可能低于"岛"外土壤,或者两者无显著差异;(3)从"肥岛"的空间尺度来看,柽柳"肥岛"的水平范围可能超出了本身冠幅覆盖区,而梭梭"肥岛"要小于本身冠幅覆盖区,其深度亦小于柽柳"肥岛";(4)相对于不同土壤要素而言,即使是同一物种,其"肥岛"也具有不同的空间范围。总的来看,研究区灌丛"肥岛"的发育具有明显的物种效应,相对梭梭而言,柽柳"肥岛"发育更广、更深,养分聚集更明显,其原因主要是柽柳的半球型树冠更利于保护和捕获凋落物,而较多的凋落物输入与土壤结构和土壤养分间的正反馈机制使柽柳冠下加速的生物地球化学循环能达到更广、更深的范围。灌丛"肥岛"的发育是干旱景观中生物过程与物理过程交互作用的产物,全面揭示其形成机理,探讨其对干旱生态系统结构、功能与动态的影响,需要更系统的研究。

夏季绿洲气候效应的观测和数值模拟

利用“金塔绿洲能量水分循环观测试验”的资料和中尺度数值模式对绿洲小气候效应进行了17天较长序列的研究，在模拟过程中每天替换土壤湿度。研究结果表明：在分析时段内2004年7月6目前和9日后分别盛行西北风和东风两种背景风；白天，绿洲低层相对沙漠是一个冷源，随着高度的增加逐渐转为暖中心，温度场在600～700hPa之间转变。当背景风较大时，绿洲上空的温度中心会偏向绿洲中心下游。白天绿洲低层风场平均态为在东风背景场的基础上向南北两侧辐散，随着高度的增加风场逐渐由辐散转为向绿洲的辐合，转变高度在700hPa以下，且低于温度场的转变高度。白天绿洲上以下沉运动为主，绿洲风次级环流是绿洲上夏季晴天长期存在的平均态。当背景风较小时绿洲低层可形成向四周辐散的风场，当背景风场过大时，无绿洲环流生成。绿洲为高湿场，在绿洲边缘沙漠上存在的逆湿和高水汽柱，既阻止沙漠上干热气流侵入绿洲，又防止绿洲上水汽的流失。白天沙漠、绿洲的地表能量通量差异较大，绿洲上以潜热为主，沙漠上以感热为主，二者量级相当。绿洲上的边界层高度低于沙漠的，对绿洲生态系统起一定的保护作用。

区域尺度绿洲稳定性评价

论文在区域尺度上,探讨了绿洲稳定性的内涵,并以新疆三工河流域绿洲为例,从绿洲所处的地理位置、绿洲与外围荒漠和山地系统之间的相互作用等方面评价了绿洲的区域稳定性。结果表明:①冲洪积扇型绿洲稳定性最高,其次是位于地下水溢出带下方的冲积平原型绿洲,稳定性最差的是湖滨三角洲或散流干三角洲上发育的绿洲;②绿洲的冷岛效应和植被指数可较好地表征绿洲与外围荒漠和山地系统之间的相互作用和评价绿洲的区域稳定性的时间变化。绿洲规模的扩大及绿洲水分和植被的增加将加强绿洲的冷岛效应,提高绿洲的稳定性;归一化差异植被指数增加,表明绿洲内植被覆盖密度增大和植物生物量提高,绿洲的稳定性增强。

夏季金塔绿洲冷岛效应的数值模拟

利用中尺度数值模式MM5对金塔绿洲2003年7月31日～8月2日的观测资料进行了模拟研究,分析了金塔绿洲的温、湿、气压、风场演变.结果表明,绿洲上白天为湿冷中心,气压场表现为低层(850 hPa)高压,高层(700 hPa)低压.受背景场影响,温、湿、气压中心偏离绿洲中心,风场向背景风的垂直向辐散.但绿洲上的感热和潜热场形状不受背景风场影响,不产生变形、偏离,同绿洲形状重合.

夏季金塔绿洲与沙漠次级环流近地层风场的初步分析

利用2004年6～8月在甘肃省酒泉金塔地区进行的'绿洲-沙漠能量和水分循环的野外观测试验'的风场资料, 分析了该地区两种不同的绿洲沙漠低层风场结构.结果表明: 绿洲沙漠的温差效应可以激发绿洲和沙漠间的次级环流, 在白天绿洲沙漠边缘低层是辐散气流, 夜间表现为辐合气流;在大背景风场较强的情况下, 在背景风场风向方向上局地环流被掩盖, 而其它方向上局地环流占主导地位;大背景风场处于转换期, 如西风转东风时, 当西风削弱, 而东风还没有产生时, 绿洲地区背景风场很小, 绿洲沙漠环流较为明显.

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。

干旱区绿洲-荒漠过渡带灌丛土壤属性研究

以天山北坡绿洲-荒漠过渡带为研究区,选择3种类型的灌丛并采集不同位置和深度的灌丛土壤样品进行分析,研究灌丛土壤资源的聚集效应.结果表明,干旱区绿洲-荒漠过渡带不同类型灌丛对土壤粒度分布的影响不显著,土壤以砂和粉砂为主,红柳+裸地灌丛土壤粒度分布的聚集效应明显;灌丛土壤有机质、全氮和速效钾含量在冠幅下最高,其次为灌丛间低矮植物下,灌丛间裸地最低,呈现出明显的“肥岛”现象;不同灌丛类型和采样位置对土壤盐分离子和总盐含量的变化影响显著,且不同灌丛土壤资源的聚集效应各异;导致不同类型灌丛土壤资源富集率不同的原因有气候因素、灌木分布的土壤环境、灌丛高度和冠幅、灌丛间有无低矮植物等.

金塔绿洲大气边界层特征的数值模拟研究

利用美国NCAR中心的天气研究与预报模式WRF(WeatherResearchandForecastModel),对金塔绿洲的环流场、温度场及湿度场结构及其日变化进行了较为全面细致的模拟研究,WRF模式很好地模拟出了绿洲—沙漠环流的日变化特征和这种局地热力环流的空间结构,模拟再现了绿洲"冷岛效应"和邻近绿洲的沙漠"逆湿"等边界层特征,模拟还发现了白天绿洲湿度场"凹型槽"式分布的特征。

WRF模式对金塔绿洲效应的数值模拟

利用美国NCAR中心的天气研究与预报模式WRF,对金塔绿洲的温度场、环流场、能量场的结构及其日变化特征进行了较为细致的模拟研究。结果表明,WRF模式能较好地模拟出非均匀下垫面上绿洲和戈壁的近地面温度、风场、净辐射、感热和潜热等要素的变化特征及日变化规律,较为完整地呈现出绿洲"冷岛效应",模拟的近地面风向和观测值吻合较好。通过对能量场的时空分析,发现下垫面的植被类型、土壤类型和土壤湿度对绿洲白天感热、潜热、土壤热通量和净辐射等有很大影响,绿洲白天净辐射峰值比戈壁大,潜热通量比感热通量大;白天大气向地面传输热量,绿洲地表获得的热通量大;而夜间地表向上传递热量,绿洲释放的热通量比戈壁大。更加细致地研究这些现象对深入了解绿洲气候的形成和维持机理具有重要的意义。

绿洲冷岛效应的遥感研究——以奇台绿洲为例

热能是生态系统中极其重要的因子.在中小尺度区域的热量资源和热场分布,对绿洲冷岛效应的研究,评价绿洲的稳定性,具有客观直接的证明力.本文利用landsat-7卫星影像来反映地物辐射温度差异这一特点为基础,以新疆奇台绿洲为研究区,应用遥感数据,探索了基于遥感的“冷岛效应”研究方法.结果表明:(1)遥感在探测绿洲“冷岛效应”和干旱区热量空间分部是一种强大而有效的技术手段;(2)在干旱区,绿洲“冷岛效应”明显,而撂荒地和盐碱地含有较高的热能,甚至高于荒漠地带;(3)本方法的使用为研究绿洲的光、热、水、土的空间分布及区域变化,评价绿洲的稳定性提供了一种新的角度,同时对绿洲与荒漠之间的大气物理模型及动力学有一定参考意义.

绿洲地理特征及其气候效应

根据绿洲的一些共性给出了绿洲的科学定义。并且根据以往大量研究成果 ,系统地归纳了世界上绿洲分布的区域类型、形成的客观条件、需要的水文环境、植被和土壤类型及其分类等地理特征 ,全面总结了绿洲“冷岛”结构、“冷岛”效应、“湿岛”结构、临近荒漠逆湿、高额可利用能量、风屏作用、动力和热力效应、增雨作用等主要气候效应。在此基础上 ,提出了绿洲具有系统性、对水的依赖性、高比照性、尺度性、高效性、脆弱性、演化性等本质特性。

金塔绿洲风场与温湿场特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3.6非静力平衡模式,采用三重嵌套的降尺度方法,模拟研究了甘肃河西走廊金塔绿洲风场与温湿场特征。结果表明:由于绿洲的存在,绿洲沙漠系统产生的次级环流对局地环流有一定影响;平流作用将沙漠中的干热空气送向绿洲,绿洲近地层会出现逆温,感热向地表输送;沙漠上由于临近绿洲的水汽平流作用,上层大气湿度比低层更大,这就是逆湿现象。

黑河地区绿洲—沙漠环流的数值模拟研究

地气相互作用现象的研究对预测未来气候变化意义重大。黑河地区绿洲和沙漠戈壁地表间水热特性的强烈差异所引发的绿洲—沙漠中尺度环流 ,能够影响该区绿洲生态系统的维持和发展。利用中尺度数值模式RAMS成功地再现了黑河地区绿洲—沙漠环流 ,同时对环流出现时温、湿场的模拟分析表明 ,绿洲—沙漠环流的发生和发展直接依赖于非均匀下垫面热力场的差异 ,白天发展强盛 ,夜间作用小。环流作用能够保证绿洲—沙漠系统的物质和能量平衡 。

干旱区的绿洲效应

本文总结了干旱区绿洲效应的一些表现特征 ,如“冷岛效应”、临近绿洲的荒漠大气逆湿、地表低反射率等 ,并分析了这些特征所表现出的光热优势和水分循环特色 ,在此基础上 ,提出了绿洲效应在绿洲维持过程中所起的作用 ,讨论了对其进一步有效利用的可能性 .最后 ,为了使绿洲效应得到最佳发挥 。

沙漠增温效应下绿洲气象要素时空效应特征分析

本文对古尔班通古特沙漠及其南部不同距离绿洲的温度、气压、风向风速及净辐射进行了比较分析。结果表明,沙漠地表面温度和气温升降速度比绿洲观测点要快、变化幅度大;由于各观测点空气相对湿度和温度升降度不同,使得各观测点的气压升降幅度也不同,白天气压的变化曲线呈单蜂型;各观测点在12:00到18:00期间主导风向主要是南风,还有东南或西南风,在20:00时风速几乎为0;早上和晚上沙漠的净辐射高于绿洲,白天近地面净辐射绿洲大于沙漠;对绿洲气象要素时空效应特征分析,为棉花等绿洲优势作物的播种期、物候期、作物生育及生理生态特性具有一定的指导意义。