大型浅水湖泊高时空分辨率风场特征数值模拟研究:以巢湖为例

【目的】大型浅水湖泊的风场是影响湖泊流场、水体富营养化和藻华运移聚集规律的关键因素之一,仅依托气象站点的观测数据难以有效捕捉湖面风场在空间和时间上的快速变化。为精细刻画湖泊高频变化风场,辨识其时空变化特征,【方法】以巢湖为研究对象,综合利用气象观测数据、全球再分析数据集和地理静态数据,通过中尺度天气预报模式和地理空间分析技术,模拟分析巢湖地区2019年高时空分辨率的风场变化过程。【结果】结果显示:巢湖区域风速由东向西、由南向北、由湖面向陆面逐渐减弱;湖面主导风向为东风和偏东风,主导风速为二级至四级,湖面平均风速在11月最大,12月次之,5月最小,不同季节湖面平均风速由大到小依次为冬季、秋季、夏季和春季。【结论】结果表明:巢湖在白天(夜晚)出现冷(暖)湖效应,其风场在早上6时和夜晚23时出现陆风和湖风转换;西半湖受湖陆风和城市热岛影响显著,在夏季会出现明显的环湖湖风锋,其湖风锋穿透内陆距离约4.7~9 km;东半湖受山谷风影响显著,在东南部山脉以东湖区易形成低风速区,在湖口附近受狭管效应易形成高风速区。通过研究成果可进一步认知巢湖区域风场特征,为巢湖水生态环境治理提供技术支撑。

过去50年黄淮海地区冬小麦干热风发生的时空演变规律

【目的】研究近50年来中国黄淮海麦区小麦干热风时空变化特征,针对其变化趋势,提出有效防御干热风的科学对策。【方法】基于黄淮海地区68个气象台站1961—2010年的逐日气象资料,采用中国气象局发布的气象行业标准"小麦干热风灾害等级"指标,系统分析近50年来黄淮海冬小麦高温低湿型干热风年平均发生日数与过程次数的时空分布特征,针对其变化趋势,提出有效防御干热风的主要途径和技术措施。【结果】(1)1961—2010年,黄淮海地区冬小麦轻度、重度高温低湿型干热风出现的平均日数和过程次数随时间的变化总体呈减少趋势,其中1960—1980年和2001—2010年均为缓慢减少时期,1981—2000年变化则不太明显。1968年各地干热风危害均最为严重,1987年危害均最轻;(2)近50年来,该区轻度、重度干热风灾害的年际变化很大,这和该时期气象要素匹配程度有关。各地20世纪60年代干热风发生最严重。其次,为20世纪70年代和最近10年。20世纪80、90年代危害较轻;(3)就空间平均分布状况而言,该区轻度和重度干热风年平均发生日数和干热风过程次数分布具有一致性,总体呈中间高、两头低的趋势,且地区间差异都很显著,同纬度地区的内陆高于沿海。河北省的北部和西北部、河南省的东南部一带等地干热风危害最轻,河北省南部、河南省西北部等地危害最重,该地作物产量受到冲击很大,生产相对更脆弱。【结论】1961—2010年,中国黄淮海地区冬小麦干热风灾害总体表现为减少趋势,但由于不同时期和不同区域气象要素温度、水分、风速等匹配组合的差异,干热风灾害年际变化很大,地区间差异显著,在不同时期、不同区域仍有可能发生。实际生产中,必须重视小麦干热风灾害的防御,可从生物措施、农业技术措施和化学措施着手来减少干热风对小麦生产的影响和危害。

中国近地层风能资源的时空变化特征

近地层风能蕴量是随着大气背景的变化而变化的特殊物理量,研究在全球变暖的背景下近地层风能资源的气候变化与分布特征,对我国风能产业的发展规划具有重要的理论意义和实际价值.选取全国186个地面站在1960-1999年共40年的常规风速观测资料,采用了分段线性拟合、变化速率计算等方法,对研究区域内年平均风速进行了趋势分析,又通过对逐年的平均风能密度做REOF分解,提取了具有不同风能变化型态的7个显著区域,探讨了风能资源的时空气候变化特征.研究结果发现:中国逐年平均风速呈现“冬春大、夏秋小”型,40年来各季和全年的年平均风速、风能密度均是显著减弱的,在70年代中前期之后出现显著的持续下降趋势;北方区、东北区、东部沿海区的风能资源相对最为丰富,变化幅度也最大,中部区风能资源最为贫乏,变化幅度最小.风能资源的分布特点和变化趋势与影响我国的冬、夏季风系统的气候变化关系密切.

基于数值模式的风场时空变化特征的统计分析

统计分析风场时空变化的特征,掌握其变化规律,可以提高风场预报的准确性。利用WRF模式对大气状态进行模拟,优化配置物理过程参数化方案,采用多层嵌套、双向反馈。以2h为时间间隔的风场状态变化作为统计的风差样本,重点关注超过规定阈值大小的显著风差样本的分布,将风差样本标注在地图上,制作显著风差样本图。统计了显著风差样本数量在一天中的累积分布、风差样本的大小在垂直方向的分布,以及风场状态在各个高度层之间的差别。选择银川河东机场区域作为WRF模拟区域,对该区域一年的风差样本进行统计分析。结果表明:复杂地形条件下,不同区域风场变化的剧烈程度有很大的差别,但由同一因素引起的显著风差样本的变化趋势是一致的;风场时空变化的剧烈程度随着高度的增加而减弱。

中国不同历时霾日数时空变化特征及其与城镇化和风速的关联性研究(1961-2015)

利用中国气象局提供的2 474个霾日数站点数据,采用多种统计方法,计算了1961-2015年中国不同历时的霾日数频次和变化趋势。结果表明:1961-2015年中国不同历时年总霾日数呈现出明显的增加趋势,尤其是2000年以来增长迅猛,且以短历时的霾事件为主。在空间上,中国不同历时的霾日数呈现出"东南高—西北低"的空间格局,尤其是京津冀、山西南部和陕西中东部、长三角和珠三角地区出现频率最高。在变化趋势上,不同历时的年总霾日数在京津冀、山西南部、长三角和珠三角地区增长最为明显,而陕西及其周边地区则减少明显。通过人口和风速与不同历时霾日数进行时间和空间的相关分析结果表明,在时间相关上,中国不同历时的年总霾日数与总人口、城镇人口和城市化率的正相关性很高,而与平均风速的负相关性较高。在空间相关上,中国县级总人口密度与不同历时的年总霾日数呈空间正相关,且空间系数随着年代推移呈现出一致性的增加趋势。而全国平均风速与不同历时的年总霾日数呈空间负相关,且空间系数随着年代推移呈现出一致性的增加趋势。因此,1961-2015年中国快速城市化和平均风速减小可能是中国年总霾日数日数显著增加的主因。

北京近年地表风速和大气混合层厚度变化特征研究

文章利用北京地区2009-2014年20个气象站观测资料,计算和分析了地表风速和大气混合层厚度的时空变化,结果表明:北京地区近年地表风速呈下降趋势,城区和郊区平原下降幅度大于郊区山地,区域气候背景变化和人为观测环境改变导致的风速下降比例分别占7%和5%~6%。地表风速在春季和冬季明显大于夏季和秋季,一天中风速最大时段出现在午后至傍晚,凌晨02-06时风速最小,在空间上呈北部山区和东部平原高、中心城区和西南地区低的分布特征。大气混合层厚度平均为524 m,近年明显下降,对污染扩散较为不利,其中城区和郊区平原下降幅度约9%~10%,郊区山地下降幅度约6%。在季节变化方面,春季和夏季混合层厚度最大,午后12-14時是混合层厚度最大时段,平均可达1 200 m,而凌晨02-05时的混合层厚度则最低。混合层厚度空间分布有明显的日夜差异,总体上"城区<郊区平原<郊区山地",存在以密云为中心的东北部山区和以通州为中心的东南部平原区2个高值区,而包括中心城西部在内的西南地区则为低值区。

秦岭南北风速时空变化及突变特征分析

根据秦岭南北47个气象站1960-2011年逐月风速和气温资料,采用样条曲线插值法（Spline）、Pettitt突变点检验、气候倾向率和相关分析等方法对该区风速的空间分布、时空演变特征及其可能影响因素进行了分析。结果表明：①秦岭南北风速空间分布呈东高西低、北高南低格局,按其大小排序为秦岭以北〉秦岭南坡〉汉水流域〉巴巫谷地。四季风速排序为春季〉冬季〉夏季〉秋季,均以秦岭以北最大。②近52 a来,秦岭南北整体和各子区年平均风速呈现一致的显著下降趋势,下降最快的为秦岭南坡,最慢的为汉水流域。四季风速下降速率排序为冬季〉春季〉秋季〉夏季。③年和季节尺度风速的突变集中出现在1969-1974、1978-1981和1990-1994年间,秦岭南北整体于1981年突变。④气象台站周边的城市化发展和风速测量仪器的更换都对风速的变化产生了一定影响,但都不是风速显著下降的主要原因,大气环流变化和气候变暖才是造成风速减小的可能原因。

西北地区气候变化与风速响应特征

依据西北地区105个气象站点近51a逐年气温、降水及风速资料,利用趋势线法、Mann—Kendall突变检验法及ArcGIS空间差值法分析了该地气候变化特征及其对风速的影响。结果表明:(1)近51a来,西北地区增温趋势明显,气温经历了相对低温期—大幅上升期—上升趋势减缓期的转变;增温趋势空间差异明显。(2)该区降水呈下降趋势,呈现出由显著变化—趋于稳定—波动加快的转变;降水变化东西差异明显。(3)综合气温和降水来看,西北地区东部呈暖干化趋势,西、中部地区呈相对暖湿趋势。(4)近51a平均风速整体以每10a降低0.11m/s的速率变化,1974年之前呈增强趋势,之后减弱趋势明显,1993—2011年趋于稳定;风速变化空间上呈现出东南部、西部与中部的差异。(5)气温和风速呈极显著负相关关系。

黄土水蚀风蚀交错区土地利用/覆被时空变化研究——以陕西省神木县六道沟流域为例

以陕西省神木县窟野河流域的六道沟为例,探讨利用景观格局数量指标计算法,并运用马尔可夫链转移矩阵研究不同时段土地利用/覆被的时空变化。其步骤如下:首先,数字化三期利用图,并在ARC/INFO下统一坐标系统;其次,遴选景观格局数量化指标;然后,在统计软件下计算各指标值;最后进行研究区域土地利用/覆被时间-空间变化的分析和讨论,得出土地利用/覆被经年经年变化趋势。其结果可为黄土高原水蚀风蚀区的土地资源合理利用、土地利用规划和控制水土流失等提供科学依据。

1981-2013年内蒙古地区风速的时空变化特征

利用内蒙古地区42个气象观测站1981-2013年共33年逐日地面常规风速资料,采用线性趋势、小波分析和M-K突变检验等统计方法,分析了该地区平均风速的时空变化特征.结果表明:内蒙古地区的平均风速呈西高东低的分布形势,逐月变化呈双峰型,春季风速最大,秋季次之,夏季和冬季风速最小;平均风速呈逐年减小的趋势,减小的速度为0.18m·s-1·(10a)-1,20世纪90年代下降最为明显,近年来下降趋势较缓;风速显著减小的地区主要分布在西部、中部,阴山一带以及东部地区风速呈弱上升趋势;四季变化趋势与年变化一致,其中夏季变化幅度最大,冬季最小.内蒙古地区平均风速在研究时段内存在着准4a、准6a的年际和准14a的年代际周期变化,突变检测表明平均风速在20世纪90年代出现了突变.

1961～2010年河北省地面风变化特征及成因探讨

利用1961~2010年河北省73个地面气象站风观测资料,结合NCEP/NCAR（2.5°×2.5°）月平均再分析资料和国家气候中心下发的环流指数,采用线性趋势拟合方法,分析地面风速的空间分布以及风速和最大主风向风频的时间变化特征,并对风速减小的成因进行探讨。结果表明：空间上风速呈东北西南向带状分布,依次有大、小、大3个风速带。年平均风速呈减小趋势,减小速率为0.207 m·s-1/10 a;3.0 m/s以下的风速日数呈明显增加趋势,8.0 m/s以上的日数呈显著减小趋势,3.0~8.0 m/s风速的日数没有明显变化趋势。代表站最大主风向为偏南风,最大主风向风频平均每年增加0.54 d。风速的减小与1980年代以后影响我国的环流经向度减小、西风指数增加有关,也与城市化效应的影响有关。

锡林郭勒盟风沙源治理区防风固沙功能变化评估

监测评估生态工程区的生态功能变化是实施推进生态治理修复工程的重要参考。基于修正风蚀方程(RWEQ)与GIS技术,评估分析了风沙源治理工程区内锡林郭勒盟的防风固沙功能动态变化,并重点探讨了降水量和植被覆盖度对防风固沙功能的影响。结果表明:2000—2015年锡林郭勒盟年均防风固沙量为14.56亿t,单位面积防风固沙约为74.78 t·hm^-2,且分别以7.1%和6.3%的年均速率波动增加。整体来看,锡林郭勒盟防风固沙功能由东南向西北及东北方向递减,主要原因是东北部潜在风蚀风险较低。相比2000年,2015年锡林郭勒盟有32.63%的地区防风固沙能力升高,51.82%的地区稳定,另有15.55%的地区防风固沙能力下降。此外,锡林郭勒盟防风固沙功能变化与降水量和植被覆盖度变化均呈显著相关。因此,风沙源治理工程区防风固沙功能的提升应综合考虑气候变化、生态工程和人类活动的影响。

宋代以来福建莆田妈祖宫庙的时空分布研究

福建莆田是妈祖信仰诞生地,其信仰的重要物质载体妈祖宫庙始建于宋代;莆田境内妈祖宫庙具有较高的历史和文化价值,然而现有相关研究在完整性和规范性等方面都存在不足.文章运用GIS方法,揭示了宋代以来福建莆田境内妈祖宫庙的空间分布和历史变迁特征,针对妈祖宫庙的分布态势和管理问题提出解决对策.

1980—2019年北疆风灾时空变化特征及成因

基于1980—2019年北疆38县市风灾次数及其造成的死亡人数、倒塌房屋数、倒塌棚圈数、牲畜死亡数、农作物受灾面积等灾情资料,构建大风灾损指数,并根据概率密度分布确定风灾危害性等级。在此基础上,结合44个气象站平均风速、各县市农作物播种面积和牲畜存栏数资料,研究分析北疆风灾的时空变化特征及成因。结果表明:北疆地区风灾较重以上等级主要分布在北部、伊犁河谷和沿天山一带的农牧区、风口区及经济发达城市,这与风速的空间分布基本一致。风灾主要发生在春季,4月为高发、重发期,这与风速的季节分布相吻合。近40 a来,北疆风灾损失呈显著上升趋势,灾损指数每10 a增加0.24,且在气候变暖背景下大风灾损的波动性加剧、危害性增强,这与农作物播种面积和牲畜存栏数等承灾体的增加关系密切,而与风速无明显关系。

北京延庆冬季风寒温度分布特征及变化趋势

风寒温度表征不同气温和风速组合对人体的冻伤风险与舒适状况,直接影响雪上运动安全性和体验感。针对2022年冬奥会气象服务需求,利用延庆地区21个气象站的冬季观测数据,研究分析风寒温度的时空变化特征。结果表明:(1)风寒温度高值区处于延庆盆地区域,低值区处于缙云山等高海拔地区,均存在中度冻伤风险;(2)佛爷顶站冬季平均风寒温度为-15. 1℃,极端风寒温度达到-49. 4℃,冻伤暴露风险等级为中度到严重;(3)风寒温度的日变化为单峰单谷型分布,月变化中风寒温度最低值出现在1月中下旬,最高值出现在2月下旬;(4)在2010年1月5日与2016年1月23日2次典型寒潮天气过程中,引起风寒温度极低值的原因存在明显差异,前者为温度主导,而后者为风速主导;(5) 1978—2016年,延庆站冬季由于增温显著,导致风寒温度有明显上升趋势,而佛爷顶站温度增幅较小但由于风速有显著减小趋势,风寒温度也存在明显上升趋势。

基于GIS的邯郸市干热风时空变化特征分析

利用1971～2010年邯郸地区16个气象台站的日最高气温、14:00时空气相对湿度和14:00时风速的观测资料,研究了邯郸市干热风发生日数和干热风天气过程发生次数的时间和空间分布特征,并利用Morlet小波分析方法探讨了邯郸干热风发生日数的周期性。结果表明:邯郸市轻度、重度干热风的年平均发生日数分别为2.6 d和1.4 d,在空间分布上自西北到东南逐渐减少;轻度、重度干热风天气过程的年平均发生次数分别为0.9次和0.5次;从1971年至2010年,轻度和重度干热风发生日数的年际变化很明显,均呈先减少后增多的变化趋势;轻度干热风年平均发生日数的变化存在3.5年和2.0年的周期,重度干热风年平均发生日数的变化存在3.0年和2.0年的周期。

黄河内蒙古支流“十大孔兑”区风蚀强度时空变化特征

十大孔兑的风蚀作用过程为河道输沙提供了重要的泥沙来源。为揭示十大孔兑风蚀作用规律,选取3种典型下垫面建立风蚀监测小区,利用侵蚀针法对研究区风蚀量及地表形态进行了为期1 a的实地监测。在此基础上,综合当地气象资料,分析研究区风蚀强度及地表形态变化规律,结果表明：1）研究区风蚀强度与平均极大风速呈指数关系,10-11月和4-5月风蚀强度大于全年其他时间,4-5月风蚀强度最大,是全年平均风蚀强度的2～3倍;2）土壤可蚀性颗粒含量大小分别为库布齐沙漠区（94.95%）〉黄土丘陵沟壑区（62.18%）〉黄河南岸冲积平原区（44.51%）。库布齐沙漠区属于中度风蚀,黄土丘陵沟壑区和黄河南岸冲积平原区属于轻度风蚀,十大孔兑3种地形年累积风蚀量估算结果分别为8.74、5.95和5.16 Mt,风沙入黄所占总量比例分别为44.03%、29.97%和26.00%;3）研究区风蚀发生的方向主要为东南方向,监测小区的风蚀过程主要为堆积-吹蚀-推移-再堆积,地表起伏度随风蚀强度增加呈线性增加趋势（R2=0.78,P〈0.05）。研究结果可为防治十大孔兑泥沙淤积与合理配置水土保持措施提供科学依据。

祁连山区风速和风向时空变化特征

分析山地的风速和风向,对认识山地地区的气候变化和合理利用风力资源具有重要的意义。本文基于祁连山区11个气象站点的平均风速、最大风速和最大风速的风向数据,利用多种数学方法和ArcGIS空间分析法对风速和风向的时空变化分布规律作了探讨。结果表明:(1)祁连山区春季的平均风速和最大风速是年内风速变化的峰值区,其中中段和东段的最大风速出现在冬季。(2)全区的平均风速和最大风速年变化整体均呈下降趋势,下降率分别为-0.07和-1.56 m·s^-1·(10a)^-1。(3)1970—1979年风力资源最丰富;年际和季节(冬季除外)平均风速的突变均发生在1993年,东段和中段的平均风速均在1990—1999年发生突变,全区和各个区段平均风速的周期均为22a。(4)祁连山区平均风速自西向东呈递减趋势。(5)最大风速的风向以西南风为主,而东段则以偏东南风为主。

全球气候变暖下华东4省1市风速变化特征

季风与气温的关系是全球气候响应研究的重要内容.基于华东4省1市56个气象站点近53a的平均气温和平均风速资料,运用线性趋势分析、Kriging和IDW空间插值、Mann-Kendall突变检验以及Morlet小波分析等方法,分析了1961~2013年华东4省1市在全球气候变暖背景下平均风速的变化特征.结果表明：（1）1961~2013年华东4省1市平均风速减小了0.013 9m·s^-1·a^-1,其中,冬季下降快,夏季下降慢,（2）风速变化率在空间上整体呈条带状分布,并从中心条带向两边递减;（3）气温在1991年发生突变,突变后风速的递减速度加快.整体上风速与气温的变化趋势呈负相关;（4）华东4省1市风速在28a时间尺度上存在周期震荡.该研究对全面认识华东地区风能资源的发展以及风速与气温的关系有重要意义.

近40年南澳县大风特征分析

利用1970—2009年南澳县气象站风向、风速记录资料进行统计分析。结果表明:近40 a南澳县年平均风速为3.7 m/s,秋季最大,冬季次之,夏季最小;年平均最大风速为13.8 m/s,春季最大,冬季次之,夏季最小;年平均大风日数为68 d,冬季最多,春季次之,夏季最少;近40 a来的年平均风速、平均最大风速和年大风日数均呈减少趋势。大风日数年内变化呈一峰一谷型;最多风向为ENE风向,NNE和NE风向位居第二,偏西风最少。