黄土区苹果园土壤剖面水、汽通量模拟研究

黄土疏松多孔且黄土区干旱少雨,汽态水可能在剖面水分运移中扮演重要角色。因此,了解非饱和带土壤水汽通量的循环运移规律,对实现干旱区水资源的可持续发展具有重要意义。基于黄土高原旱地苹果园剖面(0~200 cm)高频定位监测试验,采用水-汽-热-气耦合的STEMMUS(Simultaneous Transfer of Energy,Mass and Momentum in Unsaturated Soil)模型,探讨黄土剖面液态水和汽态水通量运移规律。结果表明:STEMMUS模型准确地再现了旱地苹果园剖面土壤水分(d介于0.81~0.98,NRMSE介于5.5%~15%)和土壤温度(d介于0.98~0.99,NRMSE介于1.4%~4.6%)的动态变化,对苹果树蒸发蒸腾量的模拟表现出良好的一致性(d介于0.92~0.96)。降雨对基质势梯度、温度梯度、液态水与汽态水通量均有显著影响,液态水与汽态水运移分别主要由基质势梯度与温度梯度驱动,且二者对土壤水分的最大补给深度在研究期内分别为100 cm和160 cm,表明土壤水通过向下的汽态水能够运移至更深层土壤。研究结果可增进对黄土剖面水分运移规律的认识。

夏季东亚季风区水汽输送特征及其与南亚季风区水汽输送的差别

利用ＥＣＭＷＦ所分析的１９８０～１９８９年每日各层的水汽和风场资料分析了东亚季风区夏季风的水汽输送特征，并与印度季风区夏季水汽输送进行比较。分析结果表明了东亚季风区夏季水汽输送特征明显不同于印度季风区夏季水汽输送，东亚季风区夏季水汽输送经向输送要大于纬向输送，而印度季风区夏季水汽输送则以纬向输送为主。分析结果还表明东亚季风区由于夏季水汽分布是南边大、北边小，偏南季风气流所引起的水汽平流是湿平流。因此，水汽的辐合主要由季风气流所引起的水汽平流所造成，而印度季风区季风气流所引起的水汽平流是干平流，它利于水汽输送的辐散，水汽的辐合主要是由于风场的辐合所造成。

我国东部夏季降水异常主模态的年代际变化及其与东亚水汽输送的关系

本文利用1958～2000年ERA-40再分析每日资料和我国516台站降水资料以及EOF方法,分析了我国东部季风区夏季降水异常主模态的年代际变化特征及其与东亚上空水汽输送通量时空变化的关系。分析结果表明了我国东部季风区夏季降水的时空变化存在两种主模态:第1主模态不仅显示出明显的准两年周期振荡的年际变化特征且也有明显的年代际变化,在空间上具有经向三极子型分布;第2主模态显示出明显的年代际变化特征,且在空间上具有经向偶极子型分布。这表明了这两主模态有明显的年代际变化,在1958～1977年期间我国东部夏季降水异常分布为从南到北"+-+"经向三极子型分布,而在1978～1992年期间降水异常出现了与1958～1977年相反的分布,为从南到北"-+-"经向三极子型分布。然而,在1993～1998年期间,由于第2主模态的作用增大,我国东部夏季降水异常为从南到北经向三极子型与"+-"偶极子型模态的结合,这使华南夏季降水明显增加。并且,分析结果还表明:这两主模态的年代际变化与东亚上空夏季水汽输送通量的时空变化密切相关,它不仅与东亚和西北太平洋上空似如东亚/太平洋型(EAP型)遥相关波列分布的夏季水汽输送通量异常年代际变化有关,而且与欧亚上空中高纬度西风带似如欧亚型(EU型)遥相关波列的夏季水汽输送通量异常年代际变化密切相关。

华北和西北区干湿年间水汽场及东亚夏季风的对比分析

为了更好地理解华北及西北地区的夏季降水气候 ,我们利用NCEP的再分析格点资料等 ,对华北和西北两区干、湿年 (月 )的水汽场及夏季风状况作了对比分析。主要结论是 :(1)近 5 0年来华北和西北区东部明显干旱化 ,这可能与同期内东亚夏季风强度趋弱 ,大气可降水量逐渐减少有关 ;(2 )两地区干、湿年 (月 )间气柱可降水量差别明显 ;(3)两地区干、湿年 (月 )的夏季风、水汽输送通道的位置及强度 ,以及水汽通量的辐散辐合情况均不同 ;(4 )高原与太平洋间的海陆温差指数及东亚夏季风指数(SMI)对表征东亚夏季风的季节变化及夏季风强度的年际变化有一定的能力。冬春季高原与太平洋间的海陆温差对其后东亚夏季风的强弱及西北和华北区的干湿状况有部分指示意义 ;作西北区夏季降水预报时要注意四川盆地的水汽场及广元—汉中一带 ,以及闽、台和两广的水汽输送状况。

一次东北冷涡暴雨的水汽输送特征和位涡分析

通过对2010年7月27-29日吉林省一次较大范围的冷涡暴雨、大暴雨过程进行诊断分析，建立了此类暴雨的天气概念模型：200hPa呈现“两脊一槽”型，高空急流呈辐散状位于吉林省上空，急流中心最大风速≥60m／s；500hPa东北冷涡强烈发展，鄂海阻高稳定维持是此次强降水发生的重要天气系统，中心最大风速〉120m／s的偏西风急流带横穿吉林省中部；850hPa风速≥12m／s的3条急流带在吉林省中东部地区交汇，形成低层辐合、高层辐散的气旋性涡度柱，较强的垂直上升气柱一直向上伸展到500hPa附近，极有利于对流的发展和强降水的维持。通过计算整层水汽通量与吉林省逐6h平均降水量的相关矢量场，结果表明：偏西、偏南及偏北3条水汽通道在吉林省中南部汇集是此次强降水发生的重要条件，暴雨落区与整层水汽通量汇合区密切相关，水汽输送以经向（南北方）水汽流入为主。暴雨期间具有较好的动力、热力及能量条件，特别是湿对流有效位能明显偏强，强降水出现在对流有效位能（CAPE）值由极大值开始下降的过程中。干侵入是激发冷涡发生、发展的动力条件之一，≥1Pvu（位涡单位）的高位涡舌在下降的过程中，同时南移，与中部地区强降水落区自北向南移动相吻合。

我国东、西部夏季水汽输送特征及其差异

本文利用ERA-40再分析每日资料分析了我国东部季风区与西北干旱—半干旱区夏季1971～2000年气候平均的水汽输送特征及其差异,分析结果表明我国东部季风区与西北干旱—半干旱区夏季气候平均的水汽输送特征有明显的差异。由于亚洲夏季风从孟加拉湾、南海和热带西太平洋输送大量水汽到我国东部季风区,故在东部季风区夏季经向水汽输送通量比纬向水汽输送通量大。而西北干旱—半干旱区受中纬度西风带的影响,夏季纬向水汽输送通量比经向水汽输送通量大,且此区域夏季无论纬向或者经向水汽输送通量均比东部季风区的水汽输送通量小一量级。并且,分析结果还表明:我国东部季风区由于湿度大,故夏季水汽输送通量的散度不仅依赖于湿度平流,而且依赖于风场的辐合、辐散,而西北干旱—半干旱区夏季水汽输送通量的散度主要依赖于湿度平流。此外,分析结果还表明了我国东部季风区的水分平衡与西北干旱—半干旱区的水分平衡也有明显的不同。

夏季区域西风指数对中国西北地区水汽场特征影响的对比分析

利用1970—1997年NCEP/NCAR再分析月平均资料,设计了区域西风指数。通过分析西北地区夏季的水汽输送通量散度,发现该地区水汽平流引起的水汽输送通量散度项年际变化极小,而风场辐合(辐散)引起的水汽输送通量散度项年际变化却很大,在西北地区区域西风指数较强年份风场辐合比区域西风指数较弱年份强。由此可知,西风年际变化对西北地区的风场辐合(辐散)的影响是我国西北地区水汽场年际变化的主要原因。

祁连山区空中水汽资源的分布特征及其开发潜力

根据祁连山及其周边地区11个探空站的1981年～2002年1月～12月每日2个时次（北京时间08时和20时）的资料，运用动力气象学原理计算和分析了祁连山区四季的平均水汽输送、辐散辐合以及区域内的空中含水量等。结果表明，祁连山区大气中的水汽年输入总量为9392．5×10^8t，水汽年输出总量为8031．5×10^8t，表明在输入该区的水汽总量中只有14．5％成云致雨或留在该区域上空，其余85．5％的水汽成为过路水，即潜在开发的水资源量较大；区域内年空中含水量为331．2×10^8t，夏季最多，冬季最少，对比特征约5：1；四季中水汽的辐合中心基本维持在甘肃省的河西走廊和青海省的东北部一带，夏季最大（-7．4g／g／s），秋季和冬季次之，春季最小（-1．4g/kg/s），说明这一区域内非常有利于水汽的堆积，存在很大的人工增雨（雪）潜力。

黄河流域冬、夏季水汽输送及收支特征

利用NCEP/NCAR再分析资料和我国实测雨量资料,对黄河流域1月和7月多年平均及旱、涝年整层积分的水汽通量、辐合(辐散)及各分区水汽收支进行了研究。结果表明,1月黄河流域无明显的水汽输送,而7月水汽沿西南、东南及西北3条路径输送,前两支气流在多年平均时主要影响黄河下游区。涝年时影响到黄河中、下游区,而上游区水汽流入较小;旱年,黄河中、上游区均无明显的水汽输送,只有下游的小范围地区受西南气流影响。各区净水汽通量分别与其地面降水的时空演变相对应,而经向净水汽通量是影响水汽收支变化及供给流域降水的主要水汽来源;涝年的水汽净收支与各边界水汽流入明显大于旱年。1月,西边界和北边界微弱的水汽输入远小于东边界和南边界的输出,各区均为水汽净辐散,不利于降水;7月,大量的水汽主要来自西边界和南边界,涝年各区均为水汽盈余,多年平均也以净辐合为主,而旱年则以水汽亏损为主。

影响山东夏季降水的季风水汽输送特征分析

利用NCEP／NCAR月平均风场和比湿资料分析了亚洲季风区平均水汽输送通量的气候特征和季节变化；研究了山东旱涝年季风区水汽输送的差异及其在不同时段对山东夏季降水异常的贡献。结果表明，山东地区的平均水平水汽输送通量存在着明显的年际变化，纬向、经向和总水汽输送通量随时间均呈单峰曲线分布，7月达极值；影响山东夏季降水的印度季风区水汽输送以纬向为主、副热带季风区水汽输送以经向为主；5～6月，来自热带印度洋的西南季风水汽输送通量、西太平洋热带和副热带东南季风水汽输送通量以及南海北部的水汽输送通量对山东夏季降水均有贡献，涝年水汽输送通量明显大于旱年。虽然7月来自印度洋的西南季风水汽输送通量达极值，但对山东夏季降水异常的贡献并不显著，7～8月主要是来自西太平洋地区的热带和副热带季风水汽输送对山东夏季降水异常的贡献较明显。

华南秋、冬、春季水汽输送特征及其与降水异常的联系

华南秋、冬、春季水汽输送特征的季节差异明显,水汽输送异常与降水异常存在密切联系,利用1958—2005年实测降水资料及NCEP/NCAR逐月再分析资料,探讨了华南秋、冬、春三季的水汽特征及其与降水异常的关系,主要结论有:大气中的水汽主要集中在500 hPa以下气层中,最大值出现在850～700 hPa;输送至华南的水汽秋季主要来源于孟加拉湾及副热带西太平洋,冬季主要来源于青藏高原南侧的东亚南支偏西风气流,春季则主要来源于东亚南支偏西风气流及热带西太平洋海区;华南秋、冬、春三季的降水偏多和偏少年的水汽输送距平场,并不是单纯的反向关系或主要输送带的偏强和偏弱,而是更为复杂;El Nio成熟期菲律宾附近的反气旋环流异常、冬季风的强度异常都是导致水汽输送异常的重要原因。

两次严重影响湖南的登陆台风水汽场特征数值模拟

针对造成湖南省特大暴雨过程的"碧利斯"和"圣帕"两次台风,利用气象、水文加密观测资料及NCEP再分析资料,结合中尺度数值预报模式AREM的模拟结果,对它们独特的水汽场特征进行了对比分析。结果表明:这两次台风的共同特点是有两条主要水汽输送通道,即与西南季风相联系的偏南风水汽通道和与台风低压环流相联系的偏北风水汽通道;凝结降水的水汽主要来源于低层风场辐合和水汽平流,并通过局地垂直运动再将其输送到中高层;在湘东南强降水区上空始终存在强的水汽水平辐合和水汽垂直输送,比较而言,"圣帕"台风暴雨区上空水汽通量更强,但水汽通量辐合强度却小于"碧利斯"台风,水汽辐合层也不及后者深厚,但前者由于自身旋转性强,低压环流中心南部的切变较长时间维持,并自东向西转动,使得强降水持续时间更长,过程雨量更大,影响范围也更大。"碧利斯"水汽主要源地较"圣帕"更加偏南,水汽辐合更强,与南海季风的相互作用更显著,降水时段集中,局部地区短时间内的降雨强度甚至超过了"圣帕"。

低纬高原地区水汽资源的气候变化特征

用1948—2009年NCEP/NCAR月平均再分析资料,分析低纬高原地区对流层不同层次水汽输送特征。结果表明,地面～300 hPa每年从西边界、南边界流入低纬高原的水汽分别有344.0×1010t和115.0×1010t,有341.5×1010t和73.5×1010t水汽分别从东边界和北边界流出,水汽净流入达44.0×1010t。水汽净收入主要集中在对流层低层,以西边界的水汽输入最多;但经向上的水汽输送对低纬高原地区的净收入贡献相对较大,并且纬向水汽输送与经向水汽输送量呈反相关。夏季水汽输送净收入占全年的67.5%,其对流层低、中、高层均为水汽净流入。西边界水汽输入呈增加趋势,东边界水汽输出量呈减少趋势,南、北边界水汽输入、输出呈减少趋势,均在1980年代末发生突变,突变后南边界的水汽输入明显减少,北边界的输出呈下降趋势。年净水汽和夏季净水汽呈减少趋势。低纬高原地区水汽净收入在1978年发生突变,突变后水汽呈减少趋势。

山东夏季空中水汽分布和水汽输送特征

利用山东省气象站的降水量资料和JRA-55、NCEP/NCAR再分析资料,分析了1962-2016年山东夏季整层大气可降水量、降水转化率、水汽通量及输送路径的分布特征和变化规律,探讨了夏季降水与水汽通量及其散度的相关性和多雨年的水汽来源。结果表明:从常年值来看,山东平均夏季降水量为401.2 mm,大气可降水量为3478.8 mm,降水转化率为11.5%。降水转化率和降水量的时空演变特征更加一致,经向水汽输送和局地水汽通量散度与地面有效降水的关系更加密切,当大气可降水量充沛、外部水汽输送充足并出现局地水汽辐合时,更加有利于山东南部地区降水的发生发展,从而形成夏季降水量和降水转化率气候特征表现出东南地区大于西北地区的空间分布型态。西北太平洋、南海、孟加拉湾和鄂霍茨克海至日本海是造成山东夏季降水异常偏多的重要水汽源地,巴尔喀什湖至贝加尔湖地区是重要的冷空气输送区域;当山东上游盛行偏西风时,自新疆和青藏高原至内蒙古的狭长带出现异常水汽扰动并发展,是由水汽异常引起的水汽通量异常对山东局地降水异常贡献的主要条件。

川渝地区空中水资源分布及水汽输送特征

利用NCEP/NCAR全球1948~2003年共56年月平均再分析网格点（2.5°×2.5°）资料,计算并分析了川渝地区（100~110°E,25~35°N）空中水资源的逐年变化特征、时空分布、水汽输送特征、水汽收支状况以及大气可降水能力。结果表明：近56年来,川渝地区整层水汽含量总体是略呈下降趋势,但夏冬两季水汽呈上升态势;区域内水汽含量的水平分布表现为以四川盆地东南部至重庆涪陵为湿中心,自东南向西北逐渐减少的趋势;水汽输送以西南和东南方向为主;全年水汽收支呈现净输入的状态;秋、夏、春三季皆有较大的可降水量,空中潜在水资源丰富。

滇中引水工程主要受水区水汽输送时空变化

基于ERA-Interim再分析资料,以滇中引水工程主要受水区为研究对象,计算了受水区上空21 a水汽输送通量及水汽输送通量散度,并对其水汽输送、水汽辐合与水汽辐散等特征进行分析,研究其水汽输送时空变化特征。结果表明:研究区年平均水汽输送由西北至东南方向逐渐增加,并以纬向输送为主;水汽来源随季节移动,研究区夏季受西南风控制,水汽输送强度明显小于其他3个季节;5—7月份,研究区水汽输送强度逐渐衰减,7月份,研究区850 hPa气压层南部地区存在水汽辐合中心,450 hPa气压层西南部为水汽辐散带,在西南部易于形成降水。

毛乌素沙地冻融期气态水迁移机理及影响因素

受冰-水间相变影响,冻融期内土壤水、热传输过程变得复杂,研究气态水分布特征与运移规律,可为厘清冻融过程中沙地包气带水文循环机理提供关键信息。通过在毛乌素沙地建立原位监测点,并利用修改后的Hydrus-1D冻融程序建立包气带水-汽-冰-热耦合数值模型,对冻融期包气带气态水迁移过程展开研究。结果表明:模拟与实测土壤水分及温度变化拟合较好,证实所建立的模型具有良好的精度以及适用性;对比典型未冻结、初始冻结、向下冻结以及融化时段结果可知,冻融过程会改变剖面土壤水分、含冰量以及水汽密度分布,其中水汽密度变化与温度联系紧密;冻结后,由温度梯度驱动的非等温气态水通量在总水分通量中的占比超过90%,表明气态水占据主导地位,其运移过程对于剖面土壤水分分布以及高含水量带出现有重要影响。

潜热通量异常对西北太平洋热带气旋活动影响的机理研究

使用1958—2001年的中国气象局台风年鉴资料和欧洲中心再分析资料,初步揭示了潜热通量异常对西北太平洋(含南海)热带气旋活动的可能影响机理。统计分析发现,西北太平洋(含南海)热带气旋年频数与北太平洋副热带(简称关键区)的潜热通量在过去40余年中均表现为显著的减弱趋势。诊断分析表明,关键区的潜热通量通过低层信风向西的水汽输送—整个西北太平洋热带气旋活动区水汽低层辐合上升而凝结—潜热释放这一链条改变西北太平洋(含南海)大气环境场条件(包括中层湿度场、高低层涡度场和高低层散度场),进而调制热带气旋活动。使用SAMIL模式进行关键区内潜热通量加倍和减半的敏感性试验,进一步证实了关键区潜热通量异常对西北太平洋热带气旋活动调制作用的可能机理,而对南海热带气旋活动影响较小。由此可推断,在过去40余年中,北太平洋副热带中部区潜热通量的减弱趋势可能是造成西北太平洋(含南海)热带气旋频数下降的主要原因之一。

东亚及邻近地区海表潜热和水汽通量与中国大陆夏季降水量距平的遥相关性

基于NCEP/NCAR潜热通量和风场等资料及中国大陆台站的降水量观测数据,利用SVD方法计算了前期（冬季和春季）和同期（夏季）东亚及邻近地区海表潜热通量、上空水汽输送通量分别与中国大陆夏季降水量异常变化的耦合模态,文中分析了第一耦合模态（最佳遥相关型）的时空特征,并对其进行了探讨.结果显示：前期和同期潜热通量与夏季降水量距平最佳遥相关的关键海区存在着差异,前期冬季主要为黑潮流域和孟加拉湾（正相关）及北赤道流区（负相关）,而前期春季和同期主要为印-太暖池等海区,潜热通量异常基本呈正负值区相间的带状分布,并均显著与我国大陆东部夏季降水异常的南北反位相分布相对应,其中,夏季降水异常变化的显著区主要为我国华南地区以及与其降水异常呈反位相变化的华北地区和西南地区东部.前期和同期潜热通量和降水量异常最佳遥相关型具有显著的2 ～7a年际振荡特征和明显的长期变化趋势,并于上世纪70年代初经历了显著气候跃变.水汽输送通量与降水量距平最佳遥相关的关键海区主要为我国南海海域和孟加拉湾以及东海黑潮流域,尤其在前期春季和同期夏季,对应的我国大陆夏季降水异常的显著变化区域主要为长江中下游地区及与其降水异常呈反位相变化的我国华北地区和西南地区的东部.同样其前期和同期最佳遥相关型存在着显著2～8a年际振荡特征和明显长期变化趋势,除前期冬季外,各相关型于上世纪80年代初也经历了显著气候跃变.分析结果表明：东亚及邻近地区海表潜热和上空水汽输送异常时空配置的形成及其持续性和季节演变可能是中国大陆夏季降水量发生异常变化的重要前提.

区域气候模式对ENSO-PSAC-东亚气候异常桥的模拟能力检验

利用区域气候模式RegCM3对1982/1983年及1998/1999年的10月至次年2月的中国东南部降水进行了模拟试验,考察了模式对ENSO年份菲律宾反气旋活动的模拟能力。结果表明:RegCM3能够较好地模拟ENSO年份我国东南部的降水异常;垂直环流、水汽输送通量及其散度异常场的模拟结果均与实际吻合,并能解释降水异常的原因;另外,RegCM3成功地模拟出ENSO年份菲律宾海上的反气旋的活动情况。该模式适用于ENSO年份冬季东太平海温异常—东亚气候异常的研究。