黄河源区植被变化趋势及其对气候变化的响应过程研究

利用1982-2001年NOAA/AVHRR（美国大气海洋局卫星/甚高分辨率辐射计）NDVI（归一化植被指数）资料、2000-2008年EOS/MODIS（地球观测系统卫星/中等分辨率成像光谱仪）NDVI资料以及1982-2008年黄河源区的玛多、玛曲和兴海气象台站逐月气温和降水资料,分析了黄河源区玛多、玛曲和兴海地区卫星遥感植被指数的时空变化特征,探讨了全球变化背景下黄河源区植被对气候变化的响应过程。结果表明：黄河源区植被在时间和空间尺度上都呈现退化趋势。1982~1990年黄河源区植被退化主要发生黄河源区鄂陵湖以东区域;1991~2000年植被退化范围进一步扩大到源区北部兴海共和地区以及若尔盖草原;2000~2008年植被退化范围扩大至黄河上游主要水源涵养区的玛曲草原,但源区北部的兴海和共和地区却出现了植被增加的趋势。黄河源区植被对气候变化响应关系为：黄河源区水源涵养区植被对气温的响应最为敏感,气温低于0.0℃时,植被指数对气温的变化没有响应,当月平均气温大于5.0℃时,植被指数随气温的升高呈指数关系增长。局地降水对植被的影响非常复杂,在生长初期（4-6月）影响很大,但随着植被生长丰茂,植被指数达到高值而趋于饱和时,对局地降水的响应就会很小。

中国北方地区降水变化的分区研究

利用1958-2009年中国北方243个测站逐月降水资料,采用聚类分析和旋转经验正交展开方法,从年变化和年际变化的尺度,对中国北方降水进行了分区研究。按照降水年变化的相似性,将北方分成了7个区。除了个别测站年降水有两个峰值期,北方大部分地区的降水年变化特征都比较相似,降水主要集中在夏季。按照降水年际变化的相似性,对北方地区进行了四级分区,一级分区分成2个区,二级分区分为4个区,三级分区分为9个区,四级分区分为12个区。近52年来,北方中东部区年降水量呈下降趋势,而西部区呈上升趋势。降水年际变化的分区格局在20世纪80年代发生转折,在60、70年代,北方降水主要呈三区格局,东部与西部降水的年际变化比较相似,与中部差异大;进入80年代之后,呈两区格局,东西差异显著。

复杂地形区陆面资料对WRF模式模拟性能的影响

本文利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式耦合Noah陆面过程模式,对比研究了使用不同精度陆面资料:WRF默认陆面资料、中国1 km分辨率数字高程模型数据集、2006年MODIS(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer)土地利用和植被覆盖度资料,WRF模式对兰州地区冬季气象场模拟结果的差异。结果表明,近地面气温对陆面资料的精度非常敏感,而风场对陆面资料的精度不敏感,WRF模式对气温的模拟效果好于对风场模拟。采用高精度且时效性好的陆面资料后,WRF模拟的近地面气温准确率提高了15.8%,模拟的夜间气温改进幅度较白天大。陆面资料可影响整个边界层温度场分布,准确的陆面资料对提高WRF模式模拟近地面乃至整个边界层气象场至关重要。尽管风速模拟误差较大,但总体上WRF模式能较准确地模拟出研究区的风场演变特征。使用新的陆面资料后WRF模拟的风速误差略有减小,风向误差略有增加。干旱半干旱区冬季数值模拟需要注意土壤湿度初值和模式初始积分时刻对模拟结果的影响。

玛曲高寒草甸地表辐射与能量收支的季节变化

利用中国科学院黄河源区气候与环境综合观测研究站2010年观测资料,分析了玛曲高寒草甸地表辐射与能量收支的季节特征。结果表明:玛曲高寒草甸入射太阳辐射与净辐射年累积量分别为6482.2和2577.2MJ.m-2.a-1;年平均地表反照率为0.25,生长期平均地表反照率为0.22;全年入射太阳辐射的38%转换为地表长波辐射,明显高于低海拔地区的草地;净辐射占入射太阳辐射的38%,低于全球以及低海拔地区的草地;在冻结期,感热通量占净辐射的93%,在生长期,潜热通量占净辐射的62%。

夏季敦煌稀疏植被下垫面物质和能量交换的观测研究

利用2009年夏季敦煌地区加强期观测资料,分析了稀疏植被下垫面CO2、水汽的通量输送规律和地表辐射、能量平衡等微气象的变化特征。结果表明,敦煌地区夏季CO2、水汽通量有明显的日变化,其平均通量分别为-0.023mg.m-2.s-1和2.90mg.m-2.s-1;地表平均反照率为0.24,低于绿洲内部;感热是该地区地表热量流失的主要形式,潜热和土壤热通量相对较小,平均波文比为3.08;观测中也发现了有较大的能量不平衡现象,利用试验资料估算了土壤容积热容量,并在能量平衡方程中加入了土壤热储量,提高了能量平衡度。

植被覆盖度算法对中国区域WRF模拟的影响

利用MODIS NDVI资料,采用线性(GI方法)和非线性(CR方法)两种方法计算中国区域植被覆盖度,并利用WRF模式模拟了2006年7月中国区域气象场,对比分析了这两种植被覆盖度算法对WRF模式模拟结果的影响。结果表明,在半干旱区,两种方法计算的植被覆盖度差异较大,在该区域的模拟结果差异明显;而在干旱区和湿润区两种算法计算的植被覆盖度差异相对较小,模拟结果差异也相对较小。采用GI方法计算的植被覆盖度,模拟的中国区域近地面平均气温和最高气温与观测值的偏差较小,而采用CR方法计算的植被覆盖度,模拟的最低气温偏差较小,同时能更准确的模拟夏季高温天气。与GI方法相比,CR方法能更准确的模拟出降水的平均值、逐日变化和空间分布特征。不同区域两者模拟性能存在一定差异,总体上采用CR方法得到的植被覆盖度,WRF模式对温度和降水的模拟效果会有所改进。

降水过程对巴丹吉林沙漠近地面太阳辐射的影响

利用在巴丹吉林沙漠开展的陆表能量水文过程野外综合试验太阳辐射及降水等观测资料,分析了试验期间到达地表的太阳辐射的时间分布特征和影响局地大气透明度的因子。结果表明:夏季降水不仅对浮尘天后的大气透明度有明显的改善作用,而且在完全晴日间的降水也使日平均大气透明度增加约9.0%,进而对到达地表的太阳辐射产生较大影响,而近地层的蒸散增强导致的空气湿度增加对局地大气透明度的影响可以忽略。因此,在我国西北干旱区沙尘多发地带夏季降水事件后,到达地表的太阳辐射能有明显增加的趋势。

基于WRF模式的兰州秋冬季大气污染预报模型研究

随着城市化进程的加快,城市大气环境问题成为人们关注的热点问题之一。诸多研究表明,特殊气象条件是造成城市大气污染事件的主要因子之一。本文利用WRF模式模拟得到的高时空分辨率气象场,结合污染物浓度监测数据,分析了风速、稳定能量、Froude数、边界层高度、位温递减率、输送指数和梯度理查森数与兰州大气污染物浓度的关系,并根据WRF的模拟要素建立了污染物浓度与气象影响因子的回归方程。研究发现,兰州城区边界层高度和位温递减率与大气污染物浓度的相关系数高,NO_2与气象影响因子的相关性较PM_(10)好。建立的回归方程对NO_2的模拟效果好于对PM_(10)的模拟效果,其对城区污染物浓度的模拟效果好于郊区。通过与不同地区空气质量数值模式模拟效果对比,结果表明:回归方程对污染物的模拟效果与数值模式模拟效果相当,甚至好于部分地区空气质量数值模式的模拟效果。因此,该研究方法为我国城市空气质量预报和大气污染研究提供了科学依据。

巴丹吉林沙漠不同下垫面辐射特征和地表能量收支分析

利用2009年夏季在内蒙古自治区阿拉善右旗境内巴丹吉林沙漠开展的"巴丹吉林沙漠陆-气相互作用观测试验"所取得的资料,对比分析了典型晴天条件下,巴丹吉林沙漠两种不同下垫面的辐射平衡特征和地表能量收支的日变化规律。结果表明,不同下垫面地表反射率具有明显的差异,沙漠反射率为0.33,湖区沙生芦苇反射率为0.23,沙漠反射率大于沙生芦苇反射率。巴丹吉林沙漠两种典型下垫面上,各辐射分量均具有相似的日变化特征,即白天大、夜间小。两种下垫面上的净辐射日变化与峰值基本相同,日积分值均约为8MJ.m-2。由于下垫面性质不同,地表能量的分配也不相同。沙漠主要以感热通量为主,地表热流量其次,潜热通量很小可以忽略不计;湖区以潜热通量为主,感热通量和地表热流量次之。

WRF模式对济南地区夏季近地面气象场模拟效果评估

不同地区中尺度气象模式WRF的模拟性能存在明显差异,本文利用数值模拟和统计方法,评估了WRF模式在济南地区的模拟性能,并对比研究地形和土地利用对WRF模式模拟性能的影响,为WRF模式在济南地区的业务化运行提供参考。结果表明:WRF模式能较准确的模拟济南地区近地面气象场及其时间变化特征;统计分析发现,WRF模式对济南地区近地面气温、比湿、风速及风向的模拟准确率分别为72.5%、59.6%、29.4%和36.2%。WRF模式模拟的济南地区夏季比湿偏低、风速偏高,模拟的风速存在系统性偏差。下垫面对WRF模式的模拟结果有显著影响,10 m风速的均方根误差(RMSE)与地形、坡度、模式格点和观测站点的地形偏差显著相关,与坡度的相关系数最大;2 m气温的RMSE仅与地形偏差显著相关,在复杂地形区比较站点观测气温与模式格点气温时,需考虑地形偏差的影响。

兰州市2011年春节期间颗粒物浓度及其谱分布特征

研究了兰州市2011年1月25日~2月18日春节期间大气颗粒物浓度及其谱分布特征,并通过多元对数正态分布拟合方法对其体积浓度谱特征进行了分析.采用空气动力学粒径谱仪（APS-3321）对颗粒物数浓度及其谱分布进行了实时监测,以阐明兰州市春节期间烟花爆竹燃放对大气颗粒物浓度及其谱分布的影响.结果表明：2011年春节期间兰州市烟花燃放对2月3日~8日颗粒物浓度有不同程度的影响,正月初一00：00~01：00和21：00~22：00时受烟花爆竹燃放影响最大,其中在烟花燃放最为集中时段（2月3日0：00~1：00时）0.5~10μm大气颗粒物平均数浓度、表面积浓度和体积浓度分别为（310.3±97.2）个/cm3、（1061.6±396.0）μm2/cm3和（409.9±176.0）μm3/cm3,分别较未受烟花燃放影响的1月27日~30日0：00~1：00时平均值增加了6.10倍、7.72倍和9.93倍.烟花燃放对数浓度和体积浓度的影响分别主要集中在0.542~1.382μm和3.278~8.354μm粒径段,而对表面积浓度的影响主要集中在0.542~1.981μm和3.278~8.354μm粒径段.受烟花燃放影响的颗粒物体积浓度谱中位径在0.93,5.50μm左右出现的比例最大,未受烟花燃放影响的颗粒物体积浓度谱中位径在0.85,5.50μm左右出现的比例最大,与未受烟花燃放影响日的颗粒物体积浓度谱相比,燃放烟花使位于积聚模态的体积中位径增加.

气象条件和污染物排放对兰州市冬季空气质量的影响

利用人工神经网络(ANN)技术,基于气象条件、污染物排放变化和污染物浓度资料构建污染物浓度统计模型,在此基础上分析气象条件和污染物排放源排放变化对污染物浓度逐日变化和年际变化的影响。研究结果发现基于ANN建立的大气污染统计预报模型模拟NO_2浓度准确性较高,其次为SO2,PM10浓度准确性较低。ANN的输入参数更适合NO_2的模拟,SO2和PM10浓度的影响因子较为复杂。气象条件变化是NO_2浓度逐日变化的主要影响因子,污染物排放量变化是NO_2浓度年际变化的主要影响因子。因子分离法计算得到的气象条件、污染物排放及两者相互作用对NO_2浓度逐日变化的贡献率分别是57.9%、24.5%和17.6%,对NO_2浓度年际变化的贡献率分别是13.7%、73.3%和13%。

东亚季风区植被变化对局地气候的短期影响

利用CCSM(Community Climate System Model)模式3.5版本,研究了东亚季风区森林覆盖度增加对局地气候的短期影响.模拟结果显示森林覆盖度增加后,全年平均气温降低0.93℃,其中夏季降低1.46℃,冬季降低0.40℃,有利于缓解全球变暖在该地区的影响.森林覆盖度增加后,全年平均降水增加,其中4月份降水增加最显著,达到7%.森林覆盖度增加后植被的蒸散作用增加是导致该地区降温的主要原因.夏季比冬季降温明显主要是由于夏季蒸散比冬季大.蒸散增大的同时也导致了大气中水汽含量增加,再加上森林覆盖度增加引起地表粗糙度增加,从而形成气旋式辐合及异常的垂直上升运动,导致降水增加.此外,森林覆盖度增加也使地表反照率降低,造成地表反射短波辐射明显减少.

次网格地形参数化对WRF模式在复杂地形区风场模拟的影响

黄土高原特殊的地形导致该地区风场特征复杂,本文以黄土高原为研究对象,通过3组数值模拟试验,探讨次网格地形参数化对WRF模式模拟近地面风场的影响。结果表明:地形越复杂,次网格地形标准差越大,WRF模式中离站点最近格点的海拔高度与站点实际海拔高度差异越大;研究时段内,若不考虑次网格地形影响,观测风速较小时,WRF会高估风速,而观测风速较大时,WRF则低估风速。在相对平坦的地区,模拟风速与观测风速之间的均方根误差较小,地形越复杂时,均方根误差越大。采用次网格参数化方案后,模式对风速的模拟有明显改进,认同指数、准确率、相关性等都有明显提高,模拟误差明显降低。3组试验均能模拟出风速的日变化,但不考虑次网格地形影响时,模拟的风速几乎是观测值的2倍,考虑次网格地形影响后,模拟的风速明显降低,其中Jimenez方案模拟的风速与观测值之间的偏差最小,能更好地描述风速的空间分布特征,而Mass方案仅降低了平原和山谷地区的风速却没有突出山区的高风速,对风速空间变化的模拟不如Jimenez方案。

兰州市夏秋季颗粒物谱分布特征研究

采用APS-3321空气动力学粒径谱仪对兰州市2010年8～10月0.5～20μm大气颗粒物浓度及其谱分布进行了实时监测,并通过聚类分析方法结合气象观测数据对体积浓度谱特征及其影响因素进行了分析.以阐明兰州市夏秋季不同粒径段颗粒物浓度水平和粒谱分布特征及其成因.结果表明,0.5～20μm大气颗粒物小时平均数浓度、表面积浓度和体积浓度分别为(108.1±92.2)个.cm-3、(282.9±267.9)μm2.cm-3和(92.2±127.3)μm3.cm-3,细粒子(0.5～2.5μm)分别占0.5～20μm大气颗粒物数浓度、表面积浓度和体积浓度的98.7%、73.8%和52.9%.观测期间数浓度谱呈单峰分布,峰值出现在积聚模态,表面积浓度谱和体积浓度谱呈双峰型,峰值分别位于积聚模态和粗模态.颗粒物体积浓度谱主要有7类代表不同源和气象条件影响的分布型.受浮尘天气和局地扬尘影响的颗粒物体积谱分布在粗模态有明显的峰,而受机动车直接燃烧排放和二次扬尘影响的颗粒物体积谱分布呈双峰型,峰值分别位于积聚模态和粗模态.

垂直速度对水汽垂直湍流通量交叉耦合效应的实验验证

大气线性热力学理论证明潜热通量由水汽垂直梯度输送通量和垂直速度耦合输送通量两部分组成,本文利用大气边界层观测实验资料验证了垂直速度对潜热通量的耦合效应.结果表明,存在一个耦合零效应高度,当观测高度高于耦合零效应高度时,耦合效应削弱潜热通量;当观测高度低于耦合零效应高度时,耦合效应增强潜热通量;在实验区域非均匀下垫面上,考虑耦合效应后,在上升气流条件下潜热通量估算值和观测值间的系统性偏差从27%减小到2%;在下沉气流条件下两者的系统性偏差从47%减小到28%;大气湍流交叉耦合理论得到了证实.结果也为大气湍流交叉耦合理论的应用提供了实验基础.

绿洲和戈壁复杂下垫面平流对湍流特征的影响

利用绿洲和戈壁近地面层湍流实验资料对比研究表明,在不稳定层结条件下,绿洲和戈壁中温度归一化方差满足φθ(z/Λ)=αθ(-z/Λ)-1/3,而绿洲湿度和CO2归一化方差都满足φs(z/Λ)=αs(1-βxz/Λ)-1/3;受平流影响,绿洲温度归一化方差量值较大,而戈壁CO2方差相对M-O函数关系有一定程度的偏离,湿度方差则完全背离了方差M-O关系;对上述结果分析表明,平流条件下,湿度方差满足关系式σ2sm=D2σ2sA+σ2sB;其方差M-O关系由平流输送标量方差值的相对大小所决定.对于湿度和CO2等标量,如果平流输送的标量方差比局地标量方差大得多,则该标量方差观测值就会背离方差M-O关系,当平流输送的标量方差接近或小于局地标量方差时,标量方差观测值基本满足方差M-O关系.