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。

那曲地区不同季节陆面过程与大气边界层演变耦合关系的对比分析

陆面过程与大气边界层之间耦合关系是理解青藏高原热力效应的关键环节和难点之一。本文基于那曲高寒气候环境观测研究站2019年5月、7月和10月地面及探空观测数据分析了青藏高原那曲地区地表能量收支及大气温湿垂直廓线的日变化和季节差异,探讨了该地区干湿季大气边界层高度的演变规律。结果表明,在5月观测期间内受日间净辐射强度变化的影响,对流边界层在晴天较高,为2842 m;阴天较低,为1481 m,强对流天气也可能使其在低层转变成稳定边界层。同时,位于近地层大气的感热和潜热交换为大气边界层的维持和发展提供了能量支持,位温和比湿垂直廓线能够正确反映出那曲地区大气边界层高度的季节性差异,对流边界层高度在5月最高、10月次之、7月最低,而稳定边界层在7月最高、5月次之、10月最低。

黄河源高寒草原下垫面土壤冻融过程中陆-气间的水热交换特征分析

高寒草原水热交换的季节性特征显著,土壤冻融过程对地-气水热交换有着重要的影响。本文利用黄河源区汤岔玛小流域2014年5月至2015年5月陆面过程观测数据,将土壤冻融过程划分为完全融化(TT)和完全冻结(FF)两种状态与融冻(T-F)和冻融(F-T)两个过程,并分析了期间高寒草原下垫面净辐射、感热通量、潜热通量和地表热通量不同状态和过程中的变化,以此探究土壤冻融过程中地气间的水热交换特征。研究表明:(1)净辐射通量在完全融化阶段的平均值要普遍大于其他三个阶段,最大值达到了203.7 W·m^(-2),冻融阶段冻土融化,土壤含水量逐渐增加,净辐射比完全冻结阶段明显增大,完全融化阶段净辐射日变化值最大,达到了717.6 W·m^(-2),完全冻结阶段最小,冻融阶段次之。(2)感热通量与潜热通量在完全融化和完全冻结阶段的配置不同。完全融化时,由于降水和土壤含水量等原因,净辐射主要转换为潜热通量,潜热通量日变化最大值为193.7 W·m^(-2),而感热通量只有80.0 W·m^(-2)左右。融冻阶段、冻融阶段与完全冻结时感热与潜热的日平均相差不大,潜热在三个阶段平均值为21.9 W·m^(-2),感热为20.3 W·m^(-2);而感热日变化在三个阶段均大于潜热,土壤发生冻融循环,地气温差较小,含水量产生变化,净辐射在这期间主要转换为感热。(3)土壤热通量在完全融化(冻结)状态下为正(负),表明地表从大气吸收(释放)热量,其日变化幅度大(小)。以上结果说明,土壤冻融状态与过程对近地面陆-气间水热交换过程表现出不同的特征。

近30年来若尔盖高寒湿地变化及其对区域气候变化的响应

为探究近30年来气候变化对若尔盖高寒湿地面积的影响,利用1987-2016年的5期陆地资源卫星主题绘图仪及陆地资源卫星陆地成像仪观测数据,使用决策树分类的方法提取若尔盖高寒湿地的湿地面积并分析其变化特征;利用1984-2016年若尔盖玛曲、红原阿坝4个气象台站观测数据分析若尔盖区域气候变化特征,探讨湿地面积与气候因子间的相关性。结果表明:1987-2016年,若尔盖高寒湿地呈现板块化,总面积减少约902.16km2;1984--2016年,若尔盖高寒湿地区域气候有显著的变暖趋势(0.64C/10a)。气温与湿地面积的相关性最高,其次是降水和相对湿度,表明气温是影响若尔盖高寒湿地面积变化的主导气候因子。

近50a来洮河流域气候变化和干旱演变过程

利用洮河上游碌曲、中游岷县和下游临洮3站降水和气温观测资料,结合中游和下游2个水电站年径流量资料,分析近50 a来洮河流域气候及干旱变化特征。结果表明:近50 a洮河流域年平均气温整体呈现显著上升趋势,尤其在1997年前后明显升温,上游碌曲增幅最大,中游岷县、下游临洮增幅明显偏低,3站气温倾向率分别为0.43、0.15、0.14℃·(10 a)^(-1),且在1990年代中期以后发生突变;年降水量整体呈缓慢减少趋势,但1990年代中期以后有微弱增加,与年径流量变化基本一致;干旱指数显示,近41 a洮河流域大多数年份无旱,仅个别年份出现干旱,且程度较轻,下游地区干旱相对较重。

1981-2000年中国大陆1.6m地温场时空变化特征

利用模糊C均值聚类法对1981-2000年中国157个1.6m地温观测站的20年平均地温值进行了客观分类,将全国1.6m地温场分为四类,并对各类地温场20年区域月距平值进行了集合经验模态分解。结果表明:(1)中国1.6m地温场可以客观地分为四类区域,分别是冷区(T_(1.6)≤9℃),包括东北地区和青藏高原地区;暖区(T_(1.6)≥18℃),包括长江中下游地区和华南地区;次冷区(9℃≤T_(1.6)≤15℃),主要包括西北地区;次暖区(15℃≤T_(1.6)≤18℃),主要包括淮河流域地区;(2)模糊C均值聚类分析得到的四类地温场的月距平都有明显的准1.5年和准4年变化周期;(3)在1981-2000年间四类地温场的变化趋势分为两种,分别是持续上升型(包括冷区和次冷区)和先降后升型(包括暖区和次暖区),并且上升的幅度随时间增大,尤其是20世纪90年代以后,四类地温场的增温趋势越来越明显。

青藏高原地表感热通量变化特征及其对气候变化的响应

选取中国气象局在青藏高原(下称高原)地区常规气象观测站点中85个资料连续性较好的站点资料,基于CHEN-WENG感热交换系数方案计算了1981-2014年地表日均感热通量,并用M-K检验法分析了季节平均感热通量和年均感热通量的年际变化特征,结合经验正交函数法EOF(Empirical Orthogonal Function)、Pearson相关法,分析了年均感热通量的时空演变及异常分布特征以及不同地区站点感热通量与气候因子的相关性。结果表明,1981年以来,高原地表感热通量无论在年尺度还是季节尺度上的年际变化都表现为先下降后上升的趋势,其中春季和冬季由下降转变为上升的年份早于夏季和秋季,且夏季上升的幅度是四季中最弱的;1981-2003年间感热通量下降主要与地气温差和平均风速的减小有关,而2004-2014年间感热通量的上升主要与地气温差的显著增大有关。空间上,各站点感热通量的上升或下降并不同步,但存在一定的相互联系,感热通量上升的站点主要位于青海省;感热通量与各气候因子的相关性有明显的时空差异,整体上受地表温度影响显著,与地表温度变化呈正相关;与降水、日照时数、风速等气候因子的相关性在年尺度上存在较大的空间差异,在季节尺度上,感热通量与气象因子的季节相关性较好,尤其是夏季,感热通量与降水呈反相关,与日照时数、风速和气温呈正相关,其次是春季,秋、冬季相关性较差。

陆面模式砾石参数化在BCC_AVIM陆面过程模式中的应用及检验

考虑砾石(砾径大于2 mm)对陆面过程的作用,利用青藏高原玛多站实测资料检验陆面模式砾石参数化方案对BCC_AVIM陆面过程模式土壤水热模拟的影响。结果发现,砾石改变了土壤质地的组成,造成土壤中水热基本参数的变化,从而影响土壤导水率和土壤导热率,最终影响土壤温湿度的模拟。利用玛多站实测数据,对比新旧方案,发现新方案减小了土壤温度和土壤含水量的模拟值,减小了模拟结果的绝对偏差和均方根误差,增大了土壤温湿度模拟的相关系数,改善了原模式土壤水热模拟性能,尤其是深层土壤含水量的模拟效果提升明显。同时,新方案减小了浅层土壤含冰量的模拟,增加了深层土壤含冰量的模拟,增大了积雪覆盖率和积雪深度的模拟。

黄土高原不同作物下垫面陆气水热交换的模拟研究

黄土高原农田种植结构的改变对陆面能量和水分交换、区域蒸散发等产生影响,不同作物下垫面复杂的水热耦合机制在黄土高原陆-气相互作用中起着重要作用。本文利用陇东黄土高原2019-2021年共计34个月的观测数据,结合耦合了作物模块的通用陆面模式(Community Land Model with BGC Biogeochemistry and prognostic crop,CLM5.0-BGCCROP)对黄土高原不同作物下垫面(冬小麦、玉米、苹果林地)的陆面特征进行离线单点模拟,以验证CLM5.0陆面过程模式在黄土高原农田地区的模拟能力,对比分析不同作物下垫面土壤温湿度和地表能量通量的差异。结果表明:(1)CLM5.0对土壤温湿度特征的模拟效果较好,平均均方根误差分别小于2.5℃和0.1 m^(3)·m^(-3),小麦地土壤温度模拟值偏高,玉米地和苹果林地土壤温度模拟存在冷偏差。生长期在旱期的冬小麦造成土壤干燥的程度大于玉米,苹果林地因根系丰富,吸收了更多的土壤水,使土壤整体更加干燥。(2)模拟偏差一部分是由于在模式中将作物下垫面设置为单一作物类型(冬小麦、玉米和苹果林地)时,高估(低估)了(非)生长期作物的叶面积指数,低估(高估)了地表反照率,高估(低估)了净辐射通量,更多(少)的能量转化为感热潜热。(3)另一部分偏差来自于农田不同的作物管理方式,如实际上作物收割后并不完全翻耕为裸土,模式高估了小麦地和玉米地收割后的土壤温度和土壤液态水含量;模式中没有地膜覆盖选项,导致玉米地土壤温度、土壤液态水含量模拟偏低,模拟平均偏差约-1.84℃和-0.058 m^(3)·m^(-3)。(4)冬小麦-玉米混合下垫面模拟试验能较好地模拟地表能量通量,净辐射、感热通量、潜热通量的模拟平均偏差分别为-6.13 W·m^(-2)、11.46 W·m^(-2)、-1.97 W·m^(-2)。在生长期内,冠层蒸腾作用占主导,随着作物叶面积指数的增加,感热通量减少,土壤温度降低,潜热通量增加,土壤液态水含量减少。

陆面过程高分辨率模拟的不确定性

陆地是地球气候系统的重要组成部分,是人类生产生活的重要场所。陆地表面水资源、生态系统和人类活动受到全球气候系统的影响,对气候变化响应敏感。同时,作为气候系统的下边界,陆地也深刻地影响着局地乃至全球的大气环流和气候变化。因此,准确而高分辨率的陆面过程模拟是模拟天气气候事件,进而正确认识天气气候现象的重要前提。然而,现代陆面过程模拟仍然存在很大的不确定性,主要来自于以下三个方面:模式物理过程、地表特征参数、气象驱动数据。本文总结了陆面过程高分辨率模拟,尤其是在高海拔山区模拟的不确定性来源,重点分析了降水数据的非均匀分布特征对陆面过程模拟的重要影响。提出改进陆面过程模式,提供更准确的地表特征参数分布,开展对流允许尺度的动力降尺度研究,可能是改善复杂地形条件降水模拟效果的有效途径,进而准确模拟区域水循环,实现陆面过程和区域气候模拟的最终目的。

陇东黄土高原不同农作物下垫面小气候与蒸散发特征观测分析

陇东黄土高原是我国重要的雨养农业区,研究不同农田的陆面过程差异对于认识区域陆气相互作用具有重要意义。本文基于2021年6月至2022年5月甘肃省庆阳市的农田微气象和蒸渗仪观测数据,分析了苹果、玉米、小麦三种农作物的小气候和蒸散发特征差异;结合相关分析与敏感性分析,探讨了不同作物下垫面蒸散发的主要影响因素。结果表明:(1)生长季苹果地的温度、地气温差较小;玉米地相对湿度高于小麦地,冠层内最显著;玉米地反照率全年都较小,但在5月由于地膜覆盖明显增大,并且其年均净辐射明显低于苹果地和小麦地;(2)蒸散发量日变化规律基本遵循生长中期>生长初期>成熟期,生长中期玉米的蒸散发最大,最高达到4.9 mm·d^(-1),小麦地全年日蒸散发量小于3 mm·d^(-1);整个生长季内,苹果地日蒸散发量变化最大,小麦地较为稳定;(3)净辐射是苹果地和玉米地生长季蒸散发变化最主要的驱动因子,但对小麦地的影响相对较小;三地生长季蒸散发对于饱和水汽压差的敏感性均小于非生长季。

不同初始场及陆面方案对青藏高原中东部积雪消融过程的模拟研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式,本研究使用更为准确的气象站点及卫星遥感积雪资料替换初始场中积雪深度、雪水当量等积雪数据,对2014年2月17-27日青藏高原中东部一次积雪消融过程进行模拟研究,评估WRF模式中CLM(Community Land Model)、Noah-LSM(Noah land surface model)和Noah-MP(Noah-Multiparameterization Land Surface Model)3种陆面过程方案对该次积雪消融过程的模拟性能。结果表明:3种陆面过程方案均能较好地再现2 m气温、积雪深度和反照率的日变化趋势,但各试验模拟效果有一定差异。气象站点及卫星遥感积雪资料作为初始场时,CLM陆面过程方案模拟的2 m气温平均误差最小,为0.002℃;Noah-LSM陆面过程方案中2 m气温均方根误差(4.01℃)和平均绝对误差(3.30℃)最小,但昼夜温差较观测显著偏小;同时CLM陆面过程方案模拟的积雪深度均方根误差、平均误差和平均绝对误差均最小,分别为4.70 cm、-1.25 cm和2.75 cm,但该方案对融雪速率有所高估,导致积雪消融时间被低估。Noah-LSM和Noah-MP陆面方案模拟的融雪速率与观测较为一致。3种陆面过程均能较好地再现积雪消融阶段反照率整体呈下降的趋势,但反照率日变化细节均有所欠缺。初始场积雪数据使用ECMWF Reanalysis v5(ERA5)数据集时,CLM陆面过程方案表现最优,再现积雪反照率变化特征,日变化特征与观测较为一致;Noah-LSM和Noah-MP陆面过程方案不能再现反照率日内变化,且低估新雪反照率。CLM陆面过程方案能再现积雪消融过程中净辐射逐渐增大的特征,且峰值与观测相近,同时也能模拟出地表与大气,地表与浅层土壤的能量传输。本研究将为青藏高原积雪模拟陆面方案的选取提供参考依据。

Noah-MP陆面模式在华北区域数值预报应用的个例分析

目前华北区域实际应用的快速更新多尺度分析和短期预报系统(RMAPS-ST)耦合的陆面模式是Noah,Noah-MP是在Noah基础上发展的一种多物理过程陆面模式,其在RMAPS-ST中的应用效果值得深入探究。选取晴天、多云、降雪、降雨天气个例,在华北区域展开数值试验及分析,结果表明:(1)Noah-MP陆面模式相较Noah陆面模式在RMAPS-ST中有一定的应用优势,其对风速预报性能的改进比气温、比湿显著;(2)Noah-MP陆面模式的应用对晴天的气温、降雪天气的比湿以及多云天气的风速预报性能改进较显著,其中多云天气风速的预报准确率可提高约50.43%;(3)Noah-MP陆面模式的应用对气温预报性能的改进主要集中在山西中南部、河北中南部以及山东地区,对比湿预报性能的改进主要集中在山西中北部、河北北部,对风速预报性能的改进主要集中在山地附近;(4)Noah-MP陆面模式中冠层辐射传输、径流及地下水物理过程对北京地区比湿、风速的预报结果影响不显著,而湍流输送过程选择Chen97方案、径流及地下水过程选择SIMGM方案对地表能量通量模拟效果较优,且对气温的预报性能较好。

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%。

中国西北地区大气边界层高度变化特征——基于探空资料与ERA-Interim再分析资料

利用中国西北地区2015年9月至2016年8月38个站点L波段探空观测、2016年7月加密探空观测和ERA-Interim边界层高度资料,对比分析了西北地区大气边界层高度变化特征。观测资料表明,在中国西北地区,08:00(北京时,下同)冬季边界层高度最高;20:00春季边界层高度最高,边界层高度从西部到东部有显著降低的趋势。ERA-Interim资料基本能表现出边界层高度的区域分布,但相对于探空观测得到的边界层高度,除夏季20:00外,ERA-Interim再分析资料边界层高度均偏低。全年平均而言,08:00(20:00)偏低160 m(170 m),其中在08:00(20:00),冬季(春季)偏低最显著。08:00边界层高度与低层稳定度、近地层温度和风速相关更加显著;20:00边界层高度与低层稳定度和相对湿度相关更加显著。2016年7月加密观测资料对比表明,ERA-Interim资料的对流(中性)边界层高度显著偏高;低层稳定度、相对湿度偏小,风速偏大可能是造成边界层高度偏高的原因;ERA-Interim资料的稳定边界层高度偏低,与低层稳定度和近地层温度偏低相关,但其影响因素相对更加复杂。

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。

中国大陆地区不同降水资料的适用性及其应用潜力

降水资料中的分析和再分析降水数据可以弥补台站观测数据的不足,对于气象学和水文学具有重要的应用价值。利用目前国际上7种具有代表性的分析和再分析格点降水数据与全国621站的降水数据进行了对比分析。结果表明,7种逐月降水资料在不同地区的适用性不同,用格点资料研究西部地区的逐月降水情况会导致较大误差。中国西部部分地区多年平均偏差在50%以上,累计误差数超过总样本数的30%。中国东部地区平均偏差在10%左右,累计误差数不超过总样本数的30%。利用卫星反演的降水比模式计算的降水适用性更好,局地主要降水系统类型和台站数据的不足是影响各降水数据适用性的主要原因;利用卫星反演和数值模式计算的降水都会导致降水数据中的系统偏差和正态分布,与降水资料的非正态性不符。未来的降水产品应该是综合台站观测数据、卫星反演产品和模式计算结果各自的优点,互补不足,以提高降水产品的适用性和应用潜力。

黄河源区高寒湿地近地面辐射收支特征初步分析

利用2014年6月1日～2015年5月15日黄河源区麻多陆面过程观测试验近地面辐射收支观测资料,分析高寒湿地下垫面辐射收支和反射率的时间变化特征。结果表明:黄河源区高寒湿地向下太阳短波辐射、地面向上短波辐射和地面向上长波辐射有明显日变化特征,大气向下长波辐射的日变化不明显。年平均日总量,地面长波向上辐射(26.784 MJ/m^2)最大,大气长波向下辐射次之(20.390 MJ/m^2),其次是向下太阳短波辐射(17.539 MJ/m^2),地面向上短波辐射(3.888 MJ/m^2)最小。以上各分量均为冬季最小,前2个分量春季最大,后2个分量夏季最大。典型晴天地表反射率日变化和季节变化特征均为"U"形,全年平均地表反射率为0.18。地面长波有效辐射日变化趋势明显,春季、秋季和冬季地面长波有效辐射日平均相差不大,而夏季略小。不同季节日间地表吸热值较大,数值差异也较大,而夜间放热值小且数值差异小,但维持时间较长(12～15 h),总的来说该地区为一个强热源。

黄河源高寒湿地-大气间水热和碳交换通量日变化特征的观测分析

黄河源区高寒湿地-大气间的水分和热量及碳交换过程是影响青藏高原气候变化的主要因素之一。本文从2013年7月16日至10月19日期间黄河源区麻多湿地下垫面湍流通量涡动相关系统和气象站观测资料中,每月选取3~4天晴天条件下的观测数据,分析了黄河源麻多湿地-大气间感热通量、潜热通量和CO_2通量的日变化特征,并探讨了近地面能量平衡闭合度。结果表明:黄河源高寒湿地下垫面潜热通量和感热通量有日变化过程,日出后水分和热量交换通量逐渐增高,峰值均出现在12:00—16:00(北京时,下同)。在2013年夏季,黄河源湿地下垫面感热通量的最高值出现在9月15:30,达到了150.0 W·m^(-2),潜热通量的最高值出现在7月16:00,达到了300.0 W·m^(-2)。黄河源高寒湿地生态系统的能量消耗主要以潜热为主,近地面能量的闭合度较差,达到了48.8%。湿地净生态系统的CO_2交换通量日变化特征呈"U"型曲线,在整个植被生长季节的日变化过程中,日出后湿地系统吸收大气中的CO_2,净生态系统CO_2交换量NEE(Net Ecosystem Exchange)为负,中午达负极值,极值为-0.55 mg·m^(-2)·s^(-1),出现在7月21日12:30;夜间下垫面释放CO_2,NEE为正。进一步分析结果表明:CO_2交换通量的变化动态范围受空气温度、太阳辐射和植被冠层的影响明显。