1980-2018年黄河上游气候变化及其对生态植被和径流量的影响

黄河上游是黄河流域最重要的水源涵养地和产流区,对黄河流域的水资源安全、生态环境和粮食安全有决定性的意义。近年来在西北地区气候暖湿化的背景下,黄河上游气候生态水文等问题受到了各方的高度关注。本文利用卫星遥感数据、格点融合数据和水文监测数据,分析了黄河上游气候的多尺度变化特征及其对植被和径流量的影响。结果表明:1)1980-2018年黄河上游暖湿化趋势呈现全区域较一致的气候特征,温度增加率为0.023℃/a,降水增加率为1.09 mm/a,但同时又存在明显的区域差异性,湟水流域至甘肃中部降水增加最显著,宁蒙荒漠地带增温趋势最明显,2000年以来整个黄河上游降水明显增加。2000年后汇流区与流径区的蒸散发明显增加,但源头区南部波动减少。2)当前的暖湿化有利于黄河上游植被生长,1999年以来汇流区和源头区部分区域的植被增加率达到0.04/(10 a);从长期趋势看,源头区、汇流区植被指数与上年降水呈显著正相关关系,而流径区植被指数与当年降水相关性显著;降水对黄河上游流域植被具有明显的改善作用,而温度对其影响较复杂,各区域不同的植被类型是导致降水、温度、蒸散影响存在差异的可能原因。3)1980-2018年唐乃亥站和兰州站的年径流量均呈减少趋势,但1998年以来两站的年径流量明显增加,兰州站年径流量的增加率是唐乃亥站的近3倍。长期趋势表明,唐乃亥站年径流量与当年降水呈显著正相关关系,兰州站年径流量与当年降水、蒸散的相关系数均明显低于唐乃亥站;从年际波动看,降水是决定年径流量的最主要影响因子,而生态植被、冻土退化、水储量变化及社会活动等因素对径流量的影响也不容忽视。该研究为科学应对黄河上游生态保护及实现黄河流域高质量发展提供了参考依据。

复杂地形上气象场对空气质量数值模拟结果影响的研究

利用WRF模式三种边界层参数化方案(YSU、MYJ、ACM2)产生的气象场分别驱动多尺度空气质量模式CMAQ,对兰州市西固区冬季2005年1月27日至2月2日期间SO2和NO2浓度进行了数值模拟,将模拟结果与同期监测的污染物浓度进行对比分析,结果表明:WRF模式不同边界层参数化方案模拟输出的气象场驱动CMAQ模式所模拟的SO2和NO2浓度均可以反映出污染物的时空变化特征,CMAQ模式具有模拟复杂下垫面高分辨率污染物输送特征的能力;WRF模式的边界层参数化方案选为局地与非局地闭合方案(ACM2)时,模拟的气象场驱动CMAQ模式得到的空气污染物浓度分布特征最优,这主要是由于ACM2的湍流输送机制较为合理,模拟的边界层低层气象场更接近实际,从而可以较好地模拟污染物的输送特征;当CMAQ模式的垂直混合方案与WRF模式的湍流输送方案一致时(均采用ACM2方案),模式间的兼容性好。

基于偏最小二乘回归方法的西北区寒潮延伸期预报

利用2000—2013年西北地区376个国家站逐日最低气温及NCEP FNL再分析资料,基于西北区站点降温幅度和欧亚大陆500 hPa低频高度场,使用偏最小二乘回归方法建立西北区站点寒潮延伸期预测模型,分别以2017年1月的一个寒潮日和非寒潮日为例进行预测试验,并对2014—2017年冬半年(共728 d)西北地区的寒潮进行回报试验。结果表明,该模型能够提前10~30 d较好预测寒潮日与非寒潮日,对寒潮日提前10~30 d预测的降温幅度≥8℃的站数平均为32.9个,命中率最高可达67%,而对非寒潮日提前10~30 d预测的降温幅度≥8℃的站数平均为2.7个。对2014—2017年冬半年西北地区延伸期寒潮日的预测结果显示,该模型提前10~30 d预测的平均站点命中率为11.5%,空报率为70.3%。规定降温幅度≥8℃的站数超过15个时为一个寒潮日,则平均CS评分为0.1,预测的寒潮日与实际寒潮日对应最好。该模型可用于西北区地区延伸期寒潮的预测,具有一定的参考价值。

一次青藏高原东北侧边坡强对流暴雨的中尺度对流系统演变特征

2018年7月22日20:00(北京时,下同)至23日08:00在青藏高原东北侧边坡的临夏北部、兰州西部等地区出现了罕见的大暴雨,最大降水量达176.8 mm,小时最大降水量61.6 mm。利用FY-4A卫星、多普勒雷达、区域自动站及再分析资料,重点分析引发强对流暴雨中尺度对流系统(MCS)的发生发展特征及其触发机制。结果表明:(1)强对流暴雨是在西太平洋副热带高压边缘暖湿气流配合纬向多波动气流带动冷空气东移的有利配置下发生的,高温高湿的环境为强对流暴雨的发生创造了有利条件。(2)先后形成并发展的2个MCS造成临夏北部、兰州西部出现强对流暴雨,孤立的对流云团加强合并发展为第一阶段的MCS,向西南方向传播的MCS与从甘南高原向东北方向移动的云团在大暴雨区逐渐合并为第二阶段的MCS。大于10 mm·(10min)^(-1)的强降水出现在上风向云团边缘,强降水与对流云团的发展程度有密切关系。(3)强对流暴雨期间,第一阶段的强回波有后向传播特征,强对流单体对大暴雨区的影响频次高,显著的“列车效应”自南向北移动造成持续6 h以上的间断性强降水。(4)边界层的中尺度风速脉动、地面辐合线及特殊地形等是触发MCS发生、发展的主要因子,地面中尺度辐合线的形成、维持及移动,与强降水的位置有很好的对应关系。

对黄河上游自然环境要素协调性的几点科学探讨与思考

黄河上游是黄河流域最重要的水源涵养区及其产流与汇流区,大致贡献了全流域一半以上的产流量,对整个黄河流域生态保护及水资源安全和粮食安全有举足轻重的意义,科学认识黄河上游自然环境要素变化特征,并洞察该区域自然环境要素之间的协调性问题是当前推动黄河流域生态保护和高质量发展的核心问题。在宏观了解全球气候变暖背景下及国家生态保护工程和水资源管理政策实施过程中,黄河上游气候、水文及生态等自然环境要素6个方面重要特征的基础上,认识到黄河上游流域气候、水文、生态之间存在5个方面的非协调性。并且,从自然环境要素的协调性角度,对如何突破黄河上游生态与发展问题的传统思维和认识误区提出了5点探讨,也对怎样构建具有区域特色的生态保护和高质量发展模式给出了6条思考与建议。这对于在推进黄河上游流域生态保护和高质量发展过程中,科学打造气候、水文、生态与人类的和谐发展模式等具有重要的指导意义。

陇中黄土高原土壤水分变化特征及其机理分析

基于兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2010年全年的观测资料，对陇中黄土高原半干旱区土壤水分的年变化和日变化特征进行了研究，并通过计算水汽通量与蒸散量，探讨了土壤一地表一大气问水分的交换和运移机理。结果表明：土壤湿度的季节变化主要受降水影响，各季节的平均土壤湿度均呈现出表层和深层低、中间层高的特点，最高值出现在地下10cm附近；在无降水的情况下，土壤5～20cm处的含水量呈现出夜间逐渐降低、白天逐渐上升的波形变化，这种变化与土壤水汽通量具有很好的一致性，而水汽通量的方向则受温度梯度的影响；在白天，地表温度高于气温与较深层地温，水汽在向空气蒸散的同时也由地表流向土壤深部，夜晚地表温度则低于较深层地温，水汽由土壤深部流向地表。因此土壤内部的水分蒸发主要出现在夜晚，且主要发生在地表40cm以内的土壤孔隙中，而白天地表的实际蒸发主要存在土壤浅层O～5cm，5cm以下土壤水分的蒸发十分微弱。本研究结果对于改进半干旱区陆面计算模式以及当地的生态环境建设具有一定的参考价值。

中国北方2021年3月中旬持续性沙尘天气的特征及其成因

沙尘天气是多发于中国北方春季的灾害性天气,严重危害农业生产、交通运输、空气质量和人民的生命财产安全,长期受到社会各界的广泛关注。利用多源多尺度数据,采用天气学分析、物理量诊断、轨迹分析等方法对2021年3月中旬西北地区东部一次持续性沙尘重污染天气的成因进行了深入分析。结果表明:(1)受强烈发展的蒙古气旋影响,蒙古国南部及中国内蒙古中西部地区于3月14日首先出现强沙尘暴天气,并将沙尘传输至中国西北、华北、东北一带,西北东部的沙尘天气维持达到5 d。(2)沙尘天气维持期,西北东部中低层以弱上升运动为主,大气层结稳定,且西北东部不断有弱锋生发展,不利于沙尘的沉降;自北向南分布的银川、中卫、兰州3站的垂直螺旋度的波动与污染浓度的变化基本一致;混合层高度较其气候平均值明显偏低,不利于大气湍流发展。(3)此次影响西北东部的沙尘主要由蒙古国输入,近20年中蒙边境、蒙古国南部的植被减少可能是此次沙尘天气的沙源主要来自蒙古国南部的原因。