半干旱气候变化教育部重点实验室的建设与实践

本文介绍了半干旱气候变化教育部重点实验室的发展历程和建设目标,阐述了重点实验室的组织机构、人才队伍、半干旱气候变化研究等实践经验,对重点实验室建设获得的研究成果进行了概括和总结。

陇中黄土高原半干旱草地地表反照率的变化特征

利用2010年兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)全年的观测数据,对陇中黄土高原半干旱草地的地表反照率年变化及其在典型天气条件下的变化特征进行研究。结果表明,该地区半干旱草地的地表反照率呈冬半年高、夏半年低的特点,年平均地表反照率为0.21,高于绿洲地区,低于半干旱农田区;地表反照率的日变化明显受天气条件的影响:晴天时呈早晚高、中午低的特征,阴天时日变化很小;降雨后地表反照率先降后升,而降雪后则先升后降;沙尘天气过程中,地表反照率比晴天有所增加。晴天时地表反照率还存在明显的不对称现象,即相同太阳高度角时,上午地表反照率大于下午,这种差异与浅层土壤湿度的变化具有较好的一致性。

高原夏季风对中东亚干旱半干旱区夏季降水的影响

通过比较7种再分析资料计算的高原夏季风指数,并分析了高原夏季风与中东亚干旱半干旱区夏季降水的关系,总体上7种再分析资料得到的高原夏季风指数是相当一致的,并且在滤去10年以上周期的长波后,7种再分析资料计算的高原夏季风指数之间的相关系数比滤波前都有一定程度的提高,说明再分析资料在描述高原夏季风年际变化时是一致的。相关分析和合成分析的结果表明,高原夏季风对中东亚干旱半干旱区的夏季降水变化有重要的影响。高原夏季风偏强时,中亚地区偏南风异常并伴有辐合,南疆地区为异常东风,有利于水汽输送到这一地区,降水偏多,华北地区为异常东北风,阻碍了西南气流水汽的输送,降水偏少;高原夏季风偏弱时,中亚地区为北风异常并伴有辐散,南疆地区为异常西风,降水偏少,华北地区为异常西南风,降水偏多。

半干旱地区气溶胶散射和吸收特性的观测研究

利用兰州大学半干旱气候和环境观测站SACOL(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University)2007年11月1日-2008年10月31日AE-31黑碳仪和2007年8月1日-2008年7月31日M9003积分浊度仪的连续观测资料,对该地区气溶胶散射和吸收特性的变化特征进行了分析。结果表明,该地区气溶胶年平均散射系数为158.86M.m-1,吸收系数为14.11M.m-1,520nm单次散射比为0.83;散射系数和吸收系数的年变化呈单峰型,峰值分别出现在12月和11月;采暖期内日变化呈双峰型,非采暖期内近似表现为单峰型。在沙尘天气条件下,散射系数和吸收系数分别增大了103.8%和88.5%。结合同期APS-3321粒子谱仪的相关观测资料分析得出,无论是粒子数浓度还是质量浓度,与散射系数和吸收系数的相关系数均在0.8以上。

中国北方云量变化趋势及其与区域气候的关系

利用我国35°N以北地区333个测站46年逐日地面观测总云量、低云量、降水量和温度资料,系统地研究了该地区云和降水的空间分布特征,用趋势分析方法分析了各区内的总云量、低云量及降水量的变化趋势。结果表明,我国35°N以北地区东部总云量、低云量呈明显减少趋势,而西北区西部略有增加。降水量表现出西北区西部及东北区西部呈增加趋势,而东部呈减少趋势,其中西北区东部、华北和东北区东部近年来降水量明显减少,呈干旱化趋势。分析总云量和低云量与温度和降水量之间的相关,发现总云量与温度呈负相关;而低云量与气温呈弱的正相关,与降水量呈较显著的正相关。总云量是制约我国北方温度变化的重要因素,而低云量则是影响降水的主要因素。

西北中部半干旱区兴隆山森林岛降水机理的数值模拟

通过WRF V2.1.2模式数值模拟试验并结合长期观测数据,研究了中国西北半干旱区长期存在和维持的森林山区(兴隆山区,103.84°E、35.86°N)的降水特征及其与周边地区的降水差异,并探讨了造成这种差异的主要原因。结果表明,兴隆山区与周边地区的降水差异主要表现在夏、秋季。在夏、秋季兴隆山区受东南湿润气流的影响,获得较多的水汽输入和较稳定的水汽来源,而山地地形则有利于截留东南气流携带的水汽并形成降水;兴隆山区及其周边地区局地的蒸散差异对二者之间降水差异的贡献不大。另外,兴隆山区土壤堆积覆盖的石质山构造和森林下垫面也有利于降水的截留和贮存以及植被的生长。因此,有利于水汽输入的大尺度环流形势、地形对空中水汽的截留以及特殊的地质因素是兴隆山山区孤立森林岛在半干旱区长期存在和维持的原因。

近30年中国雷暴天气气候特征分析

利用1981-2010年雷暴观测资料,采用EOF分解和主值函数分析等方法,对中国年平均雷暴日的时空分布特征、年际变化及异常变化特征进行了分析。结果表明,年平均雷暴日的地理分布可大致分为4个区域,分别为东南高发区、西南高发区、东北次高区和西北低发区。年平均雷暴日的时间分布表现为夏季多、冬季少;一天之中雷暴出现的时间集中在下午到晚上。雷暴日数的年际变化呈现出1980年代和2000年代2个相对多发期和1990年代相对少发期,其中2000年代雷暴事件的相对多发表现为下午和夜间雷暴事件的增加。近30年中国北方地区的雷暴整体呈现出减少趋势,而南方则是先减后增,其距平场的年代际变化较为明显。EOF分解后距平场第一向量的方差贡献达到32.4%,在空间上表现为南北相异型,其余各向量也不同程度地表现出区域性异常,前12个向量累积方差贡献达到80.9%。此外,ENSO事件对中国雷暴尤其是南方地区影响较为明显,两广和云贵地区呈现出相反的距平变化。

青藏高原地区上对流层—下平流层区域水汽分布和变化特征

利用2005-2008年青藏高原（下称高原）地区微波临边探测器MLS（MicrowaveLimbSounder）、高光谱分辨率大气红外探测仪AIRS（AtmosphereInfraredSounder）、ECMWF的ERA-Interim资料，以及NCEP／NCAR再分析数据和NOAAHYSPLIT（Hybrid；Single-ParticleLagrangianIntegratedTrajec-toryModel）轨迹模式资料，讨论了高原上空对流层顶附近的水汽分布和变化特征及高原上空平流层与对流层之间的物质交换。结果表明，3-4月高原南侧对流层顶附近100hPa存在一个水汽低值带，而7-8月和9-10月此处存在一个明显的水汽高值区。3-4月夏季风未发展之前，受高原大地形抬升和西风气流的影响，高原以南地区存在对流层与平流层的物质交换，而215hPa的高原中部地区（80°E-90°E）则由于空气的下沉运动将上层的干空气向下输送而出现一个水汽低值中心。7-8月，受印度夏季风和高原上空反气旋式环流的影响，高原上空有明显的水汽穿过对流层顶向平流层输送，反气旋环流中心的水汽经过2～4天的上升过程可以从对流层进入平流层。高原及其以东、以西地区的水汽在对流层顶附近的季节变化基本一致，100hPa三个不同区域的水汽在3月达到最低。

利用CERES(SYN)资料分析青藏高原云辐射强迫的时空变化

利用2001年11月—2005年10月"云与地球辐射能量系统(CERES)"辐射和云资料SYN(Syn-optic Radiation Fluxes and Clouds),分析了青藏高原(下称高原)地区不同高度云辐射强迫的时空变化特征。结果表明:(1)高原整体为云强迫正、负值的过渡区域,这种过渡性有显著的季节差异和区域划分。高原东南部表现出较强的冷却效应,其西部和东北部干旱区在冬、春季表现为较弱的加热效应。(2)高云、高的中云和低的中云对云短波辐射强迫的季节变化都有贡献,其中中云是导致区域差异的主要因素;云长波辐射强迫的区域差异不明显,但季节差异显著,这主要是由高的中云和高云的变化引起的,且云量是主要的影响因子,高云云量虽小但其影响不可忽视。(3)高云在高原地区产生净加热效应,高的中云既产生加热作用也产生冷却作用,低的中云产生净冷却效应。(4)云短波辐射强迫在云辐射强迫的日变化中仍然占主导地位,日变化的区域差异主要是由云量引起的。白天,在云短波辐射强迫的日变化中,低的中云贡献更大。高云对云长波辐射强迫的日变化贡献主要在晚上,低的中云在夜间对云长波辐射强迫有抑制作用。

气候模拟日降水量的统计误差订正分析——以上海为例

对区域气候模式系统PRECIS在SRES A1B情景下模拟的上海日降水输出按季节进行了统计误差订正。该方法首先对降水日数进行比率订正,以消除模式产生的微小值降水。然后利用Γ分布拟合日降水量的累计概率分布,采用整体和分段拟合两种方法构建传递函数TF(Transfer Function)进行订正。选取1962年12月—1992年11月作为控制时段,构建TF并将其应用于验证时段(1992年12月—2002年11月)。该订正方案消除了模式产生的微小值降水,解决了模拟的小降水值偏多的问题,频率误差保持在1%以下,分段拟合订正相比整体拟合订正具有更强的对极端降水的订正能力;对冬、春季的订正效果比夏、秋季更显著。该方案不仅有效消除了平均值的漂移,而且显著订正了变率,同时提高了极端降水事件的再现能力,是一种相对完善的订正方案。

一种利用天空辐射计反演大气总水汽量的算法研究

传统计算大气总水汽量是利用改进的Langley方法，通过准确测定传感器的光谱响应函数结合辐射传输方程模拟大气中水汽透射比并反演总水汽量。而本文提出了一种根据天空辐射计940nm通道的太阳直接辐射资料反演晴空条件下大气柱总水汽量的算法，该算法直接根据天空辐射计的观测数据估算了描述大气中水汽透射比的参数（a和b），而不依赖于光谱响应函数的精确测量；反演得到的a和b值包含了观测站温度、气压和湿度垂直廓线的季节变化等信息，不受模式模拟误差的影响。利用2009年3—8月兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）天空辐射计资料，用该算法获得了观测时期内大气总水汽量，然后利用同期探空资料反演的水汽量验证天空辐射计反演和微波辐射仪观测的水汽量。结果表明，这两种方法得到的水汽总量都是可靠的。天空辐射计与微波辐射仪、CE318型太阳光度计的反演水汽量表现出较好的一致性，拟合斜率值分别为1．03和1．64，相关系数均〉0．95，相对误差在2．1％～11．3％范围内。该算法可广泛应用于东亚地区天空辐射计网（SKYNET）对总水汽量的反演。

自定义气溶胶模式下兰州及周边地区气溶胶光学厚度的反演

通过自定义气溶胶模式,选取类大陆型气溶胶,结合兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)气溶胶实测资料建立的气溶胶数谱模式,反演兰州市及周边地区100km×100km范围内的气溶胶光学厚度(AOD)。结果表明,在不同气溶胶模式下,AOD分布表现出一些共同特征:在兰州市西固区(工业区域)存在一个AOD高值区,兴隆山、刘家峡水库地区AOD值较低,而在榆中县城、临夏市等城镇区也表现出AOD值高于周边地区。对比反演结果与地面实测资料,发现采用自定义气溶胶模型反演的精度有很大提高。

南亚高压南北位移对亚洲季风区上对流层-下平流层区域大气成分分布的影响

利用欧洲中期数值预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)提供的ERA-Interim再分析资料和Aura卫星上微波临边探测器MLS(Microwave Limb Sounder)提供的大气成分资料,研究了南亚高压的南北位移与亚洲季风区上对流层-下平流层区域水汽、一氧化碳(CO)和臭氧(O3)分布之间的关系。结果表明:(1)在215 hPa,南亚高压偏北时,水汽和CO在伊朗高原、青藏高原东北部至中国东北地区比偏南时高,仅在孟加拉湾以北和中南半岛北部比偏南时低。在100 hPa,偏北时南亚高压控制范围内水汽比偏南时高,而CO则是偏南时偏高。下平流层68 hPa,南亚高压控制范围内偏北时的CO弱于偏南时。O3在不同高度的分布与CO相反。(2)南亚高压偏北时,高压西部及北部对流比偏南时强,30°N以北南亚高压强度也较强,将对流层低层空气向上输送,导致上对流层215 hPa的水汽和CO在伊朗高原、青藏高原东北部至中国东北地区比偏南时高,而O3被稀释成为低值中心。(3)在100 hPa,南亚高压偏南时,反气旋环流南部的位势高度偏高,同时反气旋环流中心垂直上升运动较强,将含丰富的水汽和CO以及低浓度O3的空气向上输送,导致100 hPa上CO的高值中心浓度比偏北强,O3的低值中心浓度比偏北低。而偏南时南亚高压控制区内对流层顶温度偏低,在“冷凝脱水”作用下,偏南时的水汽反而比偏北低。(4)100 hPa南亚高压偏南时强度比偏北弱,“围困”作用也弱,在上升运动作用下,将更多的高浓度水汽和CO以及低浓度O3空气向上输送到68 hPa。

2019年8和9月西北干旱区塔克拉玛干沙漠腹地云的宏观参量特征

云是地球-大气系统能量收支的关键调节器,云的宏观和微观物理参数对干旱区降水强度和分布有重要影响。为了阐明塔克拉玛干沙漠腹地云的宏观特性,利用CHM15K型云高仪对塔中站2019年7月23日至9月30日云层结构进行连续探测,分析2019年8、9月塔中站上空云底高度、云层厚度和总覆盖率的变化特征。结果表明,云高仪能够清晰地观测沙漠上空云分布和降雨过程,云层的平均云底高度为4.6 km,以高云和中云为主,8、9月高云、中云占比之和均超过90%,单层云占比大于多层云;云层厚度相对较薄,8、9月第一层云的平均厚度分别为402、532 m,厚度小于500 m的云层占比分别为64.2%和58.8%,表明塔中以薄云为主;8月全天空云占比最大,为32.6%,而9月的全天空无云占比最大,为40.8%。此次观测结果有助于了解塔克拉玛干沙漠腹地云宏观特征的时空分布和演化特征,可为数值模式模拟和卫星遥感产品的验证提供宝贵的数据集。

半干旱地区大气颗粒物浓度及粒径谱特征的观测研究

采用兰州大学半干旱气候和环境观测站(SACOL)2007年11月1日至2008年10月31日的APS-3321粒径谱仪的连续观测资料,对该地区大气颗粒物的浓度变化和粒径分布特征进行分析研究。结果表明,该地区颗粒物浓度年变化呈单峰值型,无论是数浓度还是质量浓度峰值均出现在12月,数浓度6月最低,质量浓度9月最低;和其他地区相比,无论数浓度还是质量浓度,均低于污染较严重的城市,但高于内陆清洁地区。数浓度和质量浓度平均日变化均呈单峰值型,都在上午11:00BST左右达到峰值,下午18:00BST左右达到谷值,但质量浓度峰值出现时间随季节而有所差异。颗粒物浓度的年变化和背景风场主导风向的年际变化有一定关系,而局地垂直风速及水平风向的昼夜转换对颗粒物浓度的日变化有较大的影响。数浓度粒径谱分布特征呈单峰值型,主要集中在0.673μm左右;质量浓度粒径谱分布特征呈双峰值型,第一个峰值出现在0.777μm左右,第二个峰值出现在5.048μm左右。降水对大于1μm的粒子的去除效果非常明显。当沙尘天气发生时,数浓度和质量浓度与背景天气条件下相比增大了22%和127%。

黄河流域城镇化对地下水的影响分析

黄河流域是我国重要的生态屏障,也是我国粮食作物的主要产区。近年来,随着城镇化的发展,当地水资源分配出现了显著变化。因此,厘清黄河流域城镇化作用下水循环的改变对制定黄河流域城镇化政策具有重要意义。本文利用资源环境科学与数据中心的黄河流域下垫面数据、世界人口数据集的人口密度和Gravity Recovery and Climate Experiment(Grace)的Center for Space Research(CSR)陆地总水储量格点数据,开展了黄河流域城镇化过程中地下水的变化特征分析工作。结果表明:黄河流域城镇化程度具有显著的空间差异,下游存在明显的城镇化加剧现象;全域人口密度整体呈上升趋势,其中下游的人口增长趋势最大;黄河流域的地下水呈下降趋势,以下游的地下水下降最为显著。通过对比黄河流域新增城镇、不变城镇和消失城镇的地下水变化差异,发现地下水下降幅度最小出现在消失城镇,新增城镇的地下水下降幅度小于不变城镇的区域。因此,黄河流域城镇化对地下水的减少具有显著的作用,新增城镇地下水并没有出现显著下降的结果也说明近年来城镇化后的地下水保护政策取得的效果良好。

WRF模式对山谷城市边界层模拟能力的检验及地面气象特征分析

利用先进的WRF中尺度模式中3种边界层参数化方案（YSU、MYJ和ACM2）,模拟了2005年1月25~28日兰州市冬季地面温度和风速的变化,并与同期系留探空和自动气象站的实测资料进行了对比分析。结果表明：对兰州冬季大气边界层地面温度日变化的模拟,局地闭合的MYJ方案优于非局地闭合的YSU和ACM2方案;3种方案模拟的夜间位温廓线较好,白天的较差;在边界层低层,考虑局地和非局地闭合的ACM2方案模拟的位温廓线与观测值比较一致;在边界层上部,局地闭合的MYJ方案则更适合于描述大气湍流对位温垂直分布的影响;3种边界层参数化方案模拟的兰州地区冬季温度场空间分布特征相似,但MYJ方案模拟的夜间温度低于YSU和ACM2方案,白天则高于YSU和ACM2方案。

气溶胶对我国中东部地区秋季降水的影响

通过分析近50年来中国中东部地区降水资料发现,秋季降水与其他季节相比有明显减少趋势(每10年下降约54.3 mm),尤其自1980年代以来呈直线下降趋势(每10年降水减少5.6%)。从降水形成三个基本条件(水汽输送条件、稳定度条件、云微物理条件)出发,探究秋季降水减小的原因。结果表明,大气稳定度(对流抑制能(convective inhibition,CIN)以28.67(J/kg)/(10年)的速率增加,对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)以12.81(J/kg)/(10年)的速率减小以及云微物理性质的变化(云滴有效粒子尺度减小)是导致秋季降水减少的直接原因,而这两个因素的变化与近20多年来气溶胶的大量增多有着非常密切的关系。因此,由空气污染造成的气溶胶浓度的增加可以作为导致中国中东部地区秋季降水减少的其中一个重要原因。由于秋季天气系统较稳定,主要受到大尺度系统影响,动力作用影响大于热力作用,所以减少了复杂中小天气系统和热力作用对降水的影响,故而更加突显出气溶胶对秋季降水的影响。

沙尘对兰州市大气环境质量的影响

利用1951—2010年甘肃省气象局地面观测站沙尘气象资料和2006—2010年兰州环保局PM10、SO2、NO2质量浓度资料,分析了兰州市沙尘天气时间变化特征及其对SO2、NO2、PM10等大气污染物浓度的影响。结果表明:近60年来兰州市沙尘天气总体上呈现振荡性减少的趋势,沙尘暴、扬沙和浮尘年变化倾向率分别为-0.15d、-0.72d和-0.97d,这与上游沙尘源区沙尘天气振荡性减少有关。沙尘对兰州地区SO2和NO2质量浓度影响不大,对PM2.5质量浓度和PM1.0数浓度的变化有一定的贡献,但对PM10质量浓度影响非常大,沙尘对春季PM10质量浓度的贡献率在18.4%~43.1%。对2007年5月10日一次强沙尘天气过程研究发现,随着沙尘天气的侵入,兰州市不同粒径气溶胶的浓度陡然上升,然后达到较高的浓度水平,之后由于沙尘天气的减弱、消退或离境,不同粒径气溶胶浓度也逐渐降低并缓慢恢复到正常水平。

张掖地区气溶胶吸收和散射特性分析

兰州大学与中国科学院、中国气象局、美国马里兰大学、美国能源部等研究机构于2008年4-6月进行了中美沙尘暴联合观测试验,观测点设在张掖国家气候观象台、兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）和SACOL景泰移动观测点。利用颗粒物烟尘吸收光度计和TSI积分浑浊度仪资料分析了张掖地区气溶胶吸收和散射特性。结果表明：气溶胶吸收系数、总散射和后向散射系数日变化趋势一致,基本呈双峰型,峰值分别出现在08：00和22：00,夜间的值较白天偏大;气溶胶吸收系数、总散射和后向散射系数的月平均值在4月最大、5月次之、6月最小;450,550和700 nm波段的气溶胶单次散射反照率主要集中在0.7-0.9。