利用GLDAS资料分析黄土高原半干旱区土壤湿度对气候变化的响应

利用GLDAS资料分析了1948—2010年黄土高原半干旱区气温、降水和土壤湿度的变化趋势，并重点讨论了气温和降水对土壤湿度的影响和相对贡献。结果表明：近60a来黄土高原半干旱区整体呈现暖干化趋势，增温速率明显高于全球平均增温速率；不同深度的土壤湿度的长期变化均呈减小趋势，且年际间变化明显。不同深度的土壤湿度和气温呈负相关关系，并随着土壤加深，两者的相关性加强；土壤湿度和降水则呈正相关关系，相关关系最大出现在表层土壤。通过分析气温和降水在不同季节对土壤湿度的相对贡献发现，春季和冬季气温对土壤湿度的相对贡献较降水显著，秋季恰好相反，夏季气温和降水对土壤湿度的相对贡献大小相当。对比不同深度层降水、气温对土壤湿度的相对贡献得出，降水对浅层土壤湿度有显著作用，而气温对深层土壤湿度的作用更明显。

SRES A2情景下中国区域21世纪末平均和极端气候变化的模拟

利用Hadley气候预测与研究中心的区域气候模式系统PRECIS单向嵌套该中心全球海-气耦合气候模式HadCM3高分辨率的大气部分HadAM3H,分析了SRES A2情景下2071—2100年相对于气候基准时段(1961—1990年)中国区域的气候变化,包括气温和降水的年际、季节和日时间尺度的变化以及极端气候事件的变化趋势。模拟结果表明:气温呈明显增加趋势,其中新疆和东北地区增温明显。而降水表现了更大的年际变化和季节变化,冬季南方降水减少,但沿黄河流域的降水明显增加,夏季与冬季相比呈现出相反的趋势。此外,连续高温日数呈现增加趋势,而连续霜冻日数呈现减少趋势。连续湿日数也表现出一定的增加趋势。

西北半干旱区感、潜热通量特征及近50年来的变化趋势

在对比分析2007年兰州大学SACOL测站观测值和NCEP模式产品的感、潜热等变化特征的基础上,用观测资料和NCEP感、潜热通量资料的误差对1961—2008年的NCEP感、潜热通量资料进行了订正。分析了近50年西北半干旱区感、潜热的年际变化趋势。结果表明:平均而言,在半干旱区,4月感热最大,7月潜热最大;在过去的近50年间,年平均潜热通量大于感热通量。近50年来,潜热通量有减小的趋势,感热通量有增加的趋势。

东亚典型干旱、半干旱区夏季感热通量的年代际变化特征

基于1901—2010年ERA-20C地表感热通量和其他气象要素逐月资料,利用Lanczos低通滤波、多元逐步回归、Mann-Kendall检验和滑动t检验等方法,分析东亚典型极端干旱区、干旱区、半干旱区和湿润偏干区4个区域夏季感热通量的变化趋势及年代际变化特征。结果表明:(1)近110 a,东亚干旱、半干旱区4种类型区域的夏季感热通量变化趋势不尽相同,极端干旱区无明显变化趋势,而其他3个区域均呈显著上升趋势,且随着地表湿润度的增加上升趋势越大;半干旱区和湿润偏干区夏季感热通量在显著上升趋势上还叠加了明显的年代际特征,均在1960年代发生由偏低向偏高的突变,而干旱区夏季感热通量突变时间在1950年代中期。(2)各气象要素对夏季感热通量变化的贡献在东亚干旱、半干旱区不同区域有显著差异。极端干旱区和干旱区夏季感热通量的变化主要由地表净辐射和降水贡献,而半干旱区和湿润偏干区则主要由地气温差和10 m风速贡献,且突变后期的贡献均高于突变前期。(3)大气环流异常对东亚夏季感热通量变化有重要作用。突变前期,东亚干旱、半干旱区大部高空200 hPa为东风异常,低层850 hPa为东南风异常,配合500 hPa正涡度异常,导致辐合上升气流偏强,有利于维持夏季感热通量偏低;反之突变后期,200 hPa为西风异常,500 hPa为负涡度异常,低层850 hPa为西北风异常,导致辐合上升气流偏弱,有利于维持夏季感热通量偏高。

兰州城市大气颗粒物污染浓度的变化特征

通过对兰州市冬季不同高度大气气溶胶的监测数据的分析,得出不同高度气溶胶浓度分布,进而分析TSP和PM10与气象要素之间的相关性,以及近20年气溶胶浓度变化。结果表明,高度16m和9m处的TSP浓度比高度625m处的TSP浓度高,高度50m处的PM10比9m和625m处的PM10浓度高;16m高度的TSP浓度与日最高气温呈正相关,9m高度的TSP浓度和日最低气压、日最低气温、平均气温、平均风速都呈负相关,625m高度的TSP浓度与平均本站气压和日最低本站气压都呈负相关。同时9m高度处PM10浓度与日最高气温呈正相关,625m高度处PM10浓度与平均气温呈正相关。近20年的对比分析表明,兰州城市空气质量得到明显改善,"冬防"举措对于改善市区空气污染状况很有成效。

半干旱区云量变化特征及其与太阳辐射关系的研究

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2008年全天空成像仪、微脉冲激光雷达和太阳总辐射观测资料，分析了不同时间段内云量的变化特征及其与太阳辐射的关系。结果表明：2008年3~8月总云量经历了先上升后下降的过程，其中3~5月缓慢上升，各月总云量都在8成以上；6~8月显著下降，但各月总云量都大于6成，说明半干旱区春夏季云量充足，属“不缺云”状态；同一时段内，太阳总辐射先“变亮”后“变暗”，即3~5月大幅上升，6~8月逐步下降；总云量与太阳总辐射存在显著的负相关关系，相关因子 R2=0.68；低云、中云、高云对地面太阳辐射的相对影响值分别为-23.01%、-3.33%和13.09%。

100年来东亚和北非干旱半干旱区边界层高度的变化特征研究

利用欧洲中心再分析资料ERA-20C、ERA-Interim和ERA40对1900—2015年东亚、北非干旱半干旱区边界层高度的年代际变化特征进行了研究。结果表明:(1)1900—2015年,东亚、北非干旱半干旱区边界层高度均值分别为755 m和834 m,东亚表现为显著的上升趋势,气候倾向率为2.0 m·(10a)-1,年代际震荡周期约为20年,北非表现为下降趋势,气候倾向率为-0.6 m·(10a)-1,年代际震荡周期约为40年。1964年和1940年分别为东亚、北非的显著转折年,1964年之后东亚边界层高度有明显抬升,1940年之后北非边界层高度震荡幅度明显增大。(2)东亚干旱半干旱区上升趋势最为明显的区域位于东部,气候倾向率为10.7~12.4 m·(10a)-1,其次位于中部,气候倾向率为3.8 m·(10a)-1;上升较缓慢的区域位于北部,气候倾向率为0.4~1.8 m·(10a)-1;塔克拉玛干沙漠呈下降趋势,气候倾向率为-1.2 m·(10a)-1。同时,在年代际波动中,东亚边界层高度在20世纪60—70年代呈现出剧烈的震荡也主要与中东部边界层高度的变化相关。(3)北非干旱半干旱区中北部表现为显著下降趋势,气候倾向率为-5.1^-1.4 m·(10a)-1;南部表现为上升趋势,气候倾向率为0.8~2.5 m·(10a)-1。然而,在年代际波动中,北非边界层高度在20世纪40年代之后震荡的加剧与南部边界层高度的变化密切相关。

半干旱地区卷云特征的激光雷达探测

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2007年4~11月微脉冲激光雷达（MPL-4B）观测资料,统计分析了卷云的高度、厚度及其变化特征。采用透过率方法计算了卷云光学厚度,得到了卷云光学厚度与卷云厚度和云底高度的相关关系。结果表明,SACOL卷云出现的平均海拔高度为10.16±1.32 km;卷云厚度分布范围为0.30~2.80 km,平均值为1.10±0.49 km;光学厚度分布范围为0.003~1.057,平均值为0.17±0.16,SACOL卷云以光学厚度小于0.3的薄卷云为主;6、7、8月卷云出现高度较其他月大,厚度和光学厚度较小;卷云光学厚度与卷云厚度呈正的线性相关关系。

黄土高原干旱半干旱地区气溶胶光学厚度遥感分析

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2006年8月-2008年10月太阳光度计(CE-318)观测资料和同期卫星MODIS(Terra和Aqua)产品资料,分析了该站气溶胶光学厚度(AOD)日变化、月变化和Angstrom波长指数(α指数)月变化特征,发现春季AOD日变幅最大,存在双峰现象,秋、冬季较小;9月AOD最小,4月和12月AOD较大;α指数在4月最小,7月最大。采用太阳光度计反演的550nm AOD与Terra-MODIS和Aqua-MODIS AOD产品相比较,Terra-MODIS与太阳光度计AOD相关系数为0.69,大于Aqua-MODIS的0.62。并从地表反照率假设、气溶胶模型选择和云影响等方面分析了产生对比偏差的原因,进一步分析了黄土高原干旱半干旱地区AOD的分布和季节变化特征。结果表明:气溶胶光学厚度呈西低东高的分布特征;AOD高值中心与大城市有较好对应;黄土高原干旱半干旱地区AOD在春季最大,夏季有所减小,秋季最小,但冬季升高;Aqua-MODIS中深蓝算法对西北荒漠地区亮地表AOD的反演效果较好。

沙尘气溶胶对半干旱区微气象学特征影响的初步研究

沙尘气溶胶通过改变地表—大气间的短波及长波辐射从而对地气间热量传输产生影响,进而影响到地表能量收支平衡以及近地面层气象要素的分布。半干旱区是我国干旱化表现最为剧烈的地区,也是沙尘暴频发地区和主要源区之一。本文利用吉林通榆半干旱区国际协调强化观测计划基准站2006年4～6月近地层微气象、地表辐射通量和沙尘气溶胶浓度观测资料,对比分析了该地区在典型沙尘暴天气、扬沙天气和晴朗天气等不同天气状况下近地层各气象要素、地表能量平衡及辐射收支的变化特征。结果表明,沙尘气溶胶对半干旱地区地面微气象学特征及辐射收支具有明显的影响,且表现出不同于干旱区的若干特性:半干旱区沙尘天气下的平均风速比晴天高约2m.s-1,而相对湿度则降低了约35%。相对而言,气温和浅层地温的变化对沙尘的影响响应较弱。半干旱区在沙尘天气时地表净辐射小于晴天,感热/潜热通量分别约占净辐射的55%和30%,分别远大于/远小于晴天时的情形。该地区气溶胶质量浓度与日均感热、相对湿度、潜热等要素具有明显的相关,相关系数分别高达0.70、-0.75和-0.62。相比之下,干旱区沙尘天气时的感热通量要小于晴天时的值,而且气象要素的响应更加剧烈。

基于微脉冲激光雷达观测资料的半干旱区沙尘天气消光效应分析

利用兰州大学半干旱区气候与环境观测站（SOCAL）的微脉冲激光雷达（MPL）2008年4月30日至5月2日观测资料，对晴朗天气、浮沉天气及扬沙天气过程中气溶胶垂直分布的连续变化、物理机制进行了对比分析与探讨。结果表明MPL很好地反映出不同天气过程中大气气溶胶廓线的日变化特征：受人类活动影响，天气晴朗时，早晨9时开始在0—2km范围出现气溶胶聚集区，持续至15时，气溶胶平均消光系数〈0．20km-1；受沙尘输送影响，浮尘天气时，气溶胶聚集区高度范围为1—2km，高层气溶胶富集区高度范围为5—7km，气溶胶平均消光系数0．38km-1；扬沙天气时，气溶胶聚集区高度范围为0—1km，浓度远大于浮尘天气，但高层气溶胶浓度较小且分布较均匀，气溶胶平均消光系数〉0．50km-1。

兰州降尘的气候诊断分析

利用兰州降尘资料及NCEP/NCAR再分析资料,采用气候诊断分析的方法对兰州降尘进行分析。通过对60年的垂直运动场及涡度场诊断分析发现,兰州地区冬季中低层下沉运动强而明显,且兰州冬季处于采暖期,在沙尘暴及盆地气候影响下,兰州冬季降尘明显;春季兰州处于下沉运动边缘区,上升运动较弱,但沙尘源区存在上升运动,有利于尘粒向上输送,兰州位于沙尘暴多发区河西走廊下风向,外来沙尘加速粉尘沉降,造成兰州春季降尘居各季之首;夏季兰州受地面加热源影响,低层上升运动明显,由于雨水对颗粒物的清洗作用,兰州夏季降尘较秋季为高;多年平均涡度场形势与多年平均垂直运动场存在较好的一致性,较为直观地反映了各季影响兰州的主要系统的演变情况,合理地解释了兰州地区降尘季节分布演变规律。

全球变暖背景下青藏高原夏季大气中水汽含量的变化特征

利用中国气象局提供的0. 5°×0. 5°降水和温度的日值资料,联合ERA-Interim、MERRA2(second M odern-Era Retrospective analysis for Research and Applications)和JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)再分析资料以及全球陆面数据同化系统(Global Land surface Data Asimilation System,GLDAS-2. 0)资料,研究了全球变暖背景下青藏高原夏季地表气温及降水的变化特征,以及该地区大气中水汽含量及水汽输送特征。结果表明,1979—1998年期间,高原的地表气温呈增加趋势,降水呈减少趋势;而在全球增温减缓期间(1999—2010年),地表气温及降水较1979—1998年期间呈现更为显著的增加趋势。在青藏高原上空,大气中水汽含量在1979—2010年间整体呈增加趋势;然而,进一步分析表明,在此期间由外界向高原输送的水汽逐年降低,尤其在1998年后,由于西南季风强度的大幅减弱,使得外界向高原的净水汽输送量减少得更为显著;青藏高原地表蒸散量的分析表明,自1998年后,高原地表的蒸散量显著增加,成为高原地区大气中水汽增加的主要原因。

黄土高原半干旱区沙尘气溶胶光学和微物理特性

利用2006-2012年兰州大学半干旱气候与环境观测站太阳光度计资料,采用严格判断方法确定出沙尘气溶胶数据,分析沙尘气溶胶的光学和微物理特性。结果表明,沙尘气溶胶光学厚度最大值(2.80)出现在春季,主要分布在0.3~0.8,日均值0.63。ngstrm波长指数与光学厚度位相相反,春季最小(0.002),秋季最大(0.525),主要分布在0.2~0.4,日均值0.27。沙尘多为大粒径气溶胶,粒子谱粗模态占主导。总粒子和粗模态粒子体积浓度变化很大,与光学厚度年变化一致,在4月达到最大。有效半径与复折射指数实部变化一致,春、冬季较大,夏、秋季较小。单次散射反照率冬、春小,夏、秋较大,最小值出现在2月,与复折射指数虚部反位相。

西北干旱区水汽收支变化及其与降水的关系

利用NCEP资料计算并分析1961—2010年西北干旱区(35°N—50°N,73°E—105°E)经纬向水汽输送、蒸发和水汽辐合辐散的变化特征,以及它们与同期西北干旱区降水之间的关系。结果显示:(1)西北干旱区冬、春、秋季经向水汽输送为净输入,纬向为净输出,总水汽输送为净输入。夏季经、纬向水汽输送均为净输出;(2)1961—2010年,西北干旱区各季节降水均增加,冬、春季降水增加显著,夏、秋季降水增加不显著。冬季纬向水汽净输出减少,导致西北干旱区冬季总水汽输送增加;春、秋季经向净输入减少和夏季经向净输出增加,导致春、夏、秋季总水汽输送减少;(3)1961—2010年,西北干旱区各季节蒸发量显著增加,且夏季增加趋势最显著;(4)各季节水汽通量散度显著减小,水汽辐合加强,且夏季水汽辐合增强最明显;(5)蒸发增大和水汽辐合增强是西北干旱区降水增加的主要原因,但外部水汽输送变化也会影响降水变化。

青藏高原沙尘气溶胶时空变化及其来源地分析

沙尘气溶胶作为地球大气气溶胶的重要组成部分,对全球气候、生态环境和人体健康都有重要影响。厘清青藏高原地区的沙尘气溶胶时空分布变化,对研究青藏高原沙尘气溶胶气候环境效应有重要意义。利用风云卫星遥感资料、再分析资料等多源数据,统计分析了1999-2020年青藏高原上空沙尘气溶胶的时空分布特征。高原沙尘活动强度在季风期明显高于非季风期,沙尘气溶胶光学厚度(Dust Optical Depth,DOD)在春、夏、秋、冬季的多年平均分别为0.176、0.064、0.032、0.060,气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)为0.223、0.118、0.069、0.117。柴达木盆地是青藏高原地区沙尘活动最活跃的区域,在高原西部和南部监测到零星沙尘活动。2018-2020年,青藏高原上空发生沙尘事件的天数分别为:192天、218天和212天。东亚地区沙尘源地(约62%)与中东、中亚地区沙尘源地(约30%)分别是高原北部和南部沙尘气溶胶的主要来源,源自北非地区的沙尘主要影响高原南部的高海拔地区。青藏高原地区沙尘活动在2000-2012年强度较高,2012-2020年后呈现波动变化。青藏高原地区的沙尘活动影响范围和强度受到塔克拉玛干沙漠地区的降水、风场变化影响,相关系数分别为-0.56和-0.32。

利用激光雷达观测兰州沙尘气溶胶辐射特性

利用微脉冲激光雷达CE370-2与太阳光度计CE-318,在兰州观测分析了2007年3月27~29日扬沙过程沙尘气溶胶辐射特性,并利用HYSPLIT-4模式分析了沙尘过程气溶胶粒子的后向轨迹。分析表明,此沙尘过程气溶胶粒子的传输路径主要有两条:一条起源于青海西北经西宁抵兰州,另一条起源于塔克拉玛干沙漠经河西走廊抵兰州;沙尘气溶胶主要集中于离地1.5 km高度层内;沙尘气溶胶消光系数随高度先增加,到0.2 km左右高度达到最大,然后急剧减小。沙尘气溶胶光学厚度的时间演变呈双峰型,最高峰出现在28日12:00,次高峰在27日22:00。验证表明由CE370-2得到的气溶胶光学厚度与CE-318得到的很接近;雷达观测资料的处理方法可以较好地反演气溶胶消光系数和光学厚度。

利用激光雷达资料分析兰州远郊气溶胶光学特性

利用2007年1～4月兰州大学半干旱气候与环境观测站激光雷达资料,反演了晴空无云典型日和沙尘过程大气气溶胶消光系数和光学厚度。结果表明,兰州远郊榆中地区,1km以下大气气溶胶消光系数较大,为0.01～0.1km-1;平均气溶胶光学厚度<0.5,光学厚度日变化呈双峰型,峰值分别出现在12:00和20:00。采暖期与非采暖期气溶胶光学厚度有显著差异。而对沙尘天气,6km以下气溶胶消光系数较大,为0.1～1km-1;气溶胶光学厚度>1,最强时可达3.5;沙尘强度较大时,激光雷达对气溶胶有效观测<2km,消光系数反演出现截断现象;沙尘气溶胶光学厚度与PM10地面浓度有良好的相关性;激光雷达反演的光学厚度与太阳光度计光学厚度的相关系数为0.86。

多模式集合对中国气温的模拟效果及未来30年中国气温变化预估

利用1961-1999年中国区域701个气象站气温观测资料,分析了20个全球气候模式(IPCCAR4)在中国区域地面气温的模拟能力;利用三因素统计方法,先确定各模式气温模拟的权重因子,最后对多模式做不等权重和等权重的集合模拟。在此基础上分析了A2,A1B,B1排放情景下未来时段(2011-2040年)中国区域的气温变化。结果表明:(1)全球模式对中国区域年平均气温的空间分布模拟较好,特别是在低纬地区及东部地区;但年平均气温演变趋势的模拟值较观测值偏差较大;(2)两种不同集合方法都可以模拟出中国区域的升温趋势,但不等权重集合效果略好于等权重集合;(3)2011-2040年,相对于1961-1990时段,多模式集合预估结果表明,3种温室气体排放情景下中国区域年平均气温的增幅均在1℃以上,其中华南地区的增幅最小,增幅<0.8℃,而西北和青藏高原南部地区增幅均在1℃以上。

兰州地区高云和气溶胶光学特性及其辐射效应

利用激光雷达探测分析了兰州上空的高云与气溶胶的光学参数,并用LOWTRAN7定量模拟出高云对气溶胶辐射特性的影响。结果表明,消光系数廓线与相对湿度廓线随高度的变化一致性较好,气溶胶层主要在2km以下,低层气溶胶和高云的消光系数和相对湿度较大。白天,高云的存在使云下气溶胶短波加热率减小。有云和无云时气溶胶加热率的差别在地表处最为明显,中午前后差别较大,最大为11:00的0.096K.h-1。夜间,高云的存在使云下气溶胶长波冷却率减小,在1000m以下有云和无云时气溶胶冷却率的差别小,在1000m以上差别大,最大差别出现在1500m处(02:00～04:00),为0.033K.h-1。