高原气象

高原气象

第40卷 第2期 2021-04-28   

论文

  • 青藏高原腹地多年冻土区活动层水热过程对气候变化的响应
  • 徐洪亮;常娟;郭林茂;孙文军
  • 2021 Vol. 40 (2): 229-243.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00071   
  • 摘要 ( ) PDF (3993KB) ( )
  • 活动层作为多年冻土与大气系统之间能量和水分交换通道， 其内部的水热状况是控制水循环和地表能量平衡的主要因素， 并直接影响着寒区生态环境、 水文过程以及多年冻土的稳定性。利用一维水热耦合模型CoupModel， 对青藏高原风火山试验点活动层土壤剖面温湿度进行了模拟。模拟效率参数表明模拟结果很好地反映了研究区多年冻土活动层水热状况。基于已验证的模型， 设置多种不同气候变化情形， 来分析活动层内部水热状况对全球气候变化的响应。研究结果表明： （1）土壤温度与气温呈正相关关系， 气温每升高1 ℃活动层平均增温约0.78 ℃， 但随着土壤深度增加， 增温幅度逐渐减小； （2）升温导致活动层土壤冻结和融化过程发生变化， 且对融化过程的影响明显大于冻结过程； （3）活动层各深度土壤含水量随气温升高而增大， 且增大幅度随土壤深度增加而不断增大； （4）在完全融化期， 降水量增加降低了浅层土壤温度， 升高了深层土壤温度， 而完全冻结期土壤温度均随降水量增加而升高； （5）降水量增加导致活动层含水量增加， 其中完全融化期土壤含水量变化最明显。因此， 气候暖湿化将对青藏高原多年冻土区活动层土壤温湿度及冻融循环过程产生较大影响， 可能不利于冻土发育。
  • NEX-GDDP和CMIP5对青藏高原地区近地面气 象场历史和未来模拟的评估与偏差校正
  • 陈说;叶涛;刘苇航;王爱慧
  • 2021 Vol. 40 (2): 257-271.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00019   
  • 摘要 ( ) PDF (13270KB) ( )
  • 青藏高原是全球变化研究的热点区域， 气候模式模拟是研究该区域气候变化的重要数据来源。本文使用基于中国地面台站的插值格点数据集（CN05.1）， 对国际气候耦合模式第5次比较计划（CMIP5）及其高分辨率统计降尺度数据集（NEX-GDDP）中15个模式1966 -2005年间的逐日最高/最低气温、 降水和平均风速在青藏高原区域的模拟能力进行了评估。使用多领域间影响模型比较计划（ISI-MIP）的偏差校正方法对上述数据进行了训练和验证， 并对未来时期模式数据进行了校正。研究表明： （1）训练时期（1986 -2005年）， NEX-GDDP高估了日最高气温（1.04 ℃）和日最低气温（0.23 ℃）， 低估了日降水量（-0.11 mm）， CMIP5低估了日平均风速（-0.11 m·s-1）。年/季平均值/总量和极端值存在较大偏差。（2）校正后， 验证时期（1966 -1985年）各变量逐日数据的相关系数提高（除气温外）， 均方根误差下降， 平均偏差幅度减小。各变量的年/季平均值/总量和极端值的偏差大幅减小。（3）对于未来时期（2006 -2095年）， 校正过程保留了原有数据年/季平均值/总量和极端值的变化趋势， 调整了各要素平均值/总量和极端值的基准值和空间分布特征， 以更准确地衔接历史时期的规律， 可为该地区未来气候变化及其影响研究提供重要参考。
  • 云南高原昆明市旱涝急转特征及其城市化响应研究
  • 何萍;王盼;李矜霄;刘树华
  • 2021 Vol. 40 (2): 272-280.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00018   
  • 摘要 ( ) PDF (3331KB) ( )
  • 基于昆明市1965 -2016年逐日降水资料， 计算昆明市汛期（5 -10月）的长周期旱涝急转指数、 短周期旱涝急转指数和旱涝急转强度， 采用小波分析、 M-K突变检验、 灰色关联度等方法， 分析了昆明市的旱涝急转特征及其与城市化的相关性。结果表明： 在1965 -2016年， 昆明市长周期旱涝急转指数LDFAI （Long-term drought-flood abrupt alternations index）呈-0.066·（10a）-1的下降趋势， 反映出昆明市的旱转涝事件减少、 涝转旱事件增多的状况， 并且昆明市汛期长周期旱涝急转指数LDFAI序列出现2个突变点， 但突变并不明显； 昆明市长周期旱涝急转指数存在18年的主周期变化； 从短周期旱涝急转指数SDFAI （Short-term drought-flood abrupt alternations index）来看， 昆明市5 -7月和8 -9月旱转涝事件增多、 涝转旱事件减少， 而7 -8月和9 -10月表现出相反的趋势； 从旱涝急转与城市化的相关性来看， 在分辨率为0.5时， 城市化指标的6个因子对旱涝急转产生不同程度的影响， 所有指标关联度都在0.6以上， 表明城市化指标与旱涝急转显著关联， 与旱涝急转强度关联度最大是烟粉尘排放量， 最小的是非农业经济总产值， 关联度分别为0.91和0.63。
  • 2000年以来中国区域植被变化及其对气候变化的响应
  • 赵倩倩;张京朋;赵天保;李建华
  • 2021 Vol. 40 (2): 292-301.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00025   
  • 摘要 ( ) PDF (7023KB) ( )
  • 气候是植被变化的主要驱动因子， 研究全球增暖背景下中国区域植被变化及其对气候的响应对于国家开展重大生态恢复评估和未来植被保护政策制定具有重要意义。利用2000 -2016年MODIS植被指数（Normalized Difference Vegetation Index， NDVI）数据集， 运用统计分析方法， 从平均态、 线性趋势、 时间序列、 相关性等方面系统分析了2000年以来中国区域植被变化及其对气候变化的响应。结果表明： 中国区域NDVI在平均态上呈现从东南向西北递减的空间分布， 受降水生长季的影响， 东部地区植被指数明显较大； 我国大部分地区NDVI呈现增加的趋势， 其中湿润半湿润地区NDVI增长幅度为0.037·（10a）-1， 而在干旱半干旱地区变化较小［0.013·（10a）-1］。NDVI的变化与气候驱动因素的相关性存在一定的区域差异， 其中： NDVI与气温变化在东南沿海、 东北东部以及青藏高原北部等地区呈现出显著正相关， 而在青藏高原南部等地区呈现微弱的负相关； 除青藏高原、 塔里木盆地和东北北部等地区外， NDVI与降水量在全国大多数地区呈正相关。从全国平均来看， 温度和降水变化对NDVI的贡献分别为7.5%和9.1%， 其中温度对NDVI变化的贡献主要体现在湿润半湿润地区（9.3%）， 而降水的贡献则在干旱半干旱地区（12.2%）。植被变化对气候要素驱动的响应也呈现出明显的区域差异性， 在我国东南沿海、 云贵高原东部、 四川盆地等南方地区以及黄河中下游、 东北东部等部分地区， NDVI变化对气温的敏感性最强； 而在中国北方干旱半干旱大部分地区， NDVI变化则是对降水驱动具有很显著的响应特征。总体而言， 气温是驱动南方地区植被变化的主导因子， 而降水则调控着北方地区植被生长变化。
  • 爬流和绕流对山地突发性暴雨的影响
  • 金妍;李国平
  • 2021 Vol. 40 (2): 314-323.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00041   
  • 摘要 ( ) PDF (7806KB) ( )
  • 利用ERA5再分析资料和融合降水数据， 针对2018年5月21 -22日发生在中国四川盆地西南部的一次山地突发性暴雨， 首先对其降水强度和天气概况进行相关分析， 并且通过绕流和爬流方程， 将流场分解为绕流和爬流分量， 重点探讨地形对于过山气流的影响及其对降水的作用。研究表明： 受欧亚中高纬低槽槽后西北气流引导冷空气南下和西南低涡东移的共同影响， 在四川盆地西南部山区发生了一次强降水过程。此次降水范围较广、 强度大并且降水时间集中， 是一次典型的山地突发性暴雨事件。由于地形的阻挡作用， 使得来自东北方向的气流发生旋转， 产生绕流运动， 在盆地内形成局地涡旋。同时盆地和盆周山地之间的地形高度差强迫过山气流产生爬流运动， 导致垂直上升运动加强。在绕流与爬流的共同作用下， 为此次突发性暴雨的发生发展提供了有利的流场条件。进一步分析得出地形区域内爬流分量略大于绕流分量， 即气流对于山地屏障的地形适应以爬流运动为主， 绕流运动次之， 地形爬流产生的垂直上升运动与雨带的分布密切相关。
  • 气候变化背景下陆地季风与非季风区极端降水特征对比
  • 何静;范广洲;张永莉;赖欣
  • 2021 Vol. 40 (2): 324-332.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00077   
  • 摘要 ( ) PDF (7115KB) ( )
  • 利用月平均地表气候要素数据集（CRU TS 4.02）的逐月降水和逐月日平均气温资料， 采用线性趋势分析、 滑动平均和相关分析等方法， 研究了1901 -2017年气候变化背景下全球陆地季风区与非季风区的极端降水特征。结果表明： 我国所处的亚洲季风区的极端降水频率分布较为稳定， 仅在变暖减缓时段出现大范围小值区； 非季风区在急剧加速变暖时段极端降水频率分布呈现两极化， 大范围的小值区与大值区共存， 而季风区不易出现这种情况。季风与非季风区极端降水频率均值变化基本趋于一致， 只在加速变暖时段有所不同。季风与非季风极端降水频率小值区格点数占比变化趋于一致， 仅在两个加速变暖时段有所区别， 而对于大值区， 除去1921 -1949年和1950 -1972年， 季风区大值区格点数占比均低于非季风区。季风与非季风区极端降水量的分布形式受气候变化影响相对较小， 但无论处于哪个冷暖时段， 季风区的极端降水量均远远高于非季风区。非季风区的极端降水频率与气温的相关性要好于季风区， 叠加温度趋势变化时， 中高纬度大部分地区呈正相关的关系， 去趋势后， 相关性减弱。
  • 不同初始场对一次西北地区暴雨影响的数值模拟研究
  • 韩子霏;隆霄;王思懿;魏倩;陈晓燕
  • 2021 Vol. 40 (2): 333-342.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00017   
  • 摘要 ( ) PDF (6884KB) ( )
  • 利用WRF3.8.1模式研究了GRAPES_GFS、 FNL和ERA-interim三种资料形成的不同初始场对2017年8月6 -7日西北地区一次暴雨过程模拟结果的影响。此次暴雨是由于南亚高压和高空急流的加强， 副热带高压西伸北抬， 偏东风低空急流和低空切变线的发生发展造成； 三种资料中只有GRAPES_GFS资料中可以分析出偏东风低空急流， 这可能是导致模拟的降水分布出现差异的主要影响系统。以三种资料作为初始场模拟的环流演变特征在中低层具有一定的差异， 500 hPa层GRAPES_GFS资料的模拟结果在甘肃中南部地区为一深槽， FNL资料的为一尺度较小的闭合低压， 而ERA-interim资料模拟的低值系统不明显； 三种资料均可以模拟出700 hPa偏东风低空急流和气旋式环流， 强度略有差异。三种资料形成的初始场模拟的降水分布特征方面差异明显， 从强降水中心位置和区域平均降水率变化特征来看， FNL资料形成的初始场模拟效果最好； 从TS评分等评估指标来看， GRAPES_GFS资料形成的初始场模拟效果最好， 但是20 mm量级以下空报率相对较大； ERA-interim资料的模拟效果最差。
  • 近58年华北地区初、 终霜日及无霜期变化特征分析
  • 焦文慧;张勃;马彬;崔艳强;邢立亭;王晓丹;黄浩
  • 2021 Vol. 40 (2): 343-352.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00085   
  • 摘要 ( ) PDF (5811KB) ( )
  • 基于华北地区90个气象站点1961 -2018年地面0 cm日最低温度和平均气温资料， 采用线性倾向估计、 反距离加权、 Mann-Kendall检验、 累积距平法， 研究了近58年华北地区初、 终霜日和无霜期的变化特征。结果表明： （1）在年际和年代际尺度上， 华北地区初、 终霜日和无霜期均分别呈显著推迟、 提前和延长的趋势， 从20世纪80年代开始， 趋势逐渐明显， 反映出气候的变暖趋势。（2）由北向南随纬度和海拔的降低， 初、 终霜日和无霜期分别呈推迟、 提前和延长的趋势， 平均气温上升速率越大越显著的站点， 其初、 终霜日和无霜期推迟、 提前和延长的速率也较显著； 山区初、 终霜日和无霜期分别比平原早、 晚和短。（3）初、 终霜日和无霜期突变分别发生在1986， 1995和1995年， 各区域初、 终霜日和无霜期均在20世纪80年代和90年代发生突变。（4）初、 终霜日和无霜期的等值线呈北移趋势。（5）初、 终霜日和无霜期在未来分别呈持续推迟、 持续提前和持续延长的趋势， 且三者的变化幅度为无霜期>终霜日>初霜日。
  • 秋季热带印度洋偶极子年际振荡对长江上游径流量多寡的影响分析
  • 庞轶舒;秦宁生;罗玉;王春学;周斌
  • 2021 Vol. 40 (2): 353-366.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00045   
  • 摘要 ( ) PDF (9191KB) ( )
  • 利用年际增量、 小波分析和回归分析等方法深入分析了秋季热带印度洋偶极子（Tropical Indian Ocean Dipole， TIOD）年际振荡对次年长江上游年径流量的影响特征及其物理机理。结果表明， 长江上游年径流量和秋季TIOD均具有显著的年际振荡特征， 在20世纪80年代以前和90年代之后尤为明显。两者的滞后相关系数为0.42， 通过了99.9%的显著性检验， 即秋季TIOD较前一年增强（减弱）， 有利于次年长江上游径流量较前一年偏多（少）。秋季TIOD对次年长江上游年径流量多寡的影响， 是通过调制降水， 尤其是夏季降水来实现的。当秋季TIOD增强时， 赤道印度洋海温呈东西“-+”分布， 其中偏暖区延伸至南北纬20°， 偏冷区与西太平洋的偏冷区相通。赤道印度洋至西太平洋上空激发出增强的Walker型环流， 中心位于印度洋正上方。随着时间的发展， 暖性Kelvin波产生并向东传播， 印度洋偏暖区以及冷暖海温差异中心东移。至次年夏季， 西印度洋暖海温中心移动至东印度洋边缘至南海区域， 偏冷海区东退至日界线附近。印度洋上空增强的Walker型环流消失， 高层转为偏东气流与105°E附近加强爬升的气流相连。与此同时， 105°E以东的Walker环流加强， 高层为西风， 400 hPa以下为深厚的东风区。高低空环流相互耦合并配合科氏力的影响， 赤道以北副热带地区负涡度增强， 西太平洋副热带高压偏大偏强， 异常反气旋北扩， 系统外围的西南气流加强南海和孟湾水汽的输送， 使得次年夏季长江上游全流域处于水汽辐合上升区， 降水显著偏多， 从而影响了长江上游年径流量的多寡。
  • 气溶胶对中国中纬度夏季低层风速的影响
  • 徐小红;余兴;朱延年;戴进;董自鹏
  • 2021 Vol. 40 (2): 367-373.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00037   
  • 摘要 ( ) PDF (3250KB) ( )
  • 利用中国中纬度133个气象站夏季14:00（北京时）气候观测资料和2002 -2018年MODIS夏季气溶胶光学厚度AOD（Aerosol Optical Depth）资料， 把气候资料按气溶胶变化的转折年分为两个时间序列（建站至2011年， 建站至2018年）， 通过对两个时间序列各站夏季风速、 温度、 海平面气压年变率和AOD的分布对比分析， 研究了气溶胶对低层风速变化的影响。结果表明： （1）青藏高原（下称高原）地区夏季AOD较小， 秦巴山区和平原地区AOD较大， 2002 -2011年AOD呈逐年增大趋势， 而2002 -2018年变为减小趋势， 反映出我国2012年后环境治理成效。（2）2011年以前， 高原和秦巴山区西部夏季以增温为主， 而秦巴山区东部和内陆平原以降温为主， 114°E附近降温最明显； 与建站至2018年时间序列对比， 在AOD减小的同时， 降温和增压幅度都有所减小， 反映出温度和气压变化对气溶胶的响应关系。（3）夏季风速普遍呈减小趋势， 内陆平原减小幅度最大， 年变率为-0.06~-0.02 m·s-1。结合气溶胶分析发现， 风速年变率与AOD分布呈反位相关系。通过两个时间序列的对比， 随AOD均值下降， 对应风速减小程度有所缓解， 反映了风速对气溶胶变化的敏感性。
  • 小兴安岭近地层湍流能谱特征
  • 孙鹏飞;范广洲;曲哲;刘星光;王寅钧;袁潮
  • 2021 Vol. 40 (2): 374-383.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00099   
  • 摘要 ( ) PDF (2727KB) ( )
  • 利用小兴安岭南麓五营地区涡动相关系统的观测资料， 分析不同大气稳定度条件的湍流速度谱、 温度谱、 湿度谱、 协谱及局地各向同性特征。结果表明： 三维速度（u、 v、 w）谱和垂直速度（w）与水平纵向速度（u）、 温度（θ）的协谱（uw、 θw）的谱峰均随稳定度的增加而向高频端移动。湍流速度（u、 v、 w）谱、 温度（θ）谱和湿度（q）谱在惯性副区均满足-2/3定律。uw协谱、 θw协谱和垂直速度（w）与湿度（q）的协谱（qw）在惯性副区并不完全遵循-4/3定律， 尤其是uw协谱的拟合斜率更接近-1。水平方向湍流谱峰波长范围为130~1820 m， 垂直范围为49~113 m。温度谱谱峰波长范围为149~260 m， 湿度谱谱峰波长范围为198~455 m。uw协谱谱峰波长范围为228~455 m， θw协谱谱峰波长范围为172~260 m， qw协谱谱峰波长范围为172~346 m。v谱在惯性副区基本满足局地各向同性， w谱在惯性副区不满足局地各向同性， 可能与森林下垫面对垂直方向湍流大涡的破碎作用有关。
  • 2019年7月3日开原龙卷形成环境背景及机理探究
  • 袁潮;王式功;马湘宜;杨磊;陈丽楠
  • 2021 Vol. 40 (2): 384-393.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00061   
  • 摘要 ( ) PDF (6826KB) ( )
  • 利用高时空分辨率多源观测资料对2019年7月3日辽宁省开原市一次EF4级超强龙卷过程进行分析。结果表明： （1）此次龙卷过程发生在高空东北冷涡西南侧的天气背景之下， 低层次天气尺度横槽抬升作用是减小对流抑制的关键机制， 起源于干线的地面辐合线与雷暴下沉出流所产生的中尺度伪冷锋相遇是龙卷风暴的触发机制。（2）超低空急流、 高空干空气平流以及午后地面太阳辐射加热共同作用是造成局地热力和动力不稳定迅速增大的原因， 较大的对流有效位能、 低层湿度、 垂直风切变及风暴相对螺旋度为龙卷母云的生成提供了有利的环境条件。（3）多普勒雷达呈现出经典超级单体龙卷特征， 钩状回波位于超级单体右后侧， 龙卷生成于钩状回波边缘。径向速度场显示气旋式旋转首先出现在低层， 龙卷的加强发展伴随低层中气旋和明显的相邻方位角切变。雷达反射率三维立体图像可见龙卷中心上方存在强回波的凹陷区。（4） 超低空急流加强低层水平涡度输送， 两条辐合线相遇形成的中尺度气旋性环流为龙卷提供初始的垂直涡度来源， 在上升气流的拉伸作用下， 垂直涡度收缩助力龙卷形成。
  • 基于卷积门控循环单元神经网络的临近预报方法研究
  • 陈训来;刘军;郑群峰;李旭涛;刘佳;姬喜洋;陈元昭;叶允明
  • 2021 Vol. 40 (2): 411-423.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00023   
  • 摘要 ( ) PDF (12357KB) ( )
  • 基于天气雷达资料的外推预报是灾害天气0~2 h临近预报基础， 本文以业务应用为目标， 应用广东省2015 -2018年11部新一代多普勒雷达反射率拼图资料， 研究了基于卷积门控循环单元神经网络ConvGRU的临近预报方法， 采用多损失函数加权与分级加权的策略， 基于ConvGRU框架建立三层自编码模型（Encoder-Decoder）的雷达回波临近预测模型， 进行未来2 h逐6 min、 连续20帧雷达回波图的预测， 并与业务上已经应用的交叉相关法、 光流法和粒子滤波法的临近预报结果对比， 进行典型个例分析和长时间检验。结果表明， 基于ConvGRU方法对强对流天气具有较好的预报效果， 对雷达回波位置、 强度和形状与实况更接近， 表明深度学习方法通过对时间序列数据的学习， 能较好地把握强回波区域的特征， 在一定程度上能够相对比较准确地预报较强回波范围， 但该方法预报雷达回波图像存在损失空间细节信息的局限， 且对层状云降水的预报效果较差； ConvGRU方法的临界成功指数（CSI）和命中率（POD）评分高于传统的交叉相关法、 光流法和粒子滤波法， 且虚警率（FAR）评分为最小， 在业务中具有广泛的应用前景。
  • 敦煌莫高窟大气颗粒物中水溶性离子变化及来源解析
  • 杨小菊;武发思;徐瑞红;贺东鹏;张国彬;康世昌;李潮流;汪万福
  • 2021 Vol. 40 (2): 436-447.  DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00033   
  • 摘要 ( ) PDF (5600KB) ( )
  • 为探明莫高窟大气颗粒物污染特征， 采集了2014年4 -12月第16窟及72窟外环境中大气颗粒物PM2.5和PM10~2.5样品， 对比分析了样品中水溶性离子变化及影响因素， 通过主成分分析法解析了其主要来源。结果表明： （1）窟区主风向为南风， 起沙风频率仅为0.01%， 不利于污染物的扩散； （2）窟外PM2.5和PM10~2.5、 窟内PM2.5和PM10~2.5中水溶性离子总浓度分别为6.1±4.0 μg·m-3、 12.2±9.1 μg·m-3、 3.7±0.8 μg·m-3和7.5±1.6 μg·m-3， SO42-、 Ca2+、 NO3-、 Na+及Cl-是主要组成， SO42-、 NO3-和Ca2+之和在窟外和窟内PM2.5和PM10~2.5中占总离子比例分别为79.24%， 76.81%， 80.61%及77.74%， 二次离子主要来自固定污染源； （3）PM2.5与PM10~2.5中各离子浓度的比值在窟外、 内分别为0.33~0.88、 0.25~0.94， 9种水溶性离子在不同粒径粒子中富集程度有所差异， 3 -5月的沙尘、 7 -9月的降雨、 11月农村农作物秸秆燃烧及冬季取暖燃煤等对水溶性离子都有一定影响， 窟内PM2.5中游客数量与NH4+和NO3-有一定的相关性（R2=0.27、 0.35）、 PM10~2.5中游客数量与NH4+有一定的相关性（R2=0.31）； （4）沙尘天气下窟外和窟内的PM2.5与PM10-2.5中Cl-、 SO42-、 Na+、 K+和Ca2+ 的浓度增加， 窟区微环境主要受区域环境气象因素影响， 建议极端沙尘天气关闭洞窟； （5）莫高窟大气环境呈碱性； （6）PM2.5和PM10~2.5主要来源于当地秸秆燃烧、 二次污染源、 土壤沙尘及干涸的大泉河。

综述

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