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云和降水扰动对黄土高原半干旱草地辐射收支及能量分配的影响

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物理学报 2013年第20期62卷 553-566页

作者：岳平张强赵文王劲松王润元姚玉壁王胜郝小翠阳伏林王若安中国气象局兰州干旱气象研究所甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室兰州730020

地表辐射收支和能量分配对陆-气系统的反馈是气候模式中最重要的物理过程之一.认识半干旱地区云和降水的扰动对辐射收支和能量分配的影响规律,是提高数值模式中评估地表辐射收支和能量平衡参数化效果的关键环节.利用兰州大学半干旱气候... 详细信息

地表辐射收支和能量分配对陆-气系统的反馈是气候模式中最重要的物理过程之一.认识半干旱地区云和降水的扰动对辐射收支和能量分配的影响规律,是提高数值模式中评估地表辐射收支和能量平衡参数化效果的关键环节.利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2008年的观测资料,研究了云和降水的扰动对辐射收支各分量的削弱作用及对地表能量平衡的影响规律.年平均结果表明,多云状况可以作为年平均的气候背景;云和降水对短波辐射削弱最强,大气向下长波辐射随天空云量的增加而增强,地表向上长波辐射随着云量的增加而减小,净辐射占总辐射的比率受云和降水的影响较小.季节平均结果显示,短波辐射日积分量在生长季和非生长季均随云量的增加而降低,生长季云和降水对短波辐射的削弱作用明显强于非生长季.生长季,晴天、少云和多云时向上长波辐射差异不大,阴天时向下和向上长波辐射明显减小.非生长季,地表向上长波辐射受云和降水的影响较小,日积分量变化不大,向下长波辐射随云量的增多而增强.地表反照率具有明显的日变化和季节变化,冬季大,秋季小;地表反照率日变化呈不对称的"V"形分布.生长季,感热通量和土壤热通量随云量增多而减小;潜热通量在晴天、少云和多云状况下随云量增多而增大;阴天时受降水影响,净辐射的严重削弱导致了潜热通量大大降低.非生长季,少云时净辐射日积分量最大,晴天时的净辐射与多云和阴天状况接近;感热和潜热通量随云量的增多而减小,土壤热通量日平均积分值在非生长季为负.生长季,多云状况的能量闭合度最好,能量不平衡差额占净辐射的3.9%;阴天时最差,不平衡差额占净辐射的16.8%;晴天和少云状况不平衡差额约占净辐射量的7%.非生长季受积雪影响,能量不闭合差额明显大于生长季.

关键词：半干旱草地云和降水的扰动辐射收支能量平衡

黄土高原中部秋季干湿的年际和年代际环流异常特征及与海温的多尺度相关性研究

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物理学报 2013年第21期62卷 527-541页

作者：刘晓云王劲松李栋梁岳平李耀辉姚玉璧中国气象局兰州干旱气象研究所甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室兰州730020

黄土高原地区作为气候敏感区和生态脆弱区地表干湿状况的年际和年代际变化特征十分明显.但以往主要是针对夏季进行分析,而对黄土高原秋季干湿变化规律及大气环流机理的认识非常有限.本文基于中国589站最近50 a(1961—2010年)月降水和气... 详细信息

黄土高原地区作为气候敏感区和生态脆弱区地表干湿状况的年际和年代际变化特征十分明显.但以往主要是针对夏季进行分析,而对黄土高原秋季干湿变化规律及大气环流机理的认识非常有限.本文基于中国589站最近50 a(1961—2010年)月降水和气温月平均资料、NCEP/NCAR提供的再分析资料以及NOAA提供的海表温度(Sea Surface Temperature,SST)资料,运用带通/低通滤波、小波分析、EOF/REOF和回归分析等方法,在对中国秋季干湿时空演化分类的基础上,通过研究秋季黄土高原中部干湿演变周期、大气环流特征及与海温的多尺度相关关系,以揭示影响黄土高原中部秋季干湿变化的物理机理,并确定影响该区域干湿状况的前兆信号.小波功率谱分析表明,黄土高原中部秋季干湿指数存在准4 a和准8 a的周期,1970—1990年准8 a尺度周期振荡尤为明显.年际(周期8 a)尺度上偏湿年的大气环流特征是,欧亚大陆中高纬呈"双阻型",200 hPa西风急流显著北移,日本海-鄂霍茨克海受反气旋控制,其底部的偏东水汽输送带将水汽输入研究区.年代际(周期>8 a)尺度上偏湿年的大气环流特征是,东亚大陆为一致的低值系统;200 hPa东亚副热带西风急流减弱北移,研究区主要水汽来源由经孟加拉湾在中南半岛转向的南风水汽输送及中纬度的西风水汽输送组成.整个序列上,Nino3区SST指数(Nino3I)超前5个月与秋季干湿指数已呈显著的负相关关系,而孟加拉湾—中国南海SST指数(BayI)则超前3个月与干湿指数呈现显著的负相关关系.年际尺度上,秋季Nino3I,BayI均与秋季干湿指数存在显著相关(准4 a,4—6 a),而年代际尺度上,只有BayI与秋季干湿指数存在显著相关性(准10 a).黄土高原中部秋季干湿的年际和年代际周期的确定、大气环流异常特征的认识及与海温的多尺度相关关系的建立,不仅揭示了影响该区域干湿变化的物理机理,也为干旱气候预测提供了重要的前兆信号.

关键词：黄土高原中部干湿特征海表温度小波分析

基于模式识别的半干旱区雨养春小麦干旱发生状况判别

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农业工程学报 2014年第24期30卷 124-132页

作者：赵福年王润元中国气象局兰州干旱气象研究所甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室兰州730020

为准确判断作物生长发育过程中农业干旱的发生状况,并预估作物产量,该研究以半干旱区1986-2011年生育期气象和产量资料为基础,分析雨养春小麦产量形成所受因素,以产量变动状况作为春小麦干旱和正常年景的判断标准。采用模式识别法,迭代... 详细信息

为准确判断作物生长发育过程中农业干旱的发生状况,并预估作物产量,该研究以半干旱区1986-2011年生育期气象和产量资料为基础,分析雨养春小麦产量形成所受因素,以产量变动状况作为春小麦干旱和正常年景的判断标准。采用模式识别法,迭代求解建立可预测春小麦年景的线性分类方程,对半干旱雨养区农业干旱的发生状况进行判定。研究结果表明:半干旱雨养区春小麦产量形成受诸多因素影响。若不剔除其他因素的影响,仅以气象要素为基础无法建立判别方程,从而难以定量判断春小麦生育期农业干旱的发生状况。但在剔除播前50 cm层次土壤相对含水率大于55%的年份后,以主要生育期平均温度和降水量能够建立判别方程预测春小麦年景,从而可以对春小麦生长发育过程中的农业干旱发生状况进行定量分析。同时,5月份降水量对春小麦生长发育具有非常重要的作用,在播前50 cm层次土壤相对含水率小于55%时,只用5月份降水量一个气象要素即可较为准确地模拟估测春小麦产出。该研究可为干旱致害机理的进一步深入探讨提供参考依据。

关键词：农作物干旱模式识别农业干旱降水量平均温度产量

半干旱草原下垫面动量和感热总体输送系数参数化关系研究

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物理学报 2013年第9期62卷 519-527页

作者：岳平张强李耀辉王润元王胜孙旭映中国气象局兰州干旱气象研究所甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室兰州730020 张掖国家气候观象台张掖734000

本文利用锡林郭勒草原2008年春季近地层涡旋相关系统和铁塔的风、温平均梯度观测资料,分析了总体输送系数随梯度Richardson数的变化特征,建立了动量总体输送系数随大气稳定度、近地层风速以及感热总体输送系数随大气稳定度和近地层气温... 详细信息

本文利用锡林郭勒草原2008年春季近地层涡旋相关系统和铁塔的风、温平均梯度观测资料,分析了总体输送系数随梯度Richardson数的变化特征,建立了动量总体输送系数随大气稳定度、近地层风速以及感热总体输送系数随大气稳定度和近地层气温的关系.中性条件下,半干旱草原植被下垫面动量总体输送系数与近地层大气动力状态之间存在明显的相互作用,总体输送系数与近地面层风速之间满足二次曲线拟合关系;风速较小时,大气动力特征对地表粗糙度长度的改变不是很明显,动量总体输送系数随气流增强而增大;而当风速较大时,强风速会使植被高度发生改变,动量总体输送系数随气流增强而减小.另外,感热总体输送系数与近地层气温之间也存在二次曲线关系.动量总体输送系数与近地层风速之间的关系、感热总体输送系数与近地层气温之间关系的建立为总体输送系数参数化提供了重要途径,同时该方案避免了对动力学粗糙度长度和热力学粗糙度长度的求解.

关键词：总体输送系数参数化湍流通量相似性函数

黄土高原地表能量平衡分量年际变化及其对气候波动的响应

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物理学报 2014年第11期63卷 424-434页

作者：夏露张强兰州I大学大气科学学院兰州730000 中国气象局兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室兰州730020 甘肃省气象局兰州730020

本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL站)2006—2012年陆面过程观测资料和榆中站气象资料,分析了7年间榆中气温降水的气候变化背景,讨论了陆面地表能量平衡分量的年际变化,研究了波文比、能量闭合度的年际波动,探讨了地表能量... 详细信息

本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL站)2006—2012年陆面过程观测资料和榆中站气象资料,分析了7年间榆中气温降水的气候变化背景,讨论了陆面地表能量平衡分量的年际变化,研究了波文比、能量闭合度的年际波动,探讨了地表能量平衡分量以及各陆面过程参数对黄土高原气温、降水年际波动的反馈.结果显示,地表各能量分量都对气候背景的波动做出响应,但敏感性各有不同,净辐射与气温相关性最强,感热潜热与降水相关性较好.分为冬夏半年讨论后得出,冬半年地表平衡分量与气候波动的相关性更好.冬半年中,各分量又与气温有着较高的相关,可见该地区地表能量各分量对冬半年气温波动的响应更为敏感.波文比的上升趋势与该地区降水量减少的背景响应,说明干旱程度的加深.能量闭合度的波动变化显示了在气候变化的背景下该地区陆面能量不闭合程度的加深.

关键词：能量平衡分量气候波动气候响应

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我国北方不同类型下垫面地表反照率特征

物理学报 2014年第8期63卷 462-470页

作者：姚彤张强中国气象局兰州干旱气象研究所甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室兰州730020 兰州大学大气科学学院兰州730000 甘肃省气象局兰州730020

地表反照率反映了地面对太阳辐射的反射能力,在地表能量平衡中起着非常重要的作用,本文利用"中国北方协同观测"的资料,分析了不同下垫面10个站点7-9月的反照率变化特征和对降水的响应,并讨论了榆中、通榆草地、通榆农田、密云、玛曲和... 详细信息

地表反照率反映了地面对太阳辐射的反射能力,在地表能量平衡中起着非常重要的作用,本文利用"中国北方协同观测"的资料,分析了不同下垫面10个站点7-9月的反照率变化特征和对降水的响应,并讨论了榆中、通榆草地、通榆农田、密云、玛曲和锦州站地表反照率与太阳高度角和土壤湿度的关系,结果表明:反照率的相对关系是东北干旱草甸>西北高寒草甸>西北绿洲农田>黄土高原自然植被>东北半干旱草甸>东北农田>东北果林,并且反照率基本上和降水对应,降水量大的站点反照率小,降水量小的站点反照率大,反照率的日变化曲线分为早晚对称型,早上比较大、中午下午比较小和晚上最大、早上最小的不对称型三种,选取的6个观测站反照率的谷值一般出现在降水日,峰值一般出现在没有降水、太阳辐射比较强的日子,地表反照率随着太阳高度角的增大而减小,当太阳高度角大于40°时,地表反照率基本不变,榆中和通榆农田地表反照率随着土壤湿度增大减小较明显,其次是通榆草地,玛曲、密云和锦州地表反照率随着土壤湿度变化不明显。

关键词：中国北方地表反照率太阳高度角土壤湿度

垂直平流输送和土壤热储存补偿对黄土高原地表能量平衡的修正

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中国科学：地球科学 2012年第4期42卷 42-51页

作者：张强李宏宇赵建华中国气象局兰州干旱气象研究所甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室兰州730020 甘肃省气象局兰州730020 兰州大学大气科学学院兰州730000

目前对复杂下垫面地表能量平衡问题的认识仍然比较有限.本文利用黄土高原陆面过程观测试验(LOPEX)资料,在分析黄土高原沟壑梁峁地形地表能量不平衡差额变化特征基础上,估算了近地层大气垂直感热平流输送量和浅层土壤热储存量的大小,研... 详细信息

目前对复杂下垫面地表能量平衡问题的认识仍然比较有限.本文利用黄土高原陆面过程观测试验(LOPEX)资料,在分析黄土高原沟壑梁峁地形地表能量不平衡差额变化特征基础上,估算了近地层大气垂直感热平流输送量和浅层土壤热储存量的大小,研究了土壤热储存项和近地层大气垂直感热平流输送项对地表能量不平衡的影响,讨论了近地层垂直速度和温度梯度对垂直感热平流输送的影响机制.研究发现,近地层垂直速度为垂直感热平流提供了必要的动力条件,较强的近地层垂直温度梯度提供了产生垂直感热平流的能量基础;尤其在上升运动时,垂直感热平流对地表能量平衡的贡献更加明显;在地表能量平衡方程中引入土壤热储存项和垂直感热平流输送项后,地表能量不平衡差额平均日峰值由125.1Wm-2降低到41.5Wm-2,日平均地表能量不平衡差额由59.0Wm-2减少到26.4Wm-2,地表能量闭合度由0.78提高到0.94,地表能量平衡的程度大大提高.

关键词：地表能量不平衡黄土高原垂直感热平流土壤热储存垂直速度温度梯度

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陇中黄土高原自然植被下垫面陆面过程及其参数对降水波动的气候响应

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物理学报 2013年第1期62卷 514-524页

作者：张强李宏宇张立阳岳平史晋森中国气象局兰州干旱气象研究所甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室兰州730020 甘肃省气象局兰州730020 兰州大学大气科学学院兰州730000

作为气候敏感区和生态脆弱区,黄土高原地区的陆面物理过程受气候波动影响十分明显.目前,虽然对黄土高原特定气候条件下的陆面物理过程有了一定认识,但对其随气候波动的动态变化规律认识却非常有限.本文利用黄土高原陆面过程观测试验在... 详细信息

作为气候敏感区和生态脆弱区,黄土高原地区的陆面物理过程受气候波动影响十分明显.目前,虽然对黄土高原特定气候条件下的陆面物理过程有了一定认识,但对其随气候波动的动态变化规律认识却非常有限.本文利用黄土高原陆面过程观测试验在陇中黄土高原榆中SACOL站5年多的观测资料,系统分析了该地区自然植被下垫面陆面水分收支和能量平衡及地表反照率、土壤热传导率和粗糙度长度等陆面过程参数对气候波动的响应规律,发现陇中黄土高原自然植被下垫面的陆面过程特征及其参数对降水的气候波动十分敏感,不仅对降水量波动响应显著,而且与降水性质也密切相关.土壤湿度并不完全随年总降水量波动,而是随有效降水量增加而增大;陆面水分收支和土壤水分收支也随有效降水量波动变化明显;近地层垂直感热平流通量随年总降水量增加而减弱,地表能量不平衡差额却随年总降水量增加而增大.夏半年平均反照率随有效降水量增加而减小,但全年平均地表反照率却受冬季积雪时数影响十分明显,而且随积雪时数增加而增大;土壤热传导率和粗糙度长度均随年有效降水量增加而增加.并且,降水量越小,陆面过程参数对降水波动的响应就越敏感.不过,陆面过程参数基本在荒漠气候平均值和农田气候平均值之间波动,并没有突破气候约束,能够用拟合关系来表示它们对降水因子波动的响应规律,这种动态参数化关系可用来改善以往数值模拟或微气象分析时由于使用非动态陆面过程参数所带来的误差.

关键词：降水波动陇中黄土高原陆面物理过程气候响应

2022年长江流域重大干旱发展过程中西太平洋副热带高压的多维度异常特征

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科学通报 2024年第15期69卷 2081-2092页

作者：段欣妤张强张良马鹏里方锋杨金虎朱飙中国气象局兰州干旱气象研究所甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室兰州730020 甘肃省气象局兰州730020 兰州区域气候中心兰州730020

2022年长江流域发生了罕见的夏秋冬连旱.此次干旱是伏秋季降水异常偏少和气温异常偏高叠加形成的复合型干旱,与冬季干旱连在一起的超长事件;其中8月全流域的高温干旱异常特征最为显著.以往关于西太平洋副热带高压(简称西太副高)的异常... 详细信息

2022年长江流域发生了罕见的夏秋冬连旱.此次干旱是伏秋季降水异常偏少和气温异常偏高叠加形成的复合型干旱,与冬季干旱连在一起的超长事件;其中8月全流域的高温干旱异常特征最为显著.以往关于西太平洋副热带高压(简称西太副高)的异常变化对长江流域高温热浪和干旱的影响的相关研究主要侧重于纬向异常这种单一维度的异常,而较少关注其经向、厚度、面积、持续时间的多个维度异常;且单一维度的异常不足以刻画其作为主控环流因子对极端高温干旱事件的影响.为了揭示西太副高的多维度异常特征对此次长江流域重大干旱的影响,本文重点分析了干旱发展过程中西太副高的多个维度异常特征.结果表明,在整个干旱发展过程中,8月西太副高在500 hPa上纬向偏西异常最为显著,无明显的经向异常.覆盖长江流域的面积为历年同期最大.在垂直方向上自低层往高层不断西伸;400~200 h Pa上西太副高与南亚高压位置相互联通,以高压坝的形式覆盖长江流域,西太副高的厚度异常深厚.通过与历史同期8月不同程度干旱年份进行对比分析,结果发现,只有当西太副高的空间异常持续维持,才能造成流域严重的高温干旱.

关键词： 2022年长江流域重大干旱西太平洋副热带高压多维度异常特征