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土壤冻融过程中的水热参数化方案研究进展

高原气象 2025年第1期44卷 1-15页

作者：侯雅李伟平左金清中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 中国气象局地球系统数值预报中心北京100081 中国气象局气候预测研究重点开放实验室/国家气候中心北京100081

冻土是陆地冰冻圈的重要组成部分,其冻融循环变化能够影响土壤结构、土壤水热传输以及土壤生物化学等过程,并通过陆-气相互作用影响局地甚至全球天气气候。因此,研究土壤冻融过程对冻土区人类生产生活和了解区域外天气气候变化具有重要... 详细信息

冻土是陆地冰冻圈的重要组成部分,其冻融循环变化能够影响土壤结构、土壤水热传输以及土壤生物化学等过程,并通过陆-气相互作用影响局地甚至全球天气气候。因此,研究土壤冻融过程对冻土区人类生产生活和了解区域外天气气候变化具有重要的科学意义。本文回顾了土壤中的砾石、有机质对土壤冻融过程的影响及物理机制,总结了土壤冻融过程中水热参数化的相关研究成果,包括土壤导热率和水力学参数的计算、水热耦合方案以及冻融锋面计算方案等。相对于普通的矿物质土粒而言,砾石具有高导热率和低热容,有机质具有低导热率和高热容,他们对热量在土壤中的传输及土壤温度垂直分布有不同的影响。另外,砾石和有机质的存在改变了土壤孔隙度、土壤基质毛细作用与吸附作用,进而影响水分在土壤中的传输过程和垂直分布。已有研究表明:(1)当前大部分数值模式中土壤导热率采用Johansen方案及其派生方案进行计算,其中Balland-Arp方案考虑了砾石和有机质对土壤导热率的影响,该方案更好地刻画了土壤冻融过程中土壤导热率变化的连续性;综合考虑热-水-变形相互作用的导热率参数化方案可以较好地刻画土壤冻融过程中的水热耦合和土体冻胀的作用,对相变过程中土壤导热率变化特征的模拟更符合实际观测。(2)过冷水参数化方案刻画了土壤液态水在0℃以下存在的事实;相变温度方案描述了土壤相变温度低于0℃且不固定的事实;导水阻抗方案考虑了土壤冻结对土壤水分下渗的阻抗作用,改善了对冻土区水文过程的模拟效果。(3)土壤冻融过程伴随着水分的相变和能量的转化,水热耦合方案的发展能够较好地刻画土壤中热力-水文过程的协同变化特征,细化了对冻融过程中水分和能量相互作用的复杂物理机制的描述。(4)等温框架的数值模式通过模拟每层土壤中间深度的冻融过程代表该模式分层的整体特征,导致对冻融深度的严重高估或低估,尤其是对厚度较大的模式深层土壤,冻融锋面计算方案的提出和应用减小了这种模拟偏差。目前土壤冻融参数化方案的不足之处包括:绝大多数数值模式没有考虑土壤盐分导致土壤水的冰点降低这一事实;虽然大部分数值模式考虑了土壤有机质对土壤水、热传输的影响,但是模式中对土壤有机质含量及垂直分布的考虑与植被根系的生长状态脱节;模式模拟的土壤深度不足并且下边界通量为零的假定不符合实际情况。发展土壤溶质传输参数化方案以模拟盐分的分布、刻画植被根系生长过程和土壤有机质的分布特征、考虑深层土壤对浅层的热力学影响并完善数值模式中的下边界条件,这些是未来陆面模式改进土壤冻融过程模拟的可能方向。

关键词：土壤冻融过程参数化方案土壤导热率土壤水文参数冻融锋水热耦合

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前期东北大西洋-地中海西部海温异常影响河南省干热风的可能途径

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高原气象 2025年第1期44卷 150-162页

作者：竹磊磊苏晓乐潘攀吴璐杨婷中国气象局•河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室河南郑州450003 河南省气候中心河南郑州450003

河南省是中国冬小麦的主产区,也是较易受干热风影响的地区。目前对干热风的研究和预报多在天气尺度,从气候的角度研究干热风是否具有可预报性,具有非常重要的意义。本文基于河南省干热风资料、NCEP/NCAR再分析资料和哈得莱环流中心海温... 详细信息

河南省是中国冬小麦的主产区,也是较易受干热风影响的地区。目前对干热风的研究和预报多在天气尺度,从气候的角度研究干热风是否具有可预报性,具有非常重要的意义。本文基于河南省干热风资料、NCEP/NCAR再分析资料和哈得莱环流中心海温资料,分析了1980-2022年前期海温异常与河南省干热风日数的关系,及其可能影响途径。结果表明:(1)豫北、豫西北和豫中多年平均干热风日数较多,其他地区则相对较少。日干热风出现的概率由南向北、由5月下旬至6月上旬逐渐增加。全省平均干热风日数有显著增加趋势。(2)河南省干热风日数与当年3-4月东北大西洋-地中海西部(关键区)海温在年代际和年际尺度上均存在着密切相关,两者与干热风发生时段500 hPa高度场在去趋势前和去趋势后的显著正相关区在东亚中纬度地区位于新疆北部至贝加尔湖尔湖北部,显著负相关区位于我国东北至日本群岛附近,与850 hPa风场在去趋势前和去趋势后的相关在上述正、负显著相关区分别呈反气旋和气旋分布,气旋后部呈偏北风的显著相关,即3-4月关键区高海温年,出现的蒙古高压脊和东亚大槽造成了河南省的干热风天气。海温与环流场的相关在去趋势前和去趋势后在中纬度地区呈现出一个更明显的由东北大西洋经欧亚大陆至东北亚的纬向遥相关波列。(3)西太平洋副热带高压(以下简称副高)偏南(北)时,干热风日数易偏多(少),而3-4月关键区高(低)海温则可以导致副高偏南(北)。(4)干热风偏多年和偏少年、3-4月关键区高海温年和低海温的干热风发生时段30°N-55°N经向平均的涡度差值,及高、低海温年的干热风发生时段500 hPa准地转流函数距平和波作用通量均显示在中纬度地区存在自东北大西洋至东北亚的纬向波列。也即表明,3-4月关键区海温可以激发出一个后期干热风发生时段的类似波列,经欧亚大陆传至东北亚,而高海温年在东亚中纬度地区的环流分布造成了河南省的干热风天气。

关键词：干热风东北大西洋地中海西部海温遥相关波列

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西南地区森林NEP时空演变特征及其驱动因素研究

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生态学报 2025年

作者：曹云陈紫璇莫建飞孙应龙延昊国家气象中心中国气象局水文气象重点开放实验室广西壮族自治区气象科学研究所

作为我国第二大林区，西南林区生态环境脆弱、气候变化敏感，特别是近年来受气候、环境等因素影响，林区固碳功能已出现变化，引起了广泛关注。因此，在气候变化背景下开展西南林区固碳能力的时空动态演变及其驱动影响研究具有重要意义... 详细信息

作为我国第二大林区，西南林区生态环境脆弱、气候变化敏感，特别是近年来受气候、环境等因素影响，林区固碳功能已出现变化，引起了广泛关注。因此，在气候变化背景下开展西南林区固碳能力的时空动态演变及其驱动影响研究具有重要意义。采用陆地生态系统碳通量模型和土壤呼吸模型，结合气象和遥感资料，对2001—2021年西南林区净生态系统生产力（Net Ecosystem Productivity,NEP）进行评估。采用Theil-Sen趋势分析、Mann-Kendall趋势检验和Hurst指数，分析西南林区NEP变化的趋势特征与可持续性特征；基于偏相关性分析和地理探测器模型等方法，定量评估气温、降水、坡向坡度等气候环境因子对森林NEP的影响程度。结果表明：（1）西南林区多年平均NEP为333.8 g C m-2a-1(3.338 t C hm-2a-1)，总体表现为碳汇，且2001—2021年林区NEP呈现波动增长趋势，平均每年增加3.9 g C m-2a-1(0.039 t C hm-2a-1)。其中，NEP达到显著增加趋势的面积，占林区总面积的33.2%，主要分布在四川北部、云南西南部等地。落叶阔叶林和贵州林区NEP增加趋势最大，平均每年分别增加4.5 g C m-2a-1(0.045 t C hm-2a-1)和5.9 g C m-2a-1(0.059 t C hm-2a-1)。（2）从变化持续性看，大部林区NEP的Hurst指数小于0.5，表明NEP未来变化趋势与过去相反，林区NEP未来可能呈下降趋势，其中NEP由增加趋势变为减少趋势的林区面积占比达到64.6%。但是依然有30.5%林区NEP未来变化呈增加趋势，其中云南林区分布最多（57.1%）、四川次之（36.2%）。（3）从时间尺度的影响分析来看，近20年西南大部林区NEP与降水具有负相关性、与蒸散和气温具有正相关性，其中蒸散是影响林区NEP的第一关键气候因子，影响面积占比67.2%，降水影响范围次之（21.3%），气温影响范围第三（6.1%）。但是关键气候因子在不同森林类型间存在一定差异，其中降水是影响贵州灌丛和常绿阔叶林NEP的第一关键气候因子，而气温是影响贵州针叶林NEP的第一关键气候因子。（4）从空间分布的影响分析来看，气候环境因素对固碳功能的影响较为复杂，其中气温、辐射、高程是对西南林区NEP空间分异解释力最强的前三个因子。但是在贵州和重庆林区，各因子对NEP解释力均明显偏弱（q值气候环境因素对林区NEP空间分布驱动机制更为复杂。此外，各因子间对林区NEP空间分布变化存在交互作用，分别属于双因子增强或非线性增强作用。其中最大交互影响力分别为，气温∩日照（q值=0.33）、辐射∩蒸散（q值=0.31），气温∩辐射（q值=0.29），表明这些因子交互作用对西南林区NEP空间分布的影响占主导地位。本研究结果将有助于揭示森林NEP对气候环境变化的响应机制，为西南林区碳中和研究提供基础数据支持。

关键词：净生态系统生产力气候变化时空变化变化趋势驱动因素西南林区

春小麦产量对不同气候年型的响应及其与品种干旱敏感性的关系

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南京农业大学学报 2025年第1期48卷 97-107页

作者：赵福年刘江杨红燕张强雷俊陈莉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甘肃兰州730020 甘肃农业大学资源与环境学院甘肃兰州730070 聊城市农业技术推广服务中心山东聊城252000 定西市气象局甘肃定西743000 定西市农产品质量安全监测检测站甘肃定西743000

[目的]本研究旨在分析旱地春小麦产量增加的品种特性及其与气候条件的关系,为区域小麦品种选育和作物布局提供参考依据。[方法]在半干旱雨养农业区布设春小麦长期定位试验(雨养处理),开展不同播期以及播前和生育期间不同灌水处理试验,采... 详细信息

[目的]本研究旨在分析旱地春小麦产量增加的品种特性及其与气候条件的关系,为区域小麦品种选育和作物布局提供参考依据。[方法]在半干旱雨养农业区布设春小麦长期定位试验(雨养处理),开展不同播期以及播前和生育期间不同灌水处理试验,采用K-means聚类分析方法划分春小麦气候年型,并利用参数化后的春小麦生长发育模型设置不同气候情景,模拟研究半干旱区雨养春小麦产量对气候年型的响应及其与品种干旱敏感性之间的关系。[结果]春小麦生长发育的气候条件可以分为5个不同的年型,其主要由播前土壤含水量和生育期大气干湿程度(潜在蒸散与降水量之差)决定;所构建的春小麦模型对发育期、地上部生物量、收获指数以及产量的模拟值与实测值相比,一致性指数均大于0.8,相对均方根误差均小于30%。通过模型模拟发现,在播期与播前土壤含水量固定的情形下,当生育期降水量小于140 mm时,对干旱敏感的春小麦品种产量高于对干旱呈中性的品种,而在生育期降水量大于200 mm时,对干旱不敏感的春小麦品种产量最高。[结论]本研究所构建的春小麦模型能够较为准确地模拟春小麦发育期、地上部生物量、收获指数及产量形成。对干旱敏感的春小麦品种在极端干旱气候年型下更容易获得较高的产量,而对干旱不敏感的春小麦品种则在水分条件相对适宜的气候年型下容易高产。

关键词：作物模型春小麦等水和非等水性极端干旱气候年型

基于相似误差订正方法的宁夏冬季气温模式产品解释应用

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干旱区研究 2025年

作者：王岱马阳张雯李欣黄莹王素艳中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室宁夏回族自治区气候中心

冬季月和季节内频繁交替的冷暖事件增大了短期气候预测的难度和挑战性，加之气候动力模式对于宁夏冬季气温的预测水平整体不高，导致预测质量不稳定。动力与统计相结合的模式解释应用方法的发展，为预测质量的提升提供了有效的技术手段... 详细信息

冬季月和季节内频繁交替的冷暖事件增大了短期气候预测的难度和挑战性，加之气候动力模式对于宁夏冬季气温的预测水平整体不高，导致预测质量不稳定。动力与统计相结合的模式解释应用方法的发展，为预测质量的提升提供了有效的技术手段，也是省级短期气候预测业务亟需发展的重要方向。基于国家气候中心MODES二代产品的EC模式近30 a历史回算数据、宁夏19个国家气象站冬季逐月平均气温观测数据、NCEP/NCAR大气再分析资料等，采用相似误差订正方法，利用同期环流关键区信息对宁夏冬季月气温开展模式解释应用，旨在提高宁夏气候趋势预测准确率和客观化水平。结果表明：EC模式原始预测结果对宁夏冬季各月气温的预测技巧整体较高，尤其对于趋势和异常量级的把握能力较好；采用相似误差订正方案后，仍能有效提高EC模式对宁夏冬季气温的预测技巧，其中12月和1月预测技巧提高尤为明显，订正后PS、PC评分分别高于70%和64%。当1月平均气温为正距平、12月和2月为负距平时预测技巧提高更明显，气温偏低幅度越大提高越显著；模式误差大小对预报订正的效果无明显影响，即使在模式误差绝对值较大情况下，该订正方案仍能不同程度地提升冬季各月模式气温预测技巧。因此，相似误差订正方法可以在模式误差较大的情况下，进一步提高宁夏冬季气温趋势和异常量级的预报准确性，改进模式预报技巧的稳定性，在实际业务中具有良好的应用价值。

关键词：宁夏冬季气温相似误差订正方法模式产品解释应用

中国北方干旱多发带极端春夏连旱的主要影响因子特征

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高原气象 2025年第1期44卷 67-82页

作者：陆晓娟李忆平王劲松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甘肃兰州730020

在全球变暖背景下,天气气候事件表现出的极端性愈加明显,由此造成的各种气象灾害对社会和经济的危害程度进一步加大。在中国北方干旱多发带(Northern Drought-prone Belt,NDPB),极端干旱事件发生的次数更为频繁、强度更为剧烈、范围更... 详细信息

在全球变暖背景下,天气气候事件表现出的极端性愈加明显,由此造成的各种气象灾害对社会和经济的危害程度进一步加大。在中国北方干旱多发带(Northern Drought-prone Belt,NDPB),极端干旱事件发生的次数更为频繁、强度更为剧烈、范围更为广阔。本文利用气象干旱综合指数、站点的降水和近地面气温、再分析资料以及海表温度、积雪范围、海冰密集度资料,通过统计分析和合成分析方法揭示了NDPB极端春夏连旱事件的主要影响因子特征。研究表明,主要环流因子表现为:3月自巴芬湾东传的波列,5月从哈德逊湾南部到贝加尔湖以东“正-负-正-负-正-负”的位势高度异常,6月60°N附近东传的波列、丝路波列以及偏东偏弱的西太平洋副热带高压;主要的外强迫因子表现为:拉尼娜向厄尔尼诺的位相转变及印度洋海盆和北大西洋中部偏暖的海温异常,欧亚大陆中高纬和北美大陆40°N-60°N之间明显偏小、青藏高原前期偏大后期偏小的积雪范围异常,以及巴芬湾和戴维斯海峡附近偏少而格陵兰海附近偏多、从巴伦支海到喀拉海呈现“正-负-正”分布的海冰密集度异常。

关键词：极端春夏连旱事件影响因子中国北方干旱多发带

基于多层感知机模型的长三角水稻种植区净生态系统碳通量模拟

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高原气象 2025年第1期44卷 191-200页

作者：席闻阳何建军王智麟郭立峰李亚荣中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/中国气象局大气化学重点开放实验室北京200081 海南大学海洋科学与工程学院海南海口570228 南京信息工程大学计算机与软件学院江苏南京210044 兰州大学大气科学学院甘肃兰州730000

中国长江三角洲地区(以下简称长三角地区)是典型的水稻种植区,其碳源汇对区域气候和环境具有重要影响。本文系统地分析了长三角地区净生态系统碳交换量(net ecosystem exchange,NEE)与各个气象因子之间的关系,发现NEE与太阳短波辐射的... 详细信息

中国长江三角洲地区(以下简称长三角地区)是典型的水稻种植区,其碳源汇对区域气候和环境具有重要影响。本文系统地分析了长三角地区净生态系统碳交换量(net ecosystem exchange,NEE)与各个气象因子之间的关系,发现NEE与太阳短波辐射的相关性最强,其次与湿度相关参量(饱和水汽压差、相对湿度)等呈现较强的相关性。同时,NEE与太阳辐射、气温、湿度因子、风速和摩擦速度的相关性呈现明显的昼夜变化。基于上述分析,本文利用NEE和气象观测数据构建了长三角水稻下垫面多层感知机(Multilayer perceptron,MLP)NEE模拟模型,评估了模型的模拟效果及其时空稳定性。构建的MLP模型能较好地拟合NEE,训练集模拟的NEE与观测值的相关系数达到0.88,均方根误差为5.34μmol·m^(-2)·s^(-1);MLP模型在模拟长三角水稻季NEE时表现良好,在东台和寿县站点的模拟NEE结果与观测值的相关系数均高于0.78,模型具有较好的时空稳定性;MLP模型模拟白天平均NEE的效果好于夜间平均NEE的效果。研究结果揭示了影响水稻碳循环的主要气象因子,为认识长三角水稻种植区碳循环时空分布特征提供支撑,对准确评估全球和区域碳通量具有重要意义。

关键词：机器学习 MLP模型 NEE 长江三角洲地区水稻种植区

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年代际尺度的拉尼娜事件对中国西南地区冬季气温的影响

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地球物理学报 2022年第1期65卷 169-185页

作者：袁媛申乐琳晏红明国家气候中心中国气象局气候研究开放实验室北京100081 云南省气候中心昆明650032

本文利用多种资料并基于统计分析方法,详细分析了1970—2019年期间的拉尼娜事件与我国西南地区(四川、重庆、贵州、云南)冬季气温的关系.结果表明,拉尼娜事件对西南地区冬季气温的影响有明显的年代际变化,1970—1996年期间的拉尼娜年冬... 详细信息

本文利用多种资料并基于统计分析方法,详细分析了1970—2019年期间的拉尼娜事件与我国西南地区(四川、重庆、贵州、云南)冬季气温的关系.结果表明,拉尼娜事件对西南地区冬季气温的影响有明显的年代际变化,1970—1996年期间的拉尼娜年冬季西南地区气温均偏低,并表现为“冷干型”特征;而1997—2019年期间的拉尼娜年冬季西南地区则可能为“冷湿型”或“暖干型”.进一步分析发现青藏高原500 hPa高度场是拉尼娜事件影响西南地区冬季气温的重要桥梁,并且高原高度场明显滞后热带海温异常,其与赤道中太平洋海温的正相关关系表现出显著的年代际变化.在1970—1996年期间,高原高度场与赤道中太平洋海温显著正相关,这期间的拉尼娜事件会导致高原高度场偏低,配合蒙古气旋偏强、冷空气以偏西北路径南下影响西南地区,从而共同导致该地区冬季气温偏低.而在1997—2019年期间,高原高度场与热带海温相互独立,只有强度较强且冷海温范围较大的拉尼娜事件才会导致高原高度场偏低,进而西南冬季低温;而较弱的拉尼娜事件对高原高度场影响不明显,在这些年冬季,高原高度场偏高,冷空气不易南下影响我国西南地区,西南地区冬季气温偏高.

关键词：冬季气温西南地区拉尼娜青藏高原高度场年代际变化

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一套格点化的中国区域逐日观测资料及与其它资料的对比

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地球物理学报 2013年第4期56卷 1102-1111页

作者：吴佳高学杰中国气象局气候研究开放实验室北京100081

为高分辨率气候模式检验等的需要,基于2400余个中国地面气象台站的观测资料,通过插值建立了一套0.25°×0.25°经纬度分辨率的格点化数据集(CN05.1).CN05.1包括日平均和最高、最低气温,以及降水4个变量.插值通过常用的"距平逼近"方法实... 详细信息

为高分辨率气候模式检验等的需要,基于2400余个中国地面气象台站的观测资料,通过插值建立了一套0.25°×0.25°经纬度分辨率的格点化数据集(CN05.1).CN05.1包括日平均和最高、最低气温,以及降水4个变量.插值通过常用的"距平逼近"方法实现,首先将计算得到的气候平均场使用薄板样条方法进行插值,随后使用"角距权重法"对距平场进行插值,然后将两者叠加,得到最终的数据集.将CN05.1与CN05、EA05和APHRO三种日气温和降水资料(四种资料的分析时段统一为1961—2005年)进行对比,分析了它们对气候平均态和极端事件描述上的不同,结果表明几者总体来说在中国东部观测台站密集的地方差别较小,而在台站稀疏的西部差别较大,相差最大的是青藏高原北部至昆仑山西段等地形起伏较大而很少或没有观测台站的地方,反映了格点化数据在这些地区的不确定性,在使用中应予以注意.

关键词：观测资料插值日数据气温降水中国