一次强对流暴雨天气的环境条件及中尺度对流云团分析

利用常规观测资料、NCEP/NCAR再分析资料及逐时FY-2E红外卫星云图、自动站和本地WRF等资料,对2010年8月10日夜间宁夏东部强对流暴雨天气过程的大尺度环流背景、影响系统、环境条件、垂直风切变及中尺度特征进行综合分析。结果表明:此次过程是在有利的大尺度环流背景和环境条件下,伴随副高北抬、低空急流发展,在高原槽、低涡切变、地面冷锋和地面辐合线的共同作用下,激发中尺度天气系统在宁夏东部产生的;随着暴雨时段临近,暴雨区上空低空急流和垂直风切变增强,湿层加厚,中低层空气趋于饱和,近地面层持续东风,低层湿层上部维持逆温层,对流不稳定能量急剧释放;强对流暴雨出现在中尺度暴雨云团发展阶段的后期和成熟阶段的早期,在地面气旋式环流右前方、地面辐合线北侧、对流云团发展的前端、冷云中心略偏后的位置上;暴雨站点上空TBB和降水位相变化有一致性,降水峰值对应TBB峰值。     

塔克拉玛干沙漠中尺度对流系统的时空分布特征

采用云图增强和图像叠加的方法,通过对1998-2002年5年GMS-5静止气象卫星红外云图数字资料的普查,共获得33个发生在塔克拉玛干沙漠的中-β尺度的对流系统(MCS),研究了MCS的地理分布及生命史特点。结果表明:空间上沙漠西部和北部是MCS的多发区,季节上,MCS主要出现在春末和整个夏季,以5月最多。时间上MCS具有明显的夜发性,多数MCS形成于午后到午夜(16:00-1:00),夜间至凌晨消散,持续4～6h,生命史偏短。     

近50年来内蒙古河套平原气候及湖泊环境演变

结合遥感影像解译和气象资料分析,研究内蒙古河套平原主要湖泊乌梁素海和哈素海面积、水质等环境参数变化过程,探讨湖泊环境演化的原因.研究表明:河套地区近50年来增温趋势明显,降水处于波动下降之中.但近30年来,乌梁素海湖泊面积却有所增大,这主要是由于黄河水灌溉农田后的退水补给增加,导致湖泊面积呈现扩展的趋势.同时,由于湖泊水生植物快速堆积以及流域物质淤积等原因,湖底抬升迅速,造成在相同来水情况下湖泊面积扩展幅度增大.通过湖泊水质资料分析,河套平原湖泊总氮、总磷等水质指标含量较高,水质逐渐变差的趋势明显.乌梁素海处于河套灌区后套平原的最低端,直接纳人农田退水、工业及生活污水等,引起湖泊水质较严重的富营养化.相对而言,哈素海水质较好,但也呈现下降趋势.在自然与人类活动共同影响下,尤其是近期强烈的人类活动,河套地区湖泊面临着较严重的富营养化问题.改善该地区的湖泊环境,需要加强流域水污染的综合治理,统筹社会经济与流域环境的协调发展.     

冬春季植被残体覆盖对内蒙古河套地区盐碱土盐分的影响

春季是内蒙古河套地区土壤返盐和积盐最严重的季节。本研究在内蒙古河套地区典型盐渍化土壤上设置田间试验,比较紫花苜蓿、羊草、碱茅、柳枝稷、草木樨、猪毛菜和燕麦植株残体冬春季地表覆盖下,表层土壤pH及盐分含量的差异,以期筛选出合适的冬春季植被。结果表明,冬春季植被残体地表覆盖抑盐效果明显,表层土壤EC值降低了42%~73%,平均为61%,这可能是由于Na~+、K~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)及Cl~-含量降低所致;但土壤pH值、CO_3~(2-)和HCO~(3-)含量有所升高。总体来看,多年生植被残体覆盖抑制盐分表聚的效果更好一些,其中紫花苜蓿、羊草和柳枝稷,较适于用作本地区冬春季地表覆盖植被。     

一次"干"对流风暴的中尺度分析

通过对2007年7月24日发生在陕西省的一次"干"对流风暴过程的分析,发现这次对流性风暴有2个主要特点:①风暴区的水汽输送和辐合均比较弱;②风暴发生在高空急流入口区内和低空急流轴左前方3~5个纬距内。高、低空急流耦合激发了急流次级环流的产生和发展,急流次级环流对风暴又产生了正反馈作用;地面中尺度涡旋是由急流次级环流上升支引起的。     

内蒙古河套灌区不同土层有机质空间变异的分形

以内蒙古河套灌区解放闸灌域为研究对象,以区域内间隔4 km等间距112个取样点共448个样本为基础,通过多重分形及联合多重分形方法,对有机质含量在不同土层(0~20 cm、20~40 cm、40~70 cm与70~100cm)的空间变异特性及其相互关系进行研究。结果显示,有机质含量0~20 cm至70~100 cm土层的多重分形谱宽度依次为0.933、0.795、0.824、0.805,即在0~20 cm土层空间变异性最大,而20~40 cm土层空间变异性最小。不同土层多重分形谱曲线均表现为左钩状(Δf0),表明在灌域内土壤有机质的空间分布中,数值较大的数据占主导地位。同时从土壤表层到埋深1 m处D(1)/D(0)依次为0.983、0.980、0.973、0.965,其值逐渐减小,即空间分布逐渐由密集区域向稀疏区域转化。联合多重分形分析表明0~20 cm土层与20~40 cm、40~70 cm土层空间变异相关程度较高,而与70~100 cm土层空间变异相关程度较低。     

甘肃一次区域性大暴雨分析

利用甘肃省甘谷县气象观测站资料、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料、FY-2C卫星云图及天水多普勒C波段雷达资料,对2006年8月27日甘肃区域性大暴雨过程进行了分析。结果表明:①此次暴雨主要是西太平洋副热带高压西伸北抬配合西北弱冷空气的扰动造成的,是西北地区一次典型的暴雨形势;②暴雨大值区垂直环流发展明显,辐合上升运动发生在地形迎风坡的半山腰,地形的抬升作用在此次强降水过程中起重要作用;③多普勒雷达导出产品垂直液态水含量在此次暴雨过程中有很好的对应关系。在对流降水过程中,当不稳定能量达到最强的时候降水开始,而垂直速度达到最大、水汽通量发展到最强的时候,降水量最大,地面水平风速为零,也是降水量达到最大的表现。     

陇东南地区中尺度物理量分布特征及其短历时强降水的关系

探空资料在强降水天气分析中占有重要地位,强天气的出现必然对应某些中尺度物理量的异常。文中通过使用站点降水和探空资料,研究了在强降水和无降水时中尺度物理量分布规律,并且通过确定物理量阈值,计算了在不同不稳定和稳定物理量个数时的命中率、降水概率等。研究发现:相对而言热力稳定度类物理量相关系数最高,表明陇东南地区短时强降水主要是由热力不稳定所引起,发现对流抑制能量(CIN)大于500J/Kg时基本不会发生强降水,大多集中在300J/Kg以下;尝试使用多物理量组合综合预报,随着不稳定物理量个数的增加,降水几率稳步增加,虚假警报率逐渐减小,说明组合多个物理量是提高短时强降水预报准确率的一个有效途径,并且发现随着不稳定物理量个数的增加,将会有更大的产生更强降水的几率。     

草木樨与脱硫石膏对内蒙古盐渍化土壤的改良培肥作用与效果

在内蒙古河套地区硫酸钠盐渍化土壤布置田间试验,研究种植草木樨和施用脱硫石膏(30 t·hm~(-2))对盐渍化土壤的改良作用与效果。结果表明:春季灌溉洗盐大幅度降低土体土壤p H值、盐渍化程度,尤其是表层土壤,p H值和EC值分别降低1.54~2.07和7%~69%,主要盐分离子Na+和SO42-分别降低了80%和39%。施用脱硫石膏对灌溉洗盐没有显著的影响,但显著降低土壤有机质、有效磷、有效钾含量,分别降低了20%、15%和50%;施用脱硫石膏提高草木樨生物量34%,但植株磷含量降低了42%。种植草木樨大幅度降低土壤EC值和盐分离子含量,表层土壤主要盐分离子Na~+和SO_4~(2-)含量分别从670 mg·kg~(-1)和2 500 mg·kg~(-1)降低至3.38 mg·kg~(-1)和140.80 mg·kg~(-1),降低了200倍和16倍;土壤有机质和碱解氮含量分别提高了6%和40%,而有效磷、有效钾却降低了49%和26%,同时施用脱硫石膏,尽管对土壤p H值、EC值和盐分离子浓度没有太大的影响,但显著提高了土壤有机质和碱解氮含量,有效磷和有效钾含量也相对有所增加。说明草木樨具有很好改良培肥盐渍化土壤作用,与脱硫石膏也有一定的交互作用,可加快盐渍化土壤改良培肥,但需要增加磷钾肥的施用。     

基于多源遥感数据的河套灌区干旱时空演变特征

利用中国气象局陆面数据同化系统(CLDAS)验证了2015—2016年土壤水分主动-被动微波数据集(SMAP)在河套灌区的适用性,基于土壤水分亏缺指数(SWDI)和干旱周百分比(PDW)分析了作物生育期内灌区农业干旱时空演变规律,通过两个参考指标检验了SWDI在河套灌区的精度。结果表明:(1)SMAP在河套灌区的适用性较好;区域尺度上,SMAP和CLDAS的相关系数为0.65;栅格尺度上,约有69%的栅格表现良好(R>0.5),且多集中在灌区西南部和东北部。(2)严重干旱主要发生在4月下旬到5月中旬、7月下旬到8月下旬以及9月中旬到10月中旬,主要集中在灌区的西南部、中部和东部;2015—2016年PDW值略有增大,干旱事件的持续时间有所延长。(3)大气水分亏缺量(AWD)表征的气象干旱在时间上显示2 a内灌区干旱月份为5—8月;空间上,除去地形原因,SWDI和AWD的相关性较为显著,且有一半格点通过了显著性水平为0.01的显著检验,表明基于SWDI对河套灌区进行干旱状况分析具有较高的可信度。     

气候变暖对内蒙古东部地区农牧业气候资源的影响

选取内蒙古东部地区48个气象站1961-2014年的日气温、降水资料,计算了与农牧业生产相关的热量、水分等要素,深入分析了气候资源对气候变暖的响应及其对农牧业生产的影响。结果表明:1987-2014年比1961-1986年增温明显,特别是最低气温的增幅最为显著,冬季增温高于其它季节;≥0℃、≥10℃积温和无霜期均有所增加,积温线向西北方向推进;冬季≤-25℃低温天数明显减少;作物生长季降水量基本持平,但降水变率增大。因气候变暖,热量资源显著增加,长生育期作物扩种,设施农业冻害风险降低,有利于牲畜安全越冬度春,但会导致天然牧草退化,病虫害虫卵易于越冬;降水变率增大使干旱发生概率变大。     

50 a来内蒙古荒漠草原气候干燥度的空间分布及其演变特征

根据内蒙古荒漠草原11个气象观测站1961-2010年的日平均气温、降水量资料,采用改进的谢氏干燥度计算公式,并利用ArcGIS软件分析内蒙古荒漠草原50 a来气候干燥度的时空变化规律。结果表明：① 平均干燥度呈条带状自东南向西北逐渐递增,表明干燥程度由东南向西北逐渐加强;② 除中部偏西（海流图地区）干燥度减少、气候趋于湿润化外,其他地区干燥度指数呈增加趋势,说明内蒙古荒漠草原地区气候干旱化趋势明显;③ 20世纪70年代属于相对湿润期,21世纪初干旱程度明显加大。其结果导致干旱区面积随年代增加,至21世纪初干旱区面积增加了近3倍,从另一个侧面说明研究区域气候干旱化趋势显著;④ 干燥度4.0等值线向东南方向移动,逐渐侵入典型草原。以20世纪60年代为基点, 90年代前变幅相对较小,21世纪初的偏移范围最大。此外,该线在研究区域东部变化强烈,空间位移幅度大,西部相对变化较弱,空间位移相对较小。     

基于NSGA-Ⅱ算法的内蒙古沿黄地区乡村居住建筑多目标优化设计

为解决内蒙古沿黄地区乡村居住建筑形体尺度不合理导致的建筑能耗过高、室内自然采光环境及热舒适性较差的问题。从建筑形体尺度与功能空间需求方面对内蒙古沿黄地区乡村居住建筑进行调研,提取乡村居住建筑原型。利用Grasshopper参数化设计平台对建筑原型几何参数进行界定并实现动态控制,借助Ladybug Tools工具集对不同设计变量组合方案进行建筑能耗、室内自然采光环境及室内热舒适性模拟并输出各建筑性能评价指标值。将所得评价指标值作为优化数据与NSGA-Ⅱ算法耦合,建立内蒙古沿黄地区乡村居住建筑多目标优化流程,得出均优建筑设计方案。经过迭代计算,从1800组设计变量组合中选取优化方案,结果表明：相比基准建筑,优化方案的单位面积建筑能耗可降低19.9%,室内全天然采光达标面积百分比可提高16.9%,有效天然采光照度百分比可提高2.2%,室内适应性热不舒适时间百分比可降低9.4%。     

WRF模式不同参数化方案组合对干旱区一次暴雨模拟的对比分析

为了研究不同参数化方案组合对干旱区暴雨模拟的影响,借助新一代中尺度数值模式WRF对2012年7月29日腾格里沙漠边缘一次暴雨过程进行数值模拟研究。选取不同的微物理、积云、陆面过程和边界层参数化方案,得到14种组合;结合同期外场试验观测资料和区域降水实况,对不同组合方案的降水模拟性能进行对比分析。结果表明:不同组合的模拟结果差异显著,选用Thompson、KF、Pleim-Xiu与MYNN 2.5 level参数化方案的组合(case 11)在24 h累计降水、单站逐时降水及降水的TS评分中均表现较好且区域平均误差最小,能够较为真实地模拟出本次暴雨过程。进一步对比不同组合方案模拟物理量变化的差异发现,降水量差异正是模拟物理量差异的客观表现,并对此次暴雨过程发生机制进行了诊断分析。     

玛曲一次强降水过程的风廓线演变特征

利用2011年8月18日甘南玛曲风廓线仪探测强降水过程的资料,分析了风廓线雷达探测的强信号与降水强度的对应关系:在降水情况下,风廓线雷达探测到约小于4m/s的垂直速度反映了降水的开始和结束,且垂直速度越小降水越强;同时大气折射率结构常数与降水强度有很好的对应关系,-110db的大气折射率结构常数的开始和结束反映了降水的始终,而且风廓线雷达探测到的大气折射率结构常数对降水持续时间和降水强度的敏感程度比垂直速度更高。由于降水时降水粒子的下落速度所造成的负垂直速度与降水强度的对应关系同时也反映了降水粒子的密度。另外,风廓线仪探测到的垂直速度数值大小随高度的波动反映了大气中垂直热交换的强度,因而它有可能成为判断对流发展强弱的一个重要指标。     

敦煌地区“6•16”暴雨的热力和动力特征

使用高空和地面定时观测资料、区域站降水资料、云图和NCEP 1°×1°再分析资料,对2011年6月15-16日敦煌暴雨的影响系统、干侵入、垂直涡度收支、视热源和视水汽汇进行了分析。结果表明：这次暴雨是中高纬度天气系统与低纬度天气系统相互作用,在敦煌附近上空形成中尺度涡旋造成的结果。在低涡生成初期,低涡南侧对流层高层有明显的干侵入发生;低涡快速发展期,干侵入达到最强;对流层中下层辐散作用项对垂直涡度正贡献最大,在对流层中层水平平流项和垂直输送项对垂直涡度正贡献起主要作用;低涡成熟期,干侵入开始减弱。对流层下层辐散作用项对垂直涡度正贡献进一步加强,对流层中层水平平流项正贡献作用减弱,垂直输送项正贡献作用增强。视热源与视水汽汇加热强度变化与低涡发生、发展的不同阶段紧密相关,视热源、视水汽汇中心与垂直上升运动中心相对应,说明大气加热与大气上升运动密切相关,水汽凝结潜热释放加速垂直上升运动,垂直输送在视热源、视水汽汇中起主要作用。     

3个陆面过程模式对一次暴雨前后的模拟性能检验与对比

利用内蒙古微气象观测蒸发试验所获得的近地层资料,驱动陆面过程模式Noah、SHAW和CLM4.0,对干旱区沙漠-草原过渡带一次罕见暴雨过程前后的陆面过程各参数进行了单点数值模拟试验,用对比分析法检验了3个陆面模式对沙漠-草原过渡带暴雨过程前后各半个月中陆面各参数的模拟性能。结果表明:3个模式都能模拟出干旱区暴雨前后湍流通量、辐射通量、土壤温湿的变化趋势。除对土壤温湿的模拟之外,Noah模拟效果最好,尤其是对潜热通量的模拟,相关系数达0.99,均方根误差仅7.89 W·m-2。3个模式对于感热通量、向上长波辐射、净辐射的模拟性能在暴雨过后有所提升,而对土壤温度的模拟性能在暴雨过后有所下降,说明3个模式更适于模拟暴雨过后较为湿润下垫面的感热、向上长波、净辐射和没有降水过程的土壤温度,且3个模式在土壤温度模拟方面考虑暴雨影响时间过短。     

一次层状云降水过程云中液态水含量的演变特征

利用2011年7月3日甘南玛曲一次层云降水过程的地基微波辐射计探测资料,分析了玛曲强降水发生前后云中温度、湿度以及液态水含量在不同高度上随时间的演变特征:在降水开始前2小时左右,空中大气温度及相对湿度均随高度的升高而递减,云液态水含量为1.0g/m3出现急剧的增加累积;降水影响时,0℃层高度逐渐降低,空中大气冷却降温较快,温度随高度的增加出现了10～20℃/2km的递减,相对湿度随高度的升高而虽然也呈现递减规律,但8km高度以下的范围内,相对湿度比降水前有较大幅度的增加,尤其在4km高度处最为明显;而液态水含量的急剧减小过程,预示着降水即将出现消亡。指出了地面产生降水明显滞后于液态水含量的增加累积约40min,空中云液态水含量特别是低层液态水含量的累积厚度、持续时间和累积区顶层与底层有无明显的波动可判识层云地面产生降水的强弱。     

近55年来河西地区干旱时空演变特征及其与ENSO事件的关系

根据河西地区14个气象站点1961-2015年的逐月气象观测资料,基于SPEI指数采用Mann-Kendall趋势检验法、反距离加权插值(IDW)等方法分析了近55年来河西地区年代际、四季干旱及空间变化特征,并探讨了ENSO 事件与该区干旱的关系。结果表明：在年代际变化上,自20世纪90年代以来河西地区干旱次数增多、干旱程度加重。季节时间变化上,河西地区春、夏、秋季均呈干旱化趋势,春季干旱化趋势最为突出,夏季次之,冬季略呈变湿趋势。空间变化上,整个河西地区春季均呈干旱化趋势,而且大部分地区的春旱趋势极为显著,其中春旱趋势最显著的地方是金塔;冬季整个研究区趋于湿润化。各季节干旱高频区分别集中在：春季在金塔、民勤地区,夏季在河西西北部,秋季在河西中东部及西部的安西—玉门一线,冬季在101°E以西的河西地区。河西地区秋季SPEI与SSTA指数的相关性最为显著,春季次之,夏季最弱。ENSO事件发生强度与河西地区SPEI影响因子的多项式拟合关系表明,ENSO事件强度对温度的影响高于降水;其中在ENSO暖事件(厄尔尼诺事件)发生年份,气温有明显的上升趋势;在ENSO冷事件(拉尼娜事件)发生年份,少数年份降水有所增加,对气温的影响较弱。