基于GLDAS产品的青藏高原土壤湿度特征分析

选取青藏高原中部那曲地区10个试验点2010年8月至2012年12月的土壤湿度数据与全球陆面数据同化系统(GLDAS)中4个陆面过程模型(NOAH、CLM、VIC、MOSAIC)模拟得到的土壤水分产品进行对比分析,发现NOAH陆面模式资料在青藏高原适用性较好。采用中国科学院青藏高原研究所那曲站10个试验点观测土壤湿度资料和长时间序列的GLDAS陆面模式资料研究青藏高原地区不同深度土壤湿度的时空分布特征。结果表明:那曲地区土壤湿度呈现显著的季节变化特征,一年之中出现两个峰值和两个低值阶段。基于NOAH陆面数据同化产品发现青藏高原土壤湿度的空间分布呈现明显的纬向分布特征,随纬度的升高,土壤湿度值降低;同时,青藏高原中部浅层土壤和中间层土壤湿度有变湿的趋势。0~10 cm、10~40 cm、40~100 cm土壤湿度EOF展开第一模态(EOF1)在高原北部及南部呈反位相分布。     

《高原气象》创刊十周年——回顾与展望

1《高原气象》办刊十周年历程回顾高原地形是影响大气运动和天气、气候变化的重要因素之一。占我国陆地面积四分之一的青藏高原,对亚洲和北半球都有重要影响,对全球的天气、气候变化也有较大影响。因此,关于青藏高原地形影响的研究,对我国长中短期天气预报有着重要的实际意义,对气象学科的发展也有其深远意义。随着广大气象业务、科研人员所进行的科学考察活动的加强,观测资料的不断增加,人们对青藏高原大地形影响的研究正在逐步深入,高原上各不同尺度的地形与大气运动相互作用的研究也有进一步的开展。为了加速这方面的研究和促进国内外的学术交     

创刊词

高原是影响大气运动和天气、气候变化的重要因素之一。占我国陆地面积四分之一的青藏高原,对我国、亚州和北半球都有重要影响,对全球的天气、气候变化也有影响。因此,关于青藏高原地形影响的研究,对我国长、中、短期天气预报有着重要的实际意义,对气象学科的发展也有其深远意义。 近年来,随着广大气象业务、科研人员所进行的科学考察活动的加强,观测资料的不断增加,人们对青藏高原大地形影响的研究正在逐步深入。高原上各不同尺度的地形与大气     

青藏高原大气边界层结构特征研究综述

青藏高原对我国东部地区的天气和气候、亚洲季风乃至全球大气环流和天气气候都有重要影响,而高原大气边界层作为连接高原独特下垫面和自由大气的桥梁,在上述影响过程中扮演了重要作用。高原大气边界层观测资料的匮乏严重制约着青藏高原天气与气候研究。本文回顾了青藏高原大气边界层结构特征的研究历史,将这些成果进行了总结和分析,并对目前研究中存在的不足之处进行了探讨。     

青藏高原土壤湿度的变化特征及其对中国东部降水影响的研究进展

青藏高原土壤湿度受积雪与冻土的共同影响,能够记忆长时间的陆面干湿过程,是气候变化的重要因子,对随后的中国东部降水有预测意义。由于高原观测站点稀少,土壤湿度观测资料匮乏,致使现有相关研究大多是基于再分析资料、模式资料和卫星遥感资料(统称替代资料)进行的,且所得结论既有差异,也存在不确定性。因此本文首先综述了各种土壤湿度替代资料的适用性对比研究,进而讨论了青藏高原地区土壤湿度的变化特征及其对我国东部气候的影响。现有研究表明:1)资料对比研究指出,现有的各种替代资料对高原土壤湿度存在明显的高估或低估现象,且评估结论受评估指标和插值方法不同的影响。相对而言,SSM/I和风云3B的土壤湿度产品与实际观测资料相关性较好。2)高原土壤湿度具有多时间尺度变化特征和空间非均匀性,在年变化上具有显著的融冻特征,年代际变化趋势和年际特征呈现显著的区域性差异。SSM/I资料表明春季高原主体土壤湿度的年代际变化趋势呈现为增加的特征,与高原的增暖相一致;年际变率存在东、西两个高值区,与其相关的潜热、感热通量能共同激发遥相关波列影响我国长江流域降水;同时高原土壤湿度在垂直方向上具有一致性,在空间分布上具有南部边缘最大、由东南向西北递减的特征。3)前人对高原土壤湿度影响中国东部降水的结论各有不同,其可能原因之一是采用的替代资料及其适用性不同,其二是模式试验中忽略土壤湿度的空间差异性而带来的误差等。相关问题需要进一步深入研究。     

青藏高原土壤湿度分布特征及其对长江中下游6、7月降水的影响

采用美国气候预测中心1961—2014年逐月土壤湿度资料以及国家气象信息中心降水格点数据,分析了青藏高原土壤湿度的时空分布特征,以及高原春季土壤湿度对长江中下游6、7月降水的影响。结果表明:青藏高原年和不同季节的土壤湿度空间分布特征基本一致,均呈现从东南向西北减少的趋势。区域平均的土壤湿度显示出高原土壤春季最为干燥,秋季和夏季较为湿润的分布特征;近50年来青藏高原大部的年、季节土壤湿度均呈缓慢增加趋势,年、季土壤湿度从20世纪60年代至90年代基本上呈减少趋势,21世纪00年代开始则呈缓慢增加趋势。青藏高原春季土壤湿度与长江中下游降水量基本呈负相关关系。通过信度检验的负相关区在6月位于高原东北部和西南部,7月位于高原南部,且高原西北部分区域春季土壤湿度与7月降水量存在显著正相关。高原春季土壤湿度通过对高原地表温度的作用,进而影响到高原热力特征、大气环流以及长江中下游降水的分布特征。     

太阳活动与高原积雪及东亚环流的年代际相关分析

太阳活动影响气候系统的研究对认识全球气候变化具有重要的意义,本文利用太阳射电通量资料、太阳总辐照度重建资料和太阳黑子数观测资料,应用相关统计方法研究了太阳活动与冬季青藏高原积雪以及东亚地区大气环流的年代际相关关系。结果表明:在去掉太阳11年显著周期的更长时间尺度上,太阳活动超前调节着冬季青藏高原积雪以及东亚大气环流,其中高原积雪滞后太阳射电通量第4年滑动平均年相关最显著,相关系数达到0.8013,通过0.05的Monte-Carlo显著性水平检验;高原冬季积雪与北极涛动和东亚冬季风之间也存在显著的同期和滞后年代际相关关系。     

第2次青藏高原大气科学试验(1994～2000)──青藏高原地-气系统物理过程及其对全球气候和中国灾害性天气影响的观测和理论研究

高原地势高耸、地形复杂,称为“世界屋脊”。青藏高原对东业及全球大气环流的影响是举世瞩目的。青藏高原近地面层及边界层大气物理参数的观测研究与任何地点的观测研究相比,难度更大,而且意义十分重要。１９９８年５～８月ＴＩＰＥＸ现场观测试验在“世界屋脊”青藏高原选择了具有代表性３个基地（当雄,昌都,改则）,第１次采用边界层综合探测系统,首次取得了一批有价值的高原边界层物理数据,并建立系统的高原边界层综合数据库。采用这些新的观测资料,结合环境大气综合观测资料（包括卫星遥感等信息）,在观测研究、理论研究及模式…     

影响青藏高原植被生理过程与大气CO2浓度及气候变化的相互作用

利用一陆面过程模式,初步模拟研究了青藏高原夏季风盛行期植被生理过程与大气CO2浓度及气候变化的相互作用。结果表明,气候以及大气CO2浓度变化对青藏高原地区的植被生理过程有较明显的影响,高温、高温和高CO2浓度将加强高原植被的光合作用和呼吸作用,有利于植被生长。高原植被也可通过生理过程,产生净CO2呼收,降低大气CO2含量,起到调整温室效应的作用,从而影响全球气候变化;当气温升高、大气CO2增加时,这种作用更加有效。青藏高原地区大气CO2浓度加倍,对高原地区气候的直接影响不明显。植被的存在也会影响区域气候变化,并可通过改变高原热源,进而影响高原及其周边地区气候变化。文中还归纳出了植被生理与气候相互作用的简单概念模型。     

影响青藏高原植被生理过程与大气C02浓度及气候变化的相互作用

利用一陆面过程模式,初步模拟研究了青藏高原夏季风盛行期植被生理过程与大气CO2浓度及气候变化的相互作用.结果表明,气候以及大气CO2浓度变化对青藏高原地区的植被生理过程有较明显的影响,高温、高湿和高CO2浓度将加强高原植被的光合作用和呼吸作用,有利于植被生长.高原植被也可通过生理过程,产生净C02吸收,降低大气C02含量,起到调整温室效应的作用,从而影响全球气候变化;当气温升高、大气C02增加时,这种作用更加有效.青藏高原地区大气C02浓度加倍,对高原地区气候的直接影响不明显.植被的存在也会影响区域气候变化,并可通过改变高原热源,进而影响高原及其周边地区气候变化.文中还归纳出了植被生理与气候相互作用的简单概念模型.     

青藏高原及其周边地区降水的水汽来源变化研究进展

近几十年来,随着全球气候变暖,青藏高原降水整体呈现增加趋势,气候暖湿化趋势明显;与此同时,位于青藏高原东南缘的中国西南地区整体上呈现暖干化趋势,干旱事件频发。探讨青藏高原及其周边地区降水的水汽来源变化、揭示降水趋势性变化的原因已经成为当前研究热点。本文评述了近年来青藏高原降水的水汽来源研究,重点关注青藏高原变湿、西南地区变干的水汽来源变化原因以及青藏高原南北水汽来源差异,讨论了尚未解决的科学问题,展望了未来研究方向。现有研究表明,青藏高原以西的西风带控制区蒸散发贡献的水汽整体呈现减少趋势,青藏高原以南和以东的季风控制区蒸散发贡献的水汽整体呈现增加趋势,上述水汽源区贡献变化导致了青藏高原及其周边不同区域降水趋势性变化的差异。展望未来,水汽来源分析的模型和数据需要进一步验证及减少不确定性,青藏高原下垫面和蒸散发变化对周边地区降水的影响机制研究有待加强,全球变化与青藏高原降水水汽来源变化的关系尚需深入分析。     

青藏高原增暖对东亚夏季风的影响——大气环流模式数值模拟研究

20世纪50年代以来,随着全球海表面温度年代际变化和全球变暖现象的出现,东亚夏季风降水和环流场也出现相应的年代际变化。是什么原因引起这个长期的变化趋势？研究表明青藏高原增暖可能是导致东亚夏季风年代际变化的重要因子之一。为了能够更好地理解青藏高原地表状况对下游东亚季风的影响,作者使用德国马普气象研究所大气环流模式（ECHAM）进行一系列数值试验。在两组敏感性试验中,通过改变高原上的地表反照率从而达到改变地表温度的目的。数值试验结果表明:青藏高原增暖有助于增强对流层上层的南亚高压、高原北侧西风急流和高原南侧东风急流以及印度低空西南季风;与此同时,东亚地区低层西南气流水汽输送增强。高原增暖后降水场的变化表现为:印度西北部季风降水增加,长江中下游以及朝鲜半岛梅雨降水增多;在太平洋副热带高压控制下的西北太平洋地区和孟加拉湾东北部,季风降水减少。对数值模拟结果的初步诊断分析表明:在感热加热和对流引起的潜热加热相互作用下,南亚高压强度加强,东亚夏季低层西南季风增大、梅雨锋降水增强,高原东部对流层上层的副热带气旋性环流增加,以及对流层低层的西太平洋副热带高压增强。另外,在青藏高原增暖的背景下,孟加拉湾地区季风降水减弱。本项研究有助于更好地理解东亚夏季风年代际变化特征和未来气候变化趋势。     

青藏高原大气水分循环特征

青藏高原对亚洲季风环流的形成有重要作用,同时作为"世界屋脊"拥有丰富的冰川、积雪、河流、湖泊和地下蓄水层。青藏高原特殊大地形动力和热力作用深刻地影响着亚洲与全球大气水分循环,也对全球气候与环境产生深远的影响。基于青藏高原在亚洲夏季风系统大气水分循环过程的重要地位,从青藏高原对全球大气水分循环重要作用的视角,综述了青藏高原大气水分循环过程中青藏高原局地热力对流、高原的"阶梯式"水汽流爬升"第二类条件不稳定(CISK)"物理模型、青藏高原视热源结构影响及多尺度水汽汇流通道、海洋-青藏高原"水汽源-汇"结构、青藏高原跨半球垂直环流圈水分循环结构、青藏高原大气水分循环综合模型等的相关研究进展,剖析了青藏高原大气水分循环综合模型的研究背景,探讨了青藏高原特殊大地形热力驱动机制及其云水效应,描述出与青藏高原热力驱动的亚洲区域和跨半球垂直环流圈水分循环结构,揭示了青藏高原热力强迫与海洋-大气-陆地水文过程特殊的相互反馈作用。青藏高原发源的亚洲河流水系是为人口众多的亚洲区域供给生活、农业和工业用水的重要水资源之一。因此,认识在全球变暖背景下青藏高原的水分循环及其对水资源变化影响至关重要,仍需深入地探讨青藏高原大气水分循环机制及其全球影响效应。     

南亚夏季风爆发前后青藏高原地表热通量的长期变化特征分析

青藏高原作为世界第三极,其热力强迫作用不仅对亚洲季风系统的发展和维持十分重要,也会对大气环流场产生深远影响。利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim中1979-2016年3-10月青藏高原及其周边地区的地表热通量月平均再分析资料,通过分析得出以下结论:3-5月青藏高原主体由感热占据,感热强度快速上升且呈西高东低的分布态势,潜热强度较小但随时间而增强。季风爆发后的6-8月,青藏高原感热强度减弱,潜热强度迅速增强且呈东高西低的分布特征。季风消退后的9-10月,感热与潜热强度相当,但感热呈现出西高东低的分布特征。过去38年,青藏高原地表感热总体呈现微弱下降趋势,潜热呈较弱上升趋势。青藏高原西部地区感热呈微弱下降趋势,潜热呈上升趋势。东部感热呈较为明显的下降趋势且近年来变化趋势增强,东部潜热通量则呈现较为明显的上升趋势,分析结论与近期全球变暖条件下青藏高原气候变暖变湿这一变化状况一致,通过对青藏高原地表热通量的变化分析为下一步运用第三次青藏高原大气科学试验所获资料分析青藏高原上空大气热源的变化以及地表加热场如何影响大气环流奠定基础。      

Satellite Monitoring of the Surface Water and Energy Budget in the Central Tibetan Plateau

The water and energy cycle in the Tibetan Plateau is an important component of Monsoon Asia and the global energy and water cycle. Using data at a CEOP （Coordinated Enhanced Observing Period）-Tibet site, this study presents a first-order evaluation on the skill of weather forecasting from GCMs and satellites in producing precipitation and radiation estimates. The satellite data, together with the satellite leaf area index, are then integrated into a land data assimilation system （LDAS-UT） to estimate the soil moisture and surface energy budget on the Plateau. The system directly assimilates the satellite microwave brightness temperature, which is strongly affected by soil moisture but not by cloud layers, into a simple biosphere model. A major feature of this system is a dual-pass assimilation technique, which can auto-calibrate model parameters in one pass and estimate the soil moisture and energy budget in the other pass. The system outputs, including soil moisture, surface temperature, surface energy partition, and the Bowen ratio, are compared with observations, land surface models, the Global Land Data Assimilation System, and four general circulation models. The results show that this satellite data-based system has a high potential for a reliable estimation of the regional surface energy budget on the Plateau.     

1981～2020年青藏高原春季土壤湿度时空变化特征及其与高原季风的关系

本研究利用欧洲中心ERA5再分析资料的逐日土壤湿度（土壤体积含水量）、降水量、位势高度场以及风场数据,重点分析了1981～2020年高原春季浅层（0～7 cm）土壤湿度的时空变化特征,并探讨了青藏高原土壤湿度与高原季风的关系。青藏高原春季土壤湿度西北偏干,东南部相对偏湿的分布特征。对高原春季土壤湿度进行经验正交函数（EOF）分析后发现,其第一模态呈中部与东、西部反向变化特征,该模态存在准3年（2～4年）的振荡周期,这一周期特征在2000～2010年表现的更为显著;第二模态呈南北反向分布,较好地表征高原地区气候带与下垫面覆盖状况。研究发现,高原夏季风与高原春季土壤湿度变化之间存在密切的隔季相关,高原夏季风异常变化是翌年春季土壤湿度变化的主要原因。     

Impact of soil moisture and winter wheat height from the Loess Plateau in Northwest China on surface spectral albedo

The understanding of surface spectral radiation and reflected radiation characteristics of different surfaces in different climate zones aids in the interpretation of regional surface energy transfers and the development of land surface models. This study analysed surface spectral radiation variations and corresponding surface albedo characteristics at different wavelengths as well as the relationship between 5-cm soil moisture and surface albedo on typical sunny days during the winter wheat growth period. The analysis was conducted using observational Loess Plateau winter wheat data from 2015. The results show that the ratio of atmospheric downward radiation to global radiation on typical sunny days is highest for near-infrared wavelengths, followed by visible wavelengths and ultraviolet wavelengths, with values of 57.3, 38.7 and 4.0%, respectively. The ratio of reflected spectral radiation to global radiation varies based on land surface type. The visible radiation reflected by vegetated surfaces is far less than that reflected by bare ground, with surface albedos of 0.045 and 0.27, respectively. Thus, vegetated surfaces absorb more visible radiation than bare ground. The atmospheric downward spectral radiation to global radiation diurnal variation ratios vary for near-infrared wavelengths versus visible and ultraviolet wavelengths on typical sunny days. The near-infrared wavelengths ratio is higher in the morning and evening and lower at noon. The visible and ultraviolet wavelengths ratios are lower in the morning and evening and higher at noon. Visible and ultraviolet wavelength surface albedo is affected by 5-cm soil moisture, demonstrating a significant negative correlation. Excluding near-infrared wavelengths, correlations between surface albedo and 5-cm soil moisture pass the 99% confidence test at each wavelength. The correlation with 5-cm soil moisture is more significant at shorter wavelengths. However, this study obtained surface spectral radiation characteristics that were affected by land surface vegetation coverage as well as by soil physical properties.     

Coupling the Common Land Model to ECHAM5 Atmospheric General Circulation Model

The ECHAM5 model is coupled with the widely used Common Land Model(CoLM). ECHAM5 is a state-of-theart atmospheric general circulation model incorporated into the integrated weather and climate model of the Chinese Academy of Meteorological Sciences(CAMS-CSM). Land surface schemes in ECHAM5 are simple and do not provide an adequate representation of the vegetation canopy and snow/frozen soil processes. Two AMIP(Atmospheric Model Intercomparison Project)-type experiments using ECHAM5 and ECHAM5-CoLM are run over 30 yr and the results are compared with reanalysis and observational data. It is found that the pattern of land surface temperature simulated by ECHAM5-CoLM is significantly improved relative to ECHAM5. Specifically, the cold bias over Eurasia is removed and the root-mean-square error is reduced in most regions. The seasonal variation in the zonal mean land surface temperature and the in situ soil temperature at 20-and 80-cm depths are both better simulated by ECHAM5-CoLM. ECHAM5-CoLM produces a more reasonable spatial pattern in the soil moisture content, whereas ECHAM5 predicts much drier soils. The seasonal cycle of soil moisture content from ECHAM5-CoLM is a better match to the observational data in six specific regions. ECHAM5-CoLM reproduces the observed spatial patterns of both sensible and latent heat fluxes. The strong positive bias in precipitation over land is reduced in ECHAM5-CoLM, especially over the southern Tibetan Plateau and middle–lower reaches of the Yangtze River during the summer monsoon rainy season.