内蒙古中西部沙源地影响沙尘暴扩展过程的数值模拟研究

 通过对2002年3月18—22日沙尘暴过程进行的数值模拟及针对内蒙古中西部沙尘源地影响的敏感性试验研究，结果表明, 内蒙古中西部荒漠化草原生态的迅速恶化是2001年前后沙尘天气的频繁发生的部分原因。由于沙源地海拔高度的不同和风速随高度的变化，在沙尘远距离输送过程中可能出现两个不同高度而相互孤立的优势沙尘输送带，分别位于对流层和地面附近。其传输距离、传输速度、影响地区、影响时间存在巨大差异。内蒙古中西部沙源地的起沙主要通过地面附近的沙尘输送带向东、向南传输。其通过对流层的传输随沙尘区的不断扩展而越来越弱，进而被其他更高海拔高度的沙源地起沙所取代。     

塔里木盆地一次东灌型沙尘暴环流动力结构分析

利用NCEP再分析资料和常规地面观测资料,对2006年4月10日塔里木盆地发生的一次东灌型沙尘暴,从气候背景、环流形势、螺旋度场、锋生次级环流、温度平流等方面进行分析,揭示了此类沙尘暴强盛期的环流动力结构。结果表明：①里咸海脊、乌拉尔脊、新地岛脊同位向叠加,西西伯利亚横槽转竖南下,引导泰米尔半岛强冷空气爆发直插新疆,东灌进入南疆盆地,造成大范围沙尘暴天气;②西西伯利亚地面冷高压爆发性南下并强烈发展是造成此次沙尘天气的根本原因;③盆地前期的干暖形势为沙尘暴的产生提供了有利的热力条件;④沙尘暴区上空螺旋度垂直分布为低层正值、高层负值,构成低空强辐合、高空强辐散的上升运动区,揭示强旋转上升运动是大范围沙尘暴发生的动力条件;⑤高空急流入口区次级环流下沉支导致高层动量下传 ,促使对流层中低层风力加大,冷锋南压,驱动沙尘天气的发生。     

沙尘模式中湿沉降过程的参数化及模拟试验

在调研国内外固体气溶胶湿清除理论研究成果的基础上,从反映物理机制和实际可应用性两方面出发,设计了可考虑不同性质降水(降雨与降雪)拖曳作用的沙尘湿沉降参数化方案,并引入到沙尘模式中。选取2003年4月16~18日我国西北地区一次伴有降水的沙尘天气过程,进行了有无湿沉降方案的数值模拟对比试验,并针对两种降雨清除系数的简化方案做了敏感性试验。对试验的分析结果显示:降水拖曳作用引起的湿沉降对沙尘浓度的分布有比较明显的影响,这种影响从地面到对流层低层都有表现;在降水区,沙尘湿沉降速度与干沉降速度量级基本相当;在本例降水量较小的条件下,湿沉降对降雨清除系数简化方案的选取不很敏感。     

内蒙古半干旱区沙尘天气特征及其与地表特征的关系

利用2002-2010年朱日和气象站观测资料,结合同期归一化植被指数(NDVI),叶面积指数(LAI),植被净初级生产力(NPP)资料,分析了内蒙古半干旱区朱日和地区2002-2010年的沙尘天气特征。结果表明：朱日和地区临界起沙风速为9.4 m·s-1,2002-2010年沙尘天气频率和大于临界起沙风速频率呈波动变化,沙尘天气频率和大于临界起沙风速频率有很好相关性,超过18 m·s-1的强风极易导致沙尘天气的发生;定义标准化的沙尘天气频率（NfDO）为沙尘天气频率与大于临界起沙风速频率之比,当夏季降水量大于100 mm,夏季最大NDVI、最大LAI和最大NPP分别大于0.24、0.3 g·m-2·d-1和0.6 g·m-2·d-1（以碳计算）时,次年春季NfDO较低,沙尘天气不易发生;反之沙尘天气较易发生。对沙尘天气发生机制的分析发现,夏季有效的降水促进了植物生长,夏季降水量、最大NDVI、最大LAI和最大NPP增大,来年春天土壤不容易侵蚀,沙尘天气不易发生。     

2011年4月28-29日中国北方强沙尘暴发生机制位涡分析

利用实况观测资料及NCEP1°×1°再分析资料和位涡理论,对2011年4月28-29日发生在中国北方的一次强沙尘暴发生机制进行研究.结果表明:500 hPa强斜压槽为此次沙尘暴的主要影响系统,同时,高原到新疆低层暖高压为沙尘暴的发生提供了有利的不稳定条件;沙尘暴主要发生在地面冷锋后部,是一次锋面后部大风型沙尘暴过程,地面3h变压(▽P3)对沙尘天气的移动路径有明显的指示作用;强沙尘暴发生前CAPE增大,形成了有利的不稳定条件;500 hPa位涡对沙尘暴影响系统有明显的指示意义,0.5 PVU等值线可作为沙尘天气区的分界线;此次沙尘暴发生过程在位温剖面上表现为高纬的冷空气向低纬度扩展的过程;等熵面高值位涡系统由高层向低层下滑中,由于等熵面坡度增加和位涡守恒,使低层垂直涡度增大,导致地面气旋环流的发展和风速的增强,从而导致了此次沙尘暴天气的发生.     

引发强沙尘暴的蒙古气旋的动力特征分析

对造成2002年4月5—9日东亚地区一次引发强沙尘暴天气过程的蒙古气旋发生发展过程进行了动力学分析。结果发现,这次气旋发展发生在斜压区中,500 hPa涡度平流和对流层下部的温度平流、大气加热率均对气旋的发生有贡献;气旋的发展阶段以温度平流为主,在气旋发展最强盛阶段对流层下部温度平流的作用大于其他项;气旋减弱阶段大气加热率所起的作用占主导地位,涡度平流和温度平流作用较小;Q矢量锋生函数分析表明大气斜压性的作用不可忽视。位涡的垂直输送作用明显,并形成了对流层内的垂直位涡柱。在气旋的发生发展过程中,始终伴有高空急流,它不仅有利于气旋的发展,同时还激发了低空急流的出现,因此引发该次强沙尘暴的蒙古气旋发生发展过程中对流层内有高低空急流耦合作用。     

昭通一次区域性暴雨天气过程分析

利用常规气象观测资料,对2012年9月1 1日出现在滇东北的区域性暴雨天气过程进行诊断分析,结果表明:西太平洋副热带高压的快速东退有利于对流层中层低槽东南移动影响暴雨区;低层冷式切变的形成促使了西南涡生成并随切变线方向移动;中、低层强盛的不稳定能量的存在和水汽湿舌的形成为暴雨区提供了动力条件和充沛的水汽条件;低空急流的形成触发了不稳定能量的释放.这些条件的有效合理配置,造成了昭通区域性暴雨、局部大暴雨的出现.     

西北地区沙尘天气的时空特征及影响因素分析

利用1960—2005年西北地区135个台站的沙尘日数、月降水和气温资料,以及500 hPa高度场和太平洋海表温度资料,通过常规统计和诊断方法,分析了沙尘天气的时空特征及其影响因素。结果表明,除北疆北部外,西北地区大部分地方年平均沙尘日数在5 d以上,沙尘日数25 d以上的地方主要在南疆、青海西部、甘肃河西及中部地区以及宁夏、内蒙古中西部和陕北一带,而50 d以上沙尘高频区主要集中在塔克拉玛干沙漠周边地区以及巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和毛乌素沙地一带。沙尘天气在春季发生最频繁,而很少发生在秋季。近46 a年沙尘日数总体上呈显著下降趋势,在沙尘天气高发区的下降趋势更为明显。20世纪70年代中期开始,沙尘天气发生频数由较多期跃变为一个相对较少期。当北太平洋地区位势高度偏低,青藏高原至新疆500 hPa高压脊异常偏强,亚洲大陆中高纬高度场较常年偏高时,西北地区沙尘日数偏少,反之亦然。当春季太平洋海温表现为厄尔尼诺(拉尼娜)典型态时,同期沙尘日数偏少（多）。     

宁夏不同强度沙尘天气动力机制

利用常规气象观测资料和ECMWF逐6 h 0.25°×0.25°再分析资料,对宁夏2013年5月18日雷暴大风、2月28日大风沙尘和3月9日大风强沙尘天气过程的环流形势和高、低空急流的耦合作用进行了对比分析。结果表明:在“西高东低”环流形势下,受蒙新高压脊、西风槽、地面气旋和冷锋、高低空急流的共同影响,在中低层90°-110°E形成次级环流,对流层中上部高空急流和高位涡通过次级环流动量下传使中低层形成低空急流,同时在边界层发生强烈湍流混合,产生地面强风及沙尘,但由于冷空气强度及南下方式、高压脊线位置及强度、高低空急流活动的区域、低空急流南下位置、高空强风速下传的高度、次级环流的强弱不同,高层高位涡和低层850 hPa低空急流在宁夏上空活动与否,是导致宁夏出现不同强度风沙天气的重要动力因素。     

沙尘模式地表起沙参数不确定性分析

 起沙的参数化方法对沙尘天气的预报质量起着至关重要的作用。首先分析了目前应用广泛的沙尘模式中的参数土壤塑性压力P和cy对地表水平沙通量与垂直沙尘通量计算结果的影响,然后利用WRF-Chem3.0模式对2007年3月27—28日发生在我国西部地区的一次沙尘过程进行了模拟,分析了由于参数值选取的误差而造成沙尘模拟的不确定。结果表明,土壤塑性压力P对模拟结果有很大影响,P值的改变不仅影响PM10浓度大小的预测,而且还影响其浓度中心位置以及分布范围;cy值仅影响沙尘区域内PM10浓度大小的预测,对浓度中心位置和分布范围大小的预测没有影响。     

中国主要沙尘暴源区稳定同位素背景值初步研究

采用稳定同位素方法,对中国沙尘暴主要源区塔克拉玛干沙漠、柴达木盆地沙漠、库姆塔格沙漠、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、毛乌素沙地进行了采样分析。结果表明:22个样品¹⁸O和³⁰Si的δ值变化范围分别为9.6~14.8和-1.7~0.3,其中¹⁸O的δ值库姆塔格沙漠最大,柴达木盆地沙漠最小,³⁰Si的δ值毛乌素沙地最大,柴达木盆地沙漠最小。总体而言,样品中³⁰Si的δ值的变异系数要比¹⁸O的δ的变异系数大,因此³⁰Si更适合用于沙尘溯源。相邻的沙漠(沙地)呈现出³⁰Si的δ值相近的趋势,因此推断相邻的沙漠(沙地)沉积物可能来自同一地区。     

毛乌素沙地东南缘全新世气候不稳定性

毛乌素沙地处于中国季风区的西北边缘,对气候变化敏感,是古气候演化和古环境变迁研究的理想场所。全新世气温回暖期,气候整体稳定但存在暖湿冷干的次级波动,不同类型沉积相组成的地层序列记录了全新世千年、百年尺度的气候不稳定性。对毛乌素沙地不同沉积序列的研究表明:(1)毛乌素沙地东南缘的沙漠/黄土边界带DLT、NB剖面粒度及Rb/Sr比值可作为气候变化的代用指标。>63 μm砂含量增加,Rb/Sr比值降低,揭示东亚冬季风增强,风成砂堆积,风沙活动加剧,气候干冷;反之,东亚夏季风增强,降水增多,风化成壤程度加大,气候暖湿。(2)毛乌素沙地东南缘沙漠/黄土边界带及低洼沟谷区年代概率密度函数的分析显示,全新世早期~8\^5 ka BP风成砂堆积,风沙活动加剧,气候表现为干冷;全新世中期8\^5 ka~3\^0 ka BP地势较高处古土壤广泛发育,地势低洼处发育湖沼相/泥炭层,但在6.0 ka BP左右存在气候转冷过程;全新世晚期3\^0 ka BP以来气候波动频繁。(3)毛乌素沙地气候变化与北大西洋冰筏冷事件、董哥洞石笋、季风边缘区湖泊、东部沙地等记录具有可对比性和相对一致性,反映出全新世千年和百年尺度上的气候变化主要受全球变化的影响,这对预测和模拟未来气候变化具有借鉴意义。     

我国西北地区4.5沙尘暴天气研究

对１９９４年４月５日发生在中国西北地区的一次强沙尘暴天气，从天气事实、天气学成因以及动力诊断等方面进行了探讨分析，揭示了形成东大风沙尘暴天气的物理机制。采用ＮＣＡＲ客观分析方案进行的动力诊断表明，（１）地面热低压与正涡度中心相互对应，涡度随高度迅速减小（ξＺ＜０），有利于中低压的发展加强，沙尘暴产生在正涡度区域内；（２）沙尘暴垂直环流特征是南疆至河西中、东部发展一庞大的垂直环流圈，环流中心在１５０～２００ｈＰａ层，它起到组织低空中尺度系统的重要作用；（３）在南北经向剖面上，蒙古高压是一个非常深厚的大型天气系统，它一直伸展到对流层上部，形成了自南向北的正环流圈，在高压南部的上升气流中激发大风和沙尘暴；（４）４·５沙尘暴后期低层大气层结稳定，不利于浮尘消散，故浮尘持续时间长     

一次秋季沙尘暴的诊断和天气雷达观测分析

使用NCEP 1°×1°每天4次的再分析资料对2006年10月5日发生在甘肃、内蒙古西部、蒙古国南部沙尘暴天气的位势涡度、干侵入、局地垂直螺旋度进行了诊断分析。分析结果表明：对流层高层的高位势涡度库位势涡度柱向下、向南伸展,在等熵面陡立处,垂直涡度分量急剧增大,使锋面低压迅速发展,低空急流形成;高空干冷空气向东南下侵,蒙古国南部从西到东的大风、沙尘暴由下滑冷锋引起,持续时间长,强度强;河西走廊、内蒙古西部的大风、沙尘暴由上滑冷锋引起,持续时间短,强度相对弱。利用张掖CINRAD-CC天气雷达观测数据对导致张掖沙尘暴的β中尺度双阵风锋结构进行了初步分析,认为第二条阵风锋使风速忽然加大,阵风锋的辐合上升使沙尘扬起抬升,能见度讯速下降。     

民勤“2010.4.24”黑风天气过程的稳定度分析

 2010年4月24日民勤出现黑风天气,给当地经济和社会造成严重影响。利用民勤黑风发生前后2010年4月24日08时~25日08时的探空观测资料,对大气不稳定能量、热力参数“V—3θ”和动力参数“相对风暴水平螺旋度”进行了计算分析。结果表明：黑风发生时,民勤近地面存在正不稳定能量,促使黑风在近地面层爆发性发展,使沙尘粒子在正不稳定能量区聚积,形成黑风墙。民勤黑风爆发前和爆发时大气温湿结构呈现出上湿下干的分布特征,低层湿度较小不利于降水产生,为沙尘扬起提供了较好的垂直方向的环境场条件;黑风爆发前大气层结500 hPa以下风场的垂直分布形成顺时针滚流,为对流性不稳定层结,气层有利于黑风生成和发展;黑风过境后,风场的垂直分布顺时针滚流下降至700 hPa以下,说明大气层结的对流不稳定层结变薄、减弱,700～500 hPa存在逆时针滚流,抑制上升运动,预示黑风将减弱。黑风爆发期间在河西走廊中部存在一个相对风暴水平螺旋度负值中心,中心值达到-870 m2 /s2,远小于强沙尘暴发生的临界值-600 m2 /s2,沙尘暴的强度与相对风暴水平螺旋度负值中心存在很好的对应关系。当民勤测站的相对风暴水平螺旋度＜0,其上游存在≤-600 m2 /s2的最小中心时,民勤测站将出现强沙尘暴;当民勤测站的螺旋度＜0,其上游存在正值中心时,下游存在负值中心时,民勤测站的沙尘暴结束,能见度好转。     

东亚沙尘区域时空变化特征分析

沙尘天气是东亚地区常见的灾害性天气之一,强沙尘天气的发生不仅导致建筑物倒塌、人畜伤亡、植被破坏,还会导致火灾、空气污染等环境问题,对人体健康、社会经济活动及其全球沙尘循环产生重要影响。然而从东亚地区沙尘天气在长时间序列区域特征角度上系统分析的研究较少。基于此,本文利用1981—2019年东亚地区697个地面气象站点沙尘数据,分析了其区域时空分布特征。结果表明：空间上,东亚沙尘天气集中在位于内陆干旱区的蒙古国和中国西北地区,其中弱沙尘天气集中在中国北方地区,而强沙尘天气则集中在蒙古国。月变化上,东亚沙尘天气集中在春季（3—5月份）,在相对低纬度的中国青藏高原北麓沙尘天气3月份最多,位于中纬度的中国北方大部分地区4月份最多,而较高纬度的哈萨克斯坦东部和蒙古国5月份最多。年际变化上,40a间东亚沙尘呈减少趋势,尤其是在2000年之后多项生态工程的有效实施下中国北方大部分区域沙尘天气显著减少,但近几年内蒙古中西部地区强沙尘天气呈增长趋势;在生态环境较脆弱的蒙古国和塔克拉玛干沙漠等区域弱沙尘天气和强沙尘天气均呈增长趋势。本研究对准确地掌握东亚沙尘分布特征和防范沙尘灾害具有重要意义。     

毛乌素沙地15ka以来气候变化及沙漠演化研究

通过对毛乌素沙地东南缘的三道沟剖面进行沉积学分析,结合常规14C和光释光测年结果,并与已有研究进行对比,将毛乌素沙地15ka以来的演化过程分为4个阶段:15ka以前,处于末次冰期极盛期的后期,冬季风活动强烈,气候干冷、风蚀强烈,沙漠处于活化扩张阶段;15～6.33kaBP,气候逐渐回暖,风力减弱,但沙丘仍处于活化状态,期间可能有气候的暖湿波动;6.33～3.5kaBP,夏季风活动较强,冬季风活动较弱,气候总体温暖湿润,沙丘固定、沙漠退缩,其中又存在一些干冷波动,5kaBP前后气候曾发生突变;3.5kaBP以来,冬季风活动又逐渐增强,夏季风活动减弱,气候寒冷干燥,风沙活动增强。     

2000a B.P.来毛乌素地区的沙漠化问题

对最近2000aB．P．来毛乌素地区的沙漠化研究表明，现今流沙的分布范围与气候之间“不平衡”，毛乌素沙地并非气候演变的“顶极产物”，而是在特定的自然条件下过度的人类活动使“古沙翻新”的结果，但古沙翻新的形式在不同的地貌位置有所不同。同时，萨拉乌苏组中的古风成砂并非现代流沙的唯一沙源，还有相当一部分来自黑垆土之下的古风成砂。如果未来温室效应继续导致全球变暖，毛乌素沙地不会南侵，有向北退缩的可能。     

影响中国西北及青藏高原沙尘天气变化的因子分析

利用1948—2006年的NCEP(2.5°×2.5°)月平均再分析资料,分析了影响西北及青藏高原沙尘天气变化的动力、热力因子。结果表明:①200 hPa副热带西风急流是影响沙尘天气的动力因子,高层天气系统的季节性变化,导致了其位置及强弱的季节性变化,从而导致了高原南部扬沙、沙尘暴季节性南北移动;急流的动力结构使局地环流得以形成,局地环流的下沉支流使得高空动量下传,使地面风速增大,从而使扬沙和沙尘暴发生。②浮尘和扬沙、沙尘暴天气成因有所不同,地表温度等热力因素对浮尘天气有直接影响;而急流等动力因子则影响浮尘天气的频率,对发生范围影响较小;动力因子是扬沙、沙尘暴发生的直接原因;500 hPa锋生函数大值带的季节性南北移动也是扬沙、沙尘暴南北季节性变化的重要原因。③500 hPa水汽输送带的边缘是扬沙和沙尘暴容易发生的区域。④地表湿度是沙尘天气发生的一个因子,当地表较干时,沙尘天气发生频率增加,而当地表湿度增大时,沙尘天气发生的频率减小。     

基于RS、GIS两大沙漠边缘带土地利用/覆盖对近十余年来气候变化的响应研究

以1986年与2000年两期TM遥感解译影像为基础,运用GIS空间分析手段,借助多个土地利用分析模型,对我国北方腾格里与毛乌素两大沙漠边缘带土地利用空间变化特点进行了分析,揭示出上世纪80年代后期至本世纪初的十余年来两大沙漠南缘带土地利用／覆盖对气候变化所做出的各具特色的响应方式。研究期内,研究区土地利用程度总体得到提高,其中东部毛乌素地区提高速度高于西部,中部宁夏部分高于两头陕西、甘肃部分。土地利用重心分布揭示出半干旱、干旱沙漠边缘带耕地与水资源分布的密切关系,同时,土地利用重心变化分析揭示山西部腾格里地区研究期内生态环境区域恶化,而东部毛乌素地区生态环境质量趋于好转。