Changes of Accumulated Temperature, Growing Season and Precipitation in the North China Plain from 1961 to 2009

Using the high-quality observed meteorological data, changes of the thermal conditions and precipitation over the North China Plain from 1961 to 2009 were examined. Trends of accumulated temperature and negative temperature, growing season duration, as well as seasonal and annual rainfalls at 48 stations were analyzed. The results show that the accumulated temperature increased significantly by 348.5℃ day due to global warming during 1961-2009 while the absolute accumulated negative temperature decreased apparently by 175.3℃ day. The start of growing season displayed a significant negative trend of -14.3 days during 1961- 2009, but the end of growing season delayed insignificantly by 6.7 days. As a result, the length of growing season increased by 21.0 days. The annual and autumn rainfalls decreased slightly while summer rainfall and summer rainy days decreased significantly. In contrast, spring rainfall increased slightly without significant trends. All the results indicate that the thermal conditions were improved to benefit the crop growth over the North China Plain during 1961-2009, and the decreasing annual and summer rainfalls had no direct negative impact on the crop growth. But the decreasing summer rainfall was likely to influence the water resources in North China, especially the underground water, reservoir water, as well as river runoff, which would have influenced the irrigation of agriculture.     

气候变化与清代华北平原动乱事件关系分析

以《清实录》为历史数据源,以事件频次（县次/年）为代用指标,重建清代（1644—1911年）华北平原动乱事件序列。结果表明：世纪/年代尺度上的冷期或降温阶段的动乱频次高于暖期或升温阶段;干旱事件对动乱的触发作用比洪涝明显,干旱指数与动乱频次显著正相关,19世纪3次大规模农民起义均发生在极端旱灾背景下。上述对应关系在不同时间尺度上的显著程度有所不同,较短时间尺度（年代/年）上的规律在清代早期不明显,从18世纪末开始,随着人-地矛盾的激化逐渐明显,其程度随时间推移而加强。     

京津冀平原地区灰霾天气的年代变化

首次利用高时空密度机场逐时能见度和天气现象的历史数据(1961～2006年), 对京津冀平原地区的灰霾天气现象进行了分析研究。初步的研究结果表明:(1)该地区的灰霾天气具有年代演变特征, 从20世纪90年代开始, 该地区的灰霾天气从局地性演变为区域性;(2)20世纪70年代中期至20世纪90年代初期, 该地区的大城市(如北京和石家庄)灰霾天气日数呈增加的趋势, 而中小城市却呈现出下降的趋势;考虑到这一时期经济高速增长的现实, 而中小城市的灰霾却表现出减少的趋势, 这一现象从污染控制的角度值得关注和借鉴;(3)20世纪70年代以前, 北京与石家庄的灰霾日数基本相同(100 d左右), 但20世纪70年代中期以后石家庄地区急剧增加并大幅超出, 超出的幅度近100 d左右;考虑到城市化对灰霾的影响以及北京地区的城市化水平远大于石家庄地区, 这一现象值得进一步深入研究。     

华北平原近45年气候变化特征分析

为研究华北平原气候时空变化特征,选用华北平原53站1961—2005年逐日气象资料,采用趋势分析法分析华北平原主要气候要素时空演变特征,利用M-K突变检验法确定气候要素突变年。结果表明:年平均气温升高趋势明显,尤其是20世纪90年代以后;降水量总体变化趋势不明显,20世纪80年代中后期开始,由多雨期转为少雨期;近45年来华北平原的气候经历了一个"冷湿-暖干"的变化过程;年日照时数减少趋势明显。华北平原增温主要在1—4月;降水量在多雨的4月、7、8月减少趋势明显;光照变差的主要原因是夏季和冬春季日照时数的减少。空间上,南北之间温差呈减小趋势,而降水量和日照时数之差则相反。气温升高使得积温增加,热量资源更加丰富。     

1980～2010年华北平原农田土壤有机碳的时空变化

利用农业生态系统过程模型(Agricultural Production Systems s IMulator,APSIM),研究了1980~2010年间中国华北平原农田土壤有机碳(Soil Organic Carbon,SOC)的时空变化。模型验证结果表明,校正后的APSIM模型总体能够较好地模拟徐州、郑州和昌平3个长期定位试验站点中各处理下小麦和玉米的产量变化以及SOC的变化。区域模拟结果显示,1980~2010年间华北平原大部分农田SOC呈增加趋势,仅河北省的北部、山东省中部和东部部分地区农田SOC减少。华北平原总的农田面积约为24.52 Mha(1 ha=0.01 km2),其SOC密度的平均变化速率为0.35 Mg(C)ha-1 a-1,总的SOC贮量增加了约257.43 Tg。在京津冀地区、山东省以及河南省的农田中,SOC分别平均增加了102.05、59.82、95.56 Tg。SOC的增加,主要归功于过去几十年里外源碳投入量的增加。     

华北平原地下水灌溉对区域气候影响的数值模拟

在耦合模式WRF/Noah-MP中加入考虑地下水过程的动态灌溉方案,设计两组试验（分别为考虑和不考虑地下水灌溉）,连续模拟10 a（2001—2010年）,来研究华北平原地下水灌溉的区域气候效应。结果表明,地下水灌溉导致华北平原地下水位下降,在少雨的季节灌溉量大,水位下降较快。在灌溉期（3—9月）,灌溉引起的土壤湿度升高影响了地表能量的分配（潜热增加,感热减少）,导致2 m气温显著降低0.6—1.0℃,同时也降低了灌溉区夏季模拟偏高的气温。灌溉对灌溉区边界层大气有升高湿度和冷却降温的作用,对春季的影响局限在边界层内,而夏季的影响持续到5000 m以上。夏季灌溉对降水的影响远强于春季,灌溉的升高湿度和冷却效应分别对夏季降水产生正反馈和负反馈,共同影响灌溉区的降水变化。灌溉通过对水汽输送的影响,引起非灌溉区降水的变化,而长江中下游流域夏季降水的增多可能与高空西风急流轴位置南移有关。      

华北地区未来气候变化的高分辨率数值模拟

使用20km高水平分辨率的区域气候模式RegCM3,单向嵌套FvGCM/CCM3全球模式,进行了中国区域气候变化的数值模拟试验,分析华北地区夏半年4-9月的气温、降水和高温、干旱事件的变化。模式积分时间分为两个时段,分别为当代的1961-1990年和在IPCC SRES A2温室气体排放情景下的21世纪末2071-2100年。模式检验结果表明:在大部分月份,区域模式对当代气候的模拟都较全球模式更好。两个模式模拟的未来气温和降水变化,在空间分布型和量级上都有一定不同,如区域模式的升温更高,降水出现大范围减少等。此外,使用日最高气温不低于35℃的日数(D_(T35))和考虑了湿度因素的炎热指数(I_(H))不低于35℃的日数(D_(H135)),分析了区域模式模拟的未来高温事件变化,结果表明:未来华北地区D_(T35)和平原地区D_(H135)均有较大增加。未来华北地区的连续干旱日数(CDD)将增加,依照UNEP(United Nations Environment Programme)干旱指数(A_(U))给出的气候湿润区将有较大幅度减少,而半湿润半干旱区和半干旱区面积将增加。     

Changes in Persistent and Non-Persistent Flood Season Precipitation over South China During 1961-2010

The characteristics and possible causes of changes in persistent precipitation（PP） and non-persistent precipitation（NPP） over South China during flood season are investigated using daily precipitation data from 63 stations in South China and NCEP/NCAR reanalysis data from 1961 to 2010. This investigation is performed using the Kendall＇s tau linear trend analysis, correlation analysis, abrupt climate change analysis, wavelet analysis, and composite analysis techniques. The results indicate that PP dominates total precipitation over South China throughout the year. The amounts of PP and NPP during flood season vary primarily on a 2–5-yr oscillation. This oscillation is more prominent during the early flood season（EFS; April–June）. NPP has increased significantly over the past 50 years while PP has increased slightly during the whole flood season. These trends are mainly due to a significant increase in NPP during the EFS and a weak increase in PP during the late flood season（LFS; July–September）. The contribution of EFS NPP to total flood season precipitation has increased significantly while the contribution of EFS PP has declined. The relative contributions of both types of precipitation during LFS have not changed significantly. The increase in EFS NPP over South China is likely related to the combined efects of a stronger supply of cold air from the north and a weaker supply of warm, moist air from the south. The increase in NPP amount may also be partially attributable to a reduction in the stability of the atmosphere over South China.     

华北区域环流型与河北气候的关系

利用Lamb-Jenkinson方法和NCEP/NCAR再分析的1951—2006年月平均海平面气压场资料,对华北区域环流进行分型并分析了对河北气候的影响。结果表明,影响华北的主要环流型有8种（A、SW、NE、W、C、N、ANE、AN）,占全部环流型的64.43%。冬季主要盛行A、NE环流型,夏季主要盛行SW、C环流型,冬季最主要的环流型A和夏季最主要的环流型SW出现次数呈反相变化。河北夏季降水量与SW出现次数呈明显的同相变化,而与A型出现次数呈非常好的反相变化,即冬季A环流型出现多,夏季SW环流型出现就少,夏季降水量就少,反之亦然。冬季的主要环流型在20世纪60年代中期发生了明显改变,夏季环流型在60年代和70年代发生了两次明显改变,之后基本维持改变后的环流型。河北气候与区域环流型变化有很好的对应关系。     

近30年华北平原冬小麦有效积温的变化

气候变化和以品种变化为代表的技术进步是影响作物有效积温的主要因子。受此影响,近30年来我国农作物的实测有效积温发生了显著变化。利用1981-2012年华北平原65个农业气象观测站冬小麦发育期观测数据与同期气象资料,分析了在气候变化和技术进步背景下冬小麦主要发育阶段所需3℃以上有效积温的区域分布特征,及其随年份和发育阶段内平均温度的变化特点。结果表明:1)有效积温在播种-越冬开始阶段大体上自西向东增加,返青抽穗从北向南递减,抽穗-成熟规律不明显。全生育期(播种-成熟)大致从北向南递减。2)有效积温在播种越冬开始阶段变异系数最大,在全生育期最小,且具有各自的区域分布特点。3)平原东北部有效积温随时间的趋势在播种越冬开始、返青-抽穗阶段为负值,在河南南部的返青-抽穗阶段也为负值;其他区域的趋势值基本上均为正值,平原中西部正值最大。4)有效积温与发育阶段内平均气温的关系,除个别站点在抽穗成熟期存在负相关外,其他发育阶段均为正相关,且大部分站点通过显著性检验。5)营养生长阶段(播种-越冬开始、返青-抽穗)内平均气温对有效积温的解释率高于年份的,而生殖生长阶段则相反,表明气温变化对营养生长的影响可能高于技术进步的影响,而在生殖生长阶段技术进步的影响可能高于气温变化的影响。     

华北平原对流风暴的个例分析

应用较详细的卫星云图,多普勒雷达和探空资料对一次强对流风暴进行了综合分析研究,得出了具有一定特色的对流单体组合与垂直结构图象。     

华北地区农业干旱预测模型及其应用研究

对华北地区冬小麦进行了水分胁迫实验,确定了冬小麦光合作用速率对水分胁迫的响应曲线,提出了农业干旱指数和农业干旱预警指数两个基本概念,在此基础上建立了具有明确生物学机理的华北农业干旱预测数值模式。对北京、石家庄、郑州和济南1998年至2000年432旬的农业干旱模拟结果表明：农业干旱预警定性准确率为90.7%,定量准确率在87.5%左右;此外,模拟表明模式也可以对区域农业干旱进行准确有效的预测。利用1961~2000年气象资料对北京等地区历年农业干旱进行数值分析,结果表明：不同于大气干旱,在自然气象条件下,北京等地区作物生长期内几乎每年都存在农业干旱现象,特别是冬小麦灌浆至成熟期每年均存在一次较为严重的农业干旱胁迫过程,但农业干旱胁迫程度年际间存在一定波动,功率谱分析表明其具有3~6年的周期变化规律。对平均气候状况下华北地区农业干旱进行了时空动态分析,结果发现在自然条件下,华北大部分地区冬小麦4月下旬至5月下旬,即大约在冬小麦开花、灌浆至成熟期,农业干旱胁迫指数存在一种自然的逐渐加强的动态过程,这与华北地区的农业生产实践是基本一致的。     

华北平原一次大雾天气过程的数值模拟

应用非静力平衡中尺度模式MM5V3,模拟分析了2005年11月19-21日发生在华北平原的一次大雾天气过程.结果表明,本次大雾是发生在相对稳定的大气环流背景下的辐射雾.模拟的天气形势与实况基本一致,模拟雾在范围、强度、生消时间等方面基本反映了实际大雾的生消变化规律.近地层逆温的维持和充沛的水汽条件对雾层长时间维持起着重要作用.诊断分析表明,大雾维持期间,雾区近地面层处在弱的水汽辐合区;900 hPa以上为辐散区和负涡度区,整层大气中下沉运动占主导,大规模的下沉辐散运动有利于中低层大气增温,与近地层的辐射降温相配合,有助于边界层内形成逆温;冷暖平流的作用也有助于逆温形成;地面和大气的长波辐射冷却,是最主要的降温因子;太阳短波辐射是导致大雾减轻及日变化的主要原因.     

2013年1月华北地区重雾霾过程及其成因的模拟分析

2013年1月11~14日,华北地区经历重雾霾过程。为了探讨其形成原因,利用大气化学模式系统Weather Research and Forecasting(WRF)-Chem模拟2013年1月华北地区气溶胶的时空变化。模拟的能见度、气象要素(温度、湿度、降水、风速和风向)以及细颗粒物(PM2.5,大气中直径≤2.5μm的颗粒物)地表浓度的时间变化与近地面观测值都较为吻合。模拟结果表明,1月11~14日,细颗粒物高值分布于河北省南部和东部、天津地区以及北京地区,其日均值约为400~500μg m–3。通过与历史气候数据比较发现,2013年1月10~15日华北地区的气象条件表现为较大的相对湿度正距平(20%~40%)以及风速的负距平(-1 m s–1)。北京站点的探空数据还表明,在1月11~13日期间,垂直方向上,1 km以下的大气中存在明显的逆温层,并且湿度保持较高的值(80%~90%)。模拟结果表明,1月11~14日,近地面南向风和东向风将水汽输送到华北地区,上层大气(850hPa)的西北风则将沙尘输送到华北地区。以上气象条件有利于气溶胶的吸湿增长和浓度的聚集。硝酸盐的收支分析表明,在北京地区,与1~9日相比,10~14日夜间化学生成和传输的显著增加都贡献于硝酸盐浓度,是重雾霾形成的主要原因。     

Comparison of column-integrated aerosol optical and physical properties in an urban and suburban site on the North China Plain

The column-integrated optical properties of aerosol in Beijing and Xianghe, two AErosol RObotic NETwork(AERONET)sites situated on the North China Plain(NCP), are investigated based on Cimel sunphotometer measurements from October2004 to June 2012. The outstanding feature found is that the seasonal medians of aerosol optical depth(AOD) at the two stations are in good agreement. The correlation coefficients and the absolute differences between AOD at the two stations are larger than 0.84 and less than 0.05, respectively. Good agreement in AOD at these two sites(one urban and the other suburban; 70 km apart) indicates that aerosol pollution in the Greater Beijing area is regional in nature. However, we find significant differences in the absorption ?Angstr ¨om Exponent(AAE), the real and imaginary part of the refractive index, and thereby the single scattering albedo(SSA), and the difference is seasonally dependent. The feature is found to be more prominent in fall when the fine-mode fraction(FMF) and fine-mode effective radius are significantly different at the two stations,besides the parameters mentioned above. The SSA in Beijing at four wavelengths shows lower values as compared to those in Xianghe, although the difference is not significant in some cases. Significant differences in AAE and fine-mode effective radius indicate that there are differences in aerosol physical and chemical properties in urban and suburban regions on the NCP.     

Effects of additional HONO sources on visibility over the North China Plain

The objective of the present study was to better understand the impacts of the additional sources of nitrous acid （HONO） on visibility, which is an aspect not considered in current air quality models. Simulations of HONO contributions to visibility over the North China Plain （NCP） during August 2007 using the fully coupled Weather Research and Forecasting/Chemistry （WRF/Chem） model were performed, including three additional HONO sources： （1） the reaction of photo-excited nitrogen dioxide （NO~） with water vapor; （2） the NO2 heterogeneous reaction on aerosol surfaces; and （3） HONO emissions. The model generally reproduced the spatial patterns and diurnal variations of visibility over the NCP well. When the additional HONO sources were included in the simulations, the visibility was occasionally decreased by 20%-30% （3-4 km） in local urban areas of the NCP. Monthly-mean concentrations of NO3, NH＋, SO]- and PM2.5 were increased by 20%-52% （3-11μg m-3）, 10%-38%, 6%-10%, and 6%-11% （9-17 μg m-3）, respectively; and in urban areas, monthly-mean accumulation- mode number concentrations （AMNC） and surface concentrations of aerosols were enhanced by 15%-20% and 10%-20%, respectively. Overall, the results suggest that increases in concentrations of PM2.5, its hydrophilic components, and AMNC, are key factors for visibility degradation. A proposed conceptual model for the impacts of additional HONO sources on visibility also suggests that visibility estimation should consider the heterogeneous reaction on aerosol surfaces and the enhanced atmospheric oxidation capacity due to additional HONO sources, especially in areas with high mass concentrations of NOx and aerosols.     

华北平原不同生长发育期作物长势对气候因子的响应研究

利用卫星遥感归一化植被指数(NDVI)时间序列数据和站点气象数据,从农作物生长发育过程的角度,分析了1981~2008年华北平原农田在12个生长发育期(冬小麦8个、夏玉米4个)对降水和温度不同的响应特征。研究区农田植被指数对降水响应的滞后性强于对温度的滞后性,其中对降水最为敏感的是前1和前2个生长发育期,对温度最为敏感的是同期和前1个生长发育期。不同种类作物在不同时期对气候因子响应不同:冬小麦发育中后期、夏玉米发育中期,绝大多数站点植被指数与降水呈正相关;冬小麦生长发育前中期植被指数与温度呈显著甚至极显著正相关。冬小麦出苗期温度、返青期温度和返青期降水分别与不同时期植被指数显著相关,出苗期和返青期为研究区农田长势对气候因子响应的敏感期。     

在华北玉米生育期观测的16 m高度CO2浓度及通量特征

利用中国气象局固城农业气象生态试验站2004年玉米生育期通量观测资料,分析了CO2浓度和通量随玉米生长的变化,并估算了玉米生育期陆地与大气CO2净交换量。结果表明:CO2浓度变化对农户活动和作物生长极其敏感;浓度在整个生育期始终有明显的日变化规律,峰值（谷值）出现在日出（日落）前后,通量仅在7月中旬至10月上旬之间出现明显的日变化特点,且位相超前于浓度,开花期通量最大;玉米播种期、苗期和成熟后地面向大气净排放碳, 拔节至成熟前地面从大气净吸收碳;开花期碳吸收最强,其后依次为吐丝－乳熟期和拔节期。比较分析了目前流行的通量计算方法对碳吸收估计的影响,结果显示不同计算方法能产生高达160%的碳吸收估计偏差,应当引起重视。生态系统碳平衡分析结果表明,玉米地在生长季表现为弱碳汇（大约660 kg/hm2）,但这一结果可能低估了实际的碳汇强度,低估程度有待研究。     

Value-Added Products Derived from 15 Years of High-Quality Surface Solar Radiation Measurements at Xianghe,a Suburban Site in the North China Plain

Surface solar radiation(SSR) is a key component of the energy budget of the Earth’s surface, and it varies at different spatial and temporal scales. Considerable knowledge of how and why SSR varies is crucial to a better understanding of climate change, which surely requires long-term measurements of high quality. The objective of this study is to introduce a value-added SSR dataset from Oct 2004 to Oct 2019 based on measurements taken at Xianghe, a suburban site in the North China Plain; two va...     

统计降尺度法对华北地区未来区域气温变化情景的预估

迄今为止,大部分海气耦合气候模式（AOGCM）的空间分辨率还较低,很难对区域尺度的气候变化情景做合理的预测。降尺度法已广泛用于弥补AOGCM在这方面的不足。作者采用统计降尺度方法对1月和7月华北地区49个气象观测站的未来月平均温度变化情景进行预估。采用的统计降尺度方法是主分量分析与逐步回归分析相结合的多元线性回归模型。首先,采用1961～2000年的 NCEP再分析资料和49个台站的观测资料建立月平均温度的统计降尺度模型,然后把建立的统计降尺度模型应用于HadCM3 SRES A2 和 B2 两种排放情景, 从而生成各个台站1950～2099年1月份和7月份温度变化情景。结果表明:在当前气候条件下,无论1月还是7月,统计降尺度方法模拟的温度与观测的温度有很好的一致性,而且在大多数台站,统计降尺度模拟气温与观测值相比略微偏低。对于未来气候情景的预估方面,无论1月还是7月,也无论是HadCM3 SRES A2 还是B2排放情景驱动统计模型,结果表明大多数的站点都存在温度的明显上升趋势,同时7月的上升趋势与1月相比偏低。