气候与环境研究杂志

气候与环境研究杂志2015年第2期

• 天津冬季重霾污染过程及气象和边界层特征分析

  刘丽丽

  京津冀大气灰霾污染严重,天津市作为其核心组成之一其污染形势亦严峻。选取2013年2月20～28日天津重霾污染时段7站PM2.5(空气动力学当量直径小于等于 2.5 μm的颗粒物,即细颗粒物)和气态污染物数据,结合北京污染数据、地面气象要素、能见度、边界层温湿和风廓线、后向轨迹,深入分析重霾污染过程特征及气象和边界层成因。结果显示,研究时段天津PM2.5、SO2、NO2、CO和O3浓度均值为150、87、56、2.4和 22 μg m-3, 气态污染物各站差异显著,但仅有SO2全面超过国家空气质量一级标准(50 μg m-3),而PM2.5具有区域同步变化特征,且严重超标,是一级标准(35 μg m-3)的2～8倍,最高小时均值高达364 μg m-3;高浓度PM2.5是导致低能见度的主因,能见度小于10 km对应PM2.5阈值为50 μg m-3。弱风和高湿度导致局地排放累积,PM2.5始增,在高湿度条件下,持续偏南风促使其稳步增加,配合弱北风和弱东风PM2.5震荡上扬,污染高值阶段,南北气流短时迅速切换,区域污染传输叠加污染的循环累积,PM2.5浓度峰值达到最高;除因边界层强东风导致的平流逆温外,高浓度PM2.5与平流逆温密切相关;高污染时段高湿主要集中在500 m以下,且随高度递减幅度较大;位于200～600 m的低空急流一定程度抑制污染上升,尤其持续强东风使PM2.5浓度稳步降低到二级水平,污染迅速有效清除最终依赖整层的强西北风。北京、环绕天津的河北中部和西南部地区对天津重污染有显著贡献。

• 陆面—水文耦合模式的参数率定及改进研究

  李敏

  基于淮河流域的地形、岩石地质类型等空间分布特征,对陆面—水文耦合模式CLHMS1.0(Coupled Land Surface-Hydrological Model version 1.0)的河道曼宁糙率系数、水力传导度两个关键参数进行了率定;在此基础 上,通过基于CLHMS1.0的多组敏感性试验,分析了河道曼宁糙率系数、水力传导度对CLHMS1.0模拟淮河流域水文过程的影响。研究结果表明,淮河流域上游王家坝子流域曼宁糙率系数的减小,可以显著提高模式对王家坝水文控制站上游模拟的水流流速,减小了模式对王家坝洪峰来临时间模拟偏迟的误差;依据淮河不同子流域的岩石地质类型选定更为合理的水力传导度参数后,模式对淮河流域河道流量等水文过程的模拟更为准确。利用参数率定后的CLHMS1.0对淮河流域1980～1987年逐日水文过程进行了模拟,与观测实况比较结果表明,采用了新的河道曼宁糙率系数和水力传导度参数后,模式对淮河流域逐日水文过程的模拟能力显著提高,且可以更合理地模拟出地表产流和地下水补给对流域河道流量的相对贡献。

• 土地利用变化对20世纪中国地区气候干湿变化的影响

  夏江江

  利用CMIP5耦合模式历史情景和土地利用情景结果,定量评估了模拟的土地利用变化对20世纪中国地区气候干湿变化的影响。结果表明,土地利用的变化加剧了20世纪中国地区干旱化的进程,其贡献约为1/3。其中,湿润区具有显著变干的趋势,土地利用变化的贡献约为35.4%;半干旱区显著变干,土地利用对半干旱地区变干的贡献不显著;两种情景下干旱区干湿变化都不显著。在土地利用情景下,中国地区土地利用的变化主要表现为一级土地的减少和牧草用地的增加,二者分别从国土面积的72.7%和12.9%(1901年)变为36.0%和41.9% (2004年),且1950年代之后变化速率显著增大。其中大面积显著的变化主要发生在青藏高原、内蒙古以及新疆北部地区,导致这些地区降水减少、温度降低,而降水减少带来的干旱化作用大于温度降低带来的变湿作用。

• 单次极端高温过程中城市热岛效应的识别

  张雷

  利用高密度自动观测站逐时气温资料和NCEP再分析资料,按照客观的标准选择参考站,分析2010年7月2～6日北京一次极端高温过程中城市热岛强度(IUHI)对城区地面气温时空分布的影响。此次高温过程连续5日的日最高气温均超过35.0 ℃,为北京站1951年以来连续5日平均最高气温的最高值。大陆暖高压控制我国大部分地区,北京处于高压脊前,西北气流下沉增温,加之气流越山引起的焚风效应,是导致此次极端高温过程发生的环流背景。但受城市热岛效应影响,最高、最低和平均气温的空间分布均出现了以城区为中心的高值区,从城区中心向郊区平均IUHI逐渐减小,最低气温IUHI较大,四环线以内5日平均IUHI达到2.93 ℃,四、五环线之间1.87 ℃,五、六环线之间1.43 ℃;最高气温IUHI较小,但四环线以内,四、五环线之间和五、六环线之间5日平均IUHI仍分别达到1.45 ℃、0.96 ℃和0.72 ℃。在7月3～6日夜间,四环内IUHI极值均在3.00 ℃以上,特别是7月6日凌晨达到5.50 ℃;白天IUHI相对较小,其中2日早晨甚至还出现了负值。城区各地带IUHI日变化规律几乎同步,具有两个相对稳定阶段和两个快速变化阶段。稳定的强IUHI阶段从21:00(北京时间,下同)持续到次日05:00,稳定的弱IUHI阶段从08:00至18:00;05:00至08:00是IUHI快速衰减阶段,而18:00至21:00是IUHI快速上升阶段。因此,城市热岛效应对北京城区夏季单次极端高温过程的强度及其空间分布具有显著影响,在很大程度上加重了城区特别是中心城区的高温影响。

• 均匀裸土地表土壤热通量计算方法对比及对能量闭合的影响

  郭阳

  利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"的观测资料,对6种地表土壤热通量计算方法(PlateCal法、TDEC法、谐波法、热传导对流法、振幅法和相位法)进行比较,检验了6种方法在不同干湿地表状况下的适用性,并研究了6种方法计算地表土壤热通量的差异以及对地表能量闭合度的影响。结果表明:一般情况下,PlateCal法计算的2 cm土壤热通量与观测值最接近,计算结果的均方差为6.9 W/m2。在不同干湿地表状况下,干燥和降水条件下适合使用PlateCal法,计算结果的均方差分别为14.0 W/m2和30.1 W/m2;湿润条件下适合使用谐波法,计算结果的均方差为21.4 W/m2。6种方法计算的地表土壤热通量存在明显差别,最大相差178.6 W/m2,不同方法计算地表土壤热通量的最大差值超过25 W/m2的时次占样本的96.3%。不同方法计算地表土壤热通量的差异对地表能量闭合度的大小有明显影响,但不影响近地层能量闭合度随湍流混合增强而增大的规律。

• 基于PR和VIRS融合资料的东亚台风和非台风降水结构分析

  陈凤娇

  借助JAXA/EORC 热带台风数据集资料,实现了台风区和非台风区的分离,在此基础上,利用热带测雨卫星搭载的测雨雷达和可见光/红外扫描仪的融合观测资料,对1998～2007年东亚雨季台风及非台风降水的气候特征和降水云红外信号特征进行了分析。结果表明:1)东亚台风降水强度谱较非台风降水谱更宽,特别是对流降水主要分布在5～20 mm/h之间;强降水更多,主要分布在东亚洋面。2)雨季东亚降水的主要形式是非台风层云降水,但台风降水对局地降水量的贡献也不容忽视,例如台湾以东附近洋面可达20%。3)台风降水云亮温海陆分布差异显著;其雨顶高度在4～9 km(层云)和4.5～12.5 km(对流)之间均有分布,较非台风降水雨顶高度谱更宽。4)不同等级的台风在降水强度、覆盖区域和云顶10.8 μm亮温分布上差异大。

• 基于自动站观测的北京夏季降水特征

  郑祚芳

  应用2007～2011年北京地区237个自动气象站资料,分析了北京夏季降水的精细化时空分布特征及城郊差异,结果表明:(1)北京大部分地区夏季平均有效降水时数约120～160 h,降水时数高值区主要位于北部怀柔、密云山前迎风坡一带。城、郊区间有效降水时数差异并不明显,城市化对局地降水强度有较明显影响。(2)北京夏季降水主要出现在傍晚到前半夜,凌晨到正午降水较少出现。夏季平均降水量极大值出现在17:00(北京时间),为3.2 mm/h。降水量存在较明显的周期变化特征,其中7 d左右的周期是主周期。(3)夏季城区平均降水量多于郊区,城、郊雨量差异主要来自较强降水过程。城市效应会导致城区弱降水事件的减少,亦会导致较强降水事件的增多。(4)城、郊区间降水持续时长的差异主要由较强降水过程决定,多数情况下城区降水持续时长大于郊区,午后到前半夜发生的降水尤甚。

• 南岳电线积冰标准冰厚气候特征

  张剑明

  利用1957～2012年南岳高山观测站逐日覆冰资料,对南岳覆冰标准厚度和覆冰日数的时间演变、突变和周期变化进行分析,并推算出南岳各重现期的标准冰厚,结果表明:1)南岳南北向和东西向标准冰厚年代际变化非常相似,呈现偏大—偏小—偏大—偏小—偏大的年代际变化;冰冻日数在20世纪60年代中后期之前,90年代中后期之后冰冻日数偏少,60年代中后期到90年代中后期冰冻日数偏多。2)冰冻在1～4月、10～12月均有发生,其中1月出现天数最多,占全年的31.8%。3)滑动t检验分析发现,南岳东西向和南北向标准冰厚在20世纪60年代末有减小的突变,冰冻日数在近56年没有出现明显突变。4)Morlet小波和小波功率谱分析发现,南北向和东西向标准冰厚存在显著的2～3年、4～6年振荡周期;冰冻日数存在显著的2～4年、5～7年振荡周期。5)基于Pearson III型概率分布统计发现,各重现期东西向标准冰厚均较南北向标准冰厚要大,其中20年一遇南北向和东西向标准冰厚分别为76.33、85.22 mm,10年一遇南北向和东西向标准冰厚分别为60.86、69.57 mm。6)分析气象要素对覆冰的影响发现,覆冰期气温较无覆冰期要低,相对湿地要大,能见度要小,覆冰期风向以偏北风为准,无覆冰期风向以偏南风为主,覆冰期平均风速较无覆冰期风速要小。

• 1961～2010年黄河中下游地区24节气气候变化特征分析

  冀翠华

  24节气是我国古代劳动人民的独特创造。全面掌握"24节气"的气候变化规律,不但有利于指导农事生产,提高气象服务质量和水平,而且在为人类预防和治疗疾病方面也有重要意义。在全球变暖的气候背景下,统计分析了1961～2010年黄河中下游地区24节气的气温、湿度、风速等6个气象要素的变化特征,得到以下结论:黄河中下游地区随节气变换气候变化显著,大暑、小暑节气高温高湿,小寒、大寒节气寒冷干燥,清明节气寒温反复大风将至,霜降节气天气渐凉秋燥加剧等。50年内,春季型节气(平均、最高、最低)气温显著升高,冬季型节气最低气温升高显著。气压随节气变化特征与气温大致相反,夏、秋季节气有升压趋势。相对湿度与降水均呈减少趋势,以秋季型节气减小趋势最明显。春季风速最大,夏、秋季风速最小,所有节气风速均呈减小趋势,冬夏季节气日照时间呈缩短趋势。

• 植物种群资源竞争与共存的理论模型研究

  王锋刚

  自然生态系统不同植物种群之间存在着广泛的竞争,且多种植物种群可以共存,即具有生物多样性。经典的资源竞争模型(莫诺模型)支持生态学上的"竞争排斥原理",不适用于阐释自然生态系统不同植物种群间的竞争与共存。根据植物生态系统的特点,引入植物种群的生长率随着物种个体大小/个体数增加而逐渐趋于饱和的性质,建立自抑制资源竞争模型。该模型与莫诺模型的本质区别在于,物种的临界可利用资源随种群密度增加而上升,从而可以达到不同物种间的平衡。数学分析及数值模拟结果表明,该模型可允许多物种稳定共存(即共存的物种种类数可以多于供给其生长的资源种类数),同时优势物种随资源供给率增加而依次变化。

• 水稻覆膜节水种植对NO排放的影响

  杜雁冰

  为保障粮食安全和节约水资源,水稻覆膜节水技术正越来越多地被农业生产部门运用到水稻生产中。但是,与传统种植模式(采用淹水与烤田相结合的间歇灌溉)相比,水稻覆膜节水种植模式通过改变土壤条件,引起稻田生物地球化学过程变化,进而使得大气环境污染性气体一氧化氮(NO)的排放发生变化。为了定量研究两种种植模式的NO排放差异及其关键控制因子,采用静态暗箱—化学发光法,对不同种植模式下两种施肥条件(常规施肥与无氮肥对照)的水稻—休耕系统NO排放通量及其环境因子进行了原位周年观测。结果表明,水稻生长季NO排放主要发生在中期烤田阶段,覆膜节水种植模式的NO通量多高于常规淹水种植模式,水稻生长季NO排放系数分别为0.12%和0.016%,主要原因是覆膜节水种植模式提高了土壤温度和氧化还原电位。在休耕季,两种种植模式的NO排放都与土壤湿度呈显著负相关。覆膜节水种植模式全年NO排放有大于传统种植模式的趋势,其排放系数分别为0.15%和0.032%,但需时间更长地点更多的试验研究加以证实。