干旱气象科学研究--我国北方干旱致灾过程及机理
【项目编号】GYHY201506001
【研究周期】2015年1月—2018年12月
【项目负责人】李耀辉
【项目承担单位】中国气象局兰州干旱气象研究所
【主要研究内容】
改进模式中关于干旱陆面过程与大气边界特征描述和参数化方案,提高模式的适用性;揭示干旱灾害形成的物理生物过程特征与机理,对其定量表述;揭示干旱灾害发展、解除与降水特征的关系,研发灾害发展、解除的精细化预测技术;深入认识干旱监测指数的区域适应性特征,发展干旱监测指数改进技术;揭示区域水分循环和陆-气水分交换过程的物理特征及其与干旱形成的关系,发展干旱预测技术。
【主要研究进展】
一、完成了外场综合观测试验布点
1、完成了外场综合观测试验布点,并投入运行,各项外场试验有序开展。
2、构建了我国北方陆气相互作用综合观测系统
为推进了干旱陆面过程和边界层观测试验的顺利开展,"干旱陆面过程及大气边界层特征综合观测试验"已经建成了以中心站、主站和辅站相互配合的陆气相互作用综合观测系统并投入运行,为项目顺利实施奠定了试验基础。
二、主要研究进展
1、研究了北半球中高纬度干湿变化及地表强化增温特征
AI指数表明全球变暖的背景下,全球陆地大部分地区存在变干的趋势,且不同空间尺度干湿变化的趋势也不相同:在半球尺度上,东半球明显变干,而西半球反之;在大陆尺度上,北美大陆整体呈现出先变湿后变干的趋势,北美大陆50oN以北的区域在70年代以前先变湿,之后逐渐变干,且从90年代开始,地表AI指数已经由正值变为负值,地表变干明显;而北美大陆50oN以南的区域整体变化趋势滞后于50oN以北的区域:地表先变湿后变干的转折点发生在90年代中后期。欧亚大陆地表整体变干的趋势更为显著,变干始于高纬度区域,逐渐向低纬扩张,变干最为显著的区域位于65oN和50oN左右的区域(图1)。
2、分析了北半球夏季环流低频项的变化
北半球夏季环流多年代际变化主要有三种分布型:欧亚中高纬度位势高度与极涡活动同位相的多年代际的变化;欧亚中纬度位势高度与极地极涡活动的反位相的多年代际变化;北大西洋与蒙古附近位势高度的同位相变化。在90年代之前,这三种变化型都比较明显,而在90年代之后,北大西洋与蒙古附近的位势高度的同位相变化型不明显(图2)。
3、认识了北半球主要干旱区降水再循环特征
干旱区降水再循环率高于其他地区,平均再循环率在中蒙、中亚和北非干旱区分别为11%、22%和26%。中蒙、中亚干旱区降水再循环率增加的同时蒸散发增加、降水减少,说明该地区更多的水分蒸发进入大气转化为降水,而在非洲干旱区降水再循环率为减少的趋势,同时蒸散和降水增加,说明该地区虽然蒸发进入大气的水分增加,但是并未转化为降水。
4、分析了中国北方地区土壤干旱的时空变化特征
1951-2008年我国北方地区土壤干旱呈现东部变干、西部变湿的鲜明的空间特征。而且持续时间超过12个月的干旱主要分布在我国西北的干旱区。
5、评估了不同干旱指标对我国北方干旱的检测能力
基于区域降水、气温和田间持水量的观测数据,评估了Palmer干旱指数(PDSI)、基于台站观测资料修正PDSI(PDSI_CN)、自我矫正PDSI(scPDSI)、地表湿润指数(SWI)、标准化降水指数(SPI)、标准化降水蒸散发指数(SPEI)
6、探讨了复杂下垫面地区地-气交换研究方法
采用Hilbert-Huang变换(HHT)技术,分析了奈曼地区谱分布特征,并与传统快速Fourier变换(FFT)方法对比,HHT变换可以更清晰地表现出湍流的频谱分布。且HHT技术可以识别稳定边界层中存在的强烈间歇性特征。对原始数据剔除湍流间歇后,重构后的湍流统计特征更好的满足近地面层相似性。
7、发现了春小麦、春玉米对干旱胁迫的响应特征
不同干旱胁迫处理春小麦灌浆速率:大部分处理越到成熟期灌浆速率逐渐减慢;不同干旱胁迫下,春小麦产量有所不同,充足灌水处理(80%FC)产量最高,其次为60%FC,而25%FC的处理产量最低。从拔节期开始,玉米植株对水分需求迫切,干旱易造成玉米营养器官发育不良、植株矮小、叶片早衰,各项生育期相关指标均显著低于正常灌水处理;抽雄—乳熟期,干旱导致玉米果穗发育不良、籽粒不饱满、穗小粒少,并影响植株内部的干物质分配,穗重所占比例明显低于正常灌水处理,导致成熟期产量大幅度下降。
8、构建了玉米冠层含水量的普适性高光谱遥感估算方法
通过比较高光谱遥感植被指数对玉米冠层含水量的反演与估算能力,指出叶绿素类指数Clgreen (green chlorophyll index)对冠层含水量变异的响应最敏感,进而初步构建了适用于宽幅变异冠层含水量的普适性高光谱遥感估算方法(图3)。
9、开展了我国北方玉米干旱风险评估研究
综合考虑干旱致灾因子危险性指标、承灾体(土壤有效持水量、有效灌溉面积、干燥度、河流水系)脆弱性指标等,构建了我国北方春玉米干旱气象灾害风险评估模型,确定了综合风险指数。在我国春玉米种植区,内蒙古中西部、宁夏、甘肃河西地区及新疆大部干旱灾害风险较高,黑龙江西南部、吉林西部和辽宁北部风险较低(图4)。
三、共发表或投稿科研论文14篇,其中SCI论文5篇。
附图:
图1 北美大陆(a)、欧亚大陆(b)地表AI指数变化趋势的纬圈平均
图2 北半球夏季500 hPa高度场低频项EOF模态,空间模态(a. EOF1,c. EOF2,e.EOF3),时间系数(b. PC1,d. PC2,f. PC3)
图3 玉米冠层含水量(CWC, g m−2)与冠层反射率(R550 and R710)和高光谱遥感植被指数 (Clgreen and Clred edge)间的相关关系
图4 中国北方春玉米干旱灾害风险区划