内蒙古中西部地区下垫面对沙尘暴发生发展的影响研究

论文摘要

沙尘暴的形成是气候因子、环境因子和人类活动共同作用的产物。下垫面条件如地形地貌、土壤水分、植被覆盖、积雪覆盖等对沙尘暴的形成具有重要的影响。但目前相关的研究还不够深入和系统。因此,本研究以沙尘暴多发的内蒙古中西部为研究区,利用地理信息系统与遥感技术,对影响沙尘暴的下垫面因子的数量特征进行提取,分析下垫面各主导因子与沙尘暴之间的对应关系及其对沙尘暴发生发展的贡献程度;利用沙尘天气观测资料进行统计分析研究下垫面因子与沙尘暴的关系;利用沙尘数值预报模式,通过模拟和敏感性试验研究内蒙古中西部下垫面特征和地面热通量对沙尘暴的影响。研究结论如下:(1)内蒙古中西部地区沙尘暴日数的地理分布与地貌格局有着很密切的关系:沙漠边缘及沙地区沙尘暴日数最多,高平原区次之,山地丘陵区较少,平原区最少。(2)植被覆盖率与沙尘暴日数之间存在负相关关系,沙地区夏季植被覆盖率与翌年沙尘暴日数的负相关关系最为明显。(3)沙尘暴发生时,土壤水分具有明显的临界值,约为20%,不同地区的临界值上限存在差异。(4)无论是积雪日数,还是积雪覆盖度,均与冬季及初春沙尘暴的发生有负相关关系,而且在冬季和荒漠化草原区更为显著,地表积雪覆盖对沙尘暴的抑制作用要小于对扬沙的抑制作用。(5)大部分地区土壤表面冻结终日与春季沙尘暴发生日数呈负相关关系,当土壤表面冻结终日提前时,春季沙尘暴发生日数呈增加趋势,反之亦然。(6)沙尘暴前累积的地面热通量能够导致地面位温的明显升高并与沙尘暴强度密切相关,沙漠区和高平原区的地面热通量表现为单调增强并在沙尘暴发生时达到最大值。而丘陵、平原区在沙尘暴发生时地面热通量出现明显下降。表明沙漠区和高平原区地面热通量对沙尘暴的影响效率较高。(7)地面热通量能够导致地面风速、层结不稳定度、地面摩擦速度等沙尘暴重要影响因子出现白天增强、夜间减弱的变化,进而影响沙尘暴的强度波动。同时,地面热通量对上升运动的加强随时间推移形成产生自下而上的扩展,并到达对流层中层(500hPa)。(8)在我国北方至少存在三个优势沙尘输送带分别位于对流层中层500hpa、中下层700hPa及行星边界层中。源自蒙古和内蒙古中西部的起沙在700hPa主要向东输送,850hPa以下主要向南输送,但前者向南只到达黄土高原一带。而后者能够输送至我国长江以北大部分地区。我国北方沙尘传输特点可以概括为高度越高,向东输送越强,反之向南输送越强。同时,越偏北(纬度越高),向东输送越强,反之向南输送越强,40°N～42°N是明显的分界带。本文的创新之处主要有:(1)土壤水分、植被覆盖度、积雪覆盖等因素对沙尘暴的发生具有重要的影响。在内蒙古中西部与沙尘暴发生对应的土壤体积含水百分率临界值为20%,不同地区的临界值上限存在差异;植被覆盖率与沙尘暴日数呈负相关关系,并随地貌类型不同而有所变化,沙地区夏季植被覆盖率与翌年沙尘暴日数的负相关关系最为明显;荒漠化草原区冬季地表积雪覆盖与沙尘暴间的负相关关系最为显著;本文设计的积雪指数能够准确反映积雪对沙尘暴的抑制作用。(2)地面热通量是影响沙尘暴的重要因素,不同地貌区其强度和演变特征存在明显差异。在沙尘暴发生前沙漠区和高平原区地面热通量表现为单调增强,而丘陵、平原区在沙尘暴发生时地面热通量出现明显下降。地面热通量能够导致地面风速、层结不稳定度、地面摩擦速度等沙尘暴重要影响因子出现白天增强、夜间减弱的变化,进而影响沙尘暴的强度波动。(3)在我国北方至少存在三个优势沙尘输送带分别位于对流层中层500hpa、中下层700hPa及行星边界层中。源自蒙古地区和内蒙古中西部的起沙在700hPa主要向东输送,850hPa以下主要向南输送,但前者向南只到达黄土高原一带。而后者能够输送至我国长江以北大部分地区。其沙尘传输特点可以概括为高度越高,向东输送越强,反之向南输送越强。同时,纬度越高,向东输送越强,反之向南输送越强,40°N～42°N是一个明显的分界带。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图索引
• 表索引
• 第一章 绪论
• 1.1 沙尘暴研究进展
• 1.1.1 沙尘暴的定义及相关概念
• 1.1.2 沙尘暴的空间分布
• 1.1.3 沙尘暴的时间分布
• 1.1.4 沙尘暴卫星遥感监测及应用
• 1.1.5 沙尘暴形成机制
• 1.1.5.1 沙尘暴形成的动力条件
• 1.1.5.2 影响沙尘暴发生的下垫面条件
• 1.2 沙尘暴研究现状分析
• 1.3 研究区介绍
• 1.4 研究目标
• 1.5 研究内容及框架
• 第二章 数据来源与方法
• 2.1 地表植被覆盖数据与处理
• 2.2 沙尘暴数据
• 2.3 土壤水分数据
• 2.4 地表状况样品采集及处理
• 2.5 积雪与土壤冻结
• 2.6 地面感热、潜热通量数据
• 2.7 模式与数据
• 2.8 其它数据
• 第三章 内蒙古中西部沙尘暴分布规律及下垫面特征分析
• 3.1 内蒙古中西部沙尘暴时空分布规律
• 3.2 内蒙古中西部地区下垫面特征
• 3.2.1 地貌特征
• 3.2.2 植被特征
• 3.2.3 土壤水分月变化特征
• 3.2.4 地表固结度特征
• 3.2.5 地表沉积物粒径特征
• 3.2.6 积雪覆盖状况
• 3.3 小结
• 第四章 内蒙古中西部下垫面因子对沙尘暴的影响分析
• 4.1 地貌对沙尘暴区域分布的影响
• 4.1.1 沙尘暴分布与地貌的关系
• 4.1.2 不同地貌类型区的沙尘暴日数规律
• 4.1.3 小结
• 4.2 植被覆盖对沙尘暴的影响分析
• 4.2.1 植被覆盖率距平与沙尘暴日数距平分析
• 4.2.2 典型地貌类型区的植被覆盖率与沙尘暴日数
• 4.2.3 小结
• 4.3 土壤水分对沙尘暴的贡献及其临界值
• 4.3.1 土壤水分对沙尘暴的贡献分析
• 4.3.1.1 沙尘暴发生时的最小风速
• 4.3.1.2 土壤水分和风速对沙尘暴的贡献比较
• 4.3.2 土壤水分影响沙尘暴的临界值
• 4.3.2.1 土壤水分的日变化比较
• 4.3.2.2 土壤水分的月际变化比较
• 4.3.2.3 沙尘暴发生时土壤水分的临界值
• 4.3.2.4 沙尘暴持续时间对土壤水分的临界值
• 4.3.3 小结
• 4.4 冬春季积雪对沙尘暴的影响
• 4.4.1 积雪日数与沙尘暴的对应关系
• 4.4.1.1 积雪日数变化规律
• 4.4.1.2 积雪日数与沙尘暴发生关系分析
• 4.4.1.3 不同季节积雪日数对沙尘暴影响
• 4.4.1.4 积雪日数对不同沙尘天气的影响
• 4.4.1.5 典型气候区积雪日数对沙尘天气的影响
• 4.4.2 积雪覆盖度对沙尘暴的影响
• 4.4.2.1 积雪覆盖度与沙尘暴相关分析
• 4.4.2.2 积雪覆盖度与不同沙尘天气相关分析
• 4.4.3 积雪指数
• 4.4.4 小结
• 4.5 地面冻结状况对春季沙尘暴影响
• 4.5.1 实例分析
• 4.5.2 土壤冻结终日与春季沙尘暴日数变化规律
• 4.5.3 土壤表面冻结终日与春季沙尘暴日数关系定量分析
• 4.5.4 小结
• 4.6 地面热通量与沙尘暴的关系
• 4.6.1 站点和资料
• 4.6.2 内蒙古中西部地面热通量特征
• 4.6.3 地面热通量与沙尘暴的关系
• 4.6.4 地面热通量的时间演变特点
• 4.6.5 小结
• 第五章 下垫面因子影响沙尘暴的数值模拟研究
• 5.1 天气过程概述和模拟方案设计
• 5.2 控制试验对沙尘暴过程的模拟
• 5.3 无地面热通量试验
• 5.3.1 地面热通量对沙尘暴强度的影响
• 5.3.2 地面热通量分布特征
• 5.3.3 地面通量对地面风速的影响
• 5.3.4 地面通量对大气层结的影响
• 5.3.5 地面通量对垂直速度的影响
• 5.3.6 小结
• 5.4 无地面起沙试验
• 5.4.1 内蒙古植被状况演变
• 5.4.2 地面起沙对沙尘暴的影响
• 5.4.3 沙尘输送带
• 5.4.4 沙尘输送带的特征
• 5.4.5 沙尘输送带的成因
• 5.4.6 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 特色与创新
• 6.3 展望
• 参考文献
• 附表
• 致谢
• 博士研究生期间发表的论文