高校地理学专业冰冻圈科学课程教学模式探讨

"冰冻圈科学"作为近年来新兴的专业普及课程,在高等院校地理学专业的本科生和研究生教育中逐渐开展起来。本文从课程设置背景、教学内容和教学模式等方面分析了该课程的基本教学问题,将当前的教学模式总结为前沿科学家团队模式、传统专业必修或选修课模式以及网络远程教学模式,并结合教学经验提出了教学实践中需要注意的几个方面,即冰冻圈科学与已有课程的联系、从冰川学到冰冻圈科学的延伸以及实验与实践教学。

冰冻圈生态系统若干问题评述

冰冻圈是气候系统中的五大圈层之一,冰冻圈变化对其内部及关联生态系统的影响已成为全球变化关注的热点领域,冰冻圈生态系统的概念也得到了越来越多的应用。本文基于国内外对冰冻圈要素与生物之间相互作用的已有研究成果,对冰冻圈生态系统的组成、各冰冻圈要素与生物之间的关系进行了系统梳理。目前,冰冻圈生态系统的研究热点主要是冰冻圈生境特征和生境变化对生物群落带来的影响。从生物群落是否直接生活在冰冻圈要素内来看,可将生态系统分为以微生物为主的冰冻圈内生生态系统(endophytic ecosystem of cryosphere)和冰冻圈关联生态系统(cryosphere-related ecosystems)。总体来看,目前冰冻圈生态系统的研究主要关注不同物种(例如陆地动植物、陆地淡水生物、海洋生物、海岸动物和鸟类动物等)对冰冻圈变化的响应,未来应重点开展冰冻圈变化对生物群落影响的定量化研究,特别要考虑冰冻圈各要素变化对生物群落影响的时间尺度和空间范围。

典型冰冻圈区域河流黑碳研究进展

冰冻圈区域河流是连接冰冻圈及河流中下游,乃至海洋碳库的重要通道。气候变暖导致冰冻圈快速萎缩,致使储存在冰川和冻土中的黑碳暴露并迁移,深刻影响冰冻圈区域河流黑碳的来源及输移过程,对海陆碳循环具有重要意义。本文重点综述了青藏高原、北极、阿尔卑斯山脉、落基山脉以及安第斯山脉等典型冰冻圈区域河流黑碳的通量、来源以及传输运移途径。结果表明:典型冰冻圈区域河流黑碳的传输通量约为2.29 Tg·a^(-1),约占全球河流黑碳通量的5.33%。除大气干湿沉降和径流侵蚀外,冰川消融和冻土退化对冰冻圈区域河流黑碳浓度及通量变化具有显著影响,其中青藏高原和阿拉斯加冰川消融每年释放进入河流的黑碳通量分别为10.00 Gg(7.74~12.30 Gg)和0.60 Gg(0.47~0.73 Gg)。然而,冻土退化对冰冻圈区域河流黑碳的影响程度尚不清楚。总体而言,冰冻圈区域河流黑碳的研究不足将严重限制区域乃至全球碳循环的系统认识,未来亟需加强冰冻圈区域河流黑碳的系统监测与研究,为量化全球变暖背景下冰冻圈区域河流黑碳变化及其影响提供科学数据。

基于机器学习的冰冻圈典型流域水文过程模拟研究

机器学习模型由于其优越的模拟预测性能而被广泛地应用于水文学研究,但其在高海拔地区的冰冻圈流域水文过程模拟研究方面尚有待深入。本研究基于Back Propagation神经网络(BP)、广义回归神经网络(GRNN)、径向基函数神经网络(RBF)、支持向量回归(SVR)、遗传优化BP神经网络(GA-BP)和双层长短期记忆神经网络模型(LSTM),对两个典型冰冻圈流域,即叶尔羌河流域和疏勒河流域的水文过程开展模拟研究,结合精度评价指标(NSE、RMSE和R)以及水文过程频率曲线对模型模拟效果进行综合分析。结果表明,双层LSTM模拟能力在叶尔羌河流域远优于其他模型,而疏勒河流域LSTM模拟效果与其他模型模拟结果相近,双层LSTM更适用于冰冻圈流域水文过程模拟。通过损失函数对模型参数化方案进行评价发现,LSTM模型在研究区模拟效果主要受优化器影响,叶尔羌流域学习衰减速率和初始学习率影响次之,而疏勒河流域初始学习率影响次之。对整个研究时段的径流突变检验分析结果表明,模型输入数据中降水和极端降水总量对研究区水文过程变化影响较大,气温次之。

面向可持续发展的冰冻圈科学

21世纪以来,在全球气候变暖的大背景下,冰冻圈科学发展快速。在梳理国际冰冻圈相关研究态势、分析中国相关研究动向的基础上,总结了"冰冻圈科学"发展的历程并简要介绍了冰冻圈科学的基本框架。研究指出,自20世纪70年代冰冻圈概念正式提出以来,国际社会以推出气候与冰冻圈(WCRP-CliC)计划和成立国际冰冻圈科学协会(IACS)为标志,并在深化冰冻圈自身机理、过程认识的同时,更加关注与其他圈层之间相互作用中的冰冻圈效应,表明冰冻圈研究趋向变化-影响-适应这一主线发展,在一定程度显现出了"冰冻圈科学"的核心特征。中国冰冻圈研究近20年、尤其是近10年发展迅猛,沿着冰冻圈科学的主体思路,在冰冻圈变化,冰冻圈变化对生态、水文、气候、地表环境以及社会经济的影响等方面取得了系统性成果,对冰冻圈科学的内涵和外延有了系统的认识。在分析国际冰冻圈科学孕育和发展背景和简要总结中国冰冻圈研究近况基础上,对冰冻圈科学学科框架体系从科学内涵和外延、研究构架和学科组成等方面进行了论述,冰冻圈科学已经成为一门涉及广泛、过程机理研究与可持续发展密切关联的全新学科。

青藏高原冰冻圈汞研究及其环境意义

全球变暖背景下,冰冻圈显著退缩引发的环境效应成为科学界关注的热点问题。青藏高原冰冻圈正在发生的显著退缩势必会加速冰冻圈中污染物向环境中释放,从而对生态系统和生物健康产生潜在的风险。汞是一种全球性污染物。目前,高原冰冻圈区主要介质(冰川、冻土、水体和大气等)中汞的历史记录、浓度水平和时空分布特征等研究均已取得较大进展。然而,对冰冻圈区关键的汞输出过程及其环境效应的认识较少,如冰川中汞向下游水体的传输过程、多年冻土退化的汞释放过程,特别是冻土区地表大气汞动态交换过程等。青藏高原冰冻圈区汞研究的深入持续开展,不但将丰富对冰冻圈区汞循环的认识,亦可为评价冰冻圈地区的环境汞暴露风险和冰冻圈退缩的环境效应提供基础理论依据。

基于DEA与ESDA的中国国家级贫困县发展效率的测度与时空演化研究

本研究从发展效率角度出发,以592个国家级贫困县为研究对象,构建了投入-产出指标体系,采用数据包络分析法,测度了2002和2012年中国国家级贫困县的发展效率,并基于GIS空间分析法对发展效率的空间差异格局进行了深入分析。研究发现:第一、国家级贫困县覆盖的面积在扩大,西南地区的贵州省和西北地区的甘肃省成为目前国家扶贫开发的重点和难点地区。第二、特色资源的利用和开发是国家级贫困县实现经济发展的关键。贫困地区往往具有得天独厚的矿产资源、自然景观资源等,利用好上述资源可以促使贫困地区真正实现经济的成长发展。2002年DEA有效的贫困县主要是自然资源、人力资源和旅游资源相对丰富的地区,这些地区通过相关资源的开发已经实现了自身经济的"内生式增长",而且这些地区基本都已经退出了国家级贫困县的范畴。贵州和甘肃等各类资源非常匮乏的地区成为DEA效率最低的国家级贫困县集中区。这两个省份地理位置闭塞,自然条件恶劣,资源禀赋贫乏,缺乏可以支撑经济内生发展的支撑。第三、DEA有效和DEA效率偏低的贫困县都表现出一定的空间相关性。根据贫困县的空间临接性,采取集中连片的扶贫开发政策符合贫困县的实际情况。第四、2002-2012年间,国家级贫困县县域经济的热、冷点格局发生了很大变化。国家级贫困县的经济发展态势出现了很大的改变。

中国南极昆仑站深冰芯科学钻探工程进展

我国于2012年1月在南极Dome A区域正式开展实施了南极昆仑站深冰芯科学钻探工程,截至2021年,钻孔深度已达803.54 m。该工程是我国第一个深冰芯钻探工程,也是国际上第一个在Dome A地区开展的深冰芯钻探项目。本文介绍了昆仑站深冰芯科学钻探工程实施的整体情况,对过去近10年的钻探活动以及取得的成果和经验进行了总结,以期为后续的深冰芯钻探工作提供理论和经验指导。

中国冰冻圈水文未来变化及其对干旱区水安全的影响

受气候变暖持续影响,中国冰冻圈水文过程正在发生着显著变化。在梳理已有过去冰冻圈融水变化基础上,重点分析了冰冻圈融水径流未来变化特点,尤其是对冰川融水拐点及温升2℃阈值情况下,到2050年和21世纪末,冰川融水的可能变化进行了辨析,进而研判了冰冻圈水文变化对流域、重点是干旱区内陆河流域水安全的影响。研究表明,中国未来大部分流域冰川融水径流总体呈现减少趋势,并呈现冰川径流持续减少、在不久的将来出现峰值和持续增加三种情况;单条冰川融水可能会出现拐点,而且拐点是否出现和出现的时间与升温速率和冰川面积大小有关;在流域尺度上,冰川覆盖率较大、大型冰川面积占比较高的流域,到2050年融水径流持续稳定增加;冰川规模较小的流域,冰川径流峰值早已出现;介于上述两种情况之间的大多数流域,冰川融水峰值在2020-2030年相继出现或变化呈现不显著增加或减少,相对稳定;RCP情景温升2℃阈值下,到21世纪末,西北干旱区冰川融水量减少34%~74%。冰冻圈水文变化导致水源涵养能力下降、径流补给量减少、对水资源的调节作用减弱、流域径流变化幅度增加、发生旱涝的风险增加、春汛提前进而影响用水制度。

光伏电站建设对陆地生态环境的影响:研究进展与展望

随着全球能源消耗的快速增长,环境将进一步恶化,各国减排的竞争将更加激烈,而利用太阳能作为清洁能源的光伏发电对于实现地球碳中和具有重要战略意义.陆地生态系统中的集中式光伏电站大范围覆盖地球表面,导致土地利用发生变化,对地表能量平衡和降水的再分配产生显著影响,进而改变土壤养分循环和植物生产力,并最终带来明显的生态环境效应.通过回顾近20年来国内外光伏电站生态环境影响研究的相关文献,综述了光伏电站建设对微气候、土壤和动植物等的影响强度和方向,以及对陆地生态系统功能的潜在影响.光伏电站可以通过调节微气候因子中的太阳辐射强度、空气温湿度、风速和风向等,进一步影响植物生产力、土壤抗蚀性和土壤碳固存等多项生态系统功能.尽管已有文献报道中有关光伏电站建设对陆地生态系统的影响并不一致,但总体而言,可以提高植被盖度和植物生产力;特别在荒漠等生态系统中可在一定程度上改善生态环境.目前,尽管有大量研究报道了光伏电站对生态系统可能具有的效应,但实验性论据尚不充分,对生态系统功能影响机制的研究更为少见.在后续的工作中,可进一步关注光伏电站对生态环境影响的区域差异性,以及对生态系统功能潜在的影响途径,结合生态效应为光伏电站建设区域的生态保护与修复提供依据,并针对潜在的生态风险制定相应预案措施.

青藏高原内陆大气污染物科学研究——以纳木错站为例

青藏高原位于中国西南部,平均海拔4000 m以上,其地理位置特殊。青藏高原自身大气污染物排放少,空气相对洁净,是大气污染研究的天然实验室。纳木错站位于青藏高原内陆,该站多种大气污染物浓度整体平均水平较低,是典型的全球大陆大气背景监测站。尽管喜马拉雅山高耸于青藏高原南部,但由南亚释放的大气污染物仍然能够在大气环流的传输下,向北跨越喜马拉雅山进入青藏高原内陆,引起纳木错站大气污染物事件级污染。西风环流和印度季风在大气污染物长距离传输过程中起着重要作用,对不同大气污染物的影响机制存在差异。研究人员在青藏高原内陆纳木错站开展了多种大气污染物研究,获得一系列研究成果,极大地推动了高原大气污染物科学研究,为中国国际环境谈判提供了科学基础。

中国西北山区融雪径流模拟研究回顾与展望

融雪径流是西北地区宝贵的水资源。过去几十年,西北山区融雪径流模拟研究广泛开展,在积雪消融过程观测和模拟、驱动数据空间分布与融雪径流模型应用、分布式融雪径流模型改进和发展方面都开展了比较深入的研究,取得了较好的成果。插值算法、遥感反演和数据同化技术的发展,为分布式融雪径流模型在西北山区的广泛应用提供了数据支撑。气候变暖和经济社会的发展将进一步加剧西北干旱区水资源供需矛盾,对融雪径流模拟的精度和时空分辨率提出了更高的要求。综合西北山区融雪径流模拟研究的已有进展和面临挑战,提出未来西北山区融雪径流模拟研究需要在积雪积累和消融过程的机理探究、积雪时空分布变化监测和高精度积雪分布数据获取、气候变化对流域融雪径流影响量化方面开展深入研究。

中国西北地区降水相态分离及其变化分析

降水相态的转变会对中国西北地区水资源、生态环境和农业生产活动产生非常重要的影响。为明确中国西北地区降水相态转变规律,该研究基于西北地区1961-2017年国家气象站观测的日降水、气温、相对湿度、大气压以及站点高程数据,利用湿球温度动态阈值模型对降雪和降雨进行分离,并对分离结果精度进行验证;基于此分析了区域不同相态降水的时空变化特征,探讨了雨雪分离阈值变化及降水相态的影响因素。结果表明:1961-2017年西北地区不同相态的降水量均呈显著增加趋势,降雨量的增加速率为9.80 mm/10 a,降雪量的增加速率为1.07 mm/10 a,雪雨比呈不显著减少趋势,减少速率为0.07%/10 a。但空间变化趋势具有区域差异性,总体表现为“西增东减”。西北地区极端降雪量的显著增加导致了降雪量的显著增加,而总降雪日数趋势变化不显著,主因是小雪日数的显著减少和极端降雪日数的显著增加共同所致,小雪日数的下降速率为0.25 d/10 a,极端降雪日数的增加速率为0.12 d/10 a。雨雪分离的阈值温度在年内波动较大,年际总体呈现不显著的下降趋势,临界高温和临界低温的下降速率分别为6×10^(-4)、7×10^(-4)℃/10 a,且在2008年发生突变。在流域尺度上,各相态降水变化速率随着海拔升高而升高,雪雨比则相反;降雪量的变化主要受气温和相对湿度影响,雪雨比的变化主要受气温影响。该研究对深入认识西北地区气候暖湿化背景下的水资源变化具有重要意义。

北极快速增暖背景下冰冻圈变化及其影响研究综述

北极具有独特的地理位置和战略地位,是当前全球变化研究的热点区域之一。北极增暖是全球平均值的两倍以上,被称为“北极放大”现象。在北极快速增暖背景下,冰冻圈尤其是海冰显著萎缩,对北极乃至中纬度天气气候产生深远影响。对北极快速增暖背景下冰冻圈主要要素(包括海冰、冰盖、冰川、积雪和冻土)时空变化特征及未来预估进行了综述,同时总结了海冰变化对北极气候系统(大气圈、水圈、岩石圈和生物圈)以及中纬度极端天气气候事件的影响。指出当前北极冰冻圈变化研究受观测资料缺乏及模式模拟不确定等问题限制,其机理及对中纬度天气气候影响机制仍存在争议。未来还需要加强北极地区的综合监测,提高模式对北极气候系统物理过程的模拟能力,进行多模式、多数据、多方法的集成研究。

喜马拉雅山入湖冰川物质变化研究综述

入湖冰川在喜马拉雅山地区广泛分布,其快速消融和末端崩解,是该地区冰湖溃决洪水最重要的触发因子和影响因素。近年来入湖冰川整体处于物质持续且加速亏损状态,1975—2000年入湖冰川物质平衡为-0.33±0.07 m w.e.·a^(-1),近10 a达到-0.56±0.08 m w.e.·a^(-1),其平均物质损失速率-0.45±0.08 m w.e.·a^(-1)。入湖冰川物质损失速率明显高于其他类型冰川,末端消融及崩解是其主要原因。当前冰川末端水下物质损失仍无法准确估算,广泛应用于入海冰川末端消融模拟的羽流模型,为估算入湖冰川末端湖-冰物/热交换过程研究提供了可行方法,其中冰下融水径流量、冰川末端切面形态、湖水温度和密度是影响羽流模型估算结果的重要参数。基于羽流模型评估冰川末端水下消融特征,为准确评估未来情境下冰川物质变化奠定基础。

温升背景下“亚洲水塔”流域水资源压力现状及未来预估

“亚洲水塔”流域养育着亚洲十几亿人口,对全球经济发展起着至关重要的作用。在气候变暖背景下,“亚洲水塔”流域的水资源快速变化以及不断增长的人类活动用水需求,使水塔流域水资源压力风险越显突出。为了解“亚洲水塔”流域水资源压力的状况及未来变化,基于部门间影响模式比较计划(ISIMIP)中全球水文模型的径流和用水数据,利用水压力指数方法,系统评估了“亚洲水塔”21个流域的水压力状况和未来的可能变化。结果表明:1971—2010年间,“亚洲水塔”21个流域的水压力总体上呈现升高趋势,多年平均水压力等级达到高或以上的流域为印度河流域、塔里木河流域和黄河流域;针对“亚洲水塔”21个流域未来水压力的变化预估,各流域水压力表现为先增加,之后不同流域表现出持续增加(2个流域)、趋于稳定(5个流域)和下降(14个流域)三种趋势,人类取水活动在未来水压力的变化中起决定性作用。整体上,南亚和东南亚地区水压力将持续增加,例如,布拉马普特拉河流域和湄公河流域,未来水资源短缺和水安全风险很高。

青藏高原热融滑塌研究进展综述

在全球气候变暖的大背景和人类活动产生的增温效应影响下,青藏高原多年冻土加速退化,致使热融滑塌频发。这一现象不仅直接影响区域生态环境,还对工程建筑物的稳定性造成潜在威胁。本文旨在通过综述青藏高原多年冻土区热融滑塌的研究进展,概括热融滑塌的形成机理、提取方法、发育特征、影响机理及其对环境和工程的影响等,以期为热融灾害防治和气候变化评估预测提供科学依据。总结得出:热融滑塌的形成是多种复杂因子作用并长期积累的结果,常造成溯源侵蚀。其发育形状各异,以长条形、支岔形、多头舌为主。热融滑塌在空间上呈不均匀分布,集中在青藏工程走廊。其空间分布主要受地形与冻土条件影响。此外,热融滑塌会改变土壤结构和理化过程,对区域碳循环产生影响,进而增加全球或区域性的温室气体排放。监测热融滑塌通常采用高空间分辨率遥感影像解译与无人机实地验证相结合的方式。目前研究中多结合Planet Cube Sat影像与深度学习算法,实现对大范围冻土区热融滑塌的自动识别与制图。Deep Lab V3+等深度学习模型在未来大范围热融滑塌研究中有很好的应用前景。随着我国青藏高原地区工程建设和生态环境保护的需求增长,探究热融滑塌的形成机理、发育特征、影响机理及其对环境和工程的影响,可为青藏高原工程规划、热融灾害防治、环境保护提供理论基础和科学依据。

冰冻圈资源可持续利用探讨

冰冻圈资源是寒区旱区社会经济发展的重要物质基础,在气候变化背景下受到了深刻的影响。在人类需求日益增长、冰冻圈资源稀缺性不断加剧的情况下,如何妥善开发利用冰冻圈资源已成为保证区域可持续发展的核心问题之一。基于"资源—资产—资本"视角的冰冻圈资源可持续利用路径为这一问题提供了新的思路,探讨了以资源资产化、资产资本化为核心的冰冻圈资源运营管理过程,并基于这一视角进行了冰冻圈服务过程的讨论,分析了中国冰冻圈流量资产效用潜力空间格局与三种潜力之间的协调程度。结果表明,东北地区大部、新疆自治区西部与藏南地区为人口与经济效用高等级流域聚集区,华北、东北、新疆西部、藏南及青藏高原东缘等地区为高潜力协调度流域聚集区。这种基于"人口-经济-生态"三大系统的效用潜力识别,有利于冰冻圈资源"提质"与"增效"两个目标的达成,进而促进冰冻圈资源可持续利用的实现。

天山南坡阿克苏流域冰川物质平衡及其融水径流对气候变化的响应研究

冰川融水是西北干旱区水资源重要组成部分,定量评估其变化对中、下游生态环境保护和工农业经济可持续发展具有重要意义。本文基于国家气象台站日降水和气温资料、数字高程模型(DEM)以及第一次冰川编目数据,利用度日模型模拟了天山南坡阿克苏流域1957—2017年冰川物质平衡及其融水径流变化,分析了融水径流组成及其对气候变化的响应。结果表明:1957—2017年流域年平均物质平衡为-94.6 mm w.e.,61年累积物质平衡为-5.8 m w.e.。流域冰川物质平衡线呈显著上升趋势,年均上升速率为1.6 m/a。研究区年均融水径流量为53.1×10^(8)m^(3),融水增加速率为0.24×10^(8)m^(3)/a,融水径流及其组成分量均呈显著增加趋势。在气候暖湿化背景下,流域降水的增加使得冰川区积累量增加,在剧烈的升温作用下,冰川消融加剧,气温对融水径流的作用增大,因此冰川物质平衡亏损产生的水文效应增强。研究结果可提升区域冰川水资源效应变化及其影响的认识。

青藏高原南部宁金岗桑冰芯可溶性离子记录的环境信息

2007年在青藏高原南部宁金岗桑冰川积累区钻取了一支长55 m的透底冰芯,其年层跨度为1864−2006年.利用正交经验函数分解(EOF)和大气环流场分析等方法对冰芯中可溶性离子(Ca^(2+)、NH_(4)^(+)、Na^(+)、Mg^(2+)、K^(+)、NO_(3)^(-)、SO_(4)^(2-)、Cl^(−))的变化特征和来源进行了研究.结果显示:宁金岗桑冰芯可溶性离子质量浓度变化高度一致,南亚北部干旱、半干旱区的陆地矿物粉尘是冰芯中可溶性离子的主要来源,其变化受西风环流强弱控制;1864−1922和1950−1970年期间,冰芯离子质量浓度较高,与北半球气候寒冷期和较强的西风环流相对应.在冰芯涵盖时段内,冰芯离子质量浓度总体呈减小趋势,显示西风环流整体减弱.