青藏高原地气系统气象科学数据集成和共享

观测资料匮乏是制约青藏高原地球科学问题深入研究的关键因素。中国气象局国家气象信息中心联合中国气象科学研究院、中国科学院青藏高原研究所和西北生态环境资源研究院对近几十年来我国青藏高原区域的地气系统的大气和陆面观测资料及相关分析产品进行了整合集成,获得了高原区域长年代、多要素的地气系统综合气象数据,研发了综合气象数据库及其数据共享平台。本文系统介绍了相关科学数据的观测及数据情况,包括中国气象局长期业务观测数据、历次青藏高原大气科学试验数据、中国科学院部分野外台站长期观测试验数据和一些科学研究项目的产出数据成果,描述了多种数据的标准化集成技术和成果,设计并发布了青藏高原地气系统多源信息共享平台,为研究和解决青藏高原地球科学问题提供宝贵的数据资源。

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。

青藏高原春季感热异常对中国北方雨季降水影响的数值研究（英文）

青藏高原作为一个抬升的热源对亚洲季风演化及其周边区域降水都有着深刻影响,近年来高原春季冷暖异常引起学者们的高度关注。本文利用NCEPⅡ和NOAA资料分析了近33年春季高原感热通量、东亚夏季风北缘及中国北方雨季降水年际年代际变化特征,进而利用公用大气模式CAM5进行了关闭春季高原感热的敏感性数值试验。主要结论如下:近33年来春季高原感热通量呈下降趋势,与中国北方雨季(7—8月)降水显著正相关,达到95%显著性水平。春季高原冷(2000—2011年,简称CTP)较暖时段(1986—1997年,简称WTP)感热通量平均降低20 W·m^(-2)左右。相应地,夏季风北缘平均南退3个纬度左右,导致中国北方雨季大气可降水和降水率也分别减少2.44 kg·m^(-2)和1.09 mm·d^(-1)。数值试验结果显示,当关闭春季(3月1日至5月15日)高原感热对大气加热时,东亚夏季风整体爆发时间明显推迟,夏季风最北位置偏南2~3个纬度,中国北方整体降水减弱。这种因春季高原热源异常引起大气环流的改变是中国北方雨季降水多寡的主要原因之一,可以作为中国北方区域雨季降水的关键因子。

青藏高原高寒草地植被指数变化与地表温度的相互关系

为了解脆弱的高原生态环境对升温过程的响应,利用1982-2006年国家标准地面气象站地表温度和GIMMS-NDVI数据集,探讨了青藏高原高寒草地植被指数和地表温度的变化特征及其相互关系.结果表明:1982-2006年,高寒草地NDVI、地表温度整体均呈现增加趋势,年均NDVI、生长季NDVI、年最大NDVI(NDVImax)与年均地表温度、生长季地表温度的上升趋势分别为0.007(10a)-1、0.011(10a)-1、0.007(10a)-1与0.60℃·(10a)-1、0.43℃·(10a)-1;NDVImax与地表温度显著相关的地区达70.49%.但是高原地形、气候、水文环境的空间差异性导致高寒草地NDVI与地表温度的相关关系十分复杂.NDVImax与年均地表温度的相关性最为显著;在返青期和枯萎期,NDVI与地表温度均为显著正相关.不同的植被覆盖条件下,NDVI对地表温度的响应不同:植被覆盖差以及退化严重的地区,NDVImax与地表温度呈负相关性;反之,NDVImax与地表温度主要表现为正相关.

陆面模式CLM4.5对青藏高原高寒草甸地表能量交换模拟性能的评估

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2013年9月1日至2014年8月31日一个完整年的观测资料,对陆面过程模式CLM4.5在青藏高原(下称高原)高寒草甸下垫面地表能量交换的模拟性能进行了评估。模拟结果表明,CLM4.5能够较好的模拟高原春季、夏季和秋季非冻结期地面长波、反射辐射和地表净辐射、感热和潜热通量以及地表土壤热通量等的季节变化和日循环特征。但对冬季冻结期地表温度的模拟偏低,导致模拟与观测的感热反相,对地面反射辐射模拟偏大。截断冬季降水的敏感性试验进一步指出,模式冬季反射辐射偏大主要是由于积雪引起的地表反照率偏高造成,进而造成地表温度以及感热通量的模拟偏低。因此,高原积雪参数化方案以及与积雪相关的反照率参数化方案还需进一步改进和完善。

利用接收函数反演青藏高原西部地壳S波速度结构

相对于宽阔的腹地,青藏高原西部南北向宽度仅约600km,却记录了印度和欧亚板块汇聚的深部过程及其响应.本文用22台宽频带流动地震台站在西缘构建了一条南北向探测剖面（～80°E,TW-80试验）.利用接收函数反演剖面下方S波速度结构,综合西部已有的宽频带探测结果,分析认为：印度板块向北俯冲可能已到达班公湖—怒江缝合带附近,俯冲过程中下地壳发生榴辉岩化;喀拉昆仑断裂带、班公湖—怒江缝合带、阿尔金断裂带均为切穿地壳的深断裂,莫霍面发生错断;喀拉昆仑断裂带和龙木错断裂带之间的中上地壳没有发现连续的S波低速体,说明可能缺乏解耦层,支持青藏高原西部地壳为整体缩短增厚模式.

WRF湖泊模型对青藏高原纳木错湖的适用性研究

WRF模式是目前应用最广泛的区域天气模式之一,在其最近的版本里耦合了一维湖泊模型,用于模拟陆面大型水体与底层大气的相互作用。本研究利用中国高时空分辨率气象驱动数据在西藏大湖之一的纳木错对该湖泊模型作离线模拟,并利用MODIS卫星数据、湖温观测数据和湖面能量平衡评估了模型在青藏高原纳木错湖的适用性。结果表明:WRF中的湖泊模型方案并不适用于纳木错,其原因是在模拟深湖时,模型中垂向混合能力不足,导致大量能量堆积在湖水浅层,湖温廓线和湖表能量平衡存在较大误差。通过加大湖体内部的湍流混合能力,模型对湖水未冻结期的湖温和湖表能量平衡的模拟有很大改进。

中国暴雨的科学与预报:改革开放40年研究成果

总结了改革开放以来中国学者在暴雨科学与预报领域取得的重要研究进展和主要成果。其中,暴雨机理研究成果从重要天气系统、中国主要区域的暴雨、台风暴雨等3个方面分别进行综述,而暴雨预报技术研发与应用则从中国数值天气预报发展和暴雨预报客观方法两方面进行归纳。

青藏高原植物物候的变化及其影响

植物物候是植物生活史的周期性循环事件。在气候变化和人类活动的影响下,青藏高原植物物候发生了显著的变化。近年来,青藏高原的物候初始期变化总体表现为返青期和初花期提前、枯黄期推迟的趋势,而果实期则保持相对稳定;增温延长了生长季,主要是通过延长开花等繁殖物候而实现的。青藏高原的物候变化主要受温度、水分和放牧的驱动,暖湿化和适度放牧有利于植物提前或延长物候期,而暖干化则延迟或缩短物候期。物候变化对植物种群、群落、生态系统、农牧区生产以及旅游业(如赏花节)等都会产生显著的影响。然而,目前青藏高原植物物候研究仍然十分缺乏,尤其是物候变化对生态系统结构和功能的影响研究更少。针对当前青藏高原物候研究存在的问题给出了一些建议:在未来的研究中应该尽可能从生理尺度到生态系统尺度的不同视角来研究气候变化和人类活动对物候的影响,以及物候变化对生态系统结构和功能的反馈。

青藏高原湖泊水量与水质变化的新认知

青藏高原湖泊众多,是气候变化敏感的指示器。湖泊作为地表下垫面的重要组成部分,不仅通过陆-气之间的水汽和能量交换影响区域气候(如降水、气温),而且通过沉积物记录了过去的气候变化信息。湖泊的水量和水质是制约湖泊与大气水分能量交换和湖泊沉积过程的基本要素,对青藏高原湖泊水量、水质的基础调查工作是准确认识青藏高原对气候响应与影响的关键。基于最近5年在青藏高原地区开展的湖泊基础调查工作,明晰了过去对青藏高原重要湖泊基础资料的模糊认识,阐述了湖泊面积、水量变化的时空差异及其对气候变化的响应,探讨了基于遥感水色开展大范围长、时间湖泊水质研究的新方法。

青藏高原近地层及北侧气压系统的季节性振荡变化

基于ERA-Interim逐日4次600 h Pa位势高度再分析资料,以及青藏高原和周边地区75个气象站日平均温度、降水和相对湿度资料,对高原近地层及北侧气压系统的季节性振荡变化进行了分析.结果表明:高原近地层及北侧气压系统强度在围绕中心点顺时针运动时不断加强,逆时针运动时不断减弱.两气压系统呈明显的跷跷板式变化,在600 h Pa上表现为高度场空间结构沿经向上的调整;低高压差负值的开始和结束时间与高原季风起讫时间吻合.高原夏季降水的起讫不仅与高原及北侧气压系统结构密切相关,而且与高原东南或南部水汽输送条件息息相关.

多梯度增温对青藏高原高寒草甸温室气体通量的影响

高寒草甸是青藏高原重要的草地类型之一。目前增温对高寒草甸温室气体通量影响的研究较少,尤其在不同尺度的增温条件下,温室气体通量的响应尚不明确。因此,设置多梯度增温实验,模拟未来不同幅度增幅情况,对预测高寒草甸温室气体通量的变化具有重要意义。为深入地认识气候变暖对高寒草甸温室气体通量的影响,假设高寒草甸温室气体通量的周转速率在增温条件下随增温梯度而加快。在青藏高原纳木错地区高寒草甸,采用开顶箱法(Open-top chambers,OTCs)设置对照(T0,不增温)以及4个不同程度的增温处理(T1、T2、T3、T4,分别增温1、2、3、4℃),结合静态箱-气相色谱法对增温处理后的CO_2、CH_4和N_2O通量进行同步观测。对3个生长季(2013—2015年)进行连续观测发现:(1)地下5 cm土壤3年的平均温度相对于对照处理分别增加1.73℃(T1)、1.83℃(T2)、3.03℃(T3)和3.53℃(T4);(2)高寒草甸生长季平均呼吸(CO_2)为(42.6±9.11)mg·m^(-2)·h^(-1),同时具有较强的CH_4吸收能力,达到(-47.96±8.76)μg·m^(-2)·h^(-1),其N_2O通量维持在较低水平,为(0.3±0.46)μg·m^(-2)·h^(-1);(3)在高寒草甸生长季,温室气体通量与温度以及水分均具有显著的相关关系,但增温未能显著改变生长季温室气体平均通量。以上结果表明,增温所引起的其他环境因素的改变(如伴随不同梯度增温下土壤水分变化的不确定性),导致高寒草甸在短期内进行内部调节,并维持温室气体通量稳定。

基于MODIS数据的青藏高原冰川反照率时空分布及变化研究

冰川反照率对冰川融化具有重要影响,以2000-2013年MODIS的MOD10A1逐日积雪反照率数据资料为基础,分析了青藏高原冰川反照率的时空分布及变化。结果表明:冰川年平均反照率变化范围是0. 42(枪勇冰川)～0. 75(PT5冰川),其中夏季平均反照率变化范围是0. 45(来古冰川)～0. 69(东绒布冰川和古里雅冰川)。冰川反照率空间分布并没有明显的规律性,而冰川反照率的变化速率空间分布规律明显——南部较大往北减小,北部反照率出现增大现象。研究区内大部分冰川反照率呈波动降低的趋势,年平均反照率和夏季平均反照率变化速率最大值都出现在枪勇冰川,分别是-0. 015 a^(-1)和-0. 019 a^(-1)。木吉和木孜塔格冰川年平均和夏季平均冰川反照率都增大,木吉冰川是由于2012年的高反照率引起的,而木孜塔格冰川主要与该地区气温降低、降水增多有关。

气候变暖会使青藏高原树线一直上升吗?

树线上树木生长主要受生长季低温限制,因此气候变暖将导致高山树线向更高海拔迁移。然而,全球树线调查数据显示,近百年来约50%调查样点树线上升明显,其余则保持静止状态。以上事实揭示,除了气候因素,非气候因素(如竞争等种间关系)也在一定程度上调控着树线的位置变化。青藏高原拥有全球海拔最高的天然树线,是探讨气候和非气候因素对树线变化影响的理想区域。研究发现:树线之上低矮稀疏的灌丛或草丛成为幼苗萌发或生长的"避难所",从而有利于树线大幅度爬升;而高大茂密的灌丛则会形成一道宽厚的"封锁墙",从而抑制树线的上升。因此,变暖背景下树线位置倾向于向更高海拔爬升,但爬升速率受到树线之上种间关系的调控。变暖并不一定会造成树线位置的显著上升。

梯度增温对青藏高原高寒草甸生态系统碳交换的影响

高寒草甸是青藏高原主要的草地生态系统类型,对气候变化非常敏感,研究高寒草甸生态系统碳交换对升温的响应具有重要的理论和现实意义。在青藏高原中部地区的高寒草甸,使用开顶箱法(open-top chambers,OTCs)设置不增温对照(T_0)以及4个不同程度的增温处理(T_1、T_2、T_3、T_4),采用CO_2红外分析仪对生长季期间的碳交换进行连续3年的观测。结果表明,4个增温处理的5cm土壤温度较之于不增温对照分别增加1.73(T_1)、1.83(T_2)、3.03(T_3)以及3.53℃(T_4);土壤水分没有发生梯度变化。观测期间,净生态系统碳交换(net ecosystem carbon exchange,NEE)基本为负值,因此高寒草甸表现为碳汇。增温小于2℃促进总生态系统生产力(gross ecosystem productivity,GEP),但对生态系统呼吸(ecosystem respiration,ER)影响较小,因而促进NEE,即促进高寒草甸的碳吸收;但增温大于3℃则抑制GEP,对ER影响较小,因而总体上对NEE产生抑制作用。综上所述,在高寒草甸生态系统,适度增温促进碳吸收,增温过度则降低碳吸收。

青藏高原及其周边地区降水的水汽来源变化研究进展

近几十年来,随着全球气候变暖,青藏高原降水整体呈现增加趋势,气候暖湿化趋势明显;与此同时,位于青藏高原东南缘的中国西南地区整体上呈现暖干化趋势,干旱事件频发。探讨青藏高原及其周边地区降水的水汽来源变化、揭示降水趋势性变化的原因已经成为当前研究热点。本文评述了近年来青藏高原降水的水汽来源研究,重点关注青藏高原变湿、西南地区变干的水汽来源变化原因以及青藏高原南北水汽来源差异,讨论了尚未解决的科学问题,展望了未来研究方向。现有研究表明,青藏高原以西的西风带控制区蒸散发贡献的水汽整体呈现减少趋势,青藏高原以南和以东的季风控制区蒸散发贡献的水汽整体呈现增加趋势,上述水汽源区贡献变化导致了青藏高原及其周边不同区域降水趋势性变化的差异。展望未来,水汽来源分析的模型和数据需要进一步验证及减少不确定性,青藏高原下垫面和蒸散发变化对周边地区降水的影响机制研究有待加强,全球变化与青藏高原降水水汽来源变化的关系尚需深入分析。

青藏高原调控区域能量过程和全球气候的机理

本文总结了中国国家自然科学基金委重点项目“青藏高原调控区域能量过程及其影响机理”的研究进展。着重阐明了春夏季伊朗高原和青藏高原(TIP)地表热通量特征及变化原因、TIP上空独特的水汽、云宏观和微观垂直结构,以及降水和云辐射效应;在夏季两个高原地区的感热加热存在相互影响和反馈,形成观测到的加热与大气垂直环流之间的准平衡耦合系统,由此提出了TIP系统(TIPS)的概念;项目还从天文和水文的角度佐证了TIPS对亚洲夏季风的影响,揭示TIPS导致上对流层暖、下平流层冷的南亚高压的形成机理及TIPS影响北半球环流和印度洋海气相互作用的物理过程;揭示TIPS系统对南亚高压年际变化的影响,提出高原位涡强迫激发中国东部激烈天气过程的一种新机制。此外还揭示了CMIP5模式对高原表面温度模拟存在冷偏差的原因和其中的物理过程,这是大气环流与冰雪反照率的动力耦合的结果。

青藏高原地面加热场年际变化特征及其与西风急流关系研究

利用ERA-Interim地表热通量再分析资料(包含感热通量及潜热通量数据)分析了1979年3月至2009年2月青藏高原地区(下称高原)地面加热场的时空分布特征及其年际变化趋势。突出青藏高原地面加热场与西风急流的联系,分别探讨了青藏高原春季感热及潜热变化的可能影响机制。结果表明:(1)高原感热空间分布大体呈现为自西北向东南递减的特征,潜热与感热呈反相的空间格局,自西北向东南逐渐增强。(2)相比于夏、秋、冬三季,春季高原地表热通量年际变化特征较为突出,其中感热通量显著减少,潜热通量显著增加[分别为-1.83和0.79 W·m^(-2)·(10a)^(-1)],该趋势和全年平均热通量年际变化情况一致。(3)就年际变化而言,春季感热通量与潜热通量之间存在明显的负相关(相关系数为-0.69),表明可能存在某一气候因子使得春季感热减弱而使潜热增强。进一步分析发现,高原地面加热场与西风急流存在密切的联系,春季西风急流的减弱在影响高原感热强度的同时,对高原潜热也具有较大影响。其可能影响机制如下:受高原上空西风急流减弱的影响,高原地表风速减弱从而导致感热通量显著减少;春季西风急流的减弱导致印缅槽的增强,在孟加拉湾上空形成一异常气旋环流,使该地区对流增强、水汽上升异常,同时气旋中北向暖湿气流将水汽携带至高原南侧,并通过影响高原降水量改变其潜热通量。

青藏高原季风对我国西北干旱区气候的影响

基于ERA-Interim逐月再分析资料及同期高原和我国西北干旱区观测站温度与降水资料,分析高原季风与西北干旱区气候的关系,对比高原典型强弱季风年平均大尺度环流和水汽输送条件的差异,探讨高原强弱季风年西北干旱区气候差异形成的原因。研究结果表明:高原季风与我国西北干旱区气候相关关系显著;高原强弱季风年对应的大尺度环流和垂直环流系统存在明显差异;水汽条件和抬升条件好坏与降水量多寡配合得较好,即强高原季风年,高原北部边缘水汽条件和抬升条件更有利于降水,而弱高原季风年,高原北部边缘水汽条件和抬升条件偏差,对应降水量较常年同期偏少。

碎屑锆石U-Pb年龄有效性初探——以青藏高原东北缘酒西盆地为例

碎屑锆石U-Pb年代学是限定沉积地层年龄、追踪沉积物源、揭示区域构造演化历史等重要的手段,在地质学和地理学领域应用广泛。近年来,单颗粒碎屑锆石数据获取技术日渐成熟,数据量激增,然而,部分邻近甚至相同地区不同研究组获得的原始数据存在差异甚至相互矛盾。如何高效严谨地获取及处理数据,并挖掘其中所蕴涵的丰富的地质信息,越来越受到研究者的重视,但目前相关方面的研究较少。以青藏高原东北缘酒西盆地新生代疏勒河组砂岩碎屑锆石为例,采用标准实验流程,通过试验数据之间的横向和纵向对比,确定合理的碎屑锆石颗粒测试数量,利用碎屑锆石颗粒外部形态与内部结构特征相结合的方法,选择有效的测试点,发现单颗粒锆石阴极发光(CL)图像在数据测试、分析和应用方面极具前景。具体取得如下认识:1)碎屑锆石U-Pb测年前处理时需采用标准的重矿物分选流程,以保持所采集的碎屑样品中单颗粒锆石分布的全貌,避免引起年龄组分丢失或偏差;制作样品靶及选择测年颗粒时,需将全部锆石单颗粒在体视显微镜及扫描电镜下的特征紧密结合,得到最优有效数量的单颗粒年龄,提高效率及数据的准确性、完整性;2)数据处理、分析及应用中,必须结合单颗粒锆石CL图像,修正或剔除异常数据,避免由于激光剥蚀点或离子束跨越特征不同的生长环带产生无意义的"混合年龄"。该研究为碎屑锆石U-Pb年代学大数据处理及应用提供了基础技术支撑,且为有效甄别U-Pb测年数据质量进而合理、准确地应用于地学研究提供了新的视角。