青藏高原春季土壤湿度与我国长江流域夏季降水的联系及其可能机理

土壤湿度作为陆面过程的重要因子,对局地及邻近地区的大气环流和天气气候有重要影响.青藏高原的土壤湿度观测站点稀少,时间较短,鉴于此,本文使用经过部分观测站点检验的卫星反演数据,研究了春季高原土壤湿度的年际变化与后期夏季我国东部降水的联系和可能机理.结果表明:在全球变暖的背景下,高原土壤湿度总体呈现出显著增加的趋势,去除该线性趋势后,我们定义了一个高原土壤湿度指数TPSMI来定量表征高原土壤湿度的年际变化特征,发现表层、中层、深层的土壤湿度年际变率趋于一致,且春季土壤湿度与夏季土壤湿度显著相关(相关系数可达0.56).当TPSMI偏大时,即高原东部土壤湿度偏大,而西部偏小时,夏季在高原东部(西部)存在一个潜热(感热)热源,二者共同作用下,在对流层中高层从高原西部经我国大陆直至东北地区激发出一个气旋—反气旋—气旋波列,该波列呈相当正压结构,有利于东北冷涡的加强及冷空气向南爆发;与此同时,南亚高压加强东伸,西太副高西伸加强,低空南方暖湿气流与北方干冷气流在长江流域汇合,伴随着上升运动加强,从而有利于夏季长江流域降水增多;反之,当TPSMI偏小时,夏季长江流域降水减少.

青藏高原季风演变及其与土壤湿度的相关分析

利用1979-2014年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA-Interim再分析资料,构建了一个能更有效反映季风演变过程的高原季风新指数(ZPMI),并与已有高原季风指数TPMI、DPMI和QPMI进行对比分析。发现TPMI反映的高原夏季风爆发和撤退的时间较ZPMI、DPMI提前1~2个月左右,ZPM I能更好的反映高原上季风降水的年变化和年际变化特征。而其冬季风和夏季风具有相似的年际、年代际变化特征,总体均呈现上升的趋势,且夏季风增强的趋势更显著。同时,ZPMI也能够较好的描述高原上的气象要素特征,即:在强季风年,高原中、东(西)部降水多(少),气温高(低);而弱季风年,则与之相反。高原晚春(4-5月)土壤湿度与当年高原夏季风存在显著的相关,当4-5月高原中部、东部地区土壤湿度偏大(小)、西部土壤湿度偏小(大)时,高原夏季风偏强(弱)。

利用TRMM/TMI资料反演青藏高原中部土壤湿度

用辐射传输理论提出的地表微波辐射极化指数PI的定义,分别指出了PI对土壤湿度、地面粗糙度、植被层和大气层的影响。用热带降水测量(TRMM—Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星上携带的微波辐射仪(TMI—TRMM Microwave Imager)的1B11的6年亮温数据,统计得到青藏高原中部地区PI值月平均分布。并用归一化距平,反演得到了该区域年、季以及干湿季土壤湿度变化的空间图像。结果表明,PI距平分布图可以很好地表征土壤湿度的变化,从而为大尺度评估高原土壤湿度变化提供了理论依据。另外,在同一时间段内,在已知区域平均PI值与平均土壤湿度的条件下,用归一化距平的方法可以定量反演该区域的土壤湿度。

藏北高原土壤湿度时空变化分析

使用2009年DOY(Day of Year)145～288时段与2001～2010年夏季(DOY 161～240时段)的Terra/MODIS16 d合成的植被指数产品数据MOD13 A2和8 d合成的地表温度(Land Surface Temperature,TLS)产品数据MOD11 A2,构建TLS～IEV(Enhanced Vegetation Index,IEV)特征空间,从而得到了条件温度植被干旱指数(Temperature Vegetation Drought Index,ITVD)反映的藏北土壤湿度空间分布。对藏北高原2009年植被生长季内土壤湿度的季节性变化及2001～2010年夏季土壤湿度的年际变化特征进行分析,研究结论表明:随着植被盖度的增大,干、湿边斜率逐渐变小,植被对环境温度的变化具有缓冲效应;藏北高原土壤湿度的季节性变化明显,主要受温度、降水、植被覆盖和冻土过程等季节性变化的影响;近10年研究区内土壤湿度有轻微的旱化趋势,但不同气候区内的年际变化表现不一致;气温表现不同程度的显著升温趋势,部分站点的降水有不显著减少趋势,其它站点降水表现为年际波动,而区域统计的ITVD值年际波动与站点气温的变化大体一致。

基于TVDI的青藏高原腹地生长季土壤湿度时空变化及其气候响应

土壤湿度作为生态系统的重要参数,是影响青藏高原高寒草地生态承载力和草地恢复重建的关键因素之一。本研究基于温度植被旱情指数(temperature–vegetation dryness index,TVDI)分析了青藏高原腹地生长季土壤湿度的时空变化特征和变化趋势,结合气象站点数据,采用偏相关分析研究了土壤湿度变化对气候因子的响应。结果表明,2001-2018年青藏高原腹地生长季平均土壤湿度表现为北部偏湿润、东北部和西南部偏干旱的空间分布特征。土壤湿度湿润、偏湿、正常、偏干、干旱的面积占比分别为1.14%、29.24%、37.68%、30.09%和1.85%。2001-2018年青藏高原腹地生长季南部土壤湿度呈现显著变干的趋势,北部和东北部地区趋于变湿,整体上土壤湿度呈降低趋势。研究区北部以及东北部区域受降水影响显著,而西南部地区受气温影响较大。

青藏高原春末土壤湿度对初夏降水的影响

为了研究青藏高原(简称高原)春末(5月)土壤湿度与初夏(6月)降水的关系,利用1979—2019年ERA-Interim土壤湿度月平均资料和同时段高原109站观测降水资料,分析了高原春季土壤湿度与汛期(5—9月)降水之间的关系。结果表明:春末表层(0~28 cm)土壤湿度与高原初夏降水呈显著的正相关,在空间上土壤湿度南北反向模态对应高原初夏降水的南北偶极子模态,并且存在两个高相关区域;在此基础上,定义了一个反映春末土壤湿度西北与东南梯度的指数(I_(smg)),发现该指数与6月降水南北反向模态存在明显的负相关,且这种关系从2000年以来更为显著。通过一组I_(smg)加倍的数值敏感性试验,结果得知高原初夏降水正常和偏多年I_(smg)加倍后能够通过增强高原热源,抽吸周边大气向高原中部聚拢,造成高原中部唐古拉山脉一带大气增温增湿、导致降水增加明显,不过这种机制在旱年作用不太明显。

全球变暖背景下青藏高原三江源地区植被指数(NDVI)时空变化特征探讨

深入探讨近期三江源地区植被覆盖度随全球气候变暖的时空变化过程对三江源国家公园与生态文明建设具有重要意义。已有研究从不同视角对三江源地区生态环境变化进行了探讨,但对三江源地区复杂的地理环境以及全球变暖背景下的生态系统变化及其影响研究仍显薄弱,特别是对近期气候变暖对植被覆盖程度变化的影响研究更为缺乏。本文利用NASA官方网站下载的2006—2015年十年的植被NDVI数据产品,分析了三江源地区地表植被十年的时空变化特征及其影响因素。结果显示:(1)三江源地区植被NDVI具有显著的季节变化特征,年变化呈现出波动并且有微弱上升的趋势,三江源地区植被覆盖整体呈现趋好的态势;(2)植被覆盖度的空间变化表现出在三江源地区的东、南部较好、西北部较差的状况;(3)植被覆盖度的趋好变化主要受夏季主导,这和气候变暖、区域降水增加有关,与夏季土壤湿度增大有显著关系,但"整体趋好、局部恶化"的状况仍不容忽视。本研究可为揭示三江源地区植被覆盖度的变化过程与变化规律和生态修复提供科学依据。

藏北高原土壤湿度MODIS遥感监测研究

利用Terra与Aqua两颗卫星的MODIS地表温度和植被指数数据,分别构建LST-NDVI与LST-EVI共四种不同组合的Ts-VI特征空间,并依据该特征空间提取温度植被干旱指数(TVDI)作为反映土壤干湿状况的指标,探讨一种合适的遥感监测藏北高原土壤湿度的方案,并基于同步的实地土壤表层含水量采样数据进行验证评价。研究表明,四种数据组合方案提取的TVDI分布图均能较好反映藏北土壤湿度,且Terra MODIS LST-EVI构建的特征空间提取TVDI指标效果最佳。在此基础上获得的藏北高原土壤湿度分级图表明,从东南到西北土壤湿度逐渐降低,并呈现明显的空间分异规律。

被动微波遥感指数及其应用

分别概述了微波极化指数、散射指数以及土壤湿度指数等被动微波遥感指数的发展及其应用.37 GHz的微波极化差指数△T37(△T37=TB37v-TB37H)和极化比指数(MPDI=C*(TB37V-TB37H)/(TB37V+TB37H))被认为是监测植被状况的微波植被指数,利用GAME-Tibet1998IOP数据计算和分析了青藏高原中部5个试验站点6～9月的平均△T37值和MPDI值的变化情况.结果表明:ANDUO和MS3608的平均值在15 K左右,表现出裸土的微波辐射特征;总体上5个站点的MPDI随时间的变化不大,也即在1998年6～9月间,各个站点的植被状况变化不大;而站间的差别比较大,也即各个站点的植被状况有较大的差别;ANDUO的MPDI表现出规律性的变化,即在6至9月的变化中,8月份的MPDI最小,对应植被最好的月份;对研究区的MPDI和相应时间的MSAVI(可见/近红外数据得到的修改型土壤调整植被指数)的空间分布图进行了比较,二者基本吻合.

基于TVDI的羌塘高原夏季土壤湿度变化分析

土壤湿度是生态系统的关键参数,实时、有效地监测土壤湿度有助于增强对区域气候与环境变化的理解。利用温度植被干旱指数法(TVDI)反演羌塘高原2000-2014年夏季土壤湿度,以2014年为例分析该年夏季土壤湿度空间分布并探讨2000-2014年土壤湿度的动态特征。结果表明:(1)2014年羌塘高原夏季土壤湿度空间分布表现为东南部偏湿润、西北部偏干旱。从东到西土壤湿度逐渐降低,南北干湿状况交替分布。土壤湿度干旱、偏干、正常、偏湿、湿润面积比分别为3.84%、27.17%、37.64%、29.63%、1.72%。(2)2000-2014年羌塘高原北部和中部地区夏季土壤湿度呈现显著变干的趋势,而南部大部分地区土壤湿度变化趋势不显著。15年间土壤干旱和湿润面积比例最小且波动小,偏干、正常、偏湿土壤面积均出现不同程度的波动。(3)降水量是影响TVDI的重要因子且具有一定的滞后性,而气温影响相对较小。