极端生态环境水循环关键参量监测技术研究现状与进展

针对高寒和干旱极端生态环境水循环变化对国家生态安全的重要性,需要开展水循环关键参量监测设备与技术研究。本文重点围绕水循环关键参量野外原位/移动/非接触式、自动、稳定监测等技术难点,开展了一系列监测生态系统水-土-气-冰-雪的关键参量的新技术设备研究。通过构建基于物联网的天地一体化生态系统监测体系,打破行业技术壁垒,促进工程技术、地质学、计算机科学等不同领域的跨学科合作,共同开展极端生态环境水循环关键参量监测技术研究与创新,并将实现对重要生态功能区的大范围、全天候、立体化监测,对推进我国生态文明建设具有重要支撑作用,促进并实现我国生态监测技术的综合应用和发展。

流体加热融雪系统运行对道路结构温度分布特性影响分析

为了明确流体加热道路融雪系统运行对道路结构短期/长期温度分布特性的影响,利用室外足尺试验系统对比分析了普通水泥混凝土路面结构与流体加热道路融雪系统道路结构在温度、温变速率及温度梯度分布特性等方面的差异,阐明了系统运行对道路结构短期/长期温度分布特性的影响规律。结果表明:融雪系统运行初期,快速上升的流体温度对管壁-路面材料界面存在强烈的温度冲击作用;随着系统持续运行,管壁-路面材料界面的温变速率逐渐减小并趋于稳定,且小于普通路面最大温变速率;同时,融雪系统的运行增大了路面结构内部的温度梯度,改变了路面结构一定深度范围内的热量传递方向。融雪系统道路结构年周期温度分布的观测结果表明:融雪系统的运行可在较短的时间内释放大量热能,降低了道路结构内部热量的散失,有效延缓了季节性冰冻地区冬季道路结构温度的降低及冻结深度的发展。

陆地冰冻圈水文过程的研究现状及展望

在全球变暖的背景下,作为固态淡水资源库的冰冻圈发生剧烈变化,进而直接影响流域水文过程.因此,冰冻圈水文的研究对于流域水资源利用与管理具有重要意义.近年来,冰冻圈普遍呈现退缩趋势,主要表现为:冰川面积减小、物质亏损,冰川径流增加;积雪面积和雪水当量减小,积雪融化时间提前;多年冻土面积减小、活动层增厚、季节性冻土最大冻结深度和冻结时间减小,但是其对径流的影响效应仍然存在争议.目前研究仍存在数据具有较大的不确定性、对冰冻圈水文内在机制的物理过程认识不足,以及缺乏考虑完整冰冻圈要素的系统研究等几个方面的不足.未来关于新型观测技术手段的研发、包含完整冰冻圈水文过程的物理模型的研发及其应用,将是冰冻圈水文学研究的重点.

20世纪后期青藏高原积雪和冻土变化及其与气候变化的关系

利用1981—1999年青海和西藏72个气象台站的常规观测资料,分析了青藏高原冬春积雪日数和冻结日数的变化及其与气候变化的关系。结果表明:高原冬春积雪日数在20世纪80年代是增加的,在20世纪90年代则是减少的;而此20年间高原季节性冻土冻结日数呈递减趋势。多年平均的高原冬春积雪日数由南向北是减小的,多年平均的冻结日数由高原中部向四周是递减的。高原冬春积雪日数、冻结日数均以2～6年周期变化,气温以准3年周期变化,西藏降水以准8年、准3年周期变化,而青海降水以3～5年周期变化,高原冬春积雪日数、冻结日数和冬春气温振荡变化从20世纪80年代到90年代都呈现加快趋势。冬春积雪日数的变化与冬春气温的变化呈负相关,与冬春降水的变化呈正相关;冻结日数的变化与冬春气温和冬春降水的变化均呈负相关。

2008年1月我国大范围低温雨雪冰冻灾害分析Ⅰ.气候特征与影响评估

2008年1月，我国南方大部地区遭受历史罕见的低温、雨雪、冰冻灾害，作者对此次天气气候过程进行了分析并与同期历史进行了比较。发现：此次冰冻天气影响范围广、强度大、持续时间长、造成的损失极为严重，全国有20个省（区、市）先后遭受了低温雨雪冰冻灾害，湖南、湖北大部、江西西北部、安徽中南部、贵州中部等地冰冻日数达10--20天；此次冰冻灾害强度大，表现为降温明显、日最高气温异常偏低、降水量显著偏多；持续时间长，长江中下游及贵州连续低温日数和连续冰冻日数均超过1954／1955年冬季，达到历史最大值；冰冻灾害对电力、交通运输、农业及人民群众生活造成严重影响和损失，尤其对我国南方电力运行造成灾难性影响。

全国电线结冰厚度分布及等级预报模型

利用1961—2008年全国电线结冰及相关气象要素台站观测资料,分析电线结冰厚度的空间分布特征,并建立利用前期冰冻日数,前1天日最低气温、相对湿度、风速和降水量预报电线结冰厚度等级的3层人工神经网络BP模型。结果表明:电线结冰厚度最大值在10 mm以上的地区,在北方主要位于东北东南部、内蒙古东北部、华北中部以及甘肃南部等地,在南方主要位于安徽东南部、江西北部、湖南南部、湖北西部、重庆南部、贵州中部以及四川东部等地,呈东—西向带状分布。近48年来,安徽黄山和江西庐山覆冰厚度历年极大值和覆冰日数均呈增长趋势;四川峨眉山、甘肃西峰镇的历年极大值和覆冰日数均呈减小趋势。建立的人工神经网络BP模型能在一定程度上预报结冰厚度等级,模型对近10年的回报结果显示,准确率为81.3%。

黑河上游冰沟流域典型积雪期水文情势

综合研究了黑河上游祁连山冰沟流域2008年积雪期水文情势,以积雪-冻土-径流为框架详细分析了该地区积雪水文特征.采用物质平衡计算了冰沟流域雪蒸发和融水值,并分析了冻土水热变化过程和融雪径流变化特征.积雪期降水总量达到204.6 mm,雪面蒸发为140.8 mm,雪面蒸发在积雪期水文循环中占有重要的位置.3月12日融雪开始,引起3次大规模的融雪峰值;整个融雪季,冰沟流域融雪径流总量为3.98×106m3.冻土解冻始于4月12日左右,随着气温升高,土壤含水量变化明显.地形和风速相互作用,造成积雪的大规模重新分布.

新疆阿勒泰地区积雪变化特征及其对冻土的影响

依据新疆阿勒泰地区气象台站观测的1961-2011年最大积雪深度、积雪日数资料与安装在库威水文站的雪特性站观测的积雪密度资料,讨论了新疆阿勒泰地区积雪的变化特征.结果表明:阿勒泰地区近50a来最大积雪深度变化均呈显著增加的趋势,且西部最大积雪深增加趋势大于东部.积雪日数变化较为复杂,在空间分布上有差异,位于最东面的富蕴和青河50a来积雪日数呈减少趋势,其余各站均为增加趋势,且东部历年平均积雪日数略高于西部,积雪日数的增加趋势比最大积雪深度增长得平缓.2011年8月-2012年9月在阿勒泰额尔齐斯河上游库威水文站架设的雪特性站观测资料表明,在额尔齐斯河源头高山区冬季积雪主要是空心化的密实化过程,升华可能是其主要的物质损失过程,引起升华的主要气象要素是气温、风速和水汽压.各站月最大冻结深度与海拔关系较为密切,随海拔的增加而增大.积雪20cm厚是积雪对下伏土壤冻结影响的一个界限,积雪厚度超过20cm就有一定的保温作用;积雪超过40cm时,气温变化对下伏土壤冻结的影响保持稳定,冻结深度也达到稳定值;但当积雪厚度超过70cm之后,冻结深度会再次发生变化,可能是由于地温从下向上的影响或地温不能与气温交换而产生的又一次变化.

青藏高原积雪、冻土对中国夏季降水影响研究

利用RegCM3模式,通过计算青藏高原不同积雪、冻土年的气候状况,分析了高原地区不同积雪状况下土壤冻结差异对中国夏季降水的影响及其机理.结果表明:RegCM3模式能够较好的模拟不同积雪状态下高原土壤冻结差异对中国夏季降水的影响.多雪年当高原土壤冻结较厚时,在长江流域和西北地区中部降水偏多,东北地区、华北地区、华南地区、西南地区大部降水偏少;而少雪年冻结较厚时,东北地区、华北地区和西南地区南部、内蒙古西部和新疆西部降水偏多,长江流域、华南地区北部降水偏少.造成这种差异的原因可能是积雪融化和冻土解冻不同配置型对夏季高原土壤湿度的不同影响,加上相变过程吸收能量的差异.冻结较厚时,地表感热偏大,高原地区上升运动偏强,南亚高压和西太副高均偏强,850hPa水平风场差值在长江流域形成一条气流辐合带,导致长江流域降水偏多,而华北、华南地区降水偏少;而少雪年冻结较厚时土壤含水量偏高,加上吸收相变潜热,青藏高原地表感热偏低,南亚高压和西太副高均偏弱,长江以北有明显的北风距平,使得北方降水偏多,南方降水偏少.

青藏高原冬春积雪和季节冻土年际变化差异的成因分析

利用青藏高原上72个常规气象观测站的逐日积雪厚度、冻结深度、气温、降水和地表温度资料,分析了高原积雪和季节冻土年际变化差异的原因.结果表明:气温和地表温度对高原积雪和季节冻土都有重要的影响,而降水对积雪的影响很重要,但是对季节冻土的影响则比较小.高原积雪对季节冻土有较大的影响,在积雪达到一定厚度以后,积雪的保温作用会影响冻结深度的变化,积雪越厚,保温作用越强;积雪越浅,保温作用越弱,当积雪小于某一厚度时其主要起降温作用.积雪的保温作用可能是积雪与季节冻土年际变化差异的原因之一.

湖北省主要造林树种冰雪灾害调查

2008年2—3月,采用典型取样法,设置20m×20m的方形样地,对湖北省受灾较重的鄂东南和鄂西南地区的主要造林树种冰雪灾害进行调查。结果表明:1)鄂西南林木的受害率、受害级和受害指数分别比鄂东南高2.0%、12.0%和12.1%。2)鄂东南常绿树种受害率、受害级和受害指数分别比落叶树种高177.0%、260.0%、117.2%,而鄂西南常绿树种比落叶树种分别低23.4%、33.0%、33.0%。3)针叶树种的受害率、受害级和受害指数分别比阔叶树种高14.7%、46.7%、48.2%。4)引进树种的受害率、受害级和受害指数分别比乡土树种高54.4%、95.5%、92.6%。5)林分结构对林木冰雪灾害有重要影响。林分密度过大或过低均会使林木受灾程度加重,纯林比混交林受灾严重。7)地形因子直接影响着林木灾害发生程度,并表现出高海拔比低海拔严重,北坡比南坡严重,上坡比下坡严重,陡坡比缓坡严重。8)科学的经营管理措施如及时的抚育间伐和合理施肥等有利于减轻林木冰雪灾害。建议:进一步开展主要造林树种冰雪灾害发生机制和风险评估研究;重视优良乡土树种,慎重引进外来树种,但不能轻易放弃日本落叶松和柳杉这2个引进树种;贯彻适地适树原则,做到科学造林育林;注重培育近自然混交林;对天然林进行必要的抚育性间伐。

2008年初冰雪灾害对四川毛竹林的危害及其重建措施

在四川省毛竹资源集中产地宜宾市,调查2008年初冰雪冻雨天气对毛竹造成的危害,分析毛竹受害程度和分级状况。结果表明:毛竹林平均受损率为14.6%,受损率10%～30%的中度受损面积占66.7%,毛竹林受损以倒伏破裂为主,占受损总株数的78.3%。毛竹受害原因主要是冰雪冻雨重力作用,立地海拔较高、坡度较大、土壤瘠薄,以及经营粗放的毛竹林损失严重。重建措施包括适地适树、严格执行营造林技术标准和规程、选用新品种和及时监测预防等。

2008年南方雪灾对川南丛生竹的影响

本文对四川省长宁县51种丛生竹在2008年南方雪灾中的冻害情况进行比较分析,结果显示:(1)51个竹种平均受冻级达3.2级,受冻死亡的竹种为14个,仅3个竹种小琴丝竹;鹅毛竹、粉单竹没有受冻害影响;(2)调查的15个属的箭竹属、空竹属、泰竹属、香竹属、巨竹属等5个属11个种全部受冻死亡:其他10属受冻的大小排序为:竹属>滇竹属>牡竹属>大明竹属>竹属=绿竹属>箬竹属>酸竹属>慈竹属>倭竹属;(3)以乡土竹种和引至南昌的竹种受冻最轻;其次是引至杭州、南京的竹种受冻相对相轻;引至南宁的竹种受害中等,冻害最严重是来至热带(西双版纳)的竹种,其死亡率达78%;综合分析表明:受冻程度与引种地有关,气候相似的程度越高,丛生竹受冻也越轻,丛生竹的引种仍然要以气候相似性为基础。

黑河流域上游寒区水文遥感-地面同步观测试验

介绍了黑河流域上游寒区水文遥感-地面同步观测试验,论述了试验目标与研究内容、试验区的选择设计以及寒区水文长期观测试验.上游试验以理解寒区水文过程、提高寒区定量遥感水平为主旨,以积雪和冻土为主要研究对象,开展了微波辐射计、高光谱成像仪航空遥感和地面同步观测,并选择典型小流域进行长期寒区水文过程观测与研究.试验集中在冰沟积雪小流域、阿柔草场和扁都口裸露耕地3个不同地表覆盖区,以积雪和冻土变量与参数的测量为主.同步试验在流域尺度、重点试验区、加密观测区和观测小区4个尺度上展开,分别布置了加密的地面同步观测、通量和气象水文观测、降雨、径流及其它水文要素观测网络;航空飞行传感器分别采用微波辐射计、高光谱成像仪、热红外成像仪和多光谱CCD相机,收集获取了试验区丰富的可见光/近红外、热红外、主被动微波等卫星数据.通过试验,初步构建了上游寒区航空-卫星-地面综合数据集,可以应用于改进和验证寒区陆面/水文过程模型.

古尔班通古特沙漠南部沙垄水分动态——兼论积雪融化和冻土变化对沙丘水分分异作用

2004年3月至2005年7月对古尔班通古特沙漠南部典型半固定沙垄土壤水分进行了系统监测，结合气象资料，特别是对冬季积雪和冻土资料的分析，认为该沙漠沙丘土壤水分时空变化规律在很大程度上受积雪融化和季节性冻土的影响．由于冬季稳定存在20-30cm的积雪于春季融化，使得春季沙丘土壤含水率成为全年最高的季节，从而为早春植物的萌发生长创造了有利的条件．冬季1m多深的冻土于早春时节由表及里开始消融，沙丘表面融化的雪水在坡面重力作用下，沿难以透水的冻土层上界自坡上向坡下发生迁移，在春夏季形成了垄间最高、坡部次之和垄顶最少的土壤水分空间格局．该研究具有生态学意义，可为古尔班通古特沙漠特殊环境条件下植被恢复与重建提供依据．

雨雪冰冻灾害对滇东南5种人工林的影响

2008年初,在波及我国南方大部分地区的雨雪冰冻灾害中,云南省文山州作为一个亚热带地区,森林资源受到严重破坏。在对受灾情况进行调查的基础上,依据损失程度、受损类型以及受灾前后郁闭度、单位面积蓄积量、胸高断面积的变化情况,分析雨雪冰冻灾害对当地5种人工林的影响。结果表明:外来树种的大面积造林,未能做到适地适树,是调查区人工林大范围受灾的主要原因之一。区别不同经营主体和经营目标,提出人工林营造中科学合理地选择造林树种的建议,为今后的人工林营造技术及管理提供借鉴。

积雪对冻土热状况的影响

研究表明季节性积雪对其下覆冻土的热状况有显著的影响．雪盖的存在不仅阻隔了冻土层的热能散失，从而有提高地温的作用；而且由于积雪本身所具有的低导热性和较大容积热容量等特性，延滞了外部气候条件对冻土热状况的影响．反映冻土热状况的一个重要指标──冻土深度的变化与气温．太阳辐射的变化密切相关，因此，地理位置和地形在地─气系统之间的能量交换中，对冻土的热状况也有重要的影响作用．

青藏高原陆表特征与中国夏季降水的关系研究

利用青藏高原72个站逐日积雪、冻土观测资料,AVHRR归一化植被指数(NDVI)和全国550个站逐日降水资料,分析了青藏高原陆表特征与中国夏季降水的关系。结果表明,我国夏季降水在华北和东北南部,长江中下游和华南地区降水空间一致性较好,相邻站点间降水变化趋势近似。华南、长江中下游和淮河降水呈增加趋势,其中长江中下游每10年增加37 mm,但华北降水呈减少趋势。华南、长江中下游和华北对高原积雪、冻土和植被的变化均较为敏感,而淮河仅对高原植被变化较为敏感。利用高原积雪、冻土和植被建立了代表高原地表特征的变化序列,其对长江中下游、淮河、华北夏季降水均有较好指示意义,与夏季降水的相关系数由南到北表现为"负-正-负"的分布特征。最后,提出一种高原陆表状况影响中国夏季降水的概念模型:高原冬春积雪偏多(少)、冬季冻土偏厚(薄)、春季植被偏多(少)会使得夏季高原地区土壤湿度偏大(小),高原地表感热偏弱(强),从而使得南亚高压和西太副高偏弱(强),南海季风偏弱(强),长江流域降水偏多(少),华南和华北地区降水偏少(多)。

2008年1月我国低温雨雪冰冻气象灾害中的水汽输送特征

本文利用NCEP/NCAR逐日再分析资料对2008年初我国低温雨雪冰冻极端气象灾害中的水汽输送特征进行了分析,结果表明:在灾害集中发生的1月份,高原南侧、孟加拉湾北部的偏西风水汽输送和来源于西太平洋副高南侧的偏东风水汽输送为我国南方地区源源不断地输送水汽;和气候平均状态相比,1月份来自孟加拉湾、西太平洋、南海地区的异常偏南风水汽输送尤为强盛;此外还具体分析了4次天气过程的水汽输送、辐合形势以及偏南风水汽输送的扩展特征,发现第3次过程中国东部大陆尤其是华南、江南一带上空的水汽输送最强,来源于南半球的水汽也参与了第3次过程;每1次天气过程的发生发展均对应出现偏南风水汽输送大值区。

北疆地区积雪与冻土变化的特征分析

利用1960—2007年北疆6个国家基本气象站积雪及冻土资料,分析了北疆地区积雪和冻土深度的气候分布特征,并利用统计学方法总结了积雪对冻土变化的影响。结果表明:(1)最大冻土深度受海拔高度的影响较大,并与其成正比。最大冻土深度值出现年代从平原向山区滞后;从20世纪80年代后最大冻土深度出现减小的趋势,且平原较山区更加明显;3个不同类型冻土区冬季最大冻土深度和平均冻土深度的年际变化基本上随时间逐渐减小;(2)Ⅰ区的最大积雪深度大于Ⅱ区和Ⅲ区,各站冬季最大积雪深度和平均积雪深度的年际变化基本上都呈现单峰单谷型;(3)Ⅰ区最大积雪深度和最大冻土深度的对应关系呈现双峰型,Ⅱ区为单峰型,Ⅲ区则为对数型。积雪深度较浅时,冻土深度增加较明显,随着积雪深度的增加,冻土深度变化较小,当积雪深度超过一定限值后,冻土深度还有下降的趋势;(4)M-K检验结果为各站最大冻土深度与积雪的变化趋势基本相反且突变点基本一致,呈现负相关。