青藏高原气候与冰冻圈变化研究进展

青藏高原是全球气候变化最敏感、最具指示性的区域,也是中低纬度地区冰冻圈最发育的地区。近几十年来,全球气候变化对青藏高原冰冻圈产生了广泛而深刻的影响,成为气候系统多圈层相互作用研究的热点地区。本文利用气象台站观测资料分析了高原气候变化特征,梳理了高原冰冻圈关键要素(冰川、积雪、冻土)的时空变化研究进展。总体来看,1961-2021年青藏高原暖湿化特征明显,气温变化率为0.33℃/(10 a)(P<0.01),降水量变化率为8.63 mm/(10 a)(P<0.01),直接影响冰冻圈关键要素(冰川、积雪、冻土)的时空演化。青藏高原冰川整体呈退缩和亏损态势,东部和南部的冰川萎缩速率较大,平均积雪面积在2000年以后显著减少,积雪日数逐年递减,积雪深度在2000年之后出现显著下降且存在空间异质性。1980年以来青藏高原多年冻土、季节冻土面积呈显著减小趋势,其中季节冻土冻融周期缩短,冻结日期推后、解冻日期提前。目前,青藏高原气候要素观测依然不足,特别是针对冰川、冻土、积雪等冰冻圈要素的业务化观测明显不足。建议多部门协作、统一规范,构建以“水”和“防灾减灾”为主线的综合观测系统,强化气温、降水、冰川、冻土和积雪等关键气候变量的一体化监测、预测和服务能力,填补我国山地气候与气候变化业务的空白,为青藏高原水资源管理及经济社会可持续发展提供数据支撑。

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。

青藏高原寒区水文过程研究进展及模型述评

全球气候变暖导致冰冻圈发生了剧烈变化,突出表现为冰川退缩、积雪消融、冻土退化等,加速了固态水资源向液态水资源的转化,打破了青藏高原寒区水资源分配的长期稳定机制。本文基于寒区冰冻圈变化水文效应角度,梳理了气候变化下青藏高原寒区水文过程研究进展,剖析了当前青藏高原寒区水文过程研究中存在的热点和难点。由于水文模型为研究水文循环过程的重要工具,模型的结构和功能决定了水文过程研究的准确度和发展方向。因此,本文总结了10个典型水文模型在模拟高原寒区冰川、融雪径流算法的优点和局限性及模型冰川、积雪、冻土模块特点,凝练总结了影响高原寒区水文过程模型模拟精度的主要问题。结果表明:青藏高原寒区气象观测站点资料的匮乏加大了数据输入、参数估计的不确定性;对冰冻圈水文内在物理过程认识不足导致了模型结构的不完备性,进而影响水文过程模拟精度。最后,本文从多元数据联合使用、机器学习应用等方面探讨了如何提高水文模型精度,为寒区水文模型的改进和完善提供参考。

冰雪探测雷达层析成像技术与应用:现状、挑战与展望

冰川、积雪是冰冻圈的重要组成部分,冰下地形、冰雪浅层结构、积雪厚度探测对于水资源调查、冰雪灾害预警及全球海平面预测具有重要意义。冰雪探测雷达对冰川或积雪类半透明介质具有很好的穿透性,已成为冰冻圈领域重要的探测手段。雷达层析成像是一种透视冰雪三维成像的新技术,在冰厚、雪深、浅层结构等关键要素反演中应用前景广阔。本文首先介绍了基于冰雷达和合成孔径雷达(SAR)的三种层析成像技术的基本原理与方法,重点梳理了过去20年国内外地、空、天基平台的冰雪探测雷达层析成像系统及其应用研究进展,归纳分析了三种层析成像技术的特点与适用性,并对当前面临的挑战与发展趋势进行了讨论。本研究可为我国冰雪层析成像雷达系统研制、全球冰雪关键要素反演及月球或火星冰层探测提供参考。

基于FT-ICR MS表征达古冰川冬春季节表层雪中DOM分子组成变化

分析冰川中溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)的迁移转化特征是评估冰川消融对下游生态环境效应的重要依据,但冰川表层雪中DOM在冬春季节的迁移转化特征尚不明确。本文以达古冰川冬春季节表层雪和春季冰川径流为研究对象,使用傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)对表层雪和径流中DOM进行分子层次表征。结果显示:达古冰川冬春季节表层雪中DOM化学组成非常丰富,主要包括脂类、多肽类、不饱和烃类,还含有少量的酚类、多环芳烃类和糖类,来源包括微生物活动和陆源性输入。春季径流中DOM的主要来源是陆源性输入,受人类活动影响较大。分析不同季节表层雪DOM的分子组成变化,发现冬季低温环境有利于表层雪中脂类、多肽类和含S类DOM分子的富集,春季气温升高则有利于表层雪中多肽类、不饱和烃类和含N类DOM分子的富集。比较春季径流和表雪中DOM的分子组成变化,发现径流中杂原子类DOM含量降低,微生物来源的脂类和多肽类DOM含量降低,陆源性的酚类和多环芳烃类含量显著增加,说明径流中DOM的生物活性降低而光反应活性增加。因此随着冰川持续消融大量的冰川融水将DOM带入下游水环境,在微生物活动和光反应过程的共同作用下增加温室气体CO_(2)的排放,增强温室效应。

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.

冰冻圈甲基汞研究进展

作为气候系统五大圈层之一,冰冻圈在全球汞的生物地球化学循环中扮演着重要角色。人类活动排放的汞污染物通过大气环流迁移到偏远的冰冻圈地区,并在环境中转化为更具毒性的甲基汞,经食物链传递、富集和放大,会对冰冻圈生态环境构成重大威胁。为了深化理解冰冻圈甲基汞研究现状,本文总结了典型冰冻圈介质甲基汞的浓度水平和分析方法,重点梳理了甲基汞在冰川、冻土、积雪和海冰中的迁移、转化和归趋等生物地球化学过程,特别是对冰冻圈微生物汞甲基化进行了详细的归纳和总结。同时关注气候变化背景下冰冻圈甲基汞分布、行为和环境影响,这对于评估人类和野生生物在冰冻圈中的甲基汞暴露风险至关重要。鉴于目前对低温环境中甲基汞变化过程和机理的认识尚处于起步阶段,文章对未来冰冻圈甲基汞研究方向进行了展望。

天山乌鲁木齐河源1号冰川表层雪微生物多样性分析

为探究天山乌鲁木齐河源1号冰川(简称“乌源1号冰川”)积雪微生物群落特征及其与气候环境的关系,采集该区域2021年春季(4月)海拔3549 m处(TSX1)以及夏季(6月)海拔3770 m处(TSX2)和海拔3800 m处(TSX3)表层雪样,针对细菌16S rDNA V3-V4区、古菌16S rDNA V4-V5区和真菌ITS2区分别进行高通量测序,分析雪样中细菌、古菌和真菌的多样性。结果表明:(1)乌源1号冰川表层雪微生物多样性具有季节性差异,细菌多样性春季较高夏季较低,而真菌多样性则相反。(2)在物种组成上,细菌优势门为Proteobacteria(58.13%~89.10%)和Bacteroidetes(4.24%~40.74%),优势属为Flavobacterium(2.32%~33.64%)和Polaromonas(0.01%~24.72%);古菌优势门为Thaumarchaeota(38.10%~97.55%),其次为Nanoarchaeaeota(0%~61.90%)和Euryarchaeota(0%~2.82%);真菌优势门为Ascomycota(7.06%~88.43%)和Monoblepharidomycota(36.21%~40.78%),优势属为Aspergillus(0.16%~81.04%)和Rhodotorula(0.02%~8.05%)。(3)网络互作分析表明,微生物网络互作以正相关连接为主(97.3%),负相关连接仅占2.7%,互作关系趋于合作关系。(4)乌源1号冰川表层雪中具有丰富的微生物,微生物群落的季节变化反映了微生物对不同季节大气环流的响应。

中国冰川资源及其分布特征——中国冰川目录编制完成

依据国际冰川编目规范完成的中国冰川目录 1 1卷 2 1册的统计 ,中国境内共发育冰川 4 62 98条 ,总面积 594 0 6km2 ,冰储量约 5590km3 ,是中低纬度山地冰川最发育的国家 .按山系和水系两种体系分别进行冰川编目 ,获得了中国西部及其各区域的冰川条数、面积和储量等多项指标的确切数量 ,发现了中国冰川及其雪线分布的若干新特征 ,这对于西部山区水资源的开发利用和冰雪灾害的防治等具有重要的科学意义和实用价值 .

青藏高原纳木错流域冰雪融水径流量估算

冰川积雪是寒区固体水资源的重要组成部分,在全球气候变暖背景下,进行冰雪融水量的计算具有重要意义。本文以青藏高原纳木错流域为研究对象,近40年,纳木错流域气温增幅达到0.04℃/a,所对应的是流域冰川年退缩率达到1.12 km2/a,湖泊面积扩张速率达到2.1 km2/a。借助第1、2次中国冰川编目数据和MODIS遥感影像资料,基于水量平衡建立冰川体积-融水径流量经验公式(包括冰川区降水量、冰川消融量、蒸发量和融水径流量等参数),并采用SRM积雪消融模型(积雪覆盖衰减率、气温直减率、度日因子值和径流系数等参数),分别对纳木错流域内的冰川和积雪融水径流量进行估算,从而实现大尺度稀缺资料的高寒地区水文模拟。结果表明:纳木错流域年均冰川融水径流量是2.99亿m3/a,积雪融水径流量是8.10万m3/a,冰川融水量约是积雪融水量的38倍。通过比较纳木错流域气温升高、冰川退缩和湖泊扩张之间的关系,纳木错湖泊增加水量约为流域内冰川融水径流量的80%,远高于季节性积雪融水的补给量;因此,可以推测随着气候变暖,纳木错流域东南侧念青唐古拉山大面积冰川的急剧消融,是造成纳木错湖泊扩张的重要原因之一。

中国西部不同类型冰川区积雪及其融水径流中稳定同位素比率的时空变化及其气候效应

为了调查和比较我国海洋型、大陆型和极大陆型冰川覆盖区大气降水、冰川、积雪和融水径流系统内稳定同位素比率的时空分布特征和冰雪相变时的现代同位素分馏过程,在2000—2003年间,按照季节和海拔高度分别对玉龙雪山、慕士塔格峰,念青唐古拉山的桑丹康桑峰以及天山乌鲁木齐河源的1号冰川积雪和冰雪融水径流进行了系统的采样研究.结果表明:在以玉龙雪山为代表的海洋型冰川区,新雪内的1δ8O呈现出显著的时间与空间变化,在冬季表现为“高度效应”,即δ18O值随海拔高度升高和气温降低而降低,反映出冬季风降水的特征;而经过融化的夏季积雪受到“降水量效应”、雪中含水量、蒸发等因素的影响,稳定同位素产生分馏变化“高度效应”空间变化比较复杂,反映出夏季风降水的特征,念青唐古拉山夏季积雪也有相似的特征.在极大陆型冰川分布的慕士塔格山地区和亚大陆型冰川分布的天山乌鲁木齐河源地区,夏季新雪中1δ8O则表现为“高度效应”或者“温度效应”.无论在海洋型冰川或者大陆型冰川分布区,经过融化或正在消融的残余积雪内都有明显的同位素分馏变化,1δ8O值比新雪高.受蒸发作用的影响,冰雪融水在流动过程中,1δ8O随海拔高度的降低、流程和流动时间的增加而增加.由于气候条件的差异,海洋型冰川区冰雪融水相变过程中的同位素分馏和化学作用都比大陆型冰川区强.

冰川/积雪-大气相互作用研究进展

冰川和积雪是冰冻圈的重要组成部分,在全球或区域气候系统中起着极其重要的作用.开展冰川/积雪-大气相互作用研究,是研究冰冻圈物理过程及其对气候系统反馈作用的必然需求,也是研究冰川/积雪对气候变化响应的有效手段,同时还可为全球(区域)气候和水文模式提供冰川/积雪面的地表特征参数.近一个世纪以来,在冰川/积雪面辐射特征、能量通量计算方法和平衡特征等方面开展了许多观测试验和理论研究,并取得了卓有成效的研究结果.但是在准确获取辐射通量、研发普适性较强的反照率参数化方案、复杂地形条件下能量通量的计算,以及发展分布式能量平衡模式等方面尚存在许多不确定性,仍面临许多技术难点,也是未来的研究重点.

祁连山老虎沟12号冰川积雪化学特征及环境意义

2012年6月在祁连山老虎沟12号冰川采集雪坑和表层雪样品,结合相关分析法、海盐示踪法、气团轨迹法等方法,对冰川积雪的主要化学离子特征、来源及环境意义进行分析研究.结果表明,积雪中平均离子浓度Ca2+>SO24->NH4+>NO3->Cl->Na+>Mg2+>K+.雪坑中Ca2+是主要的阳离子,SO24-是主要的阴离子;各种离子在雪坑中的平均浓度要远大于表层雪,而且雪坑中的化学离子浓度峰值与污化层有着很好的对应性.同时,与青藏高原、中亚天山、阿尔泰山以及北半球其他区域高海拔雪冰化学特征进行比较,发现祁连山老虎沟12号冰川区积雪化学特征受亚洲粉尘源区陆源矿物影响较大.然而,雪坑中的离子(尤其是Na+和Cl-)除了陆源矿物粉尘之外,部分还来源于海洋源.结合NOAA Hysplit模型对冰川区积雪化学离子来源进行了后向轨迹反演验证.

天山东部冰川积雪中大气粉尘的沉积特征

对我国天山东部三个研究点乌鲁木齐河源1号冰川、奎屯哈希勒根51号冰川和哈密庙尔沟平顶冰川积雪中大气粉尘沉积进行了分析研究。微粒特征分析表明,自西向东随着研究点地理环境的变化,积雪中不溶微粒的质量浓度、沉积通量和体积粒径分布众数都表现出增高趋势:奎屯哈希勒根51号冰川最小,乌鲁木齐河源1号冰川次之,哈密庙尔沟平顶冰川最大;三个研究点粒径0.57<d<26!m微粒的平均质量浓度分别是969"g/kg、1442#g/kg、3690$g/kg,年均沉积通量分别是58.2%g/cm2、72.1&g/cm2、73.8’g/cm2。表明,哈密冰川受粉尘源影响较大,而乌鲁木齐河源与奎屯河源区受影响则相对较小。雪坑微粒浓度剖面和离子相关性分析表明,天山东部冰川积雪中污化层富含亚洲粉尘的富Ca2+、Na+矿物;微粒体积—粒径分布众数介于3-22(m,粒径分布显示了单结构模式。研究区最近4年积雪的污化层剖面揭示了春季零星的粉尘浓度峰值以及沉积数量上较大的年际变化,意味着天山东部雪冰中粉尘沉积对大气环境变化的敏感性。

祁连山七一冰川雪冰和冰川融水中正构烷烃和多环芳烃的分布特征及来源研究

2008年6月,在祁连山七一冰川采集雪坑、冰川融水和冰川末端冰样,经过大孔吸附树脂富集后,用GC-MS对样品中的正构烷烃(nC14～nC32)和多环芳烃进行了分析.结果表明,正构烷烃的含量在冰川融水中最高,雪坑次之,冰中最低;多环芳烃的含量在雪坑中最高,冰中最低,冰川融水界于二者之间.正构烷烃与多环芳烃都具有很强的疏水性,在固-液相分配过程中倾向于保留在残留固相中.由于冰川融水样品距冰川末端约1km,沿途地表土壤和植被会贡献部分正构烷烃,所以冰川融水中正构烷烃的含量最高.与正构烷烃不同,多环芳烃较易挥发,而且易被沿途土壤和植被所吸附,导致冰川融水中多环芳烃的含量降低.冰川末端冰中正构烷烃与多环芳烃的含量都很低,可能是由于冰川末端冰年代比较古老,受人类活动的污染较轻.正构烷烃的碳优势指数(CPI值)表明,七一冰川中的正构烷烃主要来自高等植物蜡和化石燃料燃烧产物的混合物,多环芳烃的荧蒽/芘(Fla/Pyr)和菲/蒽(Phe/Ant)比值表明,七一冰川冰雪和冰川融水中检测到的多环芳烃主要来自化石燃料的不完全燃烧.

分布式冰雪融水雨水混合水文模型

在以冰雪融水雨水混合补给为主的流域中 ,产流空间分布的不均匀性十分突出 .为此 ,建议一种基于数字高程模型 (DEM)和地理信息系统 (GIS)的网格式空间分布水文模型 .该模型可在分别考虑不同网格的热量和水分状态的基础上计算产流和汇流 ,并在乌鲁木齐河山区流域上得到应用 。

天山南坡科契卡尔巴西冰川消融期雪面能量平衡研究

根据2005年6～9月的野外观测资料,计算了天山南坡科契卡尔巴西冰川积雪表面的能量平衡各分量,其中感热和潜热采用空气动力学-梯度方法计算得到,净辐射由观测获得.结果表明,消融期净辐射是雪面最主要的能量来源,占能量收入的81.4%,平均值为63.3 W.m-2;其次为感热供热,占18.6%,为14.4 W.m-2.吸收的热量主要通过融化和蒸发两种方式消耗,融化和蒸发耗热分别为54.0 W.m-2和23.0 W.m-2,占能量总支出的69.5%和29.7%,剩下的0.8%由感热消耗.在积雪表面的能量组成中,感热值在6月和9月较大而8月较小;对于潜热来说,6月潜热交换绝对值最大,蒸发最强烈,这与6月风速大且天气晴好有关.另一方面,净辐射值较大的6月和9月融化热较多,说明此时段冰川消融较为强烈.

哈密庙尔沟平顶冰川积雪中粉尘微粒沉积特征

通过2004—2005年夏季在天山哈密庙尔沟平顶冰川采集的雪坑样品,对冰川积雪中大气粉尘的沉积特征进行了分析研究.分析结果表明,哈密庙尔沟平顶冰川粒径介于0.57<d<26μm微粒的平均质量浓度是3690μg.kg-1,粉尘年均沉积通量约92.3μg.cm-2;与北半球其它地区类似研究相比明显较高,哈密庙尔沟平顶冰川受中亚粉尘源区影响很大.雪坑微粒浓度剖面和离子相关性分析表明,庙尔沟平顶冰川积雪中厚污化层富含亚洲粉尘颗粒的富Ca2+和Na+矿物;微粒体积-粒径分布众数介于3—23μm,并且表现出明显的沙尘与非沙尘季节的分布差异.同时,用后向气团轨迹分析法验证了该区大气粉尘的传输路径,发现研究区沙尘与非沙尘季节大气粉尘来源不同,分别来源于西北和西南方向,这对研究区大气粉尘的传输和沉降造成了很大影响.

1956-2012年三江源区河流流量变化及成因

为研究三江源区河流流量变化及其可能成因,在1956—2012年水文气象资料基础上,借助Mann-Kendall趋势检验、流量历时曲线等数理统计方法,分析了该区域流量的年际和年内变化,并通过双累积曲线、相关分析和贡献率分析等方法对影响流量变化的因素进行了探讨.结果表明:1近57 a来澜沧江源区和长江源区的年均流量均呈增加趋势,变率分别为0.47和2.12m^3(s·a),黄河干流流量轻微减少〔-0.60 m^3/(s·a)〕,部分支流流量有所增加;河流流量的年内分布有从双峰型向单峰型过渡的趋势.黄河源区高流量和低流量都减少,长江源区高流量和低流量均增加,而澜沧江源区高流量减小、低流量增加.2气温和降水的共同作用导致河流流量的年内分布呈双峰型或单峰型的特点,降水为主导因素,秋季降水量减少导致部分河段流量分布从双峰型向单峰型过渡.3河流流量和降水量的变化基本保持一致.黄河源区和澜沧江源区流量主要受东亚季风和西风控制,而长江源区流量主要受到青藏高原季风和东亚季风的影响.20世纪80年代以来,三江源区0℃等温层高度(16.28 m/a,P<0.001)和>0℃年积温(7.30℃/a,P<0.01)均呈显著增加趋势.在区域快速增温背景下,冰川和积雪消融给河流流量造成的短期增加效应不可持续,由此对水源涵养功能构成严重威胁.

乌鲁木齐河源冰雪及多年冻土径流过程特征

在全球气候变暖背景下,乌鲁木齐河源自20世纪90年代中后期呈现出显著气温升高和明显降水增加趋势,乌鲁木齐河源区1号冰川及空冰斗山坡春季冰雪消融径流开始产流的时间有明显的推后趋势;同时径流结束、河道断流的时间也有不太显著的推后现象,其间接说明了高山区冰川及多年冻土融冻过程有了明显的消融季节推后特征.2000年以后春季径流明显大于20世纪80年代,其中冰川主要消融期径流变幅明显小于前期,空冰斗山坡夏季径流显著增大且变幅明显变大.分析认为,乌鲁木齐河源径流的这些变化,主要是河源区冬、秋季的明显升温,大气降水、季节性积雪融水和冻土活动层融冻过程变化等的反映.