基于GIPL2模型的青藏高原活动层土壤热状况模拟研究

青藏高原活动层土壤热状况,对深入了解高原活动层的厚度变化特征、下垫面的热力作用以及对气候变化预测均有重要意义。利用GIPL2模型模拟青藏高原多年冻土区不同植被状况下活动层土壤热状况。模拟结果表明:模型在高寒草原(QT06)试验点模拟效果较好,高寒沼泽草甸(QT03)试验点的模拟效果较差,高寒草甸(QT01)、高寒荒漠草原(QT05)和高寒草原化草甸(QT04)试验点的模拟效果介于高寒草原试验点和高寒沼泽草甸试验点之间。QT01、QT03、QT04、QT05和QT06的土壤温度模拟值与观测值相比,均方根误差分别为0. 67、1. 29、0. 73、0. 7和0. 56℃;相关系数分别为0. 99、0. 87、0. 98、0. 98和0. 96;平均误差分别为0. 37、0. 61、0. 31、0. 45和0. 16℃。QT06模拟结果较好,原因在于此点土壤质地变化不大,模型的分层与所取的参数更加接近此点的实际状况。QT03模拟结果较差,可能由于此地区土壤中存在砾石,在导热率参数化方案中没有考虑砾石含量,导致模拟结果偏差较大。总体而言,GIPL2模型对青藏高原活动层土壤热状况的模拟具有一定的优势,是一种模拟多年冻土区活动层土壤热状况较为理想的模型。

基于MODIS数据的青藏高原地表温度的时空变化特征分析

随着全球气候变化,青藏高原地表呈现出增温的趋势,这会引发一系列灾害事件的发生。本研究利用2003—2017年中国地表温度数据集(MOD11C1和MYD11C1),通过趋势分析法、M-K趋势检验法等,系统分析了青藏高原地表温度的时空分布特征。分析结果表明:青藏高原2003—2017年平均地表温度为0.88℃,整体表现为由东南向西北递减的趋势。从四季分布来看,整个研究区内四个季节的地表温度平均值由高到低排列为:夏季、春季、秋季、冬季,分别为9.57、1.53、1.51和-9.13℃;研究时段内青藏高原年平均地表温度呈波动上升趋势,平均每10年上升0.41℃;四季的地表温度变化趋势表现为春季降温、夏秋冬三季升温的特点,且秋季的地表升温幅度最大,达到0.70℃/10 a;此外,地表温度随海拔高度的变化特征表现为:青藏高原地区海拔每升100 m,年平均地表温度下降0.36℃。研究结果以期为青藏高原灾害风险评估研究提供参考。

多年冻土调查和监测为青藏高原地球科学研究、环境保护和工程建设提供科学支撑

随着我国西部大开发战略的实施和气候变暖对青藏高原影响的日益显著,多年冻土变化对生态、水文、气候和工程建设的影响日渐突出,多年冻土的长期定位监测和大范围野外调查已经成为冰冻圈、生态、水文、气候和寒区工程建设等方面深化研究和解决重大科学和工程问题的重大需求。中科院青藏高原冰冻圈观测研究站(简称"高原冰冻圈站")自建站以来对青藏高原多年冻土进行了长期连续的监测和大范围的野外调查,开展了多年冻土水热状况的变化机理、模型模拟和生态效应综合研究。特别是近年来在科技部、国家自然科学基金委和中科院等重大项目支持下,高原冰冻圈站积极开展国内外科研合作,规范了多年冻土野外考察和定位监测的方法,建成了在国际上处于领先地位的多年冻土综合监测网络;系统地开展了高原多年冻土分布、温度、厚度和地下冰空间分异规律的定量研究,基于多源数据和多模式比对,发布了空间分辨率为1 km的高原多年冻土温度、厚度和地下冰的空间格网数据。基于长期监测数据,构建和改进了适合于青藏高原多年冻土的一维热传导模式和陆面过程模式,定量评价了过去30年来高原尺度多年冻土的变化及物理机制。这些科研成果不仅为青藏铁路建设、三江源国家公园生态保护、区域气候模拟等问题的解决提供了强有力的基础数据支撑,同时也面向国家需求和国家重大项目研究,推动决策咨询服务。有关青藏高原多年冻土区植被、生态和土壤有机碳氮空间分布的研究成果,填补了该领域的国际空白,为未来地球国际科学研究计划和地球系统模式发展提供了最为基础的本底数据支撑。

基于Sentinel-1数据对青藏高原五道梁多年冻土区地面形变的监测与分析

在气候变暖背景下,地面形变监测可以反映多年冻土的发育趋势。利用欧空局Sentinel-1降轨数据(2014年11月27日至2017年3月4日),基于SBAS-InSAR技术,获取了五道梁多年冻土区的地面形变状况,并分析了环境因子对其的影响。结果表明,近年来该地区地面主要表现为沉降趋势,与水准实测形变趋势吻合,相对误差为22.4%,均方根误差为4.3 mm;形变变化速率为-10.28 mm·a-1,相对误差为14.79%。植被类型、地形地貌对多年冻土区地面形变影响较大。植被发育越好,由于土壤含水量越高,地面形变量也越大;而植被覆盖度在一定程度上会影响Sentinel-1数据获取地面形变信息的精度;地形起伏较大的山区形变量存在垂直向与南北向的差异;水体分布较多的地区,信号失相干相对严重, Sentinel-1数据获取地面形变信息的能力会受到较大的影响。此外,降水事件与日冻融循环作用对Sentinel-1数据获取地面形变信息的精度影响也不可忽略。因此,在利用Sentinel-1数据获取青藏高原多年冻土区地面形变信息时,要综合考虑下垫面、气候条件与冻土日冻融循环的影响。

基于ITPCAS数据的青藏高原太阳总辐射时空变化特征

利用青藏高原观测站数据对ITPCAS太阳总辐射数据进行评价,并基于ITPCAS数据分析青藏高原总辐射的时空变化特征。结果表明:ITPCAS总辐射数据与观测数据具有很好的一致性,能反映出青藏高原总辐射的时空变化特征。青藏高原年平均总辐射高值中心位于西藏西南部和青海柴达木盆地,低值中心位于高原东部的四川盆地和藏东南地区,高值和低值中心随季节变化发生变动。1999年之前,青藏高原总辐射整体表现为减小趋势,减小幅度约4.86 MJ/(m^2·a);2000年之后表现为上升趋势,上升幅度约8.03 MJ/(m^2·a)。从空间分布上来看,1999年之前高原西部和东南部少部分区域总辐射呈现出明显的上升趋势,其他大部分区域呈现出下降趋势或变化趋势不明显;2000年之后除高原西部和东部部分区域总辐射表现为明显的减小趋势,其他大部分区域均表现为上升趋势。

1901-2010年青藏高原土壤温度变化的模拟研究

冻土变化是气候变化研究领域的热点问题之一，而土壤温度是冻土变化研究的重要参量。但目前对百年尺度土壤温度，特别是深层土壤温度变化的认识还存在不足。本研究利用CRUNCEP大气强迫资料驱动最新版本的通用陆面模式（CLM4．5）对过去百年的青藏高原土壤温度变化进行了模拟研究。利用来自气象站和野外钻孔监测站的土壤温度观测资料对模拟结果进行了验证，结果显示：1）通用陆面模式能合理地模拟出观测的青藏高原土壤温度变化，模拟和观测结果的相关系数为0．92，纳什效率系数为0．82，趋势分别为0．27℃／10年和0．28℃／10年。模拟结果明显优于再分析资料；2）1901～2010（1979～2010）年青藏高原15m土壤温度增加率为0．05（0．27）℃／10年，冬季增温高于夏季，土壤增温随深度增加而减弱、随经度增加而减小、随纬度的增加呈先增加后略减小的变化；3）青藏高原土壤温度变化主要受气温控制，1m（15m）深度土壤温度对气温变化的敏感性为0．79（0．37）℃／℃，浅层土壤温度对气候变化较深层敏感，多年冻土温度对气候变化较季节冻土敏感。这些结果从百年时间尺度上深化了对青藏高原土壤温度变化的认识。

青藏高原多年冻土特征、变化及影响

青藏高原是全球中纬度面积最大的多年冻土分布区,青藏高原多年冻土对东亚季风乃至全球气候系统都有重要影响.本文在前人研究成果的基础上,系统地梳理了青藏高原多年冻土基本特征的现状,主要包括活动层厚度,多年冻土面积、温度和厚度的空间分布,以及多年冻土区地下冰和土壤碳储量等方面的研究进展.通过补充最近监测资料,阐述了高原尺度活动层和多年冻土热状况的动态变化过程及趋势,并分析了这种变化的水文效应.随后,概述了多年冻土与生态系统、多年冻土与碳循环相互作用关系方面的研究进展.青藏高原多年冻土在过去数十年来发生了不同程度的退化,对多年冻土区地表的水、土、气、生间的相互作用关系产生了显著影响,进而影响着区域水文、生态乃至全球气候系统.本研究可为冻土与气候变化相互作用关系的机理研究提供思路,为寒区环境保护、工程设计和施工提供参考经验.

降水观测误差修正研究进展

获取准确的降水量是研究气候变化以及水文循环的基础,国内外学者针对雨量筒降水量捕捉率不足的问题做了大量工作。对近几十年来国内外降水量对比观测及雨量筒降水量修正方面的研究进行综述,认为目前对液态降水修正方案较为成熟,但是对固态降水尚未形成一个统一的修正标准。主要原因在于目前的降水量修正方案缺少对降水微过程的考虑。充分考虑降水微过程是给出包含物理意义降水量修正方案的关键。另外,更为细致的降水类型判定方案以及对微量降水事件的记录也是确定降水修正方案需要重点解决的问题。

青藏高原工程走廊3个监测点多年冻土温度序列重建

连续、长时间序列的多年冻土温度数据在开展气候变化对多年冻土的影响及其生态、水文效应研究中有着重要的科学意义.本文利用西大滩、五道梁、唐古拉3个观测点的实测地温数据首先对多年冻土模型及其参数化方案进行了验证、优化和标校,以实测数据和经过校正的CMIP6逐月5 cm地表土壤温度数据作为模型的驱动数据,模拟了3个观测点1900~2019年多年冻土地温变化,并对1920年以后的模拟温度变化序列进行分析.结果表明:(1)多年冻土模型对处于地温年变化深度以下地温的模拟误差低于0.1℃,表明模型对于多年冻土的热状态具有较好的模拟能力;(2)1920~2019年西大滩、五道梁、唐古拉各模拟深度的年平均温度均呈现升温趋势,年地温变化(15 m)处的平均升温速率为0.07℃/10 a(0.05~0.09),不同深度岩土层的热状态对气候变化具有不同的响应时间,深层地温对气候变化的响应相较于浅层有20年左右的滞后;(3)多年冻土上限下降速率相差不大,平均为0.6 cm/a;多年冻土下限的上升速率分别为13.4、4.0和4.0 cm/a;多年冻土厚度分别减少13.9、4.6、4.7 m;(4)3个观测点多年冻土对气候变化的反应存在差异,处于多年冻土北部下界附近西大滩的多年冻土相对不稳定,对气候变化反应剧烈,而处于连续多年冻土区的五道梁和唐古拉多年冻土相对稳定.本研究重建的不同深度100年月尺度地温变化序列可以较好地反映青藏高原多年冻土温度的变化历史,与近40年来观测到的多年冻土变化的实际情况较为一致.地温序列是对目前青藏高原多年冻土地温数据时间短、连续性差的补充和完善,可被用作研究青藏高原多年冻土热状态变化的重要参考数据.