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。

基于冰芯记录与遥感数据的近期青藏高原粉尘变化研究

冰芯中的微粒记录是恢复过去大气粉尘变化的独特信息,选取青藏高原的西部(慕士塔格)、中部(唐古拉)、南部(珠穆朗玛峰、达索普和宁金岗桑)为研究地点,结合遥感数据(气溶胶指数)和冰芯记录(粉尘质量浓度与沉积通量)探讨过去几十年来青藏高原大气粉尘在时间上和空间上的变化.结果表明:青藏高原上气溶胶指数从北向南、从西向东减少,靠近塔克拉玛干沙漠的地区气溶胶指数数值最大,藏南地区最低,与西风环流在高原的传输路径和源区的地理分布一致.冰芯中粉尘质量浓度表现为:高原中部>高原西部>高原南部,而沉积通量表现为高原西部>高原中部>高原南部,与气溶胶指数相一致.通过冰芯中的粉尘沉积通量记录与气溶胶指数的相关分析,发现在年尺度上仅有唐古拉地区表现出较好的相关性,而在其他地区无明显相关关系.经过3点滑动平均后,高原各地的这种相关性均有所提高:慕士塔格地区相关系数为0.49(P=0.13);唐古拉地区的相关系数为0.87(P<0.001);宁金岗桑地区的相关系数为0.68(P=0.03).这种相关性为通过冰芯记录来反演更长时间尺度的青藏高原上气溶胶指数提供了基础.

青藏高原西部阿汝冰芯记录的近100 a气温变化研究

以2017年9月钻取自青藏高原西部阿汝冰崩区长度55.29m的阿汝冰芯为研究对象,通过冰芯δ18O记录与Nye模型重建了冰芯上部17.87m的时间序列是1917—2016年。结合冰芯邻近的改则、狮泉河气象站1973—2016年夏季平均气温数据,通过相关性分析及线性回归法、Mann-Kendall(M-K)检验分析,发现冰芯与气象站记录的过去44年气温显著升高;根据M-K突变检验得出,20世纪80年代是气温变化由高—低—高的转折时期,且阿汝冰芯记录的突变年份1981年前后气温上升约1.97℃。同样地,采用线性回归法、M-K检验分析阿汝冰芯与邻近的古里雅冰芯共同记录的1917—1991年气温变化情况,发现两支冰芯记录的75年间气温变化总体呈上升趋势;根据M-K突变检验得出,升温始于20世纪30年代中后期并于50年代达到显著升温的趋势,且阿汝冰芯记录的突变年份1949年前后气温上升了约1.1℃。阿汝冰芯与气象站和古里雅冰芯记录的气温变化具有一致的升温趋势,但阿汝冰芯记录的增温幅度比气象站记录高,同时比古里雅冰芯记录的增温幅度小。

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。

青藏高原南部枪勇错冰前湖泊沉积记录的近千年来冰川与气候变化

以钻取自青藏高原南部大枪勇错冰前湖中的1.06m湖芯为研究对象,对沉积物样品进行了粒度、磁化率、元素含量、碳酸盐和总有机碳含量等多项指标的分析测定;在明确了沉积物来源的基础上,分析讨论了各指标变化的影响因素及其具体气候环境指示意义;结合沉积序列放射性同位素定年结果,对湖芯中各指标进行了综合对比分析,恢复了青藏高原南部枪勇错地区近千年来的冰川与气候变化。结果表明:1.06m沉积序列年代跨度为自公元11世纪前后至今的逾千年时间;沉积物主要来源于枪勇冰川融水对冰川上部沉降粉尘颗粒的携带,而沉积物的粒度、磁化率及各组分含量与区域气候条件下枪勇冰川融化强度有密切关系;自公元11世纪至今,青藏高原南部地区环境温度总体呈现波动中逐渐升高的趋势,枪勇冰川随之逐渐融化退缩。具体来说,公元11世纪初,该地区环境温度较低,枪勇冰川融化较弱;公元11世纪中叶至13世纪初,该地区气候温暖,枪勇冰川融化较强;公元14世纪开始至18世纪中叶,该地区进入小冰期,枪勇冰川融化强度显著降低;自公元18世纪中后叶至今,该地区环境温度急剧升高,枪勇冰川呈加剧融化退缩趋势。

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。

季风前期青藏高原南北向河水稳定同位素空间变化特征

利用2010年与2011年6月在青藏高原南北剖面采集的69个河水样品,分析青藏高原南北向河水中δ18 O与过量氘(d)空间变化特征,研究表明:受不同气团影响,总体上,青藏高原河水中δ18 O自南向北逐渐升高,纬度每升高1°,河水中δ18 O升高约1.25‰.不同区域河水中δ18 O对海拔高度变化的响应不同,青藏高原南部喜马拉雅山南麓河水高程效应显著,唐古拉山以北河水中δ18 O高程效应不显著,同时青藏高原河水中过量氘有显著空间变化特征.由于青藏高原南北不同的降水季节变化、喜马拉雅山雨影效应及南北不同的水汽来源及水汽循环方式,使河水中过量氘在喜马拉雅山南麓及唐古拉山以北表现为2个高值区,喜马拉雅山北坡至唐古拉山以南河水过量氘表现为低值区.

青藏高原夏季夜雨率空间分布及其变化特征

选取了1961—2007年青藏高原海拔2 000 m以上76个气象站夏季(6—9月)逐日地面降水观测资料,分析了青藏高原夏季夜雨率的时空特征,结果表明:1.青藏高原夜雨率具有显著的区域差异性,在西藏中西部夜雨率呈"纬向型"分布,而西藏东部、川西高原至滇北夜雨率则表现为"西北-东南"走向;夜雨率高值中心出现在雅鲁藏布江中段(日喀则地区东北部至拉萨市一带),达到75%以上,同时喜马拉雅山脉南麓可能是夜雨率>70%的另一个高值区域;夜雨率最低值在青海省西北部,仅为33%;2.高原夜雨率具有明显的海拔效应,夜雨率与海拔呈显著的反相关,即海拔越高夜雨率越低,反之亦然;3.高原夜雨率随夏季日期推后呈增大趋势,而年际变化上则表现为明显的下降趋势2,0世纪80年代初存在明显的突变现象;4.高原夜雨率与日降水量之间存在一定的关联:当日降水量<1 mm时夜雨率仅为48.8%,此后夜雨率随着日降水量增加而明显增大,特别是降水量在20 mm以下时,夜雨率上升速度最快,上升幅度超过20%;当日降水量为23～40 mm时,夜雨率稳定在70%～76%间,随后又略有波动下降;当日降水量为33 mm时,夜雨率达到极大值,为75.1%。青藏高原夜雨率的空间变化可能受大地形的影响。高原夜雨对农牧业生产有利的同时,也可能会带来诸多自然灾害。因此,深入探讨夜雨率是制定有效防御气象灾害对策的重要依据。

青藏高原及其周边地区冰川融水径流无机水化学特征研究进展

冰川融水径流是冰川流域物质运移的重要通道,对其水化学特征和变化的研究有助于揭示冰川作用区物质的生物地球化学循环过程,并为认识和评价冰川消融对自然环境和人类生活的影响提供基础。青藏高原及其周边地区分布着除两极以外最大储量的冰川,近年来在气候变暖背景下冰川加速退缩消融。该地区冰川融水径流中各类化学组分的变化及其气候环境效应研究逐渐成为热点。因此,通过概述青藏高原冰川融水径流中无机化学组分的含量和时空变化特征,并总结离子和元素的主要来源及常用的物源追踪手段,进一步综合分析得到:冰川融水径流中离子和微量元素的含量及变化特征受冰川消融、基岩性质、径流水文特征和其他水体物理化学过程等因子和过程的共同影响。在总结该研究领域现存问题的基础上进行了展望,认为应加强观测和基础数据积累,厘清无机水化学组分的输移规律,深入揭示影响水化学组分变化的多因素的协同拮抗作用机制,评价冰川融水径流水化学的气候环境效应,为应对青藏高原冰川消融带来的环境变化提供科学指导。

青藏高原纳木错流域扎当冰川度日因子特征及其应用

根据青藏高原念青唐古拉峰北坡纳木错流域扎当冰川2007和2008年消融期的物质平衡和气象观测资料,计算了冰川冰和雪的度日因子值,分析了冰川度日因子的时空变化及影响因素.结果表明:扎当冰川雪的度日因子值为5.3mm·d-1·℃-1;不同海拔冰的度日因子在4.0～14.0mm·d-1·℃-1之间,平均为9.2mm·d-1·℃-1.扎当冰川冰的度日因子值随着海拔的升高有所下降,但季节变化规律不明显.利用度日模型对扎当冰川物质平衡进行了模拟,得到2006/2007年度和2007/2008年度该冰川的物质平衡值分别为-534mmw.e.和247mmw.e.,其中2007/2008年度的模拟值接近观测值.

青藏高原典型下垫面的土壤温湿特征

利用中国科学院纳木错站、珠峰站和藏东南站2007年土壤温湿度的观测资料,分别分析了这3个不同下垫面下观测站的土壤温湿度分布的时空特征.结果显示:3个站土壤温度的年变化和年平均的日变化趋势基本相同,与太阳辐射变化特征一致;它们在冻结深度和冻结时间上差别较大;下垫面特征、土壤的冻结消融及其物理性质的差异使3个站表现出了不同的土壤湿度变化特征;3个站均表现为在某一深度有一个高含水层,土壤消融(冻结)使土壤湿度迅速增大(减小).

青藏高原中部双湖羌塘1号冰川厚度特征及冰储量估算

冰川冰贮量的大小与变化对河流与湖泊水的影响是当前关注的热点科学问题之一.根据青藏高原中部双湖地区羌塘1号冰川2011、2013年探地雷达测量数据和差分GPS定位结果,分析探讨了羌塘1号冰川横、纵剖面厚度特征,并在GIS技术的支持下,绘制了冰川厚度等值线,对冰川储量进行了估算.结果表明:羌塘1号冰川作用强烈,横剖面呈典型的"U"形发育,底部宽阔平坦.纵剖面从下往上缓慢抬升,坡度较小,下伏地形平坦,无明显突兀变化,与冰川表面具有很好的一致性.经计算整条冰川平均厚度51.28 m,最厚处132.15 m,冰体储量0.1236 km3.

青藏高原木孜塔格冰川、玉珠峰冰川及扎当冰川可培养细菌的生理特征

为了解冰川微生物生长特点,分析了青藏高原木孜塔格冰川、玉珠峰冰川和扎当冰川可培养细菌在不同温度,及木孜塔格冰川可培养细菌在不同盐度和p H下的生长特性.木孜塔格冰川52%的可培养细菌不耐盐,只能在0%盐度下生长,38%的细菌可以在0%~4%/6%盐度培养基中生长,其余细菌可以在0%~1%/2%的盐度培养基中生长,且62%的细菌具有较广的p H值生长范围（p H 5~9）;另外,38%的细菌只能在弱酸性（5%）或者只能在弱碱性（33%）培养基中生长.3个冰川可培养细菌生长温度范围均为0~35℃,木孜塔格冰川最适生长温度≤20℃的细菌占其细菌总数的86%,而玉珠峰冰川和扎当冰川最适生长温度≤20℃的细菌则分别占其细菌总数的69%和53%.不同冰川具有不同最适生长温度的细菌的比例不同,同一冰川不同深度相同属类的细菌有相近的生长温度特征、耐盐度和耐酸碱特征.

青藏高原唐古拉哈日钦冰芯表层和深层可培养细菌特征

对唐古拉哈日钦冰芯表层0.04~3.04m及深层127.44~130.36m中可培养细菌进行了对比研究。发现表层和深层可培养细菌数没有表现出显著差异性,表层冰芯中可培养细菌数为0~9.8×10^3CFU·mL^-1,略高于深层冰芯的0~8.4×10^3CFU·mL^-1。表层冰芯中微生物总数为10^3~10^6cells·mL^-1,深层冰芯中微生物总数为10^2~10^3cells·mL^-1。冰芯中可培养细菌属于Firmicutes(厚壁菌门)、Proteobacteria(变形菌门)、Actinobacteria(放线菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)和Deinococcus-Thermus(异常球菌门)5大类。但表层和深层可培养细菌属于不同的优势门,表层为Proteobacteria(38%),深层为Firmicutes(42%)。表层和深层优势属均为Bacillus(芽孢杆菌属),占比分别为18%和29%。已有研究表明哈日钦冰芯98.8m达到了公元1000年的历史记录,因此对比千年尺度上可培养细菌数量及多样性的差异,能够为进一步发掘新基因,丰富微生物多样性,为了解可培养细菌的进化历史奠定基础。

西藏普莫雍错不同岩芯环境指标的对比研究及其反映的近200年来环境变化

在西藏南部普莫雍错不同位置处采集了四支岩芯沉积物,对其中一支利用210Pb和137Cs方法建立了沉积物的年代序列,并对其他三支岩芯的上部沉积物进行了总有机碳、无机碳、粒度及化学元素含量的分析.结合沉积物年代,对不同岩芯的环境代用指标进行对比,讨论了该地区近200年来的环境变化状况.结果表明,不同位置处采集的岩芯其环境指标变化趋势在整体上具有一定的可比性,但在细节变化与环境指标的数值上仍具有明显的差异,显示了湖泊内部沉积状况的空间差异性,这可能是由于采样点水深、水下地形以及与主要补给河流距离的不同而造成的.PY04岩芯环境指标显示普莫雍错湖区环境在约1900AD之前较为稳定;在约1900-1940AD之间湖区环境波动加剧,地表侵蚀增强,沉积速率加快;湖区环境在1940AD左右发生了明显的变化,温度显著升高,沉积物粒度增大,湖泊处于退缩状态,表明湖泊环境向暖干化方向发展.

高海拔干旱区湖泊沉积物多指标记录的环境变化研究——以阿克赛钦湖为例

青藏高原西北部湖泊沉积物记录了丰富的区域气候环境变化信息,对于揭示青藏高原西风-季风环流系统变化及其相互作用过程具有重要意义。通过对青藏高原西北部高海拔干旱区典型湖泊阿克赛钦湖沉积岩芯粒度、总无机碳(Total inorganiccarbon,TIC)、总有机碳(Total organic carbon,TOC)、总氮(Total nitrogen,TN)、碳氮比(C/N)和磁化率等环境代用指标的分析,探讨阿克赛钦湖不同沉积深度范围内湖泊水动力搬运条件、湖面变化及湖区冷暖变化等湖泊环境变化过程。结果表明:阿克赛钦湖沉积物有机质含量低,湖泊沉积物以粉砂为主,黏土次之,砂含量最少。多指标记录的环境变化大致分为以下4个阶段:第Ⅰ阶段(531~480 cm)气候相对温暖,流域蒸发较弱,湖泊水生生产力低,为湖泊水动力搬运条件弱的深水环境。第Ⅱ阶段(480~380 cm)气候寒冷干燥,流域蒸发强烈,湖泊水生生产力相对较高,为湖泊水动力搬运条件强的浅水环境。第Ⅲ阶段(380~160 cm)气候逐渐转暖,入湖水量增多,湖面扩张,湖泊水动力搬运条件逐渐减弱。第Ⅳ阶段(160~0 cm)气候寒冷干燥,流域蒸发增强,湖泊水生生产力低,为湖泊水动力搬运条件弱的深水环境。研究结果可为青藏高原西北部过去气候变化重建及西风-季风变化关系研究提供基础科学数据与理论支撑。

青藏高原地区近地表冻融状态判别算法研究

青藏高原地区以其独特的气候水文特征被称为"亚洲水塔",这一地区广泛分布的冻土及其冻融过程对地表非绝热加热与水文过程具有重要影响。然而,恶劣和复杂的地理环境为这一区域的地表冻融过程本地观测和遥感监测均带来极大挑战。本文利用AMSR-2传感器遥感数据开展青藏高原地区的近地表冻融判别算法研究,包括判别式算法和季节性阈值算法,并使用4个青藏高原典型地区的土壤温湿度密集观测网数据对算法进行区域适应性优化。研究特别针对季节性阈值算法进行了两点改进:首先考虑到地表发射率的变化对于冻融相态的转变指示更为直接,故采用6.9 GHz水平(H)极化的准发射率替换季节性阈值算法中的原有冻结因子;其次使用一种新的数据归一化方法:标准差归一化方法,用以替代原有的离差归一化方法,并通过阈值设定对判别精度的影响分析改进后的优势。结果证明,冻融判别式算法在升轨时期的整体精度最具优势,其优势在于能够减少夏季地表发射率复杂变化导致的误判,基于标准差归一化方法的季节性阈值算法在降轨时期的整体精度具有优势。通过对不同典型区域的冻融土辐射特征和判别精度的分析,发现地表发射率的变幅(初始液态含水量)大小是影响所有冻融判别算法精度的最关键因素。

青藏高原纳木错湖水主要化学离子的时空变化特征

为揭示青藏高原纳木错湖水化学离子的时空变化特征、来源以及主要控制因子,于2006～2010年连续定点(30°47.27'N,90°58.53'E,4 718 m a.s.l.)采集近岸表层湖水样品;于2009年8月采集湖心区剖面样品;于2010年10月采集湖心区剖面样品及表层湖水样品;对其主要化学离子进行分析.结果表明,纳木错湖水中主要阳离子为Na+,主要阴离子为HCO3-.绝大多数离子浓度在季风期较高(6～9月),而非季风期尤其是封冻期(1～4月)偏低;Ca2+浓度的变化则相反,即封冻期较高,而非封冻期较低且变化较小.对垂直剖面湖水分析表明,在湖水垂直结构稳定的非季风期(如10月),除Ca2+浓度随深度无显著变化外,其他离子浓度随深度增加而增大.纳木错湖水主要离子来源于入湖河水的贡献;影响离子时空变化的因素包括蒸发、降水、pH值等,其中蒸发是最主要的影响因素,它造成湖水Na+浓度不断升高而Ca2+浓度降低.

青藏高原不同类型湖泊温度季节性变化及其分类

青藏高原广泛分布的湖泊是研究高原气候变化及其与全球气候系统相互关系的理想载体,但是目前对于高原湖泊现代过程研究仍然比较缺乏,在某种程度上制约了对过去气候环境变化记录的指标意义和湖泊生态系统演替的深入理解.本研究对青藏高原西部淡水湖泊班公错和中部咸水湖泊达则错开展了为期1年的湖水温度监测,讨论其湖水分层、翻转等水文物理过程.数据显示班公错属于典型的双季对流混合型湖泊(dimictic lake),而达则错属于半对流湖泊(meromictic lake),可能与达则错深部湖水盐度较高有关.利用湖泊模型Lake Analyzer进一步确认达则错不完全混合是由湖水盐度梯度所致.现代湖泊温度监测为高原湖泊分类提供有效数据,也为进一步深入研究过去气候变化和生态系统演替提供了水文物理学基础.

青藏高原冰芯稳定氧同位素记录的温度代用性研究

以青藏高原为主体的第三极地区是中、低纬度最大的冰川作用区。冰芯记录可为该地区过去气候环境变化研究提供重要的信息。但在青藏高原地区尤其是高原南部印度季风影响区,其冰芯稳定同位素记录的解释还存在着不确定性。本文整合青藏高原不同空间位置上的10支冰芯δ^(18)O记录,以研究其空间集成的序列与区域温度的关系,来论证青藏高原冰芯稳定同位素指标的温度代用性。将青藏高原北部和南部各5支冰芯及整个青藏高原面上的这10支冰芯δ^(18)O记录经Z-score标准化处理后,与相应区域的器测气温标准化序列进行统计分析。结果发现,无论是高原北部、高原南部还是整个高原面上,冰芯δ^(18)O与气温的标准化序列均存在显著的相关关系。在此统计分析基础上,将冰芯δ^(18)O标准化序列延伸至1900年,从而重建了20世纪青藏高原地区气温变化,该气温序列与北半球气温变化具有较好的相似性。如上分析表明,青藏高原冰芯δ^(18)O记录是区域气温变化的良好代用指标,多支冰芯δ^(18)O记录的综合集成能更好地揭示过去气候变化特征。