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。

青藏高原草地生态系统碳通量研究进展

青藏高原拥有我国面积最大的天然草地,区域内生态系统碳通量的长期定位观测研究具有重要意义.在总结生态系统碳通量主要研究方法基础上,对青藏高原不同植被类型碳循环的源、汇效应、时空变化及其与影响因子关系等研究领域所取得的重要进展进行了综合评述.现有研究表明,不同植被类型间CO2通量的季节变化、年际变化、交换量和碳源汇特征等存在明显差异,光合有效辐射、温度、降水、土壤水分和叶面积指数等是影响碳通量变化的主要驱动因子.最后,结合当前青藏高原地区生态系统碳通量研究的现实与需要,探讨了通量观测所面临的主要科学问题及解决途径.未来对青藏高原碳循环关键过程的研究工作还需要多尺度、长期生态实验和CO2通量观测数据支持,同时以此为基础发展新的数据处理、分析和跨尺度机理模拟方法,建立青藏高原生态系统碳循环模型.

青藏高原北部不同下垫面土壤热力特性研究

利用2003年10月～2004年9月青藏高原北部可可西里（QT01）、北簏河（QT02）、开心岭（QT05）、通天河（QT06）等地区一个完整的冻融循环周期活动层土壤热通量、土壤温度、土壤水分等观测资料，通过数值方法汁钎：高原北部活动层土壤导热率，分析高原北部活动层表层土壤热通量及导热率的变化特征。结果靠示，研究区域活动层土壤导热率具有明显的季节变化特点，表现为冷季小、暖季大；导热率随土壤容重的增火而增人，随下垫面植被盖度的增大而减小，高寒草甸土的上壤导热率小于高寒草原土的导热率；细粒土壤、较小未冻水含艟7支较低的饱和度是造成冷季士壤导热率较小的原冈；月平均导热率叮表永为地气温差及水气压等常规气象资料的函数。

青藏高原北部活动层土壤热力特性的研究

利用2003年10月～2004年9月期间高原北部可可西里(QT01)、北麓河(QT02)、开心岭(QT05)、通天河(QT06)等地活动层土壤温度梯度、土壤热通量及土壤水分的观测资料,计算了高原北部活动层土壤的导热率、土壤容积热容量、导温率等土壤热力参数.结果显示,QT02、QT05、QT06三站导热率、导温率夏秋季节较大而冬季较小,容积热容量则相反,表现为秋冬季节大而夏季较小;QT01站导热率表现为春季大,夏季较小;表层土壤粒度较小及较低的土壤湿度是冬季导热率较小的可能原因;冻土的热力特征参量可描述为相应深度的温度、体积含冰量及土壤盐度的函数,土壤含水量是融土热特征参数的主要影响因子;土壤水分含量小于某一临界值时,导温率随土壤水分含量的增大而增大,反之则减小.

青藏高原1977—2006年土壤热状况研究

浅层土壤温度的变化可以指示活动层厚度变化。利用青藏高原及毗邻地区74个站1977—2006年近30年的土壤温度资料,研究了青藏高原及毗邻地区土壤热状况。结果表明,自1977年的近30年来,5cm土壤负积温绝对值有减小的趋势,在高原的不同区域减小的幅度不同,对整个研究区域而言,负积温绝对值每10年降低了35℃;近30年来研究区内土壤的最大冻结深度呈现减薄的趋势;冻结期间(冷季)高原腹地负积温变化幅度要比边缘地区大,而在一个完整的冻融循环过程中,高原腹地相对于边缘地区稳定;近30年来高原地区冻融强度(FTI)呈现增大的趋势,这在某种程度上表明高原多年冻土区冻土的稳定性发生了变化;纬度及海拔对FTI值的影响较大,当海拔低于4000m时,33°N南北两区域FTI值随海拔升高的减小率不同,南部减小的量是北部的2.5倍,海拔高于4000m时,FTI值受纬度影响相对减弱。

青藏高原多年冻土区沼泽草甸土壤CH_4产生速率研究

用实验室培养法对青藏高原多年冻土区沼泽草甸土壤不同温度条件下的CH4产生速率进行了研究.结果表明:CH4产生速率与温度之间呈现显著的指数关系,整个土壤剖面平均CH4生成速率和CH4生成速率初始值随温度的变化具有显著的相似性,都表现出随温度的升高而增加规律,0℃、5℃、18℃时的CH4生成速率分别是-18℃时的5.7、171.4倍和3 257倍.0℃、5℃、18℃件下,CH4产生速率在各土层间呈现"U"型分布特征;-18℃条件下,CH4产生速率在各土层间分布没有明显的规律.0℃、5℃、18℃条件下,各深度平均的CH4产生速率与时间呈现极显著的线性正相关关系;-18℃条件下,各深度平均的CH4产生速率与时间的也有线性正相关关系.但在不同温度条件下,1～72 h培养时间内,CH4产生速率变化范围存在明显差异,-18℃、5℃、18℃时,各土层平均CH4产生速率变化范围分别为:0.005～0.008、0.93～1.49 ng.g-1.h-1和16.4～30.7 ng.g-1.h-1;0℃条件下的CH4产生速率变异性最大,为0.02～0.06 ng.g-1.h-1.4种温度条件下.CH4产生速率与土壤有机碳含量没有相关性,但在正温条件下,与土壤pH存在负相关关系.

青藏高原北麓河地区降水量观测与对比分析

根据2011年11月至2012年9月通过Thies激光雨滴谱仪、T-200B雨雪量计和TE525翻斗式雨量筒获取的青藏高原北麓河地区降水量数据,按3个时间段分别对3种仪器记录的降水量行了对比分析.结果表明:激光雨滴谱仪获取的固态降水量与经Jimmy校正公式修正后的T-200B降水量极为接近.但在测量雨夹雪时,激光雨滴谱仪对降水类型、颗粒直径的误判造成了获取的降水量远高于T-200B雨量筒.而3种仪器获取的液态降水量有很好的一致性.但是,当小时降雨量在2mm以上时,激光雨滴谱仪获取的降雨量比T-200B和TE525雨量筒小20%左右.同时,在风吹雪对激光雨滴谱仪的影响方面做了相关的分析研究,初步认为风吹雪的颗粒直径主要集中在0.5mm以下.

基于决策树方法的青藏高原温泉区域高寒草地植被分类研究

植被指数作为植被生长状态的最佳指示因子,已成为植被分类的重要手段之一。为了解青藏高原温泉区域高寒草地植被的分布状况,利用野外样方调查获得植被点数据,结合MODIS/EVI遥感影像数据及数字高程(DEM)数据,综合分析各种高寒草地植被类型的EVI时序曲线特征及其生长环境的高程、坡度和坡向等地形特征,建立知识库并采用决策树分类算法对该区域的高寒草地植被分类进行研究。结果表明,总体分类精度为72%,Kappa系数是0.6,决策树方法能有效地分类和识别具有相似EVI时序特征的高寒草地植被。

青藏高原多年冻土区活动层土壤水分迁移研究进展

评述了高原活动层水分的野外观测和参数化方案.其中,基于观测数据的数理统计,无法准确获取较大时空尺度上活动层水分迁移特征.为此,通过是否分别考虑未冻结和冻结状态两条途径,建立了4类活动层水分参数化方案:1基于土壤含水量的Clapp-Hornberger公式等;2引入土壤温度的克拉贝龙方程与Clapp-Hornberger公式耦合;3引入冰的阻塞作用;4通过土壤温度和含冰量修正的Clapp-Hornberger推广式.但这些方案对冻结期的水分迁移模拟结果并不理想,仍需进一步的改进.

青藏高原多年冻土区沼泽草甸土壤CH_4氧化速率研究

CH4氧化是影响CH4排放通量的主要过程之一, 对CH4源汇效应起着重要作用.用实验室培养法对青藏高原多年冻土区沼泽草甸土壤在-10、-5、0、5、10和18 ℃等6个温度条件下1~72 h内CH4氧化速率进行研究. 结果表明： 正温条件下, 各层土壤CH4氧化速率呈现＂U＂型分布特征, 0~20 cm高、20~80 cm低、80~100 cm高;负温条件下, 各土层CH4氧化速率相对较低且无明显差异. -5、0、5、10和18 ℃时的CH4氧化速率分别是-10 ℃时的1.3、26.5、390.5、1 644.7和4 926.4倍, CH4氧化速率与温度之间呈现显著的指数关系. 正温条件下, 各深度平均的CH4氧化速率与时间呈现极显著的线性正相关关系;但CH4氧化速率变化范围存在着差异, 在0、5、10和18 ℃条件下, 各土层平均CH4氧化速率变异率为510%、173%、244%和179%, 0 ℃条件下的CH4氧化速率变异性最大. 在正温条件下, CH4氧化速率与土壤pH值存在负相关关系;冻土冻结时, CH4氧化速率与土壤pH值没有明显的相关性.

青藏高原多年冻土区高寒草甸植物种群物候学定量研究

采用青藏高原腹地北麓河多年冻土区高寒草甸14种代表性植物种群2009年和2010年两个生长季的物候观测资料,进行植物种群物候学特征的定量分析,划分物候类型并指出影响不同物候期的环境因子主次.结果表明:营养期和结实期的物候指数都较大,分别为32.70和24.39,其他物候期则相对较小;整个生长期持续天数较短,为155d左右.14种植物可划分为3种类型和6大类群.在营养期和整个生长期,与物候变化最为密切的环境因子为降水量,其次为日照时数,温度居第三;而影响其他物候期的因子均以日照时数为主,降水量和温度依次居后.

青藏高原热融湖塘沉积物理化性质特征

热融湖塘是多年冻土区常见的地貌,全球气候变暖导致多年冻土退化会加快热融湖塘的形成和扩张,进而会增加多年冻土区碳的释放。热融湖塘沉积物与温室气体释放有着重要的关系,明确其沉积物碳氮含量等理化性质特征有助于认识青藏高原C、N循环对全球气候变化的响应。该研究选择青藏高原中东部116个热融湖塘为研究对象,采集热融湖塘沉积物样品,测定其总碳(TC)、有机碳(OC)、总氮(TN)、pH、沉积物粒径等理化性质,分析TC、OC、TN含量分布特征和各理化性质之间的关系。结果表明,TC、OC、TN含量均为高寒沼泽草甸区>高寒草甸区>高寒草原区>高寒荒漠区,沉积物粒径中粉粒加黏粒含量为高寒沼泽草甸区>高寒草原区>高寒草甸区>高寒荒漠区。研究表明:(1)沉积物TC含量为0.78~110.71 g/kg,OC含量为0.87~85.91 g/kg,TN含量为0.19~7.5 g/kg;(2)沉积物粒径与TC、OC和TN极显著相关(p<0.01);(3)热融湖塘深度与TC、OC和TN呈极显著正相关(p<0.01),表明热融湖塘越深,C、N含量越高;(4)高寒沼泽草甸区热融湖塘沉积物OC(15.37 g/kg)和氨氮(10.05 mg/kg)含量高,pH(7.99)相对较低,具有产甲烷优势。研究表明,热融湖塘沉积物性质与其所在流域的植被类型有关,植被类型是评估热融湖塘温室气体释放的重要因素。

青藏高原多年冻土区活动层水热特性研究进展

青藏高原多年冻土作为我国冰冻圈的重要组成部分,其水热状况是影响寒区生态环境、陆气间水热交换、气候变化以及地面路基建设等的重要因素。为增进对青藏高原多年冻土区活动层水热特性的认识,对影响活动层水热特性的主要因素以及主要研究方法做进一步梳理,并指出了当前研究中的不足。研究认为,气象条件、植被覆盖度、土壤性质、积雪等是影响多年冻土区活动层水热过程的主要因素,目前针对活动层水热特性的研究主要通过对站点实测资料分析和模型模拟等方式展开。未来工作的重点应放在改进适合于高寒山区的陆面模式以及增强水热动态过程与气候系统的相互作用上。

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。

青藏高原中部典型下垫面活动层水热动态及其热扩散率研究

多年冻土活动层,尤其是浅层土壤的水热传输机制,以及冻融过程的时空异质性是研究地-气间能水交换的关键。利用位于青藏高原中部的唐古拉和通天河两个活动层观测场2013年的土壤温度和水分数据,比较了不同下垫面浅层土壤日冻融循环过程的差异,以及不同冻融阶段的地温日变化及热扩散率特征。结果表明:根据一日之内地温的正负波动,浅层土壤的冻融过程可以划分为解冻期、完全融化期、始冻期和完全冻结期四个时期,其中解冻期和始冻期统称为日冻融循环发生期。解冻期的持续天数和深度明显高于始冻期,高寒草原的日冻融循环天数和发生深度明显高于高寒草甸。浅层土壤(0~20cm)日地温变化普遍呈现明显的正弦波动趋势,且不同冻融阶段的振幅差异较大,由于相变的缘故,解冻期的日地温变化振幅最小。高寒草甸的日地温振幅显著低于高寒草原,说明日地温动态与土壤质地和土壤水分密切相关,植被作为热绝缘层,减弱了地温对气温波动的响应。地表下5~10cm的热扩散率显著大于10~20cm深度,且5-10月融化季的热扩散率显著大于冻结季。热传导对流方程可以描述多年冻土区典型下垫面在季节冻融循环周期内不同月份的水分迁移方向。

青藏高原西大滩多年冻土活动层土壤性状与地表植被的关系

以青藏高原多年冻土区北界的西大滩为研究基点,选取多年冻土不同退化阶段的两个样地,对植被分布特征、冻土活动层和土壤特性等进行调查监测,同时分析不同活动层状态下土壤水热、养分和地表植被特征变化及相互间的作用关系.结果表明:西大滩地区的植被以浅根系植物为主,0～10cm的表层土壤中地下生物量约占地下生物总量的63%和62.2%之多.在气候条件基本一致的情况下,多年冻土的存在情况及活动层土壤水热状况对植被生态系统的演变起决定性作用.高地表植被覆盖下的冻土土壤水热调节能力强,有助于延缓冻土退化过程.西大滩土壤全氮、碱解氮、速效钾与有机质含量密切相关,含量随冻土退化明显减少,且随土层深度的变化曲线表现为相同的趋势.土壤表层养分和速效养分受冻土退化程度的影响较大.

青藏高原多年冻土区高寒草地生物量与环境因子关系的初步分析

以青藏高原多年冻土区3种高寒草地植被为研究对象,设置6个样地,并结合附近活动层观测场环境因子数据,定量分析生物量与环境因子的关系.结果表明,各高寒草地地下生物量对总生物量的贡献率最大,而地下生物量在0～10cm集中分布;对于总生物量和地下生物量,各因子影响程度大小次序为:土壤盐分>土壤含水量>空气温度,而对地上生物量,依次为土壤含水量>土壤盐分>空气温度;土壤温度同生物量存在负相关关系.同时,伴随多年冻土退化,活动层表层不同深度(10～50cm)土壤温度明显升高,含水量逐渐降低,土壤盐分不断增加,从而使高寒草地植被类型出现由高寒沼泽草甸、高寒草甸至高寒草原的逆向演替过程,群落总盖度及生物量均表现出明显降低的趋势.

ERA-Interim地表温度资料在青藏高原多年冻土区的适用性

地表温度综合反映了大气和地表植被、土壤等局地因素相互作用的能量交换状况,是许多冻土分布模型和寒区陆面过程模式的上边界条件,对多年冻土分布和活动层厚度估算具有重要意义。为了检验ERA-Interim再分析地表温度资料在青藏高原(下称高原)多年冻土区的适用性,综合比较了2011年1月1日至2012年12月31日期间高原不同类型多年冻土区3个综合观测场的观测地表温度和ERA-Interim再分析资料之间的偏差、均方差、相关系数、解释方差、均方根误差和平均绝对误差。结果表明,ERA-Interim再分析资料能较好地再现高原多年冻土区3个综合观测场地表温度的基本特征,并能较好地描述高原地表温度的季节变化。但ERA-Interim再分析年平均地表温度比观测值偏低,西大滩、五道梁和唐古拉站依次偏低1.7,1.0和0.9℃;地表温度的再分析值和观测值之间的相关系数和解释方差都较高,均方差也相近。ERA-Interim再分析地表温度资料对观测站点相对稀少且空间分布不均匀的高原多年冻土区具有较好的适用性,可以作为地表温度的有效代用资料。

青藏高原多年冻土活动层土壤水分对高寒草甸覆盖变化的响应

对青藏高原高寒草甸30%、60%和93%三种覆盖度下,多年冻土活动层的土壤水分随季节变化的观测研究,结果表明:多年冻土活动层土壤水分分布对植被覆盖变化响应强烈.年内不同时期,植被覆盖度为65%和30%的土壤表层20cm深度内水分含量及分布相似,每次降水后30%覆盖度土壤水分的变率略大于65%覆盖度的;而93%覆盖度土壤水分在年内解冻开始到冻结前均小于前两种覆盖类型;植被覆盖度越小,土壤冻结和融化响应时间越早,响应历时也越短;浅层土壤冻结和融化对植被覆盖度的响应程度较强,接近深层土壤冻结和融化对植被覆盖度的响应程度降低.覆盖度为30%和65%土壤水分在整个冻结过程的减少幅度比93%覆盖度土壤大10%～26%,而融化期水分增加幅度更大为1.5%～80%;土壤冻融的相变水量对植被覆盖度变化响应明显,植被覆盖度降低,土壤冻结和融化相变水量增大.由于受植被蒸腾与地表蒸散发和土壤温度梯度的影响,融化期土壤剖面的水分重新分配,总体上呈现水分向剖面上部和底部迁移,剖面中部60～80cm深度左右的土壤出现"干层".

青藏高原多年冻土区土壤冻融期间水热运移特征分析

以唐古拉监测点气象及活动层土壤水热资料为基础,对青藏高原高海拔多年冻土区冻融期活动层土壤的水热特征进行了分析。研究结果表明:不同土层的土壤温度变化规律基本一致,土壤温度的变化滞后于气温的变化,而且滞后时间随着土层深度的增大而增大,表层土壤温度变化波动较大,随着深度的增加,土温温度变化趋于平缓;气温的降低引起了土壤温度的降低,从而引起水分的迁移;在冻结期,水分向上下两个冻结锋面迁移,而活动层中部则被疏干,在融化期,活动层底部水分含量高,水分向相变界面附近迁移。拟合了冻结期未冻水含量与土壤温度的关系,相关系数R2平均值为0.89,结果基本能反映实际情况。该研究结果为高海拔多年冻土区冻融土壤水热耦合模拟的研究提供了基础理论依据。