土壤湿度和气候变化关系研究中的某些问题

从土壤湿度研究的历史出发，阐述了土壤湿度在气候变化乃至全球变化研究中的重要性，并从土壤湿度研究的科学背景出发，总结和综合评述了该研究领域所存在的两个重要科学问题及其研究现状，,最后对未来研究的方向及可能取得的进展进行了论述。     

基于星载GNSS-R获取川藏交通廊道沿线地表土壤湿度

地表土壤湿度影响着陆-气能量交换和水循环,是泥石流、冻土冻融等灾害的重要因子,获取川藏交通廊道沿线地区土壤湿度有助于研究铁路沿线气候变化和冰冻圈灾害风险.基于CYGNSS(cyclone global navigation satellite system)星载GNSS-R(global navigation satellite system reflectometry)信号,结合土地覆盖分类、归一化差分植被指数NDVI(normalized differential vegetation index)和粗糙度等地表土壤湿度影响因子,利用人工神经网络方法建立了地表土壤湿度多参数反演模型,生成了2018—2019年连续两年的川藏交通廊道沿线地区36 km空间分辨率的地表土壤湿度日产品.经土壤水分主被动探测卫星数据检验,生成的地表土壤湿度相关系数R为0.8,均方根误差RMSE(root mean square error)为0.032 cm3/cm3,偏差Bias为0.014 cm3/cm3,可为川藏交通廊道沿线气候变化和地表灾害研究提供高连续性和可靠性的数据.      

北半球季节性冻融区与北半球夏季降水关系的研究

针对冻融过程引起的土壤湿度异常与北半球夏季降水的关系, 基于1981 - 2010年ERA5的月降水和土壤湿度资料, 采用奇异值分解（SVD）方法, 分析了北半球季节性冻融区春季土壤湿度和北半球夏季降水的年际变化特征以及它们之间的相关关系。结果表明： 北半球季节性冻融区春季土壤湿度年际变化的大值区与北半球夏季降水年际变化的显著区之间存在较好的对应关系; 季节性冻融区春季土壤湿度与夏季降水之间存在着指数函数变化关系, 在北美西部、 西亚以及东亚的大部分地区, 春季土壤湿度与夏季降水呈显著的正相关, 表明季节性冻融区春季土壤湿度的增加会引起该地区夏季降水的增加。     

青藏高原那曲中部土壤温湿分布特征

青藏高原土壤水热状况对气候变化和植被退化方面的研究具有重要意义,土壤湿度的准确刻画还会影响到数值预报模式对当地及其下游地区降水的模拟能力。为此,采用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站安多观测点2014年1—12月的土壤温度、土壤湿度观测资料以及同期安多气象站观测数据,分析了青藏高原那曲中部不同深度土壤温湿度的分布特征及其与气温、降水量等气象要素的关系。结果表明：土壤温度在浅层为正弦曲线,随着土壤深度的增加,曲线逐渐接近直线。土壤升温迅速而降温过程缓慢。封冻和解冻日期随土壤深度的增加而推迟,封冻期逐渐缩短。不同层次土壤湿度日内变化较小。月变化呈单峰型结构,峰值和谷值基本出现在8月和12月。土壤湿度上升速率较下降速率缓慢。区域尺度上GLDAS-NOAH资料显示出类似的变化特征。土壤温湿度在一年中的变化不一致,但土壤温湿度呈显著正相关。浅层土壤的温度梯度明显大于深层;浅层土壤湿度最大,中间层较大,深层土壤湿度最小。随着干季向湿季的转换,由于太阳辐射的增加,非绝热加热呈增加的趋势。土壤湿度与气象要素在不同时段的相关性存在一些差异,但总体上土壤湿度与气温、降水量和相对湿度呈正相关,与风速、日照时数相关性不显著。     

青藏高原春季土壤湿度与中国东部夏季降水之间的关系

应用SVD方法分析了青藏高原地区春季土壤湿度异常和中国东部地区夏季降水之间的关系.结果表明,青藏高原不同地区、不同深度的土壤湿度与中国东部夏季降水的相关特征不同.青藏高原东北部和西北部0~10cm深度(表层)土壤湿度与中国华北、东北地区的夏季降水为正相关,而与华南地区为负相关;青藏高原中部及南部0~10cm表层土壤湿度与华北地区夏季的降水有较强负相关;青藏高原北部及东部10~200cm深度(深层)土壤湿度与华北、东北地区的夏季降水为负相关,而与华南地区夏季降水为正相关;青藏高原中东部10~200cm深层土壤湿度与长江中下游和华南大部分地区夏季降水呈负相关关系.即青藏高原不同地区、不同深度层春季土壤湿度的变化,对中国东部地区的夏季降水具有显著影响.     

土壤湿度参数化及对天气和气候模拟影响的研究进展

陆面过程中土壤湿度相关的水文过程及对天气和气候模拟的影响已经受到国内外学者的广泛关注。首先,追溯了土壤湿度的定义和确定方法,回顾了陆面模式中土壤湿度相关的水文参数化过程,包括不同土壤类型的水文曲线和土壤湿度方程的数值求解方法;其次,详细地给出了目前陆面模式中所使用的土壤水文参数的确定方法及其存在的不确定性,指出了参数敏感性分析和优化方法在陆面参数确定中的重要性,及最新的陆面水文参数集的建立在陆面模式的发展和土壤湿度准确模拟中的重要性。最后,总结了国内外关于土壤湿度对降水的反馈机制的研究进展,主要分为土壤湿度的时空分布特征和异常对季节性降水的正反馈作用,以及中尺度土壤湿度的非均匀性对局地对流激发的负反馈作用。通过总结已有的研究进展后分析了土壤湿度模拟中存在的不确定性因素,给出了土壤湿度对未来天气和气候模拟影响的主要研究方向。     

泥炭沉积与气候变化的泥炭记录

气候变化是影响全球泥炭沼泽分布和演化的最重要的因子之一,而泥炭地由于自身的特点成为过去气候变化的良好地质档案。在介绍泥炭沉积过程及不同类型的泥炭沼泽的发育特点基础上,从过去气候变化的常用泥炭记录和泥炭地碳记录等方面总结了国际上针对泥炭地反演气候变化研究的若干重要进展,重点剖析了泥炭腐殖化度、植物残体、有壳变形虫、生物标志化合物、同位素和孢粉等泥炭地过去气候变化重建的代用指标的适用范围和优缺点,同时也分析了泥炭地碳累积和碳循环等热点研究问题。最后从泥炭地作为过去气候变化的记录档案、泥炭地对现在气候变化的响应与反馈及在泥炭地进行现场气候变化监测与实验等方面对泥炭地与气候变化研究进行了展望。     

1980-2012年青藏高原土壤湿度时空演变特征

基于美国气候预测中心（CPC）土壤湿度资料和80个青藏高原气象观测站的降水、气温资料,对青藏高原土壤湿度时空演变、突变,及土壤湿度与降水、气温的关系进行了分析.结果表明：青藏高原土壤湿度呈自东南向西北递减的分布特征,土壤湿度与降水量在空间上有很好的对应关系,在时间上存在2~4个月的时滞相关.1980-2012年高原土壤湿度呈显著增多趋势,土壤湿度变化发生突变的年份为2003年.在土壤湿度变化过程中,降水和气温的作用明显,5-10月降水量和1-6月气温是影响高原土壤湿度变化的主要因素.5-10月降水量决定了多水期的土壤湿度,而多水期土壤湿度和1-6月气温共同决定了少水期的土壤湿度.     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融循环期湿度与温度变化研究

在黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心的综合实验观测场, 利用2011年11月-2012年4月一个冬季冻融循环期的实测黑土耕层剖面土壤湿度和温度数据, 对典型中-深季节冻土区黑土耕层土壤湿度与冻结融化期土壤温度变化进行研究. 根据阳坡的黑土耕层土壤浅层1 cm、 5 cm、 10 cm及15 cm四种不同深度, 对冻融循环过程中土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化特征进行分析, 研究黑土耕层土壤冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 了解降水和温度对不同深度土壤湿度变化的影响. 结果表明: 在北京时间08:00、 14:00及20:00, 阳坡15 cm、 10 cm、 5 cm及1 cm深度黑土耕层土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化的线性相关可决系数分别为0.9298、 0.9216、 0.5989、 0.7281, 斜率平均标准偏差分别为0.017、 0.019、 0.095、 0.056, 截距平均标准偏差分别为0.17、 0.25、 1.31、 0.83. 阳坡10 cm及15 cm深度的黑土耕层土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化呈十分显著的线性相关关系. 阳坡5 cm深度的黑土耕层土壤湿度在冻结融化期与土壤温度变化线性关系稍微显著. 在整个冻结融化期, 因受太阳辐射、 降水及蒸发的强烈影响, 阳坡浅层1 cm深度黑土耕层土壤湿度与土壤温度线性相关性不如10 cm及15 cm深度的关系显著, 但比5 cm深度的关系显著.     

亚洲中部干旱区气候变化与丝路文明变迁研究:进展与问题

亚洲中部干旱区是对全球气候变化响应最为敏感的地区之一,也是水文变化剧烈和生态环境脆弱的地区。该地区包括了古丝绸之路的主体,在东西方交流和丝路文明兴衰历史中发挥了关键的作用。科学评估全球增温背景下亚洲中部干旱区人类社会可持续发展面临的风险,是广受关注的重大科学问题。东西方交流和丝路文明发展历史及其与气候环境变化关系的研究,可为认识该地区不同时间尺度人地关系演变的规律提供科学依据。通过总结东西方交流与丝路文明兴衰历史、亚洲中部干旱区全新世气候变化过程、多时间尺度气候一水文变化机制以及人与环境相互作用的过程与规律等领域的研究进展,提出目前亚洲中部干旱区全新世气候环境变化时空格局和丝路文明演化的过程,以及人与环境相互作用机制的研究存在明显不足。破解亚洲中部干旱区气候变化和文化演化研究区域不均衡问题,加强地学与考古学等多学科交叉研究,是推进气候变化与丝路文明变迁研究的有效途径。这对理解该地区人地关系演化规律、应对气候变化带来的挑战、服务国家“一带一路”倡议具有重要的科学价值和现实意义。     

土壤水分与干旱遥感研究的进展与趋势

对土壤水分和干旱遥感监测的国内外发展情况进行了回顾,依据土壤水分和干旱遥感监测的原理,围绕着可见光与近红外、热红外、微波光谱波段的使用,分别以土壤和植被为观测对象,对国内外土壤水分与干旱遥感现状与发展趋势进行讨论。重点对微波遥感土壤湿度的算法发展和研究趋势进行了较详细的论述。在总结国内外土壤水分遥感监测研究实验中所用过的方法与原理的基础上,对目前遥感监测土壤水分研究领域的重点、难点和未来的发展方向进行了评述。土壤水分遥感监测是一个复杂的间接过程,波段及变量选择、传感器的性能等因素对土壤水分监测是至关重要的,土壤的各种理化性状、地形的分异作用以及气候变化和人为的土壤管理措施对土壤水分均有不同的影响,地表特征与土壤水分也存在着一定的相关性。改进的热惯量法和作物缺水指数法是当前土壤水分遥感监测中较为成熟的方法。GIS技术的广泛应用、土壤水分遥感监测模型的优化。微波遥感的应用将是该领域的重点研究方向。     

沙漠流动性的气候评价

流动性是沙漠或沙丘的突出特征之一,是风沙运动的产物,与气候关系密切.然而,目前尚没有被广泛接受的沙漠或沙丘流动性与气候关系的研究成果和评估方法.本文简要评述了在沙漠流动性和气候关系方面的一些代表性研究工作,讨论了目前研究存在的问题,展望未来发展趋势.研究者们曾提出风蚀气候指数、输沙势以及沙丘活动指数,试图表达沙漠流动性与主要气候要素,如风速和降水量之间的关系.风蚀气候指数主要针对土壤风蚀,根据风沙活动强度与风速以及土壤湿度的经验关系,通过风速和降水-蒸发指数表达气候侵蚀性.输沙势针对流动沙丘的形成和发育环境,适用于表达干旱流动沙丘区的潜在风沙活动强度.沙丘活动指数与风蚀气候指数类似,但更适用于流动或固定沙丘区,是判断沙丘流动程度的指数.沙漠的流动性不仅与气候特征有关,而且与当地总体地理环境背景、地表沉积物物理化学性质等有关.沙漠的流动性变化相对于气候变化具有滞后性,因而在气候变化的背景下,沙漠流动性与气候的对应关系变差.如何针对不同区域,表达气候要素对沙漠流动性的影响,以及沙漠流动性对气候变化的响应是需要深入研究的问题.     

气候变化与人类活动对水文影响的研究进展

气候变化与人类活动对水文过程产生了重大影响,估计和区分二者的影响是水科学研究中的热点问题。针对气候变化和人类活动(土地利用/覆盖变化)两个驱动因素,分别综述了气候变化、人类活动和两者综合对水文影响的研究进展;介绍了未来的气候情景和人类活动情景;阐述了区分气候变化和人类活动对水文要素过去和未来影响的研究方法,并总结了方法中常用的分布式水文模型。提出当前研究中存在气候和人类活动情景重复交叉、缺乏两者对水文极值事件的影响研究等问题。     

柴达木盆地土壤湿度的遥感反演及对蒸散发的影响

土壤水分是地下水-土壤水-大气水循环系统的核心与纽带,蒸散是该系统的重要驱动力。从区域尺度上研究土壤含水量的分布特征及土壤含水量对蒸散的影响对干旱区的生态环境保护具有重要意义。基于MODIS数据和GLDAS数据,应用表观热惯量法对GLDAS地表0~10 cm土壤湿度数据降尺度处理,估算柴达木盆地平原区2014年间6—9月的月均土壤湿度,并结合归一化植被指数(NDVI)和实测土壤湿度数据对反演结果进行验证;利用地表能量平衡系统(SEBS)模型对平原区9个子流域的日均蒸散量进行计算,分析了土壤湿度与日均蒸散量之间的关系。结果表明：反演得到的表观热惯量(ATI)与GLDAS地表0~10 cm土壤含水量数据相关性较好,决定系数R2整体在07以上;利用ATI对GLDAS数据降尺度处理,得到的土壤含水量与NDVI和实测土壤湿度的决定系数R2分别为0954和0791,因此使用ATI法对GLDAS土壤含水量数据降尺度反演柴达木盆地平原区土壤湿度是可靠的。平原区日蒸散量与土壤湿度呈明显的正相关关系,决定系数R2整体在096以上,在影响蒸散的各考虑因素中,土壤湿度对蒸散的影响远大于其他因素。     

土壤湿度观测、模拟和估算研究

总结土壤湿度的观测手段和土壤湿度数据集建立的现状,详细阐述与土壤湿度模拟有关的方程离散化求解、物理和生化过程、陆面过程模式比较和陆面模式参数优化等方面的研究进展;综述估算土壤湿度廓线的数据同化方法,仔细比较集合卡曼滤波(EnKF)和四维变分(4-D Var)2类目前流行的同化算法,并对估算土壤湿度廓线的研究工作进行全面评估;最后,对土壤湿度观测、模拟和同化中需继续努力的方向进行了思索和展望。     

非冰期突然气候变化与太阳变化

本文试图介绍发生在非冰期,主要是全新世的突然气候变化研究所取得的进展,包括山地冰川和深海沉积物所记录的全新世突然气候变化,季风和干旱气候突然变化,以及突然气候变化与太阳变化的关系。太阳变化对整个全新世气候变化的影响似乎正愈来愈明晰起来。     

冰芯对于过去全球变化研究的贡献

系统地总结了冰芯在揭示过去气候环境变化、太阳活动、温室气体、火山活动、人类活动等方面研究所取得的成就,着重对一些有争议的重大问题(如Younger Dryas事件、温室气体与气候变化之间的关系、南北半球气候变化之间的关系等)进行了论述,并对其中个别问题提出了可能的解决途径.指出冰芯微生物、冰芯环境磁学将是冰芯研究的新方向.     

温室气体与气候：过去变化对未来的启示

对20世纪气候变化原因存在的争议进行了综合分析,指出尽管气候变化的"温室气体理论"还存在许多来自冰芯和地质证据的冲击,然而大气温室气体含量增加对于气温的放大作用是肯定的。结合温室气体含量与气候变化这一论题,指出目前应重视的一些研究内容。同时简要分析了不同时间尺度气候变化的原因,认为太阳活动与地球气候系统之间关系研究将是一个活跃的领域。     

全球气候变化研究与科学数据

在阐明气候系统和科学数据关系的基础上,提出气候变化研究应该重视地球系统研究对科学数据的需求。在回顾我国近10年来全球变化研究概况的基础上,指出了观测资料和数据再分析产品在全球变化研究中的重要性,并进一步总结了国外气象数据共享情况,最后对我国地球系统科学数据共享中心今后的发展提出了几点建议。     

多尺度气象干旱与土壤相对湿度的关系研究

通过分析我国东北、华北、西北地区东部、西南以及黄淮、江淮和江汉5个区域不同时间尺度气象干旱指数与20 cm土壤相对湿度的相关关系, 探讨了前期气象干旱对后期土壤湿度的影响, 并利用多元线性回归方法分区域、分季节建立了土壤湿度预测模型.结果表明: 春季, 东北地区土壤湿度主要受前5~6个月, 尤其是上年秋末冬初的降水的影响, 而其他4个区域土壤湿度主要受前1~2个月大气水分的影响;各区域夏季土壤湿度与前1~2个月时间尺度上的大气水分相关最密切;秋季, 东北地区20 cm土壤湿度主要受前2~4个月的气象干旱的影响, 其余区域土壤湿度仍与前1~2个月尺度的大气水分相关最密切.基于前期气象干旱指数建立的各区域、各季节的土壤湿度回归模型对当地土壤湿度具有一定的拟合能力, 平均估计偏差在10.1%~13.9%之间, 其中, 西北地区东部和华北地区春、夏季偏差较大, 2008-2011年间干旱等级拟合准确率在65%~74.9%之间;东北、西南、黄淮、江淮和江汉区域拟合较好, 拟合准确率在88%以上.