疏勒河上游径流组分及其变化特征定量模拟

气候变化背景下,西北干旱区内陆河流域的水文过程发生显著变化,制约着地区经济社会和生态建设的稳定发展。定量分析和评估高寒山区径流的变化,有助于加强西北地区水资源的规划管理,实现水资源的可持续利用,保障区域水安全。选取位于青藏高原东北边缘、祁连山西段的疏勒河上游作为研究区,利用包含冰雪消融模块的寒区水文模型分布式SPHY模型（Spatial Processes inHydrology model）对流域的径流过程进行定量模拟,根据模拟结果分析了疏勒河上游近45 a径流组成及径流与各组分的变化特征。结果表明：（1）率定期日径流和月径流模拟的Nash效率系数分别为0.62和0.86,验证期达到0.79和0.95,模拟的月径流与实测月径流过程基本一致;（2）径流由四部分组成,冰川径流占总径流的年平均比例为30.5%,融雪径流的占比为12.9%,降雨径流的占比为13.5%,基流的占比为43.1%;（3）由于气温升高、降水增多,冰川径流与降雨径流均呈增加的趋势,平均增加幅度分别为4.66×10⁶ m³·a^-1和2.46×10⁶ m³·a^-1,融雪径流呈减少的趋势,平均减少幅度为1.01×10⁶ m³·a^-1;（4）近45 a年径流增加了69.6%,冰川融水对流域径流增加的贡献率达到48%,非冰川区降水增加的贡献率达到52%。     

祁连山摆浪河全新世冰量变化初探

采用祁连山老虎沟12号冰川2009年RTK测量生成的数字高程模型(DEM), 建立现代冰川表面横截面拟合的二次方程, 结合差分GPS测量的冰碛垄形态, 运用于祁连山摆浪河上游14号冰川和16号冰川全新世以来冰量变化的估算. 结果表明: 新冰期以来冰储量减少0.38 km³, 小冰期以来14号冰川和16号冰川的冰储量分别减少0.016 km³和0.047 km³; 根据祁连山全新世各个时期最大冰川范围的时间, 估计了全新世以来14号和16号冰川冰储量的减少速率, 新冰期以来为12.2×10^-5~15.0×10^-5 km³·a^-1, 小冰期以来分别为4.0×10^-5~5.3×10^-5 km³·a^-1, 11.75×10^-5~15.7×10^-5 km³·a^-1.     

基于卫星气候资料的1989-2015年南北极海冰面积变化分析

利用被动微波卫星海冰密集度气候资料,分析了1989-2015年南北极海冰面积和密集度的长期变化趋势。结果表明：研究期内,北极年平均海冰面积减少,南极海冰面积增加,变化趋势分别为-0.569×10⁶ km²·（10a）^-1和0.327×10⁶ km²·（10a）^-1,均通过了0.01水平的显著性检验,两极海冰面积变化趋势表现出明显的"非对称性"。两极总海冰面积出现了下降,变化趋势为-0.242×10⁶ km²·（10a）^-1。年海冰密集度在北极地区普遍减少,而在南极地区的变化趋势存在显著的空间差异,威德尔海、罗斯海北部海冰密集度增加,趋势超过了10%·（10a）^-1,别林斯高晋海、阿蒙森海的海冰密集度出现下降。北极各月海冰面积的变化趋势存在明显的季节差异,7-10月海冰面积减少明显,其中9月减少最显著,趋势为-0.955×10⁶ km²·（10a）^-1。南北极海冰冻结和融化的时间不完全对应,北极融化与冻结时间基本平衡,南极海冰冻结时间明显长于融化时间。南极年内海冰面积的变化幅度大于北极,呈现显著的季节性特征。北极极小海冰面积的变化趋势最显著,达到了-0.636×10⁶ km²·（10a）^-1。南极极大海冰面积出现的时间后移明显,趋势为0.733候·（10a）^-1;极小海冰面积出现的时间非常稳定,没有明显的变化趋势。     

希夏邦马峰东坡冰川与冰川湖泊变化遥感监测

1977-2003年的遥感影像显示,希夏邦马峰东坡的冰川在迅速退缩,而其相应的冰川湖泊在迅速增大.南部的吉葱普冰川每年的退缩速度57099 m²,冰舌退缩48 m·a^-1,相应的卢姆池米冰湖面积增加速度大约为79048 m²·a^-1;北面的热强冰川退缩速度在63224 m²·a^-1,冰舌退缩71 m·a^-1,相应的扛西错冰湖面积增加约73 425 m²·a^-1.从这两个冰湖的类型和变化分析,认为其具有发生冰川湖泊溃决洪水的潜在危险.     

青藏高原唐古拉地区暖季土壤水分对地表反照率及其土壤热参数的影响

为了研究青藏高原暖季土壤水分对冻土区地表热状况的影响,选取2010-2012年5-9月在青藏高原唐古拉气象场获取的气象及其活动层数据,分析了表层土壤水分对地表反照率以及土壤热参数的影响.结果表明：唐古拉站暖季表层土壤含水量集中在0.15～0.27之间,地表反照率值集中在0.14～0.24之间,日平均土壤热导率的波动范围在0.9～2.0 W·m^-1·K^-1之间,土壤热容的波动范围主要集中在0.8×10⁶～1.8×10⁶ J·m^-3·K^-1之间,而土壤热扩散率则主要集中在0.6×10^-6～2.2×10^-6 m2·s^-1之间.土壤水分对地表反照率影响较大,随着土壤水分的增长,地表反照率呈现出明显的减小趋势.土壤水分对地表反照率的影响还受到植被生长周期的影响,土壤水分和地表反照率之间的关系在植被枯萎期和生长期有明显的差异性.唐古拉地区土壤热参数也明显受到土壤水分变化的影响,随着土壤水分的增加,土壤热导率、热容和热扩散率都为增大趋势,但是土壤水分对土壤热导率的影响较为显著,而对土壤热扩散率的影响则不显著.     

基于海冰分析图获取北极固定冰分布的方法研究

对北极沿岸地区固定冰的分析研究,将有助于更全面认识北极海冰的变化趋势,并为进一步探索北极航道的开发利用提供数据支撑。基于美国国家冰中心发布的2008-2018年逐周/逐两周海冰分析图发展了一个数据转化处理方法,准确提取了全北极逐周的固定冰分布格点数据。分析该时间序列发现,北极平均固定冰范围为（9.0±6.3）×10⁵ km²,呈现出（-1.0±3.9）×10³ km²·a^-1的减小趋势;4月份固定冰范围最大,多年平均值为1.6×10⁶ km²,处于北极冬季的1-6月份的范围均高于百万平方公里,而7-10月份为北半球夏季,几乎无固定冰存在。将MODIS图像作为基准数据对不同月份的七组结果进行对比验证,结果显示：结冰末期和融冰前期的平均偏差较小,如2012年3月12日的固定冰外缘线平均偏差为-0.8 km;而融冰末期的偏差较大,如2009年9月14日的固定冰外缘线平均偏差为-9.4 km;但所有月份的验证误差都小于格点网格的大小（25 km）,因此认为该方法是可行的,得到的格点数据可以代表固定冰的真实分布情况。     

天山乌鲁木齐河上游径流极值变化分析研究

以天山乌鲁木齐河上游作为研究对象, 结合乌鲁木齐河上游近50 a的实测月均径流变化资料, 对未来的月均径流进行了预测. 基于对重现水平的95%置信区间进行估计的结果表明, 乌鲁木齐河上游重现期为10 a、25 a、50 a和100 a的月均径流量极大值分别约为35.4 m³·s^-1、39.9 m³·s^-1、43.2 m³·s^-1和46.3 m³·s^-1;重现期为10 a、25 a、50 a和100 a的月均径流量极小值分别约为0.60 m³·s^-1、0.43 m³·s^-1、0.30 m³·s^-1和0.18 m³·s^-1. 在当前气候变化背景下, 乌鲁木齐河上游在2058年前后枯水期时可能发生断流现象. 该研究对乌鲁木齐河径流变化预测具有重要意义.     

基于GMS的傍河应急水源地地下水资源评价

依据铜陵太平－钟仓应急水源地水文地质条件构建水文地质概念模型.在此基础上,利用三维可视化软件GMS建立水源地地下水流数值模拟模型,并对模型进行了识别和验证.模型模拟期为一个应急供水周期180 d（2017－01～2017－06）,水源地开采层位为承压水.模拟结果表明：在采用均匀布井方案和限定开采井水位降深不超过承压含水层顶板的条件下,水源地允许开采量为11.94×10⁴ m³/d,达大型水源地规模（5×10⁴ m³/d<允许开采量<15×10⁴ m³/d）;水源地承压水在应急开采条件下,激发了长江侧渗补给量,袭夺量占水源地开采总量的27.82%.同时,通过模型模拟数据对傍河水源地地下水与地表水转换规律进行了初步探讨.     

青藏高原草地土壤有机碳库及其全球意义

定量分析了青藏高原各类草地0～0.65m深度范围内有机碳储量,结果表明:青藏高原总面积为1.6027×10hm²的草地有机碳量达到335.1973×10⁸tC,其中以高原草甸土和高原草原土有机碳积累量为主,两者之和达到232.36×10⁸tC,占全国土壤有机碳量的23.44%,是全球土壤碳库的2.4%.在有机碳储量分析的基础上,按土壤碳释放的两种主要途径:土壤呼吸作用和土地利用方式变化与草地退化,对草地土壤碳排放进行了估算,揭示出青藏高原草地土壤通过呼吸每年排放的CO₂达到11.7×10⁸tC·a^-1,约占中国土壤呼吸总量的2.3%,明显高于全国乃至全球平均值;近30a来,青藏高原草地土壤由于土地利用变化和草地退化所释放的CO₂估计约有30.23×10⁸tC.保护青藏高原草地对于全球变化意义重大.定量分析了青藏高原各类草地0～0.65m深度范围内有机碳储量,结果表明:青藏高原总面积为1.6027×10hm²的草地有机碳量达到335.1973×10⁸tC,其中以高原草甸土和高原草原土有机碳积累量为主,两者之和达到232.36×10⁸tC,占全国土壤有机碳量的23.44%,是全球土壤碳库的2.4%.在有机碳储量分析的基础上,按土壤碳释放的两种主要途径:土壤呼吸作用和土地利用方式变化与草地退化,对草地土壤碳排放进行了估算,揭示出青藏高原草地土壤通过呼吸每年排放的CO₂达到11.7×10⁸tC·a^-1,约占中国土壤呼吸总量的2.3%,明显高于全国乃至全球平均值;近30a来,青藏高原草地土壤由于土地利用变化和草地退化所释放的CO₂估计约有30.23×10⁸tC.保护青藏高原草地对于全球变化意义重大.     

珠穆朗玛峰自然保护区湖泊动态及对区域气候变化的响应

利用Landsat卫星影像,采用面向对象分类方法提取珠穆朗玛峰自然保护区湖泊信息,分析了湖泊动态及对区域气候变化的响应关系。结果表明：（1）2015年保护区湖泊总面积为489.07 km²,构造湖、河成湖、冰川湖分别占总面积的77.3%、2.6%、20.1%。（2）1975-2015年,保护区内各类湖泊面积变化速率不同,冰川湖最大（1.05 km²·a^-1）,构造湖次之（-0.85 km²·a^-1）,河成湖最稳定（0.013 km²·a^-1）;保护区南坡冰川湖面积变化速率（0.53 km²·a^-1）略大于北坡（0.52 km²·a^-1）。（3）北坡构造湖、河成湖对区域气候的响应呈阶段性变化规律,1975-2000年珠峰地区气候呈暖湿化趋势,2000年构造湖、河成湖面积达到峰值,两类总计增加22.8 km²;2000-2015年转变为显著的暖干气候,构造湖、河成湖面积均呈减少趋势,总共减少57.16 km²。随着区域气候的变暖,冰川湖总面积不断扩大,近40年间冰川湖面积累计增加43.06 km²。（4）灰色关联度分析显示,年极端低温对构造湖面积变化影响最显著,年均气温对冰川湖起主导作用,年均相对湿度对河成湖影响最大。较其他气候因子而言,降水量对各类湖泊面积变化的影响均最小。     

新疆伊犁河谷夏季降水日变化特征

基于2007-2011年伊犁河谷4个气象站逐时降水资料, 分析了伊犁河谷夏季降水日变化特征. 结果表明: 降水量最大值出现在北京时间22:00, 最小值出现在13:00, 其中, 降水量高值区主要集中在21:00至次日08:00. 一天中最易发生降水的时间为23:00至次日10:00, 03:00是降水频数最多的时刻, 16:00则发生频数最少. 降水强度最高值出现在16:00, 最低值出现在13:00. 降水主要以短持续时间的降水为主, 持续1 h的次数最多, 持续2 h的降水量最多, 对总降水量的贡献也最大, 贡献率最小的为持续14 h的降水事件. 伊犁河谷夏季的降水主要发生在夜间, 且以短时间的降水为主.     

青藏高原近地层及北侧气压系统的季节性振荡变化

基于ERA-Interim逐日4次600 hPa位势高度再分析资料, 以及青藏高原和周边地区75个气象站日平均温度、降水和相对湿度资料, 对高原近地层及北侧气压系统的季节性振荡变化进行了分析. 结果表明: 高原近地层及北侧气压系统强度在围绕中心点顺时针运动时不断加强, 逆时针运动时不断减弱. 两气压系统呈明显的跷跷板式变化, 在600 hPa上表现为高度场空间结构沿经向上的调整; 低高压差负值的开始和结束时间与高原季风起讫时间吻合. 高原夏季降水的起讫不仅与高原及北侧气压系统结构密切相关, 而且与高原东南或南部水汽输送条件息息相关.     

季风与西风对青藏高原全新世气候变化的影响:同位素证据

青藏高原气候变化在冰期-间冰期、千年、十年际和季节尺度上受亚洲季风和西风环流的交互影响,表现出显著的区域性特征。然而全新世以来青藏高原气候变化的机制还不甚清楚,主要原因之一是缺少指示意义明确的古气候代用指标。课题组近年来利用叶蜡氢同位素(δDwax)重建了高原东北部的青海湖、中北部的令戈错、中部的达则错、西部的班公错和阿翁错不同时间尺度的大气降水同位素记录,本文对上述工作进行总结,并结合青藏高原全新世以来已发表的其他地点的同位素和古水文记录,揭示全新世以来季风与西风对青藏高原不同区域气候变化的影响。结果表明:1)早全新世青海湖、令戈错、班公错和阿翁错4个湖泊均主要受夏季风影响,夏季风可以影响到青藏高原的大部分地区,此时夏季风在青藏高原的最北界限可能位于青海湖以北、克鲁克湖以南。2)中全新世青海湖、班公错和阿翁错受夏季风影响逐渐减弱;然而令戈错在7.0~4.5 ka水汽主要来源于西风环流。3)晚全新世青海湖和班公错受季风的影响进一步减弱;西风在3.5~1.7 ka和2.0~1.0 ka分别影响到高原中部的令戈错和达则错;晚全新世阿翁错受冰川融水补给影响降水同位素异常偏负。4)本研究表明在中晚全新世季风较弱的时期,西风能够深入到青藏高原内部地区,给高原内部地区带来冷湿的水汽。     

拉萨河谷大气水汽日变化特征

基于近10年(1999~2008年)地基GPS遥感的大气可降水量(GPS-PW)资料和地面气象资料,分析了拉萨河谷各季GPS-PW日变化特征及其对夏季降水日变化特征的影响。结果表明,在拉萨河谷各季GPS-PW都具有明显的日变化特征。春、夏、秋和冬季GPS-PW平均日变化幅度分别为1.0mm、1.7mm、1.0mm和0.8mm。GPS-PW日最小值和最大值出现的时间随季节变化不大,分别出现在08:00~10:00UTC和15:00~18:00UTC。各季GPS-PW日变化序列的谐波分析结果表明,日循环(24h)与半日循环(12h)是GPS-PW日变化的主要信号。日循环信号夏季最强,冬季最弱;半日循环信号夏季最强,春季最弱。在夏季GPS-PW达到日最大值的时间比平均逐时降水频次和降水量达到日最大值的时间约早2h。GPS-PW日变化对夏季降水日变化特征具有重要影响。     

青藏高原陆表特征与中国夏季降水的关系研究

利用青藏高原72个站逐日积雪、冻土观测资料,AVHRR归一化植被指数（NDVI）和全国550个站逐日降水资料,分析了青藏高原陆表特征与中国夏季降水的关系。结果表明,我国夏季降水在华北和东北南部,长江中下游和华南地区降水空间一致性较好,相邻站点间降水变化趋势近似。华南、长江中下游和淮河降水呈增加趋势,其中长江中下游每10年增加37 mm,但华北降水呈减少趋势。华南、长江中下游和华北对高原积雪、冻土和植被的变化均较为敏感,而淮河仅对高原植被变化较为敏感。利用高原积雪、冻土和植被建立了代表高原地表特征的变化序列,其对长江中下游、淮河、华北夏季降水均有较好指示意义,与夏季降水的相关系数由南到北表现为"负-正-负"的分布特征。最后,提出一种高原陆表状况影响中国夏季降水的概念模型：高原冬春积雪偏多（少）、冬季冻土偏厚（薄）、春季植被偏多（少）会使得夏季高原地区土壤湿度偏大（小）,高原地表感热偏弱（强）,从而使得南亚高压和西太副高偏弱（强）,南海季风偏弱（强）,长江流域降水偏多（少）,华南和华北地区降水偏少（多）。     

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.     

青藏高原海拔要素对温度、降水和气候型分布格局的影响

青藏高原平均海拔4 000~5 000 m,由于特殊的地理条件,生态环境较为脆弱,对气候变化非常敏感,并对周围乃至全球的气候产生重要影响。使用1961-2010年青藏高原温度、降水0.5°×0.5°格点数据,以及由GTOPO30数据（分辨率为0.05°×0.05°）经过重采样生成的陆地0.5°×0.5°的数字高程模型DEM,分析了青藏高原温度、降水受海拔要素的影响,并通过青藏高原区域79个气象站的数据进行验证,进而使用柯本气候分类和中国自然地理区划两种方法对青藏高原气候进行划分,探讨青藏高原各分区海拔要素对温度、降水的影响差异以及出现差异的原因。研究表明：青藏高原及其各分区的气温垂直递减率不同,是由于地形起伏不同造成的青藏高原热源效用不同;降水与海拔的关系不同,是由于各区域受控于不同的气候系统,造成干湿度的不同,因而最大降水高度带不同。     

青藏高原冬春季积雪异常与西南地区夏季降水的关系

选取1961-2007年青藏高原冬、春季积雪日数资料和西南地区夏季降水资料,对高原积雪和降水作奇异值分解(SVD)分析.结果表明:冬春季高原积雪对西南地区夏季旱涝有重要的影响.冬、春季高原积雪的不同分布将造成后期西南地区夏季降水分布出现差异.西南地区夏季降水对冬季高原积雪异常最敏感的区域主要是四川东北部、重庆、西藏中西部,对春季积雪异常最敏感的区域主要位于四川东部、重庆、贵州东北部,以及西藏中东部.与降水敏感区相对应的冬季高原积雪分布的关键区是西藏中西部和青海中南部至四川西北部地区,春季则转变为西藏西部和青海部分地区.总的来说,冬季高原积雪的异常变化比春季对西南地区夏季降水的影响更为明显.因此,前期青藏高原积雪是西南地区夏季降水预测中的一个重要信号,对夏季西南地区降水有一定的指示和预测意义;冬季高原积雪日数尤其具有预报指示意义,可作为一个重要的预测指标.     

青藏高原中东部积雪深度时空变化特征及其成因分析

基于逐日积雪深度（雪深）、逐月气温和逐月降水量地面观测资料,利用数理统计方法分析了青藏高原中东部地区1961-2014年雪深时空变化特征及其成因,结果表明：青藏高原雪深空间分布不均,存在喜马拉雅山脉南坡（高原西南部）、念青唐古拉山-唐古拉山-巴颜喀拉山-阿尼玛卿山（高原中部）和祁连山脉（高原东北部）三处雪深高值区,冬季最大,其次是春秋季,夏季仅在纬度或海拔较高处才有雪深记录;从长期来看雪深以减少为主,尤其是夏秋季。在青藏高原普遍"增温增湿"背景下,雪深表现为先增后减的变化特征;雪深随海拔升高而增加,但最大雪深并非出现在最高海拔处;在不同季节雪深的气象要素成因上,冬季由降水主导,其余季节由气温主导。1961-1998年冬春季雪深增加与降水增多有关,而1998-2014年气温的上升以及降水的减少共同导致了雪深的减少,夏秋季雪深持续减少与同期气温持续升高有关。     

中国地区地面观测积雪深度和遥感雪深资料的对比分析

比较了气象台站观测和卫星遥感(SMMR、 SSM/I、 AMSR-E)的积雪深度两种资料在空间分布、 年际变化及其与中国夏季降水之间关系的异同性.结果表明: 两种资料在积雪稳定区的分布比较一致, 积雪深度的大值区位于东北地区、 新疆北部和青藏高原地区; 对于季节性积雪区且积雪深度不大的区域而言, 二者之间存在着较大的差异, 尤其在江淮流域及长江中下游地区, 台站观测的积雪深度大于遥感得到的积雪深度; 平均而言, 两种资料获得的积雪深度在各地区基本一致.在新疆北部和高原南部, 二种资料的年际变化存在着差异, 在新疆北部, 台站观测大于遥感得到的积雪深度, 而在高原东南部遥感大于台站观测积雪.近30 a来, 两种资料获得的积雪深度在新疆北部和青藏高原的年际变化趋势基本一致, 新疆北部为增加趋势, 青藏高原有减少的趋势.值得注意的是, 在东北地区, 近30 a来两种类型资料的年际变化趋势呈相反变化.两种资料在新疆北部的相关最强; 东北、 青藏高原其次; 而高原东南部最差, 在使用时应加注意.青藏高原地区的两种积雪资料与中国夏季降水的相关"信号"基本一致.青藏高原地区积雪与东北西部地区和长江中下游夏季降水之间的相关最为显著.资料间的差异性并不影响高原地区积雪对中国夏季降水"信号"的应用.