青藏高原气候变化的若干事实及其年际振荡的成因探讨

利用1961-2012年青藏高原88个气象台站逐月气温、降水以及温室气体等气候系统监测资料和CMIP5输出的未来气候变化情景数据,分析了近52年来青藏高原气候变化暖湿化的若干事实,揭示了其年际振荡与温室气体、高原加热场、高原季风、AO等气候系统因子的关系,预测了未来20~40年青藏高原可能的气候变化趋势。研究表明：近52年来青藏高原在总体保持气候变暖的趋势下自2006年以来出现了某些增暖趋于缓和的迹象,较全球变化滞后了8年左右;降水量的增加在青藏高原具有明显的普遍性和显著性,气候变湿较变暖具有一定的滞后性,降水量变化的5年短周期日趋不显著,而12年、25年较长周期逐渐明显且仍呈增多趋势。由于温室气体、气溶胶持续增加、高原夏季风趋强、ENSO事件和太阳辐射减少,青藏高原气候持续增暖但有所缓和;春季高原加热场增强、高原夏季风爆发提前且保持强劲,使得高原春、夏季和年降水量增加,而秋、冬季AO相对稳定少动,东亚大槽强度无明显变化,高原冬季风变化不甚显著,导致了高原秋、冬季降水量无明显变化。未来20~40年青藏高原仍有可能继续保持气温升高、降水增加趋势。     

1979—2016年青藏高原水汽收支的气候变化特征及其成因北大核心CSCD

利用1979—2016年ERA-Interim的月平均再分析资料,通过统计分析、诊断研究等方法,分析了青藏高原水汽收支的气候变化特征及其成因。结果表明:青藏高原水汽四个季节均是从南、西、北边界流入高原,从东边界流出高原;青藏高原春、夏、秋季都表现为一个明显的水汽汇,夏季是高原水汽输送最活跃的季节,而冬季水汽从高原向外输出;高原东部(南部)水汽输送和收支量远大于高原西部(北部)。青藏高原年和夏季有逐渐变湿的趋势,主要是由于东边界水汽流出量的显著减少;高原东、西部的水汽净收入均呈增加趋势,高原西部的增幅明显大于高原东部;东边界水汽流出量的减少是高原东部水汽净收入增加的原因,而南边界水汽流入量的明显增加是高原西部水汽净收入增加的原因;高原北部水汽收支的年际变化比高原南部更明显,高原北部有明显增湿的趋势,而高原南部增湿趋势不明显。夏季青藏高原南边界水汽收支变化主要受青藏高原以南、以东的季风控制区偏南风水汽输送的影响,与西太副高的变化也有密切联系。西边界水汽收支的变化主要受中纬度西风带水汽输送的影响,北边界水汽收支的变化主要受到“丝绸之路”遥相关波列的影响,东边界的水汽输出偏少与高原地区东北侧至贝加尔湖附近上空的反气旋异常和华南地区上空的气旋异常有关。     

青藏高原地质研究的回顾与展望

青藏高原是世界上最高最大最年青的高原,被国际地学界公认为世界上研究大陆动力学最理想的天然实验室。特提斯的形成演化及高原的隆起是青藏高原地学研究的两大主题,包含了众多引人入胜的重要科学问题。笔者对其中8个科学问题进行了回顾与展望,它们是:青藏高原的前身——特提斯的形成演化;印度-亚洲大陆碰撞;青藏高原壳幔结构与物质组成;青藏巨厚地壳的成因;青藏高原深部物质的横向流动;地幔柱;高原隆升与生长;成矿作用。     

论“造山的高原”

地球上的高原依照其组成及形成过程差异分为两大类:克拉通高原与造山高原。克拉通高原是在古老的前寒武纪基底和稳定的克拉通的基础上构筑的高原,具有简单的、均一的、稳定的、冷的地壳以及刚性古老硬基底,如巴西高原、科罗拉多高原、埃塞俄比亚高原、南非高原、中西伯利亚高原和德干高原等。造山的高原是以造山单元作为主体的高原,分为俯冲型高原和碰撞型高原。前者如"中安第斯高原"与东太平洋的向东俯冲密切相关;后者如青藏高原,具有相对复杂、不均一、多地体拼贴、多期造山、相对热的巨厚地壳组成的造山软基底。研究表明青藏高原的初始高原在白垩纪形成,与班公湖-怒江缝合带的闭合(120~140Ma)有关。而印度-亚洲碰撞(60~50Ma)和印度岩石圈板片平俯冲在青藏高原之下,促使青藏高原整体的抬升至4000~5000m的高度。     

矿物裂变径迹年龄与青藏高原隆升速率研究

本文通过对青藏高原冈底斯花岗岩带中段花岗闪长岩中不同矿物裂变径迹年龄研究表明,青藏高原南部的隆升是分阶段的,从岩体就位到约30Ma为高原缓慢隆升阶段,30Ma-7Ma期间高原隆升速度加快,7Ma以来高原快速隆升;结合已有的有关青藏高原不同地区隆升速率、时限研究成果认为,青藏高原的隆升具有整体性、阶段性、加速性和区域的不均衡性。      

近1000年来青藏高原南部和北部 大气尘埃载荷变化的冰芯记录*

依据青藏高原目前所取得冰芯的尘埃分析结果,初步分析了近1000年来青藏高原南北大气尘埃载荷的时空变化特征。研究表明,高原南部达索普冰芯记录的高尘埃含量时期为1270s~1380s和1870s~1990s,而北部马兰冰芯记录的高尘埃含量时期为1130s~1550s和1770s~1940s。近1000年来青藏高原南北冰芯中尘埃含量呈现不同程度的增加总趋势,这可能指示了环境的变干趋势。青藏高原冰芯记录还反映出,高原北部地区大气中的尘埃载荷明显高于南部地区;高原北部地区大气尘埃载荷春季最大,而南部地区非季风季节最大。另外,通过对高原南北冰芯中尘埃含量记录与δ¹⁸ O记录之间相关关系分析,揭示出大气尘埃载荷变化与气温变化之间关系在高原北部地区呈显著负相关,而在南部地区却呈显著正相关。这说明青藏高原南北气候环境变化的差异性。     

SPATIAL AND TEMPORAL PATTERNS OF CLIMATE VARIATIONS OVER THE TIBETAN PLATEAU DURING THE PERIOD 1300 ～ 2010

小冰期气候为评估现代气候变化提供了最直接的背景.本文主要依据树轮资料,同时结合现代仪器观测记录,利用经验正交函数(EOF)方法探讨了青藏高原小冰期以来气候变化的时空特征.首先分析了高原的温度变化.近50年来青藏高原的温度变化基本同相位变化,没有明显的区域差异;乌兰树轮序列是青藏高原的冬半年(9～4月)温度代用指标;利用6条指示夏季或暖季温度变化的树轮序列合并形成的新序列可指示高原春季-夏季(3～8月)温度变化;依据RCS(区域曲线标准化)方法建立的昌都树轮序列,能够反映整个青藏高原的年平均温度变化;不同季节的温度重建序列均显示17世纪和18世纪20～70年代是高原小冰期气候寒冷的时期,而18世纪初,19世纪后半叶,20世纪中期的气候较温暖,且均显示20世纪末期气候的快速增暖事实.其次,从重建的亚洲区域夏季PDSI(Palmer Drought Severity Index)网格化数据集中提取42个网格点数据,分析了过去700年(1300～2005A.D.)高原的湿度变化.发现前3个特征向量代表了高原过去湿度变化的主要空间模态,与利用器测降水记录展开的EOF模态基本一致,表明主导高原干湿变化时空差异的物理过程是稳定的,不随时间而变化;近700年来高原南北部湿度变化具有明显的区域差异,最显著的差别是:自20世纪中期以来高原北部存在明显的变湿趋势,而高原南部却恰恰相反,呈现逐渐变干的趋势;近700年来高原南部的干湿变化有超前于高原北部的趋势.     

青藏高原河流演变研究进展

青藏高原是中国及亚洲大河的发源地,高原内部河网水系发达。在高原抬升、气候变化和人类活动的三重叠加作用下高原河流未来可能发生显著变化,由此引发的一系列交叉学科问题正成为关注热点。在前期多年高原河流野外调查的基础上,对近几十年青藏高原河流演变的研究进展,如地质背景、高原抬升和河流地貌特征与演变等进行较系统的分析和总结。展望了中等时间尺度下气候变化对河流演变的影响,短时间尺度下人类活动的局部、突变和加速的作用;提出冲积河群的新概念,初步给出其定义、特征和分布,以期在这个新框架下促进复杂辫状河道和弯曲河道形成与演变的深入研究。     

青藏高原隆升及其环境效应

“青藏高原形成演化及其环境资源效应”项目选择青藏高原为典型地区，特别注意高原与毗邻地区的联系，以从全球尺度探讨高原的各种过程，目标集中在大陆碰撞过程和高原隆升过程，以过程为主线贯通碰撞机制、环境变化和资源分布规律的研究；时间上着重新生代以来，在不同精细时间尺度上定量地描述碰撞和隆升的动态过程及环境变化。运用地球科学、生命科学、环境科学及各学科之间有机交叉、综合研究的方法，开展大陆碰撞动力学、环境变化、现代表生过程及各圈层相互作用等重大理论问题的研究，为青藏高原地区的资源开发和环境调控提供科学依据。按照统观全局、突出重点的原则，项目主要研究内容包括以下4个方面：大陆岩石圈碰撞过程及其成矿效应;高原隆升过程与东亚气候环境变化;青藏高原现代表生过程及相互作用机理;青藏高原区域系统相互作用的综合研究。在完成研究计划任务的基础上，项目取得如下的突出研究成果和创新性进展：印度大陆与欧亚大陆初始碰撞时限;青藏高原南北缘山盆岩石圈尺度的构造关系;青藏高原整合构造模型与成矿成藏评价;新生代高原北部重大的构造变形隆升事件序列;高原周边环境变化事件及高原隆升对亚洲季风发展变化的影响;高分辨率气候动态过程及变化趋势;高原主要生态系统碳过程对气候变化的响应;高原气候变化及冰冻圈变化与预测;高原土地覆被变化、恢复整治及管理。     

近百年来青藏高原冰川的进退变化

近百年来, 青藏高原的冰川虽然出现过两次退缩速率减缓或相对稳定甚至小的前进阶段, 但总的过程仍然呈明显的波动退缩趋势. 随着全球气候的波动变暖, 特别是进入20世纪80年代以来的快速增温, 使高原冰川末端在近几十年间出现了快速退缩. 以高原东部和南部边缘山地的冰川变化幅度最大, 而高原中北部山区和羌塘地区的冰川变化幅度较小, 相对比较稳定. 显示出青藏高原冰川对气候变化响应的敏感性在边缘山区较中腹地区更为敏感.     

2000-2005年青藏高原积雪时空变化分析

利用MODIS卫星反演的积雪资料以及同期气象资料,分析了2000-2005年青藏高原积雪分布特征、年际变化及其与同期气温和降水的关系,结果表明:青藏高原积雪分布极不均匀,四周山区多雪,腹地少雪;高原积雪期主要集中在10月到翌年5月;2000-2005年高原积雪年际变化差异较大,积雪面积总体上呈现冬春季减少、夏秋季增加的趋势;气温和降水是影响高原积雪变化的基本因子.冬季,高原积雪面积变化对降水更为敏感;春季,气温是影响高原积雪面积变化更主要的因素.     

基于GIMMS NDVI的青藏高原植被指数时空变化及其气温降水响应

青藏高原植被生态系统脆弱, 是研究全球气候变化陆地植被生态系统响应的理想场所。以GIMMS NDVI、 气温和降水及植被类型数据为基础, 利用一元线性回归模型、 相关系数、 偏相关系数及t检验方法, 分析了青藏高原1982 - 2015年NDVI时空变化及其气温降水响应特征, 结果表明： 1982 - 2015年青藏高原NDVI时间变化过程总体表现为不显著的增加过程, 空间变化以显著增加为主, 占总面积的63.26%, 分布在高原北部、 西部和南部; 显著减少集中分布在高原中东部和东南部, 仅占总面积的3.45%。青藏高原主要植被类型NDVI平均值表现为： 阔叶林>针叶林>灌丛>草甸>高山植被>草原>荒漠, 其中草原、 高山植被和荒漠植被NDVI呈显著线性增加过程, 灌丛、 针叶林和阔叶林植被的NDVI呈不显著的减少过程。青藏高原NDVI与气温相关系数空间上呈南北向分布, 具有纬度地带性特征, 显著正相关分布在高原中北部, 显著负相关分布在高原中南部; NDVI与降水的相关系数呈东西向分布, 具有干湿度地带性特征, 显著正相关分布在高原中部, 显著负相关分布在高原东西两侧。研究认为1982 - 2015年青藏高原北部水热条件缺乏区域NDVI出现显著增加趋势, 而高原东南部水热条件充足地区NDVI呈现出显著减少趋势。深入开展植被类型NDVI气候响应的差异性研究, 有助于深入理解全球气候变化影响的区域差异及科学制定植被生态保护政策。     

对青藏高原隆升研究的几点思考

青藏高原的隆升机制和隆升历史,需多学科参与.其研究思想和研究方法有几点值得思考:①磨拉石与高原(地面)隆升有没有必然的关系;②生物尤其是古植物对青藏高原隆升最具灵敏性,能够指示青藏高原多阶段隆升的一系列信息,应该是今后研究的重点;③不可忽视加大对高原腹地的沉积盆地研究;④多学科的相互交叉、相互渗透已成为研究青藏高原隆升的必然趋势,并以青藏高原北缘新生代生物、沉积学、岩石学成果为例.这些研究不仅可以极大丰富青藏高原隆升的内容,而且可以相互验证,提供更多相关联的直接证据.     

北大西洋涛动对青藏高原夏季降水的影响

利用青藏高原中东部1961-2004年60个气象台站夏季(6-8月)降水资料,通过旋转经验正交函数分解发现青藏高原夏季降水存在南北反向变化的空间模态,分析表明这种变化模态与北大西洋涛动(NAO)密切相关.利用NCEP/NCAR再分析资料进行环流场分析,探讨了NAO对青藏高原这种降水空间变化模态的影响机制.结果表明:强NAO年份时,高原北部水汽输送通量强度增强,水汽辐合增强,而高原南部水汽输送通量强度减弱,此时高原切变线位置明显偏北,正是在这种水汽输送和环流形式配置下使得高原北部降水偏多而高原南部降水偏少;在弱NAO年份,上述情况基本相反.     

青藏高原地区云水时空变化特征及其与降水的联系

利用1984-2009年ISCCP的云量、云光学厚度(COT)、云水路径(CWP)资料,分析了青藏高原云水的分布特征、变化趋势,及其与夏秋季降水、冬春季降雪的联系.结果表明:青藏高原地区大气中的云水有着显著的季节变化与水平分布差异;青藏高原春夏季总云量、高云云量高于秋冬季,CWP、COT与总云量的分布特征具有较好的一致性.高原云量高值区位于喀喇昆仑山与高原东南部;可可西里地区由于羌塘高压的下沉作用为云量低值区.青藏高原总云量在1984-2009年间呈现减少趋势;而CWP在高原总体以增加为主,但在各区域上的变化不一致,高原东部CWP增加而西部出现较弱的减小,这与来自孟加拉湾的水汽输送增加有关.青藏高原中东部地区夏秋季降水受云量减少影响较小而与CWP的增加相一致呈增长趋势;该地区冬春季降雪略有减少,与总云量的年际变化具有正相关.     

青藏高原与大陆动力学——地体拼合、碰撞造山及高原隆升的深部驱动力

运用地体和地体活动论观点,提出青藏高原结构划分的新方案;强调青藏高原的形成经历了新元古代以来长期活动的过程,青藏高原是一个“非原地”诸多地体会聚、拼合以及经历复合碰撞造山的“造山的高原”;大型走滑断裂在青藏高原形成中起着地体相对位移、侧向挤出、移置及使高原几何形态扭曲的作用。提出青藏高原隆升的“南缘超深俯冲(>600km)、北缘陆内俯冲、腹地深部热结构及岩石圈范围内的向NE右旋隆升”的多元驱动力机制。     

青藏高原新生代火山活动的深部力学背景

为了研究火山形成基本要素——岩浆运移通道的形成, 基于重力异常反演的青藏高原下地壳底部的地幔对流应力场, 结合地壳破裂形成机理和对流应力场与青藏高原新生代火山分布的关系, 以及青藏高原下地幔对流演化的数值模拟结果, 分析了高原火山岩浆运移通道产生的深部力学机制.研究表明, 高原下地幔对流应力场存在两个大的拉张区, 高原中部和北部的火山岩均分布于拉张应力区.南部的林子宗火山区对应了印度板块与欧亚大陆碰撞前或碰撞早期高原下的地幔上升流.对流应力的量级为~100Ma, 这与导致地壳破裂的应力量级相当.所有这些证据表明, 青藏高原下地幔对流应力场可能是导致高原地壳破裂, 并发展为岩浆物质通道的主要力学机制之一.      

利用静止卫星估算青藏高原全域地表潜热通量

青藏高原全域高时间分辨率潜热通量变化对定量理解高原能量和水分循环过程尤其是其日变化过程至关重要.为此,利用中国最新一代静止气象卫星Fengyun-4A上搭载的多通道扫描成像辐射计数据,结合中国区域高时空分辨率地表气象驱动数据集,基于陆面能量平衡系统模型估算得到青藏高原全域的地表潜热通量,卫星估算值与青藏高原观测研究平台站点实测值的均方根误差和平均偏差分别为76.05和17.33 W/m2.结果 表明,青藏高原地表潜热通量呈现显著的季节变化、昼夜分野和区域差异:4月高原潜热整体上略低于感热,而7月高原西部、中部和东部的潜热均高于感热;潜热通量昼夜相差极大,4月的昼间、夜间和昼夜平均值分别为74.22、3.09和38.66 W/m2,而7月的相应值分别为122.75、6.49和64.62W/m2.青藏高原地表热通量的空间分布具有经向区域差异,其中,净辐射通量与感热通量在高原西部和中部的数值明显高于高原东部,而潜热通量正好相反,在高原东部数值较高.研究结果可为青藏高原地表蒸散与大气热源的定量分析提供参考.     

青藏高原南北降水变化差异研究

利用青藏高原1960-2004年近45 a气象台站年降水记录, 对高原中东部年降水做了空间变化分析, 发现高原以唐古拉山为界, 高原南北降水变化存在明显差异, 特别是高原南部和东北部降水几乎成相反的变化. 进一步分析5个重建的长时间降水序列, 发现青藏高原南北降水在百年时间尺度上也存在明显的差异. 在百年时间尺度上, 过去600 a高原南北降水变化都在1740年和1850年左右发生突变. 1740年以前, 整个高原北部降水都在波动中增加, 而高原南部在减小;1740-1850年期间, 高原北部降水在波动中减小, 而高原南部在增加;1850年以后, 高原北部降水又在波动中增加, 而高原南部降水在减小. 高原南北降水变化的空间差异主要是由季风和西风带决定的.     

青藏高原第四纪重点湖泊地层序列和湖相沉积若干特点

本项研究对青藏高原代表性第四纪湖泊沉积区作了大范围调查,北自柴达木昆特依湖和昆仑山口、南抵江布-林芝,西起甜水海、东至迪庆.据青藏高原地质构造、沉积建造和地貌特点,将高原第四纪地层区划分为6个地层分区:藏南湖盆分区(Ⅰ)、羌塘高原湖盆分区(Ⅱ)(羌南湖盆亚区(Ⅱ-1)和羌北湖盆亚区(Ⅱ-2))、三江高山河谷分区(Ⅲ)、昆仑高山分区(Ⅳ)、柴达木、青海湖盆分区(Ⅴ)和阿尔金-祁连山高山区(Ⅵ).并对上述Ⅰ-Ⅴ分区第四纪湖相地层层序作了较详细划分和对比.从而指出青藏高原第四纪湖相沉积具有如下特点:①除了柴达木-青海湖盆分区外,其余各分区的湖滨剖面湖相碎屑沉积相对较粗,而同青藏高原属于全球第四纪最新隆起区相一致;②在湖盆区的湖相沉积常叠加或伴生冲洪积、风积相和冰碛或冰水沉积以及部分泥石流沉积、化学沉积与热水沉积.它们既反映青藏高原在第四纪隆升进入冰冻圈后湖盆沉积环境时有冷期发生,又反映高原隆升背景下,洪水期诱发山崩和泥石流堵塞成湖,或由于洪水泛滥,导致高原边缘内流湖决溃、湖泊消失(如Ⅲ、Ⅳ分区),还反映高原湖泊成盐过程与深部作用、强烈的新构造运动密切相关;③除了柴达木-青海湖分区(Ⅴ)和羌塘高原湖盆分区部分大型湖盆自第四纪以来有连续湖相沉积外,其他分区第四纪湖相沉积多不连续;④由于全新世青藏高原口趋干旱,除了一些现代积水湖盆外,有相当多湖泊干化,而缺失顶部湖相沉积.综上所述,为了获取青藏高原第四纪沉积连续环境记录,需选择高原内部或周边为数较少的新生代连续沉积盆地.本文论证了柴达木盆地是一个较理想的研究高原晚新生代湖相沉积区,建议在柴达木盆地实施晚新生代资源环境科学钻探工程.