末次冰盛期中国西部冰川物质平衡线高度的模拟研究

文章使用9个气候模式的数值试验数据,研究了末次冰盛期中国西部冰川物质平衡线高度(ELA),以期加深理解冰期青藏高原地表环境以及ELA变化成因.相对于工业化革命前期这一参考时段,末次冰盛期青藏高原夏季普遍降温4-8℃,年降水量平均减少25%.在降温和降水减少的共同作用下,中国西部ELA降低,不同区域之间降幅存在差异.在青藏高原地区,其南缘和西北部下降1100m,中部腹地下降650-800m,东部下降550-800m且由西南向东北逐渐变小.中国境内天山上的ELA下降不超过650m,祁连山和阿尔泰山上的下降值在500~600m.另外,水平分辨率高的气候模式能模拟出青藏髙原中部ELA下降不超过500m的低值,这与古冰川遗迹记录一致;末次冰盛期青藏高原冰川物质积累区主要发生在边缘山地,其面积扩张至现代的2-5倍,但仍未覆盖到高原中部.     

CMIP5多模式集合对东北三省未来气候变化的预估研究

应用CN05观测资料,以及参与国际耦合模式比较计划第5阶段(CMIP5)中的26个模式,评估了新一代全球气候模式对东北三省气候变化模拟能力并选出4个较优模式,发现经过筛选得出的较优模式集合平均模拟结果的可靠性得到进一步加强,尤其体现在对气温的模拟上.在此基础上着重分析了多模式集合在不同典型浓度路径(RCPs)下对未来气候变化特征的预估.结果表明:21世纪的未来阶段,东北三省将处于显著增温的状态,且RCP8.5情景下的增温速率(0.53℃/10a)明显高于RCP4.5情景下的速率(0.22℃/10a);空间上,北部地区将成为增温幅度最大、增温速率最高的区域.未来降水将会相对增加,但波动较大,21世纪末期RCP4.5和RCP8.5情景下的降水增加幅度分别为11.24%和15.95%;空间上,辽宁省西部地区将成为降水增加最为显著的区域.根据水分盈亏量,21世纪未来阶段,RCP4.5情景下的东北三省绝大多数地区未来将相对变湿,尤其到了中后期;RCP8.5情景下则是中西部地区将相对变干,其余地区则会相对变湿.     

欧亚大陆植被生态系统潜在分布情景及其对气候变化的响应

欧亚大陆植被生态系统的时空分布特征及未来如何变化是"一带一路"倡议推进过程中亟需研究的关键生态环境问题之一.在对HLZ生态系统模型进行修正、拓展和完善的基础上,结合欧亚大陆气候观测数据(1981～2010年)和CMIP5 RCP26、RCP45和RCP85三种情景数据,实现欧亚大陆植被生态系统潜在分布变化特征及未来情景的模拟,并采用生态系统类型多样性模型和生态系统斑块连通性模型,定量揭示欧亚大陆HLZ生态系统类型多样性的变化情景.模拟结果显示,寒温带潮湿森林、冷温带湿润森林和荒漠是欧亚大陆最主要的植被生态系统类型,占整个欧亚大陆总面积的36.71%;三种情景下,极地/冰原面积减少最多,平均每10年减少26.75×106km~2,亚极地/高山湿润苔原减少最快,平均每10年减少10.49%;其中, RCP85情景下的欧亚大陆植被生态系统的变化速度快于其他两种情景,亚极地/高山湿润苔原减少最快,平均每10年减少10.88%.欧亚大陆HLZ生态系统类型多样性整体呈减少趋势,其中RCP26、RCP45和RCP85三种情景的HLZ生态系统类型多样性在2010～2100年间,平均每10年将分别减少0.09%、0.13%和0.16%;植被生态系统斑块连通性在三种情景下均呈现先增加后减少的趋势;"一带一路"沿线的中国区、蒙俄区、西亚区、中亚区、南亚区、东南亚区和欧洲区的HLZ生态系统时空分布及其变化差异特征显著.     

末次盛冰期东亚气候的数值模拟

用美国国家大气研究中心(NCAR)的CCM3全球气候模式研究了末次盛冰期(LGM)和现代情景下的东亚季风和地面水分特征以及青藏高原冰川扩张. 结果表明: 在LGM时, 我国北方和西太平洋地区冬季风显著加强, 南方地区冬季风变化不大; 而对LGM时期的夏季风, 我国南方和南海地区显著减弱, 北方变化不显著; LGM时期季风的这种变化, 使我国东北、华北大部分地区、黄土高原和青藏高原东部年降水量比现代显著减少, 造成这些地区当时地面净失去更多水分, 使当地变干燥, 其中青藏高原东部、黄土高原西部地面变干燥最显著; 而在LGM时期青藏高原中部一些地区由于蒸发减少使地面变湿润, 有利于当时这些地区的湖面上升; 此外, LGM时期冬季青藏高原 绝大部分地区积雪明显比现代厚, 通过分析模拟资料计算的冰川平衡线高度发现: 尽管我们模拟出LGM时期较小的降温幅度, 但是通过模式中大气物理过程青藏高原降水和气温之间保持平衡, LGM时期当地冰川平衡线高度与现代相比降低了300~900 m, 即从现代的5400 m以上降为4600~5200 m, 指示着LGM时期青藏高原冰川的大规模扩张.     

西北干旱区冰川变化及其径流效应研究

将西北干旱区的冰川作为独立系统 ,估算其“小冰期”以来和近数十年的冰川变化量、物质平衡变化值 .在此基础上 ,模拟保持当前气候状态和气候进一步变化背景下 ,冰川径流达到临界状态的时间 .     

青藏高原多年冻土退化过程及方式

气候变暖势必引起多年冻土的退化,基于数值模拟结果,将多年冻土退化过程按地温的深度剖面曲线形态划分为初始阶段、升温阶段、0梯度阶段、不衔接阶段和消失阶段．青藏高原多年冻土多是晚更新世残留,而全新世期间总体上是一个退化过程．根据青藏高原几个典型地区多年冻土深孔测温数据,判断目前高原多年冻土在其退化历史中所处的地位：高山地区处于升温阶段;中低山地区处于升温阶段末期;高平原和河谷盆地的多年冻土处于0梯度阶段;连续多年冻土下界附近及岛状冻土地区,正处于由0梯度向不衔接阶段过渡,多年冻结层边缘在萎缩,处于消失阶段．多年冻结层消融（消失）存在自下而上和自上而下两种方向．在升温阶段,多年冻土层中的热通量小于来自下伏地层中的地热通量时,部分地热流用于多年冻土底板相变耗热,发生自下而上的消融,随着多年冻土层中的地温梯度减小,用于底板消融的热量增加,直到地温曲线完全达到0梯度时,所有的地热流都用于多年冻土层融化潜热消耗,但其上部同时存在“热补偿”和“季节补偿”作用可以延缓多年冻土的消失;对于低温厚层多年冻土,当地面温度升高至可以抵消热补偿效应时,活动层中出现热积累,厚度增加,直至出现不衔接现象,同时存在“季节反补偿”作用,加剧了这一过程．     

基于CMIP5模式鄱阳湖流域未来参考作物蒸散量预估

预测未来气候情境下鄱阳湖流域参考作物蒸散量(Reference crop Evapotranspiration,ET0)的时空分布可为流域水资源的优化管理,为科学应对气候变化对农业生产的影响提供基础数据支撑.利用鄱阳湖流域14个气象站点1961-2014年逐日气象数据,采用Penman-Monteith公式计算出历史ET0;基于同期美国环境中心(NCEP)再分析数据及2006-2100年CMIP5中CNRM-CM5模式在RCP4. 5和RCP8. 5情景下的预测数据,经统计降尺度模型(statistical downscaling model,SDSM)模拟和偏差校正,预测流域未来ET0;通过Mann-Kendall检验、普通克里金插值和空间自相关法分析了流域1961-2100年ET0的时空演变特征.结果表明:NCEP再分析资料与流域ET0建立的逐步回归降尺度模型模拟效果较好,CNRMCM5模式降尺度模拟结果经偏差校正后,精度明显提高,适宜流域未来ET0的预估.鄱阳湖流域在基准期1961-2010年ET0整体上呈减小趋势,空间分布上呈南北高、中间低的特点,表现出明显的空间差异性.RCP4.5、RCP8.5情景下未来3个时期鄱阳湖流域ET0较基准期均呈不同程度的增加趋势,其空间分布整体表现为东高西低、局地略有突出;无论是在基准期或是未来情景下的3个时期,ET0均具有较强的空间自相关性.在RCP8.5情景下,鄱阳湖1961-2100年干旱指数呈现出较为明显的上升趋势,流域的干旱状况随时间加剧,2011-2100年间流域绝大部分地区由湿润区转为半湿润区,干旱指数自南向北递减,赣江流域将是鄱阳湖流域未来干旱风险的重点防范区.     

青藏高原色林错流域区冰川消融对湖泊水量变化的影响

青藏高原大部分湖泊近年来持续扩张,湖泊水位和水量明显增加.冰川消融是流域水量平衡和水循环的重要影响因素,直接导致湖泊水量变化.由于缺乏大范围的冰川质量平衡观测结果,青藏高原冰川消融对湖泊水量变化的影响仍存在较大争议.本文选择青藏高原内流区的色林错流域区(水系编号5Z2)作为研究对象,利用SRTM DEM和TanDEM-X双站InSAR数据,精确估算该流域三个主要冰川区(普若岗日、格拉丹东和西念青唐古拉)2000—2012年的冰川质量平衡,依次为:-0.020±0.030、-0.128±0.049、-0.143±0.032m·w.e.·a^-1.并据此采用面积加权法准确推估出5Z2流域的冰川质量变化为:-0.166±0.021Gt·a^-1.综合ICESat和Cryosat-2卫星测高数据,计算该流域2003—2012年湖泊水量变化速率(3.006±0.202Gt·a^-1),并定量评估冰川质量变化对5Z2流域湖泊水量增加的贡献为:5.52%±1.07%,因此在青藏高原色林错流域区,冰川消融不是导致21世纪初期湖泊水位上升的主要因素.     

1961～2006年塔里木河流域冰川融水变化及其对径流的影响

以国家气象台站的月降水与月气温资料为驱动数据、90m分辨率的数字高程模型(DEM)和第一次冰川编目的冰川分布矢量数据为基础,利用月尺度的度日模型重建了塔里木河流域各水系冰川物质平衡、融水径流序列,并应用冰川物质平衡、融水径流和平衡线高度等资料对模型进行了对比验证,表明模拟结果具有较高的可信度.对冰川物质平衡和融水径流的特征、变化趋势以及其对河流径流的贡献进行的分析表明,塔里木河流域1961～2006年平均冰川物质平衡为?139.2mm·a?1,46a冰川物质一直在加剧亏损,同期升温对冰川的影响超过降水增加的影响.塔里木河冰川融水径流的年际变化主要受控于流域内冰川的物质平衡波动,46a冰川融水径流的持续增加主要是由温度升高引起的.1961～2006年整个塔里木河流域年平均冰川融水径流量为144.16×108m3,冰川融水对河流径流的平均补给率为41.5%,并且与多年平均值相比冰川融水对河流径流的贡献在1990年之后明显增大.塔里木河流域出山径流年际变化与冰川融水径流年际变化过程基本一致,总体上呈上升趋势,并且河流径流量的增加约3/4以上源于冰川退缩的贡献.     

1961~2016年全球变暖背景下冰川物质亏损加速度研究

过去几十年间,全球冰川物质亏损的加速趋势日益显著,而这种加速趋势将对全球海平面上升、流域水资源以及冰冻圈灾害等方面产生深远的影响.针对目前关于冰川物质亏损加速度的研究仍然比较贫乏的问题,本研究利用实测冰川物质平衡记录和最新的融合实测资料与大地测量法表面高程变化的冰川物质变化数据,对全球冰川物质亏损加速度进行研究.结果表明,1961~2016年全球冰川物质亏损经历了显著的加速过程.在全球尺度上,冰川物质亏损加速度分别为(5.76±1.35)Gt a^-2(冰量损失加速度)和(0.0074±0.0016)m w.e.a^-2(单位面积冰量损失加速度).在区域尺度上,冰川主要分布区(除南极冰盖边缘地区)的冰量损失加速度大于冰川储量较小的区域,其中阿拉斯加地区的冰量损失加速度最大((1.33±0.47)Gt a^-2).对单位面积冰量变化而言,冰川分布面积较小的区域和几个主要冰川分布区都呈现出较大的冰川消融加速度,其中欧洲中部的冰川单位面积物质亏损的加速度最大((0.024±0.0088)m w.e.a^-2).全球气候变暖是冰川物质亏损加速的主要驱动力.通过对比研究,发现格陵兰冰盖和南极冰盖对全球海平面上升贡献的加速度均大于冰川.本研究将有助于提升对冰川变化机理的认识,为应对冰川变化的影响提供科学依据.     

SAR偏移量跟踪技术估计天山南依内里切克冰川运动

流动性是冰川的一个主要特征,监测其流速变化可以为冰川物质平衡和冰川灾害研究提供重要信息.本文研究利用2007-2008年的7景ALOS/PALSAR影像和偏移量跟踪技术提取亚洲最大的山岳冰川之一--南伊内里切克冰川的运动场.ALOS/PALSAR影像的时间连续性和南伊内里切克冰川的冰碛覆盖为SAR偏移量跟踪技术获取连续的冰川表面流速提供了基础,然而冰川积累区降雪、附加冰带消融、陡坡区域裂缝发育等客观事件的发生对速度的获取仍有局部影响.尽管如此,本文仍得到了整个冰川不同季节的平面运动场,并且在所有6个时间段内观测到的运动场非常吻合.详细地分析揭示南伊内里切克冰川运动具备以下规律:流速由轴部向两侧递减,由源头向下至雪线处运动速度逐渐增加,然后再向末端逐渐递减;流速大小和坡度大小呈非线性正相关,坡度从1°突变至16°时,冰川运动加速会导致裂缝发育;夏季受冰川湖影响,尾部分支流速能激增至96 cm/d;暖季速度会高于寒季5～10 cm/d.该冰川的冰舌主体日平均速度为20～50 cm/d,局部最高速度可以达到65 cm/d.在冰舌上提取了一些样点的速度作统计,结果显示各个时段中所有样点的平均速度最高可达33.3 cm/d,最低可至27.9 cm/d.冰舌部分的速度和2004年的数据相比下降了约5 cm/d.     

青藏高原东缘地壳运动与深部过程的研究

由于青藏高原东部地区记录了高原约50 Ma演化历史中物质东流的构造史,因此受到地学界的广泛重视. 现代大地测量与地质研究结果给出了该区现代地壳运动的图像,为地球动力学数值模拟提供了重要的边界约束条件. 利用重力异常计算的高原及邻区地幔对流应力场与地表地壳运动格局的明显差异表征了高原东部地壳与地幔物质的运动解耦. 基于随深度变化地壳蠕变率的动力学模拟结果显示,高原东部地壳增厚与高原内部存在很大差异,高原东部地壳增厚主要表现为下地壳的增厚,并且地幔形变过程与地表变化也不一致,同样显示出地壳、地幔运动的解耦. 研究表明,下地壳低强度分布可能是导致这种解耦的重要原因,而了解高原东部地壳及上地幔物理力学性质对我们认识高原物质东流至关重要.     

高亚洲冰川的近期退缩及其对西北水资源的影响

近几十年来, 高亚洲冰川在气候变暖的影响下随着冰川物质平衡的持续亏损而不断退缩. 过去10 a是20世纪高亚洲冰川退缩最强烈的时期. 高亚洲冰川退缩的空间特征是: 青藏高原内陆地区退缩幅度最小; 从青藏高原内陆向边缘地区退缩幅度逐渐增大; 在最边缘的藏东南和喀喇昆仑, 冰川退缩幅度最大. 高亚洲冰川退缩对中国西北干旱地区水资源产生重大影响. 利用冰川变化的长度、面积、体积间的比例关系估算的结果和用经验公式估算的结果都说明, 从20世纪90年代开始的冰川退缩导致冰储量减小, 致使西北地区冰川径流量增加5.5%以上. 在冰川融水补给量大的塔里木河, 冰川径流增加量更大.     

较高的代表性排放路径等级能提高噬藻体的感染力

由于大气二氧化碳浓度升高和升温对噬藻体的感染力存在复杂的联合作用,本文在以下代表性排放路径（RCP）所对应的大气二氧化碳浓度和温度同步升高的条件下对席藻进行了10个月的培养：（1） 25℃+400 ppm(CK组),（2）27.4℃+538 ppm(RCP4.5),(3)28.0℃+670 ppm(RCP6.0),(4)29.8℃+936 ppm(RCP8.5),测定了席藻的生长曲线和噬藻体PP裂解席藻的感染力指标（包括吸附率、潜伏期、裂解周期、裂解率、释放量及席藻对紫外损伤噬藻体的光修复率）。结果表明,RCP4.5的影响不明显,随着RCP等级的进一步提高,席藻生长加速,噬藻体PP的潜伏期和裂解周期缩短、裂解率和释放量增加。特别是,RCP8.5比RCP6.0条件下的裂解周期更短、释放量更大。此外,各RCP等级下的吸附率没有显著差异,而光修复率却在RCP8.5条件下显著提高。结果说明,当大气二氧化碳浓度和温度的同步升高超过RCP4.5后,席藻的生长和噬藻体PP的感染力总体上均会增加,且不同指标的响应是不同步的,预示着：伴随全球气候变化的加剧,宿主藻生长的加速和藻类病毒感染力的增强是不同步...     

祁连山区中西段沉积物粒径和青藏高原隆升关系模型

通过对祁连山中西段河流沉积物粒径的测量统计, 探寻其与青藏高原北缘主峰和高原高度的相关关系, 建立相应的关系模型, 并将模型应用到老君庙剖面, 最后得出青藏高原北缘自8.35 Ma以来高原隆升过程曲线. 据此认为青藏高原北部自8.35MaBP隆升以来, 从平均海拔约900 m隆升到现在的约3700 m, 其中8.35~3.1 MaBP隆升较慢, 幅度较小, 总抬升了420 m, 3.1 MaBP至今, 隆升加剧, 表现为明显的后期加速过程, 共抬升了约2400 m. 0.9 Ma左右, 青藏高原北部抬升到平均海拔约3000 m, 进入冰冻圈; 主峰达到4000 m以上, 指示主峰发育冰川.     

孟加拉湾热带风暴对青藏高原降水和土壤湿度的影响

利用JTWC提供的1981~2011年孟加拉湾热带风暴最佳路径资料,研究春季、初夏(AMJ)及秋冬季节(SOND)孟加拉湾风暴对青藏高原降水及土壤湿度的影响特征.研究表明:每年平均约1.35个孟加拉湾风暴能够影响青藏高原,5和10月是孟加拉湾风暴影响青藏高原的两个主要时期,且在AMJ生成的风暴比SOND影响范围更大,影响的纬度更偏北;孟加拉湾风暴引起的降水最大可超过当地当月降水量的50%,同时也能够占到整个季节的20%.资料分析还表明春季风暴降水引起的青藏高原表层土壤湿度异常大概能维持20~25 d,秋冬季节孟加拉湾风暴引起的高原积雪也仅能维持20 d左右便基本消融殆尽.数值试验表明青藏高原表层土壤湿度异常仅持续20 d左右,次表层异常则大概可以持续2个月,而更深层次土壤湿度异常则可维持数个月甚至更久.最后,统计关系还表明前期风暴引起的高原积雪及土壤湿度异常并不足以影响到东亚夏季降水,其与中国东部夏季降水异常无直接联系.近30年来孟加拉湾风暴强度增强,使得20世纪90年代中期以后孟加拉湾风暴对青藏高原春季降水的影响有所增强.     

植被变化驱动机制的样带研究

采用以植物功能型为基础的中国气候-植被分类模型,利用中国1951～1980年30年的气象数据及全球最低和最高温室气候排放方案下的未来气候情景（SRES-B2和SRES-A2）,模拟了中国东北样带和中国东部南北样带的植被分布格局及其变化．结果表明,植被分布格局在未来气候变化情景下将发生重大变化,而驱动植被分布格局变化的关键因子是热量和水分,但是不同植被类型的变化对热量和水分的响应程度不同．植被变化对热量的敏感性要大于水分,未来气候变暖将对植被分布格局产生重大影响．     

利用长周期面波研究华北地区地壳与上地幔结构的横向非均匀性

本文以太行山为界将华北地区分为东西两部分,东部为河淮块体,西部为鄂尔多斯块体.利用最小二乘法,从混合路径基阶瑞利面波群速度频散提取两块体的纯路径频散,并反演其地壳、上地幔的层状结构.所得结表果明,两块体的面波频散和地壳、上地幔结构存在明显差异.东部的河淮块体地壳较薄,地壳内平均速度比西部的鄂尔多斯块体壳内平均速度约低0.13km/s,壳内20km深度左右出现低速层;而西部的块体壳内速度成层递增,未见低速层出现.两块体上地幔顶部速度均偏低,地幔低速层的埋藏深度基本相同.但西部块体地幔低速层厚,且比东部块体地幔低速层的速度约低0.3km/s.     

利用长周期面波研究华北地区地壳与上地幔结构的横向非均匀性

本文以太行山为界将华北地区分为东西两部分,东部为河淮块体,西部为鄂尔多斯块体.利用最小二乘法,从混合路径基阶瑞利面波群速度频散提取两块体的纯路径频散,并反演其地壳、上地幔的层状结构.所得结表果明,两块体的面波频散和地壳、上地幔结构存在明显差异.东部的河淮块体地壳较薄,地壳内平均速度比西部的鄂尔多斯块体壳内平均速度约低0.13km/s,壳内20km深度左右出现低速层;而西部的块体壳内速度成层递增,未见低速层出现.两块体上地幔顶部速度均偏低,地幔低速层的埋藏深度基本相同.但西部块体地幔低速层厚,且比东部块体地幔低速层的速度约低0.3km/s.     

青藏高原春季土壤湿度与我国长江流域夏季降水的联系及其可能机理

土壤湿度作为陆面过程的重要因子,对局地及邻近地区的大气环流和天气气候有重要影响.青藏高原的土壤湿度观测站点稀少,时间较短,鉴于此,本文使用经过部分观测站点检验的卫星反演数据,研究了春季高原土壤湿度的年际变化与后期夏季我国东部降水的联系和可能机理.结果表明:在全球变暖的背景下,高原土壤湿度总体呈现出显著增加的趋势,去除该线性趋势后,我们定义了一个高原土壤湿度指数TPSMI来定量表征高原土壤湿度的年际变化特征,发现表层、中层、深层的土壤湿度年际变率趋于一致,且春季土壤湿度与夏季土壤湿度显著相关(相关系数可达0.56).当TPSMI偏大时,即高原东部土壤湿度偏大,而西部偏小时,夏季在高原东部(西部)存在一个潜热(感热)热源,二者共同作用下,在对流层中高层从高原西部经我国大陆直至东北地区激发出一个气旋—反气旋—气旋波列,该波列呈相当正压结构,有利于东北冷涡的加强及冷空气向南爆发;与此同时,南亚高压加强东伸,西太副高西伸加强,低空南方暖湿气流与北方干冷气流在长江流域汇合,伴随着上升运动加强,从而有利于夏季长江流域降水增多;反之,当TPSMI偏小时,夏季长江流域降水减少.