内蒙古半干旱草原气候生态相互作用问题——IMGRASS计划初步结果

IMGRASS计划 (内蒙古半干旱草原土壤植被大气相互作用 )旨在通过野外实验、过程分析和数值模式研究理解中纬度半干旱草原气候生态相互作用中的多种时空尺度和多种物理化学生物学过程的作用 ,以及人类活动的影响。文中介绍部分与全球变化和人类活动相关的初步研究结果 ,主要是 :(1)冬季风、大区域地表环境和本区地形的结合对浑善达克沙地在长时间过程形成的作用 ;(2 )夏季风、本区地形和植被对本区夏季降水的水汽通道和降水分布有重要作用 ;(3)实验区内不同类型地表与土壤表现出明显不同的地气交换通量特征与不同的边界层结构 ;(4 )草原温室气体 (N2 O ,CH4 ,CO2 )收支的定量测量与过程研究表明 ,温带草原N2 O源强较IPCC 2 0 0 1报告估计值偏低 ,而草原CO2 收支表现出很强的变动性 ;(5 )人类活动干预下的草原退化与恢复演替表现出该区域普遍的规律与对气候的依赖 ,提供可持续发展的人类对自然草原放牧强度的阈值。     

利用SEBAL和改进的SEBAL模型估算黑河中游戈壁、绿洲的蒸散发

蒸散发是干旱、半干旱地区内陆河流域水分消耗的主要途径, 利用遥感估算流域尺度上的蒸散发对内陆河流域水循环和水资源的合理利用具有重要的指导意义. 基于2012年开展的黑河流域生态-水文过程综合遥感观测联合试验(HiWATER)的观测资料和高分辨率的ASTER影像, 分别利用 SEBAL 模型和改进的SEBAL(M-SEBAL)模型估算黑河中游不同时期戈壁、绿洲等不同下垫面的蒸散发, 通过涡动观测数据对比分析了SEBAL模型和M-SEBAL模型估算戈壁、绿洲蒸散发的精度. 结果表明: SEBAL模型在绿洲低估感热通量, 高估潜热通量; 在戈壁高估感热通量, 低估潜热通量. M-SEBAL 模型充分考虑不同下垫面地表辐射温度与植被覆盖度之间的关系, 能很好地反映不同植被覆盖区域的湍流通量的异质性, 估算黑河中游戈壁、绿洲蒸散发的精度高于SEBAL模型.     

土体-大气相互作用下土质边坡稳定性研究

土体-大气相互作用是指在多种气象要素共同驱动下,地表浅层土体与大气之间进行物质交换与能量传递的复杂过程.受全球气候变化影响,近年来极端气候事件频发.土体的工程性质在日益严峻的气候环境下发生剧烈变化,产生了大量滑坡灾害,给岩土和地质工程领域带来许多新挑战.系统总结了降雨、气温、空气湿度、风以及太阳辐射5个主要气象要素影响边坡稳定性的机制,分析了土体龟裂、地表植被和土体-大气相互作用之间的关联效应.通过介绍各因素在改变边坡稳定性过程中发挥的作用,构建了一个包括气象要素、土体龟裂以及地表植被的土体-大气相互作用分析体系.该体系为今后土体-大气相互作用下土质边坡稳定性研究确定了关键研究问题,所揭示的作用机理可为今后同类研究提供参考.针对该课题的研究现状,笔者提出了今后的研究方向和重点,包括土体-植被-大气相互作用的理论模型、气候作用下冻土坡体失稳机理、极端气候工程地质作用的生态调控措施三个方面.      

大气环流模式中地面参数化的发展

用于气候模拟和天气预报的大气环流模式要用到地－气间的辐射,水汽和动量通量。这些通量为次网格模式,又被称为地面参数化。在过去２０年里,由于植物学,水文学,卫星遥感技术的不断发展和大量的外场观测试验,这些参数化方案由简单的,缺乏真实性的方案逐渐发展为逼真程度很高的全球土壤－植被－大气交换系统模拟方案。     

利用场地观测计算地表通量

高原地表的感热和潜热通量在亚洲季风系统中有很重要的作用。由于高原地域辽阔，且自然环境较严酷，不利于建立完善的地面观测系统。因此，卫星遥感观测就成为测算高原整体感热和潜热通量的有效工具。地面场地的观测结果作为地表通量的真实值，对于卫星遥感测算是非常重要的。它也为构建陆面—大气模型提供了科学依据，是卫星资料的资料同化系统中的重要组成部分。 计算场地热量通量有几种不同的处理方法。最简单的方法利用有效的观测和试验的参数，可以给出稳定连续的估计。愈精确的Bowen比或者廓线的观测能给出愈精确的信息。综合了湍流测量及辐射测量、土壤热通量的观测结果的估计对陆面—大气相互作用进行了详细的描述，以适应模式的发展。从1998年开始，这些方法联合应用到青藏高原；场地通量观测方面的成果以及目前对其理解将在本文中做一概述。     

冰川/积雪-大气相互作用研究进展

冰川和积雪是冰冻圈的重要组成部分,在全球或区域气候系统中起着极其重要的作用.开展冰川/积雪-大气相互作用研究,是研究冰冻圈物理过程及其对气候系统反馈作用的必然需求,也是研究冰川/积雪对气候变化响应的有效手段,同时还可为全球(区域)气候和水文模式提供冰川/积雪面的地表特征参数.近一个世纪以来,在冰川/积雪面辐射特征、能量通量计算方法和平衡特征等方面开展了许多观测试验和理论研究,并取得了卓有成效的研究结果.但是在准确获取辐射通量、研发普适性较强的反照率参数化方案、复杂地形条件下能量通量的计算,以及发展分布式能量平衡模式等方面尚存在许多不确定性,仍面临许多技术难点,也是未来的研究重点.     

青藏高原地表能量通量的估计

利用1981—2000年逐日气候、植被和土壤基础资料作为输入，以大气—植被相互作用模式（AVIM2）计算了青藏高原0.1°分辨率的年平均地表能量通量的空间分布和季节变化特征。结果显示，年平均地表净辐射通量由高原西南部的100 W/m2减少到东部的70 W/m2左右。高原东南部的林区潜热通量强而感热通量弱，从高原东南向西、向北潜热通量逐渐减少，而感热通量逐渐增大。夏季这种趋势更加显著。冬季除东南部外，高原上广大地区地表能量通量都较低。     

青藏高原复杂地表能量通量研究

“全球能量水循环之亚洲季风青藏高原试验研究”（GAME/Tibet）和“全球协调加强观测计划（CEOP）亚澳季风之青藏高原试验研究”（CAMP/Tibet）的加强期观测和长期观测已经进行了9年多,并且已取得了大量的珍贵资料。首先介绍了GAME/Tibet 和CAMP/Tibet 试验的情况,并利用观测资料给出了局地能量分布（日变化和月际变化）特征。复杂地表区域能量通量研究是青藏高原地气相互作用研究中的重中之重。卫星遥感的应用成为解决这一问题，即实现GAME/Tibet和CAMP/Tibet试验主要初衷的必不可少的手段。利用卫星遥感观测（Landsat 7 ETM）资料结合地面观测的方法,计算得到了相关地区非均匀地表区域上的地表温度、地表反射率、标准化差值植被指数(NDVI)、校准的调整土壤植被指数（MSAVI）、植被覆盖度和叶面指数(LAI)及能量平衡各分量（净辐射通量、土壤热通量、感热和潜热通量）的分布图像，所得结果基本可信。为了得到整个青藏高原复杂地表的热通量分布，中国科学院青藏高原研究所正在与其他研究单位一起建立青藏高原地表和大气过程监测系统（MORP）。最后介绍了该监测计划和已建立的3个综合观测研究站及如何利用建立的台站把站点观测的热通量推广到整个青藏高原的途径。     

夏季草原与戈壁地表能量分析

利用野外试验资料，比较分析了夏季祁连山区草原和河西走廊张掖戈壁地表能量特征，并探讨了环境因素与地表能量特征的关系。结果表明，在夏季典型晴天，山区草原的净辐射、潜热通量大于戈壁，而感热、土壤热通量小于戈壁；山区草原净辐射、潜热通量的日变化大于戈壁；而感热、土壤热通量的日变化小于戈壁。在山区草原，晴天潜热通量是土壤热通量的三倍多，感热通量与土壤热通量差异很小，净辐射主要用于蒸发、蒸腾；在戈壁，晴天土壤热通量和感热通量是潜热通量的近两倍，净辐射主要用于加热地表，并通过地表加热下层土壤和地面大气。两地均存在能量不平衡现象，草原感热、潜热、土壤热通量之和小于净辐射，戈壁感热、潜热、土壤热通量之和大于净辐射，戈壁能量不平衡大于草原。导致山区草原和戈壁地表净辐射特征差异的主要因素是太阳辐射，导致山区草原和戈壁地表能量分量特征差异的主要因素是陆面植被和水分，根本因素是陆面水分。      

草原生长期地表辐射和能量通量月平均日变化特征

利用2008年5—9月锡林浩特国家气候观象台辐射和通量观测资料,分析了锡林浩特典型草原生长期各辐射分能量和同期能量通量的月平均日变化以及地表能量闭合度.结果表明:草原生长期总辐射月平均日最大值出现在7月,平均日最大辐射强度达到753.14W·m-2,最小值出现在5月,为697.27W·m-2.受地表反照率和太阳总辐射的影响,生长期反射辐射最大值出现在5月份,平均日积分值为4.92MJ·m-2;9月份最小,平均日积分值为3.76MJ·m-2.生长期获得的辐射能量为1385.67MJ·m-2,平均净辐射(Rn)强度为104.52W·m-2;感热通量(H)共支出640.39MJ·m-2,日平均强度为53.40W·m-2;潜热通量(LH)共支出772.96M·m-2,日平均强度为55.10W·m-2.Rn和H+HL+G线性回归的结果显示,草原生长期日平均能量闭合率为90%,能量不闭合程度为10%.     

Aeolian processes and landscape change under human disturbances on the Sonid grassland of inner Mongolian Plateau,northern China

Based on remote sensing monitoring, observations and experiments in wind tunnel and field, aeolian processes and landscape change of the Sonid grassland of Inner Mongolia Plateau in northern China were explored in this paper. Aeolian process was very strong and seriously affected by human disturbances on the Sonid grassland of Inner Mongolia Plateau. Sand transport rate of grassland increased quickly with the increase of desertification severities, especially at the very severe desertification stage of sand sheet emergence. Human disturbances can seriously destroy balanced-state soil surface to induce new soil wind erosion over and over again, in particular at the higher wind speeds. Spatial variation of wind erosion was strongly related to land use/cover change, and finally led to landscape change, while emergence of erosional bare patches might be the key link, especially around herdsmen’s settlements and along roads or fences. Avoiding grazing before windy season is very important for decreasing soil wind erosion, not only to protect vegetation cover, but also to reduce trampling-inducing destruction of the soil surface structure. Prohibition of overgrazing must be strictly obeyed under any possible climate conditions, and reclamation should be more careful. Reducing human disturbances by selective emigration and eco-compensation mechanism would be considered as a priority for reducing local wind erosion.     

黑河流域陆地—大气相互作用研究的几点思考

陆地和大气之间是相互作用、相互影响的,不仅陆面分布与地表过程对大气变化有着响应过程,而且陆面物理过程、地表特征分布对大气过程也有着重要影响。我国西北地区地形分布极不均匀,是水资源变化和气候变化的敏感区与脆弱地区。这里,由于海拔高度起伏造就了以水为主线的上游山区冰雪、冻土—中游森林、绿洲—下游戈壁荒漠的多个自然景观带共存的内陆河流域,是开展陆—气相互作用研究的理想场所。文章集中黑河流域水循环过程、冰雪/冻土与大气相互作用、降水异质性、人类活动影响以及尺度等问题,阐述了流域研究现状以及研究热点,指出发挥各学科优势,将大尺度的大气过程与中间尺度和小尺度的陆面水文/生态过程结合,建立流域尺度大气—水文—生态过程真正的双向耦合模式,不仅研究气候变化对陆面水文、生态的影响,同时探讨陆面小尺度过程对大气的反馈机理,探索流域尺度的水循环过程和驱动机理,为水资源合理利用提供理论基础。     

Summary and Prospects of Numerical Simulation Research of the Atmospheric Boundary Layer

As an important bridge between the underlying surface and the free atmosphere, the atmospheric boundary layer is not only closely related to the development of various weather processes, but also plays a key role in local and regional weather and climate changes. In view of the complexity of the atmospheric boundary layer, the numerical simulation of the atmospheric boundary layer has always been a hotspot and difficulty in the numerical simulation research of the atmosphere. In this paper, the three numerical model development stages of the atmospheric boundary layer in recent decades were summarized and the important advances in arid and semi-arid areas, Tibet Plateau, urban complex underlying surface, and special typhoon boundary layer were reviewed. At present, there are still five scientific problems to be solved urgently, including cloud and boundary layer interaction, boundary layer parameterization, model resolution, boundary layer data assimilation and boundary layer development mechanism. Moreover, it was pointed out that in this field we need to strengthen the understanding of different types of atmospheric boundary layer processes, boundary layer bottom and top interface exchange, boundary layer development mechanism in special regions, improve boundary layer parameterization scheme and give full play to the advantages of LES in boundary layer simulation.     

生态-地质作用模式: 诠释表生地质过程与生态特征的耦合

生态-地质作用关系模式诠释的重要内容之一是将基岩风化成土过程及对生态特征的影响进行形象化表达,包括基岩类型、风化过程中成土元素特征和迁移规律、土壤结构,以及与之相对应的生态特征等,重点突出基岩风化成土过程等表生地质过程对生态特征的影响作用。选择内蒙古阴山北麓、张北坝上、西南典型岩溶区等地区,分别研究、分析了不同表生地质条件下土壤垂向结构特征与物质组成、成壤过程中元素迁移特征、生态支撑层的元素富集与亏损等基岩风化成土过程与特征及其对生态分布特征的影响作用,建立了植被分布与风蚀作用基岩风化成土模式、凹陷盆地人工林退化与风化冲洪积土壤栗钙化模式、成土母岩对石漠化发育程度的影响模式等3种生态-地质作用模式,揭示了成土过程对植被分布特征与不同类型生态问题的影响,以期为国土空间生态保护修复提供科学依据。     

水—岩反应与稀土元素行为

大量研究表明，水－岩反应过程中REE表现为不同程度的活动性。富含各种络合剂的流体与岩石反应时可活化REE；水－岩反应过程中既可出身HREE优先活化，亦可出现LREE优先活化，这取决于流体的化学成分、Eh、pH以及REE的寄主相及其赋存状态；水－岩反应过程中的可出现Eu的正异常、负异常和无异常。其主要影响因素是流体的氧化－还原状态；单矿物组合的REE行为受制于矿物的晶体化学性质，而多矿物组合则取决于体系的Eh、pH、水／岩值和络合剂浓度等，目前亟待开发实验工作有：①流体的化学组成及其性质，尤其是各种络合剂的活度及其对REE的活性的影响；②REE在热液矿物与流体相之间的分异机制及控制因素；③T、P、pH、Eh和水／岩比如何影响REE的活动性和分异行为。     

Effect of Soil Moisture-Energy Distribution and Melting-Freezing Processes on Seasonal Shift in Tibetan Plateau

EFFECT OF SOIL MOISTURE-ENERGY DISTRIBUTION AND MELTING-FREEZING PROCESSES ON SEASONAL SHIFT IN TIBETAN PLATEAUtheNational(G19980 4 0 80 0 )andCAS’sKeyProjectforBasicResearchonTibetanPlateau (KZ951 A1 2 0 4 ;;KZ951 A1 4 0 2 ;;KZ951 B1 2     

下边界条件对多年冻土温度场变化数值模拟的影响

在气候变暖背景下,北半球多年冻土呈现不同程度的退化趋势,冻土升温、活动层增厚、地下冰消融改变了区域工程地质条件、地形地貌,不仅对寒区环境和工程稳定性造成潜在的威胁,还影响着这些地区的气候、水文和生态过程。因此,准确评估和预估多年冻土热状况的变化具有重要科学和实践意义。现有用于模拟多年冻土热状况的各类模式重点考虑了近地表温度场变化对多年冻土的影响,主要集中于对气温和浅表层物理过程和参数化方案等改进和优化,而对于下边界条件设置对多年冻土热状况模拟的影响少有讨论。基于一维热传导冻土模型,以五道梁地区的多年冻土为研究对象,通过设置不同的下边界方案进行模拟实验,定量评估百年尺度气候变化下不同下边界条件对多年冻土温度场变化数值模拟的影响。结果表明：近地表层（<3 m）的温度场完全由年际气候变化决定,浅层（3~15 m）及中层（15~30 m）的多年冻土温度场受下边界条件的影响逐渐显著,深层（>30 m）的地温对百年尺度气候变化的响应不仅与气候变化的幅度有关,还与多年冻土相变热的多少有直接的关系。下边界条件不恰当的设置方式会对大尺度的气候变化下多年冻土消融程度的计算造成较大的影响,进而可能对深层地温乃至多年冻土区面积变化造成严重的误判。因此,开展百年尺度多年冻土温度场变化模拟时,应采用深层或多年冻土底板以下融土层的稳定地热流作为下边界条件。     

陆面过程与天气研究

陆面作为大气运动的下边界,通过动量、热量及物质交换与大气发生复杂的相互作用。陆面过程被认为是影响天气气候的关键过程之一。关于陆面过程对气候的影响已经开展了大量较为深入的研究,相比之下,针对陆面过程对天气的影响研究并没有受到足够的重视。近年来,陆面过程与天气研究也开始受到了越来越多的关注。本文从陆面基本要素、下垫面构成、陆面诱发的局地环流3个方面,回顾了土壤湿度、地形、土地利用、山谷-平原环流等要素和过程对强对流、暴雨、台风、高温热浪等天气事件影响研究的相关进展,以期为今后的研究提供参考。需要指出,尽管此方面的研究已取得了一定进展,但关于陆面过程对天气,尤其是极端(高影响)天气的影响及机制还有待深入研究,进而从陆面过程的角度来理解重要天气形成、发生和发展的机理,从而为数值模式发展和天气预报业务提供更有力的科学支撑。