多年冻土区土壤蒸散发对气候变化的敏感性分析

由于不同区域蒸散发对气候变化的敏感性各不相同,为摸清多年冻土活动层陆面过程中冻土-气候变化-水文循环之间的相互关系,选择青藏高原风火山区域的典型多年冻土区,依据气象站观测资料,应用Penman-Monteith公式计算了典型多年冻土区土壤蒸散发和蒸散发气候敏感系数,分析了多年冻土区土壤蒸散发对气候变化的敏感性。结果表明:多年冻土区土壤蒸散量对相对湿度的敏感性最高(-1. 291),其次为风速(0. 658),对空气温度的敏感性最低(0. 248);土壤完全融化的植被生长期,蒸散发对各气象因子的敏感性最高,土壤完全冻结的植被枯萎期,蒸散发对各气象因子的敏感性都最低;年内尺度,蒸散发对气温、相对湿度和风速的敏感性均在8月最高,在1月或12月最低;蒸散发对气温和相对湿度的敏感性变化与植物生长变化过程高度一致,而蒸散发对风速的敏感性则较为复杂,与土壤的冻融过程相关,分别在土壤逐渐融化的植物生长前期和土壤完全融化的植物生长期敏感性较高。     

近40年黄河源区气候要素分布特征及变化趋势分析

用Mann-Kendall统计检验方法对黄河源区13个气象站点1959—1997年日照、气温、降水、蒸发的分布特征和变化趋势进行了分析,结果表明:近40年黄河源区年平均日照时数表现为微弱的下降趋势,空间分布呈明显的从北部向南部减少的态势,变化趋势从中部向西部、东部、北部逐渐减少;年平均气温呈明显的上升趋势,空间分布规律从西向东、从南向北逐渐增加,变化趋势为中部、南部地区上升趋势最小,北部、东部、西部上升幅度较大;多年平均降水呈较弱的下降趋势,空间分布规律从东南向西北逐渐减少,变化趋势表现为大部分地区降水量呈下降趋势;年平均蒸发量的下降趋势幅度较大,空间分布规律从北部向南部逐渐减少,变化趋势表现为大部分地区呈减少趋势,以北部地区最为明显。另外,本文也应用线性倾向估计方法对黄河源区各气候要素进行了分析,这两种方法得到的结果基本一致。     

利用MERIS和AATSR资料估算黄土高原塬区蒸散发量研究

基于陆面能量平衡原理,通过对搭载在欧洲空间局环境卫星(Environmental Satellite,ENVI-SAT)上中分辨率影像光谱仪(Medium Resolution Imaging Spectrometer,MERIS)2005年6月7,11和27日的遥感观测资料进行大气纠正等预处理后,得到估算瞬时蒸散发量所需要的地表反照率和植被覆盖度等值,并利用分裂窗法和ENVISAT上搭载的先进的沿轨迹扫描辐射计(Advanced Along-TrackScanning Radiometer,AATSR)的观测资料进行了地表温度的反演,进一步估算出黄土高原塬区午间瞬时净辐射、感热通量和土壤热通量。结合与卫星遥感观测资料同期研究区域气象站的太阳辐射、气温、日照时数和风速等气象要素资料,充分考虑到植被冠层和陆地表面对蒸散发量的不同影响,发展了一个可以估算陆面潜热的简化模型,并将瞬时蒸散发量转化为日蒸散发量。对卫星遥感估算的潜热通量,利用黄土高原塬区陆面过程野外观测试验(Loess Plateau land surface process field Experiments,LOPEXs)的地面通量观测资料进行验证,结果表明:二者最大相对差异为10.9%,最小相对差异为4.8%,并对差异误差产生的原因进行了分析和探讨。     

珠江流域实际蒸散发的时空变化及影响要素分析

采用基于互补相关理论的平流-干旱模型,根据60个气象站1961—2010年气象资料,计算并分析了珠江流域实际蒸散发（ETa）的时空变化特征,通过对实际蒸散发的辐射能量项、空气动力学项与主要气象要素的相关分析,对珠江流域实际蒸散发的时空变化进行了归因研究。结果表明:（1） 珠江流域多年平均实际蒸散发量为665.6 mm/a。1961—2010年,珠江流域实际蒸散发量呈明显的下降趋势,下降幅度为-24.3 mm/(10 a)。夏秋季节实际蒸散发的下降对年际尺度实际蒸散发的下降具有明显的贡献。（2） 珠江流域东南沿海地区年实际蒸散发量较高（大于690 mm）,该区年实际蒸散发量呈现显著的下降趋势。流域中部有一条呈东北-西南走向的条带状实际蒸散发低值区,年均实际蒸散发量在630 mm以下,但该区域的时间变化趋势不明显。（3） 气温日较差和日照时数的下降以及大气压的增加使得辐射能量项的下降,是造成实际蒸散发下降的主要原因;平均气温、最高、最低气温的上升使空气动力学项呈现增加趋势,从而在一定程度上贡献于实际蒸散发的下降。春秋冬三季平均风速的下降引起空气动力学项的下降趋势或减缓其增加趋势,反过来在一定程度上减缓了实际蒸散发的下降趋势。      

黄河源区植被变化趋势及其对气候变化的响应过程研究

利用1982～2001年NOAA/AVHRR(美国大气海洋局卫星/甚高分辨率辐射计)NDVI(归一化植被指数)资料、2000～2008年EOS/MODIS(地球观测系统卫星/中等分辨率成像光谱仪)NDVI资料以及1982～2008年黄河源区的玛多、玛曲和兴海气象台站逐月气温和降水资料,分析了黄河源区玛多、玛曲和兴海地区...     

基于多种机器学习模型的西北地区蒸散发模拟与趋势分析

基于机器学习方法和多源数据构建高精度蒸散发（Evapotranspiration,ET）产品对研究气候变化背景下干旱、半干旱地区陆地水循环变化具有重要意义。本文利用西北地区12个草地通量站点与卫星遥感产品,基于随机森林、极端梯度提升、支持向量回归和人工神经网络4种机器学习方法构建ET估算模型,制作5 km分辨率ET产品,并分析ET的长期变化趋势。交叉验证结果表明,4种模型的均方根误差都低于0.57 mm·d^-1,R²高达0.73～0.88。SHAP （SHapley Additive exPlanation）可解释性分析表明,4种模型均将净辐射、植被和土壤湿度作为ET估算的重要因子,也能刻画出土壤偏干时土壤水分对ET的限制作用,有较好的物理解释性。多模型集合的ET结果相比单一机器学习模型以及现有遥感产品误差分别降低7％～20％和45％～70％。趋势分析结果显示,西北地区非裸地下垫面在2001—2018年间整体呈现ET增加趋势,平均速率为19 mm/（10 a）。在河套平原和内蒙古中部和东北部地区,ET的增长速率超过降水,这可能会进一步加剧这些地区的干旱化。     

1960-2013年中国地表潜在蒸散发时空变化及其对气象因子的敏感性

基于中国107个气象站点的常规观测资料,采用Penman-Monteith公式计算了1960-2013年的逐日潜在蒸散发（ET0）,分析了中国5大区域的ET0对最高温度、最低温度、2m风速、日照时长、平均气压、相对湿度和地表温度的敏感性及其分区特征。结果表明：（1）模拟的从1960-2013年平均ET0和与蒸发皿蒸散发量之间的比值为0.55,各逐站点的ET0与蒸发皿蒸散发的相关系数为0.84-0.98（剔除观测值为0的情况的样本）之间和0.42-0.81（未剔除观测值为0的情况的样本）。（2）本研究中模拟的ET0以6.75mm/10a的速度呈现出下降的趋势。敏感性分析表明,在1960-2013年间的全国范围内,最高气温和最低气温分别增加0.68℃和1.54℃,相应地导致ET0增加12.81mm和14.13mm;风速减少0.51m/s,日照时长减少0.61h,相对湿度减少2.84%,将分别导致蒸散量减少48.08mm,21.5mm,204.49mm,这能很好的解释“蒸发悖论”问题。（3）对中国不同地理分区的ET0,在东北区域、华北区域、和西北区域,蒸散量最敏感的气象因子是相对湿度,其次是风速;在西南区域和华中和华东区域,蒸散量最敏感的气象因子是相对湿度,其次是日照时长。     

大气保温效应对渠江流域蒸散发量的影响

从下垫面能量平衡及能量支出分配的规律性出发，研究了大气逆辐射增大1％、2％及5％以后，近地层气温及陆地实际蒸散发量的变化值。并指出大气保温效应增强对土壤含水量及径流量的影响。     

黄河源区地表水资源变化及其影响因子研究

利用1955～2005年黄河源区玛多气象站和黄河沿水文站气象、水文资料,分析了该区域地表水资源、气候及冻土演变规律,揭示了地表水资源变化的成因。研究表明:近51a黄河源流量丰枯转化频繁,但在总体上特别是进入20世纪90年代以来黄河源流量呈减少趋势,流量年内分配表现为单峰型;降水量对流量有着较为显著的影响,且具有一定的持续性;黄河源区气温的显著升高对于加大流域蒸发量导致流量补给的减少作用要大于其升高致使冰雪融水的补给作用,其中春季气温回升的这一效应更为显著;黄河源区冻土呈现出显著的退化趋势,冻土厚度与流量总体上呈显著的正相关关系,其不断减小削弱了自身天然隔水层的作用;黄河源区蒸发量呈现出显著的增大趋势,并导致流量的减少;气候变化导致流量的减少量占总减少量的70%,其余30%可能是由人类活动加剧造成的,气候及冻土因子对流量的作用大小依次为冻土、降水、蒸发和气温,显然多年冻土对于黄河源区地表水资源的形成和发育有着至关重要的作用。     

黄河流域蒸散发与气温和降水以及风速的相关性分析

黄河流经我国干旱半干旱地区,其流域蒸散发变化对当地的生态安全和经济发展尤其重要。本文利用欧洲中期天气预报中心第五代再分析产品（ERA5）定量分析了1979-2020年黄河流域蒸散发的时空变化特征,并结合气温、降水和风速数据,对黄河流域蒸散发与3种气候因子进行了相关性分析。结果表明：黄河流域蒸散发在1979-2020年呈波动下降趋势,空间分布差异明显,源区附近蒸散发上升,上游的干旱区附近蒸散发基本不变,而中游和下游地区主要呈现下降趋势。1979-2020年黄河流域气温持续上升,降水呈波动下降趋势,风速呈上升趋势。对黄河流域蒸散发与气候因子的相关性分析表明,蒸散发与气候因子的相关性空间差异较为明显,蒸散发与气温、风速呈负相关,与降水呈正相关的区域占流域的较大部分;而在复相关性方面,黄河流域大部分地区蒸散发与气候因子的相关性较强,其中以流域上游的干旱区附近复相关性最强。研究黄河流域不同地区蒸散发与气候因子的相关性可为黄河流域水资源的开发管理和区域气候调节提供科学参考。     

黄河源区域生态环境演变与对策建议

黄河源区是三江源自然保护区的重要组成部分,在全球气候变暖和日趋频繁的人类活动的共同影响下,黄河源区的生态结构受到严重干扰。通过对黄河源区域生态与自然环境演变特征研究进展的概括总结,从生态系统和物理环境2个方面归纳了黄河源区主要的生态环境问题：（1）植被、冻土和湿地生态系统不断退化;（2）气候暖干化、径流变化、土壤侵蚀、土壤沙漠化、土壤碳流失、鼠害和人为影响加剧。根据面临的生态环境问题提出了区域生态与自然环境保护的相应对策和建议：形成完善的生态补偿机制;加强生态环境保护立法;建立统一的监督管理机构;建立有效的执法队伍;划分功能区;发展生态旅游;强化全社会的环保意识。     

MODIS反照率产品在模拟黄河源区陆面过程和降水中的应用

地表反照率是陆面过程中一个重要的物理量, 其变化直接影响地表能量的收支状况, 进而可以影响气温和降水等其它气象要素。本文利用WRF (Weather Research and Forecasting) 模式, 通过两组数值模拟试验分别探讨了地表反照率改变在黄河源区不同下垫面情况下潜热、 感热的分配关系, 详细分析了地表反照率改变对降水变化的影响机制, 最后应用EOS/MODIS地表反照率产品替代原模式低时空分辨率的地表反照率。研究结果表明: (1)当地表反照率减少(增加)时, 模拟的区域平均地表温度、感热、潜热数值相应增大(减少)。当地表反照率减少0.1时, 地表温度上升约1.0 K, 感热和潜热量增量比约为3∶1。 (2) 地表反照率改变对降水量变化影响最大的区域是黄河源区下游的草场区域, 其次是黄河源头区域, 最小的是黄河源区北部的稀疏植被区域。地表反照率通过对大气动力、 热力以及水汽条件的影响, 使得降水发生的环境改变, 主要体现在: 当地表反照率减少时, 地表气压的减少使得大气低层的辐合气流增强, 有利于上升运动的发生; 2.0 m气温的升高增强了大气近地层的热力不稳定度; 2.0 m比湿的增加表明近地层空气水汽含量增加。 (3) 与实况对比分析发现, 使用卫星遥感产品后在月尺度上能够更准确地模拟降水量的变化过程。     

黄河源积雪期土壤温湿及冻融特征分析与模拟

利用2017~2018年黄河源地区野外观测站数据,对黄河源区两个积雪期内土壤温湿及冻融特征进行了分析,并与CLM4.5模式模拟的积雪期土壤温、湿度及辐射分量进行了对比,结果表明：CLM4.5能很好地模拟出整个积雪期土壤温度的变化趋势;对不同土壤层在不同冻结阶段土壤含水量的模拟有所差异：在完全冻结阶段,对5cm土壤层含水量模拟偏高,而80cm偏低,对10~40cm土壤层含水量的模拟偏差较小;由于降雪及土壤冻融过程主要发生在积雪期,积雪反照率使得净辐射模拟在降雪时段偏差较无降雪时段略大。     

Dataset of Comparative Observations for Land Surface Processes over the Semi-Arid Alpine Grassland against Alpine Lakes in the Source Region of the Yellow River

Thousands of lakes on the Tibetan Plateau(TP) play a critical role in the regional water cycle, weather, and climate. In recent years, the areas of TP lakes underwent drastic changes and have become a research hotspot. However, the characteristics of the lake-atmosphere interaction over the high-altitude lakes are still unclear, which inhibits model development and the accurate simulation of lake climate effects. The source region of the Yellow River(SRYR) has the largest outflow lake and freshw...     

黄河源区陆面蒸散量的时空分布特征研究

基于修正的Penman-Monteith（P-M）模型,利用1980~2020年黄河源区的气象台站观测数据和陆-气间水热交换观测试验数据,计算出该区域的陆面参考蒸散量,分析了黄河源区蒸散量的时空演变特征,探讨了影响黄河源区蒸散量变化的原因。结果表明：（1）修正的P-M模型能较准确地估算黄河源区的参考蒸散量,与实际观测的相关系数在0.85以上。（2）黄河源区的蒸散量总体呈上升趋势,但在20世纪80年代中期和90年代中期均呈显著减少趋势;近年来,中部和西部地区的蒸散量呈减少趋势,而东部地区的蒸散量呈增加趋势。（3）黄河源区年蒸散量呈自东向西减小的分布特征,东、中、西部地区分别为473.5~516.0mm、437.6~473.5mm和386.3~437.6mm;四季蒸散量差异明显,夏季最大,春季和秋季次之,冬季最小。（4）黄河源区蒸散量随温度、风速和日照时数的增加而增大,随相对湿度和降水量的增大而减小。     

长江源区近44年气候变化的若干统计分析

利用长江源区5个气象站44年的气温、降水量资料以及其中2个探空站500hPa露点资料,分析了该地区气候变化趋势、突变等情况。结果表明：近44年来长江源区气温普遍升高,冬季升温幅度较大,夏季增温趋势明显,进入21世纪后,长江源区春季平均气温在降低,夏、秋季平均气温增高较趋缓,而冬季增温加剧的趋势十分明显;年、夏季降水量变化呈微弱减少趋势,而冬、春和秋季降水量呈现出增加趋势,其中春季增幅较大,冬季增湿趋势明显;长江源区年平均气温在20世纪60年代末70年代初就显现出波动回升的趋势,在1986年前后发生了由冷到暖的突变,冬、春季降水量均在20世纪70年代和80年代出现了由少向多的突变。长江源区气候在波动性变暖变干过程中,自1986年起出现了气候转向暖湿的信号,其主要原因在于全球变暖并由此引起的海洋蒸发和陆地蒸散加强,地气水分循环加快,空中水汽输送加强。     

黄河源区植被覆盖度对区域气候影响的数值模拟

利用1997-2006年8km空间分辨率的AVHRR/NDVI,得到了与区域气候模式RegCM3具有相同分辨率的植被覆盖度时间序列,并用其替代RegCM3模式中默认的植被覆盖度,对黄河源区主要气候要素进行了数值模拟。结果表明,使用卫星遥感估算的植被覆盖度,模拟的黄河源区气象台站月平均气温更接近实测值,局地降水量也有一定...     

基于FLEXPART模式对黄河源区盛夏降水异常的水汽源地及输送特征研究

依据近10年黄河源区流域气象台站的降水观测资料,提取夏季降水最强月对应的异常特征,利用拉格朗日粒子扩散模式(Flexible Particle Dispersion Model,FLEXPART),针对目标时段开展大气粒子群(气块)的后向模拟,着重分析了流域内降水正负异常状态下的水汽输送特征及其差异,并评估各水汽源地对流域内三类降水的贡献。结果表明,以“S”型跨赤道输送(“由阿拉伯海至孟加拉湾和印度半岛再由青藏高原西南侧进入黄河源区”)和“几”型输送(“由南中国海经长江中下游平原后途径四川盆地再进入黄河源区”)为代表的南支路径是2012年7月黄河源区对应的主要水汽输送路径;而以东、西风急流作用下的两条远距离输送(“由南中国海至孟加拉湾和印度半岛东北部附近后再经由青藏高原西侧或北侧进入黄河源区”以及“由欧洲平原东部和中亚地区进入青藏高原西侧或北侧后到达黄河源区”)为代表的北支路径是2015年7月黄河源区对应的主要水汽输送路径。在对气块后向模拟追踪的同时,对其运动过程中的比湿变化进行了对应经纬度网格的空间平均,变化特征显示出喜马拉雅山南麓、四川盆地周边、孟加拉湾和青藏高原北侧是黄河源区流域降水对应的潜在水汽源地。由定量评估贡献率的结果可知:青藏高原北侧的广大干旱及半干旱草原地区是2015年7月黄河源区降水的最主要水汽来源,其贡献率高达52.9%;而在2012年,三个主要源地的贡献率差异远不及2015年显著;无论对应何种类型的降水,青藏高原西南部和北侧提供了黄河源区主要可供降水的外来水汽。     

气候变化对长江黄河源区生态系统的影响及其水文效应

利用1967年航片数据、1986和2000年两期遥感TM数据,对长江黄河源区高寒生态系统分布格局变化进行了分析,并结合源区气候变化观测数据,分析了源区高寒生态系统变化与气候的关系和陆面生态系统变化对源区水文过程的影响。结果表明：过去40 a来,长江源区高覆盖草甸、高覆盖草原和湿地面积分别减少了13.5%、3.6%和28.9%,黄河源区高覆盖草甸、高覆盖草原和湿地面积分别减少了23.2%、7.0%和13.6%,江河源区低覆盖草甸、草原和沙漠草地面积均不同程度地增加;长江、黄河源区气温变化率分别为0.27和0.31℃/10a,降水的变化趋势在长江、黄河源区分别以0.36和0.07 mm/a的速率递增,气温持续升高和由此引起的冻土退化是导致高寒生态系统退化的主要因素之一;陆面生态系统退化对源区水文过程影响显著,在降水没有明显变化的情况下,长江、黄河源区径流系数分别由1960年代的0.16和0.28下降到21世纪的0.12和0.21,且降水－径流关系减弱,出源径流趋于减少,洪水发生频率显著增加,水源涵养指数持续减小。如何应对气候变化,维护源区高寒生态系统功能,已成为迫切需要关注和解决的关键问题。