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2015年科研进展

时间:  2015-12-18 11:30  点击:  
    1、中国西部冰川近期变化及其模拟研究
    过去 5 年实验室通过遥感等新技术,完成了中国冰川的第二次编目;通过参照冰川网络的系统监测、大规模野外考察,以及 3S-GPR (探地雷达)和两次冰川编目资料对比等手段,揭示出我国近 50 年来冰川变化的空间特征、变化过程和主要控制机理;发展了以能量平衡和动力学原理为基础的冰川物质平衡模型和冰川动力学模型,揭示了冰川变化机理,模拟预测了未来冰川变化。研究以大量野外监测数据为基础,形成了野外观测- 机理分析 - 模拟预测完整体系,提高了我国在这一领域的研究水平,产生了重要的国际影响。具体表现在:
    (1)采用多技术集成方法,完成第二次中国冰川编目,查清了当今冰川资源家底,厘清了气候变化对冰川资源的影响程度,在宏观尺度上提升了对冰川变化的整体认知水平,产生了重要国际影响,为政府决策提供了基础性数据
    以 2007-2011 年 Landsat TM/ETM+ 影像为主要数据源,依照国际通用的冰川编目方法,使用各种高新技术手段,完成了覆盖 86%冰川面积的中国第二次冰川编目,建立了系统的冰川编目数据集。以修订的第一次冰川编目数据替代主要为念青唐古拉山山脉东段的编目数据,得到中国现有冰川 48571 条,总面积约 5.18×104km2。面积小于 0.5 km2 的冰川数量最多,占冰川总条数的 68%,但面积不足总面积的 10%;面积介于 1.0-50.0 km2 的冰川总面积占总面积的 66%。这些冰川集中分布于昆仑山、天山、念青唐古拉山、喜马拉雅山和喀喇昆仑山,这 5 座山系冰川数量占全国冰川总条数的 72.3%和总面积的 79%。从水系看,西北内陆干旱区的冰川面积占全国冰川总面积的 2/3。其中约 65%面积的冰川分布于恒河流域和塔里木盆地,约 14% 面积的冰川分布于青藏高原内陆流域,其它流域和地区的冰川面积合计只占 20%左右。
以第二次冰川编目为基础,综合各种调查结果发现,近 50 年来中国西部冰川面积缩小了 18%左右,年均面积缩小 243.7 km2/年。其中阿尔泰山和冈底斯山的冰川退缩最显著,冰川面积分别缩小了 37.2%和 32.7%;唐古拉山、天山、帕米尔高原、念青唐古拉山和祁连山的冰川变化幅度居中,冰川面积变化率为 -21%到 -27.2%;喀喇昆仑山、阿尔金山、羌塘高原和昆仑山则介于 -11.3% —8.4%,属冰川变化幅度最小的区域。

    (2)基于点 - 线 - 面观测研究,揭示出冰川时空变化规律、过程和主要控制机理,以及大气环流、气候条件与冰川变化之间的关系;阐述了不同规模冰川、大陆型和海洋型冰川响应气候变化的过程和异同
    观测研究表明:1)近期冰川变化的地带性特征与大气环流变化存在密切关系。过去 50 年来,喜马拉雅山(除喀喇昆仑山外)和阿尔泰山冰川退缩幅度为全国之最,除了由于气温升高的因素之外,分别与印度洋季风减弱,固态降水量减少和北极地区暖流增强有关;而帕米尔东部地区冰川退缩相对缓慢,可能与西风环流加强导致的高海拔降水量增加有关。2)冰川物质平衡即时、敏感地反映了气候变化。无论冰川规模大小,近年来均以负物质平衡为主,冰川物质持续亏损,且有加剧趋势。以新疆天山乌鲁木齐河源 1 号冰川为例,该冰川自 1960 年以来,历经 1985 年和 1997 年前后的两次加速消融之后,于 2010 年物质平衡跌至有观测资料以来的最低值 -1.3 m,之后的 4 年,物质平衡出现回升趋势。研究表明,此前的加速消融是由冰、气温度上升和冰面反照率降低(三大机理)共同造成的,而近年来的减缓可能与气候增幅减缓有关。物质亏损造成冰川平衡线高度升高,例如,祁连山七一冰川平衡线高度(ELA)在过去 50 年上升了约 230m,即便气候维持不变,还将继续退缩约 2 km 以上才能达到稳定状态。3)冰川面积和长度对气候变化的响应因冰川规模而不同。规模小的冰川,其面积和长度较之规模大的冰川对气候变化的响应更为敏感迅速。过去 50 年来,小冰川变化的相对量值大,绝对量值小,对水文、水资源的贡献相对较小,大冰川则相反。例如,以小冰川居多的祁连山,冰川总面积减少近 30%,平均每条冰川的减小量在 0.2 km2以内;冰川规模巨大的天山托木尔峰地区,冰川总面积缩小仅 8.8%,而平均每条冰川面积的减小量达 0.42 km2,为全国之最。规模较大的祁连山老虎沟 12 号冰川(21 km2)尽管相对变化量小,但绝对变化量大,对该区水文、水资源的贡献和影响显著。4)海洋型冰川的变化较之大陆型冰川更为剧烈。以位于季风气候条件下的云南玉龙雪山白水 1 号冰川为例,该冰川在过去 50 年间面积减少了 30%,自 2010 年以来,冰川积累区消失,整个冰川处于冬季弱积累和夏季强消融状态。造成冰川加速消融退缩的原因除了正积温升高,冰川反照率降低等基本因素外,冰川破碎和崩塌加剧,降雨量增加、降雪量减少也起到了重要作用。
    (3)瞄准冰川变化模拟国际前沿,在“能量 - 冰川物质平衡模型”和“修正的度日模型”研发方面取得突破;在冰川动力学模型,尤其是冰川厚度(体积)模拟这一国际热点研究领域取得创新进展
    在物质平衡模拟研究方面,以国际合作为契机,一方面发展了基于能量平衡原理的物理模型(能量 - 物质平衡模型),另一方面对度日因子模型进行了改良修正,引入了修正参量(如辐射参量、辐射 - 水汽压参量等),开发出“修正的度日模型”。这些模型被成功地运用于青藏高原腹地的扎当冰川和冬克玛底冰川、祁连山七一冰川和老虎沟 12 号冰川、天山乌鲁木齐河源 1 号冰川和科其喀尔冰川等参照冰川。一是提高了模拟研究水平,高精度地模拟计算出不同时空尺度的物质平衡量值,量化了对物质平衡贡献的各个能量分量,揭示了物质平衡变化机理和主控因素。二是获得了能量平衡的新认识,即净短波辐射是冰川表面最主要的能量来源,占能量收入的 80%以上,其次为感热,占收入的 15-20%;净长波辐射和降水带来的热量很小,基本可以忽略;吸收的热量主要通过融化和蒸发 /升华方式消耗,分别占能量支出的 75-90%和 25-10%;冰川接收的辐射能量取决于冰川表面动态变化的反照率,参数化方案至关重要,而其过程涉及雪冰化学和生物过程,十分复杂,需要进行进一步加强研究。三是明确了各种模型的特点和适用性。能量 - 物质平衡模型的物理意义明晰,模拟能力强大,尤其在日尺度上有绝对优势;统计物质平衡模型在特定的地理条件和气候条件下表现出不佳,对于一些极端值的模拟能力欠缺,但是具有输入变量少,易于推广的优点。
    在冰川动力学研究方面:1)建立了基于流体动力学与理想塑性体理论的冰川厚度分布模型。该模型将冰川坡度、宽度、冰的屈服应力与冰川厚度相联系,模型中输入参数均可通过遥感影像解译获得,使得针对区域众多冰川的厚度及冰储量计算成为可能。在具备厚度实测数据的 7 条冰川上的验证结果表明,该模型能够很好地重现冰川厚度,平均误差均在 10 m 以内,远好于其它同类模型,尤其适用于我国广泛分布的山谷型冰川。2)通过耦合冰川动力学模型与冰川物质平衡模型,实现了对天山乌鲁木齐河源 1 号冰川未来变化的模拟预测,并结合模型的敏感性实验分析,首次得到天山地区小于 2 km2 冰川可能在未来数十年到上百年时间尺度消融殆尽的结论。3)首次通过二维冰流热 - 动力学模型,模拟了珠穆朗玛峰东绒布冰川表面流速和温度场,并通过了野外观测验证。此外,针对青藏高原、祁连山、天山、阿尔泰山等地区的 10 余条,参照冰川的动力学网络观测已颇具规模,取得显著研究进展。
 

    2、  青藏高原多年冻土变化及碳的源汇效应
    过去 5 年实验室对青藏高原的多年冻土及这一区域的植被和土壤开展了大面积调查,获取了 600 余个植被样方和 300 余个土壤剖面物理参数、理化特征等分析资料;并在高原大片连续多年冻土区构建了完善的监测网络,开展了多年冻土变化和活动层水热过程的长期监测;在祁连山、青藏公路沿线、黄河源多年冻土区等多年冻土区构建了土壤有机碳循环及温室气体排放监测系统,获得了较为连续的监测数据;同时在实验室测定了土壤中酶、微生物组成,开展了有机碳矿化过程模拟试验,围绕青藏高原有机碳的分布、特征和储量、积累和分解过程、碳的源汇效应等展开了系统研究,取得的成果如下:
    (1)查明青藏高原多年冻土分布面积为 1.04×106km2,地下冰储量约为 9.53×103km3,完成了植被、土壤图的编制,估算多年冻土区的有机碳、氮的储量分别介于 22.4~28.3 Pg 和 2.0~2.4 Pg 之间,为准确评估青藏高原在全球气候系统中的作用奠定了基础
    首次完成了多年冻土调查和监测方法的编制,在青藏高原开展了多年冻土分布边界、活动层厚度、土壤、植被、气候、地质地貌和多年冻土温度等方面的综合调查,取得了大量多年冻土与周边环境相关的数据,从宏观角度摸清了青藏高原多年冻土分布的整体状况。结果表明,青藏高原多年冻土面积约为 1.04×106km2,多年冻土中地下冰总储量约为 9.53×103km3;在分析不同土壤和植被条件下有机碳氮空间分布特征的基础上,估算出整个高原多年冻土区地表下 2m 深的土壤有机碳储量在 22.4~28.3 Pg 之间,氮储量在 2.0~2.4 Pg 之间。
    对不同植被下的不同深度土壤样品中的轻组有机碳和重组有机碳、活性有机碳、水溶性有机碳、微生物碳、以及纤维素和木质素、土壤微生物和土壤酶的活性等进行了分析测试和研究。土壤有机碳的组成与活动层水热过程有着密不可分的关系,土壤水分含量较高时,活动层厚度较小,植被条件较好,土壤更长时间处于厌氧还原条件。土壤中微生物种类和丰度与活动层厚度、pH 值和植被类型有较好的相关性。其中土壤水分含量较高的高寒沼泽草甸和高寒草甸区,微生物丰度较高。土壤样品的培养试验结果显示,通过 300 天的培养,土壤中 1/6 左右有机碳被分解,分解过程中温室气体的释放速率较为稳定,这说明青藏高原多年冻土区土壤有机碳具有较大的分解潜力和温室气体释放潜力。
    (2)基于目前全球最完善的多年冻土区域监测网络———青藏高原多年冻土监测网络,定量评估了青藏高原多年冻土 30 年来变化状态;揭示了冻融过程中活动层内部的水、热和碳的动态变化过程,改进了陆面过程模式在青藏高原多年冻土区的模拟水平
    以青藏公路沿线的监测站点为基础,在高原西部西昆仑和阿里高原,中部可可西里地区,北部阿尔金山区和祁连山区、东部阿尼玛卿山区等地区新建了由近 100 个多年冻土温度监测钻孔组成的监测网络,分别在青海省卓乃湖和热水煤矿、新疆阿雅克库里湖和甜水海、西藏两道河和改则等 4500m 以上的多年冻土区新建综合观测场 6 个,与青藏公路沿线原有的 3 个综合观测场(唐古拉、五道梁和西大滩),形成对整个高原多年冻土区气象、辐射、陆面能水交换通量以及多年冻土的综合监测系统,为高原综合研究、模拟奠定了数据基础。
    基于青藏高原多年冻土长期观测结果分析发现,青藏高原多年冻土顶板温度(TTOP)自上世纪末以来呈现显著的升温趋势,升温速率在 0.02 ℃/yr 到 0.19 ℃/yr 之间,主要受冻土温度的影响。1980 至 2010 年间,青藏公路沿线天然地表下活动层厚度增厚速度约为 1.33 cm/yr,多年冻土上限处地温平均增温幅度为 0.031 ℃/yr。此外,天山地区乌鲁木齐河源和马衔山地区活动层厚度和多年冻土温度都有显著的上升。马衔山地区多年冻土升温速率小于青藏高原地区高温多年冻土的平均升温速率,这可能是由于马衔山岛状多年冻土区厚层有机质层和丰富地下冰的保护作用所致。
    从多年冻土学最本质的理论基础,即土壤热物理学入手,提出了将冻土学领域经典的斯蒂芬方程(Stefan’ s Equation)运用到非均质土壤冻结融化过程的新算法(Xie-Gough Algorithm),突破了斯蒂芬方程自提出百余年仅仅可被用来模拟均质土壤冻融过程的限制。系统研究了冻融过程中地表反照率、热力学参数、粗糙度、波文比等的变化规律。在此基础上,对 CoLM、Noah 和 COUPMODEL 等几个应用较为广泛的陆面过程模型进行了改进,调整了模式中的冻融过程参数化方案,扩展了模拟深度和模型的下边界条件,较好地模拟了青藏高原多年冻土的分布和温度特征。结果表明:活动层在融化过程中消耗于水分相变热约占吸收总热量的 40%;而冻结过程的相变热约占活动层放出热量 60%;气温和降水对多年冻土的发育发挥着等效作用,随着气温升高或者降水量的降低,地表温度、活动层底部附近和多年冻土年变化深度附近的地温均明显升高。伴随着多年冻土的退化,通过土壤热通量而形成的多年冻土对大气能量的调节作用将减弱,而高原冬季地面感热增大面积减小会导致高原的热力强迫作用改变,可能引起东亚夏季风和高原夏季风的减弱。
    (3)在深化认识高原多年冻土生态过程的基础上,开发了冻土生态模式,预估了未来 100 年气候变暖情景下高寒草地生态系统碳源汇效应
    监测结果显示,疏勒河上游多年冻土区高寒草甸土壤 CO2 年排放总量为 1429.88 g/m2;2009-2011 年,生态系统表现为弱的碳汇,CO2 净吸收量为 160.00 g/m2。而青藏高原唐古拉多年冻土区高寒草甸生态系统 CO2通量除 7 月和 8 月表现出吸收特征外,其余各月均表现为排放特征,表现为较弱的碳源。同时,在春季融化过程期和秋季冻结过程期表现出明显的 CO2 排放高峰期,且在秋季冻结过程期,发生 3 次日冻融循环后的土壤 CO2日均排放速率(122.33 mg/m2·h)是日冻融发生前(60.73 mg/m2·h)的 2 倍,表明土壤冻融过程对土壤 CO2 排放具有重要影响。实验室培养法对青藏高原多年冻土区沼泽草甸 0~100 cm 土壤的 CH4 产生和氧化速率分析发现,CH4产生速率主要受温度影响,与温度之间呈现显著指数关系。
    通过对流域尺度植被盖度的监测和研究,建立了地面植被盖度与卫星 NDVI 的关系,反演了青藏高原东北缘祁连山疏勒河源区和大通河流域不同多年冻土区高寒草地植被。在较干旱的疏勒河源区植被盖度在极稳定多年冻土区为最小,逐渐增加,到过渡型多年冻土区达最大,后逐渐减小;而在较为湿润的大通河流域,植被盖度同样在极稳定多年冻土区最小,但逐渐增加,在季节冻土区最大。
    在以上研究的基础上,构建了不同阶段土壤呼吸模型,利用改进了的地表温度算法的陆地生态系统模式模拟了多年冻土区高寒草地碳库对气候变化的响应。在 1980 以来的 30 年内,高寒草地生长有总体变好的趋势;而在升温 1℃的情况下 100 年内植被和土壤碳库分别减少 11 和 506 gC/m2·yr;同等条件下阿拉斯加育空流域北方森林植被和土壤碳库分别增加 135 和减少 67 gC/m2·yr。因而,和北方森林相比,青藏高原高寒草地对气候变化的响应比较快速和脆弱;高寒草地在降水条件不变的情况下,气温的升高会导致总体碳源效应增强,但碳源汇存在着冻土退化阶段以及土壤水分条件等空间上的差异。
 

    3、  中国西部冰川水文过程及水资源效应评估
    实验室以中国西部冰川水文变化的历史过程、未来趋势和水资源影响为主线,围绕冰川融水产汇流的机理与过程、流域尺度冰川融水径流的模拟及冰川水资源变化预估等议题,在塔里木河流域、青藏高原、河西走廊、贡嘎山等地区开展了一系列的观测、试验、分析和模拟研究,取得如下成果:
    (1)通过对复杂冰面水文过程的观测与模拟,系统揭示了表碛、冰面湖和冰崖等对冰川产汇流的影响机制,阐释了冰川规模与冰川融水变化的关系,为大尺度冰川水资源变化的精细模拟和准确评估提供了可靠的方法
    面积大于 20 km2 的大型山谷冰川,数量占我国冰川总数的不足 1%,但冰川面积达到总面积的 26%,冰储量更达到总量的 51%,对西部主要冰川作用区的冰川融水资源起主导作用。立足野外定位观测,针对大型冰川复杂下垫面的产汇流机制进行了长期细致的观测与模拟研究。1)建立了表碛下的冰面消融同表碛厚度、气温的幂函数关系,使冰川埋藏冰融水的估算更为快捷准确;2)厘清了冰面湖的水热交换过程,揭示了冰面湖的储排水机制及对冰川融水径流的影响;3)建立了冰崖消融的物理模型,阐明了冰崖消融对于大型山谷冰川融水及冰川变化的影响;4)提出了描述大型冰川储排水作用的模型方案,使冰川融水径流模拟的准确性由 60%提高到 90%。通过综合分析不同规模冰川的融水径流特征,阐明并量化了冰川储排水机制对融水径流过程的影响,同时指出冰川储水作用同冰川规模呈正相关,大型冰川的储排水作用强化了冰川融水的“削峰填谷”作用。在气候持续变暖的背景下,小型冰川的面积不断缩小,导致汇流路径变短,冰川储水作用显著减弱,冰川融水变化对气候变化响应更为迅速;大型冰川受冰层较厚、表碛保护等影响,面积变化较小,虽然冰厚度减薄明显,融水剧增对排水系统的侵蚀增加,但由于消融区的扩大,冰面湖等新的储水构造不断涌现,冰川储水作用可能有所增强,表现为冰川融水径流的年内差异减小,出流稳定性增加。本研究扩充了对不同规模冰川产汇流过程的理解,为大尺度冰川水文模型平台的建设提供了有效的方法和手段,也为区域性冰川水资源变化的综合评估奠定了基础。
    (2)构建了首个融合冰川次网格化方案的冰川融水径流模拟平台,定量揭示了不同类型和规模冰川的融水径流对气候变化敏感性的差异及原因,并成功应用于阿克苏河、黄河源区等流域的冰川融水径流过程模拟,以及冰川湖溃决洪水的预警
    在各典型冰川区的产汇流机制研究基础上,构建了月尺度冰川融水评估及预估平台,提出大尺度水文模型中描述网格内异质性的冰川次网格方案,使模型效率由 0.4 提高到 0.7 以上,极大了改善了水文模型在冰川流域的模拟效果,为定量评估我国西部冰川水资源和冰川洪水灾害提供了可靠的计算方法与运行平台。研究方向,近几十年来山区夏季气温的持续升高是导致大陆型和极大陆型冰川融水增加的主要原因,而海洋型冰川径流的增加主要归因于冬春季升温。冰川融水对气温升高的敏感性也存在区域差异性,相比来说海洋型冰川对气温升高最为敏感,大陆性冰川次之,极大陆性冰川最小。此外,冰川的地形与下垫面特征也会影响冰川对升温的敏感性,如在相同的升温情境下,平均海拔较低的冰川径流增幅比高海拔冰川更大,而表碛覆盖型冰川对气温变化的敏感性则显著降低。升温对于冰川融水径流的年内变化也产生显著影响,山地冰川区普遍出现消融区提前、消融时间延长、春季及夏末融水比例增大、径流年内变率减小等现象,但对于面积小于 20 km2 的小型冰川,冬季冰川融水变化微弱,而大型山谷冰川由于冰川储水对径流显著的调蓄作用,夏季径流增幅较小冰川低很多,但冬季径流增加显著,年内径流变化更为平稳。相对于气温对于冰川消融的显著影响,降水对于冰川融水径流变化的影响较弱,但随着气温的升高,冰川流域降雨增加使得降雨径流更为活跃,这一变化特点在季风海洋型冰川流域表现得非常突出。该研究成果增进了对不同类型冰川融水过程及其变化的认识,为气候变化情境下冰川水资源的准确预估奠定了基础。
    3)系统评估了流域尺度冰川水资源变化的影响及其未来趋势,阐释了冰川变化对水资源的影响机制,揭示了未来 40 年冰川融水径流变化的区域差异取决于冰川覆盖率
    以西部典型流域观测资料为基础,揭示了不同流域冰川融水径流的历史变化及其影响,并通过综合模型分析,阐明了未来若干年冰川水资源的变化趋势,为干旱地区水资源的规划配置提供了依据。结果表明,中国西部年平均冰川融水量修订为 629.56×108m3,2000 年冰川融水径流量比过去 50 年的平均值高约 26%。西部大部分流域的融水径流深呈增加趋势,藏东南增幅最大,其次为喜马拉雅山西段,最小为河西地区。塔里木河流域冰川融水增加量占总径流变化量的 86%,唐古拉地区极大陆型冰川流域径流增加量的 66%来自于冰川消融,而季风海洋性冰川流域的径流增加量中 90%以上源于冰川融水的增加。流域总径流增加的同时,冰川融水径流所占比重普遍增大,流域年径流变化特征受冰川融水径流变化的影响亦更加显著。根据目前的气候变化情景,对不同冰川覆盖率的流域未来冰川融水径流变化趋势进行了预估,揭示了冰川径流在不同流域的趋势迥异。从上世纪末到 2050s 年代,我国西部的主要冰川作用流域径流仍将持续增加,其中冰川覆盖率 10.6%的喀喇昆仑山叶尔羌河流域冰川融水径流可望增加 13%-35%,冰川覆盖率为 31.5%的天山台兰河流域增幅介于 17% -46%,唐古拉山冬克玛底小流域冰川覆盖率较大(44%),径流可能增加 28%-32%。对于祁连山等冰川平均覆盖率小于 5%的流域,由于冰川加速退缩,产流面积急剧缩小,冰川融水径流可能在 2011-2030 出现下行拐点或已经表现出融水径流减小的趋势。情景研究同时显示,升温越显著径流峰值出现时间越早且峰值径流量越大,径流年际变化率也随之增大。
 

    4、  中国西部百年尺度气候变化区域差异和雪冰记录的人类活动证据
    围绕中国冰冻圈地区气候环境变化研究中的前沿问题,并考虑到高亚洲地区气候环境变化和西风环流、亚洲季风等的相互作用,5 年来实验室着重就百年尺度中国西部气候环境变化和大气环流等的相互作用开展了相关研究。在我国西部 10 余条冰川上开展了雪冰化学的观测、钻取了多支深孔冰芯,分析了黑碳、粉尘和重金属(Pb,Hg 等)记录等指标;在祁连山、柴达木盆地、天山、川西高原和藏东南获取了树轮稳定同位素资料,重建了多条百年至千年尺度气温、干旱指数和云量序列。该成果为我国西部地区百年尺度气候环境变化时空特征、驱动机制和人类活动污染物及其对冰雪消融的影响提供了最新最丰富的证据,具有重要科学意义。具体成果如下:
    (1)诠释了北大西洋涛动(NAO)对中国西部降水变化的影响机理;基于本实验室自主建立的中国西部树轮稳定氧同位素序列网络,揭示了我国西北干旱区变湿始于 19 世纪后期,同时南亚季风影响区在逐步变干,这些认识为气候变化的区域差异机制和古气候模式验证改进提供了基础对中国西部降水有重要影响的西风和季风系统可能受到北大西洋涛动(NAO)的调控。具体来说,伴随着由北大西洋向中国西部的能量传输,在西欧、地中海、高原西部、东亚地区出现位势高度异常中心,该波列结构是联系 NAO 与中国西部降水的纽带。NAO 正位相时,位于东亚地区的异常反气旋会把周围海域的暖湿水汽经反气旋南支气流输送到青藏高原北部,而同时位于高原北部的异常气旋会通过其西支气流将高纬地区的冷干空气输送到该区域,高原北部对流活动加强,导致降水的异常增多。此时,高原南部由于巴基斯坦及印度西北部地区异常气旋的存在,使得高原西边界进入高原南部的水汽输送减弱,导致高原南部降水的异常减少。NAO 负位相时,环流形势基本相反,并最终导致高原北部降水的异常减少,高原南部降水的异常增多。北大西洋涛动(NAO)对中国西部降水变化的影响机理对明晰我国西部气候环境变化与大气环流的关系具有重要意义。
    相比较水文气象观测资料来说,高分辨率的代用资料有助于从长时间尺度来理解和评价中国西部水资源和水循环的变化及其控制因子影响。树轮 δ18O 主要反映与大气环流相关的水汽 δ18O 和树木生长期水分条件的变化。在极端干旱的柴达木盆地、内陆干旱的新疆和相对湿润的南亚季风影响区,树轮 δ18O 的变化主要受生长季水分条件相关的植物叶片蒸腾强度的控制,导致树轮 18O 的富集,在一定程度上反映降水和干旱历史的变化。相比与树轮宽度资料,树轮 δ18O 在低频信号的记录上有明显优势,在较大范围均有一致的低频变化。基于本实验室建立的中国西部的树轮 δ18O 网络资料,揭示了 19 世纪后期以来南亚季风和西风带影响区夏季干湿变化具有相反的变化趋势,即南亚季风影响区自 1860 年以来呈干旱化趋势,在 1860 年以前为寒冷和多云,此后为温暖和少云,该低频变化由南亚季风减弱导致。然而,我国西风影响区自 1880 年以来呈现变湿的趋势,主要与西风环流增强有关;同时,树轮 δ18O 记录的区域干旱变化存在 10、20 和 30 年准周期,与 NAO 的变化周期比较一致,指示了 NAO 在长时间尺度对我国西风影响区降水的控制及其与亚洲季风的交互作用。该成果从长时间尺度更新了新疆西风影响区由干旱到湿润的气候转型特征及其空间变化的认识。
在极端干旱的柴达木盆地,树轮 δ13C 和 δ18O 序列指示了过去 1000 年中,湿润期和干旱期持续时间均存在 30 年左右周期;树轮 δ18O 序列反映的 1920s 以后相对湿度低于过去 1000 年的平均水平,这与 1920 年后的快速升温有关。树轮 δ13C 和 δ18O 记录揭示出在过去 1000 年期间温暖和湿润期呈现出相反的相位,即暖期相对干旱,冷期相对湿润。该成果给出了不同于前期树轮宽度指示的暖湿特征,丰富了西北干旱区千年温度和湿度变化协同性研究,为千年气候变化特征研究和古气候模式改进提供了资料。

    (2)阐明了中国西部冰川表层黑碳的空间分布和辐射强迫特征;量化了典型冰川黑碳和粉尘对冰川表面反照率的影响;利用冰芯重建了工业化以来黑碳浓度的变化历史
    黑碳是雪冰中重要的辐射强迫因子,早期黑碳对冰川消融贡献的模拟评估具有很大的不确定性。对中国西部雪冰野外观测分析表明,中国西部雪冰中黑碳平均浓度为 50 ng g-1,但存在较大空间分布差异,天山地区黑碳浓度最高,喜马拉雅山地区最低,空间分布受到海拔、夏季消融、以及局地排放的影响;结合模式估算,得到雪冰中黑碳的辐射强迫为 0.8-12.1 W m-2,最大值出现在青藏高原念青唐古拉山冰川区(10.3 W m-2),而最低值出现在喜马拉雅山冰川区(2.9 W m-2),总体而言,中国西部冰川区黑碳所造成的辐射强迫为 5.7 ± 3.4 W m-2。通过遥感资料研究表明,喜马拉雅山的冰川表面自 2000 年来,有显著变暗趋势,该变暗趋势可能与冰川表面吸光性物质(如黑碳、粉尘)显著增加有关。对念青唐古拉山扎当冰川进行了较为系统的强化观测研究,量化了黑碳和粉尘对冰川表面反照率的影响:黑碳和粉尘在冰川表面存在显著的空间差异,由于消融富集作用,冰川消融区富集了大量的黑碳和粉尘,而其中粉尘浓度远高于黑碳浓度(2 个数量级);敏感性试验表明,当冰川表面为裸冰时,粉尘是降低冰川反照率最重要的因素,其辐射强迫远高于黑碳,粉尘是影响消融季节冰川消融的主控因子;当冰川被新雪覆盖时,黑碳是导致其反照率降低的主要原因。
    通过冰芯中黑碳的历史记录可以了解人为活动对环境的影响。珠穆朗玛峰东绒布和各拉丹冬冰芯历史记录表明(1860 ~ 2000 AD),黑碳浓度具有明显的年内和年代际变化,黑碳的峰值主要出现在冬春季;1950 年来,黑碳浓度显著升高,1975-2000 年的含量约为 1975 年之前含量的 3 倍,冰芯记录和青藏高原纳木错湖泊沉积的结果具有一致性;冰芯中黑碳的增加趋势与南亚和中东地区 BC 的排放清单变化具有一致性,进一步通过污染事件追踪和气团轨迹反演,表明其来源主要受到南亚和中亚地区工业排放的贡献。
    (3)多指标综合分析了中国西部冰川区大气环境特征,辨析了雪冰中重金属元素的自然和人为来源,揭示了工业革命以来、特别是 1950s 以来大气污染物(重金属)急剧升高,反映了亚洲区域人类活动对环境的显著影响
    中国西部冰冻圈地区受人为活动的影响受到广泛关注,通过 Pb 同位素比率,并结合二元混合模型估算了得到中国西部雪冰粉尘中人为排放 Pb 的贡献为 8.3%~39.4%,天山地区和青藏高原周边区域人为源 Pb 影响较大,总体上所受影响程度与距离污染源远近及海拔高度密切相关。南亚和中亚地区化石燃料以及生物质燃烧产生的大气污染物,能够跨境传输到青藏高原内陆,并对高原地区环境产生重要影响。由于汞及其化合物具有生物毒性,针对雪冰中汞的理化特征进行了系统的研究:中国西部雪冰中总汞浓度在 <1~43.6 ng/L 之间,并呈现出夏季高冬季低的季节特征;在大气粉尘输入较高的北部地区,其总汞浓度亦较高;雪坑中总汞主要以颗粒态汞为主且两者之间有显著的相关系,表明青藏高原及毗邻地区冰川积雪中汞主要受颗粒物(颗粒态汞)控制;大气汞沉降通量处于 0.74~7.89 mg m-2yr-1间,与全球自然值一致,比相邻的东亚低 1~2 个数量级。在雪坑的渗浸再冻结冰层中发现汞浓度高值,表明汞可以释放到融水。利用青藏高原中部各拉丹冬冰芯重建的过去 200 年来大气 Hg 沉降历史记录与纳木错湖芯汞的历史记录具有一致性,工业革命以来整体呈上升趋势,特别是 1950s 以来汞的含量显著增加,与庙儿沟冰芯中其他重金属的变化趋势一致,反映了亚洲区域 20 世纪中期以来人类活动对环境的显著影响。
 

    5、  末次间冰期和现代极地海-冰-气关联机制的新认识
    雪冰现代过程观测研究结果如何与古气候记录相结合开展定量化研究,历来是冰芯古气候研究的难题。针对上述国际前沿问题,实验室在南极冰盖和格陵兰冰盖开展了系统的现代过程观测研究和国际合作冰芯记录研究。初步回答了最近年代际至百年尺度两极冰地区对气候的响应,尤其是过去数十年显著变暖气候条件下南极和对气候的响应及其驱动机制;通过格陵兰 NEEM (格陵兰北部深冰芯 Eemian 事件重建计划)冰芯,首次确定了末次间冰期格陵兰冰盖的规模,揭示了间冰期格陵兰冰盖与西南极冰盖的联动作用对全球海平面的影响,为预估未来全球变暖情景下冰盖稳定性与海平面变化取得了新认识。取得了如下成果:
    (1)自主研制了水汽稳定同位素在线监测标定系统,提高了数据精度,揭示了南半球由低到高纬度水汽传输的机理
    以往对氢氧稳定同位素的研究主要是针对液态水和固态水。与这两个形态相比,气态氢氧稳定同位素比率虽可提供更多的关于大气学、水文学和稳定同位素分馏过程等多方面的信息,但其样品的收集和测量甚为复杂。目前,主要有三种商业化的同位素测量仪器可以用来测量大气水汽中的 δ18O 和 δD,包括波长扫描光腔衰荡光谱仪(WS-CRDS)、调制式半导体激光吸收光谱仪(TDLAS)和离轴积分腔输出光谱仪(OA-ICOS)。但是,这些仪器受到工作环境和仪器自身变化的影响,具有较大的随机误差。因此,客观需要采用适当的装置和方法通过模拟野外自然移动条件下水汽稳定同位素比率梯度,实现水汽中 δ18O 和 δD 梯度和分馏过程的观测,从而实现实时、实地、大范围、便携、低能耗等条件下大气水汽 δ18O 和 δD 同位素的测量与评价。通过多次室内实验和野外测试,实验室开发了一种可以快速、动态和准确的测量野外自然条件下水汽中氢氧稳定同位素比率、梯度及其分馏过程的方法。通过该装置和方法,可以客观评价并校正水汽 δ18O 和 δD 测量的精度,实现野外自然条件下大气水汽 δ18O 和 δD 的便携式观测并获取高质量数据。该装置发明专利已获国家知识产权局授权。
    在过去 5 年我国南极考察期间,该装置安装到雪龙号破冰船上,对 38°N- 69°S 海表大气水汽氢氧稳定同位素进行了实时高精度观测,并结合表层海水和 GNIP 降水同位素分析了多水相同位素纬向特征,结果表明:水汽、降水和表层海水同位素含量比率(δ18O, δD)随纬度呈明显的递变性规律,低纬赤道最低,副热带升高,而在南极大陆外围高纬区域则急剧降低, 过量氘(d-excess)变化与此相反,反映出副热带下沉气流对稳定同位素富集影响以及高纬度极地气团经过洋面时过饱和分馏的剧烈变化;实测水汽同位素与 LMDZ4-iso 和 ECHAM5-wiso 模型对比反映了模型较好的模拟结果,根据模拟进一步分析了南极内陆 Dome A 水汽同位素反映的南极冰盖水汽源区,结果显示除了中纬度印度洋海区之外,中低纬东太平洋海域也是冰盖内陆的重要水汽源区。
    (2)从南极中山站 -Dome A 断面雪 /冰 - 大气现代过程监测研究,建立了冰盖气候环境记录代用指标体系,揭示了冰盖不同高度带与南大洋不同纬度带的水汽对应关系,阐明了百年 - 千年尺度上南半球环流调整的内在机理,为解释全球变暖背景下南极海冰近几十年不减反增的事实提供了重要科学依据
    获取了从“冰盖边缘—内陆—冰盖顶点”不同地带现代降水中同位素和各种化学物质的实测值。通过对海源物质(Na+、nssSO42-、MSA、Hg)空间分布的研究,基本圈定了不同区域物质的主要源区通过过程研究,建立了南极雪冰内关键气候要素代用指标体系,为解释冰芯记录奠定了基础。基于此,重建了南印度洋长期气候变化序列,阐明南极气候的三个主要模态特征,对南半球高纬度气候预测提供了重要依据。
    在东南极冰盖中山站 -Dome A 断面上建立了 1100 km 完整的雪冰 - 大气监测断面, 基于现代过程建立了反映气温(T)、海平面气压(SLP)、海面气温(SST)和海冰范围(SIE)的代用指标体系,据此揭示了三个主要气候模态的长期特征。其中,恢复了南印度洋过去百年尺度海平面气压(SLP)的逐年变化序列,并揭示该海区气压变化与南极涡变化之间存在内在联系。研究表明,南印度洋海区存在一个准定常冷涡系统,冷涡加深和冷涡减弱呈现双年代际变化节律。为了探讨这一海区气候变化与南半球大尺度大气环流之间的内在联系。研究揭示,在过去 300 年间,南极海冰与气温之间的关系在多数时段保持反关系,但从 1970s 末开始,在全球变暖背景下,南极海冰不退反长的趋势主要是南极环状模呈异常正位相造成的。
    (3)通过 NEEM 深冰芯合作研究,揭示了末次间冰期(Eemian)格陵兰冰盖和南极冰盖的联动关系,为海平面变化预估提供了新视角
    本研究团队与国际同行合作完成 NEEM 冰芯 Eemian 时期气候特征的重建工作。首次利用冰盖雷达等时层、冰芯气泡内全球一致性信号、冰组构突变特征等恢复了褶皱冰层内 Eemian 时期气温、温室气体含量、冰盖高程及其融化事件等。认为格陵兰冰盖对 Eemian 暖期的响应是“中等”程度的。虽然 Eemian 初期气温较最近千年平均气温高出 ~8°C,但冰盖厚度减薄仅约 400m。这意味着当冰盖退缩到一定规模后,可能因为入海冰川和快速冰流系统的消失,冰盖转为相对稳定。Eemian 时期高海平面部分可能来自西南极冰盖而不能全归因于格陵兰冰盖,当今对格陵兰冰盖将会快速消亡的预估结论需要重新审视。这一认识被纳入到 IPCC AR5 中,提升了未来海平面预估的认识水平。
 

    6、  冰芯氚同位素和汞记录揭示青藏高原冰川积累区面积急剧减少。
    各种观测表明:过去几十年来,青藏高原冰川处于普遍退缩状态,由此产生的气候、环境、水资源以及生态效应在青藏高原及周边地区的影响日趋显著。康世昌研究员课题组基于青藏高原高海拔地带的冰芯氚同位素和汞记录着重探讨了冰川上部积累区受全球变暖的影响程度,研究显示强烈的物质亏损在冰川上部积累区也有发生。该成果发表在国际知名期刊《The Cryosphere》和《Environmental science & Technology》上。
    通过 Mercury、氚(3H)、210Pb、元素 Bi 的火山事件记录,并结合年层计数法和流动模型模拟多参数、多方法定年,发现最近 30 年来各拉丹冬冰芯的记录缺失。这种现象在青藏高原南部的念青唐古拉冰芯(念青唐古拉山脉,30°24.82′N,90°34.10′E,5850 m a.s.l)、纳木那尼冰芯(喜马拉雅山脉,30°27.06′N,81° 91.94′E,6050 m a.s.l)也有发现,自 19 世纪 50 年代记录缺失。冰芯钻取点的冰川物质平衡和消融量模拟也佐证了这一观点。由此认为,在青藏高原南部地区 (如喜马拉雅山脉和念青唐古拉山脉西段),早期(1950 s~1970 s)的冰川积累区(如海拔大约 5800~6300m 处)至少最近几十年无冰川积累,推测最近 30 年来的急剧升温已导致这些区域的冰川积累区面积急剧减少,这种变化将对冰川径流、水资源以及海平面变化将产生重要影响。
    与此同时,冰川上部出现消融在非洲的 Kilimanjaro 冰原、秘鲁的 Quelccaya 冰帽及欧洲阿尔卑斯山东部的 Ortles 峰也有发现。这对我们在冰芯钻取的选取、冰芯分析技术及解释上提出了新的挑战与思考。另一方面,尽管对冰川上部消融的解释仍需完善,但这些消失的记录一致显示出人类活动对地球环境的影响,亟需新的环境政策来应对新时期的气候环境问题。
 

    7、  南亚污染物跨境传输
    青藏高原周边广泛分布着受大气污染的严重区域,这些污染物可通过大气环流进入高原,与冰冻圈联系在一起,将对区域气候和环境产生深刻影响。针对这一重要科学问题,近期康世昌课题组以野外定点监测网络为依托,持续开展大气气溶胶观测,对跨境断面样品进行系统采样分析和模式模拟研究,揭示了南亚污染物的跨境传输机制。相关结果近期发表在国际知名期刊《Atmospheric Chemistry and Physics》和《Scientific Reports》上。
    针对珠峰地区的大气气溶胶样品,进行了有机碳、元素碳、水溶性有机碳、离子、左旋葡聚糖和二元羧酸的较全面分析。珠峰大气气溶胶中的有机碳和元素碳浓度与喜马拉雅山脉南坡高海拔站点(Langtang 和 NCO-P)类似。Ca2+ 指示的沙尘载荷在全年保持相对稳定,但有机碳、元素碳和水溶性有机碳以及离子(NH4+、K+、NO3- 和 SO42-)均在春季(pre-monsoon)表现出高值,而夏季最低。珠峰大气气溶胶中的有机碳、元素碳和生物质燃烧的指示物(K+和左旋葡聚糖)具有显著的相关关系,说明生物质燃烧是春季珠峰地区高浓度碳质组分的主要原因。
    珠峰地区大气气溶胶中二元羧酸与有机碳、元素碳的浓度变化显著相关。不同有机酸之间的比值,如丙二酸 /丁二酸(di-C3/di-C4)、马来酸 /富马酸(M/F)均指示珠峰地区的有机气溶胶,特别是春季的高浓度受到了生物质燃烧的直接影响,而其他因素如二次生成、光化学氧化等的贡献并不显著。
    根据 HYSPLIT 反向气团轨迹的统计结果,珠峰地区非季风期受西风急流的控制。而 MODIS 给出的火点分布情况(FIRMS)显示,印度北部和尼泊尔的农业秸秆焚烧和森林火灾在春季最为密集。结合气溶胶化学分析结果,说明珠峰地区在春季受到南亚生物质燃烧的跨境传输影响。除了大尺度的大气环流形式外,珠峰南北坡的局地环流耦合在一起,使山谷成为污染物传输的有效通道,最终导致珠峰北坡的气溶胶含量、季节变化等均与南坡高度相似。这一观点得到了金字塔站和珠峰站同步观测的气溶胶光学厚度(AOD)数据所支持;而能够显示气溶胶垂直分布的 CALIOP 卫星观测,也清晰表明在南亚棕色云爆发的四月份,大气污染物能够翻越喜马拉雅山脉进入高原。在此基础上,针对喜马拉雅山脉复杂地形的特点,利用高分辨天气预测模式 COSMO 更为清晰的揭示了南亚大气污染在大量聚集之后,可以通过高空和近地面抬升的形式穿越喜马拉雅山脉山谷,快速输入高原内陆。
 

    8、第三极地区吸光性气溶胶及其气候效应的数值模拟研究
    雪冰表面的吸光性物质是能够降低雪(冰)面反照率,提高雪冰对太阳短波辐射的吸收效率,是冰冻圈(冰川、积雪、海冰)加速消融的重要原因之一,定量认识吸光性物质对雪冰消融的影响是当前的热点关注问题。本课题基于 RegCM 耦合 CLM 和 SNICAR 模型实现了对青藏高原地区吸光性气溶胶的相关认识。该成果发表于国际知名期刊《Climate Dynamics》和《Atmospheric Research》上。
    本研究使用数值模拟方法,系统性研究了自然(沙尘)和人为源(碳质)吸光性气溶胶对青藏高原及其周边区域冰冻圈气候和环境的影响。通过模块耦合的技术方法,参与建立大气 - 陆面 - 雪冰 - 气溶胶辐射传输模型(RegCM4.3.5-CLM4.5-SNICAR),扩展了以模拟评估吸光性物质对雪冰影响的新技术方法;通过模拟吸光性颗粒物在第三极地区的传输与沉降过程,定量评估了沙尘和碳质气溶胶对雪冰反照率、辐射强迫及消融过程的影响。
    结果表明,黑碳和有机碳气溶胶的综合效应在大气层中产生正短波辐射强迫,在近地面产生负短波辐射强迫,季风期长波辐射强迫在帕米尔高原和青藏高原表现为负值,而非季风期气溶胶引起长波辐射强迫变化在喜马拉雅山和青藏高原南部表现为负值。季风期含碳气溶胶引起 0.1 ~ 0.5 ℃的增温,而非季风期在青藏高原南部则表现为降温。沙尘气溶胶对青藏高原的积雪产生 0.1 ~ 0.2 W/m2的正辐射强迫,在帕米尔高原产生 -0.2 ~ -0.1 W/m2 的负辐射强迫,并且导致高原中部和北部地区的雪水当量减少 5 ~ 25mm。本研究为进一步探讨吸光性气溶胶对第三极地区气候系统及水相转换过程的影响机理提供理论依据。

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