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  • 青藏高原近60年来气候变化及其环境影响研究进展
  • 杨耀先, 胡泽勇, 路富全, 蔡英, 于海鹏, 郭瑞霞, 付春伟, 樊威伟, 吴笛
  • 2022, 41 (1): 1-10. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00117
  • 摘要 (1100) PDF (2692KB) (421)
  • 作为全球能量水分循环的关键区域, 青藏高原(下称高原)气候变化对高原及周边地区气候与环境变化具有重要影响。本文从高原表面增暖、 辐射变化、 降水的多尺度变率、 表面风速及环境变化方面回顾了高原近60年来气候变化及其环境效应与物理机制的研究进展, 并基于再分析和台站观测资料讨论了近10余年来高原表面温度和风速变化的特征及原因。最后, 就高原气候变化研究亟待解决的科学问题进行了梳理与展望。研究表明: (1)相较于北半球增暖, 高原增暖发生时间早, 增温速率大。海拔依赖型增暖和年代际大气增湿导致晴空向下长波辐射的增强是高原表面增暖的主要原因。近10余年来, 高原东部地区表面温度主要以年际变化为主。(2)受持续增暖和年际、年代际尺度的海温与大气环流异常影响, 高原不同季节和区域的降水呈现出多尺度变化特征。(3)在高原与中高纬度地区增暖的经向差异及大尺度环流异常的影响下, 高原表面风速在年代际尺度上变化显著。(4)高原环境变化主要表现为湖泊扩张、 多年冻土退化、 植被返青期总体提前; 受高原降水的年代际变化影响, 自20世纪90年代以来, 高原西部冰川趋于稳定甚至部分恢复, 而东南部地区冰川持续退缩; 夏季风系统的季节和季节内变化对高原植被生长和返青期的时空变化有较好的指示意义。(5)不同季节和区域表面温度和风速变化的机理研究和数值模拟需进一步深化; 提高气候模式对高原温度和降水的模拟性能仍是重要研究内容; 高原高分辨率的区域气候模拟与资料同化的研究亟待加强。

  • 三江源冻土-植被相互作用及气候效应研究现状及展望
  • 罗斯琼, 李红梅, 马迪, 李文静, 王景元, 谭晓晴, 董晴雪
  • 2022, 41 (2): 255-267. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00098
  • 摘要 (927) PDF (1993KB) (207)
  • 三江源冻土、 植被二者之间存在着强烈的相互作用的关系, 并通过改变土壤水热特性以及地表-大气间的能量和水分交换过程影响局地气候, 加快或减缓气候变化, 源区的生态安全面临挑战。本文综述了近几十年来三江源区冻土、 植被特征及变化趋势、 冻土-植被相互作用过程以及冻土、 植被变化的气候效应, 在此基础上对未来研究方向进行了展望。主要认知如下: 三江源地区是季节性冻土和多年冻土的交汇带。植被类型有高寒草甸、 高寒草原、 高寒荒漠等, 植被生长季较短。近几十年来, 在全球变化影响下, 源区冻土和植被经历了快速的变化。冻土土壤温度明显升高; 多年冻土面积减小而季节性冻土面积增加; 多年冻土活动层厚度及融化期增加而季节性冻土最大冻结深度及冻结期减小。植被物候整体表现出返青期提前, 黄枯期推迟, 生长季延长的特征; 同时高寒植被生态系统的结构和功能也发生了明显变化。土壤的水、 热状态是连接冻土和植被相互作用的重要纽带。冻土的冻融状态, 土壤的水、 热过程对高寒植被的生长有着密切的影响; 同时位于冻土上层的植被, 又通过植被特征和生态系统的变化, 影响土壤温度、 湿度, 反作用于冻土的形成和发展。冻土和高寒植被作为三江源两种典型的下垫面, 在陆-气相互作用中是一个有机整体, 其变化将通过影响局地能量分配及水分过程对区域降水、 气温、 能量收支、 局地环流以及水汽循环等产生重要的影响, 需要统筹考虑二者协同变化的气候效应。未来面向整个区域的冻土-植被相互作用的综合评估及机理分析需进一步加强。利用观测、 耦合了动态植被模型的陆面过程模式、 区域气候模式以及人工智能等, 深入开展研究三江源区冻土冻融变化与高寒植被变化的内在联系, 将进一步提高对未来冻土及高寒植被变化的认识, 为三江源生态保护和建设提供重要科学依据。
  • 青藏高原土壤冻融过程关键参量时空分布特征分析
  • 刘闻慧, 文军, 陈金雷, 王作亮, 陆宣承, 武月月, 蒋雨芹
  • 2022, 41 (1): 11-23. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00024
  • 摘要 (822) PDF (5257KB) (291)
  • 土壤冻融过程是青藏高原陆面过程中最突出的特征之一, 量化表征土壤冻融过程的关键参量变化特征对认识青藏高原气候变化、 生态和水文过程有重要的科学意义。本文利用青藏高原地区ECMWF/ERA5(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts/ERA5)的浅层土壤温度、 体积含水量和气温资料, 通过线性回归、 Mann-Kendall检验法、 滑动t检验和相关分析等方法, 分析了表征青藏高原土壤冻融过程的三个关键参量-冻结开始时间、 融化开始时间和冻结持续时间的时空分布特征, 并探讨了其与气温、 海拔的相关性。结果表明: 青藏高原土壤冻融过程的空间分布特征为由西北到东南存在冻结推迟、 融化提前和冻结持续时间缩短的趋势。1979 -2018年间, 青藏高原整体土壤冻融过程改变显著, 冻结开始时间推迟14.0天, 变率为0.17 d·a-1; 融化开始时间提前11.0天, 变率为0.07 d·a-1; 冻结持续时间缩短25.0天, 变率为0.23 d·a-1。青藏高原土壤冻融过程整体变化趋势一致, 局地变率存在差异。羌塘地区土壤冻结持续时间缩短最为明显, 南北部分别缩短47.2天和32.9天。三个冻融过程关键参量与气温、 海拔相关性显著。气温每上升1.0 ℃, 冻结开始时间推后5.2天, 融化开始时间提早4.5天。在青藏高原高寒气候带, 海拔每升高1000.0 m, 冻结开始时间提早9.1天, 融化开始时间推后4.9天。

  • 青藏高原及周边地区气溶胶、 云和水汽收支研究进展
  • 黄建平, 刘玉芝, 王天河, 阎虹如, 李积明, 何永利
  • 2021, 40 (6): 1225-1240. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.zk012
  • 摘要 (695) PDF (49747KB) (317)
  • 青藏高原作为“亚洲水塔”, 对东亚乃至全球气候有着重要影响。本文介绍了中国科学院A类战略性先导科技专项“泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设”子课题3“气溶胶-云互馈对西风季风水汽输送的影响”研究的主要结果。针对青藏高原为核心的泛第三极地区, 项目研究结果主要包括: (1)沙尘、 污染沙尘、 抬升烟尘和污染性大陆气溶胶/烟尘是泛第三极地区最主要的气溶胶类型, 其中沙尘的排放和输送对青藏高原西部和柴达木盆地大气热力结构的影响非常显著; (2)高原过冷水云的发生频率及其在高原能量收支中的作用比暖水云高, 降水主要是由冰云和混合相云产生的, 尤其是在暖季。虽然高原大气呈现暖湿化趋势, 但水汽收入增多并不能弥补地表水资源由于增温的流失, 高原东部水循环呈减弱趋势, 而西部水循环则相反。(3)黑碳气溶胶使南亚夏季风减弱、 东亚夏季风增强, 高原西部西风增强, 东部西风减弱; 净效应是使高原变得更暖更湿。使高原东侧输出水汽减少, 南侧输入减少, 西侧输入增加, 北侧输入减少。另外, 高原上空受沙尘污染影响的对流云东移, 与局地对流云团合并, 可导致长江流域和华北地区降水增加。总体来说, 气溶胶可直接影响辐射, 或间接通过作为云的凝结核, 或者影响云生成所需的热力结构来改变高原云的宏、 微观特性, 以此进一步影响到高原地区的地表能量收支和大气加热率廓线, 并最终影响环流系统和高原的水汽收支。上述结果作为中国科学院A类战略性先导科技专项的部分研究内容, 可揭示影响青藏高原及周边地区水分循环的物理机制, 加深理解气溶胶-云相互作用对高原水循环过程的影响机理, 为提高空中水资源开发利用效率提供重要的科学依据和理论指导。
  • 青藏高原季风演变及其气候效应综述
  • 樊威伟;胡泽勇;荀学义;杨耀先;于海鹏;付春伟;吴笛
  • 2021, 40 (6): 1294-1303. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2020.zk013
  • 摘要 (566) PDF (19534KB) (128)
  • 青藏高原季风是在高原热力作用影响下形成的冬夏相反的盛行风系, 是青藏高原气候的主宰者, 对高原能量与水分循环和转换起着至关重要的作用, 并深刻影响着高原及亚洲气候与环境的形成和演变。对高原季风及其气候环境效应的研究不仅是深入理解高原环境和气候变化、 水分和能量循环的需要, 同时也符合国家生态文明建设与社会经济发展的要求。本文从高原季风的多尺度变率、 影响高原季风的动力和热力因子及其气候与环境效应角度回顾评估了高原季风的研究进展, 并梳理出未来亟待解决的科学问题。已有的研究表明, 高原季风的形成是青藏高原隆升到抬升凝结高度的必然结果, 同时也是第四纪开始的重要标志。青藏高原季风多尺度变率受高原局地热力作用以及高原外太平洋海温、 北极涛动和中高纬遥相关波列调控。青藏高原气候效应主要体现在对高原及其周边地区气候格局及其变化的影响。最后, 讨论和展望了高原季风研究的问题和方向: 青藏高原复杂下垫面陆面过程对高原季风的影响研究有待加强, 全球变化背景下高原季风对高原增暖的响应及其成因还需要更加深入分析。
  • 青藏高原多圈层地气相互作用过程研究进展和回顾
  • 马耀明, 胡泽勇, 王宾宾, 马伟强, 陈学龙, 韩存博, 李茂善, 仲雷, 谷良雷, 孙方林, 赖悦, 刘莲, 谢志鹏, 韩熠哲, 袁令, 姚楠, 石兴东
  • 2021, 40 (6): 1241-1262. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.zk006
  • 摘要 (499) PDF (34425KB) (221)
  • 青藏高原高大的地形条件, 使得其具有十分显著的动力作用和热力作用, 这导致高原地表与大气之间的相互作用和大气边界层发展过程对高原及周边地区的天气过程和气候变化的影响至关重要。自20世纪60年代, 特别是1979年以来, 人们先后开展了“第一次青藏高原气象科学试验(QXPMEX)”、 “第二次青藏高原大气科学试验(TIPEX-Ⅱ)”、 “全球能量水循环亚洲季风青藏高原试验研究(GAME/Tibet)”、 “全球协调加强观测计划亚澳季风之青藏高原试验(CAMP/Tibet)”、 “青藏高原观测研究平台”(TORP)及“第三次青藏高原大气科学试验(TIPEX-Ⅲ)”等观测研究项目, 地气相互作用过程以及大气边界层过程的观测分析、 数值模拟及卫星遥感应用研究都是其中最重要的研究内容。本文以地气相互作用研究为主线, 回顾了40年来历次重大青藏高原大气科学试验, 系统归纳总结了陆面过程和大气边界层过程观测试验, 分别从地气相互作用过程观测研究、 大气边界层过程观测研究、 地面和大气热源观测与估算研究、 地表蒸散发遥感估算研究以及地气相互作用过程数值模拟研究等方向, 对相关研究成果进行了简要的归纳梳理, 并且针对野外观测、 资料分析以及模式发展方面存在的不足进行了讨论, 同时对青藏高原地气相互作用研究在这几个方面未来的发展进行了展望。
  • 雅鲁藏布大峡谷地区近地面-大气间水热交换特征分析
  • 张强, 文军, 武月月, 陈亚玲, 李悦绮, 刘正
  • 2022, 41 (1): 153-166. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00113
  • 摘要 (434) PDF (6847KB) (117)
  • 利用欧洲中期天气预报中心第五代再分析数据产品, 归类分析了藏东南雅鲁藏布大峡谷地区水汽输送类别。选取大峡谷地区排龙站、 墨脱站两个站点2019年涡动相关系统观测数据, 分析不同水汽条件下雅鲁藏布大峡谷地区不同位置近地面水热交换通量的日变化特征。结果表明: 高原季风期对应大峡谷地区水汽强输送期和温湿期, 高原非季风期则相反。墨脱站、 排龙站在高原季风期/非季风期典型晴天/阴天近地面潜热通量日变化对大气水汽条件较为敏感且响应一致, 近地面潜热通量在强水汽条件下的日变化均强于弱水汽条件下, 墨脱站特征最为显著, 在高原季风期典型晴天强水汽条件下潜热通量日均值为84.05 W?m-2是弱水汽条件下的1.13倍, 日变幅达345.37 W?m-2。两个站点在高原季风期/非季风期近地面感热通量对大气水汽条件响应不同。高原季风期典型晴天下, 两个站点在弱水汽条件下的近地面感热通量日变化均强于强水汽条件下, 海拔较高的排龙站在弱水汽条件下感热通量日均值(32.71 W?m-2)和日较差(191.10 W?m-2)是强水汽条件下的1.66倍和1.26倍。云覆盖和水汽对太阳短波辐射的削弱作用大于其自身的温室效应, 墨脱站和排龙站在高原季风期/非季风期典型阴天弱水汽条件下的近地面感热通量日变化均强于强水汽条件下, 排龙站在高原季风期/非季风期典型阴弱水气条件下近地面感热通量日均值为35.12 W?m-2和14.32 W?m-2分别是强水汽条件下的2.59倍和1.27倍。大峡谷地区存在水汽输送通道, 大气水汽的辐射强迫对陆-气间水热交换过程存在显著影响, 但近地面能量分配受地表水热属性的制约。

  • 黄土高原夏季极端降水及其成因分析
  • 卢珊, 胡泽勇, 付春伟, 樊威伟, 吴笛
  • 2022, 41 (1): 241-254. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.00027
  • 摘要 (427) PDF (14525KB) (367)
  • 利用1961 -2016年夏季黄土高原地区64个气象监测站的逐日降水资料及同期NCEP/NCAR再分析数据, 分析了近56年黄土高原夏季极端降水的时空变化特征, 并对比了极端降水强弱年以及不同年代黄土高原地区夏季大气环流形势的异同。结果表明, 黄土高原夏季极端降水占夏季总降水量的54%左右, 总体上呈现出东多西少的空间分布特征。在近年来黄土高原夏季降水整体下降的背景下, 极端降水占比在将近70%的站点表现出增长趋势。对比极端降水强弱年环流形势发现, 当贝加尔湖低压增强, 西北太平洋副热带高压偏强偏北时, 有利于西北太平洋及南海暖湿气流向北输送, 与北方干冷空气在黄土高原上空交绥, 从而导致更多的极端降水。在强极端降水年的夏季, 存在着异常强的水汽净收入。6月, 北边界和南边界的水汽输入加强。北边界在7月和8月转为水汽输出边界, 同时西边界和南边界的输入加强, 且8月的增加更为明显。在强极端降水年, 夏季黄土高原上还可以观察到更加明显的冷暖空气交绥, 这有利于研究区域不稳定能量的释放和极端降水的增加。此外, 研究发现黄土高原夏季极端降水在1980年代经历了从偏多到偏少的转变, 近些年来又逐渐增加。对比不同年代夏季大气环流可见, 当水汽净收入为正, 同时冷暖空气交汇明显时, 对应年代的黄土高原夏季极端降水偏多, 反之则降水偏少。

  • 一次中尺度对流系统层云区域的电场探空观测和电荷结构研究
  • 张鸿波;郄秀书;刘明远;蒋如斌;陆高鹏;陈志雄;孙竹玲;刘瑞婷;李进梁;郑天雪;陈洪滨
  • 2021, 40 (6): 1531-1541. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2021.zk004
  • 摘要 (408) PDF (9702KB) (174)
  • 基于自主获取的双金属球电场探空仪穿云观测数据, 结合地面大气电场、 天气雷达、 闪电定位等综合观测资料, 对华北平原地区一次中尺度对流系统(Mesoscale Convective System, MCS)层云区域内的探空电场和电荷结构进行研究。探空系统上升和下降阶段均处于该MCS层云区域中, 此时雷暴正处于成熟阶段。完整的上升阶段探空数据表明, 该MCS层云区域内存在6个正、 负极性交替的电荷区, 主正电荷区的高度范围为8.2~9.5 km, 对应温度层-20~-14 ℃; 主负电荷区高度范围为7.4~8.2 km(-14~-10 ℃); 紧靠下方为一个薄正电荷区; 最上方为一负极性电荷屏蔽区; 0 ℃层附近有一对正、 负极性电荷区。探空下降阶段(间隔约1 h)获取的层云区域电荷分布与上升阶段大致对应, 但电荷层所处高度以及厚度和电荷密度均有所差异。
  • 黄河源区干湿演变条件下的水汽输送特征研究
  • 刘煜, 刘蓉, 王欣, 王作亮, 王大勇
  • 2022, 41 (1): 47-57. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2020.00057
  • 摘要 (354) PDF (7207KB) (206)
  • 基于“黄河源区玛曲-若尔盖土壤温湿监测网络”自2008年观测以来至2017年的观测资料, 通过分析多层土壤湿度异常百分比指数SMAPI(Soil Moisture Anomaly Percentage Index), 捕捉10年来该地区的干湿演变过程, 并利用再分析数据资料NECP FNL (National Centers for Environmental Prediction Final)驱动拉格朗日后向轨迹模式, 模拟不同过程的水汽输送粒子(气块)的后向轨迹, 从而诊断到达该区域的水汽输送路径以及可能的水汽源区。结果表明, 水汽路径可以分为3条: (1)南支输送: 来自印度洋、 阿拉伯海的水汽, 通过印度半岛、 孟加拉湾, 从青藏高原西侧和南侧进入; (2)东支输送: 来自太平洋、 南海等地的水汽从华东/华南地区, 途径长江流域, 从青藏高原东侧或者南侧进入; (3)北支输送: 来自大西洋、 非洲大陆北部和欧洲大陆的水汽, 穿过中纬度亚欧大陆, 从青藏高原西部或者北部进入。在干旱时期以北支为主, 湿润时期以南支、 东支为主。水汽源地在不同时期的表现也各不相同, 其中青藏高原上的水汽源地在湿润时期主要分布在昆仑山脉附近, 演变时期则南北零星分布, 而干旱时期更加偏北集中在天山附近, 伊朗高原、 帕米尔高原及孟加拉湾的水汽源地强度从湿润到干旱时期逐渐增强, 四川盆地-秦岭、 华南的水汽源地强度先增强后减弱, 而祁连山-黄土高原先减弱后增强, 印度半岛、 长江中下游及华东附近的水汽源地强度则是从湿润时期到干旱时期一直减弱。