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冰冻圈变化及其影响研究

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项目通讯2015第1期

时间:  2015-01-12 14:08  点击:   次
    国家重大科学研究计划“冰冻圈变化及其影响研究”在“冰冻圈变化对典型流域水资源变化的影响评估、欧亚大陆积雪属性分析及青藏高原积雪产品开发、积雪和冻土过程耦合一维陆面模型开发”等研究方面取得显著进展
 
    国家重大科学研究计划“冰冻圈变化及其影响研究”项目紧密围绕项目总体目标,经过两年时间,在“冰冻圈变化对典型流域水资源变化的影响评估、欧亚大陆积雪属性分析、青藏高原积雪参数反演算法改进和产品开发、大气环流变率与海冰消融可能性联系、水体对北极苔原多年冻土变化的影响、积雪和冻土过程耦合的一维陆面模型开发、区域模型对南极气候的模拟”方面进展显著。
(1)冰冻圈变化对典型流域水资源变化的影响评估
    采用自行研制的、基于中国高寒区多种研究成果的、具有自主产权意义的高寒区水文模型hulu,对数据和研究基础较好的祁连山黑河山区流域1960~2013年水文过程进行了较好模拟。研究结果发现:①冰川融水:黑河冰川融水比例3.5%并呈增加趋势,1960~2013年间增加了约8.4%,年径流及其差积曲线变化以及模型敏感性分析,清晰地显示了冰川的调丰补枯作用(图1)。根据cmip5之ccsm4、csiro_mk3.6.0、gfdl_cm3、giss_e2_r、miroc5和miroc_esm等6个模式合成集合模式的预估结果,在rcp4.5排放模式下,冰川融水径流呈现显著增加趋势,到2030年增加量约30%(相对于1980~2010平均)。②积雪融水:1960~2013年期间,黑河山区流域积雪融水平均比例为8.2%,融水径流呈不显著增加趋势,54年间增加了约18.4%。积雪也存在一定的调丰补枯作用。据cmip5预估结果,积雪融水径流也呈显著增加趋势,到2030年增加量约17.6%(相对于1980~2010平均)。③冻土退化。若多年冻土完全转变为季节冻土,则流域径流先增后减且波动剧烈,流域枯水径流增加,冻土对流域径流具有重要的调节作用。
 
图1 冰川变化对黑河山区流域水资源的影响
(a)1960~2013年冰川融水及其模比差积曲线变化;(b)冰川完全消失后流域月、年径流量变化;(c)cmip5情景下冰川融水径流变化
(2)欧亚大陆积雪数据集的构建和积雪属性分析
    在以往的积雪属性分析当中,都是利用遥感数据在大陆尺度上对积雪深度、积雪时间、积雪密度和雪水当量等积雪属性进行的分析研究,但利用地面观测资料构建整个欧亚大陆(包括前苏联地区、蒙古和中国)积雪属性数据集尚属首次(图2)。通过数据集的建立,项目首次对欧亚大陆实地观测积雪属性在大陆尺度上进行了空间分布和时空变化特征的分析工作。此工作的完成,不但系统探讨了该地区积雪的分布和变化情况,同时作为数据积累,也为遥感数据分析结果提供有力数据支持和验证基础。同时在大陆尺度上的积雪属性特征分析,也为气候、水文等模型的模拟研究提供了有力数据支持。
 
 
图2 欧亚大陆积雪数据集
    李培基和米德生在1983年提出了对稳定积雪和不稳定积雪的划分方法,他们提出利用累计积雪天数作为划分标准,当多年平均累计积雪天数超过60天为稳定积雪,不足60天为不稳定积雪。不稳定积雪又以10天作为划分依据,当累计积雪天数超过10天,为周期性不稳定积雪,不足10天为非周期性不稳定积雪。该种划分方法仅考虑了累计天数,但对积雪在地面的持续性和稳定性问题考虑的较少,并且由于受到当时数据条件所限,该方法仅应用于中国范围内。本课题研究在原有划分方法基础之上,考虑到积雪在地面停留时间,以及对稳定和不稳定积雪的定义及其特点,对积雪类型划分方法进行了重新定义,采用连续积雪天数作为判定依据,当多年平均连续积雪天数超过30天,称为稳定积雪,不足30天定义为不稳定积雪。同时将连续积雪天数10天作为划分周期性不稳定积雪和非周期性不稳定积雪的依据。通过该方法的应用,合理地展示了积雪累积的真实情况,此种划分方法更符合对于稳定积雪和不稳定积雪的定义,同时也充分展示了积雪稳定性和持续性特点。此外,此方法也是首次应用于对整个欧亚大陆的积雪类型划分当中。通过两种方法的比较,发现划分结果在蒙古和中国存在较大差异(图3)。
 
 
图3 连续积雪天数(a)和累计积雪天数(b)划分欧亚大陆积雪类型
(3) 山区光学积雪遥感制图去云算法研究
    利用modis逐日积雪产品(mod10a1、myd10a1),结合青藏高原地区数字高程模型以及amsr-e(advanced microwave scanning radiometer-earth observing system)/aqua每日雪水当量产品,综合已有研究成果,发展了一套基于光学积雪遥感的去云算法,得到modis每日无云积雪图像(图4),对提高研究区积雪覆盖监测精度具有重要的应用价值。
 
 
图4青藏高原modis无云积雪图像合成modis积雪面积比例制图算法改进
    对合成的最终逐日积雪产品精度分析表明,积雪一致性达到87.1%,陆地一致性达到92%,总体分类精度为90.7%。如果去除台站雪深观测小于3cm的样本数据,积雪合成图像的精度将达到91.7%。基本上达到了modis标准积雪产品在晴空状况下的精度,说明本逐日积雪合成去云算法在青藏高原地区完全适用,可以用作雪盖面积的动态监测。该项研究已建立了青藏高原基于该去云算法的2002-2010年共计8年的modis逐日无云积雪产品,该数据集发表在中国西部环境与生态科学数据中心,供广大积雪研究学者免费下载使用(http://westdc.westgis.ac.cn),该数据集的名称为:青藏高原地区modis逐日无云积雪产品数据集(2002-2010)。
(4)研究揭示了过去33(1979-2012年)个冬季欧亚大陆逐日大气环流变率的优势天气型的时-空变化特征,及其与北极海冰消融的可能联系
    研究发现,冬季欧亚大陆对流层底层逐日风场变率的最优模态包含两个截然不同的子模态:偶极子和三极子型。该三极子型在上世纪80年代后期表现出显著的趋势,反应了欧亚大陆高纬度地区气旋性环流异常的频率显著减少,反气旋性异常的频率呈增加趋势。三极子异常的负位相对应一个异常反气旋位于欧亚大陆的北部地区,同时,两个气旋性环流异常分别出现在欧洲南部和东亚的中、高纬度地区。导致冬季降水在这两个区域增加,以及在东亚中、高纬度地区冬季表面气温的负异常。研究发现,该三极子风场型的强度,以及其极端负位相出现的频率均与秋季北极海冰异常有密切的关系。数值模拟试验结果表明,冬季大气环流对北极海冰减少的响应与该风场型的演变趋势是一致的,进而导致在亚洲大陆的中、东部地区降温趋势。该研究表明,海冰消融将有利于更强、更频繁的极端天气事件发生(图5)。
 
 
图5 北极海冰消融如何影响欧亚大陆冬季表面气温和降水的示意图
(箭头表示在对流层底层与冬季三极子风场负位相对应的异常气旋和反气旋空间分布,褐色线表示冬季500 hpa等位势高度线,黄色和绿色区域分别代表冬季降水偏少和偏多,红色和紫色区域分别表示正、负表面气温异常)
(5)揭示水体对北极苔原多年冻土变化具有重要影响
    在陆地生态系统模式(tem)中加入了水体,并利用北极samoylov岛上不同深度的水体下的观测进行了验证,结果表明tem模式能够模拟水体的差异对冻融过程的影响。在当地气候条件下水体深度超过2米会形成不冻层,而水体深度少于1米则其下土壤则会有冻融季节变化(图6)。该工作为进一步在生态模式中模拟甲烷排放打下了坚实基础。
 
 
图6 利用tem模式模拟的samoylov岛不同下垫面下土壤冻融过程
注:1) 多边形的脊;2)多边形的中心;3)1米深的小水体;4)6米深的热融湖塘;纵坐标为深度,0代表土壤表面或者土壤和水体的交界处;红色和蓝色分别表示土壤中的融化面和冻结面;黄色和绿色分别表示水体中的融化面和冻结面
(6)构建耦合积雪和冻土过程的一维陆面模型,并在青藏高原典型区开展验证
    根据青藏高原冻土广泛分布的特点,选取积雪极少的阿里站和积雪较多的黑河上游冰沟站开展积雪和冻土耦合陆面模式的验证。结果显示,耦合陆面模型合理的描述了积雪和冻土的耦合水热过程,并可以明确区分积雪与冻土参数化各自对土壤水热模拟的贡献(图7)。
 
 
图7 物理性积雪和冻土耦合陆面模型
该模型包含基于能量平衡的冻土参数化和三层积雪模快,既考虑了太阳辐射在雪层中的衰减,也考虑了非承压地下水对上层土壤的水分补给,为下一步与全球气候模式(gcm)耦合奠定了基础。
(7)区域模型对南极气候的模拟
    通过polar wrf与wrf对南极气候的多年模拟比较显示,polar wrf和wrf对南极的模拟能力相当,与自动观测站2 m观测气温相比,两个区域模式比再分析资料merra和cfsr更接近观测(图8)。通过评估区域模式wrf在南极地区的降尺度能力,利用了era-interim、cam3、cam5及waccm再分析资料及全球模式结果驱动区域模式wrf,发现降尺度后2 m气温结果好于未降尺度资料。与卫星观测相比,wrf模式降尺度后的降水在空间分布上有所提高。此外,还评估了wrf模式南极地区云气候特征的模拟,以calipso卫星观测为参照,morrison方案的模拟优于wsm5,垂直分辨率的影响相对较小。图9显示,南极不同地区及沿海各海域云的垂直分布特征。wsm方案模拟的云量整体偏少,morrison方案对高云模拟偏多偏薄。
 
 
图8 polarwrf 和wrf对南极地区2 m气温的模拟比较
 
 
图9 基于cosp模拟器评估wrf模式对南极地区云气候特征的模拟
 
 
 
本期责任编辑:王文华,王世金,上官冬辉,赵传成

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