冰冻圈科学国家重点实验室-凯发官方

|

重大进展

您现在的位置是:凯发app官网登录主页 > 科研成果 > 重大进展 >

2016科研进展

时间:  2017-03-20 08:50  点击:   次
  2016年,冰冻圈科学国家重点实验室科研人员在冰冻圈过程、机理和模拟,冰冻圈与其它圈层相互作用,冰冻圈灾害、影响与适应对策和极地冰冻圈研究等研究方向上共发表137篇学术论文,其中sci论文101篇。主要科研进展如下:

1、冰冻圈过程、机理和模拟方面研究进展

1.1天山冰川处于退缩趋势
  乌鲁木齐河源1号冰川是世界冰川监测服务处(wgms)中的唯一的一条中国监测冰川,也是我国监测资料最为完整的一条冰川,提供了最长的冰川学和气候学监测记录。2012年,采用rtk-gps对该冰川进行了详细的测量,并制作了地形图。与此同时,采用了探地雷达进行了冰川厚度测量。此外,冰川末端变化和物质平衡至今每年都进行了连续观测(图65)。结果显示,2012年乌鲁木齐河源1号冰川总面积1.59 km2,东支和西支冰川面积分别为1.02 km2和0.57 km2。1962年到2012年,冰川面积减小了0.31 km2。2012年平均冰川厚度为44.50 m,1981-2012年,冰川厚度平均减薄0.34 m a-1。该冰川的缩小主要是由于气候变暖,尤其是夏季气温的上升。东西支冰川地形特征直接造成了乌鲁木齐河源1号冰川两支的末端退缩、厚度减薄、面积缩小特征的差异。分析显示,该冰川至少在未来的近十年还将持续退缩,源于对气候变暖的响应需要持续一定时间。
 
图65 乌鲁木齐河源1号冰川东西支冰川末端变化
  针对天山奎屯河流域哈希勒根51号冰川厚度分布、面积、末端和速度变化开展了研究。探地雷达测量结果显示,哈希勒根51号冰川最大厚度为73 m,平均厚度为39 m。1964-2010年,冰川面积由1.48 km2缩小到1.32 km2,缩小比率为10.8%,末端年均退缩2.3 m a-1(图66)。相比之下,哈希勒根51号冰川在我国天山的冰川面积变化是相对较小的,但其储量减小较大,相当于在20世纪80年代到2010年储量损失了30%。2000-2006年,观测的冰川运动速度介于1.5-3.1 m a-1。持续的冰川退缩主要归因于局地的气温显著升高,这对流域水资源必将起到非常重要的影响。
 
图66 哈希勒根51号冰川厚度分布及末端变化
 
  天山博格达峰地区冰川面积快速缩小和储量损失,直接造成我国干旱区及周围水资源匮乏问题。了解冰川厚度和变化对冰川储量变化分析非常重要,直接关系到区域水文水资源。扇形分流冰川和黑沟8号冰川分别位于博格达北坡和南坡。本研究基于2009年测量结果和前人研究结果,对这两条冰川厚度分布、冰川面积和储量的变化进行了讨论(图67)。结果显示,扇形分流冰川2009年冰舌平均厚度约82.3 m,冰储量385.2×106 m3。从1962年到2009年,冰川减薄14±8 m(0.30±0.17 m a-1),相当于冰川储量损失65.5±37.4×106 m3。2009年黑沟8号冰川冰舌平均厚度58.7 m,冰川储量115.1×106 m3。1986年到2009年,黑沟8号冰川冰舌减薄13±6 m(0.57±0.26 m a-1),相当于冰川储量损失25.5±11.8×106 m3。相比之下,黑沟8号冰川厚度减薄和退缩要强于扇形分流冰川,这主要是由于地形特征差异所造成。这种差异主要源于博格达南坡的气温升高要强于北坡。
 
  上述成果发表在《arctic antarctic and alpine research》,《environmental earth sciences》以及《journal of applied geophysics》等国际期刊上。
 
图67 天山博格达北坡扇形分流冰川和南坡黑沟8号冰川变化对比
 
1.2 冻土水热过程及其对气候的响应研究进展
  围绕中亚高海拔多年冻土空间分布格局及变化、多年冻土活动层水热循环过程和物理机制、多年冻土对气候变化响应过程和机理、高海拔多年冻土变化状况综合评估和预测等主要研究内容,利用建立的覆盖中亚不同类型多年冻土的综合监测网络获取的大量现场监测资料,从地表能量收支、活动层冻融过程中热通量和热物理参数变化、活动层水热过程模拟和多年冻土温度场变化规律模拟等多个方面对多年冻土水热过程及其对气候变化的响应机理进行研究,具体进展简述如下:

(1)完成了中亚地区多年冻土监测网络的构建和多年冻土数据库建设
  虽然青藏高原地区的多年冻土定位监测历史已经有60多年,然而过去大多数的监测工作集中在青藏公路沿线和青康公路沿线,广大的高原腹地开展的工作相对很少。项目启动以来,结合近年来项目研究团队在西昆仑地区、改则地区、清水河-不冻泉沿线、杂多地区、温泉地区和阿尔金山地区等典型多年冻土区开展的冻土调查工作,项目组在这些典型区布设多处定位监测系统。目前,本项目对青藏高原地区的多年冻土实现了自东向西从黄河源区至阿里地区,自北向南从阿尔金山地区到冈底斯山北坡的网格化定位监测,覆盖范围广大,全面实现了对青藏高原复杂地形下多年冻土的发育环境和变化过程的系统监测。青藏高原地区已经建设完成了包括10个综合气象站(监测内容包括多层风温湿、气压、降水量、辐射通量、雪深、地表红外温度、浅层土壤热通量、活动层水热、多年冻土温度等,部分气象站包含涡动相关项目监测)、19个活动层水热监测场和140个地温监测孔在内的多年冻土综合监测网(图68)。青藏高原多年冻土监测网,加上天山、祁连山地区的多年冻土监测点,以及通过国际合作方式在西天山和蒙古高原开展的多年冻土监测,已经形成了一个基本覆盖中亚多年冻土分布区的冻土监测网络,为课题和项目的开展提供详实、可靠的数据支持,并为今后相关学科的研究提供帮助。
 
图68 青藏高原多年冻土监测场分布图
  收集和整理了青藏高原地区、天山地区和蒙古国原有的多年冻土监测资料,并通过目前构建的监测网络获取了大量的最新监测资料。对收集和获取的进行了规范化整理,所有监测资料都已录入青藏高原多年冻土数据资料信息系统。信息系统包含钻孔、物探、土壤、植被、监测数据等5种逻辑大类,10个数据子类的数据。同时,数据库提供了列表、图表、地图等一系列数据可视化手段显示这些数据。部分资料的入库工作已经完成,可以在网上实现资料查询和数据下载。项目累积收集各种数据资料总量约60g。全部数据已按规范纳入数据库进行管理,大部分数据资料可以在课题内共享,部分数据资料可在线申请和通过授权对外开放和共享。

(2)通过对高精度连续资料的统计分析,在地表能量平衡、活动层冻融过程以及多年冻土热状况等方面取得了新的认识
  以tesebs模型为基础,简化向下短波辐射参数化方案,改进地表土壤热通量参数化方案和冰川与冻土的划分方案。通过线性插值、tdec和shaw模型联合对比求取地表土壤热通量,给出其在高原多年冻土区裸土上初步的参数化方案,估算了夏季青藏高原地区地表辐射通量,结果显示改进后的模型能够成功模拟高原地区的能量收支.

  对活动层冻融过程中土壤热参数研究发现,地表能量与活动层融化深度之间的变化过程存在幂函数形式的统计关系,这种统计关系与斯蒂芬方程给出的关系基本一致(图69)。活动层土壤热参数如土壤导热系数、热扩散系数在融化期和冻结期存在显著的差异,夏、秋季土壤导热系数和热扩散系数大于冬季,而土壤体积热容量在秋季和冬季要高于夏季(图70)。这些监测结果与传统理论认识正好相反,分析其原因主要与青藏高原地区土壤含水量较小,土壤密实度以及土壤盐渍度有关,而在融化状态下则主要与土壤含水量有关。对活动层土壤水分变化的研究表明,土壤水分在冻结期内较为稳定,而在融化期内波动较大,在冻结期,水分向上下两个冻结锋面迁移,而活动层中部则被疏干;在融化期,活动层底部水分含量高,水分向相变界面附近迁移。

  利用多年冻土地温连续监测资料,对青藏公路沿线多年冻土地温年变化深度、土壤热扩散系数等特征值统计表明(图71),地温年变化深度与地温本身密切相关, 高温多年冻土热扩散率小,地温年变化深度浅,而低温多年冻土正好相反。统计表明青藏公路沿线平均地温年变化深度仅为8.5m,有四个点的深度小于4m,这一结果彻底颠覆了传统上认为年变化深度在10-15m的结论。
 
图69 地表能量积累和融化深度的关系
 
图70 多年冻土活动层土壤热参数变化
 
图71 青藏公路沿线观测点地温年变化深度统计结果
(3)基于定位监测和野外考察资料,对目前在冻土学领域应用广泛的colm模型、noah模型和coupmodel进行了改进,修改了模型内部部分参数方案,使其能更好地应用于青藏高原等高海拔多年冻土区活动层的冻融过程模拟。针对冻土地温变化及冻土退化方式,基于经典的热传导方程、能量平衡方程,自行开发并构建了多年冻土地温变化的数值模型,开展了青藏高原地区多年冻土退化过程的数值模拟
  基于观测和研究的结果,对colm模型的结构和参数化方案进行了四方面的调整和改进:改进了冻融过程参数化方案;扩展了模拟深度;调整了模型的下边界条件;并调整积雪参数化方案(图72)。建立了针对以上多年冻土区的土壤、植被和热粗糙度的参数化方案,为耦合气候模型模拟青藏高原冻土区对气候变化的响应和反馈奠定基础。

  评价了noah模型和coupmodel模型在高寒地区的适用性,提出了对noah模型的驱动数据、土壤参数化方案和陆面能量分配过程等方面的改进。改进后的模型对土壤含水量和温度的模拟能力得到很大地改善;对于辐射通量各分量的模拟效果也都有所提高(图73)。

  针对冻土地温变化及冻土退化方式,基于地温描述方程和升温率估算方程等,自行开发并构建了多年冻土地温变化数值模型,对地温升高趋势下地温包络线形态和年变化深度减小的趋势进行了成功的模拟(图74)。
 
图72 改进的和原colm模型模拟的土壤温度与观测值的对比
 
图73 coupmodel模型模拟的唐古拉土壤温度(虚线)与日平均观测值(实线)(℃)
 
图74 不同地温条件下地温剖面形态以及年变化深度的变化趋势(左图为模拟,右图为观测)
(4) 基于青藏高原多年冻土区钻孔监测资料综合分析,对多年冻土地温对气候变化的响应、多年冻土的退化方式进行了综合分析和评估
  高温多年冻土区(年平均地温高于-1℃)由于冻土强烈的消融消耗了大量的潜热,导致大量的能量消耗在活动层和冻土层上部,从而使冻土内部年变化深度和热扩散率普遍较小(图75)。多年冻土地温对气温变化的响应敏感性降低,局地因素和微气候因素对多年冻土的作用被放大而凸显出来。多年冻土本身所处的温度条件对冻土升温速幅度和退化方式有十分重要的影响(图76)。

  随着多年冻土地温的升高,冻土内部地温分布格局的调整,将导致多年冻土自上而下和自下而上两个方向的退化加强,最终导致多年冻土的完全退化。多年冻土的退化将首先从下限位置开始,自下而上的退化将是导致冻土消失的主要方式;青藏高原地区的多年冻土退化将是一个缓慢的过程,即使在地表温度高于融点时,青藏公路沿线大多数观测点的冻土消失仍需要千年以上。
 
图75 多年冻土地温与年变化深度关系散点图
 
图76 多年冻土地温年变化深度与地温上升速率的关系散点图
(5) 以jra-55和era-interim两种再分析气温资料和气象站实测资料为基础,通过回归分析方法对海拔高度、地形和植被以及不同季节大气边界层逆温结构等的影响进行了校准处理,评价了再分析资料在青藏高原地区、蒙古国地区的适用性
  经过校准的资料为开展大尺度多年冻土变化模拟工作提供了比较可靠的资料基础。目前,整理完成的再分析资料校正数据覆盖了青藏高原地区和蒙古国大部分地区,空间分辨率1.25°×1.25°。青藏高原地区的时间序列为1958-2013年,蒙古国境内数据集时间序列为1987-2006年,均可提供逐月均值。

  上述研究成果发表在《cold regions science and technology》,《international journal of heat and mass transfer》,《meteorology and atmospheric physics》以及《environmental engineering science》等国际期刊上。

1.3青藏高原大气和冰川区黑碳的来源研究进展
  通过对跨越喜马拉雅山脉中段两条监测断面和青藏高原的8个台站气溶胶样品和8条冰川雪坑样品的大范围采样,利用黑碳的14c组成分析了黑碳的化石燃料和生物质燃料的相对贡献。位于尼泊尔南部的蓝毗尼站(lm)的黑碳气溶胶14c组成与之前报道的南亚数据一致,自南向北随着海拔的升高和大气黑碳绝对含量的降低,黑碳的生物质燃烧贡献逐渐增大(图77a)。冰川雪坑中黑碳的14c组成在区域上存在显著差异:在青藏高原东北部的祁连山老虎沟12号冰川(lh)雪坑中,黑碳具有最大的化石燃料贡献(66%),这与中国的总体状况比较接近;喜马拉雅山脉南坡的thorung冰川(th)雪坑中黑碳的化石燃料贡献 (54%)与南亚的比率一致;高原中部的小冬克玛底冰川(tg)黑碳主要来自生物质燃烧(约70%)(图77b)。因而,气溶胶和雪坑均显示从高原边缘到内陆生物质燃烧对黑碳的贡献逐渐增大,表明生物质燃烧排放的黑碳对青藏高原气候和冰冻圈具有更多的影响。此外,综合分析14c和13c的组成进一步区分了不同冰川区生物质、煤和液态化石燃料燃烧排放黑碳的相对贡献(图78)。该研究界定了喜马拉雅山脉和青藏高原地区不同燃料对黑碳的贡献,为相关国家制定黑碳减排政策提供了明确的指导。以上成果发表在《nature communication》上,引起国内外同行广泛关注。
 
 图77 a: 跨越喜马拉雅山脉中部两个断面的大气黑碳含量和化石燃料贡献的比率;b: 冰川雪坑黑碳的化石燃料贡献比率
 
图78 生物质燃料、煤和液态燃料燃烧排放对青藏高原雪坑黑碳的相对贡献

1.4青藏高原东北部冰芯气候记录及其大气环流分析研究
  以冰芯为介质重建历史气温和降水变化是古气候领域较为成熟的研究方向。利用祁连山西段老虎沟12号冰川钻取的20.12m浅冰芯重建了青藏高原东北部的气候变化,并与周边气象台站的器测资料进行趋势、周期方面的比较,确认了其区域的气候意义。结果显示:老虎沟冰芯能够较好的记录气候区域尺度的极端事件,其波动较低海拔地区更为剧烈。大气环流分析显示(图79):年际尺度,冰芯净积累量与500hpa中亚位势场高度和气压存在时空正相关,且与nao正相关,揭示出西风环流对降水的促进作用;与500hpa蒙古地区出射长波辐射和经向风存在时空负相关,表明蒙古气旋增强不利于北极冷气团的向南输送,减少祁连山西段的降水。另一方面,老虎沟冰芯氧稳定同位素比率与蒙古地区500hpa的出射长波辐射和经向风存在时空正相关,揭示出蒙古气旋增强阻碍北极冷气团南侵,利于增温(图80);同时利于西风北跳,减少高原西部冷空气输送,也利于增温。总之,高原东北部气候变化主要受西风环流和蒙古气旋影响。其中,西风环流增强利于降水、抑制增温,而蒙古气旋增强则抑制降水、利于增温。以上成果发表在《environmental earth sciences》和《sciences in cold and arid regions》上。
 
图79 老虎沟冰芯净积累量与1960-2006年5-9月500hpa位势场高度(a)、气压(b)、经向风(c)和出射长波辐射(d)空间相关和时间比对(e)
 
图80 老虎沟冰芯氧稳定同位素(e)与1960-2006年5-9月500hpa出射长波辐射(a,d)、经向风(b,c)时空比对

1.5树轮气候学及树木生长变化研究进展
  自工业革命开始,全球气候变化呈现出一种更快速、更剧烈的变化趋势。树木年轮作为一种易获取的高分辨率、强连续性的精确气候代用指标,弥补了仪器观测时间较短和地质记录相对粗糙的缺点,为气候变化研究提供了大量科学数据。森林生态系统与气候系统联系紧密,在气候变化愈演愈烈的过程中受到广泛关注。将树轮年代学方法与气候学和生态学方法相结合,可以为探究气候变化过程中森林生态系统对全球变化响应和适应机制这一全球变化研究中的关键科学问题提供方法。近年来,围绕上述科学问题,以树木年轮宽度和稳定同位素为主要研究手段,以中国西部的气候变化记录及森林生长动态变化为主要研究内容,以森林生长对气候变化的响应和适应机制的探讨为重点,取得了多方面具有独特性和创新性的成果,具体如下:

(1)青藏高原东北部千年树轮δ13c序列反映温度信号不稳定性
  青藏高原东北部多条千年时间尺度祁连圆柏树轮δ13c序列的气候响应分析表明,树轮稳定同位素在较长时间尺度上反映的气候信号可能存在不稳定性。首先,1956-2008年,树轮δ13c与生长季温度显著正相关;然而1901-1955,该显著相关关系缺失,甚至在此期间与温度变化呈负相关关系。其次,这种气候信号的不稳定性也在树轮δ13c千年序列与亚洲温度重建数据比较中进一步被确认。此外,滑动相关分析和多频率分析表明,树轮δ13c和δ13o之间的关系也不稳定。基于双同位素概念模型发现树轮δ13c和δ13o显著正相关时,主要受到气孔导度限制,而两者关系不显著时,光合速率作为主导因子控制树轮稳定碳同位素分馏。

(2)基于高分辨率树轮δ18o揭示了藏东南地区氧同位素的特殊年内变化型,并利用机理模型分析了影响树轮δ18o年内变化的控制因素;探讨了年内变化型与印度季风季节变化的关系。
  藏东南色季拉山长苞冷杉高分辨率δ18o存在明显的年内变化型。生长季开始时最高,随后降低,在晚材时期达到最低值,当达到一个临界值后,在有些年出现上升趋势(2008和2011年)。这种年内变化型与当地的降水氧同位素季节变化存在很高的一致性。基于同位素机理模型发现长苞冷杉的氧同位素季节变化主要受降水稳定氧同位素影响。该区域生长季降水同位素值主要受印度季风影响,因此可利用树轮年内稳定氧同位素型来揭示印度季风的季节推进过程(图81)。在季风早期,降水量和湿度相对较低,源水和叶片中氧同位素富集,使得树轮中稳定氧同位素值偏高;随着季风的不断推进,降水和相对湿度不断增加,源水氧同位素亏损,叶片富集效应减弱,使得树轮稳定氧同位素值不断降低。
 
图81 树轮δ18o与印度季风季节变化关系图

(3)基于树木年轮宽度资料重建了青藏高原东北缘1740年来的温度变化历史,探讨了该区气温变化与东亚冬季风及火山事件间的潜在联系;分析了气候环境变化对该区森林生长及种群更新的影响机制。
  基于青藏高原东北缘重建温度序列发现,近百年来,尤其是1980s以来,该区气温变率在增大。气温变率增加可能与1970s末以来东亚冬季风不稳定性增加以及全球急剧升温造成北半球海冰的大量消融导致北半球气候系统不稳定性增强有关。火山事件对该区气温存在短时间尺度(约1~3年)的影响,是该区极端降温和低温事件发生的原因之一。

  干湿状况和温度分别是祁连山中部青海云杉径向生长和种群更新的主要限制因子。但是,气候变化对青海云杉径向生长和种群更新的影响存在海拔效应,青海云杉径向生长和种群更新对气候变化的敏感性随海拔升高而降低。
祁连山中部处祁连圆柏和青海云杉林线的更新模式在更新速率和异地同步性两个方面均存在明显差异。温度对青海云杉和祁连圆柏林线更新有重要影响,但与青海云杉林线更新动态与温度变化步调一致不同的是,随着祁连圆柏林线林线发展,林木密度由低到高,温度与祁连圆柏林线更新的响应关系出现了由正相关到负相关的转变。

  以上成果在sci收录的国际专业学术期刊(包括地学一区top期刊earth and planetary science letters,地学二区期刊global and planetary change和地学二区期刊international journal of climatology等高水平刊物)上发表论文6篇。

2、冰冻圈与其它圈层相互作用方面研究进展
 
2.1 冻土区高寒草地生态系统变化观测与恢复示范
  受气候变暖影响,多年冻土退化势必导致高寒草地生态系统群落盖度、物种多样性、生产力和载畜能力下降,土壤盐渍化和粗砺化加剧,冻土土壤温室气体排放量增加,逆向演替过程加剧等。可见,多年冻土区生态环境问题已日趋严峻,环境、资源与发展的矛盾日益突出。然而,在青藏高原多年冻土区有关冻土退化过程中草地生态系统的变化动态依然不明晰,温室气体排放量变化首先因忽视了非生长季状况而在年估算方面存在较大的偏差,极重度退化草地的植被重建人工恢复示范研究极为缺乏。为此,在青藏高原地区大范围野外调查取样,以及高原东北缘疏勒河上游多年冻土区高寒草地生态系统观测与示范基地的建立等工作,为解决相关科学问题奠定了研究基础。本年度取得的主要科研成果如下:

(1)多年冻土退化对高寒草地生态系统碳密度的影响特征  
  疏勒河上游地区多年冻土退化过程中,活动层浅层土壤有机碳、生物量碳和生态系统碳密度先增加后降低,而无机碳密度呈增加的趋势;高寒沼泽草甸和高寒草甸土壤有机碳、地下生物量碳、总生物量碳和生态系统碳密度逐渐降低,土壤无机碳和地上生物量碳密度在高寒沼泽草甸增加,而在高寒草甸先增加后降低;高寒草原土壤有机碳、无机碳和生态系统碳密度先降低后增加,地下生物量碳和总生物量碳逐渐增加,而地上生物量碳密度呈显著降低趋势。
 
(2)高寒草甸生态系统对otcs模拟增温的响应特征  
  2012-2016年otcs模拟增温导致生长季内土壤表层温度升高,而对土壤水分的影响不大,地上和地下生物量有所增加;土壤有机碳和全氮密度均升高,而年际间差异不显著(图82);在月尺度上,6-8月生态系统呼吸显著升高(图83),除2013年9月以外,其余年5月和9月生态系统呼吸增加,但不显著;生长季系统呼吸速率表现出随温度指数增加的趋势,但是随着增温年限的增加,系统呼吸速率与温度的相关性呈下降趋势。同时,增温处理使得q10值表现出先增加后降低的趋势。
 
图82 增温和对照条件下土壤有机碳和全氮密度
 
图83 高寒草甸增温和对照条件下生态系统呼吸月变化

(3)不同冻融期土壤温室气体排放通量研究  
  基于不同冻融时期土壤温室气体排放量的观测研究发现,高寒草甸和高寒草原化草甸n2o最大排放通量出现在完全冻结期,ch4最大吸收量和co2最大排放通量均出现在完全融化期,此变化的主要影响因素为土壤水热盐条件;年度估算发现高寒草甸和草原化草甸土壤n2o年均排放量分别为21.34和10.18 μg•m-2•h-1,ch4年均排放量分别为-22.37和-71.31 μg•m-2•h-1,co2年均排放量分别为168.86和109.84 mg•m-2•h-1。整年度而言,两种高寒草甸类型土壤温室气体年通量表现为n2o和co2的“源”、ch4的“汇”,其中非生长季(冻融期和完全冻结期)n2o和co2排放量在年度温室气体排放量中占据重要份额。

(4)斑块和啮齿动物对高寒草甸的影响  
  采用em50和双水头渗透计(dualhead infiltrometer)对高寒草甸不同下垫面:大、中、小斑块、原装草地、鼠兔洞道、鼠丘和鼢鼠丘的土壤水热和饱和导水率进行测定,同时取样分析不同下垫面生物量,结果表明:(1)不同下垫面土壤温度差异不显著,但是大斑块和中斑块土壤水分显著高于其他下垫面,鼠丘和鼢鼠丘水分含量较低(图84)。(2)原状草地和鼠丘洞道生物量显著其他下垫面类型,大斑块生物量最低;鼢鼠丘和鼠丘饱和导水率显著高于其他下垫面,中斑块饱和导水率(图85)。
 
图84 不同下垫面土壤温度和水分特征
 
图85 不同下垫面地上/地下生物量、饱和导水率特征

(5)多年冻土区“黑土滩”型退化草地植被恢复示范研究  
  基于疏勒河上游多年冻土区“黑土滩”型极重度退化草地严寒、大风等(气象观测资料显示年最低温达-21.8℃,年均温-3.6℃;最大风速达15.2 m•s-1,年均风速3.9 m•s-1)恶劣气候条件,选用适宜于高原寒区的耐寒乡土种并埋深5 cm左右,建植次年调查发现植被群落盖度增加约46 %,禾本科类地上生物量提高90.67 g/m2(图86)。可见,植被重建人工恢复试验已初步取得良好效果;另外,也针对“黑土滩”型退化草地重碱性、高钙和低养分等的土壤条件,初步开展了微生物改良菌剂的研发试验,室内四个月的预实验表明卷枝毛霉菌和矢野鞘氨醇菌等四类微生物菌悬液和麦草粉的添加显著提高了土壤有机碳和全氮养分含量(分别增加约0.95 g•kg-1和0.05 g•kg-1),该研究预计今后在植被恢复方面取得技术突破。以上成果发表在国际知名期刊《the cryosphere》上。
 
图86 人工建植前后对比

2.2陆面过程模式clm3.5对青藏高原中部那么切陆面过程的模拟与改进
  陆面模式对陆面过程描述的准确性直接决定了气候模式对气候模拟效果的好坏。以青藏高原中部那么切站观测的气象资料为大气驱动数据,利用三种不同的土壤导热率参数化方案修改了陆面模式clm3.5中导热率和地下水参数,比较了观测资料与clm3.5原始的水热参数方案(farouki方案)、johansen和luo导热率方案以及地下水模型参数化方案(jn和ln方案)的模拟结果,发现三种方案对土壤中下层的土壤温度模拟较好,但对10层土壤温度的模拟均偏大。修改后的方案对土壤温度的模拟显著提高了(图87)。三种方案模拟的消融日数偏多,冻结日数偏少。jn方案冻结和消融更快,且模拟的冷舍偏小。模拟的土壤导热率在完全冻结时小且稳定,在完全消融时大且波动大,导热率随深度增加而增大。三种方案在浅层4-20cm土壤的导热率相差不大,深层土壤farouki的导热率是明显偏大的。farouki的土壤导热率值在整个模拟期都是最大的,jn方案的最小。三种方案对地表4cm和20cm的土壤体积含水量模拟效果较好。在60cm深处,farouki方案的模拟效果最好,略偏小(-0.01m3/m3),在100cm以下对土壤体积含水量的模拟平均偏大,考虑了土壤柱与地下蓄水层的水交换(jn和ln方案)使得土壤体积含水量在土壤冻结时比较大,但模拟值更加接近观测值,ln方案模拟的土壤体积含水量更为接近观测(图88)。
 
图87 观测和模拟的日平均土壤温度变化(2010年11月-2012年5月)
 
图88 三种方案模拟与观测的逐日土壤体积含水量(m3/m3)

2.3 改进的土壤水热参数化方案对青藏高原气候模拟的影响
  将改进了土壤导热率和地下水模型的陆面模式clm3.5耦合到区域气候模式regcm4中,通过设置相同的大气初始和侧边界条件、模拟范围、空间分辨率和积云对流参数化方案,利用原始的模式(or)和修改后的区域气候模式(rr)对青藏高原进行气候模拟,对比研究土壤水热参数化方案对高原气候模拟的影响。结果表明:相比较观测资料,两个气候模式(or和rr)对年平均气温的模拟一致偏低,分别偏低1.56°c和1.66°c,但均对夏季气温高估(图89)。通过修改土壤水热参数化方案使regcm4对高原年平均气温的模拟与观测值的相关系数和均方根误差分别得到提高和减小,而且降低了夏季模拟与观测的暖偏差。因此可以说明修改土壤水热参数化方案可以改进区域气候模式对气温的模拟结果。两个模式(or和rr)对年降水的模拟一致偏高,分别偏高36.61mm(8.71%)和和7.97mm(1.89%),但均对夏季降水低估(图90)。同气温模拟结果相似,修改后的regcm4模拟的降水与观测值之间的相关系数和误差标准差也得到显著的提高和减少,但更加明显地低估了夏季降水的量值,尤其是低估了高原南部的降水,修改后的regcm4降低了对年降水的高估值,更加接近观测的年降水量。修改土壤水热参数化方案前后对对流降水模拟,尤其是其夏季模拟的差异是造成年总降水模拟差别的主要部分。
 
  修改土壤水热参数化方案改进气温和降水的模拟的物理机制可以解释为(图91):采用改进后的土壤导热率方案降低了高原的土壤导热率值,有效地降低了地表温度,考虑蓄水层与土壤柱之间的水交换增加了地表径流,减小了土壤湿度和蒸散发,进一步影响了地面能量对感热和潜热通量的分配,从而减弱了地面加热效应和进入到大气中的水汽,增强了大气的对流稳定性,降低了整层大气的水汽输送通量,最终降低了模式对降水的高估。相对较干的大气能够使得较多的入射短波到达地面,导致模式模拟的夏季气温偏高。rr模拟的夏季积雪厚度较大,较多的地面能量贡献了融雪,降低了模拟与观测的暖偏差。

  上述成果发表在《journal of geophysical research》,《environal earth sciences》和《quaternary international》等国际期刊上。
 
图89 观测和模拟的年平均、冬季和夏季气温分布(°c).(a, g, n):观测值,(b-c, h-i, n-o):or和rr模拟值,(d-e, j-k, p-q)or、rr与观测值obs的差值,(f, j, r):rr与or的差值. 黑点表示差值通过95%的显著性检验
 
图90 观测和模拟的年平均、冬季和夏季降水分布(mm).(a, g, n):观测值,(b-c, h-i, n-o):or和rr模拟值,(d-e, j-k, p-q)or、rr与观测值obs的差值,(f, j, r):rr与or的差值. 黑点表示差值通过95%的显著性检验
 
图91 土壤水热参数化方案影响高原气候模拟的物理过程图
 
2.4青藏高原多圈层汞循环研究
  汞是一种具有特殊物理化学性质的有毒重金属元素和全球性污染物,自工业革命以来人类活动释汞量已远超自然释放。尽管青藏高原不存在较大的污染源且自身大气环境较为洁净,但在西风和季风相互作用下,周边人类活动密集区(如南亚)日益增加的汞排放不可避免通过大气环流“入侵”第三极地表生态系统。因此,基于对地表环境介质分析(冰芯-湖芯、雪冰、气溶胶、降水-水汽等),认知汞元素在多圈层之间的生物地球化学循环规律,不仅将为第三极环境保护和政策制定提供科学参考,亦将为我国更好履行国际汞公约提供科学依据。

   基于大气污染物与冰冻圈变化(atmospheric pollutants and cryospheric change - apcc)监测网络,2016年延续开展了“第三极”多环境汞的采样和分析工作。主要取得以下研究进展:

  (1) 青藏高原8支浅湖芯和1支深孔冰芯的大气汞沉降变化历史重建表明:冰芯-湖芯共同记录了而自工业革命以来,尤其是二战以来,大气汞沉降通量快速增加,这与欧美地区大气汞沉降通量近几十年来呈现下降或保持稳定的趋势不一致,反映了青藏高原的环境正在受到南亚地区不断增加的人类排放污染物的影响。特别是,各拉丹冬冰芯成为第三极地区迄今为止高分辨率和最长时间序列的大气汞沉降历史记录,也是全球屈指可数的长时间序列冰芯汞记录之一(图92)。该成果发表在知名杂志《environmental science & technology》上。

  (2) 选取apcc监测网络典型冰川流域(扎当冰川、枪勇冰川),对“冰川-径流”进行协同采样观测。分析结果表明,从冰川末端融水到下游河水,水体总汞浓度峰值有明显的滞后变化,体现了冰川释汞之后在不同介质中的迁移过程;冰川流域不同水体中汞均以颗粒汞为主,颗粒物是影响汞分布的主要因素;对典型冰川潜在释汞量估算结果表明,青藏高原冰川融水径流释汞传输通量远高于北极地区。因此,在气候变暖背景下,冰川加剧退缩过程释汞及其对下游生态系统的影响将是未来山地冰川区汞研究的重点之一。该成果发表于《environmental pollution》和《journal of environmental sciences》上。

  (3) 祁连山疏勒河流域多年冻土汞的研究表明,冻土剖面主要呈现出表层汞浓度最高,随深度不断降低趋势;冻土汞含量与有机质含量呈显著正相关;冻土汞含量随海拔不断降低,高海拔冻土中较低有机质含量是导致汞含量降低的主要原因。更为重要的是,不同类型冻土(稳定型、亚稳定型、过渡型、不稳定型)储存汞的能力差异巨大,当冻土类型由极稳定型向不稳定型退化的过程中,研究区域64.2%的汞将从冻土活动层储汞(约131吨)中重新释放。因此,青藏高原多年冻土的加速退化,势必增强冻土储汞的释放,将深刻影响汞生物地球化学循环过程,也将极大提升改观目前对全球“汞源-汇”认识。该成果发表于《environmental science and pollution research》上。

  (4) 前期已认识到青藏高原大气降水/雪冰汞主要受“雨除(below-scavenging)”作用的影响,水汽是介于大气汞和降水汞的中间环节,通过开展水汽汞研究将深入认识大气过程对汞清除机理和作用机制。拉萨水汽中汞的监测表明,来自南亚气团中水汽汞含量显著高于西风气团。通过水汽中汞估算表明,拉萨降水中74.1%的总汞来自于大气降水对颗粒态汞雨除冲刷。由于颗粒态汞在环境中惰性很强,通过大气沉降进入青藏高原地表生态环境中的汞将长期有效保存和累积。大量跨境传输而来的汞污染物极有可能对青藏高原脆弱的生态系统及人类健康构成潜在威胁,值得进一步关注。该成果发表于《atmospheric environment》和《science of the total environment》。

图92 第三极地区湖芯和冰芯钻取点位置示意图

2.5吸光性气溶胶对中国西部冰冻圈与气候影响的数值模拟研究
  大气中主要的吸光性颗粒物包括黑碳、棕碳和矿物粉尘。吸光性气溶胶吸收太阳短波辐射,对大气有显著的增温作用。当气溶胶沉降到雪冰表面之后形成吸光性杂质,导致雪冰反照率降低,增大了雪冰对太阳辐射的吸收效率,雪冰吸收了更多的太阳辐射并在地表产生正的辐射强迫,最终导致雪冰加速消融。近年来,吸光性气溶胶对冰冻圈气候与环境的影响越来越受到关注,是地球科学领域研究的热点问题之一。利用区域气候-大气化学模型,耦合了雪冰-气溶胶辐射传输模块,模拟中国西部自然(粉尘)和人为源(黑碳、棕碳)吸光性气溶胶对冰冻圈气候的影响。主要研究进展如下:

  (1) 模拟了黑碳和有机质在中国西部地区的传输与沉降过程(图93),结果表明,非季风期黑碳和有机质的沉降通量显著高于季风期;黑碳导致雪冰反照率降低,季风期在高原西部产生的辐射强迫为3.0 - 4.5w/m2;非季风期喜马拉雅地区黑碳-雪冰辐射强迫为5.0 - 6.0w/m2;对于青藏高原西部及喜马拉雅地区,黑碳-雪冰辐射效应可导致近地面增温0.1 - 1.5°c,雪水当量减少5 - 25mm。

  (2) 模拟了矿物粉尘在青藏高原地区的起沙、传输和沉降过程,结果表明,高原内陆及雅鲁藏布江大峡谷的起沙通量在过去20年呈减弱的趋势。粉尘干、湿沉降受地形和南亚季风的影响较为显著,呈现出不同的季节和空间分布特征。在大气和雪冰中粉尘的共同作用下,青藏高原西部及昆仑山地区,春季地面升温0.1 - 0.5°c。在冬春季,粉尘导致高原西部、帕米尔、喜马拉雅地区的雪水当量减少5–25 mm。

  (3) 通过wrf-chem模型模拟揭示了南亚和青藏高原大气边界层气象条件对污染物扩散与反馈效应的不同影响机制。南亚大气污染物中的黑碳和有机碳使对流层中低层的大气加热,导致边界层趋于稳定,扩散条件减弱,大气污染将进一步加剧。而青藏高原地区由于气溶胶浓度较低,大气边界层中黑碳和棕碳的加热效应不足以导致边界层的热力结构产生较大的变化,由南亚传输进入高原的大气污染物通过中高层对流交换、传输和沉降很快被扩散。

 图93 季风期黑碳导致雪冰辐射强迫 (a, unit: w m−2), 气温 (c, unit: °c) 和雪水当量(swe) (e, unit: mm)的变化 (b, d, f 同 a, c, e 但表示非季风
 
  (4)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。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(图94)。

  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m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°c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 ~ 0.2w/m2的正辐射强迫,在帕m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。该成果发表于国际知名期刊《climate dynamics》和《atmospheric research》上。

图94 含碳气溶胶短波辐射强迫 (units: w/m2) (a) 大气层, (b) 近地面, (c) 长波辐射强迫 (d) 地面气温的变化 (units: °c). (a-d, 季风期;e-h 非季风期)
 
3、冰冻圈灾害、影响与适应对策方面研究进展
 
3.1冰冻圈灾害研究进展
  冰冻圈变化对社会经济系统具有显著的正面作用和负面影响(或致利、致害作用),正面作用主要来自于冰冻圈及其变化为人类社会提供了巨大的服务功能,负面影响则主要来自于冰冻圈变化对经济社会系统产生的诸多风险,例如冰冻圈变化对冰雪旅游业系统、寒区畜牧业系统、干旱区绿洲系统、承灾区社会系统、寒区重大工程、海岸和海岛国家安全、极地栖息地系统等产生的综合负面影响。针对冰冻圈对经济社会系统的负面影响,2016年度,“冰冻圈灾害、影响与适应对策”研究团队主要研究进展集中在以下两方面: 

  1)揭示了近60年来青藏高原雪灾时空分布特征,利用李嘉图模型、结构动力学模型,系统分析了雪灾对青藏高原畜牧业的影响程度。采用logistic回归方法,选取冬春季平均雪深、积雪日数、产草量、冬春超载率、固定资产投资、农牧民收入等10项雪灾风险因子,建立了青藏高原雪灾综合风险logistic回归模型,并以回归模型系数作为雪灾风险因子重要性程度,利用arcgis栅格叠加计算功能,实现了雪灾综合风险在空间上的可视化(图95和图96)。历史灾情结果显示:近55年里,青藏高原青海湖南部及玉树、果洛两州,那曲、日喀则地区雪灾频次较高,其它地区灾害频次相对较少。特别地,大规模灾害主要集中在70至90年代,其他年代相对较轻,然而自1995年以来,尽管大规模雪灾未发生,但其小规模雪灾频次却呈增加态势。对于任何一种自然灾害,致灾因子的风险性及孕灾环境的危险性固然重要,但对灾害的承灾对象而言,其自身的暴露度及脆弱性、有无适应能力(免疫能力)则是反映出其综合风险大小的重要指标。综合风险评估结果显示:雪灾高风险区主要集中在青海省海南州南部、果洛州、玉树州,西藏自治区的那曲地区、日喀则地区,而藏东南、滇西北及川西南等地区,以及广大地广人稀的高原西部地区及柴达木盆地则为雪灾低风险区。从高风险区的分布来看,这些地区牲畜较为稠密,且超载过牧。历史上这些地区雪灾害曾造成过频繁而严重的牲畜死亡及人员伤亡事件,对畜牧业发展造成了破坏性的影响。根据青藏高原牧区雪灾综合风险评估结果,以及牧区雪灾风险系统构成,未来青藏高原雪灾防范应从以下方面进行:通过降雪预报和积雪监测,以确定牧区雪灾致灾临界气象条件,并通过雪灾气象要素预警,以提高牧民和当地政府对雪灾潜在风险的关注意识;确定冬春季理论载畜量、草地可以放牧利用、舍饲圈养时间,有计划地合理地利用草地资源;通过草地管理,加强退化草地恢复、饲料基地建设;加大牲畜棚圈的建设力度,以降低牲畜因雪灾冻害造成的损失;建立或完善牧区雪灾保险管理体制。
 
图95 1961-2015年青藏高原雪灾时空分布特征 
 
图96 青藏高原雪灾频次(左图)与综合风险评估结果(右图)对比

  2)利用已有冰湖编目数据,结合近期遥感影像及承灾区社会经济统计与调查等资料,系统分析青藏高原潜在危险性冰湖时空分布空间分布规律,明晰冰湖溃决灾害形成条件及其风险要素构成,运用多目标线性加权函数方法,对青藏高原冰湖溃决灾害风险进行综合评估与区划(图97)。历史灾情结果显示:冰湖溃决泥石流灾害主要集中的中国青藏高原喜马拉雅山和念青唐古拉山中东段。1930s-至今,在40次冰湖溃决灾害中,24次发生在喜马拉雅山区,15次发生在念青唐古拉山山区、1次发生在唐古拉山。其中,58.97%以上冰湖溃决灾害事件发生在喜马拉雅山东南坡亚热带山地季风气候区的吉隆、聂拉木、亚东南部区域,以及中东部海洋型与大陆型冰川分布交汇带的洛扎、错美、工布江达、波密、林芝、边坝、索县、嘉黎,即北起丁青与索县之间唐古拉山东段的主峰布加冈日(6328 m),向西南经嘉黎、工布江达、直抵措美、洛扎县一带的海洋型冰川区。近10年,喜马拉雅山地区新增7次冰湖溃决灾害,分别是嘉龙湖(2002.5.23/6.29)、得嘎错(2002.9.18)、浪措湖(2007.8.1)、折麦错(2009.7.3)、次拉错(2009.7.29)、热次热错(2013.07.15)冰湖溃决灾害。1960s、1980s、2000s三个时期为冰湖溃决灾害频发期,其冰湖溃决灾害频次占总频数的66.66%。其中,2000s属于频发期,冰湖溃决灾害发生10次。1990s冰湖溃决灾害发生次数也较高,达到了5次,而1930s和近期冰湖溃决灾害频率较低,仅各发生1次。综合风险评估结果显示:中国喜马拉雅山区和念青唐古拉山中东段为冰湖溃决灾害极高风险区,具体包括喜马拉雅山中段定日县、定结县、岗巴县和东段康马县及洛扎县和念青唐古拉山中东段的嘉黎县、边坝县、波密县和八宿县,高度风险区位于喜马拉雅山西段普兰县和中段仲巴县、吉隆县和东段错那县,以及念青唐古拉山中段工布江达县,中度风险区位于喜马拉雅山中段聂拉木县和东段措美县和念青唐古拉山中东段的索县、比如县、洛隆县,低度风险区则位于喜马拉雅山中段萨嘎县、亚东县和东段浪卡子县、隆子县和朗县,极低风险区位于西段噶尔县、扎达县和东段米林县和墨脱县,以及念青唐古拉山西段的当雄县和那曲地区。冰湖溃决型泥石流具有突发性强、洪峰高、流量大、破坏力大和灾害持续时间短但波及范围广等特点,常造成巨大的财产损失和严重的人员死亡。同时,冰湖海拔分布较高、地势险峻、天气状况复杂,在冰湖附近进行排水泄洪等工程极为困难,仅靠工程措施和专业队伍的监测、排险继位困难。因此,亟需加强冰湖溃决灾害多目标、多方式的综合风险管理措施。通过深入分析冰湖溃决灾害成因机理,强化防灾减灾基础知识的社区宣传和普及,让承灾区居民知晓冰湖溃决灾害险情和灾情信息,增强其防灾、避灾、减灾意识和自我保护能力,提高冰湖溃决承灾区综合防灾减灾能力,以最大限度地减小或规避潜在冰湖溃决灾害灾损。基于此,本研究以“以人为本”理念为指导思想,围绕“预防为主、避让与治理相结合”和“源头”控制向“全过程”管理转变原则,通过政府主导与公众参与的有机结合,非工程措施与工程措施相结合,建立集“冰湖溃决灾害预警预报、风险规避、风险处置、防灾减灾、群测群防、应急救助和灾后恢复重建”于一体的综合风险管理体系,其最终目的在于最大限度地减少或规避冰湖溃决灾害对承灾区的危害。具体包括:定期监测冰湖动态,重点冰湖危险性排查;采取合理工程措施,有效地控制冰湖险情;实施多方参与机制,提升防灾减灾综合能力;落实社区风险管理机制,完善社区群测群防体系;落实灾害评估规划,强化冰湖溃决灾害防范能力;趋利避害防灾减灾,高效利用冰湖水利水电资源。
 
图97 青藏高原冰湖溃决灾害频次(左图)与综合风险评估结果(右图)对比
 
针对冰冻圈对经济社会系统的正面效应,实验室“冰冻圈灾害、影响与适应对策”研究团队初步建立了中国冰冻圈冰冻圈服务功能研究体系,并对冰冻圈供给服务、调节服务、社会文化服务、生境和工程服役功能进行了细分和诠释(图98)。在此背景下,2016年5-12月,以实验室“冰冻圈灾害、影响与适应对策”研究团队为主体,紧密围绕当前有一定研究基础的冰冻圈淡水资源及径流调节、生态调节、旅游与体育,以及工程服役功能,开展了基金委重大项目“中国冰冻圈服务功能形成机理与综合区划研究”的集中讨论与申报,该项目现已获批,并将成为“冰冻圈灾害、影响与适应对策”研究团队下一步开展冰冻圈变化对经济社会系统正面效应研究的重要学术平台。
 
图98 冰冻圈服务功能框架
 
  以上成果相继出版和发表于《中国社会科学出版社》、《journal of glaciology》、《草业学报》、《advances in climate change research》等出版社和期刊。

3.3冰冻圈资源评估和可持续利用方面研究进展

  “冰冻圈资源评估和可持续利用”项目是研究所“一三五”规划中培育计划“冰冻圈变化及其影响与适应”的重要组成内容。本项目主要目标是通过加强冰冻圈科学体系建设,积极向中央及地方政府提出合理的咨询建议,促进冰冻圈影响区域社会经济可持续健康发展。2016年取得以下五个方面的成果:

  第一,在冰冻圈水资源及其变化数据产品方面。完成了中国第二次冰川编目2.0版本更新工作,将于2016年底正式发布;改进了复杂地形和林区雪深被动微波遥感算法;利用地面观测积雪资料和积雪过程模型建立了积雪数据同化系统,融合观测和模拟两者的优势,进一步制备高精度高时空一致性的积雪变化数据集;完成了多年冻土图集。

  第二,在大尺度冰冻圈全要素通用水文模型方面。对大型复杂冰川度日因子参数化方案、埋藏冰消融比例系数方案和汇流模块中的出流系数参数化方案进行了改进和优化,使其能够更准确的模拟冰川融水径流;在已有的大尺度陆面水文模式vic的基础上,提出了子流域的高程带次网格化的冰川消融及动态变化方案,弥补了现行水文模型的不足。并将改进的vic-cac模型应用到了青藏高原五条大河源区,取得了理想模拟效果。

  第三,在冰冻圈服务功能评估体系方面。初步辨识了冰冻圈服务功能,认为冰冻圈服务功能可分为供给服务、调节服务、社会文化服务、生境和工程服役服务。针对冰冻圈服务功能特点,参考生态系统服务功能评估结果,对冰冻圈服务及其价值进行细化与分类,初步形成冰冻圈服务评估体系、价值体系及其方法体系。同时,对奥运会雪冰体育服务功能进行定位监测研究。

  第四,在典型冰冻圈灾害防治技术体系方面。利用3s等技术,提出一整套基于landsat系列遥感影像和3s技术的冰湖编目方法,完成了三期高亚洲冰湖数据的矢量化工作,提出了冰湖溃决灾害综合风险管理流程和具体措施。利用遥感技术,对多起冰冻圈灾害事件进行调查和预测,如调查了西藏阿里阿汝村发生的冰川崩塌和阿尼玛卿山西侧冰川崩塌事件,同时成功预测了阿尼玛卿山曲什安17号冰川跃动的事件。

  第五,在冰冻圈变化情景下丝绸之路经济带可持续发展咨询报告方面。向新疆提交了《西昆仑山区域冰川灾害风险评估研究报告》。为地方政府和企业提供冰雪旅游开发方面的旅游咨询,如协助喀纳斯景区推广 “古地中海冰川遗迹”,与祁连东方仙境旅游公司签署了合作意向书,助力其开发祁连山八一冰川。同时,推动在天山1号冰川设立自然保护区,并协助吉木乃县将木斯岛冰川被列为高山冰缘区国家湿地公园。

  本项研究结果被国内外媒体广泛报道,引起了社会各界的广泛关注,例如:《近十年祁连山冰川加速退缩需高度重视》一文2015年7月被中共中央办公厅的《每日汇报》采用;2015年5月22日的中央电视台的《新闻联播》报道了本项目组在新疆公格尔九别峰的监测成果;2015年12月9日《纽约时报》头版新闻,报道了本项目在冰川变化监测方面的成果;2016年7月25日澳大利亚澳广电视台(abc)报道了本项目在祁连山冰川变化监测取得的系列成果。

3.4 新疆西昆仑山冰川跃动机理及中巴经济走廊地区冰川灾害研究
 
  2015年春季,位于新疆克州阿克陶县境内的公格尔九别峰北坡克拉亚依拉克冰川发生局部跃动,形成冰崩灾害,造成当地70户牧民房屋受损、1.5万亩草场消失,引发社会广泛关注。自治区人民政府立即成立灾害应急小组。2015年5月19日自治区人民政府钱智副主席带领发改委等相关部门领导和专家,前往发生冰川跃动灾害的公格尔九别峰北坡进行实地调研,安排部署救灾工作。钱智副主席提出:从长远看应由自治区发改委牵头立项,对冰川的下一步发展演变进行一次科学研究和论证,做好盖孜河谷“一带一路”重要通道的长期规划工作,为中巴经济走廊畅行保驾护航。

  新疆维吾尔自治区发展和改革委员会于2015年6月设立《近期西昆仑山冰川运动变化及其诱发区域地质次生灾害机理研究及风险评估》研究项目,委托中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室牵头,联合相关单位进行深入研究。中巴经济走廊沿兴都库什山脉以东、喜马拉雅山和喀喇昆仑山以西、帕m尔高原北缘,沿线穿越全球高山密度最大、山地冰川分布最广的区域,通向巴基斯坦南部平原。该区域内冰冻圈灾害频发并呈多样化,冰川跃动的起因和机理是什么?是否与气候变化有关?在气候变暖冰川消融加剧背景下,类似的冰川跃动灾害是否还会发生?而由冰川变化引发其它次生灾害,如冰崩、冰川洪水、冰湖溃决、冰川泥石流等的风险是否也会增大?会对中巴经济走廊重要通道会产生怎样的潜在危害影响?上述科学问题,亟待通过科学家的研究给出答案。

  冰冻圈科学国家重点实验室的科研人员,经过一年多的研究,取得了以下五个方面的成果:

  第一,揭示了该区域冰川跃动灾害发生机理和形成机制。中巴经济走廊地区的冰川具备良好的冰川跃动条件,其跃动过程受热控和水控两种机制控制,并以热控机制为主。提出气候变暖是造成该区域冰川跃动,尤其是支冰川跃动的主要原因。随着未来气温不断升高,类似的支冰川跃动灾害将呈增大趋势,应该引起足够重视。引发克拉亚依拉克冰川局部跃动,使其具备跃动条件的是热控机理,亦是其主控机理。而触发其跃动的是水控机理,两种机理相互作用,产生叠加效果。气候变暖造成冷冰和温冰界线上升,新增温冰区冰下排水通道改变是内在原因。

  第二,指出该区域冰川跃动灾害可提前预判。冰川发生跃动的前一年,运动速度呈显著增大趋势,冰川跃动具有可预判性。2009年7月26日至2014年9月10日期间,冰面流速在每天0.15—0.21m之间,较为稳定,以冰蠕变速度为主。2014年9月10日至2015年1月8日期间,冰川运动加快,平均为每天0.35—0.5m,是前期速度的两倍左右。同时此期间内的运动速度波动变大,这段时间的克拉亚依拉克冰川具有了跃动征兆。

  第三,甄别给出了中巴经济走廊沿线区域14条高风险灾害冰川。根据冰川特征、历史记录等7项指标,甄别出中巴公路沿线上的14条高风险冰川。指出这些冰川极有可能在未来发生包括跃动在内的进退变化、冰融水道变迁等,从而引发冰川灾害和冰川次生灾害。对这些冰川需要给予特别的关注,亟需加强监测分析。

  第四,归纳出了中巴经济走廊沿线最主要的冰冻圈灾害类型。基于中巴经济走廊冰川灾害特点和风险评估,分析总结了几种危害大、分布广的冰川灾害的形成和特点,提出工程上的防治方案和社会不同层面上的应对措施。这些冰川灾害包括盖孜河冰雪洪水、冰湖溃决洪水、冰雪融水型洪水、冰川泥石流,以及冻融崩塌与雪崩、涎流冰和冻土灾害等其它冰冻圈灾害。
第五,向决策部门提出了六条建议。基于本项目研究,向决策部门提出六条对策建议:1)加强冰川灾害和预测、预报、预警体系建设;2)加强对冰川灾害影响评估的国际合作;3)重视做好本区域重要基础设施规划设计、安全保障工作;4)分类施策、综合防治,坚持防治措施与减缓措施并举,做好应急救援预案工作;5)与脱贫攻坚“五个一批”相结合,做好冰川灾害发生区、活跃区灾害防控工作;6)加强减灾基础知识的宣传和普及,增强当地人民的防灾意识和自我保护能力。

3.5 西藏阿里地区冰川灾害研究

  2016年7月17日西藏西部阿里地区日土县阿汝错的一条冰川发生了崩塌,因冰崩向冰川下游至阿汝错湖岸堆积了大约60-70万立方米体积的冰体,此次冰崩造成9名牧民死亡,掩埋上百头家畜。这次事件的性质与俄罗斯高加索地区的冰川灾害事件相当,2002年9月20日在俄罗斯高加索山脉北坡北奥塞梯共和国柯卡(kolka)冰川发生冰/岩崩,冰/岩崩塔体体积约1.2亿立方米,造成超过100人死亡。 

  针对此次冰川灾害,实验室科研人员通过卫星影像解译认为,该冰灾是由阿鲁错流域一条冰川近期的跃动所导致。冰川跃动是一种特殊的冰川快速运动现象,常常伴随相关灾害的发生,因而早期被冰川学者称为“灾难性的冰川前进”。据实验室郭万钦副研究员研究,根据近期的遥感影像,此次冰灾是由冰川跃动导致。发生跃动的冰川为阿里地区阿鲁错流域的一条冰川。在全球变暖背景下,该冰川在1971年至2010年间面积萎缩了近9%。但2013年以后,该冰川开始缓慢前进,截至今年7月2日共前进300米左右,并于后期冲出山口,快速向下游推进,导致此次冰川灾害。该冰川近几年已经处于跃动期但此次发生如此大规模的跃动,主要是由于该地区近期降水量增大,使得冰下静水压力增强、冰体滑动速度加快。加之冰川下游的v字型山谷对冰川运动阻力较大,导致该冰川在跃动前期积蓄了大量的运动势能。随着跃动进程的发展,在下游冰舌区不断前进、冰川运动阻力不断减小的情况下,冰川上部积累区大量冰体快速下泄,连同整个冰舌区冲出山口,并在后续冰体的推动下继续向下游推进,直至冲入阿鲁错湖中,形成严重冰川灾害,造成牧民生命财产的损失。冰川跃动时运动速度比正常时期要快几百倍甚至上千倍,大量冰体被快速输送到冰川末端数公里之外的地方,有时会阻塞河道,短期内形成堰塞湖,造成溃决洪水等次生灾害。由冰川跃动导致的灾害去年也曾在新疆公格尔九别峰北坡克拉亚伊拉克冰川上发生过,但这次冰川灾害的范围和强度更大。

  目前,全国4.9万条的冰川中有近1%属于跃动型冰川,主要分布在新疆、西藏的帕米尔高原、喀喇昆仑山和青藏高原内陆等各大冰川中心。在基本摸清中国境内的跃动冰川分布的基础上,实验室将加强对经济社会有潜在危害的跃动冰川的监测,为政府相关部门提供决策参考。
 
4、极地冰冻圈研究方面研究进展

4.1东南极冰盖水汽和降水稳定同位素比率反映的水汽来源研究
  关于南极内陆冰盖的水汽来源,现有的研究认识并不一致,其中的差异主要受实测以及可靠方法的局限,不同的方法有不同的结论,尤其是基于模拟的结果差异更大,水汽同位素作为定量化的可靠手段,在南极内陆中山站至dome a科考断面没有实测数据,本研究主要利用科考断面实测的水汽同位素以及表层雪同位素空间分异规律对比分析南极内陆的水汽输送的空间差异。实测数据沿中国东南极内陆科学考察路线测得,其地势从海平面逐渐升高至4000m。对内陆水汽同位素的观测主要依托对光谱观测仪(picarro),以及相关的辅助设施,为内陆极端寒冷环境专门改装了实验舱和进气网路,加装了保温设施和仪器校准系统,观测方法为行进间间歇式观测,观测结果经过校正,同步气象观测指标主要有气温、风速、湿度等。观测结果显示了水汽氢氧稳定同位素随离岸距离和海拔高度逐渐贫化的明显趋势,同步湿度和温度也明显降低,δ2h在海拔2000m附近变化差异较大,δ2h和过量氘3000m之后也出现明显的升高。因此总体而言随着冰盖内陆地势和气象条件的变化,水汽同位素也显示了规律性的渐变趋势,但直接的空间分布不能反映内在的分异机制,因此主要借助于过量氘以及氢氧同位素的对比关系,确定不同区域的同位素分馏特征,以此进一步辨识水汽同位素特征和来源的差异。

  对水汽氢氧稳定同位素比率对比的分析结果反映出(图99),沿途观测结果可以分三种关系类型,即海拔2000m以下,高δ2h高δ18o特征分布,反映了沿海的水汽同位素分馏特征;内陆3000m以上低δ2h低δ18o特征,和其余内陆区域介于两者之间的同位素分馏特征。根据三个区域水汽过量氘和相对湿度的分析结果显示,内陆低海拔和沿岸区域过量氘和湿度有很好的反相关性,但在内陆高海拔区域没有出现这种关系,结合内陆低温饱和凝华的动力分馏环境和后向气团轨迹分析可以看出,内陆水汽短期内主要受当地环流条件影响,因此极端的低温过饱和凝华动力分馏形成了完全不同于其他区域的水汽同位素分馏特征。后向轨迹同步显示内陆区域的水汽运行也和近岸区不同,近岸气团主要来近岸区高空区域,可能与极地东风带影响有关,而内陆区域气团则来自于局地近地面,无论范围还是高度都不是很大,因此同位素分馏的结果也表现出不同的规律。
 
图99 冰盖内陆断面不同区域水汽氢氧同位素关系对比
 
4.2对东南极dome a区域2008-2013年间的积累率进行了再评估
  利用2008-2013年间dome a区域30×30km范围内的49根花杆物质平衡数据,对该区域的物质平衡进行了再评估(图100)。空间分析结果显示,至少12-20根花杆物质平衡数据需要在局地尺度(几百平方m)和更大的区域尺度(数十平方公里)进行有效的预估。预估的dome a区域近期的积累率为22.9±5.9 kg m-2 yr-1,其中包括通过升华作用损失的2.2±0.02 kg m-2 yr-1以及通过沉积积累的1.37±0.01 kg m-2 yr-1的物质积累量。因此,这些数据表明,大约14.3%的最初沉积的物质量通过升华和再沉积进行了物质再分配,这在以后在该地区获取的冰芯积累率的解释时需要给予关注。dome a区域西侧雪表面密度及物质平衡积累量高于其他区域,这种差异可能与不同区域的动力风场分布有关,风力的变化与该地区的地形存在较大的关系。新的数值高程模型(dem)对dome a区域的模拟结果显示dome a区域的两个高点都可以视为东南极冰盖的最高点。该研究结果可以为评估区域气候模式及基于遥感资料的数字高程模型的结果提供直接的参照数据。
 
图100 (a)基于花杆测量的2008-2013年dome a区域平均物质平衡结果,(b)dome a区域表层雪密度资料及分布状况

4.3三维完全stokes海洋冰盖模型比对实验及其结果
  由于海洋性冰盖(比如西南极冰盖)存在动力学不稳定性,其向海洋注入大量的淡水可在相当程度上影响大洋环流和海气相互作用,故接地线(冰盖和冰架之间的分界线)的动力学过程是目前的国际热点。三维完全stokes冰盖模型一直以来充当着其他简化模型的标尺,但其自身的可靠性并没有经过全面和系统的比对。通过首次开展两个不同三维海洋性冰盖模型的比对实验,发现在有限元模拟框架下对接地线附近网格移动方法处理过程的不同会导致较大的差异(图101)。该不同包括:1)接地线附近冰对底部法向应力的计算方法的不同;2)接地线位置的判断方法不同;3)有限元单元类型的不同;4)计算网格类型的不同;5)接地线运动方式数值手段的不同;6)接地线附近不同滑动参数的表示方法。虽然存在多种不同,但该差异会在网格细化后减小,一定程度上说明了三维stokes冰盖模型的内在一致性和可靠性。因此,在未来冰盖模型比对计划当中,可同时加入数个不同的stokes模型,以此来作为冰盖模拟结果误差的范围。
 
图101 两个不同stokes模型关于接地线附近滑动参数的不同表示方法

4.4 era interim再分析资料能否对东南极冰盖的极端气温进行再现
  通过对1979年以来era interim记录的东南极雪层表面气温的日平均、日最高及最低气温进行了统计分析。era interim记录的日最低、日最高的再分析资料通过与现场的4个自动气象站(zhongshan, eagle, lgb69和dome a)2005-2008年期间的记录结果的对比研究,显示再分析资料对日最低温存在暖偏差,日最高温存在冷偏差,同时对日气温变化幅度存在低估(图102)。再分析资料解释了超过84%日和年际变化方差,且再现能力存在从近岸带向内陆逐渐降低的趋势,zhongshan, lgb69,eagle和dome a四个点日最低温年均平方根误差分别为2.4℃,2.6℃,3.0℃和4.3℃;日最高温年均平方根误差则分别为2.2℃,3.1℃,3.4℃和4.9℃。era interim气温资料呈现较小的季节波动趋势,dome a的研究结果显示在春季其再现性较好,而在秋季和冬季则较差。通过对气温和风场的空间分析结果的研究显示,era  interim再分析资料较好的再现了极端温度的发生、发展及消退的演化过程。另外再分析资料记录的极端天气事件与器测的极端事件在日期上存在显著的交叉相关系数(r≥0.287,n≥1131,p<0.001)。综上,era interim再分析资料在东南极地区的重现性虽然存在局部区域的局限和不足,但仍不失为一个研究南极地区天气与气候变化的有效资料。
 
图102 2005-2008年间era interim及实测的东南极气温偏差的对比图(a为日最低温,b为日最高温,c为日温度变化幅度)

4.5北极雪冰黑碳对海冰反照率的影响
  北极地区被广泛的冰雪覆盖,对气候变化极为敏感。气候变暖背景下,北极地区的升温速率约为全球平均升温速率的两倍。观测结果显示,北极冰冻圈正在经历快速的变化.对北极冰雪覆盖区而言,除了气温上升的影响,吸光性物质也被认为是促进北极冰雪消融的重要因素。黑碳是生物质和化石燃料不完全燃烧的产物,是大气颗粒物中吸光性最强的物质。黑碳排放到大气中后,最终经由干、湿沉降过程落到地面。北极黑碳气溶胶可以通过多种方式对北极地区的辐射平衡产生影响。首先,黑碳可以吸收太阳辐射加热大气。其次,黑碳可以通过影响云的微物理过程、分布及生命期,对区域降雨产生影响。当黑碳沉降到冰雪表面后,会降低反照率,增加冰雪对太阳辐射的吸收,加速冰雪消融。雪冰黑碳还会通过激发冰雪反照率反馈过程,进一步加速冰雪消融,促进气候变暖,在北极地区这一现象尤为显著。

  窦挺峰等在2008年和2010年夏季北冰洋考察中进行了雪冰黑碳断面观测。对北极地区雪冰黑碳的观测主要分两个季节:春季和夏季。春季的观测除了在海冰区开展外,还在环北极冻土区进行了采样观测。包括俄罗斯北极地区、斯瓦尔巴德群岛、加拿大和阿拉斯加北极地区。从现有的观测可以看出,就整个北极地区而言,俄罗斯地区的雪冰黑碳浓度明显高于其他几个地区,平均浓度约为23.4 ng g−1,且俄罗斯西部地区高于东部。其次是加拿大和阿拉斯加北极地区,平均浓度约为7.9 ng g−1。浓度最低的为北冰洋、斯瓦尔巴德西部地区和格陵兰。总体而言,由于距人类活动区较远,北极地区春季雪冰黑碳浓度水平要低于同期中低纬地区的黑碳浓度。观测资料显示北极地区春季雪冰黑碳浓度随纬度增加显著降低。在俄罗斯北极地区这一特征尤为明显,俄罗斯沿岸地区的雪冰黑碳浓度要远远高于海冰区。除少量船舶航行(北极东北航道)和航空排放的贡献外,绝大部分黑碳来自于俄罗斯地区农作物秸秆燃烧排放及中纬度国家的工业排放。在黑碳气溶胶长距离传输过程中,受干湿清除过程的影响,
黑碳逐渐损失,导致到达北极中心地区的黑碳浓度远远低于北冰洋沿岸地区。

  在观测的基础上,我们估算了夏季雪冰黑碳对反照率的影响及辐射强迫,并与春季进行了对比(图103)。结果显示,有积雪覆盖的地区,雪冰黑碳可使海冰反照率降低1.5%,造成~3.5w m-2的辐射强迫,这一数值甚至高于春季俄罗斯地区雪冰黑碳的辐射强迫。主要是由夏季积雪消融,表面粒径增大所导致。春季北冰洋地区雪冰黑碳的辐射强迫为0.64 w m−2。在加拿大和阿拉斯加北极地区为0.84 w m−2,斯瓦尔巴德为 0.54 w m−2。这里我们要指出的是,在夏季北冰洋地区,由于融池广泛发育,雪冰黑碳并非影响海冰反照率的主要因素。
 
图103 北极不同季节,各地区(北冰洋、俄罗斯北极地区、斯瓦尔巴德地区、加拿大-阿拉斯加北极地区)雪冰黑碳浓度分布水平,及其对冰雪反照率的影响和造成的辐射强迫

4.6北极降水形态变化对北极海冰消融影响的观测与模拟研究
  降水以雨、雪、雨夹雪等多种形态降落到地面,每一种形态对于地表径流和地表能量平衡都有重要的作用。冰冻圈的降雨形式多样,在全球变暖的背景下,降水形态同降水量、降水强度一样对冰冻圈的水文循环和生态平衡有重要的影响。北极地区增暖是全球平均的两倍以上,随着气温的升高,在高纬度地区,更多的降雪被降雨替代。雨水带着能量降落到雪层,打破了雪的能量平衡、降低了地表反照率,使得地面吸收更多的太阳辐射,促进积雪和海冰的消融。

  在春季北极海冰区,受表面积雪高反照率和绝热作用的影响,海冰到春季末期开始消融。这一时期从中高纬地区过来的暖空气(storm)会造成过境区域气温陡升、降水(降雪-降雨)发生。降水的发生还与水汽供应有关。若有充足的水汽供应,便会伴有降雨。一场小雨可以在1小时内渗透10-20cm的雪层,将低温的干雪变为湿雪,比气温的直接加热作用快得多(消融期北极气温在0度线附近波动,不像中低纬一样连续升温连续加热)。前人海冰物质平衡浮标的观测显示,降雨发生时,海冰表面积雪的消融时间约为1-2周;没有降雨时消融时间约为2月。降雨的发生在一定程度上决定着海冰开始消融的时间,以及海冰表面积雪的消融快慢。最终会对消融期海冰上部消融速率和消融程度产生重要影响。

  降雨对海冰消融的影响的定量研究需结合过程观测和海冰模式来进行。cice5.1模式是目前国际上比较认可的海冰模式,对海冰的热力过程和动力过程都有比较详细的考虑。与大气模式和海洋模式都可以实现较好地耦合。目前该模式中区分了固态降水和液态降水对海冰消融的影响。然而,对降雨影响的刻画主要是通过融池参数化来实现的。在融池参数化方案中,降雨直接进入融池中,通过增加融池的体量,对海冰消融产生影响。
 
 
其中,r = rmin (rmax−rmin)ai,ρi和ρs分别为冰和雪的密度,∆hi 和 ∆hs分别是海冰和积雪消融的厚度。frain为降雨率。
 
  目前cice5.1模式中尚未对降雨对海冰表面积雪消融的影响进行参数化,导致模式无法刻画出降雨对海冰消融过程的触发作用。需要针对消融初期(春夏季节转换期)降雨对海冰表面积雪消融影响的整个过程进行连续观测,并将这一影响添加到海冰参数化方案中,方可运用该模式对降水形态改变对海冰消融的影响进行定量评估。

  巴罗站野外观测部分主要包括三部分内容(图104):1. 降水形态的转变。a.将通过在海冰表面人工模拟降雨,对比分析有降雨和没有降雨发生时,海冰表面积雪的消融过程差异。b.人为阻挡降雨,观测实际降雨未发生的情形下,海冰表面积雪的变化过程。2.对降雨发生时的辐射状况及积雪特征进行连续观测,包括:反照率、积雪密度、含水量和表面粒径等。3.用涡动协方差能量平衡系统、自动气象站观测显热、潜热及动量通量,分析降雨发生时冰-气界面的能量输送状态。
 
图104 巴罗站海冰区敏感性实验:北极降水形态变化对海冰消融过程的影响
 
4.7北极巴罗地区海冰上覆积雪中oc,ec变化特征及其对海冰消融贡献的研究
  北极海冰消融期开始后,随着上覆积雪的消融,表层积雪中的吸光性物质浓度会在海冰表面富集,对海冰反照率产生重要影响。由于缺乏较为连续的观测资料,目前对消融期海冰表面积雪中吸光性物质浓度变化及其影响的定量研究仍然较少。以2015年4-6月在巴罗地区实施的积雪连续采样观测为基础,调查了海冰表层积雪中有机碳(oc),黑碳 (ec)浓度变化特征,并结合对同时期积雪物理特征演变的分析,揭示了导致表层积雪中oc,ec浓度变化的主要原因。从海冰区远岸点观测的oc,ec浓度变化可以看出,积雪消融前,表层雪中的oc,ec浓度未发生明显的变化。当气温升到0度以上后,上层积雪发生了显著的消融,使得ec和不溶于水的oc在表层雪中累积,导致表层雪中oc,ec浓度显著升高。随着积雪的快速消融,观测结束时积雪厚度约为开始消融前的六分之一, oc,ec浓度达到观测期间(4-6月)最高值。受气温变化、积雪消融和融水清除过程的共同影响,消融期oc,ec浓度呈现波浪式增长。进一步研究发现表层雪中吸光性物质浓度与对应雪层中的含水量存在显著的正相关关系,表明:目前观测到的吸光性物质浓度变化与积雪的消融程度存在密切联系。对不同时期吸光性物质(ec和dust)对海冰反照率影响的评估结果显示,从积雪开始快速消融起(5月15日),巴罗地区吸光性物质对海冰反照率变化的贡献变得显著,在积雪快速消融期间,吸光性物质对海冰反照率变化的贡献约为20%。北极雪冰中吸光性物质对海冰反照率影响最显著的时期是从海冰表面积雪开始快速消融起一直到融池开始大范围生成前。

5、其他方面研究进展
 
5.1第四纪冰川研究进展
  上个世纪八十年代至今,大气中温室气体成分的增加,山地冰川的退缩,两极冰盖的不稳定波动,加上科学家们对气候变化不同情景的模拟,“全球变暖”又成了世人的热门话题与关注焦点。毫无疑问,本世纪我们人类对地球气候环境系统的影响将更大,本世纪也将是全球气候环境巨变的世纪。正是人类对自己将来生存环境的担忧,使得古气候环境重建研究成了目前国际“全球变化研究”的热点。因为如何正确预测未来全球气候环境变化趋势,取决于我们对过去气候环境变化的认识,对未来环境预测的准确与否取决于我们对过去气候环境变化规律认识的深化程度。因此,充分认识地质时期气候环境变化的时空规律是“全球变化研究”的科学家们面临的最大挑战和必须解决的科学问题。
 
  冰川是冰冻圈重要组成部分,对气候变化响应灵敏,素有大陆“温度计”之美誉。同时,冰川也是塑造地表形态最积极,最重要的外营力之一,通过侵蚀、搬运与沉积形成了形态独特的冰川侵蚀与沉积地形。冰川地形是过去冰川变化最直接的证据,包含着重要的古气候环境信息,对它们进行研究可获得古冰川的时空变化信息,有助于我们对地质史上,特别是第四纪期间冰冻圈演化规律的认知以及古气候环境的重建。虽然冰川地形记录的古气候环境记录是不连续的,但这些冰川遗迹确切的指示了过去的冰川作用及其规模与性质,是其他古气候环境信息载体,诸如冰芯、石笋、树轮、湖泊沉积、珊瑚沉积、黄土以及海洋沉积等气候环境变化信息载体不可获取与替代的。在万年、千年甚至是百年时间尺度上,基于古冰川地形获得的气候环境变化信息是其他信息载体不可或缺的补充。

  2016年的第四纪冰川研究工作主要集中在天山的台兰河流域。台兰河源自天山最大现代冰川作用中心托木尔峰的南坡,自北向南流入塔里木盆地。根据第一次冰川编目的相关资料,台兰河流域共发育现代冰川192条,面积与储量分别约740 km2与113 km3,冰川物质平衡线高度介于4200~4500 m。这些冰川是温宿县东部扎木台绿洲的赖以生存的固态高山水库。根据位于山麓带的台兰水文观测站的相关资料,观测站以上的河流长约80 km,流域面积约1324 km2,多年出山口的平均径流量约7.5×108 m3,其中冰雪融水补给占60%以上,为扎木台绿洲的发展提供了极其宝贵的淡水资源。在第四纪冰期与间冰期旋回中,台兰河流域的冰川均发生了规模较大的进退,从现代冰川末端至山麓带,共保存有5套形态清晰的冰碛地形及对应的冰水沉积。这些冰川地形记录了台兰河流域第四纪期间的冰川变化,对它们的研究可获得该流域冰川时空变化信息,有助于本区古气候环境的重建与中亚地区冰冻圈演化信息的提取。应用电子自旋共振(electron spin resonance, esr)测年技术,选用石英颗粒中对光照与研磨均较敏感的ge心作为测年信号,对皮牙子里克终碛垄(第二套冰碛)间的冰水沉积、第三套多列终碛垄与台兰冰期的冰碛丘陵(第四套冰碛)进行测年。基于esr测年结果并结合地貌地层学原理、古气候资料以及相邻流域第四纪冰川的研究成果得出:冰川末端由3~4列终碛垄组成的第一套冰碛形成于小冰期(16世纪以来的冷阶段);第二套皮牙子里克终碛垄系新冰期(距今3~4ka的冷期)与全新世早期冰进的产物;第三套多列终碛垄沉积于mis(marine oxygen isotope stage)2~4;山麓带的冰碛丘陵形成于mis6,确定其为冰川成因而非泥石流沉积,证实了黄汲清院士在上个世纪40年代在本区研究的推断与施雅风院士80年代研究的部分结论。柯克台不爽冰碛平台为mis 12冰期冰川地形的残存。从小冰期到mis 2~4,古台兰冰川均为复合型山谷冰川,mis 6时为山麓冰川。
 
  冰川在形成演化过程中积极地塑造着地表形态。广布于全球各个冰川作用区的冰湖即为其演化的产物之一。按照建造坝体的物质不同,冰湖可分为冰体堰塞湖和冰碛堰塞湖。冰体堰塞湖一般寿命较短,大多形成后不久就溃决。冰碛堰塞湖通常由终碛或侧碛阻塞沟谷而成,在特定的区域或地貌部位可稳定存在较长时间。故冰湖的形成和演化与气候环境变化关系密切,其沉积物可用于古气候环境的重建。根据第二次中国冰川编目显示,受全球气候变暖的影响,青藏高原及其周边山地的冰川呈现出以退缩为主要特征的变化,冰川消融与退缩导致冰湖数量的增加以及潜在溃决风险的增大。在一些山区,如喜马拉雅山等地,冰湖溃决及其危害已成为当地社会经济发展的制约因素。因此,研究冰湖的成因、年代及其演化有非常重要的理论意义与应用价值。位于东帕m尔高原的康西瓦河流域的喀拉库勒湖为一冰碛堰塞湖。对本区的地貌考察得知,现存喀拉库勒湖的形成时间与最后一次古冰流填充河源区,阻塞慕士塔格峰西北侧自西南向东北汇入康西瓦河的阔克萨依克河水流的时间相一致。应用osl测年技术对采自喀拉库勒湖外围冰碛丘陵中的冰水沉积物进行定年,获其年代范围为26.8±1.3~41.7±4.4 ka,结合本区已有的esr年代学资料(37.8±3.6~48.2±4.6 ka)、附近地区的古气候研究资料以及我国西部第四纪冰川演化序列综合分析可以得出:喀拉库勒湖主要形成于末次冰期中冰阶,时间可对应于mis3中期。
 
5.2兰州市大气环境监测研究进展
  兰州市地处中国西北一条西北-东南向的狭长山谷之中,受不利的地形扩散条件和冬季燃煤供暖等因素的影响,兰州市冬季大气污染十分严重。为了全面了解兰州市冬季大气颗粒物污染,特别是小粒径的大气亚微m颗粒物(pm1)污染状况,实验室大气环境监测课题组对2014年1月10至2月4日采用高分辨率的气溶胶质谱仪、扫描电迁移率粒径谱仪和黑碳仪对兰州市亚微m颗粒物的连续在线观测数据进行了分析处理,对兰州市大气颗粒物的化学成分、来源及演化过程有了更深刻的认识。
  分析结果表明,观测期间兰州市冬季亚微m颗粒物平均质量浓度为57.3 µg m-3,远高于2012年夏季的观测结果。其中,有机气溶胶占主导成分,可占到总质量浓度的一半以上,并且在兰州市冬季重污染时期有机和硝酸盐的贡献明显升高。受冬季静稳大气条件的影响,大气亚微m气溶胶各成分呈完全内混状态,并在积聚模态存在明显的峰值。观测期间各成分呈现明显不同的日变化特征,主要受大气边界层高度变化、光化学反应、交通排放、餐饮和燃煤供暖等多个因素的影响。通过对有机气溶胶源解析,进一步认识到兰州市冬季有机气溶胶主要有来源于交通、餐饮、生物质燃烧和燃煤排放的一次有机物以及两类二次氧化气溶胶,并且发现兰州市冬季重雾霾污染主要由大量的的一次污染物排放所致,特别是生物质燃烧和餐饮等非化石来源对有机碳的贡献显著。本项成果发表在《atmospheric chemistry and physics》国际期刊上。

© 凯发官方的版权为冰冻圈科学国家重点实验室所有 2005 备案序号:陇icp备05000491号-9

办公地址:甘肃省兰州市东岗西路320号 电话:(86)0931-4967351

凯发app官网登录 copyright 2009-2010 sklcs, all rights reserved