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 >

2017科研进展

时间:  2018-02-13 08:20  点击:   次
  2017年,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171篇学术论文,其中sci论文126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 青藏高原冰川物质能量平衡及积雪变化相关研究取得系列进展
  (1)结合冰川地面实测数据和文献梳理对我国冰川物质平衡开展了详细研究che et al. (2017),结果发现,中国冰川物质平衡每年退缩速率为-0.015 m w.e.,高于全球冰川每年的平均退缩速率-0.013 m w.e.。并且各个山系冰川物质平衡减少的速率存在差异性,且冰川末端变化的差异性也非常大。其中,对于天山地区,基于两期冰川编目数据对比,研究显示,1959 年来,中国境内天山冰川面积减少了1619.82 km2(-18.41%)(邢武成等,2017)。冰川储量的变化对海平面和区域水资源、生态环境以及社会经济等有重要影响,然而该方面研究具有一定难度,为了更为准确评估冰川储量变化,王璞玉等(2017)基于天山9条监测冰川储量变化的估算结果,通过统计分析,探讨冰川储量变化和面积变化的相互关系,以期通过测定冰川面积变化来估算冰川储量变化,但未来仍需要更多更准确的冰川储量估算,还需要按冰川形态类型和区域分别研究。针对该区参照冰川——乌鲁木齐河源1号冰川,xu et al. (2017)利用高时空分辨率和高精度的riegl® vz-6000地面三维激光扫描仪成功获取了月尺度的冰面高程变化信息,通过与实测获得的相应同名点的高程变化值对比发现,二者具有高度的一致性,相关系数达0.85(图62)。wang et al. (2017) 则以该区另一条监测冰川——托木尔峰地区青冰滩72号冰川为例,通过对气候变化、冰川响应延迟、冰川地形特征和表碛覆盖影响的综合分析,揭示了随气候持续变暖,表碛范围和厚度增大,对冰川消融抑制作用增强,表碛覆盖型冰川退缩会有所减缓的响应规律(图63)。祁连山地区,徐春海等(2017)以黑河流域十一冰川为例,利用机载三维激光扫描数据(light detection and ranging, lidar)和srtm dem数据,开展大地测量冰川物质平衡计算,2000-2012 年十一冰川冰面高程变化为-7.47±0.92 m,变化率为-0.62±0.08 m a-1,估算十一冰川的年均物质平衡为-0.53±0.07 m w.e.,累积物质平衡为-6.35±0.78 m w.e.,折合水当量约为(330.4±40.8)×104m3。冰川呈现出快速消融,冰川反照率则是最重要的影响因素之一,但其时空变化非常明显,尤其在消融区,介于0.06-0.44,受地形因素和吸光性物质的影响空间上并非完全随海拔的升高而增大(yue et al.,2017;图64)。

图62  riegl® vz-6000获取的乌鲁木齐河源1号冰川月尺度冰川表面高程变化示意图
 
图63 青冰滩72号冰川表面高程变化和末端变化
 
图64 乌鲁木齐河源1号冰川不同时期反照率空间变化
  (2)通过运用冰川动力学模式对典型山地冰川的模拟预测得出:冰川体积及其变化过程的控制因素主要为物质平衡。物质平衡主要取决于冰川区的气候和地形条件。区域气候及地形地势等决定了该区域冰川总体规模(体积),而区域内部地形条件决定了冰川个体规模。冰川的规模是冰川物质平衡和地形条件的综合反映,而冰川补给高度在所有地形要素中最为重要。冰川面积和长度的变化过程,以冰川“退缩”和“减薄”两种变化形式的交替为特征,每一次变化形式的改变,都会在面积和长度的变化过程中形成“拐点”。 而控制这两种变化形式的主要因素是冰川冰量(厚度)的分布状况。对中国境内以夏季为积累期的冰川来说,降水增加,对其未来变化的影响作用有限,保护性不强。而对于全球范围以冬季积累、夏季消融为特征的冰川来说,降水的变化,对冰川未来变化有明显影响(李忠勤等,2017)。
  (3)重建了1959年-2009年间科其喀尔冰川的物质平衡和径流序列并分析了2005年-2010年科其喀尔冰川度日因子的时空分布特性。
科其喀尔冰川是一个具有复杂地貌形态的大型树枝状山谷冰川,冰川物质平衡观测非常困难,目前仅开展了延续数年的消融区花杆观测。课题组许民等人利用hbv模型,通过水文计算的方法,对1959年-2009年冰川的物质平衡序列进行了重建。研究方法是利用冰川区的短期气象观测资料和周边台站的长期气象资料进行回归分析,建立了气温、降水等数据的变化关系曲线,对冰川区资料进行延展和插补;进而利用hbv模型分别对冰川融水量、蒸发量等进行计算,进而获得冰川的物质平衡序列。验证期(2007-2010)月径流的模拟效率达0.91(图65),不同年份日径流的模拟效率也达到0.8以上。结果表明,科其喀尔冰川1959-2009年的冰川消融增加量平均为4.2mm/a,表面高程的平均变化量是-370mm/a。研究同时对气温和降水变化一定幅度下冰川融水径流和物质平衡的变化敏感性进行了分析。

图65 2007年-2010年模拟的科其喀尔冰川末端月径流同实测值比较



图66 hbv模型模拟的1959-2009年科其喀尔冰川径流深(a)、土壤蒸发(b)和冰川物质平衡(c)
  度日因子模型是进行冰川消融和变化等研究的简单但有效的手段。研究利用科其喀尔冰川区的5台自动气象站的日观测数据,结合同期的花杆观测资料,对度日因子的取值和时空变化进行了分析。结果表明:度日因子平均值的变化范围介于7.2-10.4mm(ºc·d),冰川中上部(海拔3700m以上),度日因子有减小的趋势(图67)。这一结果与同期气温的升高趋势相一致,因为平均气温的升高会导致度日因子的降低。与此相对应,研究表明5月-9月份冰川高海拔地区度日因子也存在减小的趋势,但在连续表碛发育的冰川区中下部,度日因子的时间及空间变化均未表现出明显的规律。

图67 2005-2010年间科其喀尔冰川不同海拔高度度日因子变化 (a)3700m;(b)4000m;(c)4200m
  (4)利用spot5/6等高分辨率遥感影像数据以及地面实测验证,分析了祁连山西段大雪山地区2004、2008和2015年冰川变化规律(图67)。2015年数据表明大雪山地区共有冰川226条,总面积131.07km2,其中山谷冰川81条,面积为106.50km2;悬冰川128条,面积为14.68km2;冰斗冰川17条,面积为9.89km2。2004~2015年间,该区冰川平均退缩速率为4.9%/10a,并且退缩速率山谷冰川>悬冰川>冰斗冰川,分别为0.45km2/a、0.18km2/a和0.06km2/a;同时冰川末端平均海拔快速升高,冰川顶部平均海拔缓慢减小,即冰川海拔差值在不断减小;小冰川退缩更为快速,大冰川相对稳定;坡度大于15°的区域是冰川退缩的主要区域,其中坡度大于35°的区域冰川退缩比率最大,达到7.5%;n朝向冰川面积减小最多,s朝向冰川面积减小最少。冰川表面分布的吸光性颗粒物会显著降低反照率,增加冰川消融。利用架设在老虎沟12号冰川消融区的自动气象站数据,模拟计算了2009~2015年冰川表面能量平衡。自2010年以来,吸光性颗粒物在消融区的不断富集,造成冰川表面的黑化,使得冰川表面消融期(6~10月)平均反照率由原先的0.52降低至0.43,吸光性颗粒物造成 7.1 ~ 16 w m−2短波辐射的增加以及1101~2663mm.w.e消融量。

图68 2004-2015年大雪山地区冰川面积分布统计
  (5)通过分析青藏高原1961-2010年间103个台站积雪深度的时空变化,发现在1961-2010年期间,春季和冬季积雪深度和积雪天数总体趋势是轻微下降的,但在某一年的前后趋势相反。降水和气温的竞争作用调节着积雪深度及积雪天数的变化。该研究结果于2017年发表在journal of climate期刊。

图69 青藏高原积雪深度的年际变化及转折年前后的趋势变化
  台站数据稀有珍贵,但是由于青藏高原地形复杂,有些地方不能设置台站,所以台站数据并不能充分反映区域的积雪变化。而modis积雪数据提供了长时间序列,大空间尺度的优势,对区域灾害预测更具有时效性,但是modis数据的精度及其所反映的积雪物候仍然需要进一步研究。我们利用台站数据与唐志光改进的日值去云modis积雪数据进行比较。发现modis积雪数据精度较高,但是在反映积雪物候方面仍然存在很大的不确定性。该研究结果于2017年发表在remote sensing期刊上。
  (6)复杂下垫面雪深反演算法改进研究取得进展。现有山区和林区积雪遥感反演结果误差较大,青藏高原地区积雪范围数据受云影响严重,通过野外观测和室内分析,建立了适用于山区和林区的积雪遥感算法,发展了云下积雪范围恢复算法,解决了当前积雪遥感面临的科学技术问题。针对山区,我们提出了一种适用于山区的改进的n-findr最大体积迭代端元提取算法,实现了基于先验知识端元线性解混算法,获取的积雪覆盖范围和积雪覆盖率精度显著提高。发展了综合利用光学遥感积雪覆盖率和地表温度数据产品与被动微波遥感亮度温度数据融合的山区雪深反演算法,综合多种资料验证表明,该算法对山区的斑状积雪深度反演有很大的改进。针对林区,提出了归一化森林积雪指数(ndfsi)与传统归一化积雪指数(ndsi)相结合的林区积雪识别算法,利用野外观测实验中获得的积雪剖面信息,结合多层积雪微波辐射传输模型和森林微波辐射传输模型计算得到微波波段森林透过率,建立了基于先验信息的林区雪深反演算法。该成果发表在remote sensing of environment, the cryosphere等遥感和冰冻圈研究领域一区top期刊上。


图70 青藏高原山区雪深反演算法改进

图71 东北林区雪深反演算法对比
  1.2 冻土水热过程及其对气候响应等相关研究取得系列进
  (1)开展青藏高原地表能水平衡及活动层水热动态变化过程的监测与模拟取得突出进展
地表能水平衡及活动层水热动态变化过程的监测与模拟研究主要是基于观测资料分析,确定了青藏高原表层土壤导热率,结合活动层冻融循环过程不同阶段表层含水量的变化,分析了表层导热率冻结状态下较小的原因。不同阶段含水量对比分析发现,非冻结条件下含水量是冻结初始含水量的2倍左右,土壤含水量的较大差异是导致冻结条件下导热率较小的主要因素。依据经典估算模型确定了高原腹地唐古拉站活动层表层土壤临界饱和度为0.37。利用监测统计分析表明,地表植被发育程度、岩土颗粒度、地表长波辐射、土壤含水量等对活动层厚度具有十分明显的影响。格尔木站科研人员根据在相空间中气温和土壤温度之间热轨迹椭圆特征提出了一种新的定量分析方法。采用理论分析和模型对青藏高原多年冻土区不同扩散率、气温和温度变化以及不同植被类型下的热轨迹回归直线斜率和截距的变化特征进行了分析。结果表明,该方法能够通过热轨迹回归直线斜率和截距较好的描述气温和土壤温度之间的变化规律;同时还揭示了多年冻土区不同植被类型下热轨迹变化特征。本文提出的方法大大提高了热轨迹的应用性,并能够更为全面的去分析气温和土壤温度的相互关系。
(2)多年冻土升温变化过程及退化机理的分析与模拟研究取得重要进展
多年冻土升温变化过程及退化机理的分析与模拟主要开展了卓乃湖区多年冻土进化方面的模拟工作和盐湖地区水量平衡方面的研究。2011年卓乃湖溃决后,出露水面的湖底融区正快速发育为冻土,2012—2014年三年时间多年冻土厚度分别达到2.9 m,3.4 m,3.7 m。多年冻土厚度正在逐渐增加,但增长速率逐渐减小。在多年冻土层下的融土层中,地温也在逐年降低。利用lunardini的冻土形成过程模型对研究区多年冻土的形成厚度进行了模拟。模拟结果显示,卓乃湖溃决后的三年时间研究区多年冻土厚度将分别达到2.5 m,3.5 m,4.3 m,与实测的多年冻土厚度相近。未来卓乃湖出露水面的湖底部分的多年冻土将进一步发育,多年冻土的形成速率呈现先快后慢的增长趋势,最终达到平衡状态。影响多年冻土形成速率的因素较为复杂,且难以量化。气温和土壤含水量对研究区多年冻土形成过程的影响分析结果表明,温度越低,多年冻土的形成速率越快,且最终达到平衡状态时的多年冻土深度也越深。在多年冻土形成初期,土壤含水量越低,多年冻土形成速率越快。

  (3)多年冻土区土壤理化分析及碳氮平衡研究取得突出进展
  多年冻土区土壤理化分析及碳氮平衡研究领域,我站科研人员对多年冻土区土壤微生物是碳分解的根本机制进行了分析。认为目前青藏高原多年冻土区的土壤微生物开展了很多群落的调查及其同环境因子的关系,这些结果表明土壤碳含量、ph和含水率等是土壤微生物群落的主要影响因素。但是这些研究多集中在表层10 cm的土壤中,而且与多年冻土的关系还未见报道。课题组选择多年冻土区不同采样点表层30 cm的土壤样品,利用高通量测序法,对土壤的细菌群落结构进行了分析,并与包括多年冻土在内的环境因子分析。结果表明ph的土壤碳含量是群落的决定因素,而活动层厚度本身只与少数的细菌门显著相关。这一结果提示,多年冻土退化后会通过改变这些因素,影响到微生物群落结构,从而影响到生态系统的结构和功能。多年冻土区土壤碳循环除了碳原位分解外,其中溶解性的有机碳还可能会随着地表径流进入水体从而影响到碳循环。课题组通过对典型小流域的河流水体进行采样,测定其溶解性有机碳含量的季节性变化,并与流域并与流域内多年冻土融化深度,水分,温度,积温和有效积温等环境因子进行统计分析,发现随着融化深度加深,溶解性有机碳的输移和生物可利用性下降,提示多年冻土退化引起的活动层加深有类似影响。这一结果与之前在北极地区发生多年冻土快速崩塌的地区结果相反,表明了多年冻土退化对溶解性有机碳的输移和生物可利用性的影响受多年冻土逐步退化和热喀斯特具体发生面积有关。这一研究描述了多年冻土区溶解性有机碳的输移和性质与活动层厚度的关系,促进了人们对青藏高原多年冻土区溶解性有机碳的输移过程的认识。
  (4)利用陆地生态系统模式(dos-tem)模拟青藏高原北麓河多年冻土站土壤水热属性对多年冻土变化影响的研究取得进展
  在开展大量实验室土壤水热属性测量工作的基础上,利用陆地生态系统模式(dos-tem)模拟了青藏高原北麓河多年冻土站土壤水热属性对多年冻土变化的影响。
  首先用模式自带的sand和silty clay土壤属性参数进行模拟,然后将观测到的土壤参数替代进模式进行模拟。结果表明利用实验所得的土壤参数模拟的土壤温度、土壤水分、活动层厚度以及多年冻土下限在大部分情况下比前者的模拟值的误差要小(图72)。但是活动层厚度以及多年冻土下限的变化范围比较大,说明其对坡度(0°、5°、10°)以及土壤厚度(3.25m、4.25m、5.25m)比较敏感。
  用实验所得的土壤参数进行模拟(3个坡度和3个土壤厚度)得到土壤温度与观测的土壤温度间的均方根误差在20cm处为1.07℃,而用sand和silty clay土壤参数的模拟值的均方根误差为0.97/1.37oc。在其它深度用实验所得的土壤参数进行模拟得到的误差都小于默认土壤参数的。用silty clay模拟得到的土壤温度在100cm处均方根误差达到2.91℃。
  用实验所得的土壤参数进行模拟得到土壤水分与观测的土壤水分间的均方根误差在0.03-0.09间,是3种模拟里最小的,而用silty clay土壤参数的模拟值的均方根误差是最大的,在10cm、40cm、80cm深度一直是模拟偏高。所有的模拟值在40cm处都模拟偏高。用sand参数模拟得到的土壤水分的标准偏差是最大的,约为0.07。用silty clay得到的模拟值的标准偏差最小,约为0.011。
  用sand、silty clay和实测的土壤参数模拟得到活动层厚度与观测的土壤温度插值得到的活动层厚度间的均方根误差分别为1.06m,1.83m和0.28m(图72a),标准偏差分别为0.088m,0.007m和0.28m。用sand、silty clay和实测的土壤参数模拟得到多年冻土下边界与观测的土壤温度插值得到的多年冻土下边界间的均方根误差分别为10.25m,7.96m和6.71m(图72b),标准偏差分别为1.89m,0.29m和6.62m。

图72  dos-tem模式利用默认的sand(蓝色),silty clay参数(黑色)以及实验测量所得参数(紫色)模拟得到的活动层厚度(a)与多年冻土下限(b);误差线是基于3个不同坡度和3个不同土壤厚度模拟结果计算
  1.3冰川活动层温度变化研究取得进展
  通过1982.07.11日冰温历史资料(缺乏年度数据)与2009.07.11日冰温的实测数据,揭示了海洋性冰川冰温的年代际变化及其时空差异特征。结果显示:自1982年以来,白水河1号冰川表层(1~10m)温度整体上呈现上升趋势,冰温上升幅度较大区间位于冰下2~6m范围。1982.07.11日,白水河1号冰川表层(1~8m)温度在-0.8~0℃之间变化,平均值为-0.49 ℃。2009.07.10,白水河1号冰川表层(1~10m)温度在-0.39~0.04 ℃间波动,平均值为-0.20 ℃。28年间,冰下5 m冰温最低值增幅最高,且达到0.41℃。乌鲁木齐河源1号冰川冰温显示(李忠勤等, 2007):1986年,乌鲁木齐河源1号冰川2-20 m平均冰温-5.23 ℃。2006年,达到增值-4.40 ℃。25年间,平均增温0.83 ℃。在8m左右增温最高,升幅达到约1.29 ℃。2008年,白水河1号冰川1-10 m平均冰温-0.27 ℃,较2006年乌鲁木齐河源1号冰川1-20 m平均冰温-5.23℃高出近4.14 ℃。总体上,20多年间,海洋型冰川与大陆型冰川活动层并未有改变,其中大陆型冰川活动层要比海洋型冰川要深10 m左右。大陆型与海洋型冰川表层温度具有明显升高趋势,其幅度整体上呈现随深度增加而衰减的趋势,也就说,表层受气温变化影响随深度增加而减小。然而,大陆型冰川受气温影响深度明显高于海洋型冰川,影响幅度超过约10 m左右。虽然海洋性冰川最高温度较大陆性冰川要高出3.50 ℃左右,然而,25年间大陆性冰川表层温度增温幅度却明显高于28年间海洋性冰川的平均增温幅度,高出幅度约0.54 ℃。

图73 白水河1号冰川(bg1)和乌鲁木齐河源1号冰川(ug1)活动层温度年代际变化趋势
  (曲线1-2分别代表1986、2006年乌鲁木齐河源1号冰川1-20 m深度平均冰温分布,3-4分别代表1982.7.11日和2009.7.10日白水河1号冰川1-10 m冰温分布)
该项研究成果2017年发表于international journal of global warming期刊上。

  1.4冰雪同位素径流分割研究取得进展
  为了鉴别河流补给来源,定量分析冰雪融水对不同尺度流域地表径流的贡献,选择白水河和漾弓江为研究流域,开展径流分割研究。以氢氧同位素为示踪剂,建立径流分割模型,分析季风前和季风期不同组分对径流的平均贡献率。结合大气环流特征和降水氢氧同位素组成特征,将一整年划分为:季风期(6月中旬~9月),主要受南亚季风的影响;非季风期,主要受西风环流和高原季风的影响,包含两个过渡期,即季风前(5月~6月中旬)和季风后(10月~11月)。径流分割结果表明,消融期白水河是一条以冰雪融水补给为主的河流,河水中冰雪融水所占的比例为51.5%,季风前雪融水对白水河流域径流的贡献为38.3%,季风期冰川融水对白水河流域径流的贡献为61.1%。漾弓江流域,不同季节河水的来源不同,且各个组分的比例不同。季风前,漾弓江河水主要受雪融水和地下水的补给,其中雪融水所占比例为47.9%,地下水对漾弓江河水的贡献率为52.1%。季风期河水中事件前水、大气降水和融水所占的比例分别为51.2%, 42.0%和6.8%。
  该项研究成果2017年发表于该项研究成果2017年发表于international journal of global warming期刊上。
  1.5 青藏高原降水、气温时空分布及相关模拟取得进展
  (1)利用不同再分析气象数据产品模拟降水研究进展
  选择西北典型的高寒山区流域为研究对象,首先分析3套具有代表性的再分析气象数据产品(cmads、itpcas和trmm 3b42)降水资料在研究区年际和年内的分布情况,然后利用3套降水资料驱动swat水文模型,将模型模拟的结果与水文站实测径流资料进行比较,并进行参数率定和敏感性分析,从而分析3套数据集在研究区对降水的模拟效果。最终获得以下结论:3套降水资料在流域内的降水量分布情况存在较大差异,cmads和itpcas数据集在降水总量上大于trmm 3b42数据集,且cmads数据集的年际降水和年内降水分布与冰川分布较为一致;3套再分析数据产品中,cmads数据集驱动水文模型的模拟效果最好,逐日、月的nse系数达到0.53、0.71,itpcas和trmm 3b42数据集的nse系数较低,径流模拟效果较差。该成果为我国西北地区地形复杂、环境恶劣、气象观测水平有限选择降水数据产品提供依据。
  (2)系统阐述了青藏高原过去50多年来的气温、降水的时空分布研究进展
  1)利用青藏高原地区88个气象站的逐月气温资料(包括月平均气温,月最高气温和月最低气温),按照pmft方法对数据的均一性进行了检验和订正,并使用mann-kendall方法对整个高原以及各个站点的气温变化趋势进行了逐一检测。主要结论如下:(1)pmft的方法对于高原气温的订正有较好的适用性,能使数据质量显著提高;(2)青藏高原在近45年来气温呈显著上升趋势,其中最低气温升温幅度最大,平均气温次之,最高气温最小;(3)高原升温具有明显的空间差异,高原东北部和南部地区升温明显,温度变化不明显乃至降温的站点分布比较分散,多出现在高原南部的边缘地区;(4)高原升温有阶段性的特征,这种阶段性也体现在季节升温上,自1998年起,春季升温已经超过冬季,成为升温幅度最大的季节。

图74 青藏高原1971-2015年平均气温、平均最大气温和最小气温的空间差异和季节特征。(a)-(c):所选88个站点气温年变化的空间分布(蓝色外圈表示通过99%显著性检验);(d)-(f)年升温和季节升温幅度与气象站个数
  2)基于均一化、高分辨率的再分析资料era-interim和气象格点资料分析了青藏高原1979-2012年气候变化的时空分布特征,探讨了再分析资料在青藏高原的应用潜力和存在的问题。结果表明era-interim的气温进行地形校正后能更好地再现空间分布和月变化。再分析资料显示了与观测的青藏高原气温一致的显著升温趋势(图75),增温趋势比观测值低(图76)。era-interim能够大致再现降水的空间分布,但高估了降水,同时也能捕捉到降水的变化趋势 (图77)。本研究结果为后期开展青藏高原区域气候模式模拟提供理论依据。
图75 1979-2012年青藏高原气温的时空变化趋势 (℃ decade–1)。obs:格点观测,ein15_c:地形校正的era-interim(1.5°×1.5°),ein75_c:地形校正的era-interim(0.75°×0.75°)

图76 1979-2012年青藏高原年平均气温和降水的距平变化

图77 1979-2012年青藏高原降水的时空变化趋势(mm decade–1)。obs:格点观测,ein15_uc:era-interim(1.5°×1.5°),ein75_uc:era-interim(0.75°×0.75°)
  3)青藏高原降水在能水循环和陆地生态系统中扮演着极其重要的角色。基于观测(气象站和遥感卫星)和模拟(全球和降尺度模式)系统阐述了青藏高原降水的时空变化特征、研究进展以及影响机制。高原的降水主要是从东南向西北降水依次减少,主要发生在夏季(6-8月),占到总降水的60-70%。降水的日变化和对流降水很显著。自1960年代开始,高原降水总体上经历了增加趋势,但具有明显的区域和季节差异(图78)。随着温室气体增加,全球模式和统计降尺度模式显示未来高原降水将普遍增加,而动力降尺度模式显示略增加或甚至会减少。高原和亚洲大陆的加热、大尺度大气环流、气候变暖、气溶胶以及陆面状况等都会对高原降水产生显著而又复杂的影响(图79)。今后的工作应该更多地提高降水观测、全球以及动力降尺度模式的可靠性和精度。最后,未来的研究方向应该综合使用各种高质量的降水观测和性能更好的模式来研究高原降水及其驱动机制。该综述及结果对开展高原水循环和降水研究具有十分重要的意义。
图78 1960-2012年青藏高原年和季节降水变化

图79 青藏高原降水的概念模型
  1.6 雪冰物理形态及其中微生物与雪冰中溶解性有机物质(dom)之间关系研究进展
  雪的物理形态的变化会影响其化学组成的变化,基于此,对2015年唐古拉花杆点雪冰样品进行了分析,首先根据采样时雪冰的物理形态把样品分为四类,新雪、细粒雪、粗粒雪和颗粒状冰(分别代表不同的消融状态),然后对各类样品中的总有机碳(doc)、紫外吸收(uv)和三维荧光(eem)和傅里叶离子回旋共振质谱(ft-icr-ms)进行了分析,结果表明从新雪到细粒雪doc浓度从26.8μmol l-1降低到15.0μmoll- 1,从粗粒雪到颗粒状冰doc浓度从26.1μmoll- 1升高到34.4μmoll- 1,三维荧光数据经过平信因子平行确定雪冰样品中共有三种类蛋白类组分(c1,c2,c4)一种微生物来源的类腐殖质组分(c3),表明表层雪冰中的溶解性有机物质(dom)主要来源于微生物。ft-icr-ms的结果表明,雪冰在消融的过程中不断有新的dom产生。基于以上实验结果,我们了解到雪冰消融不仅可以导致dom的流失,而且可以增强雪冰中微生物的活性增加dom的浓度。这些发现对于了解消融季中dom的物理和化学特性的演变和低温地区生物地球化学循环有重要意义。
  在全球变暖的大背景下,山地冰川消融加剧,山地冰川中溶解性有机物质(dom)是下游水生系统的重要养分。基于此,我们对位于青藏高原北部的老虎沟12号冰川(lhg)不同区域和不同季节的雪冰样品和雪坑样品进行了分析,消融区的雪冰样品采自2015年9月份,积累区的雪坑样品采自2015年8月份,雪坑样品覆盖了一年的记录,根据同位素(δ18o)的结果将其分成夏季雪和冬季雪。然后我们对所有的样品进行了doc、uv、eem和ft-icr-ms分析,结果表明在积累区新雪doc的浓度高于颗粒状冰(老化的雪),积累区雪坑中夏季和冬季雪坑样品doc浓度差别不大。紫外光谱变化趋势与doc浓度变化基本一致。三维荧光结合平行因子分析共确定了4个组分,其中包括一个微生物来源的类腐殖质组分(c1),两个类蛋白组分(c2和c3),以及一个类腐殖质组分(c4),表明雪冰样品中的dom主要为微生物来源。ft-ice-ms分析结果表明,所有样品的dom都是成分是脂质和蛋白质类。然而,对比不同区域和不同季节样品中的dom组分的不同发现消融区雪冰样品中含有更多的木质素类分子而积累区的雪坑样品含有更多的微生物来源的分子,表明消融区dom组成更多的受外源性dom的影响而积累区dom更多的受微生物活动的影响。雪坑样品中冬季雪dom中微生物来源的分子高于夏季雪,说明冬季雪dom受微生物活动影响较大。
 
  2、冰冻圈与其它圈层相互作用方面研究进展
  2.1厘清了青藏高原以及周边地区雪冰中黑碳的总体浓度水平及空间格局,并对青藏高原和喜马拉雅地区大气黑碳含量和沉降数据进行了重新评估,量化了黑碳对反照率以及冰川消融的影响。
  大气中黑碳等吸旋光性气溶胶对太阳辐射具有强烈的吸收作用,能够加热大气层,导致区域和全球变暖,加剧积雪和冰川消融;当大气中的吸旋光性杂质(主要包括黑碳、棕碳、矿物粉尘等)通过干、湿沉降到雪冰表面之后,能够降低雪冰表面的反照率,影响雪冰表面与大气之间的能量交换过程,促进雪冰对太阳辐射的吸收,进一步加速雪冰消融,影响区域的气候以及水文循环过程。吸旋光性杂质也被认为是近期加速青藏高原冰川消融的重要因素。
  研究结果表明,小冬克玛底冰川、扎当冰川、藏东南冰川、和玉龙雪山白水1号冰川新降雪中黑碳的平均浓度(基于热光法测得)分别为42 ng g–1、52 ng g–1,57 ng g–1和41 ng g–1。当冰川发生消融,黑碳在冰川表层富集,其浓度可以高出1–2个数量级(图80)(li x et al., 2017a, 2017b; niu h et al., 2017a, 2017b; zhang y et al., 2017a, 2017b, 2017c)。这与世界其它地区如欧洲阿尔卑斯冰川区的值比较接近,但显着高于南北极地区。黑碳在不同类型雪冰中含量的差异,特别是冰川消融区老雪中含量普遍高于雪坑/新雪含量,更新了我们对于同一条冰川不同区域表层雪中黑碳浓度的认识,为评估黑碳对雪冰反照率以及消融的影响提供了新数据。
  基于纳木错站以及珠峰站采集的大气总悬浮颗粒物的酸处理除去无机碳后和原始样品的黑碳数值,发现后者的值比前者约分别高出52±35 %和 39±24 %。由于之前报导的青藏高原的大部分黑碳的含量数据基于没有经过酸处理的样品,所以高估了青藏高原大气黑碳的含量。结合之前报导的数据,校正后的两个研究站大气黑碳的含量约为61 ng m-3和154 ng m-3,分别约为中国东部黑碳含量的1 %和3 %。因为黑碳在大气中的含量是其它许多相关研究的最基本输入数据,这一差异会造成我们对青藏高原黑碳在诸多方面 (如黑碳的辐射强迫和大气传输模型) 的研究结果的调整。相对于大气黑碳的含量,对黑碳在青藏高原的大气沉降的直接报导并不多,该论文通过详细对比之前的数据和依据其它相关的黑碳数据计算得到的值,发现通过不同的研究者报导的雪坑和冰芯数据计算得到的青藏高原的黑碳沉降值比较接近,并与大气传输模型的结果也比较吻合,同时这两者都远小于通过湖芯得到的黑碳的沉降通量(li c et al., 2017)。

图80 青藏高原冰川中吸旋光性杂质的分布:(a)黑碳(ng g-1),和(b)粉尘(µg g-1)
  高原北部地区,黑碳和粉尘对反照率降低的贡献显着,可达40 %以上(zhang y et al., 2017b)。高原中部地区,黑碳和粉尘对反照率降低的贡献可达52 %和25 %(li x et al., 2017a),表明相对于粉尘而言,黑碳是导致冰川消融的主要因子。而在高原东南部,新雪中黑碳对反照率降低的贡献约为5 %;老雪中黑碳的贡献可达20 %,粉尘贡献约为10 % (zhang y et al., 2017a)。位于青藏高原中部的小冬克玛底冰川,新雪中黑碳和粉尘的辐射强迫约为7 w m–2,老雪以及裸冰中黑碳和粉尘的辐射强迫可达97 w m–2(li x et al., 2017a)。初步评估结果表明,而藏东南地区4条冰川老雪中黑碳和粉尘对冰川消融量的贡献可达15%,约为350 mm w.e.;对新雪而言,其贡献率小于5 % (图81)(zhang y et al., 2017a)。不同区域吸旋光性杂质对冰川消融的影响程度有差异,不断增加的吸旋光性杂质(包括人类排放的增加和冰川消融导致的富集)加速了冰川的消融,在现有气候背景下,有些区域甚至达到了冰川消融的一半以上。上述结果为模型模拟雪冰中吸旋光性物质对雪冰消融的影响提供了参考。

图81 藏东南地区雪冰中吸旋光性杂质对雪冰消融的贡献量
  基于玉龙雪山站所采集并分析所得到的样品数据分析,表明消融季节里,表层雪(老雪)和积雪融水中吸光性物质的浓度随着时间的推移(或积雪消融)而逐渐升高,而oc/bc的比值显著下降。显示了吸光性物质在积雪中的富集和物理-化学过程(融水的冲刷),且此过程在雪坑中表现的更为明显(图82)。冰川中吸光性物质的空间变化研究表明,在冰川区海拔较低的区域,吸光性物质的含量较高,且空间覆盖度较高和能量流通较大。基于回归分析(二次多项式法)和测定的表层雪中黑碳的含量,我们发现在积雪消融季节,黑碳可引起雪冰表面反照率降低2%~10%。玉龙雪山积雪中oc/bc的平均比值是2.8±0.31,较高的oc/bc比值解释了其来源并非燃烧,例如远距离传输过程中二次有机碳(soc)的形成,二次有机碳是雪冰中有机碳(oc)的主要贡献者(大约89-95%)。

图82 雪坑中表层雪贺底部粒雪中黑碳(bc)、有机碳(oc)浓度及oc/bc比值的变化
  2.2 不同介质中元素及有机质相关研究进展
  (1高海拔地区气溶胶中痕量元素相关研究取得重要阶段性成果
  对乌鲁木齐河源流域及博格达峰气溶胶特征进行了梯度研究表明,研究结果表明:1)流域痕量金属元素存在海拔高度效应:镧系元素随海拔高度降低而逐渐升高,而重金属则随海拔高度升高而逐渐降低。2)乌鲁木齐河流域气溶胶中人类污染物种类和特征:流域7个梯度采样点共检出47种、五组共同痕量元素。总体来看:乌河流域其他采样点和博格达峰地区冰川大气气溶胶具有相似宏观相似特征。各点气溶胶样品包含的碱金属和碱土金属在数量级上大约高出过渡金属、镧系元素及重金属的2-3倍(zhang et al., 2017;图83)。

图83 7个采样点四类气溶胶痕量金属元素含量
  (2)开展了冰冻圈典型区域冰川、冻土及不同水体hg的综合研究,评估了冰川和冻土消融释汞量。
  汞是一种毒性很强的重金属元素,是一种全球污染物。全球变化背景下中低纬度山地冰川加速消融,对河川径流的调节作用增强,可能引起汞的释放并参与到下游生态系统生物地球化学循环。探明山地冰川消融输出汞的过程和规律,是理解以青藏高原为代表的高海拔山区汞的生物地球化学循环的关键环节。在青藏高原念青唐古拉山脉扎当冰川区“冰川-融水-径流”开展的协同采样观测研究发现,不同环境介质中总汞含量依次为,雪坑>冰面河>下游断面河水>冰川末端>上游断面河水(图84)。不同环境介质中均以颗粒汞为主,是影响汞分布的主要因素。冰川补给径流量具有显着的日变化特征,受其影响,融水中总汞含量也具有显着的日变化。从冰川末端融水到下游河水,水体中总汞含量峰值依次出现,并与冰川径流流量峰值相对应,体现了冰川消融对流域汞输出的控制和影响(图85)。基于冰川物质平衡、冰川融水径流量以及总汞含量,估算了扎当冰川潜在释汞量(8.76 g yr-1)以及冰川补给径流曲嘎切的年总汞输出量(157.85 g yr-1),该结果远小于北极及亚北极地区冰川作用区河流汞传输量,主要是曲嘎切流域面积很小;但特别需要注意的是,曲嘎切流域径流汞输出通量(2.74 μg m-2 yr-1)高于北极地区,表明山地冰川对区域汞输出和循环的影响更为突出(sun x et al., 2017)。

图84 扎当冰川流域不同环境介质中总汞浓度

图85 扎当冰川径流汞传输过程
  青藏高原中部小冬克玛底冰川雪冰样品以及冰川融水中hg的研究发现,表雪中hg平均含量约为30.57 ng l-1(变化范围1.07−246.93 ng l-1),略高于高原其他地区。与藏东南冰川hg分布不同,高原中部雪冰中hg的海拔效应并不明显。雪坑中总hg浓度的高值与粉尘高值相对应,表明颗粒态汞是该地区大气汞沉降的主要方式,仅有约34 %的hg受光化学作用而清除,即后沉积过程对表雪hg的再分布影响较弱。冰川融水中总hg的日变化明显,最高值出现在19:00径流量最大;07:00-08:00径流最小时hg浓度亦最小(图86)。该结果表明径流大小是影响冰川补给河流中hg浓度的重要因素,评估结果显示冬克玛底河每年输出的hg量可达747 g yr-1,说明全球变暖背景下山地冰川消融释放的大量hg可对生态系统以及人类健康带来显着威胁(paudyal r et al., 2017)。

图86 冬克玛底河径流日变化以及总汞含量变化
  土壤在全球hg的生物地球化学循环具有重要作用,北极地区冻土中hg的研究表明冻土是释放hg的一个重要源区。青藏高原广泛分布着大面积冻土,活动层中hg的迁移转化可能对环境产生重要影响。基于高原北部疏勒河流域23个冻土剖面hg的分析结果表明,总hg浓度变化范围为6.3−29.1 ng g−1,大多数剖面的表层hg浓度出现峰值,之后浓度降低。总hg与土壤有机碳(soc)、粘粒含量呈显着正相关(图87),表明soc和粘粒含量是影响冻土hg浓度的两个重要因素。hg浓度随海拔升高而降低,可能与高海拔地区soc含量和粘粒含量较低有关。初步估算表明土壤上部(0−60 cm)总hg含量约为130.6 t,其中64.2 %的hg由于冻土退化而进入到疏勒河上游,表明大范围的冻土退化成为全球hg释放的一个重要源区(sun s et al., 2017)。

图87 a-青藏高原北部土壤中总hg与土壤有机碳(soc)的关系,b-thg/soc和soc/tn比率,c-thg/soc眼土壤剖面的垂直分布,以及d-6中不同土壤中soc/tn比率的分布。(gbd-灰色褐色沙漠土、bp-褐色钙层土、cc-冷钙土、fc-寒钙土、f-毡土、ff-寒冷冻土)
  (3)明晰了青藏高原冻土融化可导致其中的老碳释放到河流水体中。
  溶解态有机碳 (dissolved organic carbon (doc)) 是河流水体中最活跃的因子之一,其在通过河流传输的过程中能被微生物分解并释放出二氧化碳等温室气体,从而影响到流域的碳平衡甚至气候变化。冻土融化对河流水体溶解态有机碳造成的影响的研究在北极地区已经广泛开展,并成为水体碳循环的一个重要方向。青藏高原分布着中低纬度地区最大面积的冻土,并储存了大量的碳 (12.3 pg-c (1 pg = 1015 g))。通过对长江、黄河和雅鲁藏布江在青藏高原河段水体中的doc的同位素组成 (δ14c/δ13c)的研究,给出了研究区河水doc受冻土融化贡献的同位素证据。该研究通过对夏季河流水体的溶解态有机碳的14c组成的研究,发现青藏高原doc 的14c的年龄与世界其它河流相比明显偏老(图88),并与采样点所在流域的冻土分布比例具有显着的正相关关系。上述结果不仅明确了青藏高原河流水体中溶解态有机碳的年龄,并证明了偏老的碳主要是由冻土的融化所贡献的(qu b et al., 2017)。该研究成果可为青藏高原冻土碳和其它的相关研究提供重要的参考数据。

图88青藏高原水体δ14c/δ13c与世界其它地区河流的对比
  (4青藏高原冰川雪坑中左旋葡聚糖和可溶有机碳(doc)研究取得进展
  青藏高原南、北部受到不同环流的影响,夏季在唐古拉山以南地区主要受印度季风的影响,而在其以北地区则主要受西风带的影响,冬季整个高原受西风带的控制。青藏高原地区的气候基本是从东南地区相对比较温暖湿润的状态,向西北地区寒冷半干旱、干旱的气候状态过渡,其植被分布也基本呈现东南地区植被覆盖好,逐渐向西北地区减少的特征。本研究的九条冰川(玉龙雪山,古仁河口冰川,小冬克玛底冰川、玉珠峰冰川,煤矿冰川,木孜塔格冰川,七一冰川,老虎沟12号冰川和天山1号冰川)分别位于不同的自然地理带且受不同的大气环流影响。研究了共9条冰川雪坑中的左旋葡聚糖和可溶有机碳(doc),采样点如图89所示。

图89青藏高原冰川采样点
  图90和表2显示,青藏高原已检测冰川雪冰中左旋葡聚糖的浓度都高于南极,高原中部冰川雪冰中左旋葡聚糖的浓度与格陵兰地区相差不大(除木孜塔格冰川外),高原南部和东南部雪冰中左旋葡聚糖的浓度高于俄罗斯远东地区,而高原北部和中部低于俄罗斯远东地区。从图2的数据看出,本研究9条冰川雪坑中左旋葡聚糖的浓度差别很大,总体趋势是:青藏高原南部冰川雪坑中的左旋葡聚糖浓度高于高原北部,高原中部雪坑中的左旋葡聚糖浓度最低。高原中南部的grhk冰川雪坑中左旋葡聚糖的浓度最大,平均值是11.72 ~ 15.61ng ml-1, 低于高原南部的yal冰川26.66 ng ml-1(you, et al., 2016);高原中部的yzf冰川雪坑中左旋葡聚糖的值最小,平均值是0.24 ~ 0.08 ng ml-1。高原东南部玉龙雪山中左旋葡聚糖的浓度仅低于高原中南部的grhk冰川,平均值是2.41~1.47 ng ml-1,高于高原南部的dsp冰川0.31 ng ml-1(you, et al., 2016)和高原东南部(you, et al., 2016)左球普冰川(zqp, 1.41 ng ml-1)和错普沟冰川(cpg, 0.91 ng ml-1)。grhk冰川和yl雪山中左旋葡聚糖的浓度分别是yzf冰川的49倍和10倍。青藏高原北部的三条冰川雪坑中左旋葡聚糖浓度的排列顺序是:lhg(0.44 ~ 0.32 ng ml-1)< ts(0.46~ 0.07 ng ml-1) < qy(0.50~0.06 ng ml-1),它们是yzf冰川的1.8 ~ 2倍。青藏高原中部的mk冰川(0.33 ~ 0.19 ng ml-1)和dkmd冰川(0.36 ~ 0.14 ng ml-1)分别是yzf冰川的1.4和1.5倍。然而高原中部mztg冰川的平均值是0.75~0.43 ng ml-1,高于高原北部。 
表2 极地冰川中左旋葡聚糖的浓度(ng ml-1)
glacier name range      average sample type reference
neem 0.17~1.767 0.41 ice core zennaro, 2014
greenland 0.011~0.597 0.10 ice core kehrwald, 2013
east russia 0.005~18.62 0.75 ice core kawamura, 2012
antarctic 0.004 ~ 0.03 <0.03 ice core gambaro, 2008
图90 青藏高原不同区域冰川雪坑中左旋葡聚糖的浓度
  本次采样雪坑较浅,所有雪坑样品所对应得时间大概为冬季和春季。hysplit反向气团轨迹结果表明,在高原中南部和东南部,古仁河口冰川和玉龙雪山采样点的气团轨迹相似,除了受西风环流长距离传输的影响外,还受到来自南亚局地气流影响。研究表明,春季南亚地区的农业秸秆焚烧和森林火灾等生物质燃烧迹象最为密集。古仁河口冰川和玉龙雪山所在地区在春季可能受到了南亚大量的生物质燃烧排放物跨境传输的影响。青藏高原毗邻的东亚和南亚等地区是化石燃料燃烧排放影响最显著的区域之一,也是全球生物质燃烧最强烈的区域之一。小冬克玛底冰川、玉珠峰冰川和木孜塔格冰川的气团从西南面,西面和西北面侵入。说明小冬克玛底冰川雪冰中的左旋葡聚糖可能来源于中亚和高原内部。高原东北部的老虎沟和七一冰川采样点则明显区别于高原南部,气团从西面、西北面、北面和东面侵入。高原北部的天山1号冰川的所在地区,主要气团来自西面和西北面,少量的来自东面,说明天山1号冰川雪冰中的左旋葡聚糖可能来源于高原西北部。
  2.3青藏高原内陆近地面大气臭氧时间变化特征及其原因相关研究取得进展。
  青藏高原地区因其独特的地理位置及自然环境特征,成为大气环境过程与变化研究的天然实验场。近地表臭氧是一种有毒污染物,来源包括人为来源和自然来源,平流层臭氧输入是青藏高原地表臭氧的重要来源之一。在青藏高原不同地区,平流层输入的发生时段及强度具有差异性,可能影响青藏高原各地区地表臭氧的变化规律。相较于高原边缘,高原内陆缺乏长期连续近地表臭氧观测和分析,对其来源和变化,特别是平流层输入的影响尚不清楚。
  基于高原内陆纳木错站连续5年的观测数据进行分析研究,发现近地表臭氧浓度平均值为47.6±11.6 ppb,其季节变化为春高冬低,主要受到长距离传输和平流层输入的影响;日变化为昼高夜低,主要受到区域环境,如大气垂直交换和光化学作用的影响(图91)。综合分析高原地区及北半球典型背景站点近地表臭氧变化的基本规律,发现纳木错地区地表臭氧月平均高值出现时间晚于高原南部的珠峰nco-p等站,而早于高原北部的瓦里关等站。这一成果填补了高原内陆偏远地区地表臭氧缺乏长期监测的空白,对研究青藏高原地区臭氧变化特征、规律及其影响因素具有重要意义,同时也为青藏高原大气污染物传输过程研究提供了新思路(yin x et al., 2017)。

图91 由era-interim数据得到的2013年位于91°e(经过纳木错)月平均经向剖面图(20:00 utc 8)。包括经向风(青色实线 m/s)、位势涡度(黄色实线 1,2,3,4位涡单位)、臭氧(填充色 ×106 kg/kg) 和位温 (红色实线 k),右侧颜色条示意臭氧浓度,黑色填充为青藏高原地形剖面,红点为纳木错边界层高度
  2.4 青藏高原陆地生态系统变化观测相关研究进展
  (1)冻土区高寒草地生态系统变化观测与恢复示范
  通过对疏勒河上游多年冻土区2012-2016年高寒草地生态系统活动层厚度与不同功能类群地上生物量进行相关分析,结果表明随着多年冻土退化,禾本科类植物地上生物量显著增加、莎草科类植物地上生物量显著降低,活动层厚度达到约3.0米后上述两种功能类群植物地上生物量均显著降低。然而,豆科类和杂草类植物地上生物量均未表现出明显的变化趋势。受“十二五”国家科技支撑课题“冻土过渡带退化草地恢复技术和试验示范”资助,在疏勒河上游河源区选取数千公顷“黑土滩型”高寒退化草地开展人工建植试验示范工作(图92)。通过建立人工建植技术标准(如播种深度选取地下5 cm深),合理筛选乡土草种(如垂穗披肩草),使得疏勒河源多年冻土区“黑土滩”型高寒退化草地植被覆盖度已提高至大约46 %,草地地上生产力每公顷增加911 kg (增幅165.6 %),地下生产力每公顷增加2455 kg (增幅31.3 %);植物生长盛期表层土壤均温降低约2.0 ℃而含水量增加约5.4 %,土壤有机碳和全氮含量分别提高约12.2 %和25.9 %;鼠害防治效果显著,鼠洞密度合计减少约45 %,其中新生鼠洞密度减少约60 %。草地生态系统多项指标均趋于良性变化,生态系统服务功能得以显著改善。

图92 疏勒河上游河源区高寒退化草地人工建植试验示范工作
  (2)青藏高原陆地生态系统总初级生产力研究取得进展
  陆地生态系统植被总初级生产力(gpp)是碳循环的第一步,对青藏高原碳循环的研究至关重要。研究用青藏高原及周边地区12个涡度通量站的观测数据验证7个光能利用率(lue)模型在青藏高原的适用性,并用merra气象数据以及modis数据驱动7个lue模型模拟青藏高原2000年~2010年的gpp,比较不同模型模拟的gpp总量及时空分布差异。结果表明ec-lue模型、vpm模型和vprm模型较适用于青藏高原的gpp研究。为了获得长时间序列的gpp产品,用merra数据和gimms ndvi3g 数据驱动ec-lue模型模拟青藏高原1982~2013年间的gpp,并在此基础上分析青藏高原gpp的时空分布特征及调控因子。该部分的研究成果:large-scale estimates of gross primary production on the qinghai-tibet plateau based on remote sensing data发表于international journal of digital earth;青藏高原总初级生产力估算的模型差异发表于遥感技术与应用。
  2.5青藏高原土壤微生物对土壤呼吸作用的影响研究
  (1)土壤微生物生物量碳氮对实验增温响应的meta分析
  利用web of science上已发表的文献,以“微生物生物量碳(mbc)”、“微生物生物量氮(mbn)”、“增温(warming)”为关键词进行搜索,在全球58个控制实验增温站点上,按照不同的分类进行数据的分析,研究微生物在全球变暖背景下在分解土壤有机质中起到的作用以及响应规律。揭示了土壤微生物在增温过程中的生理适应,即随着增温时间越久,无论增温对其是增加还是减少,微生物对增温的响应是逐渐消退的。该研究结果于2017年发表在soil biology & biochemistry期刊上。

图93 微生物生物量碳(mbc),微生物生物量氮(mbn),及其碳氮比(mbc:mbn)对增温响应的权重响应比值(rr
  (2)青藏高原土壤微生物分解土壤有机质过程对自然增温梯度的响应
  微生物对增温的响应随着增温时间出现了生理适应,那么究竟多久的增温实验才能真正反映土壤微生物对增温的响应?我们利用2个坡度自然增温梯度,提供了一个无限长时间的增温实验。将不同坡点的土样带回实验室按照5℃、10℃、15℃不同培养温度进行培养,发现5℃土样的土壤呼吸值最高。而土壤微生物生物量也是在低温时较高。进一步证明了土壤微生物调节着土壤呼吸的变化,常年在冷的地区的微生物适应了冷的环境。
  2.6温室气体模型模拟相关进展
  在引起全球变暖的三种主要的温室气体(二氧化碳,氧化亚氮和甲烷)中,氧化亚氮的辐射强迫最大,大约是二氧化碳的294倍,而且其在大气中存在的时间最长,对大气增温的贡献非常大,因此,近年来成为研究减缓全球变暖的一个热点。氧化亚氮模型成为模拟和预测这种温室气体排放的行之有效的主要手段,在农业、草地和森林生态系统等领域的研究中有了较多的应用。然而,这些研究中,由于氧化亚氮的排放受多种因素的影响,模型模拟的氧化亚氮排放与实际观测值之间仍然很大的差距,模拟结果仍然有很大的不确定性。利用在亚热带森林生态系统的实际监测数据,对比分析了六种主流的氧化亚氮模型noe,ngas,dyn,dlem,daycent和dndc模型的模拟结果。研究结果显示,这些模型均能够反应氧化亚氮的季节性变化,但是,在不同类型的氮添加以及相同类型不同水平的氮添加条件下,各个模型的结果却不尽相同。研究结果为之后氧化亚氮模型的改善提供重要的借鉴和支持。
 

  2.7对南亚远距离传输的生物质气溶胶的化学成分、来源及演化过程有了更深刻的认识
  青藏高原作为全球海拔最高的背景区域,不仅对亚洲季风气候的形成和全球大气环流的布局有重要贡献,也是全球气候环境变化的敏感区。近年来研究表明,南亚等重污染地区大气污染物可以在大气环流的作用下通过远距离传输进入青藏高原。为了深入研究季风前期南亚生物质燃烧向青藏高原的远距离传输机制及大气气溶胶的理化特性,特别是小粒径的大气亚微米颗粒物(pm1)污染状况,本课题组对2016年4月12至5月12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珠穆朗玛峰大气与环境综合观测站亚微米颗粒物的连续在线观测数据进行了分析处理,对南亚远距离传输的生物质气溶胶的化学成分、来源及演化过程有了更深刻的认识。
  分析结果表明,观测期间珠峰站亚微米颗粒物平均质量浓度为4.44 µg m-3,和全球其他偏远背景地区观测结果相当。其中有机气溶胶和黑碳占主导成分,分别可占到总质量浓度的54.3%和25.0%。受远距离传输的影响,大气亚微米气溶胶各成分呈完全内混和高度氧化状态,并在积聚模态(~ 500 nm)存在明显的峰值。通过对有机气溶胶进行pmf源解析,珠峰站季风前期有机气溶胶主要有生物质燃烧气溶胶(bboa),含氮类有机气溶胶(noa)和高度氧化性有机气溶胶(mo-ooa)三类。通过对两次污染时期和气团后向轨迹分析,表明珠峰站高大气气溶胶浓度时期主要与来自西南方向的南亚地区生物质燃烧气溶胶远距离传输有关。最后通过对一次典型的生物质燃烧事件分析,认识了生物质燃烧气溶胶的来源及其演化过程。
  该分析结果已完成论文并投稿于acp,详见:zhang xinghua, xu jianzhong, kang shichang, liu yanmei, and zhang qi: chemical characterization of long-range transport biomass burning emissions to the himalayas: insights from high-resolution aerosol mass spectrometry, atmos. chem. phys. discuss., https://doi.org/10.5194/acp-2017-1031, under review, 2017.

  3、冰冻圈灾害、影响与适应对策方面研究进展
  3.1解释了冰川湖突发洪水的不规律性和突发洪水的强度
  通过利用1974年的dem、2000年的srtm、2008年spot hrg,分析了湖盆区冰川物质平衡的变化,并建立的湖盆面积-储量的统计关系,成功获取到冰川学家一直关心的麦兹巴赫湖蓄水能力和洪水总量。通过比较2008年和2015年的突发洪水发生前与发生后的麦兹巴赫冰川湖补给率,发现突发洪水后的补给率比突发洪水前的补给率大好几倍,明显异于其他年份,由此提出这两年的突发洪水总量和洪峰受冰内释放水的因素所影响。冰内释放水将增加突发洪水的潜在风险。这一发现,为解释冰川湖突发洪水的不规律性和突发洪水的强度提供很好的证据。
  3.2指出冰川内部储水释放可增加麦兹巴赫冰湖溃决的灾害风险
  阿克苏河上游伊利切克冰川区的麦兹巴赫冰湖是一个周期性排水的季节性冰湖,由于其需水量大,溃决时间较短,对阿克苏河流域下游造成了灾害风险。课题组上官冬辉研究员等人利用遥感分析手段,对1996-2015年间冰湖溃决前后水量补给速率的变化进行了分析。结果表明,2009-1012年间,冰湖溃决前后的湖水补给速率相当,但在2008年和2015年,冰湖溃决期间湖水补给速率是溃决前的7倍以上。此外,1999年和2005年,阿克苏河协和拉水文站均捕捉到了麦兹巴赫湖在短期内的二次溃决过程(图94),表明了第一次溃决后,冰湖快速蓄水并引发二次溃决的主要原因是冰川内部储水的快速释放。两项证据均说明了冰川储水快速释放是麦兹巴赫冰湖溃决形成洪水灾害的重要原因,忽视冰川储水的作用可能使我们低估该冰湖溃决洪水引发的灾害风险。

图94 1999年7、8月间阿克苏河协和拉水文站捕捉到的洪水过程与同期气温对比

 
  4、极地冰冻圈研究方面研究进展
  4.1北极温度重建
  ipcc 第五次评估报告指出,1998-2012年全球变暖不显著, 其升温趋势远小于1951-2012年,这一现象被称为全球变暖停滞或减缓。与此同时,由于人类排放增加,大气中的二氧化碳浓度却持续升高。全球变暖停滞现象与大气中二氧化碳浓度的持续增加间的不一致性,引起公众对全球变暖是否已经停止,人类排放的温室气体是否导致全球变暖产生了质疑。为了解决全球变暖是否停滞这一引起广泛关注的重大科学问题,本研究在美国海洋与大气管理局(noaa)最新的1850-2014年全球观测数据(极地地区缺失)和国际北极浮标观测计划(iabp)提供的北极1979-2004年的浮标观测的基础上,利用经验正交函数数据插值方法,充分利用中高纬度温度在时空变化上的协调性,重建了1900-2014年北极地区的温度。研究结果显示,北极温度在2000年后快速变暖,考虑到北极温度的快速增加后,全球变暖停滞现象并不存在。研究进一步指出,北极地区观测的缺乏对全球温度计算的影响远大于南极地区观测数据缺乏的贡献。该研究结果有利于澄清当前对全球变暖是否停滞的争论,即全球变暖仍在继续,并未停滞。该研究结果,已经被nature climate change接收并刊发(图95-97)。

图95 1998-2012年增温增加到0.086 ℃/10a。(karl et al., 2015, science)

图96 1998-2012年增温增加到0.112 ℃/10a。 (huang et al., 2015, nature)

图97 不同时段全球平均地面气温的变暖趋势及不确定性范围。
 
  4.1 冰盖-冰架系统的三维stokes冰盖模型的构建工作取得进展
  实验室成员与美国cesm地球系统模式下的liwg(陆冰模式课题组)积极开展相关合作,参与其中的full-stokes模型(felix-s)开发工作当中,构建了三维冰盖和冰架系统的full-stokes冰流模式,包括接地线动力学过程。
  具体来说,该模型对冰盖接地部分采用下面的公式来描述,即给定底部滑动边界条件(可以是线性或者非线性):
  对于冰架漂浮部分采用下面公式描述,即冰内的法向应力与外部的海水压力处于平衡状态:
 
  目前正开展与国际同类模式(如elmer/ice)以及冰盖模型基准性实验(mismip3d)的比较工作。发现(1)不同stokes模型之间的运行结果有较好的一致性,说明stokes模型本身具有较为可靠的物理基础;(2)不同的数值模拟方法在接地线附近的差异会对模型结果产生一定的影响;(3)网格精度对不同模型的模拟结果产生一定影响,其差异会随着网格细化而减小。下一步将进一步完善三维并行full-stokes冰流模式并将其运用到实际的东南极冰盖最大的冰流系统(lambert冰川流域-amery冰架研究当中。评估冰盖-冰架系统的动力不稳定性,并最终将模型推广到全南极冰盖,预估冰盖变化对全球海平面的影响。该成果的创新性体现在:
  (1) 提出海冰变化激发的北极-东亚型(aa型)气候模态是一种新模态,能够更好地揭示东亚地区气候变化空间格局。西伯利亚高压北移造成北极异常增暖以及加速海冰消融的机制是首次提出。该研究结果对于理解北极与亚洲气候变化的关系,特别是预测东亚冬季气候变化趋势将有重要参考价值。该研究结果的创新性体现在,把北极海冰的消融与欧亚大陆特定天气型及其影响联系在一起。
  (2) 课题组提出了一种新的交叉点分析算法,基于卫星测高数据对东南极冰盖高程变化进行监测。该算法是在国外算法的基础上,进行了改正,得到精度更高和偏差最小的高程变化时间序列,是高度计应用于冰盖高程计算方法的新突破。利用昆仑站区最新的gps观测资料,世界上首次利用地面观测数据获得了该区域最新的dem及其冰流速场;基于遥感手段,获得了amery冰架冰流速图,该结果精度与国际水平相当。
三维冰盖和冰架系统的full-stokes冰流模式是世界率先融合冰盖和冰架两个冰冻圈重要分量于一体的模型,突破了以往将冰盖模型和冰架模型分别描述的局限,是冰体动力学描述方法的重要突破。
 

  5、其他方面研究进展
  5.1冰冻圈科学体系建设取得重要成果
  经过10余年冰冻圈科学研究团队的努力下,现阶段已系统归纳了冰冻圈科学内涵,明确了冰冻圈科学研究的框架与学科组成,冰冻圈科学研究已从传统自然科学研究向自然与人文社会结合迈进(national science review,2017)。在此基础上,编纂了冰冻圈科学概论中英文版教材,以及《冰冻圈气候学》、《冰冻圈物理》、《冰冻圈化学》、《冰冻圈地理学》、《冰冻圈水文学》、《冰冻圈生态学》、《冰冻圈气候环境记录》、《冰冻圈灾害学》、《冰冻圈人文社会学》、《冰冻圈工程学》、《冰冻圈遥感》、《第四纪冰冻圈》、《行星冰冻圈》、《冰冻圈微生物学》在内14本系列教材。同时,在国家重大科学研究计划“冰冻圈变化及其影响”项目支持下,出版包括《冰冻圈变化及影响》、《山地冰川物质平衡与动力过程模拟》、《复杂地形积雪遥感及多尺度积雪变化研究》、《青藏高原多年冻土及变化》、《极地冰冻圈关键过程及其对气候的响应机理研究》、《全球气候系统中冰冻圈的模拟研究》、《冰冻圈变化对中国西部寒区径流的影响》、《冰冻圈生态过程与机理研究》、《中国冰冻圈变化的脆弱性与适应研究》在内的9本系列专著。在全球变暖的形势下,为促进学科发展,适应和满足社会需求,冰冻圈科学研究团队围绕上述冰冻圈科学体系、学科建设、研究计划基础上,系统梳理和总结了前期研究成果,集思广益、把握国际动态和社会需求,布局和谋划了未来5-10年冰冻圈科学总体研究思路和发展方向,并在中国科学院学部-国家自然科学基金委联合部署项目支持下,形成了《冰冻圈科学发展战略》研究报告。
 
图98 冰冻圈科学体系建设冰冻圈科学体系建设

© 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