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重大进展

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2012研究进展

时间:  2013-06-02 14:27  点击:   次
    2012年实验室主持的国家重大科研项目进展顺利,其中,科技基础性工作专项项目《中国冰川资源及其变化调查》于2012年3月30日顺利通过科技部验收,全球变化研究国家重大科学研究计划项目《北半球冰冻圈变化及其对气候环境的影响与适应对策》和科技部科技基础性工作项目《青藏高原多年冻土本底调查》2012年度进展顺利,所取得成果简要分述如下:
    1、 《中国冰川资源及其变化调查》
    本项目执行期间在以下方面取得了进展:1)建立了基于遥感的冰川监测与编目系统方法。开发出自动提取冰川边界与冰川属性数据的方法;开展了非传统冰川编目参数(冰川表面运动、冰面高程)的遥感监测方法研究,拓展了冰川监测参数。2)建立了西部多期冰川目录数据集。修订了第一次冰川编目,建立了第一次编目的数字化冰川目录;以2007 年前后遥感数据为基础,结合上述算法,建立了西部大部分地区的第二次冰川目录数据集;同时建立了中国喜马拉雅山北坡地区两期冰川湖编目数据集。3)获得宝贵的野外考察和定位监测数据。分别对祁连山等、吉尔吉斯与巴基斯坦境内等地区的30 余条冰川进行了野外考察和测量,对8条冰川进行了连续监测,获得了冰川表面高程、厚度、物质平衡过程等考察和连续监测数据。4)揭示了西部冰川变化的宏观特征。两期冰川编目数据对比,发现中国西部冰川整体上呈现面积减小的变化趋势,调查区冰川总面积相对于1960s 减少了9310km2;藏北高原冰川退缩幅度小,周围山地退缩显著。5)对西部冰川冰量变化有了初步认识。比较地形图、实地gps 测量、srtm 与可见光遥感立体测图的等多源dem,认为西部冰川在规模缩小的同时,表面高程呈总体降低、冰量减少的趋势。此外,建立了数据管理和分布系统,推动了数据应用。
西部冰川1950s末以来冰川面积年变化率空间分布
 
    开发的冰川/冰湖边界与冰川属性参数计算方法,基于可见光和雷达遥感的冰川表面高程、运动速度、雪线高度的应用研究等,为获取不同时期冰川分布、变化提供了方法基础,由此建立的多期冰川冰湖数据集揭示了过去数十年西部冰川冰湖变化的时空特征;基于多源多期数字高程模型比较及其不确定性方法,进一步证实随着冰川退缩,冰川厚度在减薄、储量在减少。新技术(高精度gps、探地雷达、近景摄影测量、卫星遥感、自动气象水文观测)和新方法(gis、卫星立体测图、遥感冰川多参数提取、冰川流域水文过程模拟等)的广泛应用,提升了我国山地冰川监测和研究的定量化水平。依托项目定位监测和冰川变化数据,建立了冰川物质能量平衡模型、基于度日因子的物质平衡模型和改进的流域尺度冰川径流模型等,促进了我国冰川监测与数值模拟的结合,获得了冰川变化及其对水资源影响的可靠评估数据,推动了我国冰川地理学定量研究的发展。同时,依托项目为甘肃省发展与改革委、科技部21 世纪中心、新疆水利厅、兰州军区测绘信息中心等提供了有关西部地区水资源合理开发利用、边界地区测绘与军事行动等有关的咨询和信息服务,产生了较好的影响。
    2、 《北半球冰冻圈变化及其对气候环境的影响与适应对策》
    2012年项目对中亚典型流域及青藏高原典型流域开展了气象、水文和冰川变化观测,完成了木孜塔格冰川冰芯钻取工作;收集和整理了中亚和青藏高原地区已有的冰芯和树轮代用资料及冰川变化资料;重建了千年以来的气候变化,综述了青藏高原小冰期的年代,总结了北半球(特别是我国西部)现代冰川变化的特征;初步建立了冰川能量平衡和冰川径流模型。完成了青藏公路沿线、祁连山区、天山、阿尔泰山区、西昆仑山区和大小兴安岭冻土热状态和活动层厚度的变化观测;开展半球尺度多年冻土热状态和活动层水热过程变化与海拔梯度和纬度梯度的关系研究。部分研究成果如下:
    1) 揭示了中亚天山各大流域的冰川变化以及青藏高原地区冰川的物质平衡变化
    截止2012年6月底,已完成的中亚天山冰川编目总面积达到6063km2(1990年数据),占整个中亚天山冰川面积的95%以上。从现有成果来看,整个中亚天山的冰川变化率在1990-2000年间达到-8%,而2000-2010年间的变化有所减缓,约为-7%。从各流域的情况来看,以小冰川为主的issyk kul流域和balqash流域的冰川面积变化率较大,而以大型山谷冰川为主的aksu河源地区的冰川变化较小。不同阶段各流域的冰川变化情况也有所不同。
    冰川物质平衡研究是评估冰川变化对水资源与海平面升降影响的关键。2012年度,本项目建立了grace资料的处理流程,并采用itg-graces 2010时变重力场模型,计算了青藏高原地区冰川物质平衡的变化情况(下图显示青藏高原冰川物质整体处于亏损状态)。
 
2002年9月份青藏高原冰川物质平衡变化分布图
 
    冰川粒雪线变化对冰川规模演化具有重要的意义。2012年度建立了冰川粒雪线的遥感提取方法,并利用祁连山七一冰川的观测结果进行了验证(图表明近期七一冰川粒雪线呈上升趋势)。
 
祁连山七一冰川1990-2011年粒雪线高度变化趋势图
 
    2) 建立了基于度日因子方法的分布式冰川水文模型,改进了适合寒区流域的分布式水文模型
    初步开展了以vic-3l模型为基础的流域尺度水文模拟,利用耦合冰川方案的vic模型在月尺度上取得了较满意的效果;对中亚天山不同流域冰川的变化特征及差异进行了分析;在青藏高原中部扎当冰川进行了基于能量平衡物理模型的冰川物质平衡变化及敏感性研究。改进了冻土参数化方案,并利用玛多和玛曲站点的数据作为驱动和检验资料,比较分析了clm3.0、3.5和4.0版本的模拟能力。同时,改进了未冻水参数化和积雪参数化方案,使模拟得到了较大的提高。同时针对冻结深度和冻结速率模拟与实测较大的问题,开展了减小冻结速率的敏感性实验,取得了较好的效果。基于essi分布式生态-水文模型的耦合度日因子冰雪融水径流模块的雅鲁藏布江流域冰川、水文、生态模拟评估系统的开发、模型的测试工作已取得进展(图)。
 
2010年科其喀尔冰川融水径流的实测值与模拟值对比.
 
    3) 揭示了北半球冻土活动层厚度的变化特征
    根据北半球活动层厚度监测数据统计结果,对整个北半球活动层厚度多年平均值与纬度、经度和海拔关系、厚度年平变化趋势进行了显著性检验,同时将变化趋势分为了7个等级,0-2cm/a,2-4cm/a,4-6cm/a,6-10cm/a,10-20cm/a和>20cm/a。图11给出了活动层厚度年增加速率与纬度的关系。在纬度上,60~20 on区域,活动层厚度年增加率变化从<25cm/a到>-10cm/a。60~90on区域,变化率大于-5cm/a到5cm之间。
 
活动层厚度年增加速率
 
    活动层平均厚度在纬度、经度和海拔的变化。在纬度上,60on以北的区域,活动层厚度平均值变化从1m到9m,最大活动层厚度在青藏高原,达到了9m左右。最小的活动层厚度在阿拉斯加,仅为30cm左右。在经度上,年平均活动层厚度在88-120oe经度范围内变化范围较大,从1m变化到9m,在50-88oe和120-180oe活动层厚度变化范围较小,从30cm到1.5m。在海拔高度上,蒙古1500~2000m活动层厚度变化较大,从小于1m到大于7m,青藏高原4400-5000m活动层厚度变化较大,从小于1.5m到大于9m。
然而,值得注意的是,北半球空间分布来讲,极地和次极地地区,活动层厚度变化趋势不显著,随着海拔升高至蒙古高亚洲,活动层变化趋势愈加显著。
    3、 《青藏高原多年冻土本底调查》
    1) 青藏高原冻土区的植被调查:对青藏公路沿线的22个固定监测点及西大滩区域内的28个样地进行植被调查工作。内容包括样地内植被类型及优势植物种的确定;植被盖度、生物量及株高调查;gps坐标与各植物种数码照片的整合,植物标本采集、鉴定和整理等,实地确定了375个植被遥感分类样点,测定并记录经纬度、海拔高度、植被类型、植被盖度、主要优势植物种和地上生物量等。对不冻泉至清水河沿线植被调查所得植物标本进行鉴定命名,同时对2008-2012年间参加多年冻土调查工作所积累的植物照片进行分种整理,目前已初步整理完成200余种,预计可达300余种。待照片分类整理完成后,确定最终的植物名称,以期整编《青藏高原多年冻土区常见植物识别图册》。  
    2) 青藏高原多年冻土区土壤类型特征及其分布调查:对青藏高原多年冻土区5个典型代表区域进行土壤分类及分布特征研究。通过对218个样点进行野外调查及采样分析,并按照中国土壤系统分类法进行分类,划分出7个土纲,15个亚纲、28个土类、37个亚类。研究发现青藏高原多年冻土区东部地区土壤以雏形土为主,西部地区以干旱土为主,表现出经向地带性分布规律,并且东部地区土壤各高级类别种数均比西部地区多,土壤类型丰富,东西部土壤类型分布格局差异的主要因素为东部地区年均降雨量较西部地区大。东西部中高山地区,随着海拔的升高土壤类型表现出垂直带性规律,并以多年冻土分布下界高度为分界线,这主要是由于多年冻土的存在影响了土壤发育。
    3) 青藏高原多年冻土区的物探(雷达)调查:阿尔金山地区活动层厚度分布与海拔高度变化关系密切,说明该区域影响活动层厚度分布的主要影响因子可能为海拔高度。野外的钻孔岩芯资料和植被调查结果也表明,该区域多分布冲洪积砾石层,植被稀疏,主要为高寒荒漠草原和荒漠戈壁。通过追踪冻土上限位置在雷达剖面中的分布,解译得出西大滩阴坡多年冻土分布最低下界在海拔4356m附近,但在不同海拔梯度上,多年冻土分布主要受盆地河床融区的影响,下界海拔存在一定差异,另外在阳坡地区,冻土下界海拔高明显高于阴坡地区,盆地底部多年冻土分布受河流融区的影响,可能为岛状分布,且下界海拔要略高于阴坡地区。
    4) 青藏高原多年冻土区有机碳调查:本研究选择青藏高原东部的多年冻土区为研究区域,以草甸草原、草甸、沼泽草甸和草原为典型植被类型,以非极性溶性组份、水溶性组份、总纤维素和木质素为指标,分析了四种植被类型下土壤有机碳的组份及其含量,研究旨在了解青藏高原多年冻土区土壤有机碳的组分及其垂直分布情况,从而加深对青藏高原多年冻土区土壤有机碳在全球变化过程中的意义及生物地球化学循环过程的认识。
    5) 冻土活动层土壤中微生物群落调查:利用前两年多年冻土本底调查钻孔资料,分析了高原多年冻土链霉菌分离菌株多样性及其生理活性。研究表明,青藏高原冻土蕴藏有丰富的放线菌资源,这些放线菌适应特殊的生境,产生多样的次级代谢产物,具有潜在的应用潜力,为微生物多样性及生态环境保护提供了重要依据;对这些菌株次级代谢的提取、纯化分析以及代谢调控机理等生理特征的研究,将加强这些分离菌株的进一步开发利用价值。已经完成的工作包括宏基因组dna的提取,包括细菌、真菌、古菌在内的微生物16/18s rdna的pcr扩增,并将所有样品送至国家南方基因组中心进行454高通量测序,同时,完成了甜水海冻土钻孔不同深度土壤的理化分析工作,表明土壤中c、n含量较低,是一寡营养的生境。
    6) 青藏高原西昆仑地区多年冻土空间分布制图:利用遥感数据和扩展地面冻结数模型模拟了该区多年冻土的空间分布,根据有限的地温实测资料建立了地温与位置、高程、坡向和太阳辐射的关系,估算了该区多年冻土下限深度的分布情况。结果显示,该区有多年冻土约占36.9%,季节冻土占57.5%,多年冻土主要分布在34°n-36.5°n范围内,季节冻土主要分布在塔里木盆地和34°n以南地区。青藏高原西部区域的多年冻土下限深度整体表现为由东南?西北逐渐加深(图)。
 
青藏高原西部区域多年冻土空间分布
 

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