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重大进展

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2019科研进展

时间:  2020-02-26 08:50  点击:   次
 
2019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187篇学术论文,其中sci论文141篇。主要科研进展如下:
 
一、冰冻圈过程、机理与模拟
1.青藏高原冰冻圈状态与变化
冰冻圈与岩石圈、大气圈、水圈和生物圈共同组成地球气候系统,也是气候变化的产物。冰冻圈通过地表能量和水分循环、大洋环流和碳循环等对气候系统产生巨大的影响和反馈。在全球变暖背景下,冰冻圈地区的气温增幅更加剧烈,明显高于全球其他地区,冰冻圈也是对气候变化最为敏感的圈层。
青藏高原是中低纬度冰冻圈最为发育的地区。以青藏高原为主体的冰冻圈(主要包括冰川、积雪和冻土)对区域和全球的气候系统、水文水资源、以及生态系统和经济社会均有十分重要的影响。在全球变化背景下,冰冻圈已经历了显著的变化,引起了社会各界的广泛关注。青藏高原在过去半个多世纪呈现出大面积的变暖和变湿,过去50年气温已升高1.5-2 °c,为同期全球增温的2倍之多。青藏高原大部分冰川发生了显著的退缩,并表现出明显的区域差异,退缩最小发生在高原内部,逐渐向外缘增加。冰川的模拟相对较少,仍处于发展阶段。积雪是冰冻圈高度敏感的要素,自1960s到2010s总体上呈现减少趋势,但具有很大的年代际变化。积雪的模拟主要集中于积雪异常和气候、大气环流的相互反馈上。野外观测和模式的结果表明,随着冻土温度增加,多年冻土退化、季节冻土的季节冻结深度减小。在未来气候变暖下,青藏高原的冰冻圈要素都将会持续萎缩。
青藏高原是全球变化研究的关键地区之一,具有全球变化研究的独特性和优越性,但缺乏长期的、系统的、高质量的观测数据。目前,观测资料的缺乏是青藏高原研究面临的重大挑战。为应对这些问题,综合使用可靠的原位观测、遥感测量以及改进的数值模式对于青藏高原冰冻圈及其与气候的相互作用(图40)研究取得突破至关重要。

图40 冰冻圈与气候相互作用技术框图
 
2. 阿尔泰山冰川预估及消融人工干预
(1)阿尔泰山冰川预估
在rcp4.5排放情景下,中国境内阿尔泰山有256 条冰川很可能比乌源1号冰川变化、消失的快,分别占阿尔泰山冰川现有条数和面积的91.8%和44.2%(图41)。这些可能消失的冰川无论从数量还是面积上看,集中分布在布尔津河、哈巴河、额尔齐斯河和拉斯特河流域,其中布尔津河消失的冰川数目和面积最大。2090年之后,剩余的24条冰川基本上分布在布尔津河流域,其他地区的高山之巅零星分布着数条冰川。这些可能消失的冰川具有面积较乌源1号冰川小,顶端海拔较乌源1号冰川低等特点。


图41 rcp4.5排放情景下,2090年前中国境内阿尔泰山消失冰川空间分布
 
rcp4.5排放情景下,到2090年,布尔津河流域数量上有91.5%的冰川会消失殆尽,消失的冰川多为小冰川,面积占目前面积的40%。布尔津河属融雪为主、辅以雨水混合补给性河流,冰川融水径流量约为7.7×10m3,仅占总径流量比重7.7%,因此,流域冰川的消失,会削弱冰川对径流的调节功能,但不会对径流总量造成太大影响。该区其它流域,如哈巴河、哈拉额尔齐斯河、喀依尔特河、科布多河等,冰川发育较少,单条冰川面积也小,到本世纪末大都消失殆尽。尽管冰川的消失不大可能会对径流量产生很大影响,但会使得冰川对径流的调节功能丧失,使得径流变差系数增大,洪枯水量悬殊,洪峰流量增大,枯水季延长。总之,未来由积雪径流变化和冰川消失造成的阿尔泰山地区河流径流年内分配和过程上的改变应予以特别关注。
对中国境内萨吾尔山所在的拉斯特河流域的预估结果显示:到2090年该地区冰川仅剩下木斯岛冰川。该地区属于资源性缺水地区,近年来区内冰川消融加剧,河流径流波动增大,夏季洪灾频发,未来水资源形势会更加恶化,因此通过实施跨流域调水等工程措施,以保证生态生活用水十分必要。
(2)人工增雨对冰川消融的影响研究
阿尔泰山是我国纬度最高、海拔最低的现代冰川分布区。受西风环流和极地冷空气团的影响,该地区全年降水丰富,且年内分布均匀。自1959年以来,该地区冰川退缩显著、物质持续亏损且呈现加速趋势。为了评估降水对冰川消融的影响,2018年8月19日-22日在萨吾尔山木斯岛冰川区进行了人工降雨实验。通过观测人工增雨的形态和降水量以及增雨前后冰川的表面反照率和物质平衡变化,评估降水对冰川消融的影响。观测得出(图42和图43):两次人工增雨形成的降水量分别为7.3 mm和12.0mm,其中海拔3350m以上为固态降水。人工增雨形成的固态降水导致冰川中上部的表面反照率明显增加。人工增雨一定程度上减缓了冰川的消融。但人工增雨影响冰川消融的机理非常复杂。除了对冰川的物质积累有直接影响外,还影响到冰川与大气之间的能量交换过程,这与降水的形式,强度和数量有关。
 

图42 人工增雨前后木斯岛冰川反照率变化


图43 人工增雨前后木斯岛冰川物质平衡变化
 
3. 树轮气候记录
(1)不同区域树轮指标反映的气候信息
利用中国天山东、中、西部以及阿尔泰山的树轮稳定氧(δ18o)同位素序列进行区域干旱变化的研究。四个样点的同位素序列都能较好地捕获区域过去300年干湿变化的信息(图44)。利用树轮氧同位素重建的干旱指数反映出该区域在1710-1770、1810-1830年以及21世纪初表现出明显的干旱特征。1710-1770年的干旱和清朝准格尔部落的衰落具有重要的联系。区域气候在1780-1800年相对湿润,同时区域存在较大的几次大规模人口迁入和农业种植扩展事件。区域在1880s-2000年持续偏湿,这主要是和西风环流增强导致。该变湿趋势和藏东南区域季风减弱导致的变干显著不同,反映了两各区域不同的气候变化状态。


图44 (a) 新疆北部树轮氧同位素网络和区域气候干湿指数(spei)变化;
(b) 新疆北部树轮氧同位素序列和区域气候干干湿指数响应分析

(2)中国半干旱区树木径向生长空间差异及其控制机制分析
半干旱区是全球气候敏感性和生态脆弱性最强的区域之一,是开展树木生长对气候变化响应及适应性研究的理想区域。目前,研究都多基于单点或局地尺度,且多运用传统的线性回归统计的方法,区域尺度树木径向生长对气候的响应机制还不明确。本研究运用树木生长机理模型(vaganov-shashkin-lite model),对中国半干旱区及其周围33个样点针叶树种径向生长特征及其对气候变化响应机制开展系统研究,开创性的量化了1960-2013年间温度和土壤湿度对于该区域树木生长的相对贡献;另外,结合气候预警资料,模拟了2014-2010年该区域树木生长的变化。结果发现:在研究时段研究区东西树木生长存在不同的变化趋势,其中西部样点树木平均径向生长呈现显著上升趋势,而东部样点呈现微弱下降趋势;模型揭示该区域树木生长径向生长主要受到降水控制下的土壤湿度的影响,东西部的相对湿度对于树木生长的贡献分别占到了77%和69%(图45);指针年分析(point-year analysis)结果发现东部样点树木径向生长受到生长季初期(4月-5月)土壤湿度的影响显著;模型揭示在rcp 4.5和rcp 8.5情景下,东西部区域的树木生长都呈现上升趋势(图46),这可能与由于气候变暖导致树木生长季延长有关。该研究准确揭示了降水诱导的干旱是近几十年来中国半干旱区径向树木生长主要贡献者,因此预期通过准确预报干旱发生的频度可有效管理中国半干旱区正在衰的森林生态系统以及实现林业可持续发展。


图45 西部(a)和东部(b)干旱年和湿润年温度和土壤湿决定的树木生长率对比,以及研究时段温度和土壤湿度对树木径向生长贡献率的变化。


图46 西部(a)和东部(b)不同co2排放情景下(rcp2.6, rcp4.5和rcp8.5)下树木径向生长对比。
 
(3)青藏高原地区树轮资料反映的历史温度变化
基于已建立的19条温度序列和13条温度敏感的年表序列,从其中甄选出18条序列,其中8条位于高原东北部,10条位于高原东南部,利用主成分分析nest的方法重建了高原东北部过去千年(1000-2002)的温度变化,高原东南部过去447年(1563-2010)夏季温度变化。研究表明(图47):高原东北部年平均温度的重建较好地记录了高原北部中世纪暖期气温偏高,小冰期(1600-1850)时期偏冷,以及20世纪的变暖趋势;同时在该区域工业革命时期的显著增暖始于1812年。在高原南部夏季温度重建体现出:小冰期(1600-1870)也呈现出偏冷的特征,而在20世纪变暖特征显著;工业革命的显著增暖始于1938年。通过将区域温度重建和9个模式输出的模拟结果比较,二者之间在年际波动上具有较好的一致性,高原北部的工业革命增暖时间和模式输出的结(1810)比较接近,高原南部的增暖起始时间晚于模式输出的增暖时间(1820)。通过和之前的一些重建结果进行比较表明:高原东北部的工业革命的增暖起始年份略早于中国西部(1833)、亚洲夏季温度(1850)以及北半球温度(1837),其中原因可能是由于高原北部年平均温度的增温速率相对较(0.26k/decade),从而导致了区域显著增暖期早于其他区域。通过和模式的比较结果表明:高原东北部和高原东南部的气候变化受到太阳活动和火山活动的影响,区域温度重建对于火山活动的响应没有模式输出结果的强度大;然而模式结果揭示出区域温度在1960-1970的低温时期可能是由于区域人为活动的增强,区域颗粒物排放增多以及土地利用变化等因素导致了区域温度呈现出一定的低温特征。北大西洋年代际涛动通过影响区域能量的输送从而显著影响区域温度的变化,区域温度和北大西洋多年涛动指数呈现显著的正相关关系,表明在北大西洋涛动较强的时期,区域温度相对较高,在北大西洋较弱时,区域温度相对较低。然而,由于距离热带海洋地理位置的差异,这种关系在高原南部表现的较强,在高原北部表现较弱。
 

图47 重建的青藏高原东北部(a,netp)和东南部(c,setp)温度变化序列与17个模式输出结果比较。青藏高原东北部(b,netp)和东南部(d,setp)温度序列30-年低通滤波后和模式结果的相关系数。不同模式中青藏高原东北部(e,netp)和东南部(f,setp)温度显著增暖开始时期.青藏高原东北部(g,netp)和东南部(h,setp)温度变化和cesm 模式单因子驱动模拟结果比较
 
二、冰冻圈与其他圈层相互作用
1.基于大气污染物与冰冻圈变化协调监测网络,揭示了第三极大气污染与冰冻圈退缩的耦合机制
以青藏高原为核心的第三极是全球中低纬度地区冰冻圈最为发育的区域,当前,第三极正在发生以冰川退缩和冻土退化为显著特征的冰冻圈快速变化,其变化机理和影响备受关注。大气污染物,特别是具有吸光性的黑碳和沙尘等可以加热大气,沉降至冰川积雪表面后可改变雪冰反照率进而促进冰冻圈消融;冰冻圈贮存的重金属和持久性有机污染物等可随冰冻圈变化对区域气候环境造成影响。因此,大气污染物和冰冻圈变化(atmospheric pollution and cryospheric change - apcc)的协同研究成为全球和区域冰冻圈研究的热点前沿。
建立了覆盖第三极及周边高山地区的大气污染物和冰冻圈变化协同观测研究网络(the coordinated apcc network)。深入阐释了大气污染物和冰冻圈变化的关系,全面介绍了apcc协同观测研究网络的构架和运行,对基于该观测研究网络和其他相关研究工作取得的重要进展,包括第三极和周边地区大气污染物,特别是气候环境意义突出的吸光性物质的时空分布和来源、跨境传输的路径机制和规模、气候环境效应特别是对冰冻圈变化的影响,以及冰冻圈缩减的区域环境效应等方面进行了系统总结(图48),认为南亚等周边地区人为大气污染物可通过高空和山谷输入青藏高原加速冰冻圈消融,进而对区域生态环境造成深刻影响。还提出了未来在“三极地区”深化大气污染物和冰冻圈变化研究的远景构想和重要研究方向。


图48 大气污染物跨境传输及对冰冻圈的影响
2.对拉萨市6个站点的大气污染物长期监测数据深入发掘,揭示了“拉萨模式”在大气环境保护方面的成效及启示
研究城市空气质量变化成因,对空气污染治理及相关政策的制定具有重要意义。对拉萨市6个站点2013-2017年主要大气污染物(so2、no2、co、o3、pm10和pm2.5)的观测数据进行了系统分析。结果表明:在中国所有省会及直辖市当中,拉萨市空气质量名列前茅。拉萨市主要大气污染物浓度水平整体远低于东部地区城市,并表现出冬季较高的季节特征。其中,o3浓度水平较高,这主要是由于拉萨市地处高原地区,平流层臭氧入侵及光化学过程强烈等自然条件有关。
与2001-2005年的观测数据对比显示拉萨市so2、no2、pm10浓度水平过去20年处于持续稳定状态。分析指出:在经济水平和人口不断增长的背景下,拉萨市独特的地理位置、第三产业为主的产业结构(图49)、水能为主的能源结构(图50)、各级政府部门切实有效的大气污染治理防治措施(包括改造小型燃煤锅炉、控制餐饮油烟排放、淘汰黄牌车不达标车、推广新能源车和公共交通、推广集中供暖等)是拉萨市空气质量良好的原因。拉萨市形成了经济发展和空气质量稳定良好共赢的“拉萨模式”,是我国各大城市开展大气污染物防治,打赢“蓝天保卫战”的典型正面案例。


图49 拉萨市以第三产业为主的产业结构


图50 拉萨市以水能为主的能源结构
 
3.湖芯记录揭示南亚大气污染物传输的历史变化
由化石燃料和生物质不完全燃烧产生的黑碳(bc)是仅次于co2的大气升温影响因子,对全球气候变化具有重要影响。湖泊沉积物是研究bc传输、沉降及区域气候变化并重建bc历史排放的良好介质,尤其在青藏高原,由于毗邻南亚、中亚等重排放区,长距离传输可能是青藏高原湖泊沉积物中bc等污染物的主要来源之一,但目前在青藏高原相关的研究还非常缺乏。针对该问题,对喜马拉雅山南北坡6个湖泊沉积物中bc的含量、通量及来源等进行了检测分析。研究表明(图51):喜马拉雅山南坡两个湖泊沉积物中bc含量差异较大,这主要受当地宗教活动等影响;青藏高原内陆四个湖泊沉积物中bc的平均含量为1.28±0.62 mg g-1,这与青藏高原其他湖泊的研究相当,但远低于中国其他区域湖泊沉积物中bc含量。在1900s之前bc含量保持较低水平,之后逐渐升高,在1950s后,bc含量明显增加,这与1850-2000年间南亚地区bc排放的变化趋势一致。喜马拉雅山南坡和青藏高原内部湖泊沉积物中bc的沉积通量分别为1.40±1.83 g m-2 y-1和2.98±3.33 g m-2 y-1,也呈现明显的时间变化趋势,表明青藏高原周边尤其是南亚地区bc的排放量在不断增加。根据bc不同组分对其进行来源解析,结果表明生物质燃烧是青藏高原湖泊沉积物中bc的主要来源,除人类活动排放影响外,南亚、东南亚频频爆发的森林火灾的影响也不容忽视,同时,沉积速率和冰川加速消融也是影响bc向湖泊输入的重要因素。
 
 
图51 研究区不同湖泊沉积物中bc含量(mg g-1)及通量(g m-2y-1)的历史变化
 
4.评估了不同排放部门对青藏高原地区黑碳和pm2.5的贡献
通过设置不同的wrf-chem敏感性试验,初步评估了青藏高原地区黑碳的来源,结果表明:居民源对青藏高原黑碳的贡献最大,而且相对于工业排放源,交通排放对青藏高原黑碳的影响更大,这也反映出了青藏高原上受工业活动的影响较小。相比于夏季(图52), 冬季(图53)居民取暖,燃烧了大量生物质和化石燃料,因此,居民源在冬季对青藏高原黑碳的的贡献比夏季更大。此外,还分析了不同源对青藏高原pm2.5浓度的影响,包括计算pm2.5的6个主要组份(bc、poa、soa、nitrate、sulfate、ammonium)所占比例,以及不同排放源对这6个组份的贡献,最后计算出不同源对青藏高原pm2.5的贡献(图54)。在高原上居民源对pm2.5的贡献最大;主要由于居民源对bc和poa的贡献很大,而这两者在pm2.5中所占的比例最大。在非季风期, 居民源对pm2.5的影响要高于季风期。


图52 夏季不同部门对研究区内黑碳的贡献率:(a)居民源,(b)工业源,(c)交通源,(d)电力源,(e)开放火源。


图53 冬季不同部门对研究区内黑碳的贡献率:(a)居民源,(b)工业源,(c)交通源,(d)电力源,(e)开放火源。


图54 不同排放源在季风期(a)和非季风期(b)对青藏高原pm2.5 的贡献
 
5.青藏高原冰川区大气气溶胶矿物粉尘和人为气溶胶的源解析及其单颗粒组分研究
首次将hf-nd同位素示踪体系运用于青藏高原山地冰川沉降粉尘源区示踪,为当前气候背景下粉尘传输和大气环流研究提供新的同位素证据。研究表明(图55):青藏高原东北缘冰川粉尘除了来源于周边沙漠如塔克拉玛干,巴丹吉林沙漠的贡献外,高原表层土也是其主要源区之一。冰尘的体积-粒度反映出粉尘局地源和远距离传输的信息。源于中亚和南亚的重金属浓度沿着乌鲁木齐一号冰川到博格达峰到庙尔沟冰川和沿着青藏高原南北横截面呈降低趋势(图56),由此确定了沉降在青藏高原东北缘冰川区污染物的中亚和南亚来源以及传输路径。


图55 研究区积雪粉尘中hf-nd同位素组成并与中亚沙漠同位素组成比较


图56 青藏高原不同冰川重金属浓度和富集系数的空间分布特征
 
针对性开展围绕青藏高原东北部的城市区和偏远冰川区12个采样点大气污染物单颗粒组分及传输研究(图57和图58),揭示了青藏高原东北部地区吸收性单颗粒潜在的空间传输过程和从城市到偏远区的大气传输路线。研究发现:与高原南部喜马拉雅山类似,气溶胶单颗粒多数处于相互混合状态,夏季的盐包覆颗粒(包括黑碳和有机碳,被硫酸盐和硝酸盐包裹)占城市地区总颗粒31.2-44.8%, 占偏远区总颗粒的37.5-74.5%;而冬季几乎所有城市大气单颗粒中盐包裹颗粒均占总颗粒的50%以上,这意味着单颗粒的盐包裹混合现象对研究区域的辐射强迫有显著影响。由于盐类具有强反射性和吸水性,使得大量黑碳和有机碳颗粒在盐包裹下造成吸热性极大减弱。城市区大气单颗粒组分主要来源于人类活动污染源,而偏远区表现出污染物颗粒减少、地表自然源颗粒(如矿物粉尘和nacl盐)含量沿着传输逐渐增加的特征。 
 

图57 青藏高原东北部城市和偏远地区大气单颗粒采样点位置图


图58 青藏高原东北部、祁连山及周边城市大气单颗粒类型组成和混情况图
  6.共享社会经济路径下青藏高原五大河源区未来需水量预估
采用回归分析方法和多模型对比,系统评估了青藏高原五条大河源区(长江源、黄河源、澜沧江源、怒江源及雅鲁藏布江源)三产比重和用水指标未来变化。结果显示(图59):2010年,雅江源、怒江源、长江源、澜沧江源和黄河源总用水量分别达7.13×108 m3、0.64×108 m3、1.28×108 m3、0.47×108 m3和1.18×108 m3。在共享社会经济路径(ssps)各情景下,相对于2010年,雅鲁藏布江源需水量在2030年均将减少60%(±2%)左右(怒江源减少50%±2%;长江源减少70%±1%;澜沧江源减少58%±1%;黄河源减少65%±2%);到2050年,将减少86%(±1%)左右(怒江源减少72%±2%;长江源减少86%±2%;澜沧江源减少75%±1%;黄河源减少81%±2%);到2100年,将减少92%(±2%)左右(怒江源减少83%±3%;长江源减少92% ±1%;澜沧江源减少81%±4%;黄河源减少87%±3%)。在ssp1情景下,2010-2100年,各流域总需水量相对较高,而其他情景下总需水量相对较低。从空间上看,需水量最大的区域将是拉萨市及其周边地区,黄河源北部地区海西州区域、长江源的海西州部分、澜沧江源东南部也将是需水量相对略大的地区,其他地区需水量很低。总体来看,各大河源区需水量相对于全国处于相当低的水平,未来还将继续减少。


图59 不同社会经济路径情景下2010-2100年青藏高原五大河源区总需水量变化预估
 
7.多年冻土区植被、土壤和生态系统呼吸研究
对不同海拔嵩草生理指标的测定结果显示:随着海拔升高,嵩草叶片中的丙二醛含量逐渐增加,叶绿素浓度和超氧化物歧化酶活性逐渐减小,脯氨酸和过氧化物酶活性先增加后下降。同时,大气温度、空气湿度、土壤温度逐渐下降,光合辐射强度逐渐上升,海拔升高后环境因子的改变加重了对嵩草的胁迫。模拟增温室内嵩草的生理指标发现:与对照区相比,增温处理下嵩草叶片中的丙二醛含量降低,叶绿素浓度、过氧化物酶活性、超氧化物酶活性增高。海拔3700、3800m增温处理下的嵩草脯氨酸含量低于对照区嵩草的脯氨酸含量,而海拔4000、4100m增温处理下的嵩草脯氨酸含量高于对照区嵩草脯氨酸含量。开顶式增温采样区与对照采样区相比,大气温度、co2浓度、土壤温度等有所增加,大气湿度降低。增温处理减轻了环境对嵩草的胁迫,温度是影响嵩草抗氧化系统生理变化的环境因子之一;增温条件下,嵩草的抗氧化能力增强,增温有利于嵩草的生长发育。通过测定滑塌区与对照区苔草、嵩草的生理指标发现滑塌后,滑塌地上嵩草与苔草的丙二醛含量下降,叶绿素浓度、脯氨酸含量、过氧化物酶活性、超氧化物酶活性有所升高。对比对照区发现,滑塌地上土壤温度、大气温度升高,空气湿度降低。热融滑塌后,滑塌地上环境因子的变化增加减轻了对嵩草、苔草的胁迫。随着海拔高度的升高环境对嵩草的胁迫程度加重,增温处理与滑塌后环境因子的改变减轻了对嵩草、苔草的胁迫。相关性表明大气温度是嵩草抗氧化系统生理指标变化的主要影响因素。
选择欧洲空间局发布的cci土壤水分产品,利用校正后的数据对青藏高原1986-2016年近30年的土壤含水量变化进行了分析,研究青藏高原不典型的多年冻土与季节性冻土区的土壤水分变化差异。研究结果表明:在高原多年冻土区,近30年来土壤水分变化趋于平缓,没有显著变化;季节性冻土区,多年平均土壤水分变化相对较剧烈且突变现象频繁,均有显著的上升或下降趋势,青藏高原土壤近30年在半干旱地区呈干旱趋势,在干旱与湿润气候区则有变湿趋势。在过去30年里,青藏高原土壤水分的变化表现出空间差异性,提示未来的气候变化对高原生态系统的影响会存在区域差异。
 
三、冰冻圈灾害与服务功能
1.全球冰冻圈灾害高风险区:影响与态势
20世纪70年代以来,全球增温显著,冰冻圈快速变化,由此引发的一系列的冰冻圈灾害。纵观国内外冰冻圈灾害研究对象及其方法, 多以单灾种综合分析为主, 且多集中于雪崩、暴风雪、冰湖溃决灾害的分析, 对于冻土灾害、海冰灾害及其他低频灾害较少涉及,尤其缺乏对全球冰冻圈灾害的总体认识及其综合影响与态势的系统分析。因此,系统梳理了冰冻圈灾害类型、成灾机理,分析了冰冻圈不同灾种的成因及其影响的空间分异特征,旨在为未来冰冻圈高风险区经济社会活动调整和防灾减灾规划制定提供参考。
全球冰冻圈灾害空间分布广泛, 类型多样, 且多发生在中低纬高海拔山区和高纬地区, 对人类经济社会影响显著(图60和图61)。陆地冰冻圈灾害主要集中在北半球环北极国家、中低纬度山地国家; 海洋冰冻圈灾害主要集中在沿海国家和低洼岛国; 大气冰冻圈灾害主要集中在中高纬度国家。冰冻圈变化-冰冻圈灾害风险-冰冻圈风险管控链条关系紧密,亟需加强冰冻圈变化对社会经济系统的综合风险分析、评估和理解,以期针对性地调整未来冰冻圈灾害高风险区经济社会活动轨迹,有差别地制定冰冻圈灾害高风险区防灾减灾规划,以降低冰冻圈灾害风险和提高可持续发展能力。


图60 全球冰冻圈灾害空间分布


图61 冰冻圈灾害时空规模尺度
(黑点、三角形和菱形分别代表陆地冰冻圈灾害、大气冰冻圈灾害、海洋冰冻圈灾害; 点线代表灾害持续时间跨度)
 
2.青藏高原雪灾不同危险性下gdp与人口暴露度
未来(2016~2100)不同rcps情景下,青藏高原仍以轻度与中度雪灾为主,重度与极重度雪灾主要分布于喜马拉雅山中西部与三江源区。未来不同时段青藏高原不同等级雪灾危险性频次均减小(表1)。青藏高原不同等级雪灾在基准时段~2030s的危险性高于2030s~2050s,且分布范围较大,随着排放浓度的增加危险性增加。


在轻、中度雪灾危险性下,未来2030s和2050s两个时段gdp、总人口和农村人口的暴露度变化不大。而在重度与极重度,尤其是极重度雪灾危险性下,rcp2.6和rcp8.5情景下,2050sgdp、总人口和农村人口的暴露度明显大于2030s,rcp4.5情景下的暴露度最小。中度危险和重度危险是青藏高原气候变化危险性的主流,暴露人口总体都呈增加态势,就气候变化综合危险性而言,暴露人口增长速度为中度危险区>重度危险区>轻度危险区>微度危险区>极重度危险区(图62)。


图62 不同气候要素不同危险性下的暴露县域个数、面积和人口比例
 
3.冰冻圈融入区域发展的途径与模式
(1)基于“冰冻圈融入区域发展”逻辑框架解析,构建了“美丽冰冻圈”区域发展水平评估指标体系
通过对“冰冻圈融入区域发展”逻辑框架进行解析,建立了冰冻圈融入区域发展指标体系,对区域发展水平进行评估,共划分四大类(资源禀赋、经济发展、社会发展、生态本底)32个指标。
(2综合评价了三大冰冻圈典型影响区的区域发展水平
运用多种方法,从区域整体、县域尺度对三大冰冻圈典型影响区(祁连山-河西地区、江河源区、大香格里拉地区)的区域发展水平进行了综合评价。祁连山-河西地区2008年处于低与较低水平比例很高,从2011年开始,区域发展水平增长迅速,截至2017年中等水平以上比例已达到较高水平。江河源区区域发展水平总体处于低于较低水平,区域发展水平逐步提高,在空间上呈现向西扩展趋势。大香格里拉地区2008年基本处于低与较低水平,发展水平增长快速,截至2017年较高水平比例达到80%以上。
(3)运用层次分析法识别了影响冰冻圈典型区区域发展水平的主控因子
祁连山-河西地区识别的主控因子为自然保护区面积比重、冰川融水补给比例、单位绿洲面积的出山径流量、累计积雪持续时间、财政中教育投入占比。江河源区识别的主控因子为ndvi、冰川面积覆盖率、积雪深度变化率、财政中教育投入占比、自然保护区面积比重、npp总量、林、草、湿耕地面积占比、积雪覆盖时间。大香格里拉地区识别的主控因子为冰川面积覆盖率、累计积雪持续时间、交通运输能力、冰雪景区4a及以上景区数量、冰川面积变化率、ndvi。

4.冬奥会雪冰保障技术研究
第24届冬季奥林匹克运动会将于2022年由北京市、张家口市两地联合举办。雪上项目是冬奥会的主要内容,在2022年冬奥会全部109枚金牌中,雪上项目占了76枚。因此,雪务工作是确保雪上项目赛事成功举办的重要基础和前提,是本次冬奥会环境保障技术与应用最核心的问题之一。冬奥会雪务工作主要包括造雪及储雪、赛道制作、赛道监测和预报以及风险应对四个方面内容。但雪质参数极大依赖于局地气象条件和人工赛道技术。因此,必须因地制宜,开展属地化试验和研究。为此,我站科研人员依托“2022年京-张冬奥会雪道保障技术与示范研究”项目,专门开展了冬奥会储雪技术试验和不同气象条件下滑雪场赛道雪质风险评估研究。
(1)竞技型滑雪场赛道雪质动态监测及其气候变化风险评价
通过在张家口市崇礼区万龙滑雪场2017年3月3日-19日开展的雪质观测试验,对比1960-2014年2月2日-3月13日(冬奥会和冬残奥会赛时)间的气象观测显示:冬奥会期间万龙滑雪场的多年平均气温为-17.7-3.1℃,最高、最低气温符合赛事标准;赛道厚度为58.6-120.0cm,满足冬奥会赛事要求的标准赛道厚度;赛道密度为410-550kgm-3,基本符合雪上项目要求,但易受外界因素影响。雪密度值上下波动,稳定性较差;赛道密度达标时,雪层含水率为0.79%-2.54%,属于潮雪,不满足雪上项目中着落区、停止区等对赛道相对湿度的要求。后期赛道密度随气温的升高而减小,雪层含水率增大,赛道剖面物理指标不达标,影响了赛道硬度。
赛道雪质最关键的参数是雪硬度和赛道厚度,雪硬度由雪密度、雪温度、雪含水率以及雪粒之间的烧结作用决定。人造雪粒可以影响赛道雪粒之间的相互作用,在制作冰状雪特殊赛道时可以采用细孔径造雪机,制作粒径小、相对湿度小的积雪,并采用干雪平铺——放置烧结——注水的方式来制作赛道,以此提高赛道硬度、密度和可持续性。
(2)冬奥会储雪关键技术和科学储雪方案
人工造雪和储雪是近年来冬奥会应对雪量不足的重要手段,为保障冬奥会比赛期间的用雪需求以及应对极端天气的影响,储雪是重大冰雪运动举办的重要保障,在温哥华和索契冬奥会中均起到了关键作用。但是到底需要储存多少雪?在什么地点储雪?储雪保存率是多少?是否需要跨季储雪?何种保温材料效果最佳?目前上述问题仍然得不到科学的答案。因此,针对这些问题,近期在阿尔泰山地区通过开展一系列试验研究。以其对储雪地点的选择,保存率预测,最佳覆盖材料评估,不同地区的形状调整等提供科学依据。目前,这项工作仍处于观测试验阶段。
以上述研究结果为主要内容已向北京冬奥组委、科技部和国家体育总局提交了多份考察报告和咨询报告。

5.冰冻圈地方服务
(1推动阿勒泰地区产业发展,助力产业脱贫
吉木乃县地处我国西北边睡,位于新疆维吾尔自治区北部,准葛尔盆地北缘,萨吾尔山北麓,额尔齐斯河南岸。“冰川”是吉木乃县结合自然环境和人文特色大力发展绿色有机产业。从2017年-2019年,冰川品牌已经从一个设计概念成长为了引领吉木乃全县农特产品发展的标杆性品牌。目前,该品牌下已经包涵冰川羊、冰川鱼、冰川水、冰川旅游、有机挂面等多种门类。
阿尔泰山站近年来在冰川水的化学特性、生物学特性、以及产量等方面为当地企业、政府提供了多份咨询意见。针对吉木乃县扬水工程罐区万驼园项目的用水保障、生态旅游联合国内相关研究机构进行多次论证,为其持久运行发展提供了科学依据。此外,参与了《阿尔泰山冰雪志》的编写工作。
(2)拓展喀纳斯景区旅游资源
2019年6月底阿尔泰山站科研人员随景区管委会组建的科考队,对宝勒巴岱山进行“喀纳斯冰川探险”为主题的针对性考察。科考队由喀纳斯国家国家级自然保护区宝勒巴岱峰东部骑马进入,历经原始密林、高山草原、冰川谷等,最终到达白哈巴村。沿途对宝勒巴岱峰南部冰川地貌、喀纳斯植被垂直分布情况记进行了考察,并在距离喀纳斯湖出水口约18km西南方向发现古地中海海底遗迹。由于古地中海海底遗址处于阿勒泰山中段2500m的高海拔偏远山区,同时当地牧民分布在距离遗址较远的地方,很少到此地放牧,遗址周边的生态环境保持的很完整。
考察发现:喀纳斯发现的古地中海海底遗迹,是属于比较典型的海相沉积岩,距今大约有一亿年。随着地壳板块的运动,阿尔泰山的隆起,特别是进入第四纪以来,冰川发育之后,冰川会覆盖在岩石之上,随着气候变暖,冰川退缩,大量海底沉积岩石逐渐被冰川作用破坏掉,但由于这几块巨石所处的位置比较特殊,正好处于冰川山脊的鞍部,因此受到冰川的作用力很少,几乎为零,所以得以完美保存。这次遗迹的发现,对于研究第四纪冰川及阿勒泰山的形成及演变具有非常重要的科学意义

三、极地冰冻圈
1.北极
1阿拉斯加海冰消融研究
基于4月-6月份阿拉斯加巴罗海冰-大气过程连续监测,结合现场同期观测的冰雪物理特性数据,运用观测和数值模拟方法研究了消融初期海冰的变化过程,结果表明(图63和图64):春季液态降水可通过快速降低反照率和释放潜热触发海冰的消融,与前人提出的温升触发机制和向下长波辐射触发机制存在本质不同,加深了对海冰消融触发机制的认识。研究也指出:近几十年楚科奇海冰区液态降水的发生时间显著提前、数量增加,特别是2000年以来增加趋势最为显著。


图63 观测的2017年春末海冰能量平衡变化曲线,阴影表示液态降水事件


图64 海冰消融触发机制观测结果与数值模拟敏感性试验结果
 
(2)北极陆、海雪冰中粉尘与污染物研究
基于中国北极科考,在北冰洋、阿拉斯加、斯瓦尔巴岛通过陆、海积雪采样(图65),证实了在北极斯瓦尔巴岛存在显著的局地粉尘源,中亚粉尘可能是其自然源;而在这些区域,源自欧美的人为污染物被显著低估。表明当前的中国污染物并未对北极造成显著的影响。


图65 北半球粉尘采样点示意图及后向轨迹示踪的不同站点的粉尘来源(a-f)
 
(3)利用模型研究了北极大气黑碳气溶胶的时空特征和长距离传输的影响
北极地区是全球气候变暖的放大区,吸光性气溶胶黑碳(black carbon-bc)对该地区的辐射强迫具有十分重要的影响,因而引起了普遍的关注。基于区域气候化学耦合模式(wrf-chem),对北极地区2016年6月-2017年5月大气中黑碳的分布、传输及其影响因素进行了模拟与分析。模拟结果显示(图66和图67):北极地区大气中的黑碳呈现冬春季含量较高、夏秋季含量较低的季节变化特征。北极地区的黑碳主要分布在对流层低层,其中,冬春季大部分黑碳集中于近地表,而在夏秋季呈现出相对较高的垂直分布范围。黑碳分布的季节性与气象场的季节变化具有密切的联系。冬季,欧亚大陆北部地区北风盛行,将该地区积累的污染物输送至北极地区。春季呈现出相似的向北输送路径,同时高纬度地区反气旋活动的存在促进了污染物输送至对流层低层。此外,北极地区大气层在冬春季更为稳定,有利于污染物在近地面的积累。相反,夏秋季大气层较不稳定,加之气旋活动的存在促进了污染物向高空的扩散,同时较高的相对湿度有利于污染物的湿去除过程,导致了近地面黑碳浓度较低。与污染物排放的季节变化相比,气象场的季节变化是造成北极地区大气黑碳季节性分布的主要影响因素。


图66 不同季节500 hpa、800 hpa以及近地面黑碳浓度和风场的分布特征


图67 不同季节风场和相对湿度的垂直分布特征
 
2.南极:中山站-dome a断面生物活性元素铁和冰芯记录研究
基于中国第33次南极内陆考察,对南极中山-dome a断面生物活性元素铁(fe)进行测试。结果表明:在距离中山站400-600 km处,存在显著的生物活性元素fe峰值,其原因主要是由于该区域存在显著的下降风导致积累率较低,以及在该区域可能有源自中、低纬度粉尘贡献。
在距离中山站202km处钻取浅一支12米浅冰芯,通过数年层方法对冰芯定年,定年结果为1990-2016年。此冰芯中海盐离子记录(ssna )与印度洋海冰范围存在显著的负相关(r=−0.6, p<0.01)关系(图68),可以作为重建过去印度洋海冰范围变化特征的潜在代用指标,但区域差异较大。进一步的相关分析和合成分析结果显示(图69):印度洋扇区的海盐气溶胶和海冰变化受印度洋偶极子和南半球环状模的影响显著。当印度洋偶极子在正位相时,印度洋中部为北风异常;当南半球环状模为正位相时,南半球整个西风带增强,二者均有利于海冰向北扩张,同时减少海盐气溶胶向南极大陆边缘的输送。


图68 202 km浅冰芯ssna 记录与冬季海冰密集度(a)以及850hpa位势高度的相关模态(大于90%置信水平)


图69 202 km浅冰芯ssna 记录与印度洋海冰范围的线性拟合(a),重建(蓝线)与观测(虚线)海冰序列对比(b),印度洋偶极子指数(dmi)和南半球环状模指数(sam)序列。

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