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自主研究课题

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2012年自主研究课题

时间:  2013-06-02 14:17  点击:   次
    2012年度自主研究课题的各项工作紧紧围绕项目研究目标,按照任务书执行,工作进展顺利。现对2012年结题的自主研究课题主要成果简述如下:
    1、 新疆天山冰雪现代过程研究
    本项目研究目标以“揭示冰芯数据能在何种程度上准确反映大气环境变化”为主线,依照雪-冰演化阶段将研究内容分为三个部分:(1)定量研究沉降(气雪转化)过程中,表层雪中离子与大气化学组分的对应关系;(2)定量分析新雪到粗粒雪(成冰以前)演化过程中,离子迁移损失率及其主导因素、过程及机理;(3)定量分析冰雪交界面两侧化学离子分布规律及其量值对应情况。最终达到判定、量化冰芯数据的环境指示意义的目的。因沿袭天山冰川观测试验站过去15年研究经验,本项目规划合理、系统,对实施细节的设计亦十分扎实可行。除研究内容以“时间”(演化阶段)为线索分步进行外,研究思路上采取“内外结合”(以冰雪面为节点的离子损失分析与雪层内部离子迁移过程跟踪结合)、“点面结合”(乌源1号冰川过程机理分析与整个西北部数条冰川特征分析相结合)、“多学科交叉结合”(地学特征、过程分析与数理化生机理分析相结合)及“中外结合”(国内丰富研究资源与研究积累与国外先进实验分析技术相结合)等手段。历时两年,已全面完成研究计划,简述其部分研究成果如下:(1)气雪转化阶段,i. 表层雪中化学离子演变规律及其量值对大气气溶胶化学组分皆有较好的表征;ii. 大气气溶胶来源地随季节发生变化,并非反映固定区域的大气化学环境。(2)新雪向粗粒雪转化阶段,i. 雪坑下部离子浓度峰的位置相对稳定,为冰芯保存雪坑化学信息提供了前提,ii. 特定季节的离子浓度峰在雪坑演化过程中只是由表层向下迁移而不会消失,说明淋溶作用使冰芯记录的准确性具有季节差异,iii. 以1号冰川为例,雪坑下部总离子通量大约相当于上部层的30%。(3)雪冰转化阶段,以1号冰川为代表的大陆性冰川上,冰芯记录的是雪层上部通量及峰间距损失49%~55%、45%~50%之后的信息,是经过淋溶改造后的比较稳定的化学成分。以上结果回答了“当前山地冰川冰芯的气候指示意义”此一重大问题,对提高冰芯记录恢复的准确性、已有冰芯的质量及分辨率评估意义不可小觑,并为未来冰芯钻取地点的选择提供了科学依据。另外,通过项目实施过程中前沿研究与国际合作,提高了天山冰川站在这一研究领域的研究水平和国际地位,锻炼出一批善于野外工作的高水平青年科研人才。获取宝贵观测分析资料的同时,共发表研究论文13篇,其中sci论文8篇,培养研究生9名(博士4名,硕士5人)。
    2、 我国季风温冰川区冰川-水文过程的气候敏感性研究
    基于丽江市1951年以来的气象数据及玉龙雪山冰川与环境观测研究站立体气候观测数据,对当前气候变化背景下,玉龙雪山冰川变化及冰崩灾害的发生进行了研究,并以近年来白水1号冰川为典型冰川,分析了冰川响应的形式。对玉龙雪山气温与降水梯度进行了分析,研究发现气温随海拔高度变化相对严格的满足线性递减规律;气温年较差、年均相对湿度和雨季降水量随海拔高度的变化均存在两个峰值带,第一个峰值带在海拔2800-3200m,对应该区的森林植被带,第二大峰值带在海拔4600-5000m,发育并维持着玉龙雪山地区的现代冰川。总的来看,玉龙雪山冰川变化主要是由于气温上升引起的。基于2008年以来的观测数据,通过应用度日模式对白水1号冰川2008-2011年的物质平衡进行了模拟,结果显示度日模式模拟结果与实际观测结果最大误差在5%以内,在此基础上通过输入不同的气候变化背景,对白水1号冰川气候敏感性进行了研究,发现温度增加1℃,物质平衡亏损量增加764mm,平衡线高度上升152m。
    选择玉龙雪山地区白水河流域,采集冰雪融水、大气降水、河水和地下水, 通过测试分析不同地段、不同水体中的环境同位素(δ18o) 和水化学组成特征,利用同位素混合模型,对于河水各组分的贡献率进行了计算。研究表明,雨季冰雪融水对白水河地表径流的月平均贡献是53.4%,降水对同期地表径流的贡献为46.6%,二者对于河水的贡献率月变化显著。总体来看,雨季冰雪融水对白水河流域地表径流有着重要的贡献,且贡献率在冰雪消融强盛期尤为重要。选择hbv半分布式水文模型,以丽江气象站和玉龙雪山白水河流域微气象观测系统获取的气象数据资料,及运用这些资料通过(fao)1998年修正的penman monteith模型计算所得的潜在蒸发量数据为模型驱动数据,30m分辨率的数字高程模型(dem)和2009年遥感测量所得冰川边界为基础,利用白水河流域实测径流深资料率定模型参数并恢复了白水河流域1960-2010年的出山径流深序列。
    冰川加速消融背景下针对冰雪资源的保护性开发提出了以下开发对策:(1) 完善景区旅游规划, 依法促进生态保护;(2) 优化景区空间布局, 突出冰川生态保护;(3) 提升线路设计功能, 协调冷热景点压力;(4) 采取立体防护措施, 维护景区生态环境;(5) 加大环保科研力度, 推进旅游可持续发展;(6) 实施冰川动态监测, 公开对外旅游信息;(7) 整合旅游资源, 减缓冰川区人类活动压力。
 
白水1号冰川物质平衡模拟
 
 
2009年白水河模拟值与实测值
 
    3、 青藏高原南北断面典型冰川物质平衡过程监测与研究
    通过对有念青唐古拉山古仁河口冰川、唐古拉山小冬克玛底冰川和昆仑山煤矿冰川物质平衡监测,获取了冰川物质平衡及其过程研究的基础资料。发现三条代表性冰川近几年均处于亏损退缩状态,以古仁河口冰川退缩最为强烈,冬克玛底冰川退缩幅度最小。小冬克玛底冰川正平衡过程仅持续到1993年,1994年以来呈波动降低趋势,其亏损量超过-6000mm。零平衡线呈上升趋势,煤矿冰川和古仁河口冰川也具有相同的变化趋势,只是变幅有所差异。平衡线的分布具有显著的纬度地带性规律,由南向北降低。冰川物质平衡过程受气温影响显著,受暖季4-9月平均气温的影响最为显著,与降水量有一定相关性,但不显著。以度日因子模型为基础,将最为重要的度日因子作为随海拔高度变化的变量引入模型,实现了冰川物质平衡空间分布特征的模拟,结果与实测结果极其相似,整体反映了物质平衡随海拔上升而增大的空间分布特征。建立了冰川表面分布式能量-物质平衡模型。考虑地形对太阳辐射的遮蔽效应, 引入新的冰川反照率参数化方案,发现分布式能量-物质平衡模型对气温垂直递减率、降水梯度、降水固/液态划分指标等参数较敏感。
 
2011年小冬克玛底冰川物质平衡等值线分布图 

 2010年考察期间七一冰川物质平衡随海拔高度变化的模拟
 
 
七一冰川物质平衡观测值与模拟值对比
 
    4、 疏勒河山区流域水量平衡观测试验与模拟研究
    本课题的重点为疏勒河山区流域水量平衡各要素的观测和分析,开展了如下工作:在老虎沟12号冰川区3个海拔高度布设了自动气象站,在海拔4550m处进行了冰川雪面的升华观测。在疏勒河上游山区新布设了9套自动雨量计和45套总雨量筒,6次对苏里、尕河等观测站点数据收集。在苏里和老虎沟分别安装了3套蒸渗仪。采集同位素和水化学水样598个。
    老虎沟冰川区降水梯度均体现出复杂性,总的降水海拔梯度以正值为主,但在不同月份均存在着负数。最大降水带可能位于4550m。与观测对比.,潜热余项法计算的蒸发/升华量 具有较高的可靠性。 在冰川快速消融期的很小,而在消融初期和末期不容忽视。小型蒸渗仪法(ml)、涡动相关法(ec)、波文比能量平衡法(breb)估算的草地蒸散量结果有较好的相关性。ec可能低估了蒸散量,而breb对蒸散量高估。完成了sebal、sebs、 p-tseb、s-tseb及亮温-植被指数法在单点的代码实现。老虎沟河源径流分割结果表明,冰川末端径流中冰川融水占地位,为71.8±2.7%。根据中国西部气象观测资料的实际情况,基于经过纠正的降水观测资料,完善了基于流域尺度的月尺度的度日因子的计算流程和模型参数的率定流程,及对融水未来变化的预估流程。本课题sci论文4篇,中文核心4篇。
 
叶尔羌河流域(a)年降水与冰川积累,(b)年平均气温,夏季(5-9月)平均气温和冰川消融,(c )冰川物质平衡和累积物质平衡和 (d)冰川面积(%)在2011-2050年间在a1b,a2,b1情景下的变化预估
 
    5、 青藏高原典型地段土壤热力学参数的研究
    本研究系统采集研究区域典型场地活动层土壤的热通量、温度、湿度及相应的气象数据,初步探索活动层水分、热通量的变化特征;利用kd2 pro土壤热特性分析仪定期现场观测了西大滩、五道梁两个典型场地及其它9个活动层观测场点活动层表层土壤导热率、导温率及容积热容量等土壤热物理参数,同时获取各观测场盖度、地下生物量、土壤容重数据、含水量数据,并采集了相应场地的土壤样品。在中国科学院青藏高原冰冻圈观测研究站的实验室系统测试土壤样本的基本物理指标及其结构参数(容重、粒度分布、孔隙度等),同时得到了土壤样品的水分特征曲线;同时在不同状态下(冻结、融化)利用精度较高的kd2 pro测试不同观测场点样品的热物理参数。
    本研究系统地分析了青藏高原不同下垫面活动层热力参数的动态变化特征。对土壤热通量、土壤导热率、活动层厚度、未冻水含量、5cm土壤负积温等的变化过程做了深入地分析和探讨。结果显示土壤导热率具有明显的日变化特点,表现为早晚大,中午小;冷季活动层表层土壤导热率小于暖季表层土壤导热率。我们在活动层土壤冻融过程中导热率、导温率及容积热容量等的影响机制方面开展了大量研究工作。利用已有活动层水、热资料,分析了高原北部多年冻土区典型下垫面冰、未冻水量、盐度、土壤饱和度、孔隙率、容重等因素对热物理参数的影响。结果显示导热率随土壤容重的增大而增大,随下垫面植被盖度的增大而减小,高寒草甸土的土壤导热率大于高寒草原土的导热率。对于给定土壤,含水量是影响导热率变化的主控因子,随着土壤含水量减小,导热率减小。我们分析了不同初始含水量条件下土壤冻结融化过程对热物理参数的影响;构建了土壤热力参量的统计模型,结果显示我们的参数化方案精度较高,且数据参数容易获取。同时我们的研究还发现层导热率的变化与活动层冻融过程关系密切,就单一影响因子而言浅层导热率随着相对湿度的增大而增大,随着风速的增大而减小。经过对各要素的筛选,得到了相应的回归方程,导热率可描述为浅层土壤湿度、气温和水气压等的函数。
 
夏季土壤导热率的日变化
 
    6、   不同地区高时间分辨率亚微米气溶胶化学组成研究---高分辨率飞行时间质谱仪的应用
    本课题利用高分辨率飞行时间质谱仪(hr-tof-ams)、扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪(smps)和黑碳在线观测仪器于2012.7-8月在兰州市开展了为期一个月的观测研究,对兰州城关区夏季大气细粒子(pm1)的质量浓度、化学组成以及粒径分布进行了分析研究。pm1表现出强烈的波动变化以及日变化特征。观测期间浓度值变化范围为~5-50 µg/m3,平均浓度为~15 µg/m3,该浓度值显著低于中国一些大城市夏季的浓度值,比如利用ams北京2006年7月的平均浓度为80 µg/m3,2008年北京奥运会期间浓度值仍然高达63.1 µg/m3;2010年上海世界博览会期间的浓度为~30 µg/m3;北京2011年6-8月期间平均浓度为50 µg/m3。兰州2012年夏季pm1的浓度值和欧美一些城市区的浓度值接近(2-20 µg/m3)。pm1主要以有机颗粒物为主(~50%),硫酸盐,硝酸盐,铵盐和氯化物分别占~20%,~12%,~15%和3%。颗粒物的粒径大小主要集中在400-600nm间。通过正交矩阵分解分析,有机物主要有四个来源,其中一次气溶胶颗粒物包括汽车尾气(hoa, ~16%)和餐饮源排放的有机气溶胶(coa, ~24%),二次气溶胶颗粒物也包括两个来源:半挥发性有机气溶胶(sv_ooa, ~24%)和低挥发性有机气溶胶(lv_ooa)。不同气溶胶来源的颗粒物表现出明显的日变化特征,如hoa的峰值出现在早晚上下班高峰期间,而coa的峰值则是出现在午饭和晚饭的期间;而sv_ooa峰值出现在8:00-13:00期间,可能与上午边界层强烈交换向下传输的老化的颗粒有关;而lv_ooa的生成主要受到光氧化的作用,其日变化峰值在10:00am-4:00pm。该数据仍然在处理分析过程中,进一步的分析主要包括完善各个参数的校准,和气象资料进行比对以及通过空气来源分析方法对气溶胶来源进行更细致的解析。
    本课题的另外一项工作为通过hr-tof-ams对杰玛央宗2010年采集的一个雪坑样品尽量了分析,结果表明冬春季期间的降雪中颗粒物有机物站主要贡献(~70%),其它主要为矿物粉尘。有机物冬春季表现出明显的高氧化性,其氧碳比(o/c)达到0.65,o/c比表现出显著的季节变化特征,表明其可作为冰雪定年的一个潜在指标。有机物质谱图的另外一个明显的特征是,高的mz60和mz73贡献,表明这些颗粒物的重要来源为生物质燃烧排放,这些结果为喜马拉雅山去冰雪中颗粒物的来源提供了重要依据。
 

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