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自主研究课题

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2013年自主研究课题

时间:  2014-08-19 09:23  点击:   次
    2013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2013年结题的自主研究课题主要成果简述如下:
1、  天山冰川定位观测研究
    本项目基于天山冰川站在天山布设的4条参照冰川,包括乌源1号冰川、青冰滩72号冰川、奎屯河51号冰川和庙尔沟冰帽,对冰川对气候变化的响应机理、冰川物质平衡模式和冰川动力学模式的改进和适用性、参照冰川变化的模拟预测、各研究区域冰川变化的模拟预估,以及参照冰川雪冰记录及其现代过程开展了相关的研究,并且取得了丰硕的成果。
    (1)进行了高密度深入观测研究,积累了大量野外观测资料。
    (2)获新疆自治区科技进步一等奖。由李忠勤研究员牵头完成的“中国天山北坡冰川积雪及其气候变化响应研究”成果获2013年新疆维吾尔自治区科技进步一等奖。该成果以冰川学长期观测研究为基础,围绕冰川积雪对气候变化响应这一主线,研究了新疆不同地区冰川对气候变化的响应过程、机理及对水文、水资源的影响,提出了新疆关键地区面临的水资源问题和凯发官方的解决方案,为新疆水资源高效利用、管理决策提供科学依据,得到中央和地方政府决策部门及水利部门的高度重视和应用。
    (3)科研工作取得大幅进展。在本项目支持下共发表论文24篇,其中sci 9篇,ei 1篇,核心14篇,主要集中在冰川面积和储量变化研究、冰川物质平衡分析研究、冰川区水文过程研究、雪冰化学和环境方面研究四个方面。分别对天山托木尔峰6条监测考察冰川和台兰河流域冰川变化开展了分析;对乌源1号冰川物质平衡传统方法和地形方法观测进行了对比,同时对该冰川1959-2009年物质平衡变化过程特征、零平衡线高度变化开展了相关研究;对乌鲁木齐河源区径流特征及对气候变化的响应、流域水文过程、径流水化学方面进行了深入研究。此外,对托木尔峰青冰滩72号冰川雪冰及径流化学特征,乌源1号冰川区气溶胶水溶性离子变化特征及来源、冰尘结构特征及形成进行了分析。
    (4)国内外合作交流与研究生培养。组织参加多次国际会议,并与国际相关专家开展交流合作,如wgms主任michael zemp博士、澳大利亚科廷大学ross edwards博士、英国南极局科学家hilmar 博士、日本千叶大学takeuchi 教授等。培养研究生多人次获“中科院院长优秀奖”、“卢嘉锡优秀研究生奖”、 “国家奖学金”、“中科院朱李月华优秀研究生奖”等。
 

天山台兰河流域1972-2011年冰川变化
 

1959/1959-2008/2009年度乌源1号冰川物质平衡和累积物质平衡变化过程


径流中tds与日径流量之间的关系
 
2、  典型温冰川区水文-生态过程的同位素示踪研究
    通过在2012-2013年雨季期间,采集各种水体样品,分析了雨季不同水体的氢氧同位素组成特征,初步探讨了典型海洋型冰川区不同水体的相互转换关系,定量分析冰雪融水对区域水资源的贡献。在玉龙雪山东坡冰川末端的不同海拔带设定样方,观察和采集不同植物物种标本各自的样本数量,确定冰川末端不同海拔带植物种群中的优势种和植物的演替系列。以及通过采集各个样方中的植物标本和土壤样品,分析了植物叶片的氢氧同位素,及示踪了植物叶片中的水分来源。分析结果表明,ca2 是玉龙雪山地区雨水中含量最多的阳离子(占40%),so42-是该地区降水中含量最多的阴离子,占降水中总离子浓度的25%。雨水中较高的ca2 含量主要由于受到大气中的陆源粉尘微粒中富含钙元素的影响。除了地壳源颗粒物外,人类活动的影响也对玉龙雪山地区雨水中的so42-含量具有重要的贡献。比较玉龙雪山地区各类水体氧同位素组成发现,表层雪和大气降水的δ18o值随季节变化波动较大,河水和地下水δ18o值相对稳定; 地下水与丽江市大气降水的月δ18o值相关性不强,表明丽江市降水不能直接补给该区的地下水;高海拔流域降水、河水和地下水差值较小,且降水与地下水δ18o值相关性较好,指示地下水补给主要发生区。 此外,玉龙雪山植物群落调查结果显示,在所调查的55个样方中共出现91种植物,已鉴定出63个种,分属于28个科,46个属,其中双子叶植物最为丰富,有23科40属54种,占冰川退缩迹地种子植物科、属、种总数的百分比分别为82.14%、86.96%、87.1%,单子叶植物3科3属5种次之。玉龙雪山白水1号冰川裸地植物群落的组成经过了5个演替阶段。演替早期植物的定居速度比较缓慢,演替中期植物的侵占速度陡然增加,到演替后期植被覆盖裸地的速度又开始重新缓和,也就是说演替后期已进入生态平衡阶段,即演替的顶级阶段。此外,随着演替时间的推进,各个优势种的高度、密度、生物量和盖度都是呈增大的趋势,但频度的变化相对来说是比较平稳的。表明伴随着植被的演替,土壤、温度、水分、辐射等环境因子均变得更为缓和,更加适合植物的定居及生长。
3、  北美五大湖区冰川沉积光释光测年和劳伦泰德冰盖演化及其与中国冰川演化的对比
    项目的工作围绕末次冰期以来北美劳伦泰德冰盖的退缩过程与青藏高原冰川演化的对比展开,于2013年夏天在北美伊利湖和安大略湖北岸进行野外考察,并对青藏高原的第四纪冰川进行了多次考察,包括横断山、昆仑山和祁连山等。青藏高原的样品大部分已测试完,有些数据已已发表,但北美的样品还在测试。有关青藏高原第四纪冰川的演化,冰川扩张主要是由温度控制还是由降水控制的问题已争论多年,占主流的观点是由降水控制;我们通过对横断山冰积物系统的测年并对比全球气候事件认为,研究区冰川扩张的主控因子是温度而不是降水;研究成果已在quaternary research上在线发表。在青海湖地区,我们还利用冰楔重建末次冰期的古温度,通过对青海湖地区的古冰楔进行了年代测定和古温度重建,认为该地区在末次冰期冰楔形成时的温度比现在要低摄氏3度左右。研究成果已在boreas上发表。我们还利用历史文献研究两千年以来中国近海海冰扩张的极端事件;我们发现,海冰从北向南越过北纬35度线的大规模海冰扩张事件共有六次,分别是ad 821/822, 903/904, 1453/1454, 1493/1494, 1654/1655 and 1670/1671;海冰到达的最南端应在杭州湾(北纬30-31度);1453/1454 and 1654/1655年出现的两次海冰扩张的极端事件与太湖的封冻和长江封冻的事件同步;中国近海海冰扩张的极端事件与北半球的极端寒冷事件不同步,可能与火山爆发有关系。研究结果已发表在climate research上。由于项目执行只有不到两年的时间,所以样品还没完全测完,北美冰川与青藏高原冰川演化的对比工作还有待进一步展开并发表。标注项目号的国际sci文章共有7 篇,平均影响因子2.704。
4、  老虎沟12号冰川分布式物质能量平衡模型研究
    本项目主要利用老虎沟12号冰川积累区(5040m)和消融区(4550m)气象站资料与同期现场实测资料开展单点物质能量平衡模拟研究;并在此基础上结合高分辨dem、遥感资料和冰川上不同海拔高度观测的气温、降水、反照率、水汽压和风速等气象资料,建立老虎沟12号冰川分布式物质能量平衡模型,开展整个冰川物质能量平衡模拟研究。目前取得主要成果如下:
    (1)积累区和消融区单点物质能量平衡
    2011年6-9月期间,消融区(4550m)太阳短波辐射和感热项分别占能量收入的95%和5%;在能量支出项中,长波辐射、潜热和消融耗热分别占37%、11%和52%。积累区(5040m),太阳辐射和感热在能量收入项中所占比例为92%和8%;地面长波辐射、潜热和消融耗热在能量支出项中所占比例为43%、12%和45%。
    整个消融期6月1日-9月30日,消融区(4550m)物质平衡累积模拟值与不定期的花杆实测值不仅变化趋势非常一致,而且模拟累积物质净平衡值与实测值也非常接近,其中模拟值为- 1703 mm w.e.,仅比实测值大了90 mm w.e.,占到实测值的约5.5%;积累区(5040m)模拟结果与雪深仪实测结果也很一致,其中模拟值为-381 mm w.e.,比实测值大31 mm w.e.,偏大了约8.7%,主要是因为在能量平衡计算中没有考虑融水再冻结这部分热量,使得物质平衡模拟值偏大。



老虎沟12号冰川海拔5040 m物质平衡累积模拟值与雪深实测值对比(2011.6.1–9. 3
 
    (2)老虎沟12号冰川分布式物质能量平衡模拟
    在2012年6-9月消融期,就能量各分量在整个冰川平均状况来看:散射辐射在总辐射中所占比例较大为39%;净辐射是能量的主要来源约占87%,感热则占13%左右(降雨释放的热量平均不足0.05w·m-2,所以在此不再算入能量来源);消融是能量的主要支出约占64%,蒸发升华潜热也是一个很重要的能量支出项,约占能量支出的36%。
    针对模型验证,我们在4550m处布设的花杆观测,在2012年7月28至8月28开展连续观测,同期该像元(30*30m)模拟值与观测值的变化基本一致,模拟值为-915mm w.e,比实测值小19mm w.e,误差为2%;针对不同海拔高度,使用花杆实测数据与各自对应像元模拟进行相关分析r2=0.89;模拟期6-8月整个冰川表面平均物质平衡为-493mm w.e, 与传统花杆法计算的-480mm w.e.基本一致,仅有3%的误差。模型模拟冰川消融径流日变化与水文断面实测径流趋势非常一致,模拟结果表明在消融期6月-9月初,冰川总消融为1.64×107m3


冰川花杆实测点数据与该位置模拟值对比图
 
5、  青藏高原多年冻土退化对高寒草地生态系统的影响研究
    本课题以青藏高原多年冻土退化对高寒草地生态系统的影响为主要研究内容;综合开展了野外观测试验、室内试验以及模式模拟等工作。野外工作主要是在祁连山疏勒河源区以及青藏公路沿线开展,主要观测了多年冻土区不同冻融季节阶段co2、ch4以及n2o排放特征,研究了其影响因子;在整个观测期,co2排放速率与土壤含水量、盐分、土壤温度以及气温显著正相关。在融化期,co2排放速率与土壤盐分、土壤温度和气温显著正相关,ch4、n2o排放速率均与土壤含水量显著正相关。观测了青藏公路沿线不同冻土退化阶段植被生态系统的演变,包括植被盖度和群落结构变化、土壤全氮和有机质等,结果表明:)西大滩多年冻土活动层的状态及其变化对植被生态系统的演变起了决定性的作用;多年冻土退化在改变土壤水分运移规律,引起植被盖度和群落结构变化的同时,也对冻土土壤性质产生了极大的影响。
    室内试验完成了青藏高原多年冻土区沼泽草甸土壤ch4氧化速率对温度变化的模拟研究。ch4氧化速率与培养温度之间呈现显著的指数关系;正温条件下,ch4氧化速率与培养时间呈正相关关系。
    本项目利用terrestrial ecosystem model 模拟青藏高原多年冻土区高寒草地生态系统对气候变化的响应。在升温1,2和3度的情况下,青藏高原多年冻土面积减少,有多年冻土的区域活动层厚度增加,表层土壤水分减少,生物量和生产力增加,但土壤碳减少更多,高寒草地生态系统由目前的碳汇变为碳源,但这些变化在空间上不均一。
    综合以上结果,野外实地工作以及模式模拟都得出同一结论:在气候变暖的情景下,青藏高原多年冻土将不可避免地发生退化,气候变暖以及多年冻土退化将总体上导致高寒草地生态系统的退化,整个生态系统由弱的碳汇变为碳源。但模式模拟进一步表明高寒草地生态系统的变化具有阶段性的特点以及空间差异性。
6、  青藏高原冰川、冻土及气候模拟
    冰川变化的数值模拟及其预测是冰冻圈科学的前沿方向,以天山乌鲁木齐河源1号冰川为研究对象,通过数值求解二维的冰川流动方程,对1号冰川的流场进行了模拟,模拟的冰川表面运动速度与实测值的比较一致,说明从stokes方程出发,模拟冰川的运动是切实可行的,在此基础上构建了一个未来气候变化情景,研究了在此情景下1号冰川的可能变化;利用goodrich模型模拟了三种假设条件下马衔山多年冻土活动层冻融过程, 结果表明厚层有机质土壤和丰富的地下冰是马衔山多年冻土能够残存的主要原因,马衔山多年冻土在未来50年内将持续存在;利用多年冻土区唐古拉气象站(tglms)与季节冻土区bj站的相关观测资料,对青藏高原两种冻土类型下垫面上的地表反照率变化特征进行了研究(图1),并利用青藏高原多年冻土区10个活动层观测场建立以来到2010年的监测资料,构建了青藏公路沿线多年冻土区活动层平均厚度的估算模型,分析了多年冻土区活动层近期的动态变化、区域差异特征;进一步研究了青藏高原不同下垫面活动层导热率的动态变化过程及其对地表能量分配的影响,研究区活动层厚度30年来以1.33 cm/a的速率增大,土壤热通量以0.1 wm-2/a的速率增大,为高原多年冻土区活动层厚度增大和温度升高提供了依据。


图 2008年tglms站和bj站地表反照率albedo逐日变化
    利用区域气候模式regcm3对青藏高原地区进行了20年(1982-2001年)的数值积分试验,通过cru资料和气象站数据的验证,结果表明:regcm3模式能再现青藏高原平均气温和夏季降水的主要分布特征(图2)。相比较气温的年际变率,高原地区夏季降水的模拟在这20年间的年际变率欠佳。发现在地形起伏较大的区域,模拟效果较差,这可能与regcm3的σ坐标系的描述特别是陡峭地形方面不足所造成的。和regcm3相比,regcm4最大的变化是其耦合了一个较新而且更先进的陆面过程模式clm3.5。clm3.5综合了bats、iap94、lsm等陆面模式的优点,其中土壤湿度、冻土等过程作了进一步的改进,并引入了汇流过程。regcm4相比regcm3,降水的模拟效果得到明显的改善,因此regcm4比regcm3能更好地模拟高原的气候特征。
 

 图 青藏高原地区年平均气温(单位:℃)
(a:模拟;b:观测;c:两者的相关系数;d:两者的差)
 
7、  青藏高原冬克玛底冰川区微量元素的运移过程及其水文和气象控制作用研究
    本项目于2012-2013年在唐古拉冬克玛底冰川流域开展了微量元素的运移过程及其水文和气象控制作用研究。截止目前,按照项目计划书中的研究计划已圆满完成了所有样品的野外采集,样品目前保存在中国科学院冰冻圈科学国家重点实验室,正在开展相应的测试分析工作。具体情况如下所示。(1)样品采集:在长江源冬克玛底冰川流域采集了1883个河水、225个降水、37个地下水、235个积雪、12个融水、9个沉积物样品。在沱沱河和直门达水文站采集了627个河水、185个降水、48个地下水样品。在黄河源玛多、吉迈、玛曲、军工和唐乃亥水文站采集了988个河水、244个降水、33个地下水样品。(2)测试分析:冬克玛底冰川末端的河水样品在采集后立即进行了水温、ph值和电导率的测试分析,在实验室测试了δd和δ18o(图1);大本营和基地的河水样品在采集后立即进行了水温和ph值的测试分析,在实验室测试了δd和δ18o,冰川末端和大本营的测试结果如图2和图3所示。剩余样品的δd、δ18o、主要可溶性离子、ph值和电导率正在实验室测试分析。所有河水样品中的悬移质含量正在进行烘干和称重分析。所有大气降水和河水样品的总碳、总有机碳、总无机碳和总氮正在冰冻圈科学国家重点实验室等待分析,所有大气降水和河水样品的微量元素浓度正在联系外单位实验室。2012年采集的长江源沱沱河和直门达水文站以及黄河源军工水文站的河水和大气降水样品的ph值、电导率、总有机碳、总无机碳、总碳、总氮、δd和δ18o已经分析完毕。2013年采集的长江源2个水文站和黄河源5个水文站的部分样品已经运到冰冻圈科学国家重点实验室、其他的正在联系运输。运到的样品的ph值、电导率、δd和δ18o已经分析完毕,可溶性离子正在实验室测试分析。(3)数据获取:目前已获取了2012年冬克玛底冰川流域、长江源和黄河源的积雪、融水、大气降水、河水、地下水样品的ph值、电导率、主要可溶性离子、总碳、总氮、总有机碳、总无机碳、δ18o和δd的资料。已获取了2013年冬克玛底冰川流域所有样品的δ18o和δd资料、部分样品的水温、ph值和电导率资料;已获取了长江源和黄河源所有样品的δ18o和δd的资料、部分样品的ph值和电导率资料。其他资料还在测试分析中。


冬克玛底冰川末端河水ph、电导率、δd和δ18o


  冬克玛底冰川流域大本营河水水温、ph、δd和δ18o


冬克玛底冰川流域出山口河水水温、ph、δd和δ18o
 
8、碳氮元素分析仪研制
    该项目历经两年时间完成了碳和氮的元素分析仪的研制,实现了对植物和土壤中有机碳和氮的同位素丰度的分析测定,达到了目前国内外研究的分析精度并有效保证重复性。为实现以科学目标和科学问题为导向的实验-仪器-科研的紧密合作,提高实验室仪器在区域仪器设备共享平台上的使用率和共享率,为整个生态系统碳、氮循环的研究提供了依据。成果主要以成套实物设备形式表现,并申请发明专利一项,实用新型专利一项成果主要以成套实物设备形式表现,在完成整台仪器设备的调试和测试指标的基础上申请发明专利一项(20130285112.1初审),实用新型专利一项(授权),完成200多个植物样品的碳同位素分析测试,完成了课题的预期成果,为实验室在仪器设备的研制,现有设备的功能开发做出了努力,同时为今后在植物和土壤中碳氮元素的分析提供技术支撑。
    项目研制的整套仪器包括:系统的运行软件、前置装置和同位素质谱仪的在线接口、标准气体和载气的在线接口、仪器的升温装置、冷阱的升降温自动设置系统、开式分流器的连接系统、仪器管路的检漏系统、氧化还原系统以及还原炉的自我更新系统等。
    本套仪器含有简单易懂的操作界面和程序方便控制整台仪器的分析测试流程;吹扫气改为氧气,降低吹扫成本;增加填料刷新功能,减少了还原铜的更换频繁;使用电冷阱代替除水,有效地消除吸附剂可能带来的影响,使用开始分流器保证不同浓度样品的测试等功能,在系统中各管道气路上分别安置检漏阀和气压表,用于各段的检漏,来迅速判断和排除故障;配备精确的气路控制和方便的检漏功能,提高了仪器的控制精度和可靠性,是一台既省气又省填料的元素分析仪。
本项目实施中,经费按照任务书要求使用合理,仪器运行基本正常,样品测试完全按照国际标准要求并提供200多个样品的测试数据,仪器的使用说明书明确详细,圆满完成课题任务书要求。
 
 

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