青藏高原东北部土壤冻融过程的数值模拟

利用青海省苏里站2009 年2 月1 日~12 月31 日的气象观测资料作为模式强迫场, 使用陆面过程模式CLM3.0(Community Land Model), 对青藏高原东北部季节性冻土区域进行模拟.结果表明, 模式能够较好地模拟出各层土壤的冻融变化趋势, 但在融化阶段, 模拟的土壤温度高于观测, 融化结束时间早于观测; 冻结阶段, 模拟的土壤温度略低于观测, 深层土壤冻结时间早于观测; 整体看来, 模式对冻结过程的模拟好于对融化过程的模拟, 对靠近表层的土壤模拟好于深层. CLM3.0 模式中认为冻土在土壤温度高于0℃时发生融化, 本文根据热力学平衡方程得到土壤发生冻融的临界温度, 进而对冻土的融化条件进行调整, 融化条件的调整减缓了冻土的融化速率, 使得土壤温度模拟降低, 同时, 调整后的模式模拟结果反映了冻土融化过程中伴随有冻结过程的发生, 与真实的冻土融化过程更为接近. 此外, 通过敏感性试验发现, 融化过程和冻结过程中土壤水的冻结速率是不同的, 表明模式中用于计算土壤发生相变后温度的方案还有待进一步改进.     

青藏高原大尺度冻土水文监测研究

１９９７￣１９９８年中日双文合作首次在青藏高原大尺度范围内进行了冻土水文连续监测工作，获得了大量高精度实测数据，对实测的土壤温、湿资料进行了分析了高原冻土活动层内的冻融过程，估计了不同深度最大冻结和融化深度及年冻结日数给出了在宏观尺度上土壤水热状况的时间和空间分布特点及地形对土壤水热条件的影响作用。     

低碳经济引领人类未来——近期欧亚多国极寒天气引发的思考

气候科普 气候是地球上某一地区多年时段大气的一般状态,是该时段各种天气过程的综合表现,也就是长时间内气象要素(温度、降水、风等)的各种统计量(均值、极值、概率等)和天气现象的一种平均或统计状态,以月、季、年、数年到数百年以上为时间尺度,我们通常以冷、暖、干、湿来衡量,即由某一时期的平均值和离差值来表示,是地球与大气之间长期的能量交换与质量交换过程所形成的一种自然环境因子.     

黄河源区多年冻土活动层和季节冻土冻融过程时空特征

基于黄河源区2010~2012年4个监测场地的土壤温度和水分资料,分析了多年冻土活动层和季节冻土冻融过程时空差异.结果表明,4个场地地温和冻土厚度不同,活动层底板或最大季节冻结深度年平均温度(TTOP)分别为:查拉坪场地(CLP)?1.9℃,扎陵湖场地(ZLH)?0.9℃,麻多乡场地(MDX)–0.4℃,鄂陵湖场地(ELH)1.1℃.冻融过程差异与冻土温度和TTOP相关,随着TTOP升高,融化开始时间提前,CLP在6月初,ZLH在5月中下旬,MDX在5月初,ELH在4月上旬;冻结开始时间滞后,CLP为10月初,ZLH为10月上中旬,MDX为10月中旬,ELH为10月中下旬;活动层整体冻结期随之减小,CLP为202 d,ZLH为130 d,MDX为100 d,ELH整体融化期为89 d.CLP和ZLH冻结融化过程均于年内完成,冻结过程表现为由上向下和由下向上双向进行.MDX冻结过程持续至次年1月末,但在冻结期末冻结速率很小,由下向上冻结因极微弱而呈单向进行.ELH冻结持续至次年5月初,出现季节冻结和季节融化过程并存格局;冻结过程单向进行,但融化呈现微弱的双向过程;6月下旬至7月初双向融化比较稳定.各场地随着TTOP升高,由下向上冻结速率相对由上向下的减慢,由下向上的冻结深度减小,融化过程相对冻结过程持续时间比值减小.总之,黄河源区活动层季节冻融过程与青藏高原其他地区有比较显著的差异.     

临近绿洲的荒漠表层土壤水分"呼吸"现象

本文利用“我国西北干旱区陆 -气相互作用试验”项目在甘肃敦煌取得的野外观测资料 ,分析了临近绿洲的荒漠戈壁大气和土壤湿度特征以及水分的输送特征 .发现由于绿洲效应影响 ,临近绿洲的荒漠戈壁不仅近地层大气多为逆湿 ,而且这种大气逆湿在夜间较强时可以继续向土壤活动层延伸 ,并且可以通过凝结被土壤吸收 .夜间土壤对水分的吸收与白天土壤水分的蒸发共同构成土壤对大气水分的“呼吸”过程 .     

青藏高原“亚洲水塔”效应和大气水分循环特征

青藏高原是东亚海陆气相互作用最敏感的地区之一.青藏高原大气水分循环结构特征不仅反映了西风气流与"大三角扇形"影响域季风水汽流的相互作用特征,而且凸现出该区域为全球能量、水汽的交换关键区,构成"亚洲水塔"形成的重要背景;隆升的高原地形和强大的表面辐射加热形成了局地上升对流和高耸入对流层中部中空"热源柱".研究揭示出此"热力驱动"下青藏高原高、低层互为反环流类似台风的自激反馈机制,其提供了"亚洲水塔"水汽"汇流"与抽吸动力效应."亚洲水塔"热源驱动机制有助于"世界屋脊"大气"热岛"、"湿岛"的形成和维持,使暖湿气流从低纬海洋向高原输送、汇聚.针对"世界屋脊"高原对流频繁、云降水异常特征,揭示出"世界屋脊"空气低密度条件对高原对流云的触发效应.分析表明,低纬热带海洋成为"亚洲水塔"大气水分循环的重要水汽源区,水汽源区可跨越赤道追踪到南半球.提出了青藏高原"热力驱动"下大气水分循环结构类似全球性大气"水塔"的观点,青藏高原特殊的跨半球大气水分循环构建出"亚洲水塔"和其周边地区独特的大气-水文功能体系.给出了西风与季风协同作用背景下青藏高原为核心区的陆地-海洋-大气相互作用的"亚洲水塔"大气水分循环物理图像.     

青藏高原坡面尺度冻融循环与水热条件空间分布

冻土的广泛分布使得青藏高原地表冻融循环与水热条件成为地球科学系统研究的关键之一.高原复杂的下垫面条件导致了冻融循环与水热交换显著的空间非均一性,而坡面尺度是认识地表过程空间变化的基础.本文基于青藏高原地表冻融循环与水热交换空间非均一性研究成果的回顾,利用安多地区近期的观测、模拟成果揭示了该领域的最新进展:首先评价了探地雷达在冻融循环与土壤水热空间变化研究的适用性;其次利用多元手段,显示了冻融循环与土壤水分坡面尺度的空间非均一性.另外利用冻土水热模型的敏感性试验发现:地表升温背景下,冻融过程与土壤水分在不同时期、不同深度、不同坡面的响应均有所不同,升温引起两个坡面冻结周期和速率变化明显.而且升温幅度越大,土壤水分的响应越明显,表层土壤水分的相对变化更为剧烈;对坡面而言,北坡的响应更为显著.     

干旱区夏季晴空期超厚对流边界层发展的能量机制

在全球干旱区,因其特殊的气候环境背景,夏季晴天常常会出现其他地区少见的超厚对流大气边界层(superthick convective boundary layer, SCBL),这种特殊的边界层结构具有重要的天气气候意义,但目前对这种超厚对流边界层发展机制理解十分有限.这既制约了大气数值模式中针对这种超厚对流边界层的参数化改进,也限制了超厚对流边界层与天气气候背景相互作用的科学认识.通过选取我国西北干旱区敦煌荒漠戈壁为代表性研究区,利用以往在该区域开展的陆-气相互作用观测试验资料及长期业务探空观测资料,从大气边界层发展的能量机制出发,对该地区出现的超厚对流边界层的发展过程进行分析.分析表明:从日际尺度看在持续晴空期即使在白天地表感热通量日积分值不变甚至减弱的情况下,大气对流边界层(convective boundary layer, CBL)的日最大厚度仍然表现为逐日持续增高的特点,且地表感热提供的能量无法平衡对流边界层发展所需要吸收的能量.主要原因是深厚的近中性残余层(residual layer, RL)在对流边界层发展过程中发挥了重要作用,通过夹卷过程从残余层进入对流边界层的夹卷能量是对流边界层逐日持续发展的关键能量补充.在夏季连续晴空期,对流边界层与残余层之间会形成逐日循环增长机制,使干旱区夏季发展出超厚对流大气边界层.     

青藏高原五道梁附近多年冻土活动层冻结和融化过程

对约占青藏高原总面积２／３的多年冻土活动层进行了监测研究，通过对青藏高原五道梁附近地温和水分观察资料的分析，依据活动层中温度变化过程的水热的传输特征，把活动层的冻融过程划分为４个阶段，即夏季融化过程（ＳＴ）、秋季冻结过程（ＡＦ）、冬季降温过程（ＷＣ）和春季升温过程（ＳＷ），在夏季 经和秋季冻结过程中，活动层中水热耦合特征较为复杂，水分的迁移量极大，而在其余两个阶段，活动层中的水分迁移量产小，热量主     

祁连山区黑河上游高山多年冻土区活动层季节冻融过程及其影响因素

祁连山区黑河上游多年冻土和活动层土壤水热过程基础观测数据薄弱,制约了黑河流域多年冻土区不同景观下垫面的水文功能研究以及多年冻土和活动层变化的水文效应研究.根据2013~2014年在黑河上游高山多年冻土区东支峨博岭北坡和西支冲积平原的活动层土壤温度、含水量观测资料,系统分析了活动层季节冻融过程、土壤水热动态及其影响因素.结果表明,高山多年冻土区气候条件以及地形地貌、植被、岩性和含水量等局地因素明显影响活动层季节冻融过程及其土壤水热动态,此外还受到积雪、水体和冬季逆温等因素的影响.峨博岭北坡地表温度年较差、活动层底板温度和年平均地温均明显低于黑河西支冲积平原同等海拔处.峨博岭北坡融化始日早、达到最大融化深度的日期晚、融化过程历时长、融化速率小;冻结(自地表向下)始日晚、冻结过程历时长、冻结速率小,完全冻结阶段历时长;在融化上升阶段和冻结下降阶段,活动层含水量变化速率明显较大.本文结果可为黑河流域多年冻土区不同景观下垫面的水文功能研究以及多年冻土和活动层变化的水文效应的辨识、模拟和预测提供基础资料和验证.     

江河源区典型多年冻土和季节冻土区水热过程对植被盖度的响应

基于青藏高原江河源区典型多年冻土和季节冻土区建立的不同植被盖度下7个地温和水分观测场, 对多年冻土活动层和季节冻土土壤温度和水分对植被盖度的响应分为4个阶段进行分析和对比研究. 结果表明: 随着植被盖度的降低, 多年冻土活动层冻结深度积分减少, 而季节冻土冻结深度积分增加; 多年冻土冻结期负值等温线和未冻结期正值等温线的最大侵入深度和持续时间随着植被盖度降低明显增加; 多年冻土活动层20~60 cm的土壤含水量随着植被盖度降低而减少, 而60~80 cm的土壤含水量反而增加, 季节冻土土壤剖面0~120 cm的水分含量随着植被盖度的降低而减少. 植被盖度的变化改变了冻土水热过程, 且多年冻土和季节冻土对植被盖度的响应不一致.     

冰川渗浸带吸热模型及动坐标求解

在冰川学研究中,根据冰川活动层的水热状态,将冰川自上而下划为干雪带、渗浸带、附加冰带和消融带,其中,渗浸带是冰川同环境进行能量与物质交换强烈,内部水热输送最剧烈的一个带。此外,在渗浸带内部的水热输运过程中伴随着一系列渗浸冻结、渗浸成冰、雪层变质等成冰运动。对于该带向大气的吸热以及自身内部温度变化过程的了解,有助于全面地认识     

青藏高原湖泊水量与水质变化的新认知

青藏高原湖泊众多,是气候变化敏感的指示器。湖泊作为地表下垫面的重要组成部分,不仅通过陆-气之间的水汽和能量交换影响区域气候(如降水、气温),而且通过沉积物记录了过去的气候变化信息。湖泊的水量和水质是制约湖泊与大气水分能量交换和湖泊沉积过程的基本要素,对青藏高原湖泊水量、水质的基础调查工作是准确认识青藏高原对气候响应与影响的关键。基于最近5年在青藏高原地区开展的湖泊基础调查工作,明晰了过去对青藏高原重要湖泊基础资料的模糊认识,阐述了湖泊面积、水量变化的时空差异及其对气候变化的响应,探讨了基于遥感水色开展大范围长、时间湖泊水质研究的新方法。     

日地关系研究

日地关系的研究,广义上说,就是研究太阳所产生的各种形式的能量是如何影响地球环境以及在日地系统各单元之中所造成的复杂的物理化学过程是如何相互作用的,即研究耦合、触发和反馈过程.日地关系研究的重点是研究太阳能量的变动部分及其如何向地球传输能量,同时也研究日地关系各单元的平均稳态状况,把它作为衡量变动的基准.太阳发射的绝大部分能量是以可见光的形式辐射到大气中来的.这种可见光与大气的作用过程是气象学研究的课题,已有一个相当长的发展史,并有它自身的规律.狭义上说,日     

实验测得的C2-C6二元羧酸溶液的冻结温度: 冰核核化过程中的重要指标

由于大气气溶胶影响着地球辐射总量的平衡与能量的估算, 有机化合物作为气溶胶和云凝结核(cloud condensation nuclei, CCN)的重要组成成分, 其重要性已经越来越引起科学家们的重视. 而低分子量二元羧酸(low molecular weight dicarboxylic acids, LMWDCA)作为大气(包括云和雾)中气溶胶的重要成分,其在大气中的传输与转化过程中的作用尤其是对冰核(ice nuclei, IN)核化过程的影响已经成为当前的一个重要的前沿科学研究领域. 本研究利用麦吉尔大学的冻结核记数仪分别测量了不同pH的水溶液(超纯净水与自来水)中单纯态的与混合态的低分子量二元羧酸(C2-C6)液滴的冻结温度. 结果显示, 低分子量二元羧酸(C2-C6)自来水溶液的冻结温度明显的高于其相应的超纯净水溶液. 不同混合态的二元羧酸(C2-C6)的纯净水和自来水溶液液滴的平均冻结温度范围分别是: (-24.1±2.8)~(-21.3±3.9)℃和(-10.2±2.2)~(-9.5±2.2)℃, 而所测对照水(超纯净水与自来水)溶液液滴的平均冻结温度则分别是(-22.6±3.5)和(-11.2±2.4)℃. C2-C6二元羧酸的加入对于水溶液液滴的冻结温度增高的促进作用并不显著.     

冰核细菌Pseudomonas syringae是否可以影响大气的冰核核化过程

近年来,大量的研究表明:生物气溶胶作为有效云凝结核与冰核在大气物理和化学过程中发挥着重要的作用.环境大气和云水样品中,冰核活性细菌Pseudomonas syringae的可培养菌株已经成功地被分离筛选出来.其在大气云物理过程尤其是降水过程中的重要作用也已经成为当前国际大气生物气溶胶气候效应研究的热点.本研究采用液滴冻结实验技术,测试了当前已被确定含有冰核活性菌的3种菌属即假单胞菌属(Pseudomonas)、欧文氏菌属(Erwinia)和黄单胞菌属(Xanthomonas)的代表性标准菌株(P.fluorescen,E.uredovora,X.campestris和P.syringaepv.panici),和被证实具有冰核活性的细菌菌株(P.syringaepv.lachrymans)的菌悬液液滴的冻结温度.结果显示:所测试的目前国际公认的冰核活性细菌属的标准菌株P.syringaepv.panici,P.fluorescen,E.uredovora,和X.campestris并不具备冰核活性,被测细菌菌悬液(OD600=0.25,数浓度108cells/mL)的液滴冻结温度分别是:20.3±2.3℃,21.8±2.3℃,20.8±3.4℃和19.9±3.3℃,与超纯水液滴的冻结温度(20.8±2.7℃)差异不大;而相同浓度下,P.syringaepv.lachrymans(ps1-10)菌株的冻结温度是5.0±0.8℃,具有显著的冰核活性.ps1-10菌株液滴平均冻结温度随着菌悬液浓度梯度降低的变化特征表明,当菌液浓度低于105cells/mL时,菌液液滴冻结温度明显降低,当菌液浓度低于104cells/mL时,菌液液滴与无冰核活性的液滴冻结温度接近.由此本文提出疑问:冰核细菌P.syringae是否能以浸润核化活性在大气真实环境中的冰核异质核化过程中起到重要作用,还是存在其他的作用机制?     

影响我国霾天气的多尺度过程

频发的霾天气是我国现阶段面临的最主要大气环境问题之一.霾期间高浓度大气细颗粒物(PM_(2.5))是多种物理化学过程综合影响的结果,包括排放、气-粒转化、大气边界层、局地环流、天气与气候等过程.上述过程的时空尺度跨越了几个数量级,在空间尺度上涵盖了纳米尺度至上千千米尺度.多尺度过程本身的复杂性以及不同过程之间的相互影响是目前大气环境领域面临的最严峻挑战,直接影响到对于霾天气形成机制的科学认识、预报技术与数值模式研发,以及相应的大气污染治理.文章综述了在影响我国霾天气的多尺度过程及其与气溶胶的相互作用领域取得的研究进展.研究表明:二次气溶胶已经成为我国大气气溶胶的主要部分,在霾过程后期,液相非均相过程对气-粒转化有重要贡献; PM_(2.5)呈现多时间尺度周期性振荡,包括1, 4～7以及40～60 d等,边界层、天气和气候等多尺度过程是造成上述周期性变化的主因;已有证据表明,我国高气溶胶已经影响到该区域大气光化学、大气边界层,甚至天气和气候过程.气溶胶与上述过程的相互作用进一步影响了气溶胶浓度及其空间分布,但是此问题极为复杂,尚存在很大不确定性.为此,今后需重点加强以下研究:加强包含气溶胶理化性质、大气光化学、气象要素在内的多要素协同观测,重点开展对流层内多要素协同垂直探测;增强跨学科领域研究,尤其是大气物理-大气化学-天气/气候等多学科间的交叉性研究;加强气溶胶与大气化学、边界层、天气气候等过程相互作用的数值模拟研究.     

早期维管植物辐射演化与长时间尺度水循环的耦合关系

志留纪-泥盆纪陆地革命以早期维管植物的起源和辐射演化为标志.早期维管植物的繁盛导致形成全新的土壤-植物-大气连续体(soil-plant-atmosphere continuum, SPAC).早期植物在根系、输导组织、气孔、叶片、个体大小和构型等方面的一系列演化革新,深刻改变了SPAC中的水分传输过程与机制.由于根系的进化及其诱导的化学风化作用增强,泥盆纪以来的古土壤厚度逐渐增大、分层结构复杂化、组成成熟度增加、类型多样化.伴随着早期维管植物的演化, SPAC的空间范围极大扩展,生物可利用水资源增多,水分在SPAC中的循环过程更为复杂、高效.早期维管植物的辐射增强了植被-地貌-水循环之间的反馈机制.志留纪晚期以来,植被与水文、地貌、生物地球化学等物理和化学要素相互作用,维管植物型陆-海水文连续体(land-ocean hydrologic continuum, LOHC)形成并逐步发展,内陆水体流域至滨岸体系的地貌稳定性增强,由陆到海的生物地球化学循环、物质供给和迁移体系产生变革.早期维管植物通过SPAC、LOHC系统及其内部过程与全球水、碳循环耦合,表现为稳定的低地生境增多,植物残...     

基于海气耦合模式的南中国海北部风暴潮模拟

伴随台风产生的大风、暴雨、巨浪、风暴潮形成的台风灾害链对沿岸地区产生巨大影响,研究台风的形成和运动机理,减小风暴潮灾害,具有重要的科学价值和社会意义.台风影响期间,大气与海洋之间存在强烈的质量、能量交换,风场、流场、波浪场等物理场相互作用、相互影响.基于中尺度大气模式WRF和区域海洋模式ROMS,构建南中国海地区海气耦合模式,针对2012年台风"启德"进行数值模拟.通过观测数据对台风路径和强度进行验证,结果表明,建立的WRF-ROMS耦合模式在对台风"启德"影响下的南中国海风暴潮模拟中展现出较高的模拟精度.通过数值模式计算结果揭示了台风、风暴增水和风生流场的时空分布特征.台风运动过程中台风动力场、风暴增水及流场在空间上均具有"右偏性"的不对称分布特征,近岸风暴增水对台风的响应在时间上存在滞后性,风生流场具有较明显的滞后性特征.     

大气科学百年回顾

大气科学不仅是研究大气状态及其变化规律和成因的一门科学,而且是研究大气与海洋、陆地、冰雪和生物圈相互作用的动力、物理和化学过程的一门综合性科学.