2014～2016年El Ni?o期间全球平均海平面的年际变化及全球水循环的贡献

自1993年以来,卫星测高的结果显示全球平均海平面(global mean sea level,GMSL)以3 mm/a左右的平均速率上升,并伴随着明显的年际变化.2002年成功发射的重力卫星(Gravity Recovery and Climate Experiment,GRACE)通过高精度测量两颗卫星之间的距离变化(微米级精度)反演全球陆地水时空变化,为全球平均海平面变化的成因分析研究提供了观测基础.综合利用卫星测高、GRACE卫星重力、海水温盐Argo浮标数据,详细分析了2010~2016年La Ni?a和El Ni?o期间GMSL年际变化和年际尺度上陆地水的贡献.结果显示,从2010年开始进入La Ni?a到2011年La Ni?a达到鼎盛期GMSL下降了7.6 mm,其中海水质量减少贡献了5.1 mm;2011~2013年GMSL快速上升了19.2 mm,相应海水质量的增加贡献了12.3 mm;2014~2016年强El Ni?o事件使得GMSL上升了15.1 mm,其中海水质量增加对GMSL的贡献达13.6 mm,该时期海水质量变化是GMSL年际变化的主导因素.同时采用卫星重力正演方法(Forward Modelling,FM)分别研究了澳大利亚+东南亚区域、南美洲区域、北美地区、南极+格陵兰区域的陆地水储量变化,结果表明:2014~2016年El Ni?o期间全球海水质量的增加主要来自于澳大利亚+东南亚区域、南美洲区域陆地水减少的贡献.     

用地表和空间重力测量验证全球水储量变化模型

综合分析了全球7台高精度超导重力仪长期连续观测资料, 在精密剔除了重力潮汐和地球自转变化重力效应的基础上, 获得了反映重力场季节性变化的残差序列. 同时, 通过局部的大气压观测数据, 分析了大气对重力的负荷影响, 通过全球陆地水和非潮汐海洋的数值模型计算了负荷效应对重力的影响. 数值结果表明, 大气和陆地水负荷对重力场观测的影响达到100±10^-9ms^-2的量级, 而非潮汐海洋负荷在沿海地区达到10±10^-9ms^-2的量级. 基于GRACE卫星重力确定的重力场球谐展开系数, 采用半径为600 km的高斯平滑技术获得了台站区域的月重力变化. 通过比较地表的超导重力观测和GRACE空间重力测量结果以及全球水负荷的重力效应说明: 地表和空间重力测量能够有效检测到由陆地水储量变化导致的重力场季节变化, 该变化达到100±10^-9ms^-2的量级. 这充分说明高精度的重力测量是检验全球水储量变化模型可靠性的重要手段.     

GPS,OBP和GRACE估计地球动力学扁率变化及其地球物理激发

行星地球是一个旋转的扁椭球体,其动力学扁率(即J2)变化主要由地球系统物质流动和各圈层相互作用引起.目前国际上地球动力学扁率测定主要用卫星激光测距(SLR)资料得到,然而SLR地面观测台站少,南北半球分布不均,且不是连续观测,以及受动力学模型和常数等影响.尽管新一代重力卫星(GRACE)观测大大提高了地球重力场球谐系数低阶项一两个数量级,但对二阶项C20不敏感.本文利用全球连续GPS观测得到的地表负荷位移估计地球动力学扁率J2,并联合GPS与海底气压(OBP)以及OBP和GRACE资料分别估计地球动力学扁率J2,比较和分析地球动力学扁率多尺度变化特征及其机理.结果发现GPS单独估计结果振幅偏小,GPS+OBP,GPS+OBP+GRACE和GRACE估计J2周年变化与SLR结果非常接近.而J2半周年变化,GRACE估计相对较差,主要由于GRACE资料处理没有很好扣除约161天的S2潮汐影响.另外,GPS+OBP和GPS+OBP+GRACE估计J2季节内和年季变化与SLR结果较一致,而GRACE和GPS单独估计结果与SLR结果偏差较大.并进一步利用地球物理模型资料研究对J2变化的贡献,结果表明,地球动力学扁率J2季节性、季节内和年季变化主要由大气、海洋和陆地水地表流体质量重新分布和迁移激发.     

利用GRACE-FO重力卫星探测2019年长江中下游极端干旱

2019年夏秋季长江中下游地区持续半年的极端干旱给当地的农业生产和生态环境带来了严重的影响.目前对于干旱程度的估计主要依赖于降水、蒸散发、径流和土壤含水量等参数的监测.GRACE/GRACE-FO重力卫星通过探测全球地球重力场变化,捕捉地表水、土壤水分和地下水储量变化信息,从而跟踪全球范围的干旱事件.虽然利用GRACE...     

中国陆域干旱演变预估及其生态水文效应

全球变暖改变了大气圈、水圈、陆地圈与生物圈的水文生物地球化学循环过程,对降水、大气湿度、陆地水储量等气象水文要素及生态系统生产力产生显著影响.现有研究较少采用陆地水储量预估未来旱情,也未能量化水热通量和生态系统碳收支对干旱的响应机制.本文首先基于GRACE/GRACE-FO重力卫星识别中国陆域干湿状况,采用大气再分析、机器学习重构和通量观测等多源数据评估对流有效位能、水汽辐合通量、生态系统总初级生产力等水-热-碳因子对干旱事件的反馈效应;然后基于ISIMIP2b框架下全球气候模式集合,考虑3种代表性浓度路径,结合动态植被模型、全球水文模型和陆面模式,预估未来陆地水储量及旱情演变特征;最后,探讨气候变化下干旱对生态系统生产力的影响,并量化干旱预估各环节的不确定性.研究发现,陆-气耦合作用与旱情演变具有复杂的互馈效应, 21世纪末中国干旱历时和烈度可能大幅度增长;旱情加重影响了中国大多数陆域的生态系统净生产力,未来生态系统碳汇对干旱的调控功能减弱,且较高碳排放情景下植被受干旱胁迫影响造成的固碳下降现象更加严峻.     

武汉台重力长期变化特征研究

利用武汉台超导重力仪长期连续观测资料, 结合FG5和GPS同址观测结果, 研究了重力长期非潮汐变化特征及其与局部气压和水储量变化及地壳垂直运动之间的关系. 结果表明, 超导重力仪观测的重力长期变化存在非常显著的季节性变化, 其总能量的大约70%来自于局部大气和水储量变化, 其中周年变化超过95%的能量都来自于这两种环境因素的影响. 由于缺乏区域水储量(特别是地下水)变化的实际观测资料, 采用的全球陆地水同化模型LaD和GLDAS不能客观地描述台站局部水储量的实时变化, 由此得到的重力变化与实际观测之间存在大约55 d的时间延迟. 通过与FG5绝对重力仪的对比观测获得了超导重力仪的长期漂移率为17.13 nm·s^-2·a^-1, 同址GPS观测表明台站局部区域的地壳呈缓慢沉降态势, 其沉降速率为(3.71±0.16) mm·a^-1, 与之对应的局部重力场变化为(13.88±0.22) nm·s^-2·a^-1, 即伴随着局部地壳运动的重力变化与高程变化的比值大约为-37.41 nm·s^-2·cm^-1, 表明在地壳垂直运动过程中局部伴随着比较大的物质质量调整, 其力学机制有待进一步研究.     

20世纪90年代南海海平面的上升趋势:卫星高度计观测结果

利用7年的TOPEX／POSEIDON卫星高度计资料，发现在1993年1月至1999年12月间南海海平面总体呈现上升趋势，就整个海盆所估算的总体上升速率约1cm/a。海平面的上升在空间上并不均匀，在吕宋岛西侧的深水海盆处上升率高达2．7cm/a，在浅水陆架区上升率则多较低（甚至为负值）。认为所观测到的海平面快速上升是一种地区性现象，主要因南海上层变暖所至。分析表明同期南海上层水温的上升速率为0.15℃/a。分析还表明，所观测到的上升趋势主要是一种年代信号，可能与太平洋暖池海域的年代尺度变化相联系。     

中国首次中层顶大气重力波成像观测实验

2009年1月5日02:00到06:00之间, 在河北省廊坊市韩村镇(39.4°N, 116.6°E)利用CCD气辉成像技术开展了我国首次中层顶大气重力波观测实验. 结果显示, 当日03:00到05:00点之间, 观测到了丰富的、明显的准单色大气重力波水平二维活动. 初步分析了3个大气重力波个例, 得到它们的水平波长、观测水平相速度、水平传播方位角和观测周期分别约为(12.3 km, 41 m/s, 327°, 5 min), (25 km, 35 m/s, 68°, 12 min)和(10 km, 48 m/s, 341°, 3.5 min).     

近30年青藏高原中东部大气热源变化趋势:观测与再分析资料对比

利用青藏高原(以下简称高原)中东部71个气象台站常规观测资料,2套卫星辐射资料,以及3套再分析资料,定量计算了1980～2008年高原中东部上空大气热源变化趋势.研究表明:高原感热减弱趋势仍在持续,尤其是春季感热减弱趋势最为显著.感热的这种变化主要由风速的持续减弱所决定,值得注意的是,近5年地气温差变化趋势由过去的减小转为增大.2套卫星辐射资料计算所得高原中东部大气柱净辐射通量变化趋势有明显差异.利用3套再分析资料通过倒算法计算高原中东部大气视热源变化趋势也不尽相同,其中2套基本一致,均呈减弱趋势,且其中1个的变化幅度明显偏强;而另一套为明显上升趋势,与观测相反.精确计算高原热源变化趋势仍很困难,特别是利用再分析资料估计高原热源变化趋势存在很大不确定性.     

卫星遥感研究中国气溶胶光学厚度、NO_2和SO_2的相关性

利用2005~2014年Aqua MODIS和Aura OMI卫星遥感的气溶胶光学厚度(AOD)、对流层二氧化氮(NO_2)、二氧化硫(SO_2)柱积分浓度,通过相关性研究分析了这两种气象前体物对中国不同地区气溶胶的影响.结果表明:(1)在中国绝大部分地区,AOD与NO_2和SO_2空间分布存在显著正相关(95%信度),说明NO_2和SO_2通过形成二次气溶胶而显著影响总气溶胶浓度.在日尺度上,卫星观测AOD与NO_2,SO_2的时间相关性不可靠.(2)AOD/NO_2和AOD/SO_2的线性拟合斜率存在较大地区差别:在黑吉辽、晋鲁豫、川渝黔等城市化程度相对较低的区域,AOD/SO_2的斜率显著小于AOD/NO_2斜率,表明这些地区气溶胶仍是以硫酸盐性为主、NO_2的贡献相对较小;而在京津冀、江浙沪、广东等现代化都市群附近,AOD/NO_2和AOD/SO_2斜率较为接近,表明这些地区气溶胶是以硫酸盐/硝酸盐混合性为主.(3)AOD/NO_2和AOD/SO_2的线性拟合斜率存在明显的季节变化,一般是在夏季最大、冬季最小,这可能与气温、冬季取暖、春季沙尘等有关;近10年来,这两种斜率在各地区基本没有体现出显著的年际变化趋势,但在川渝黔地区,AOD/NO_2斜率有微弱的升高趋势.本研究的结果,一方面可以弥补地基观测资料在时空覆盖上的不足,另一方面可以为相应的大气污染模式评估提供参考.     

中世纪暖期、小冰期与现代东亚夏季风环流和降水年代-百年尺度变化特征分析

利用气象仪器观测资料、降水和温度代用资料以及气候模拟结果, 综合分析近1000年东亚夏季风区海陆热力差异和降水的年代际、百年际尺度变化规律, 对比了现代、小冰期和中世纪暖期东亚季风环流和降水的基本特征, 以及与太阳辐照度和全球气候变化的联系, 得到以下结论: 在近150 年里, 用东亚陆地与其周边海域大气温度差异指示的东亚夏季风环流与降水呈现出显著的年代际波动特征, 并且在过去50 年全球增暖最快时期东亚季风偏弱; 在百年尺度上, 中世纪暖期东亚夏季风环流是过去1000 年里最强时期, 而在1450~1570 年期间东亚夏季风是过去1000 年里最弱的时期; 对应于偏弱的东亚夏季风环流, 中国东部季风雨带总体上位置偏南, 伴随着华北降水偏少、长江降水偏多(即“南涝/北旱”型)异常分布特征; 从20 世纪初到20 世纪20 年代, 降水呈现出长江流域偏少、华北偏多的反“南涝/北旱”型特征; 与中世纪暖期相比, 在1400~1600 年期间发生的是一个更长时间尺度的“南涝/北旱”现象; 此外, 东亚夏季风环流和降水变化与全球气温变化的趋势有不同步特征, 在近150 年里, 尽管全球和中国区域表面年平均气温显著增加, 但是东亚季风环流和降水没有表现出一个增强或者减弱趋势, 在过去1000 年里东亚夏季风最弱时期要比北半球最冷时期出现的早, 并与太阳辐照度的最弱时期相对应.     

中国东部城市化与地面非均匀增暖

利用1979～2008年中国东部312个站点均一化调整后的地面气温观测资料及DMSP/OLS夜间灯光数据, 运用滑动空间距平方法, 对冬夏地面气温变化趋势在不同空间尺度下的非均匀性进行检测, 并分析了城市化对地面增暖的影响. 结果表明, 中国东部夏季和冬季的增温高值中心分别集中在长三角和京津冀地区, 其中长三角地区夏季的增暖主要是由夏季最高气温的增加所导致, 城市增温率为0.132～0.250℃/10 a, 增温贡献率为36%～68%; 京津冀地区冬季的增暖主要是由冬季最低气温的增加所导致, 城市增温率为0.102～0.214℃/10 a, 增温贡献率为12%～24%. 城市群增暖的时空差异可能与区域气候背景及人为热排放的变化有关.     

基于TES观测的2005～2010年间中国3个代表性区域对流层臭氧浓度变化分析

臭氧(O3)是大气中复杂光化学反应的产物.对流层臭氧既是全球性污染物,又是温室气体.本文采用Aura卫星上搭载的对流层辐射光谱仪(tropospheric emission spectrometer,TES)获得的对流层O3垂直分布数据,基于傅里叶变换,分析了2005～2010年间我国3个代表性区域(西部、华北和华南地区)的对流层臭氧在484,681和825hPa高度上的浓度变化趋势以及季节分布特点.结果显示,在中国大部分地区,O3浓度均呈现夏季高冬季低的特点,而在华南地区和华北近地面,臭氧呈现明显的春秋季双峰值现象.臭氧在464hPa高度上均呈现比较明显的增长趋势,其中华北地区增长速率最快,达到0.89±0.059nL(La)-1.在681hPa,我国华北和西部地区的臭氧都出现了明显的增长趋势,平均年增长率分别为0.57±0.065和0.41±0.041nL(La)-1;而华南地区O3浓度趋势却无明显变化.在近地面的825hPa,华北地区臭氧浓度仍然保持了0.36±0.074nL(La)-1的增长速度,而华南地区则呈现了微弱的-0.21±0.061nL(La)-1的下降趋势.在全国尺度上,我国对流层臭氧浓度在2005～2010年间整体呈现上升趋势,这将对我国的人体健康、农业生产和生态系统造成不良影响.     

环北京春季大气气溶胶分布、来源及其与CCN转化关系的飞机探测

利用2009年春季开展的"环北京云观测试验"(Beijing cloud experiment,BCE)观测的气溶胶和云凝结核(CCN)数据,研究了试验期间大气气溶胶的分布、来源特征及其与云凝结核(CCN)的转化关系.结果表明,高浓度气溶胶基本分布在4500 m以下的区域,量级可以达到103个/cm3.4500 m以上气溶胶呈显著下降趋势,仅为101个/cm3的量级;气溶胶平均直径在0.16~0.19μm之间.4500 m以下气溶胶平均粒子谱呈双(多)峰分布,而在4500 m以上基本为单峰分布.受气溶胶的来源特性差异的影响,在0.3%的过饱和度下,4500 m以下气溶胶转化为CCN比例不到20%,但在4500 m以上可高达近50%.气团移动轨迹显示,4500 m以上的大气高层均受到来自沙尘等较大尺度粒子的影响,飞机观测的高CCN浓度说明这种较大尺度气溶胶粒子可溶性较大.而4500 m以下的低层,由于受到局地或区域地面污染的影响,气溶胶的尺度较小,核化为CCN的过饱和度要求较高,因此气溶胶到CCN的转化率低.本文建立了气溶胶浓度和CCN浓度的拟合关系.     

中国区域土壤湿度变化的时空特征模拟研究

建立基于气象台站观测资料的陆面模式(CLM3.5)大气驱动场(ObsFC), 驱动CLM3.5 模拟了中国区域1951~2008 年的土壤湿度变化. 其结果与站点观测和遥感反演及不同陆面模式模拟的土壤湿度比较检验表明CLM3.5/ObsFC 合理再现了中国区域土壤湿度的时空特征和长期变化趋势, 并且基于观测资料建立的大气驱动场在一定程度上能够提高CLM3.5 模拟土壤湿度的准确度. 土壤湿度模拟分析显示中国区域土壤湿度空间分布具有由东南向西北逐渐减小的总体特征和干湿相间分布的带状结构. 土壤湿度的低值区主要分布在新疆南部和内蒙古西部地区, 高值区主要分布在东北平原、江淮地区和长江流域. 土壤湿度的长期变化, 干旱和湿润地区湿度呈增加趋势, 干旱区20 世纪70 年代中期至90 年代中期变化最为强烈, 湿润区除1970 前后和2003 年之后变化较明显外, 整个序列比较稳定; 半干旱地区呈减小的趋势, 且20 世纪90 年代以后下降趋势更加明显. 1951~2008 年干旱、半干旱和湿润典型区平均体积百分比土壤湿度分别变化了2.35, -1.26 和0.08. 不同区域土壤湿度变化趋势和强度有明显差异,变化最显著的区域主要分布在35°N 以北的干旱、半干旱区.     

1951~2004年中国北方干旱化的基本事实

利用月降水及月平均气温资料, 计算了中国区域地表湿润指数、Palmer干旱指数和反演的土壤湿度, 通过对上述3个指标及降水变化特征的对比分析, 揭示了中国北方近54年干湿变化的时空结构, 特别是对北方干旱化事实的分析. 结果指出: (1) 20世纪80年代以来, 西北东部和华北以干旱化趋势为主要特征, 这种干旱化的趋势在近15年不断加剧, 降水减少和气温升高是其产生的主要原因; (2) 在54年间, 西北东部和华北在年代际尺度上仅发生一次干湿转换, 转折点出现在20世纪70年代的末期, 这与1977/1978全球气候背景的转折性变化有关. 而东北地区却有3个转折点, 最近的一个产生在20世纪90年代中期, 另两个分别发生在1965和1983年; (3) 与北方其他地区的变化趋势相反, 西北西部当前正处在一个相对湿的时段, 但温度的升高削弱了这种变湿趋势; (4) 20世纪80年代以后, 西北东部、华北和东北地区的极端干旱发生的频率明显增加, 这与这些地区降水减少和气温升高密切相关.     

致密砂岩层系多尺度波耗散规律及双重分形结构模型

了解地层岩石的多尺度非均质性特征对不同频率弹性波响应的影响,对基于地震资料解释与反演地下介质属性至关重要.本文联合采用超声波实验(550 kHz)、声波测井(约10 kHz)和地震勘探(约30 Hz)手段,对鄂尔多斯盆地延长组致密岩石开展观测,估算了不同频率下致密砂岩中的纵波传播速度和衰减.超声波观测结果显示,随着围压增大,孔隙度对衰减的影响有变小的趋势,而黏土含量的影响随围压增大而增大.不同频率范围内,波速和衰减随孔隙度或黏土含量的变化趋势基本一致.测量结果中值及分布特征显示,从超声波到地震频段,纵波速度趋于下降,而衰减却有增大趋势.从超声波到声波频段,速度减小更为显著,中值减小了362 m/s;而测井速度与地震观测结果较为接近.衰减在声波和地震频率之间的差异更为明显.为解释多尺度观测数据,提出了描述孔隙介质中裂隙和黏土尺寸具有自相似分布特征的双重分形结构模型.模型预测与实验结果对比揭示了相关储层黏土包体和裂隙的分形特征.本研究可为进一步解释复杂岩石宽频带波频散和非弹性现象提供理论模型.     

基于重力数据的2022年青海门源MS 6.9及四川泸定MS 6.8地震预测

2022年,中国大陆西部地区接连发生多次6级强震.1月8日青海门源M_S 6.9和9月5日四川泸定M_S 6.8左旋走滑型地震均造成了显著的财产损失,后者更造成了百余人伤亡.地震前,依据中国地震局在两震中周边地区观测的重力数据获得了区域重力变化.结合此前多个典型地震前重力变化,该变化可能表明2021、2022年在青海门源、四川泸定及其附近地区会发生强震.两次地震实际震中与不同年度预测的地震危险区中心距离均不超过55 km.这两次地震前地表重力正、负变化均围绕震中相间出现,重力变化总体呈现四象限分布特征,且震中破裂区处于重力无变化区域.两次地震前重力变化与震源机制对比表明:四象限重力变化分布的正变化区对应于震源机制显示的压缩区、重力负变化区对应于震源机制显示的膨胀区.该发现有助于地震前兆理论的发展.     

低频海平面变化及其与太平洋气候事件的相关性

全球海平面变化不仅表现为明显的长期性趋势和季节性变化特征,而且还可能具有年际和年代际变化特征.本文联合卫星测高和验潮站观测数据各自具备的优势,重构了1948～2007年间全球平均海平面变化时间序列.基于该序列,计算得到20世纪后半期海平面上升加速度约为0.010±0.009mm/a2,并分析发现海平面变化存在包括年代际在内的多尺度低频振荡,而1993～2003年期间的海平面变化正处在低频振荡的加快上升期.然后利用移去长期性趋势后重构的海平面变化时间序列,分析发现海平面变化低频信号与南方涛动和太平洋年代际振荡指数之间表现了较强的相关性,但在部分时间段内存在一定差异,其原因可能是频发的厄尔尼诺和拉尼娜现象及太平洋年代际振荡短期反相事件共同作用的结果.     

气候变化对中国陆地植被净初级生产力的影响分析

近来的气候变化对陆地植被净初级生产力(NPP)产生了综合影响. 通过对1982~1999年的中国陆地植被NPP及相应的气候数据进行系统分析, 结果表明: (ⅰ) 中国近20 a来的气候变化使温度、降水、光照均朝着有利于植物生长的方向发展, 其胁迫作用有所减弱: 受水分限制的西北地区, 其NPP的增长趋势平均为1.42%·a^-1; 受温度制约的东北、华北和青藏高原地区, NPP增长趋势平均为1.46%·a^-1; 华中、华东、华南受光照制约的地方, NPP增长趋势平均为0.99%·a^-1. (ⅱ) 18 a来, 中国陆地植被NPP总量增加了0.76 Pg C (24.2%), 其中由气候变化约导致NPP增加0.36 Pg C (11.5%), 其他因素(气候-植被相互作用、土地利用变化、造林等)约导致NPP增加0.40 Pg C (12.4%). (ⅲ) 与全球情况相比, 中国陆地植被NPP对气候变化的响应存在区域差异, 在20世纪80年代后期的几次厄尔尼诺事件中, 全球NPP均明显下降, 而中国的NPP因受季风影响, 情况复杂.