黄河源高寒湿地-大气间水热和碳交换通量日变化特征的观测分析

黄河源区高寒湿地-大气间的水分和热量及碳交换过程是影响青藏高原气候变化的主要因素之一。本文从2013年7月16日至10月19日期间黄河源区麻多湿地下垫面湍流通量涡动相关系统和气象站观测资料中,每月选取3~4天晴天条件下的观测数据,分析了黄河源麻多湿地-大气间感热通量、潜热通量和CO_2通量的日变化特征,并探讨了近地面能量平衡闭合度。结果表明:黄河源高寒湿地下垫面潜热通量和感热通量有日变化过程,日出后水分和热量交换通量逐渐增高,峰值均出现在12:00—16:00(北京时,下同)。在2013年夏季,黄河源湿地下垫面感热通量的最高值出现在9月15:30,达到了150.0 W·m~(-2),潜热通量的最高值出现在7月16:00,达到了300.0 W·m~(-2)。黄河源高寒湿地生态系统的能量消耗主要以潜热为主,近地面能量的闭合度较差,达到了48.8%。湿地净生态系统的CO_2交换通量日变化特征呈"U"型曲线,在整个植被生长季节的日变化过程中,日出后湿地系统吸收大气中的CO_2,净生态系统CO_2交换量NEE(Net Ecosystem Exchange)为负,中午达负极值,极值为-0.55 mg·m~(-2)·s~(-1),出现在7月21日12:30;夜间下垫面释放CO_2,NEE为正。进一步分析结果表明:CO_2交换通量的变化动态范围受空气温度、太阳辐射和植被冠层的影响明显。     

青藏高原典型高寒草甸生态系统对气候冻土环境变化的响应

利用青藏高原河南县典型高寒草甸生态系统群体结构、地上生物量、发育期及其气候、冻土环境观测资料,系统研究了高寒草甸生态系统演变特征及其对气候变化和冻土退化的响应机理。研究表明:20世纪80年代后期以来高寒草甸生态系统出现了牧草返青期无明显变化而黄枯期显著延迟致使生长期明显延长、覆盖度总体下降但自2004年后开始回升、地上生物量明显增大等一系列演变特征;气候冻土环境表现出气温升高、降水增加、日照增多等气候暖湿化、季节冻土层温度及热量条件显著升高、冻土层变薄、冻结时间缩短等冻土退化的变化趋势;高寒草甸生态系统对气候变化的响应不及对季节冻土退化的响应敏感,其生长发育的前期主要受水分条件的限制,而在生长发育的旺盛期及后期,则主要受热量条件的制约。     

三江源冻土-植被相互作用及气候效应研究现状及展望

三江源冻土、植被二者之间存在着强烈的相互作用的关系,并通过改变土壤水热特性以及地表-大气间的能量和水分交换过程影响局地气候,加快或减缓气候变化,源区的生态安全面临挑战。本文综述了近几十年来三江源区冻土、植被特征及变化趋势、冻土-植被相互作用过程以及冻土、植被变化的气候效应,在此基础上对未来研究方向进行了展望。主要认知如下：三江源地区是季节性冻土和多年冻土的交汇带。植被类型有高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠等,植被生长季较短。近几十年来,在全球变化影响下,源区冻土和植被经历了快速的变化。冻土土壤温度明显升高;多年冻土面积减小而季节性冻土面积增加;多年冻土活动层厚度及融化期增加而季节性冻土最大冻结深度及冻结期减小。植被物候整体表现出返青期提前,黄枯期推迟,生长季延长的特征;同时高寒植被生态系统的结构和功能也发生了明显变化。土壤的水、热状态是连接冻土和植被相互作用的重要纽带。冻土的冻融状态,土壤的水、热过程对高寒植被的生长有着密切的影响;同时位于冻土上层的植被,又通过植被特征和生态系统的变化,影响土壤温度、湿度,反作用于冻土的形成和发展。冻土和高寒植被作为三江源两种典型的下垫面,在陆-气相互作用...     

黄河源区草地退化对局地气候环境影响的数值模拟

土地覆盖变化会影响到近地层各气象要素发生不同程度的变化.利用中尺度数值模式MM5,设计了一个控制试验和一个敏感性试验.通过对2003年7月一个月的积分,模拟了黄河源区草原退化对局地气候环境的影响.结果表明,黄河源区草原退化导致该地区2 m高度气温及地表温度明显升高;空气湿度及土壤湿度不同程度减小;草原退化后降水的减小影响到径流减小;草原退化后还引起退化区感热通量增加,潜热通量减小,有效通量(感热通量+潜热通量)减小.与草地农牧化相比,草原退化对气候环境的影响程度更强.     

三江源国家公园植被覆盖时空变化及其气候驱动因素

基于2000-2019年MODIS NDVI数据,结合气象数据,利用二分像元法、斜率分析法和偏相关分析等方法,分析三江源国家公园近20年植被覆盖时空变化特征及其与气候因子的相关性。结果表明：（1）三江源国家公园植被覆盖面积占公园面积的85.38%,平均覆盖度为42.70%,植被覆盖由西北向东南逐渐增加。西部长江源园区以中低覆盖度植被为主,东部黄河源园区以中高覆盖度植被为主,南部澜沧江源园区以高覆盖度植被为主。（2）2000-2019年三江源国家公园植被覆盖面积和覆盖度均呈增加趋势,植被覆盖面积以227.55 km2·a-1显著增加（P<0.01）,覆盖度增加幅度不明显,其中长江源园区植被覆盖面积和覆盖度均显著增加,黄河源园区植被覆盖面积基本不变,植被覆盖度显著增加,澜沧江源园区植被覆盖面积显著增加,但植被覆盖度基本保持不变。（3）近20年三江源国家公园植被覆盖空间上呈稳定增加趋势,植被覆盖保持不变的区域面积占比31.27%,增加的区域占比56.08%,减少的区域占比12.65%,长江源东部零星地区退化的高寒草甸出现轻度减少,长江源园区西北部地区、黄河源园区北部植被覆盖度增加幅度较...     

黄河源区积雪变化特征及其对春季径流的影响

基于1978-2016年积雪、气象和径流资料,采用Mann-Kendall检验法、线性分析法及敏感性公式,分析了黄河源区积雪变化特征及其对春季径流的影响。结果表明:(1)黄河源区表现出积雪初日推迟、终日提前、积雪期缩短和积雪日数减少趋势,其中,积雪初日、终日与积雪期分别通过了p0. 05、p0. 05及p0. 01的显著性检验。(2)年均雪深1978-2016年无明显变化趋势,但自21世纪以来呈显著上升趋势,且通过了p 0. 1的显著性检验。(3)黄河源区积雪日数对春季径流的影响较积雪深度显著。积雪日数、积雪深度平均变化1%,将分别引起春季径流变化0. 60%和0. 25%。因4月和5月份平均气温升高,积雪大量融化,故4月和5月径流对积雪变化敏感性较3月径流大。(4)降水和温度的不同组合引起积雪变化,导致春季径流的不同响应。气候变暖环境下,黄河源区融雪径流提前,表现为3月径流呈上升趋势,4月和5月径流呈下降趋势,但同时也因区域大气水汽含量变化,导致春季各月径流及春季径流自21世纪以来呈上升趋势。     

黄河源区域生态环境演变与对策建议

黄河源区是三江源自然保护区的重要组成部分,在全球气候变暖和日趋频繁的人类活动的共同影响下,黄河源区的生态结构受到严重干扰。通过对黄河源区域生态与自然环境演变特征研究进展的概括总结,从生态系统和物理环境2个方面归纳了黄河源区主要的生态环境问题：（1）植被、冻土和湿地生态系统不断退化;（2）气候暖干化、径流变化、土壤侵蚀、土壤沙漠化、土壤碳流失、鼠害和人为影响加剧。根据面临的生态环境问题提出了区域生态与自然环境保护的相应对策和建议：形成完善的生态补偿机制;加强生态环境保护立法;建立统一的监督管理机构;建立有效的执法队伍;划分功能区;发展生态旅游;强化全社会的环保意识。     

围栏封育下藏北高寒湿地和高寒草原水热通量特征研究

围栏封育作为直接有效的退化草地恢复治理模式,广泛应用于青藏高原退化草地恢复。围栏封育显著提升植被覆盖并改变地表与大气之间的水热交换,然而当前对其如何影响高寒生态系统水热通量的定量研究不足,缺乏对影响机制的认识。本研究以藏北腹地典型高寒湿地和高寒草原为研究对象,采用涡度相关技术开展禁牧-放牧配对观测,并基于围栏内外2019年7月至2021年6月连续两年的观测数据,探究围栏封育后的地表水热平衡变化,以提升对围栏封育改变地表水热通量机制的认知。结果显示：高寒草原和高寒湿地生态系统水热通量均表现出明显的单峰型日变化特征,且分别以感热作用(波文比为1.60)、潜热作用(波文比为0.31)为主导向大气传输能量。围栏封育降低了高寒草原地表通量值,感热通量减小5.99 W·m^-2,潜热通量减小4.84 W·m^-2;围栏封育提升了高寒湿地的地表通量值,感热通量增加3.04 W·m^-2,潜热通量增加30.95 W·m^-2,围栏封育后高寒草原感热通量和潜热通量日均值均下降,高寒湿地则增加。围栏封育对地表能量通量影响强度集...     

近57a长江黄河源区径流量变化异同特征分析

利用1956~2012年长江和黄河源区内2个水文站点逐月流量数据,分析了近57a两江源区径流的长期变化趋势、突变特征以及周期特征的异同。结果表明:长江源区径流量月变化呈单峰型,峰值在7月;黄河源区则表现为双峰型,峰值分别出现在7月和9月。近57a来,长江源区各季节及年平均径流量均呈现上升趋势,而黄河源区表现为年平均、春季和秋季平均流量呈下降趋势,而夏季和冬季则表现为上升趋势的特征。长江源区1960年和1968年前后的突变点比较可靠,在1998年前后可能也存在一次突变;而对于黄河源区,则在1960年和1968年前后的突变点具有较高的可靠性。长江源区年径流量主要存在9~10a和准22a的变化周期,而黄河源区年径流主要存在4a、7~8a和准16a的变化周期。      

黄河源区地表水资源变化及其影响因子研究

利用1955～2005年黄河源区玛多气象站和黄河沿水文站气象、水文资料,分析了该区域地表水资源、气候及冻土演变规律,揭示了地表水资源变化的成因。研究表明:近51a黄河源流量丰枯转化频繁,但在总体上特别是进入20世纪90年代以来黄河源流量呈减少趋势,流量年内分配表现为单峰型;降水量对流量有着较为显著的影响,且具有一定的持续性;黄河源区气温的显著升高对于加大流域蒸发量导致流量补给的减少作用要大于其升高致使冰雪融水的补给作用,其中春季气温回升的这一效应更为显著;黄河源区冻土呈现出显著的退化趋势,冻土厚度与流量总体上呈显著的正相关关系,其不断减小削弱了自身天然隔水层的作用;黄河源区蒸发量呈现出显著的增大趋势,并导致流量的减少;气候变化导致流量的减少量占总减少量的70%,其余30%可能是由人类活动加剧造成的,气候及冻土因子对流量的作用大小依次为冻土、降水、蒸发和气温,显然多年冻土对于黄河源区地表水资源的形成和发育有着至关重要的作用。     

黄河源区径流减少的原因探讨

分析了黄河源区1960~2000年气候变化特点,对蒸发进行了估算,并分析了植被和冻土的变化,对径流在20世纪90年代后明显减少的原因进行了探讨。结果表明,黄河源区气温在20世纪80年代中期后明显增加,降水在90年代偏少,气候向暖干方向发展,但蒸发变化不大,径流减少的直接原因是降水的减少;在90年代后降水强度的减弱也可能是径流减少的重要原因;归一化植被指数(NDVI)数据显示植被在90年代后期呈现退化的趋势,冻土在80年代以后表现出的明显的退化趋势,植被冻土的退化可以使得冻结层上水位下移,土壤水向土壤下层的渗漏增加,也会造成径流的减少。     

Climate changes and its impact on tundra ecosystem in Qinghai-Tibet Plateau,China

Alpine ecosystems in permafrost region are extremely sensitive to climate change. The headwater regions of Yangtze River and Yellow River of the Qinghai-Tibet plateau permafrost area were selected. Spatial-temporal shifts in the extent and distribution of tundra ecosystems were investigated for the period 1967–2000 by landscape ecological method and aerial photographs for 1967, and satellite remote sensing data (the Landsat’s TM) for 1986 and 2000. The relationships were analyzed between climate change and the distribution area variation of tundra ecosystems and between the permafrost change and tundra ecosystems. The responding model of tundra ecosystem to the combined effects of climate and permafrost changes was established by using statistic regression method, and the contribution of climate changes and permafrost variation to the degradation of tundra ecosystems was estimated. The regional climate exhibited a tendency towards significant warming and desiccation with the air temperature increased by 0.4–0.67°C/10a and relative stable precipitation over the last 45 years. Owing to the climate continuous warming, the intensity of surface heat source (HI) increased at the average of 0.45 W/m² per year, the difference of surface soil temperature and air temperature (DT) increased at the range of 4.1°C–4.5°C, and the 20-cm depth soil temperature within the active layer increased at the range of 1.1°C–1.4°C. The alpine meadow and alpine swamp meadow were more sensitive to permafrost changes than alpine steppe. The area of alpine swamp meadow decreased by 13.6–28.9%, while the alpine meadow area decreased by 13.5–21.3% from 1967 to 2000. The contributions of climate change to the degradation of the alpine meadow and alpine swamp was 58–68% and 59–65% between 1967 and 2000. The synergic effects of climate change and permafrost variation were the major drivers for the observed degradation in tundra ecosystems of the Qinghai-Tibet plateau.     

松花江、辽河流域实测径流的变化趋势及其与降水的关系

利用松花江、辽河流域内132个降水测站1961-2000年40年的月降水资料,以及水文测站哈尔滨、江桥、铁岭1956-2000年45年的月实测径流量资料,分析松花江、辽河流域实测径流的变化趋势,并探讨夏季径流与同期降水的相关性。结果表明：松花江流域的年实测径流量呈现较微弱的下降趋势,而辽河流域年实测径流呈现显著的下降趋势;两流域径流量均存在着一致的阶段性丰枯周期变化;最显著的一次波动是夏季实测径流由20世纪60年代中后期呈现的显著下降趋势转为80年代初期的明显上升趋势;降水是影响松花江、辽河流域夏季实测径流的一个重要气候因素。初步揭示了人类活动、下垫面改变对实测径流的影响。     

基于GAMLSS模型的玛纳斯河设计年径流分析

玛纳斯河年径流在气候变化影响下发生了变异,传统径流频率分析方法的一致性假设遭到破坏,本文根据玛纳斯河上游出山口1956—2014年水文气象资料,采用遥相关分析法,并基于GAMLSS理论分别建立以时间、气候因子为协变量的时变矩模型,将其拟合效果与传统P-III分布进行对比分析,利用最优分布模型进行年径流量设计。结果表明：北大西洋涛动指数（NAO）作为气候影响因子与年径流序列相关系数为-0.322,遥联性最佳;以累积气温亏损值、降雨量、NAO为协变量的LOGNO分布模型为最优分布模型,有效地描述了在气候变化影响下玛纳斯河年径流动态变化特征,并在不同设计保证率下设计年径流比传统P-III分布偏大3.08%~16.10%,各月径流设计值与P-III分布相差较大。其研究结果为玛纳斯河水资源的高效利用及科学管理提供参考依据。     

中国半干旱区草甸草原和典型草原碳通量日变化特征

半干旱草原碳收支对陆地生态系统碳源汇功能变化具有重要影响。本文基于通榆草甸草原站2011～2017年和毛登典型草原站2013~2017年涡动相关法观测数据,分析了生长季碳通量日变化特征,研究了碳通量日变化过程对主要环境因子的响应。结果表明:两处草原7月碳吸收活动最强,草甸草原生长季各月总初级生产力（gross primary production, GPP）、生态系统呼吸（ecosystem respiration, R_e）和净碳交换量（net ecosystem exchange, NEE）的峰值均高于典型草原。NEE的日变化以单峰型为主,但7月、8月饱和水汽压差较高时,GPP在正午前后降低,引起NEE的双峰型日变化。光合有效辐射是草甸草原NEE日变化的主导因子,而在典型草原,浅层土壤含水量（5 cm）也主导了NEE日变化。水分亏缺使草原碳交换速率显著降低,草甸草原固碳速率对水分亏缺的敏感性强于典型草原。同时,水分亏缺也改变了GPP、R_e和NEE对温度和光合有效辐射的响应关系。     

气候变化对汉江上游径流的影响

根据汉江上游安康以上流域1961-2005年历年逐月气温和降水量资料,统计分析了近45 a流域气候变化的基本特点。同时,通过对各站气温、降水量与安康站径流量的相关计算,建立了天然径流量气候模型,并分析了径流量对气候变化响应的敏感性。结果表明：1) 近45 a来汉江上游安康以上流域的年平均气温呈上升趋势;降水量呈递减趋势,90年代以后减少更为显著。2) 在过去45 a中,汉江上游径流量总体呈下降趋势;1961年以来,汉江上游径流量大体经历了两个丰水段和两个枯水段;1985年发生跃变,以前呈微弱的上升趋势,以后呈下降趋势。3) 径流量与区域年平均气温呈负相关,而与年降水量呈较显著的正相关,年径流量对降水变化的响应较其对气温变化的响应更为敏感。     

气候变化对汉江上游径流的影响

 根据汉江上游安康以上流域1961-2005年历年逐月气温和降水量资料,统计分析了近45 a流域气候变化的基本特点。同时,通过对各站气温、降水量与安康站径流量的相关计算,建立了天然径流量气候模型,并分析了径流量对气候变化响应的敏感性。结果表明：1) 近45 a来汉江上游安康以上流域的年平均气温呈上升趋势;降水量呈递减趋势,90年代以后减少更为显著。2) 在过去45 a中,汉江上游径流量总体呈下降趋势;1961年以来,汉江上游径流量大体经历了两个丰水段和两个枯水段;1985年发生跃变,以前呈微弱的上升趋势,以后呈下降趋势。3) 径流量与区域年平均气温呈负相关,而与年降水量呈较显著的正相关,年径流量对降水变化的响应较其对气温变化的响应更为敏感。     

土地利用变化对长江流域气候及水文过程影响的敏感性研究

使用区域气候模式(RegCM3)和大尺度汇流模型(LRM), 研究土地利用/植被覆盖变化对长江流域气候及水文过程的影响。RegCM3嵌套于欧洲数值预报中心 (ECMWF) 再分析资料ERA40, 分别进行了中国区域在实际植被和理想植被分布情况下两个各15年 (1987～2001年) 时间长度的积分试验。随后, RegCM3 两个试验的输出径流结果分别用来驱动LRM, 研究土地利用/植被覆盖变化对长江流域河川径流的影响。研究结果指出, 中国当代土地利用变化对长江流域降水、蒸散发、径流深及河川径流等水文气候要素的改变较大, 对气温的改变并不明显。土地利用变化引起长江干流河川径流量在夏季(6～8月)有所增加, 并且越向下游增加幅度越大, 其中大通站径流量增加接近15%。总体而言, 土地利用改变加剧了长江流域夏季水循环过程, 使得夏季长江中下游地区降水增多, 径流增大。     

基于HBV模型的太子河流域致洪临界雨量的确定

以太子河流域为研究区域,基于流域内的气象水文数据、数字高程模型及土地利用等资料,采用HBV水文模型对流域的水文过程进行模拟,通过对模型参数的率定与验证,评估了HBV模型在该流域径流模拟的适用性,确定了适合太子河流域的最优化参数,结合水位-流量关系曲线,推算太子河流域不同等级洪水致洪临界雨量。结果表明: HBV模型对太子河流域的径流模拟效果较好,率定期与验证期Nash效率系数与确定性系数均超过0.60,模型中积雪和融雪模块(CFR)、土壤含水量计算模块(BETA)与响应模块(KUZ2、UZ1、PERC)中的这些参数最为敏感,模型基本模拟出了洪水对降水的响应过程。通过建立的HBV水文模型,结合小林子水文站的水位-流量关系曲线,以警戒水位、保证水位作为不同等级洪水的判别条件,推算得到了不同起始水位下太子河流域动态临界雨量指标,临界雨量随起始水位的升高而有所减小。     

黄河上游和源区气候、水文的年代际变化及其对华北水资源的影响

利用我国气象观测站1951~2000年降水、气温资料以及黄河上游有关水文测站1960~2003年的径流资料,分析了黄河上游和源区气候的年代际变化及其对径流变化的影响,并分析了黄河上游径流变化对华北水资源的影响。分析结果表明:黄河上游和源区降水从20世纪90年代有所减少,气温明显上升,导致了黄河源区和上游径流量锐减。黄河上游径流的减少是90年代黄河下游流量锐减、黄河断流天数增多的重要原因,并表明了黄河上游来水量的多少是影响华北地区水资源的重要原因。