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東北典型地區積雪特性及其影響 版權信息
- ISBN:9787030712134
- 條形碼:9787030712134 ; 978-7-03-071213-4
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
東北典型地區積雪特性及其影響 本書特色
本書全面系統地介紹了我國第二大積雪穩定區-東北地區近年來積雪調查和研究的主要成果和進展
東北典型地區積雪特性及其影響 內容簡介
本書全面系統地介紹東北典型地區近年來積雪調查和研究的主要成果和進展,詳細閘述了東北地區積雪特性分布、百年長序列東北地區積雪深度和面積的分布與變化特征,以及21世紀東北地區積雪參數的變化趨勢,全面揭示了東北地區降雪參數以及降雪結構的變化規律,剖析了東北地區積雪黑碳、重金屬等污染特性以及來源,重點分析了積雪對春季土壤濕度及植物生長的影響,對黑龍江省積雪災害的風險進行了評估和區劃,尤其是針對松嫩一三江平原兩大農業區的積雪特性以及春季土壤濕度影響進行了研究并取得了突破性的研究成果。 本書主要為優選變化、自然資源、資源環境、災害風險、自然地理、農業氣象、氣候學、冰凍圈科學、區域與可持續發展等領域的科學研究及相關行業技術和業務人員、高等院校的相關專業師生提供參考,也可為各級政府部門工作人員制定開發規劃方案、應對氣候變化方案及決策提供依據。
東北典型地區積雪特性及其影響 目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究目的及意義 1
1.2 國內外研究進展 2
1.2.1 東北積雪分布特征和變化 2
1.2.2 東北地區降雪變化特征 5
1.2.3 積雪污染及其對消融的影響 6
1.2.4 積雪變化對土壤溫濕度及植物生長的影響 7
1.3 研究區概況 9
1.3.1 東北地區 9
1.3.2 黑龍江省 10
1.3.3 松嫩平原和三江平原 11
1.4 研究方法 11
1.4.1 趨勢分析 11
1.4.2 方差分析 12
1.4.3 變異系數 12
1.4.4 Mann-Kendall突變檢驗 12
1.4.5 滑動平均法 13
1.4.6 Kriging插值法 13
1.4.7 皮爾遜相關系數 13
1.4.8 層次分析法 14
1.4.9 信息擴散理論 15
1.4.10 一致性檢驗 16
1.4.11 聚類分析法 16
第2章 東北積雪特性空間分布和變化特征 17
2.1 基于野外調查數據的東北地區積雪特性空間分布和變化特征 19
2.1.1 雪深空間分布特征 19
2.1.2 雪壓空間分布特征 20
2.1.3 雪密度空間分布特征 21
2.1.4 積雪反照率空間分布特征 22
2.1.5 積雪液態含水量空間分布特征 23
2.1.6 雪顆粒形態空間分布特征 24
2.2 基于野外調查數據的松嫩平原和三江平原積雪基本性質差異分布 26
2.2.1 雪深空間分布 26
2.2.2 雪壓空間分布 28
2.2.3 雪密度空間分布 30
2.2.4 積雪反照率空間分布 31
2.2.5 積雪液態含水量空間分布 33
2.2.6 雪顆粒形態空間分布 35
2.3 1841~2015年東北地區積雪深度和面積時空分布及變化特征 35
2.3.1 東北地區積雪深度時空變化特征 35
2.3.2 東北地區積雪面積時空變化特征 49
2.4 東北未來積雪時空演變規律 57
2.4.1 模擬數據驗證及修正 57
2.4.2 東北未來降雪初日時空演變規律 58
2.4.3 東北未來降雪終日時空演變規律 60
2.4.4 東北未來降雪量時空演變規律 62
2.4.5 東北未來降雪日數時空演變規律 64
2.4.6 東北未來降雪強度時空演變規律 66
2.4.7 東北未來不同等級降雪量時空演變規律 69
2.5 本章結論 75
第3章 黑龍江省降雪時空變化特征及機制 77
3.1 黑龍江省降雪時空變化特征 78
3.1.1 降雪初日時空變化特征分析 78
3.1.2 降雪終日時空變化特征分析 79
3.1.3 降雪期時空變化特征分析 81
3.1.4 *大降雪量時空變化特征分析 82
3.1.5 年總降雪量時空變化特征分析 84
3.1.6 降雪日數時空變化特征分析 85
3.1.7 降雪強度時空變化特征分析 86
3.2 黑龍江省降雪結構變化特征分析 88
3.2.1 黑龍江省降雪量結構時空變化特征 88
3.2.2 黑龍江省降雪次數結構時空變化特征 92
3.3 氣候變暖對黑龍江省降雪指標影響 95
3.3.1 1961~2015年黑龍江省氣溫變化特征 95
3.3.2 黑龍江省降雪指標與氣溫變化相關關系 98
3.3.3 黑龍江省降雪內部結構指標與氣溫的相關關系 101
3.4 黑龍江省冬季極端降水成因診斷 103
3.4.1 500hPa大尺度環流形勢變化 103
3.4.2 地面大氣環流形勢的變化 106
3.4.3 冬季黑龍江省雨雪異常水汽通量特征分析 107
3.4.4 海溫外強迫信號的影響 108
3.4.5 冬季極端降水機制分析 111
3.5 本章結論 112
第4章 東北積雪污染特性及其對融化的影響 115
4.1 東北積雪中黑碳含量時空分布及變化特征 115
4.1.1 ART模型模擬積雪中黑碳含量 115
4.1.2 模型驗證 119
4.1.3 東北積雪中黑碳含量的時間變化特征 120
4.1.4 東北積雪中黑碳含量的空間分布特征 121
4.1.5 東北積雪黑碳含量變化空間分布特征 122
4.1.6 東北積雪黑碳含量月變化特征 123
4.1.7 東北各省份積雪黑碳含量變化分析 126
4.1.8 東北積雪黑碳含量分布及變化原因分析 128
4.2 東北地區積雪中重金屬元素含量分布特征及來源分析 130
4.2.1 試驗設計 130
4.2.2 東北積雪中重金屬元素含量分布特征 131
4.2.3 東北各省份積雪中重金屬元素含量分布特征 132
4.2.4 東北地區主要城市積雪中重金屬元素分布特征 136
4.2.5 東北積雪中各重金屬元素來源分析 137
4.3 東北地區積雪中汞元素的分布特征分析 140
4.3.1 東北積雪中汞的空間分布 140
4.3.2 東北積雪中汞的潛在來源分析 145
4.4 東北地區典型城市積雪污染及其對消融的影響 147
4.4.1 試驗設計 147
4.4.2 哈爾濱市積雪中BC和MD的濃度分布及其影響 150
4.4.3 哈爾濱市不同功能區積雪中BC和MD的濃度分布及其影響 154
4.5 基于試驗的吸光性顆粒物對積雪融化時間的影響 156
4.5.1 試驗設計 156
4.5.2 不同吸光性顆粒物對積雪融化時間的影響 162
4.5.3 不同粒徑的黑碳顆粒物對積雪融化時間的影響 166
4.5.4 黑碳與溫度對積雪融化時間的影響 167
4.6 本章結論 168
第5章 積雪對黑龍江省土壤濕度及溫度的影響 170
5.1 1983~2019年黑龍江省春季土壤濕度時序變化特征 170
5.1.1 各層土壤濕度時序變化特征 170
5.1.2 各月土壤濕度時序變化特征 171
5.2 1983~2019年黑龍江省春季土壤濕度空間分布及變化 172
5.2.1 各層土壤濕度空間分布及變化特征 172
5.2.2 各月土壤濕度空間分布及變化特征 174
5.3 黑龍江省春季土壤濕度變化機制分析 176
5.4 松嫩-三江平原春季土壤濕度時空變化特征 178
5.4.1 松嫩-三江平原兩大農業區土壤濕度時序變化特征 178
5.4.2 松嫩-三江平原土壤濕度空間分布及變化特征 185
5.5 松嫩-三江平原春季土壤濕度影響因素分析 188
5.5.1 松嫩-三江平原春季土壤濕度與氣象因素相關關系分析 188
5.5.2 松嫩-三江平原春季土壤濕度影響因素差異分析 191
5.6 積雪對土壤溫度的影響分析 192
5.6.1 試驗設計 192
5.6.2 不同深度積雪對地表溫度的影響分析 194
5.6.3 不同深度積雪對深層土壤溫度的影響分析 199
5.7 本章結論 204
參考文獻 206
東北典型地區積雪特性及其影響 節選
第1章緒論 1.1研究目的及意義 積雪是寒冷地區得天獨厚的氣候資源。2016年3月7日,習近平總書記參加十二屆全國人大四次會議黑龍江代表團審議時指出“綠水青山是金山銀山,黑龍江的冰天雪地也是金山銀山”;2016年5月,習近平總書記在黑龍江考察時再次強調以推動綠色發展為抓手,推進生態文明建設;綠水青山是金山銀山,黑龍江的冰天雪地也是金山銀山。2018年9月25~28日,習近平總書記在東北三省考察并主持召開深入推進東北振興座談會時又一次強調,要貫徹綠水青山就是金山銀山,冰天雪地也是金山銀山的理念。“冰天雪地也是金山銀山”的核心和關鍵詞是冰雪資源,因此,科學規劃和開發寒地冰雪資源,充分發揮東北地區冰雪資源優勢,是落實習近平總書記講話精神、助推東北地區冰雪經濟發展、振興東北老工業基地經濟的重要舉措。而掌握東北地區冰雪資源時空格局及變化特征,是實現這一重大目標的先決基礎和前提。 積雪是冰凍圈中*為活躍的組成部分(李培基,1999;張廷軍,2019),在高緯度環境中,積雪在幾天內以融水形式釋放,形成地表環境中*重要的獨立水事件(Jones et al.,2003),是春季土壤水分的重要補充(車濤和李新,2005);積雪增大地表反照率,構成了特殊的地表覆被類型,且融雪使土壤成為“濕土壤”,這種“濕土壤”使得積雪信號長期保留,與大氣進行長時間相互作用,從而影響區域乃至全球的氣候變化(秦大河等,2014)。融雪時間和特性的變化也會影響生物圈系統(Jones et al.,2003),在一些區域成為生態系統變化的主要原因(史培軍等,2006)。可見,融雪已成為一年中*重要的環境擾動因子或刺激源(Jones et al.,2003)。特別是在氣候變暖的背景下,近30年全球年平均積雪面積已經減少了10%(符淙斌等,2010),北半球冬季雪水當量的總體變化呈下降趨勢(Liu and Li,2013),北半球春季融雪時間每10a提前5~6d(Dye,2002)。因此,積雪儲量的下降和積雪提前快速消失,以及它所導致的春季增溫和土壤干旱化引起了廣泛的注意,已經成為影響春季土壤干旱程度和持續時間的重要因素(李培基,1999;左志燕和張人禾,2008)。 東北地區是我國第二大穩定積雪區,且是穩定積雪區范圍與平均積雪深度*大的地區,積雪期從南到北長達30~190d(施雅風,2001),年累積積雪深度*大可達498cm(陳光宇和李棟梁,2011),其以積雪年均儲量大和年際變率*明顯而區別于其他積雪區(車濤和李新,2005)。積雪為東北地區重要的淡水資源,在春季融雪期,為土壤蓄水和農業灌溉提供用水量(劉俊峰等,2012)。東北地區又是我國重要的糧食生產基地,耕地面積約占全國耕地面積的22.9%,商品糧占全國總量的1/5左右(吳海燕等,2014),東北地區在國家糧食安全體系中具有重要的戰略地位(錢正英等,2007)。然而,土壤水分一直是東北地區農業生產的限制因子(錢正英等,2007),也是影響春季播種的關鍵指標(李雨鴻等,2015)。東北地區春旱發生頻率平均為30%~50%。近年來,松嫩平原春旱發生頻率加快,連旱不斷發生,春旱已經進入嚴重干旱狀態;春旱的范圍不斷擴大,從松嫩平原西部擴大至中東部,甚至以澇為主的東部三江平原在2000年、2001年、2003年、2009年、2011年春季頻繁受到干旱的侵襲(王萍等,2006;王晨軼等,2012);而且春旱持續時間加長。東北主要農業區春季土壤呈現出干旱化的趨勢,已成為影響松嫩平原和三江平原糧食產量的重要原因之一(李廷全等,2006;王晨軼等,2012)。以齊齊哈爾市為例,其春旱頻率高達86.9%,春旱所造成的經濟損失平均為5.1億元/a(王晨軼等,2012)。2011年冬季降雪量為黑龍江省近50年來*低值,多數縣市無積雪覆蓋,2012年春季全省隨之遭遇了近幾十年來*嚴重的春旱。然而,截至目前,關于東北春季土壤干旱致因的研究成果還很少,已有研究集中在降水、大風等氣象條件對東北春季土壤干旱的影響(魏鳳英和張婷,2009;趙秀蘭,2010;盧洪健等,2015;王萍等,2006),卻忽視了積雪變化所起的作用。 我們注意到,近百年東北增溫1.43℃,遠大于全球和全國的增溫率,冬季變暖比其他季節更明顯(丁一匯和戴曉蘇,1994;張晶晶等,2006)。在氣候變暖背景下,東北地區成為積雪面積減少*顯著的區域(Qin et al.,2006;張海軍,2010;孫秀忠等,2010a)。積雪減少,減少了對春季土壤的水資源供給量,增加了春旱概率;氣溫升高使積雪提前融化,融化的雪水提早流失,使作物播種期錯失了雪水補給,不僅影響農作物正常播種,也影響作物出苗、生長,*終影響作物產量和品質差異(郭玲鵬等,2012),從而影響國家糧食安全戰略。盡管較多學者對東北積雪及土壤濕度進行了深入研究(李棟梁等,2009;Ma and Qin,2012;趙春雨等,2010;劉俊峰等,2012),但很少從積雪作為春季土壤水資源的視角研究東北積雪變化對春季土壤干旱化的影響。而這意味著,對“瑞雪兆豐年”在我國年積雪儲量*大的東北地區的機理還缺乏足夠認識。 綜上所述,冰凍圈變化對區域環境的影響是國際冰凍圈科學研究的前沿方向,其影響過程及效應是其關鍵科學問題。松嫩-三江平原是氣候變暖的敏感區,也是生態脆弱區,同時又是國家重要的商品糧基地。在全球氣候變化背景下,研究積雪變化對東北松嫩-三江平原春季土壤干旱化影響,將有助于認識積雪變化對區域生態環境影響的規律,推進對冰凍圈變化的影響及動力機制的認識,提升應對冰凍圈變化的能力,同時本書按照習近平總書記“黑龍江的冰天雪地也是金山銀山”的指示,全面、系統地研究東北地區積雪資源的分布和變化,為振興東北老工業基地經濟提供科學定量的基礎數據,從保障國家糧食生產安全角度,凸顯其戰略意義和現實意義。同時,本書為冰凍圈科學、氣候變化研究、水資源評估、積雪災害監測和預警提供基礎數據和科學支撐。 1.2 國內外研究進展 1.2.1 東北積雪分布特征和變化 國際上積雪監測始于19世紀,俄羅斯、加拿大、美國及歐洲國家和地區利用測雪尺記錄積雪厚度,目前已經積累了100多年的歷史數據,觀測點密度不斷增大,觀測參數也從開始的雪深擴展到雪水當量、密度、硬度、類型等其他物理參數(Cayan,1996;Lundberg and Koivusalo,2003)。中國積雪大范圍觀測研究始于20世紀50年代的氣象觀測系統,中國氣象局在全國765個氣象基準站實施了雪深觀測(馬麗娟和秦大河,2012;王澄海等,2009),部分站點也觀測雪壓(僅省級氣象主管機構指定氣象觀測站開展測量),此后近2400個氣象觀測站陸續啟動雪深雪壓觀測業務,至1979年形成統一的地面氣象觀測規范(中國氣象局,2003)。此外,中國科學院建立多個野外臺站,包括天山冰川研究站、玉龍雪山研究站、黑河遙感站、凈月潭遙感站等,也開始了積雪特性的相關觀測,這些持續觀測的站點數據為長時間的氣候變化和水文、水資源研究提供了寶貴的數據。但是,僅僅依靠人工觀測和站點自動化定點觀測獲得的有限積雪參數不能滿足水文、氣候、生態的定量研究,而且站點觀測范圍有限,不能全面反映我國積雪的整體空間分布特征(Cline et al.,1998;Dozier and Painter,2004)。因此,國內外針對相關科研領域的積雪參數需求,開展了大量的積雪綜合觀測試驗。其中,規模*大的為2002年美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)開展的寒區陸面過程試驗(cold land processes experiment,CLPX),該試驗根據不同的尺度觀測了雪深、雪密度、雪粒徑及形狀、雪層結構、雪表面粗糙度,這是首次大規模的積雪遙感同步觀測試驗(Cline et al.,2002a,2002b)。我國分別于2007~2009年、2012~2015年開展了黑河綜合遙感聯合試驗和黑河生態水文遙感試驗,這是我國首次開展的地面-航空積雪參數遙感同步觀測試驗,通過該試驗獲取了黑河上游的積雪數據集,對理解積雪對流域生態和水文過程的影響研究提供了強有力的數據支持(李新等,2012;王建等,2009)。2017年科技部啟動了國家科技基礎資源調查專項“中國積雪特性及分布調查”。“中國積雪特性及分布調查”的總體目標是制定中國積雪野外測量規范,開展積雪特性地面與遙感調查,獲取1980年以來中國區域積雪空間分布及其變化數據集,編制新的中國積雪類型圖和系列專題圖集,建立積雪特性綜合數據庫并實現共享,滿足氣候變化研究、水資源評估和防災減災的基礎數據需求。“中國積雪特性及分布調查”項目在東北共有三條調查路線,分別為錫林郭勒—大興安嶺—漠河環線、環長白山線路和環小興安嶺線路(車濤,2020)。 衛星遙感技術可以提供大范圍的積雪信息面上監測。自1966年以來,美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)持續提供基于NOAA/AVHRR(地球觀測系統高級微波掃描輻射計,advanced very high resolution radiometer)的北半球每周積雪覆蓋產品,其空間分辨率較低,約為190km(Ramsay,2000)。1995年至今,美國國家雪冰數據中心(National Snow and Ice Data Center,NSIDC)向全球發布每日近實時雪冰范圍產品。該產品主要采用被動微波數據(special sensor microwave imager,SSM/I)生成,空間分辨率為25km×25km。2000年以來,利用積雪制圖算法(SNOWMAP)等生成的中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)積雪產品因具有較高的時空分辨率而得到廣泛應用。近年來,我國的衛星數據在積雪面積制圖中也得到廣泛應用。例如,中國氣象局制作了1996~2010年中國FY-1/MVISR (多通道可見光紅外掃描輻射儀)積雪面積逐旬產品,空間分辨率為5km×5km。2008年至今,采用FY-3MERSI (中分辨率光譜成像儀)和VIRR(可見光紅外掃描輻射計)積雪產品融合生成全球MULSS日/旬/月積雪面積業務化產品,空間分辨率為1km×1km。雪水當量遙感產品*早可追溯至1978年,NSIDC利用掃描多通道微波輻射計(scanning multichannel microwave radiometer,SMMR)微波亮溫數據生產了全球0.5°×0.5°空間分辨率的逐月雪深產品。1987年8月起,性能更好的SSM/I和之后的SSMI/S替代了SMMR,用于生產半球和全球尺度的雪深產品。Aqua衛星上搭載的微波掃描輻射計(advanced microwave scanning radiometer-EOS,AMSR-E)于2002年開始使用,2011年停止運行,并由全球變化觀測任務衛星(GCOM)搭載的AMSR-E傳感器代替。NSIDC和日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)分別利用AMSR-E和AMSR-2的微波亮溫數據生產制作了全球范圍不同時間分辨率的雪水當量產品,空間分辨率為10~25km,較早期SMMR雪深產品精度有所提高。歐洲空間局(European Space Agency,ESA)利用SMMR、SSM/I和SSMI/S生產了全球1979年以來25km×25km分辨率的雪水當量產品。我國雪水當量/雪深產品主要包括利用FY-3生產的逐日雪水當量產品(Jiang et al.,2014)以及利用SMMR、SSM/I和SSMI/S生產的長序列逐日雪深產品(Che et al.,2008;Schaaf et al.,20
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