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黃河源區(qū)陸面過程觀測與模擬 版權信息
- ISBN：9787030712141
- 條形碼：9787030712141 ; 978-7-03-071214-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
黃河源區(qū)陸面過程觀測與模擬 本書特色
國家自然科學基金重點項目\"黃河源不同下墊面水熱循環(huán)及其對區(qū)域氣候影響的研究\"成果
黃河源區(qū)陸面過程觀測與模擬 內(nèi)容簡介
本書詳細介紹黃河源區(qū)陸面過程與氣候環(huán)境綜合觀測網(wǎng)絡以及相關研究成果。首先，利用觀測資料分析黃河源區(qū)積雪、凍土、湖泊、草地等典型下墊面的水熱交換和邊界層物理過程；再在此基礎上改進了陸面過程模式中有關黃河源區(qū)土壤質地（礫石、有機質等）、土壤凍融、積雪和湖泊等參數(shù)化方案和陸面過程模擬，*終揭示了黃河源區(qū)陸氣相互作用特征、影響和機理。 本書可作為大氣科學研究生課程的參考書，也可為氣象學、自然地理學或其他領域相關的科學研究和教學提供參考。
黃河源區(qū)陸面過程觀測與模擬 目錄
目錄
前言
第1章 黃河源區(qū)氣候變化特征 1
1.1 黃河源區(qū)基本概況 1
1.2 黃河源區(qū)氣候與環(huán)境特征 2
1.2.1 氣候特征 2
1.2.2 蒸散發(fā) 3
1.2.3 凍土 5
1.2.4 積雪與冰川 6
1.3 生態(tài)保護和高質量發(fā)展 7
1.4 小結 9
參考文獻 9
第2章 黃河源區(qū)陸面過程觀測試驗與模式介紹 12
2.1 黃河源區(qū)不同下墊面觀測網(wǎng)絡介紹 12
2.2 模式介紹 15
2.2.1 公共陸面模式CoLM 15
2.2.2 通用陸面過程模式CLM 18
2.2.3 中尺度區(qū)域天氣模式WRF 21
參考文獻 24
第3章 湍流資料處理與分析 26
3.1 渦動相關通量資料處理與質量控制 26
3.1.1 通量的計算 26
3.1.2 渦動相關法通量資料處理與質量控制 26
3.1.3 小結 42
3.2 湍流資料的質量評價及通量方差法的應用 43
3.2.1 譜相似性 44
3.2.2 湍流能譜 46
3.2.3 湍流協(xié)譜 47
3.2.4 湍流譜局地各向同性 48
3.2.5 方差相似性 49
3.2.6 通量方差法對湍流通量的估算 51
3.2.7 垂直速度與標量的相關系數(shù) 53
3.2.8 通量方差法對感熱通量的估算 54
3.2.9 通量方差法對潛熱通量的估算 55
3.2.10 通量方差法對二氧化碳通量的估算 58
3.2.11 小結 60
3.3 湍流統(tǒng)計特征及其參數(shù) 61
3.3.1 湍流統(tǒng)計特征 61
3.3.2 零平面位移與動力學粗糙度 66
3.3.3 地表通量的“印痕”分析 68
3.3.4 小結 70
3.4 地表氣象要素季節(jié)變化特征 70
3.4.1 氣象要素的季節(jié)變化 71
3.4.2 輻射收支的季節(jié)變化 73
3.5 地表能量水分輸送特征 74
3.5.1 輻射平衡及地表反照率 75
3.5.2 土壤水熱特征 77
3.5.3 能量平衡季節(jié)變化特征 80
3.5.4 土壤水熱特征參數(shù)確定 83
3.5.5 小結 85
3.6 地表能量通量的數(shù)值模擬 86
3.6.1 瑪曲地表能量通量的數(shù)值模擬 86
3.6.2 地表參數(shù)在CoLM中的應用 91
3.6.3 小結 95
參考文獻 95
第4章 黃河源區(qū)凍土凍融過程地表水熱及能量平衡觀測及模擬研究 102
4.1 黃河源區(qū)凍融期地表水熱及能量平衡觀測研究 102
4.1.1 黃河源區(qū)凍融期的地表水熱特征 102
4.1.2 黃河源區(qū)季節(jié)性凍土凍融過程及地表能量收支 110
4.2 CLM對黃河源區(qū)凍融期地表水熱及能量平衡模擬檢驗與對比 121
4.2.1 模式凍融參數(shù)化方案簡介及資料說明 123
4.2.2 土壤凍融時間的模擬 123
4.2.3 土壤含水量、含冰量的模擬 124
4.2.4 土壤溫度的模擬 126
4.2.5 積雪覆蓋率與雪深模擬結果分析 128
4.2.6 誤差分析 129
4.2.7 小結 130
4.3 黃河源區(qū)瑪曲草地站點凍融期土壤溫濕度的模擬與改進 131
4.3.1 實驗設計 131
4.3.2 土壤含水量、含冰量的模擬 133
4.3.3 土壤溫度的模擬 134
4.3.4 模擬誤差分析 136
4.3.5 小結 137
4.4 黃河源區(qū)土壤凍融對陸面過程的影響模擬研究 137
4.4.1 實驗設計 137
4.4.2 凍融過程對土壤含水量和土壤溫度的影響模擬 138
4.4.3 凍融過程對地表能量的影響模擬 138
4.4.4 小結 140
4.5 CLM土壤水屬性參數(shù)化方案在黃河源區(qū)凍融期模擬能力檢驗 140
4.5.1 CLM模式土壤水屬性參數(shù)化方案 141
4.5.2 實驗設計及模式設置 142
4.5.3 土壤液態(tài)水含量模擬 143
4.5.4 土壤溫度模擬 145
4.5.5 各凍融階段土壤溫度模擬 148
4.5.6 地表能量通量模擬 151
4.5.7 小結 153
4.6 基于青藏高原土壤水熱模擬的參數(shù)化方案改進及驗證 154
4.6.1 土壤有機質及導熱率參數(shù)化方案改進及驗證 154
4.6.2 凍融時間模擬 157
4.6.3 土壤溫度及導熱率模擬 158
4.6.4 土壤液態(tài)水含量模擬 162
4.6.5 地表能量通量模擬 165
4.6.6 小結 167
參考文獻 168
第5章 黃河源區(qū)積雪對土壤凍融過程的影響 171
5.1 資料及模式介紹 171
5.1.1 觀測資料介紹 171
5.1.2 MODIS積雪產(chǎn)品介紹 173
5.1.3 CLM模式強迫資料介紹 174
5.2 黃河源區(qū)積雪對土壤不同凍融階段溫濕變化的影響 176
5.2.1 土壤凍融階段劃分及有無雪的判斷 176
5.2.2 整個土壤凍融期土壤溫濕度變化規(guī)律分析 177
5.2.3 積雪對土壤不同凍融階段溫濕度變化的影響 178
5.2.4 晴天無雪和晴天有雪土壤日溫差比較 185
5.2.5 土壤凍融期和主要降雪期土壤溫濕變化對比 186
5.2.6 小結 187
5.3 黃河源區(qū)多雪年和少雪年土壤凍融過程及水熱分布對比研究 188
5.3.1 多雪年和少雪年的選取 188
5.3.2 多雪年和少雪年積雪分布 189
5.3.3 多雪年和少雪年氣溫和地表溫度對比 190
5.3.4 多雪年和少雪年土壤凍融時間對比 191
5.3.5 多雪年和少雪年地表土壤熱通量變化對比 192
5.3.6 多雪年和少雪年土壤水熱分布對比 193
5.3.7 小結 195
5.4 黃河源區(qū)不同積雪覆蓋條件下土壤凍融過程模擬 195
5.4.1 模擬性能檢驗 195
5.4.2 敏感性實驗 200
5.4.3 小結 204
參考文獻 205
第6章 黃河源區(qū)積雪反照率遙感和模式產(chǎn)品評估與積雪參數(shù)化方案發(fā)展 207
6.1 引言 207
6.2 研究數(shù)據(jù)和方法 208
6.2.1 研究數(shù)據(jù) 208
6.2.2 研究方法 211
6.3 GLASS、MODIS和GlobAlbedo地表反照率產(chǎn)品精度評估 212
6.3.1 數(shù)據(jù)處理 212
6.3.2 結果分析 212
6.3.3 特殊天氣條件下的地表反照率 220
6.4 CMIP5模式模擬的地表反照率評估 223
6.4.1 數(shù)據(jù)處理 223
6.4.2 結果分析 223
6.5 Noah-MP的積雪反照率參數(shù)化方案改進 234
6.5.1 模式簡介及單點模擬驗證 234
6.5.2 積雪反照率參數(shù)化方案改進 236
6.5.3 積雪反照率參數(shù)化方案改進后的模擬 241
6.6 小結與討論 247
參考文獻 249
第7章 基于野外觀測和MODIS產(chǎn)品的青藏高原湖泊冰面反照率研究 254
7.1 研究區(qū)域、野外觀測和數(shù)據(jù) 255
7.1.1 研究區(qū)域和野外觀測 255
7.1.2 數(shù)據(jù) 256
7.1.3 湖冰反照率參數(shù)化 257
7.1.4 LAKE2.0和FLake模型 258
7.2 結果分析 258
7.2.1 反照率的日循環(huán) 258
7.2.2 移動反照率觀測 259
7.2.3 MODIS反照率產(chǎn)品評估 261
7.2.4 反照率參數(shù)化方案評估 262
7.2.5 青藏高原典型湖泊冰面反照率 264
7.2.6 冰反照率對湖泊模擬的影響 268
7.3 討論 271
7.3.1 觀測尺度的影響 271
7.3.2 MODIS產(chǎn)品的不確定性 272
7.4 小結 273
參考文獻 274
第8章 黃河源區(qū)陸面過程模式土壤礫石參數(shù)化研究 278
8.1 礫石對土壤水力屬性的影響 279
8.1.1 礫石對土壤孔隙度的影響 279
8.1.2 礫石對土壤礦物質飽和導水率的影響 279
8.1.3 礫石對土壤水勢的影響 280
8.1.4 礫石對土壤容重的影響 280
8.1.5 不同礫石含量對土壤水特性的影響 280
8.2 礫石對土壤熱屬性的影響 281
8.2.1 礫石對土壤導熱率的影響 281
8.2.2 礫石對土壤熱容量的影響 282
8.2.3 不同礫石含量對土壤熱特性的影響 282
8.3 新方案敏感性實驗 283
8.4 站點觀測數(shù)據(jù)介紹 284
8.5 新方案在那曲站的數(shù)值模擬檢驗 287
8.5.1 土壤含水量模擬與觀測對比 287
8.5.2 土壤溫度模擬與觀測對比 290
8.6 新方案在瑪多草地站點的數(shù)值模擬檢驗 293
8.6.1 瑪多草地站點土壤含水量模擬與觀測對比 293
8.6.2 瑪多草地站點土壤溫度模擬與觀測對比 295
8.7 小結 297
參考文獻 297
第9章 黃河源區(qū)陸面過程湖泊模式參數(shù)化研究 300
9.1 黃河源區(qū)鄂陵湖加強觀測實驗概述 301
9.2 黃河源區(qū)湖泊表面水熱交換特征研究 303
9.2.1 觀測數(shù)據(jù)的質量控制 303
9.2.2 非結冰期湖面的輻射與能量平衡特征 306
9.2.3 典型天氣事件對湖面能量收支的影響 311
9.2.4 凍結期冰面輻射與能量平衡特征 313
9.2.5 湖泊與陸地表面水熱交換特征的對比 313
9.3 黃河源區(qū)非均勻下墊面大氣邊界層過程研究 319
9.3.1 非凍結期湖面近地層不穩(wěn)定層結的成因 320
9.3.2 湖泊與陸地大氣邊界層結構演變的差異 325
9.3.3 鄂陵湖地區(qū)大氣邊界層的模擬 331
9.4 湖泊氣候效應研究 333
9.4.1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)與方法 334
9.4.2 模式結果驗證評估 336
9.4.3 湖泊對區(qū)域氣候的影響 337
9.4.4 湖泊對降水的影響 338
9.4.5 討論與結論 341
9.5 黃河源區(qū)湖泊模式參數(shù)化改進研究 342
9.5.1 模式參數(shù)化所需數(shù)據(jù)的質量控制 342
9.5.2 輸送系數(shù)與粗糙度長度的計算方法 343
9.5.3 湖面粗糙度參數(shù)化方案介紹 345
9.5.4 鄂陵湖粗糙度與輸送系數(shù)分布特征 346
9.5.5 湖面粗糙度與輸送系數(shù)隨風速的變化特征 348
9.5.6 現(xiàn)有湖泊模型中粗糙度參數(shù)化方案評估 353
9.5.7 新參數(shù)化方案的建立與驗證 358
參考文獻 363
第10章 三江源國家公園氣候環(huán)境與生態(tài)評估 371
10.1 三江源國家公園基本概況 371
10.2 生態(tài)演變特征 372
10.2.1 草地 372
10.2.2 牧草生長狀況 373
10.2.3 草地固碳能力 375
10.2.4 湖泊 377
10.2.5 河流 377
10.2.6 積雪 378
10.3 生態(tài)安全事件 379
10.3.1 荒
前言
第1章 黃河源區(qū)氣候變化特征 1
1.1 黃河源區(qū)基本概況 1
1.2 黃河源區(qū)氣候與環(huán)境特征 2
1.2.1 氣候特征 2
1.2.2 蒸散發(fā) 3
1.2.3 凍土 5
1.2.4 積雪與冰川 6
1.3 生態(tài)保護和高質量發(fā)展 7
1.4 小結 9
參考文獻 9
第2章 黃河源區(qū)陸面過程觀測試驗與模式介紹 12
2.1 黃河源區(qū)不同下墊面觀測網(wǎng)絡介紹 12
2.2 模式介紹 15
2.2.1 公共陸面模式CoLM 15
2.2.2 通用陸面過程模式CLM 18
2.2.3 中尺度區(qū)域天氣模式WRF 21
參考文獻 24
第3章 湍流資料處理與分析 26
3.1 渦動相關通量資料處理與質量控制 26
3.1.1 通量的計算 26
3.1.2 渦動相關法通量資料處理與質量控制 26
3.1.3 小結 42
3.2 湍流資料的質量評價及通量方差法的應用 43
3.2.1 譜相似性 44
3.2.2 湍流能譜 46
3.2.3 湍流協(xié)譜 47
3.2.4 湍流譜局地各向同性 48
3.2.5 方差相似性 49
3.2.6 通量方差法對湍流通量的估算 51
3.2.7 垂直速度與標量的相關系數(shù) 53
3.2.8 通量方差法對感熱通量的估算 54
3.2.9 通量方差法對潛熱通量的估算 55
3.2.10 通量方差法對二氧化碳通量的估算 58
3.2.11 小結 60
3.3 湍流統(tǒng)計特征及其參數(shù) 61
3.3.1 湍流統(tǒng)計特征 61
3.3.2 零平面位移與動力學粗糙度 66
3.3.3 地表通量的“印痕”分析 68
3.3.4 小結 70
3.4 地表氣象要素季節(jié)變化特征 70
3.4.1 氣象要素的季節(jié)變化 71
3.4.2 輻射收支的季節(jié)變化 73
3.5 地表能量水分輸送特征 74
3.5.1 輻射平衡及地表反照率 75
3.5.2 土壤水熱特征 77
3.5.3 能量平衡季節(jié)變化特征 80
3.5.4 土壤水熱特征參數(shù)確定 83
3.5.5 小結 85
3.6 地表能量通量的數(shù)值模擬 86
3.6.1 瑪曲地表能量通量的數(shù)值模擬 86
3.6.2 地表參數(shù)在CoLM中的應用 91
3.6.3 小結 95
參考文獻 95
第4章 黃河源區(qū)凍土凍融過程地表水熱及能量平衡觀測及模擬研究 102
4.1 黃河源區(qū)凍融期地表水熱及能量平衡觀測研究 102
4.1.1 黃河源區(qū)凍融期的地表水熱特征 102
4.1.2 黃河源區(qū)季節(jié)性凍土凍融過程及地表能量收支 110
4.2 CLM對黃河源區(qū)凍融期地表水熱及能量平衡模擬檢驗與對比 121
4.2.1 模式凍融參數(shù)化方案簡介及資料說明 123
4.2.2 土壤凍融時間的模擬 123
4.2.3 土壤含水量、含冰量的模擬 124
4.2.4 土壤溫度的模擬 126
4.2.5 積雪覆蓋率與雪深模擬結果分析 128
4.2.6 誤差分析 129
4.2.7 小結 130
4.3 黃河源區(qū)瑪曲草地站點凍融期土壤溫濕度的模擬與改進 131
4.3.1 實驗設計 131
4.3.2 土壤含水量、含冰量的模擬 133
4.3.3 土壤溫度的模擬 134
4.3.4 模擬誤差分析 136
4.3.5 小結 137
4.4 黃河源區(qū)土壤凍融對陸面過程的影響模擬研究 137
4.4.1 實驗設計 137
4.4.2 凍融過程對土壤含水量和土壤溫度的影響模擬 138
4.4.3 凍融過程對地表能量的影響模擬 138
4.4.4 小結 140
4.5 CLM土壤水屬性參數(shù)化方案在黃河源區(qū)凍融期模擬能力檢驗 140
4.5.1 CLM模式土壤水屬性參數(shù)化方案 141
4.5.2 實驗設計及模式設置 142
4.5.3 土壤液態(tài)水含量模擬 143
4.5.4 土壤溫度模擬 145
4.5.5 各凍融階段土壤溫度模擬 148
4.5.6 地表能量通量模擬 151
4.5.7 小結 153
4.6 基于青藏高原土壤水熱模擬的參數(shù)化方案改進及驗證 154
4.6.1 土壤有機質及導熱率參數(shù)化方案改進及驗證 154
4.6.2 凍融時間模擬 157
4.6.3 土壤溫度及導熱率模擬 158
4.6.4 土壤液態(tài)水含量模擬 162
4.6.5 地表能量通量模擬 165
4.6.6 小結 167
參考文獻 168
第5章 黃河源區(qū)積雪對土壤凍融過程的影響 171
5.1 資料及模式介紹 171
5.1.1 觀測資料介紹 171
5.1.2 MODIS積雪產(chǎn)品介紹 173
5.1.3 CLM模式強迫資料介紹 174
5.2 黃河源區(qū)積雪對土壤不同凍融階段溫濕變化的影響 176
5.2.1 土壤凍融階段劃分及有無雪的判斷 176
5.2.2 整個土壤凍融期土壤溫濕度變化規(guī)律分析 177
5.2.3 積雪對土壤不同凍融階段溫濕度變化的影響 178
5.2.4 晴天無雪和晴天有雪土壤日溫差比較 185
5.2.5 土壤凍融期和主要降雪期土壤溫濕變化對比 186
5.2.6 小結 187
5.3 黃河源區(qū)多雪年和少雪年土壤凍融過程及水熱分布對比研究 188
5.3.1 多雪年和少雪年的選取 188
5.3.2 多雪年和少雪年積雪分布 189
5.3.3 多雪年和少雪年氣溫和地表溫度對比 190
5.3.4 多雪年和少雪年土壤凍融時間對比 191
5.3.5 多雪年和少雪年地表土壤熱通量變化對比 192
5.3.6 多雪年和少雪年土壤水熱分布對比 193
5.3.7 小結 195
5.4 黃河源區(qū)不同積雪覆蓋條件下土壤凍融過程模擬 195
5.4.1 模擬性能檢驗 195
5.4.2 敏感性實驗 200
5.4.3 小結 204
參考文獻 205
第6章 黃河源區(qū)積雪反照率遙感和模式產(chǎn)品評估與積雪參數(shù)化方案發(fā)展 207
6.1 引言 207
6.2 研究數(shù)據(jù)和方法 208
6.2.1 研究數(shù)據(jù) 208
6.2.2 研究方法 211
6.3 GLASS、MODIS和GlobAlbedo地表反照率產(chǎn)品精度評估 212
6.3.1 數(shù)據(jù)處理 212
6.3.2 結果分析 212
6.3.3 特殊天氣條件下的地表反照率 220
6.4 CMIP5模式模擬的地表反照率評估 223
6.4.1 數(shù)據(jù)處理 223
6.4.2 結果分析 223
6.5 Noah-MP的積雪反照率參數(shù)化方案改進 234
6.5.1 模式簡介及單點模擬驗證 234
6.5.2 積雪反照率參數(shù)化方案改進 236
6.5.3 積雪反照率參數(shù)化方案改進后的模擬 241
6.6 小結與討論 247
參考文獻 249
第7章 基于野外觀測和MODIS產(chǎn)品的青藏高原湖泊冰面反照率研究 254
7.1 研究區(qū)域、野外觀測和數(shù)據(jù) 255
7.1.1 研究區(qū)域和野外觀測 255
7.1.2 數(shù)據(jù) 256
7.1.3 湖冰反照率參數(shù)化 257
7.1.4 LAKE2.0和FLake模型 258
7.2 結果分析 258
7.2.1 反照率的日循環(huán) 258
7.2.2 移動反照率觀測 259
7.2.3 MODIS反照率產(chǎn)品評估 261
7.2.4 反照率參數(shù)化方案評估 262
7.2.5 青藏高原典型湖泊冰面反照率 264
7.2.6 冰反照率對湖泊模擬的影響 268
7.3 討論 271
7.3.1 觀測尺度的影響 271
7.3.2 MODIS產(chǎn)品的不確定性 272
7.4 小結 273
參考文獻 274
第8章 黃河源區(qū)陸面過程模式土壤礫石參數(shù)化研究 278
8.1 礫石對土壤水力屬性的影響 279
8.1.1 礫石對土壤孔隙度的影響 279
8.1.2 礫石對土壤礦物質飽和導水率的影響 279
8.1.3 礫石對土壤水勢的影響 280
8.1.4 礫石對土壤容重的影響 280
8.1.5 不同礫石含量對土壤水特性的影響 280
8.2 礫石對土壤熱屬性的影響 281
8.2.1 礫石對土壤導熱率的影響 281
8.2.2 礫石對土壤熱容量的影響 282
8.2.3 不同礫石含量對土壤熱特性的影響 282
8.3 新方案敏感性實驗 283
8.4 站點觀測數(shù)據(jù)介紹 284
8.5 新方案在那曲站的數(shù)值模擬檢驗 287
8.5.1 土壤含水量模擬與觀測對比 287
8.5.2 土壤溫度模擬與觀測對比 290
8.6 新方案在瑪多草地站點的數(shù)值模擬檢驗 293
8.6.1 瑪多草地站點土壤含水量模擬與觀測對比 293
8.6.2 瑪多草地站點土壤溫度模擬與觀測對比 295
8.7 小結 297
參考文獻 297
第9章 黃河源區(qū)陸面過程湖泊模式參數(shù)化研究 300
9.1 黃河源區(qū)鄂陵湖加強觀測實驗概述 301
9.2 黃河源區(qū)湖泊表面水熱交換特征研究 303
9.2.1 觀測數(shù)據(jù)的質量控制 303
9.2.2 非結冰期湖面的輻射與能量平衡特征 306
9.2.3 典型天氣事件對湖面能量收支的影響 311
9.2.4 凍結期冰面輻射與能量平衡特征 313
9.2.5 湖泊與陸地表面水熱交換特征的對比 313
9.3 黃河源區(qū)非均勻下墊面大氣邊界層過程研究 319
9.3.1 非凍結期湖面近地層不穩(wěn)定層結的成因 320
9.3.2 湖泊與陸地大氣邊界層結構演變的差異 325
9.3.3 鄂陵湖地區(qū)大氣邊界層的模擬 331
9.4 湖泊氣候效應研究 333
9.4.1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)與方法 334
9.4.2 模式結果驗證評估 336
9.4.3 湖泊對區(qū)域氣候的影響 337
9.4.4 湖泊對降水的影響 338
9.4.5 討論與結論 341
9.5 黃河源區(qū)湖泊模式參數(shù)化改進研究 342
9.5.1 模式參數(shù)化所需數(shù)據(jù)的質量控制 342
9.5.2 輸送系數(shù)與粗糙度長度的計算方法 343
9.5.3 湖面粗糙度參數(shù)化方案介紹 345
9.5.4 鄂陵湖粗糙度與輸送系數(shù)分布特征 346
9.5.5 湖面粗糙度與輸送系數(shù)隨風速的變化特征 348
9.5.6 現(xiàn)有湖泊模型中粗糙度參數(shù)化方案評估 353
9.5.7 新參數(shù)化方案的建立與驗證 358
參考文獻 363
第10章 三江源國家公園氣候環(huán)境與生態(tài)評估 371
10.1 三江源國家公園基本概況 371
10.2 生態(tài)演變特征 372
10.2.1 草地 372
10.2.2 牧草生長狀況 373
10.2.3 草地固碳能力 375
10.2.4 湖泊 377
10.2.5 河流 377
10.2.6 積雪 378
10.3 生態(tài)安全事件 379
10.3.1 荒
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黃河源區(qū)陸面過程觀測與模擬 節(jié)選
第1章黃河源區(qū)氣候變化特征 1.1黃河源區(qū)基本概況 黃河是中華民族的母親河，孕育了博大精深的中華文明。黃河流域以其占全國2.2%的徑流量，承擔著占全國15%的耕地和12%的人口的供水任務(劉昌明等，2019;夏軍等，2011)。作為黃河發(fā)源地的黃河源區(qū)位于青藏高原東北部，西望昆侖山，南界為巴顏喀拉山，北為布青山和鄂拉山，東抵岷山，橫跨青海、四川、甘肅三省（圖1.1)，其包括黃河干流唐乃亥水文站以上流域面積約1.22X105km2，占黃河流域總面積的16%，是黃河流域*重要的水源地、產(chǎn)流區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)地(鄭子彥等，2020)。黃河源區(qū)年均徑流量為2.002X1010m3，占全流域年總徑流量的37%，素有“黃河水塔”之稱，對流域中下游地區(qū)和我國北方的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、用水安全、生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義(鄭子彥等，2020)。黃河源區(qū)屬于青藏高原寒帶半濕潤區(qū)，受西南季風和高原季風影響比較明顯，多年平均氣溫在0°C左右，年降水量為250～750mm，降水年內(nèi)變化較大，主要集中在6～9月，其降水量占全年的75%～90%(陳利群和劉昌明，2007)。區(qū)內(nèi)阿尼瑪卿山海拔為6282m，為流域內(nèi)*高峰，大部分區(qū)域海拔在3000～5000m，分布有大片的連續(xù)、島狀多年凍土和季節(jié)性凍土(藍永超等，2010，2016;劉蓉等，2016;劉希勝等，2016)。在全球氣候變化和日趨頻繁的人類活動影響下，黃河源區(qū)的區(qū)域氣候、水分循環(huán)特征以及冰川、凍土和植被覆蓋條件等在近年來都發(fā)生了顯著的變化(陳利群和劉昌明，2007)，黃河源區(qū)原始的景觀和脆弱的生態(tài)系統(tǒng)不同，呈現(xiàn)出由退化到一定程度恢復的趨勢。 陸面狀況的改變將會對黃河源區(qū)水循環(huán)過程產(chǎn)生明顯的影響(文軍等，2011)，進而可以對中下游地區(qū)的水資源安全、生態(tài)環(huán)境保護與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重大而深刻的影響(鄭子彥等，2020)。一方面，黃河源區(qū)陸面狀況的改變引起大氣環(huán)流的變化，引起區(qū)域降水時空分布、強度和總量的變化以及氣溫、風速、輻射平衡的變化，導致冰川退縮，雪線上升，融雪徑流增加等，進而引起空氣濕度、陸面蒸發(fā)和土壤水分等水分循環(huán)要素的改變，即陸面水分循環(huán)過程的改變。另一方面，黃河源區(qū)陸面狀況的改變，如草原退化和荒漠化引起土地利用/覆被變化，導致地表反照率、粗糙度和土壤水熱特性等下墊面物理性質變化，*終將導致陸-氣間能量與水分交換等陸面過程的變化(文軍等，2011)。 因此基于觀測和數(shù)值模擬研究黃河源區(qū)陸面過程及其對氣候變化的響應和影響，不僅是深入理解黃河源區(qū)氣候變化和水文循環(huán)機理的前提，也是準確把握源區(qū)及中下游水資源狀況和生態(tài)環(huán)境的關鍵(文軍等，2011;鄭子彥等，2020)，更是貫徹習近平總書記“黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展”要求的核心問題。 1.2黃河源區(qū)氣候與環(huán)境特征 1.2.1氣候特征 圖1.2展示了觀測的1960～2019年黃河源區(qū)氣溫、降水量和徑流的年際變化。近60年來，黃河源區(qū)氣溫升高了1.5°C以上，尤其是20世紀90年代末以來，增溫趨勢更加顯著。如果將60年劃分為三個20年時段，三個時段的升溫速率分別達到0.025C/a、0.033C/a和0.048°C/a，*近20年的升溫速率幾乎是1960～1979年的兩倍。降水量的變化較為復雜，1960～1979年降水量微弱增加，1980～1999年降水量明顯減少，變化率為-2.71mm/a。21世紀初是黃河源區(qū)近60年內(nèi)降水量*少的時段，*少時年降水量僅為430.16mm。近20年，黃河源區(qū)降水量顯著增加，增長率高達7.26mm/a，約是上一個20年變化率絕對值的2.68倍，并且2018年是近60年來降水量*豐沛的一年，黃河源區(qū)平均降水量高達718.42mm。1960～1979年徑流微弱增加，1980～1999年顯著減少，遞減率為一15.88m3/(sa)，近20年又顯著增加，增長率達到16.28m3/(s.a)。總體上，徑流與降水量的變化趨勢是接近的，三個時段兩者相關系數(shù)分別達到0.86、0.89和0.88，通過了p<0.01的顯著性檢驗。這與以往研究認為黃河源區(qū)降水量增加而徑流減少的結論是不一致的。氣溫與徑流方面，前20年，兩者幾乎沒有相關性，1980～1999年兩者呈現(xiàn)弱負相關，相關系數(shù)為一0.25;*近20年呈現(xiàn)弱正相關，相關系數(shù)為0.33，凸顯了高寒地區(qū)氣溫對徑流影響的復雜性。降水量與徑流的變化趨勢盡管總體一致，但變化幅度也存在差異。例如，1980～1999年和2000～2019年降水量的降幅和增幅速率相差很大，但兩個時段徑流的降幅和增幅速率卻非常接近，也就是說，在降水量恢復更迅速的情況下，徑流的恢復速率未能與降水相當。總之，在過去60年，黃河源區(qū)的氣溫、降水量和徑流之間存在較為復雜的耦合關系；21世紀以來，氣溫、降水量和徑流都呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，這與前40年有較大區(qū)別。 1.2.2蒸散發(fā) 自1951年以來，黃河源區(qū)的潛在蒸散發(fā)（evapotranspiration，ET)呈顯著增加趨勢，達到2.29mm/10a(p<0.05)。2000年之后，在氣候變曖、升溫加速的作用下，黃河源區(qū)ET的增加相對于1951～2000年更加明顯，高達6.01mm/10a。進入21世紀以來，黃河源區(qū)的水分正面臨著由于ET迅速增大而加劇損耗的嚴峻局面。盡管從區(qū)域水儲量的角度來看，降水的增速快于ET，降水與ET之差依然顯現(xiàn)出增大的趨勢，但由于2000年之后無論是氣溫還是ET都有快速增加的趨勢，可以預見，未來因升溫導致的ET損耗依然會是黃河源區(qū)及中下游地區(qū)水資源狀況改善的嚴重制約因素（圖1.3)。 對于黃河源區(qū)而言，在重力恢復與氣候實驗（gravity recovery and climate experiment，GRACE)衛(wèi)星陸地水儲量（terrestrial water storage，TWS)數(shù)據(jù)所能覆蓋的2002～2015年，TWS呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢（1.26mm/a，ｐ<0.03)，但增加的速度越來越慢；而蘭州站下游區(qū)域的TWS呈明顯減少趨勢，且減少速度在加快(圖1.4)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是黃河流域巨大的耗水量。黃河流域需為全國15%的耕地和12%的人口提供用水，這使得整個流域用水壓力巨大，因而黃河流域己成為全國人均水資源*為匱乏的地區(qū)之一。上游和黃河源區(qū)的來水有限并在不斷減少，中下游地區(qū)的地下水因農(nóng)業(yè)灌溉連年超采，己在華北地區(qū)形成了嚴重的地下水漏斗，致使黃河源區(qū)下游的TWS呈現(xiàn)出下降趨勢，這說明流域水資源的形勢極其嚴峻。 在GRACE數(shù)據(jù)較為完備的2003～2015年，黃河源區(qū)降水量和蒸散發(fā)量均呈現(xiàn)不明顯的減少趨勢，但是地表蒸散發(fā)量減少的速度超過降水量，即P-ET表現(xiàn)為增加的趨勢。在該相應的時間段內(nèi)，黃河源區(qū)河川徑流量呈現(xiàn)不顯著的增加趨勢，但是其增速快于P-ET，其中極有可能是融雪在徑流增加中起到了積極的作用。 1.2.3凍土 黃河源區(qū)特有的地理位置和地形、地貌、水文條件及干寒的氣候決定了該區(qū)為季節(jié)凍土及島狀和大片連續(xù)多年凍土并存的分布格局。總體上，在青藏高原多年凍土區(qū)東北部邊緣地帶，多年凍土在垂向分布上主要有銜接和不銜接兩大類。不銜接類中包括淺埋藏、深埋藏及雙層多年凍土等形式。大部分地段多年凍土層溫度較高、厚度較薄，屬于不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定型多年凍土。在大地構造、地形、地貌、河湖水系的綜合控制，以及巖性、植被、坡向等局地因素的影響下，該區(qū)多年凍土厚度分布的地帶性規(guī)律不甚明顯，但海拔仍是控制多年凍土厚度分布的主導因素(金會軍等，2010)。 20世紀80年代以來，受氣候變暖和人類活動的影響，黃河源區(qū)的凍土發(fā)生了區(qū)域性的退化，主要表現(xiàn)為凍土深度減小、地下水升溫、永久凍土層向季節(jié)凍土轉變(金會軍等，2010;文軍等，2011)。凍土退化可加速高寒山區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化，也能夠改變地表的能量水分收支，對區(qū)域水循環(huán)和氣候有重要的反饋。目前，針對黃河源區(qū)凍土的變化已開展了一定程度的研究，但結論尚存在較大的不確定性。例如，馬帥等(2017)發(fā)現(xiàn)，1972～1992年部分季節(jié)凍土變?yōu)槎嗄陜鐾粒黾拥膬鐾撩娣e為323km2，反映了源區(qū)20世紀70年代中后期到80年代短暫的降溫效應；相較于前者，1992～2012年多年凍土退化面積達1056km2，這與90年代后氣溫急劇上升有關。總體來看，1972～2012年黃河源區(qū)多年凍土只有少部分發(fā)生退化，退化的凍土面積為833km2。RCP(representative concentration pathway)2.6、RCP6.0、RCP8.5情景下，2050年多年凍土退化為季節(jié)凍土的面積差別不大，面積分別為2224km2、2347km2、2559km2，占源區(qū)面積的7.5%、7.9%、8.6%，相比于1972～2012年的退化面積較大，勒那曲、多曲、白馬曲零星出現(xiàn)季節(jié)凍土，野牛溝、野馬灘及鄂陵湖東部的瑪多四湖所在黃河低谷大片為季節(jié)凍土；2100年多年凍土退化為季節(jié)凍土的面積分別為5636km2、9769km2、15548km2，占源區(qū)面積的19%、32.9%、52.3%，低溫凍土變?yōu)楦邷貎鐾粒琑CP2.6情景下星宿海出現(xiàn)大片季節(jié)凍土，白馬曲、勒那曲季節(jié)凍土面積擴大，RCP6.0情景下尕瑪勒灘、多格茸出現(xiàn)大片季節(jié)凍土，白馬曲、勒那曲、鄒馬曲地帶的季節(jié)凍土已連為一片，RCP8.5情景下兩湖流域的北部和源區(qū)的西部存在少量多年凍土，源區(qū)大部分退化為季節(jié)凍土。到2100年，RCP2.6情景下，源區(qū)多年凍土全部退化為季節(jié)凍土主要發(fā)生在目前年平均地溫高于-0.15C的區(qū)域，而-0.44～-0.15C的區(qū)域部分發(fā)生退化；而RCP6.0、RCP8.5情景下，目前年平均地溫分別高于-0.21C及-0.38C的區(qū)域多年凍土全部發(fā)生退化，而-0.69～-0.21C及-0.88～-0.38C的區(qū)域部分發(fā)生退化（圖1.5)(馬帥等，2017)。 金會軍等(2010)發(fā)現(xiàn)，20世紀80年代以來，黃河源區(qū)氣溫以0.02°C/a的速率持續(xù)上升，加上日益增強的人類經(jīng)濟活動，導致源區(qū)凍土的區(qū)域性退化。其中，多年凍土下界普遍升高達50～80m，*大季節(jié)凍深平均減少0.12m，淺層地下水溫度上升0.5～0.7C，氣候變化對凍土產(chǎn)生了顯著的影響。凍土退化的總體趨勢是由大片連續(xù)狀分布逐漸變?yōu)閸u狀、斑狀分布，多年凍土層變薄，凍土面積縮小，部分多年凍土島完全消融變?yōu)榧竟?jié)凍土。總之，氣候持續(xù)轉暖是造成該區(qū)多年凍土區(qū)域性退化的根本原因(金會軍等，2010)。同樣，黃榮輝和周德剛(2012)研究發(fā)現(xiàn)，黃河源區(qū)20世紀80～90年代明顯升溫并持續(xù)到21世紀初，使得黃河源區(qū)凍土的深度不斷變淺，凍土上層位置不斷下移，進而導致多年凍土層變薄，甚至個別小范圍的多年凍土層消失，而季節(jié)性凍土層變厚。由于受觀測條件和現(xiàn)有數(shù)據(jù)積累的限制、數(shù)值模擬具有難度及對機理機制理解得不全面，目前對黃河源區(qū)氣候變化影響下的凍土退化研究依然存在較大的不確定性，需在未來進行更加充分的監(jiān)測、分析和驗證。 1.2.4積雪與冰川 積雪和冰川是影響高寒山區(qū)水循環(huán)的重要因素，也是主要淡水水源之一。高寒山區(qū)的冰川對河川徑流有重要的調(diào)節(jié)作用，同時扮演著水汽源和匯的雙重角色。在枯水年，高溫少雨使得冰川消融加強，可對河川徑流有所補充；而在多雨低溫的豐水年，大量降水被儲存于冰川，一定程度上又會減少河流的水量。黃河源區(qū)的冰川主要分布于阿尼瑪卿山脈，覆蓋面積約為125km2。在氣溫升高的影響下，黃河源區(qū)的冰川和積雪呈現(xiàn)出持續(xù)的退縮狀態(tài)，其縮減面積遠大于臨近的長江源區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，黃河源區(qū)的冰川萎縮始于小冰期*盛期；20世紀60年代～2000年，黃河源區(qū)冰川面積縮減達到17%(約0.5%/a)，縮減速率約10倍于小冰期*盛期至1966年(楊建平等，2003)。2000年以后，黃河源區(qū)的冰川和積雪持續(xù)消融，引起所在區(qū)域的湖泊面積擴張、深度增大
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