空间观测全球变化敏感因子的机理与方法

空间对地观测技术可快速、实时、动态、准确地监测全球和区域尺度的环境变化现象,"973"计划"空间观测全球变化敏感因子的机理与方法"是针对全球空间技术研究的项目。项目开展了全球变化敏感因子分析及空间响应模式研究;进行了遥感物理模型与大气、陆气、海气因子变化的地学过程研究,并研究全球变化对地观测敏感信息精确反演机理和方法;研究了多平台空间观测的模式优化和多遥感器联动观测理论与方法;开展了星-机-地多平台综合遥感实验,建立了全球变化区域影响研究的空间信息模拟平台,提出了全球变化科学卫星方案,取得系列全球变化空间研究的发现与认识。     

从边界层到中高层大气的气候环境综合探测与科学研究

经过50年的发展,中国科学院大气物理研究所华北香河气候与环境综合野外科学观测研究站（以下简称“香河站”）已具备从边界层到中高层气候环境的综合探测能力,加入了多个国内外大气探测网,是国际上少有的大气综合野外科学试验站。21世纪以来,香河站开展多次国际大型综合观测试验,在长期连续观测数据基础上,开展了中高层大气能量传播和物质交换、边界层大气物理化学和空气质量、太阳能监测预报等基础和应用研究,取得了一批有显示度的研究成果。继往开来,香河站将深耕先进探测仪器设备研制和更新改造,提升中高层大气热动力探测和边界层物理化学过程探测能力,建成集观测、试验和研究于一体的野外大气综合探测基地,提升对中层大气基本过程、上下大气层交换过程和机理、污染减排天气气候和环境效应等问题的科学认识,为我国在全球气候与环境议题上取得话语权和国家安全提供科技支撑。     

中国科学院青藏高原冰冻圈观测研究站

<正>中国科学院青藏高原冰冻圈观测研究站(简称"高原冰冻圈站")于1987年由中科院正式批准,由原中科院兰州冰川冻土所和原中科院兰州高原大气物理所联合筹建,当时定名为"青藏高原综合观测研究站"。2001年成为中科院特殊环境与灾害网络野外台站;2004年,由中科院批准更名为"青藏高原冰冻圈观测研究站";2005年经科技部遴选,成为国家级特殊环境与灾害野外科学观测研究站,并被命名为"藏北高原冰冻圈特殊环境与灾害国家野外科学观测研究站";2009年度荣获第一次"全国优秀野外科技工作集体"表彰。高原冰冻圈站是全球针对高海拔多年冻土监测研究的重要平台,也是"国际全球监测系统"中"多年冻土温度监测网"(GOSGTNP)、国际多年冻土协会活动层监测网(CALM)以及国际雪冰冻土数据网络中心的相关监测网络的重要组成部分。     

大数据背景下的生态系统观测与研究

全球变化和可持续发展等一系列全球化的资源环境问题日益严峻,成为国际社会关注及科学研究热点,生态学的研究重点也逐渐开始由小尺度的个体、群落和生态系统向区域、大陆乃至全球尺度转变。同时,伴随传感器技术和信息网络技术发展,生态系统观测也从短时间观测逐渐向长期观测以及生态系统的宏观结构和生态服务时空格局变化协同观测转变;由过去的定位及小规模合作观测向区域甚至全球大规模联合的网络化观测、天-空-地立体综合观测方向转变。生态学研究已经进入大数据时代,如何应用大数据技术,实现传统的基于过程的生态学研究与基于大数据驱动的生态学研究的有机整合,推动生态学大理论发展、区域及全球生态系统演变机理研究,支撑以应对全球气候变化、生态系统功能维持等为核心的人类社会可持续发展理论和应用研究,是大数据时代生态观测研究面临的重大挑战及机遇。文章评述了生态系统观测研究现状,探讨了大数据背景下生态系统观测研究的重要特征,并建议遵循"大科学、大数据"理念,组织实施国家生态系统观测大科学工程建设,实现我国生态观测研究与全球生态观测研究体系的融合,实现在区域、国家及全球尺度上观测地球生命系统变化,诊断生态系统功能状态,理解生态系统过程机理、维持和保护生态系统功能,服务人类社会可持续发展的科技目标。     

从地球内部到空间环境的综合地球物理观测与科学研究

安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站的主要任务是开展地震、重力、形变、电磁等多种固体地球物理观测与研究,以及开展中高层大气和电离层多物理量的近地空间环境观测与研究。地球内部到外部空间的综合地球物理观测对认识地球本体和近地空间环境的结构、形成与演化,以及各种自然灾害的孕育发生规律及预警和预报具有非常重要的意义。通过不同尺度地球物理台阵观测资料,获得了郯庐—大别构造带多尺度结构、变形和孕震构造特征。基于近地空间环境观测数据,揭示了中高层大气与电离层的精细结构和变化机制。这些研究为区域地震监测和地震灾害研究、近地空间环境监测和空间灾害研究等提供了重要的基础。     

把脉高原气象攀登科学珠峰——记中国气象局成都高原气象研究所

巍然耸立的"世界屋脊"青藏高原不但是江河之源、众山之源、生态之源,而且还是地球的气象哨,对全球天气气候有着举足轻重的影响.在人类早已征服了珠峰的今天,高原上却还有更多隐藏的气象密码等着我们去破解. 中国气象局成都高原气象研究所(以下简称高原所),是全球致力于高原气象研究的专业科研机构,高原气象人在高寒缺氧、人迹罕至的环境里,日复一日、年复一年地观测收集着一组组气象数据,探寻着高原气象的种种奥秘,架起了一条高原气象研究的"天路".他们的求索之路,正如著名气象学家曾庆存院士为高原所的题词那样:"攀登科学的珠峰".     

地球系统科学进展

本文着重指出:通过对大气、海洋、冰盖、生物圈、地壳和地球内部各自独立的研究,地球科学已取得传统的进展,近代研究正在阐明连接这些组成部分的动力相互作用,并将它们看作为整个地球系统的不可分割的各部分。现在,全球观测、新的空间技术和定量模式给了我们探测复杂的地球演变的相互作用过程和全球变化的能力。作为全球变化计划,本文论述了地球系统科学的形成背景、目的、内容和建议性计划。最后概要介绍了美国国家科学基金会正在执行的全球地学计划,十分显明,这个全球地学计划是全球变化计划(又称作国际地圈生物圈计划)的一部分。     

全球变化与对地观测系统

全球变化的加剧已引起全世界的重视,人类对这一现象的观测和研究是必要的。地球是一个整体,是一个系统。全球变化是这个系统对人类活动的总体的综合的响应。本文阐述了长期、连续、同步、协调地进行空中对地球观测的重复意义;指出了以探讨全球变化为主要内客的地球系统科学的兴起及其七个主要研究领域。研究全球变t匕,发展地球系统科学和开展对地观测是贯彻“二十一世纪议程”的具体行动,也是人类社会持续发展的需要。     

极地环境观测/探测关键技术与装备研发

南极冰下湖、极区中高层大气以及快速减少的北极海冰是极地科学的三个前沿领域.在国家重点研发计划"海洋环境安全保障"重点专项的支持下,中国极地研究中心联合中国气象科学研究院、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所、中国科学院大气物理研究所、山东省科学院海洋仪器仪表研究所、国家海洋技术中心、自然资源部第一海洋研究所、上海宇航系统工程研究所、吉林大学、浙江大学、武汉大学、中国海洋大学、太原理工大学、杭州电子科技大学共14家单位,围绕"海洋环境立体观测/监测新技术研究与核心装备国产化"专项目标,组织开展了"极地环境观测/探测技术与装备研发"项目研究(项目编号:2016YFC1400300),突破极区大气钠层全昼夜温度与风场激光雷达探测、南极冰下湖无污染自动钻进返回及湖水采样以及海-冰-气相互作用长期无人值守观测等关键技术难题,成功研发了适合极区极端环境与条件的极区大气钠荧光多普勒激光雷达探测系统、南极冰下湖无污染钻进采样与观测系统、北极海-冰-气无人冰站观测系统等三项关键探测技术系统(图1),大幅提升了我国极地极端环境观测/探测装备的技术水平和能力,为全球海洋观测网建设和我国海洋环境安全保障提供了关键技术与装备,为我国在极区大气、南极冰盖/冰下湖、北极海冰/海洋以及全球变化前沿研究领域取得科学突破奠定了基础.     

地球空间环境的野外科学观测研究

地球空间包括地球中高层大气、电离层和磁层,其环境变化深刻影响着人类生活,如空间灾害性事件的发生,可能危害地面电网安全,造成星地无线电通讯中断。在科技部、国家自然科学基金委和中国科学院等部门支持下,北京空间环境国家野外科学观测研究站通过研制和发展一批具有国际先进水平的观测仪器,建立了电离层、中高层大气和地磁等多学科综合观测台链,并开发成功新的探测模式和诊断技术,实现对我国上空多种空间环境参量的科学观测,揭示其区域特征和空间精细结构与变化,推动数据服务于原创科学研究和空间天气预报保障任务。基于观测数据,通过发展理论模式,采用数据分析与数值模拟相结合等研究方法,系统研究了大气层-电离层耦合、磁层-电离层耦合和太阳辐射的光电离光化学3类最为重要的驱动过程对电离层变化性的影响和控制作用。     

Land-surface processes and summer-cloud-precipitation characteristics in the Tibetan Plateau and their effects on downstream weather: a review and perspective

Correct understanding of the land-surface processes and cloud-precipitation processes in the Tibetan Plateau (TP) is an important prerequisite for the study and forecast of the downstream activities of weather systems and one of the key points for understanding the global atmospheric movement. In order to show the achievements that have been made, this paper reviews the progress on the observations for the atmospheric boundary layer, land-surface heat fluxes, cloud-precipitation distributions and vertical structures by using ground- and space-based multiplatform, multisensor instruments and the effect of the cloud system in the TP on the downstream weather. The results show that the form drag related to the topography, land–atmosphere momentum and scalar fluxes is an important part of the parameterization process. The sensible heat flux decreased especially in the central and northern TP caused by the decrease in wind speeds and the differences in the ground-air temperatures. Observations show that the cloud and precipitation over the TP have a strong diurnal variation. Studies also show the compressed-air column in the troposphere by the higher-altitude terrain of the TP makes particles inside clouds vary at a shorter distance in the vertical direction than those in the non-plateau area so that precipitation intensity over the TP is usually small with short duration, and the vertical structure of the convective precipitation over the TP is obviously different from that in other regions. In addition, the influence of the TP on severe weather downstream is preliminarily understood from the mechanism. It is necessary to use model simulations and observation techniques to reveal the difference between cloud precipitation in the TP and non-plateau areas in order to understand the cloud microphysical parameters over the TP and the processes of the land boundary layer affecting cloud, precipitation and weather in the downstream regions.     

微波遥感机理模型研究进展

在全球环境变化的背景下,区域及全球尺度地表参数和能量循环的研究中迫切需要大范围、高精度的观测数据。随着遥感技术的迅速发展,遥感已经具备在全球尺度上精确监测地球系统中诸多要素的能力。特别是星载微波遥感系统,具备全天时、全天候的观测能力,且对多种地表要素特性十分敏感,已广泛应用在全球积雪、土壤水分与植被等地表要素的监测和定量反演之中。精确的微波机理模型是理解遥感观测、发展遥感反演算法以及提高数据同化系统中观测算子精度的基础和关键。近30年来,研究人员基于电磁辐射和散射理论及微波辐射传输方程,针对不同传感器参数特性进行了大量卓有成效的研究,建立了从单散射体、随机粗糙表面到积雪、植被等典型地物的微波散射、辐射机理模型,广泛应用于微波观测模拟和反演。文章对这一系列微波机理模型的研究进展进行了系统的介绍和评述。随着遥感数据的不断丰富和遥感建模及反演理论的深入发展,包括微波遥感在内的遥感手段将为地球系统的研究及应用发挥更为重要的作用。     

青藏高原能量、水分循环影响效应

青藏高原是世界上总辐射量最高的地区,也是全球超太阳常数的极值区域之一。此处形成了一个"嵌入"对流层中部大气的巨大的热源,可以伸展到自由大气,其超越了世界上任何超级城市群落所产生的中空热岛效应,对全球与区域大气环流系统变化的动力"驱动"产生了难以估计的效应。与地形热力过程季节变化密切相关的亚洲夏季风是世界上范围最广和强度最强的季风;从冬季到早春季节转换过程中,由于太阳辐射的影响造成青藏高原大地形感热的"快速响应"及其相对高值动态移动,在盛夏梅雨及其云降水带前沿线恰好停滞于中国"三阶梯"地形分布山地—平原过渡区。此现象表明,青藏高原可能扮演着夏季风过程陆地—海洋—大气相互作用的关键角色。中国区域低云量与总云量极值区均与青藏高原大江大河的源头(长江、澜沧江、雅鲁藏布江等)、中东部湖泊群与冰川集中区空间分布几乎吻合,这表明"亚洲水塔"形成的关键因素与"世界屋脊"特有的云降水结构不可分割。研究表明,青藏高原大气热源对局地与下游区域云降水过程水汽输送流型等均有显著影响。长江流域降水与全国低云量存在一个明显沿长江流域的带状高相关结构,充分表明长江流域降水与上游"亚洲水塔""热驱动"以及对流系统具有重要相关关系。从跨赤道经向环流的视角可发现,夏季南、北半球跨赤道气流低层强偏南、高层强偏北气流出现在东亚地区和北美区域两大地形对应的赤道区,这2个跨赤道极值区恰与青藏高原、落基山高原位置相对应。青藏高原纬向与经向环流圈结构与区域-全球大气环流相关机制,印证了"世界屋脊"隆起大地形的"热驱动"及其对流活动在全球能量、水分循环的作用。青藏高原特殊水汽三维结构分布和跨半球的纬向和经向大气垂直环流图表明青藏高原对全球尺度大气环流变化的贡献显著。文章进一步以东亚、全球水循环的视角,提出了青藏高原作为全球性大气"水塔"的观念,认为在高原地区一个水塔的"供水"和"蓄水"循环体系,特别是高原地表冰川、积雪和湖泊作为"蓄水池"系统,使得所有的河流可作为"输水管道",将"水塔"的水向周边区域输送出去,高层大气也提供向外输送的渠道。青藏高原特殊的跨半球大气水分循环可构建"世界水塔"与其周边地区独特的水文功能概念,综合描绘了青藏高原"世界水塔"及其地球上一个完整的行星尺度陆地—海洋—大气水分循环物理图像。     

土地覆盖/利用变化对区域气候的影响（英文）

气候系统中的陆-气相互作用长期以来已经得到广泛的关注，但是直到最近，区域尺度上土地覆盖/利用变化对气候影响的统计分析仍非常少，模拟研究中植被对气候变化响应的描述不足。本文系统研究了陆-气相互作用对区域气候的影响，尤其针对上面所提到的两个方面。通过对前期的植被覆盖状况和夏季降水的关系研究为植被覆盖变化对区域气候的影响提供了观测统计上的证据，并进一步分辨出中国北方过渡带可能是植被-大气相互作用的最敏感地区。通过比较观测站点和再分析资料的年代际趋势表明城市化和其他的土地利用变化对气候变暖产生了贡献，使中国东部的平均气温升高了0.12C/10yr。区域气候模拟还表明，中国北方过渡带及其附近地区的植被退化对表面气候和大气环流都带来了显著影响，它们的变化与观测的年代际异常以及我们统计分析的结果一致。暗含着地表退化可能是中国近几十年气候异常的重要原因之一。最后我们探讨了准确参数化植被和动态植被在区域气候模拟中的作用。     

土地覆盖/利用变化对中国区域气候的影响

气候系统中的陆-气相互作用长期以来已经得到广泛的关注,但是直到最近,区域尺度上土地覆盖/利用变化对气候影响的统计事实分析仍非常少,模拟研究中植被对气候变化响应的描述不足.本文系统研究了陆-气相互作用对区域气候的影响,尤其针对上面所提到的两个方面.通过对前期的植被覆盖状况和夏季降水的关系研究为植被覆盖变化对区域气候的影响提供了观测统计上的证据,并进一步分辨出中国北方过渡带可能是植被-大气相互作用的最敏感地区.通过比较观测站点和再分析资料的年代际趋势表明城市化和其他的土地利用变化对气候变暖产生了贡献,使中国东部的平均气温升高了0.12 ℃/10 a.区域气候模拟还表明,中国北方过渡带及其附近地区的植被退化对表面气候和大气环流都带来了显著影响,它们的变化与观测的年代际异常以及我们统计分析的结果一致.表明地表退化可能是中国近几十年气候异常的重要原因之一.最后我们探讨了改进后的动态植被参数化方案在区域气候模拟中的作用.     

Transport of Asian surface pollutants to the global stratosphere from the Tibetan Plateau region during the Asian summer monsoon

Due to its surrounding strong and deep Asian summer monsoon (ASM) circulation and active surface pollutant emissions, surface pollutants are transported to the stratosphere from the Tibetan Plateau region, which may have critical impacts on global climate through chemical, microphysical and radiative processes. This article reviews major recent advances in research regarding troposphere–stratosphere transport from the region of the Tibetan Plateau. Since the discovery of the total ozone valley over the Tibetan Plateau in summer from satellite observations in the early 1990s, new satellite-borne instruments have become operational and have provided significant new information on atmospheric composition. In addition, in situ measurements and model simulations are used to investigate deep convection and the ASM anticyclone, surface sources and pathways, atmospheric chemical transformations and the impact on global climate. Also challenges are discussed for further understanding critical questions on microphysics and microchemistry in clouds during the pathway to the global stratosphere over the Tibetan Plateau.     

利用遗传算法反演大气的垂直温度结构

从大气辐射对流能量方程出发,建立全球平均的多层大气垂直温度模型,利用遗传算法求解的结果与实际大气层结温度曲线相吻合。结果表明:由地表之上至60公里的空间范围,在近地表处大气辐射系数和吸收系数值较高,这可能与CO_2、水汽影响有关;25～30公里处辐射系数和吸收系数又达到较高值,这可能与该层O_3含量的增加有关系。     

Land–atmosphere–ocean coupling associated with the Tibetan Plateau and its climate impacts

This paper reviews recent advances regarding land–atmosphere–ocean coupling associated with the Tibetan Plateau (TP) and its climatic impacts. Thermal forcing over the TP interacts strongly with that over the Iranian Plateau, forming a coupled heating system that elevates the tropopause, generates a monsoonal meridional circulation over South Asia and creates conditions of large-scale ascent favorable for Asian summer monsoon development. TP heating leads to intensification and westward extension (northward movement) of the South Asian High (Atlantic Intertropical Convergence Zone), and exerts strong impacts on upstream climate variations from North Atlantic to West Asia. It also affects oceanic circulation and buoyancy fields via atmospheric stationary wave trains and air–sea interaction processes, contributing to formation of the Atlantic Meridional Overturning Circulation. The TP thermal state and atmospheric–oceanic conditions are highly interactive and Asian summer monsoon variability is controlled synergistically by internal TP variability and external forcing factors.     

青藏高原多年冻土变化对水文过程的影响

在全球气候变暖背景下,青藏高原多年冻土发生着不同程度的退化,从而对区域气候、水文和生态过程产生了显著影响。文章在青藏高原多年冻土区长期观测资料的基础上,结合再分析资料,分析了近10年来多年冻土区气温和降水的变化特征,并对活动层厚度、地温和土壤含水量的变化趋势进行了研究。结果表明,近10年来青藏高原不同站点多年冻土发生了显著的变化,活动层厚度增加,地温升高以及活动层底部土壤含水量增加。从区域尺度来看,1980—2018年多年冻土区降水和土壤含水量呈现显著增加趋势。这些变化可能是导致青藏高原多年冻土区水文过程、湖泊面积变化和地表形变等的主要原因。结果有助于进一步认识多年冻土变化对区域环境的影响,可为冻土与水循环相互作用关系的机理研究提供思路,为寒区环境保护、工程设计和施工提供参考经验。