喜马拉雅山区大气与环境综合观测研究支撑青藏高原地球系统科学发展

中国科学院珠穆朗玛大气与环境综合观测研究站（以下简称“珠峰站”）位于珠穆朗玛峰自然保护区核心区域,围绕我国青藏高原生态保护和生态文明高地建设及经济社会可持续发展的国家战略科技需求,致力于地球“第三极”复杂地形山地大气过程和环境变化研究。珠峰站以气候变化下青藏高原地-气相互作用过程研究为主线,开展了针对地表、大气、环境、冰川、生态和地球物理等过程的长期定位监测和野外科学观测试验;构建了珠峰地区多时空、多手段、高精度、多要素一体化地-气相互作用综合观测研究平台,显著提升了青藏高原特别是珠峰地区的气象观测能力。珠峰站是喜马拉雅山区地球系统科学研究的重要基地,为深入系统地开展青藏高原地球系统科学研究提供了基础数据,同时也为认识青藏高原在全球变化中的作用和对全球变化的响应提供了支撑平台。     

东亚季风气候系统变异和我国重大气候灾害发生机理研究进展

文章回顾了近年来关于东亚季风气候系统变异和我国重大气候灾害发生机理的研究进展。通过许多观测事实分析揭示了东亚季风系统的时空变化和异常特征;并且从分析、动力理论和数值模拟研究了热带海洋、干旱/半干旱地区的陆面过程和青藏高原雪盖变化对东亚季风系统的影响及其过程,提出"东亚季风气候系统"新概念和此系统内动力学机理,并从东亚季风气候系统的年际和年代际变异提出长江流域严重洪涝发生的气候学概念模型和华北持续干旱灾害发生的气候背景;此外,本文还提出关于东亚季风气候系统亟需研究的若干科学问题。     

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.     

金沙江流域及邻近地区空中水资源的气候特征分析

本文研究了长江上游金沙江流域及邻近地区空中水资源的气候特征,主要结论如下:①金沙江流域大气可降水量具有明显的季节变化特征,冬季最低,夏季最高。流域主要位于高原东侧大气可降水量最大经向梯度带上,受到了高原大地形的显著影响;②冬、春季节金沙江流域水汽主要来源于中纬度偏西风水汽输送,高原南侧经过孟加拉湾北部的南支偏西风水汽的贡献尤其重要;夏季该流域上空水汽主要来源于孟加拉湾和南海、西太平洋地区;秋季则主要来源于南海、西太平洋地区;③20世纪60年代至今,金沙江流域的主要水汽源地、水汽输送通道上空大气可降水量总体呈增加趋势,尤其是20世纪90年代以来,上述区域上空增湿更是明显;1958年-2002年金沙江流域大部分地区夏季水汽输送总体呈增强趋势,主要由纬向输送增强所致;④近年来金沙江流域整体大气降水、径流量地增加以及极端天气气候事件的频繁发生都与空中水资源的变化密切相关。     

“亚洲水塔”变化与影响

以青藏高原为核心的"第三极"是除南极和北极以外冰雪储量最大的地区,被称为"亚洲水塔",包括面积约1×10~5 km~2的冰川、总面积约5×10~4 km~2的湖泊和长江、黄河、雅鲁藏布江、印度河、恒河、湄公河、阿姆河、塔里木河等10多条亚洲大江大河的源头。"亚洲水塔"变化关系着中国的水资源利用以及"一带一路"地区众多国家的水安全。在气候变暖背景下,"亚洲水塔"正在发生以失衡为特征的剧烈变化。冰川加速退缩、湖泊整体显著扩张、冰川径流增加等过程都和"亚洲水塔"失衡密切相关。"亚洲水塔"的失衡变化导致了青藏高原及周边地区水资源和水灾害风险增加,出现了冰崩等新型灾害。这些变化也可以通过大气圈和水圈产生广域效应,进而和南极、北极变化协同联动,影响全球气候变化和水循环。第二次青藏高原综合科学考察研究聚焦于过去50年来"亚洲水塔"动态变化及其影响,与"泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设"专项实施一道,为我国资源环境重大战略需求和绿色"一带一路"发展,提出应对"亚洲水塔"变化与影响的科学对策和水资源规划管理及可持续发展的科学指导,以服务于全球生态环境保护、人类命运共同体建设。     

The energy and water cycles under climate change

Energy and water cycles have been a hot research topic in the global scientific community. The global climate change observed over the last century is having a profound impact on global and regional energy and water cycles, leading to more frequent extreme climatic events and affecting water security, ecosystem and socioeconomic development around the world. The impact is especially obvious over the highland regions such as the Tibetan Plateau. Here we have an interview with one of world''s most renowned experts in hydroclimatology, Professor Soroosh Sorooshian from the University of California at Irvine, to share his insights on the subject of energy and water cycles.     

科技支撑西藏高原生态环境保护及农牧业可持续发展

在全球变化影响下,我国西藏高原的生态环境问题日益突出,严重影响了其生态安全屏障作用,制约了西藏农牧业的可持续发展。中科院拉萨高原生态试验站自建站以来对区域生态环境进行了长期监测,开展了高原生态安全屏障功能保护与建设基础理论研究、退化草地恢复治理及农牧业发展关键技术研发和示范。在学科建设方面发展了一系列高原生态学研究的新方法,建立了高原生态过程、机理与区域格局相结合的研究局面;在技术研发方面提出了高寒退化草地恢复治理和高原草牧业发展的关键技术,并进行了广泛的示范和推广,取得了显著成效。这些科研成果不仅丰富和发展了全球变化影响西藏高原生态屏障功能的基础理论,还推进了高原农牧业发展关键技术的研发和示范。拉萨站已经成为在青藏高原腹地从事生态学研究的支撑平台和农牧业可持续发展试验示范的重要基地。     

1971-2012 年青藏高原及周边地区气温变化特征及其海拔敏感性分析

海拔敏感性是当前全球气候变化研究的热点之一,青藏高原作为“世界屋脊”,探讨该区域气候变暖与海拔的关系对全球气候变化研究具有重要的参考意义。本文基于1971-2012年青藏高原及周边地区123个气象站的月平均气温数据,采用Mann-Kendall（M-K）趋势分析和突变检验、滑动t检验等方法分析了该地区气温变化的时空分布及其与海拔的关系。结果表明：①1971-2012年研究区年、四季、最热月和最冷月均温均呈现显著上升趋势,但增温幅度空间差异明显,具体表现为中、东部和东北部高,东南部低的态势;②除春季外,研究区增温幅度总体呈现随海拔上升而增加的趋势,且该趋势在青藏高原主体范围内尤为明显,但在不同海拔梯度内存在显著差异,其中海拔2 000~3 000m内增温对海拔的敏感性最强,海拔3 000~4 000m次之,而在海拔4 000m以上区域,增温幅度随海拔增加呈现下降趋势;③年均温的突变年份与海拔存在明显的线性关系,具体表现为：海拔每升高1 000m,突变年份推迟1.1~1.2年（p=0.001）;④青藏高原年均温变化趋势及其海拔敏感性对研究时段起、止年份的选取较为敏感。     

“亚洲水塔”变化对青藏高原生态系统的影响

青藏高原及周边地区作为"亚洲水塔",拥有广大的冰川、冻土和湖泊,是重要的储水区域,为陆地生态系统提供了最基本的水分资源。生态系统赖以生存的水分资源主要来自自然降水,同时温度的改变会通过调节蒸发散而影响土壤湿度,从而影响生态系统过程。文章从生态系统群落组成和结构,植被物候、覆盖度和生产力,以及生态系统水源涵养功能等多个角度,综述近年来水资源变化给青藏高原生态系统带来的影响,旨在深入了解内部机制,为理论研究和环境治理提供参考。在群落组成和结构方面,水分条件改变引起群落盖度和多样性改变,影响草地群落物种的比例及其相对重要性,进而驱动群落演替。在物候方面,增加季前降水使春季物候提前,生长季降水的增加使秋季物候推迟,季前降水同时调节了物候对温度的响应。植被覆盖度和生产力总体态势为变好,但局部变化存在差异,增温和降水的非协调性变化对植被造成复杂的影响,体现在不同地区的生态控制因子存在差异。水源涵养功能是土壤-植被-大气系统相互作用的结果,受到气候、植被、土壤和人类活动等多种因素影响。在未来需要用系统的思想和方式,关注气候要素和植被覆盖变化对水源涵养量的耦合作用,探究各组分的作用效果和强度。     

青藏高原隆升与新特提斯海退却对亚洲中纬度阶段性气候干旱的影响

亚洲内陆是北半球最大、最广阔的中纬度干旱区,且不同于世界上分布于副热带高压控制下的干旱区。现今的亚洲中纬度干旱区深居内陆,远离各大洋的水汽来源。亚洲中纬度干旱区究竟如何形成?历经了怎样的干旱化过程?其形成演化的动力机制是什么?这些一直是悬而未决的问题。事实上,亚洲中纬度干旱区发展成今天所见的干旱荒漠,并不是短时间内实现的,而是经历了漫长的阶段性演化进程,是在新生代以来印度、阿拉伯、非洲板块与欧亚大陆的碰撞,青藏高原的隆升,新特提斯海的退却以及新生代全球气候变冷与海平面下降等区域和全球要素共同作用下,从半湿润—半干旱—干旱—极端干旱渐进演化而来。历经了始新世的半湿润气候,渐新世的半湿润-半干旱气候和中新世末期以来的干旱-极端干旱气候。     

影响“亚洲水塔”的水汽输送过程

青藏高原及其周边区域被誉为"亚洲水塔",过去50年的全球变暖加速了整个"亚洲水塔"的水循环过程。文章从气候态、长期变化和年际变率的角度,总结了当前对影响"亚洲水塔"的关键水汽输送过程及其机理的理解。在此基础上,指出要厘清影响"亚洲水塔"的水循环过程,亟待深入理解水塔的水汽输送过程的时空变化特征和机制及其影响。为此,需要从观测、诊断、动力学机理、检测归因和数值模拟5个方面加强未来的研究工作。     

“亚洲水塔”变化的灾害效应与减灾对策

青藏高原及周边地区被誉为"亚洲水塔",其自然环境复杂,气候差异显著,地貌类型多样,冰川发育,地壳隆升和河流下切作用强烈,导致滑坡、泥石流、洪水、冰崩雪崩、冰湖溃决等山地灾害发育。灾害呈现出突发性强、危害范围广、破坏严重、链式效应明显等特点,且沿构造断裂带、高山深切峡谷集中分布,受水平和垂直地带性气候条件和局地水热条件控制,不同海拔区的灾害类型、诱发因素和对气候变化的响应有所差异。气候变暖导致的温度升高和降雨增多对灾害发生的水源、物源、能量和条件组合都有所影响,导致灾害的孕灾环境变得易于成灾。未来全球气候变暖将加剧灾害的危险性,而灾害风险也会随着人口和经济体量的增加而升高。目前,还缺乏系统的基础数据和对"亚洲水塔"变化下灾害发生机制的深入认识,从而难以准确预测未来气候变化下的灾害风险,提出有针对性的风险防控对策。为了有效应对气候变化导致的灾害风险,应针对性地进行综合灾害考察,利用高新技术系统获取第一手灾害数据,建立灾害数据库,深化对孕灾环境、形成机理和灾变机制的认识,研究灾害对气候变化的响应规律,预测气候变化条件下灾害的发展趋势,研发针对特大灾害的监测和防控技术,建立多国协调的灾害防控信息共享和减灾协同机制,提高应对灾害风险的能力。     

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。     

全球变暖背景下青藏高原及周边地区冰川变化的时空格局与趋势及影响

作为"亚洲水塔"重要组成部分的冰川,对气候变化的响应极其敏感。研究全球变暖背景下青藏高原及周边地区冰川变化的时空格局特征,有助于识别"亚洲水塔"的主要储水与供水区域,这对水资源的合理规划与利用具有重要意义。文章通过综合分析,揭示出"喀喇昆仑异常"现象在昆仑山西部和帕米尔高原地区亦有不同程度的表现,分布在这些区域以外的青藏高原及周边地区山地冰川近期大多处于加速消融状态;同时,阐明了近50年来以及未来不同气候变化情景下青藏高原及周边地区冰川变化对流域水资源状况和海平面上升的影响;并指出,要系统开展青藏高原及周边地区冰川的调查与观测,建立气候-冰川-水文过程耦合模型,准确评估变化环境下的冰川水资源状况及其影响,以服务于中国社会经济发展和"绿色丝绸之路"建设。     

ENSO and Southeast Asian biomass burning modulate subtropical trans-Pacific ozone transport

Trans-Pacific transport of enhanced ozone plumes has been mainly attributed to fossil fuel combustion in Asia in spring, but less attention has been paid to vegetation fires in Asia. Here we show that the El Niño-Southern Oscillation (ENSO)-modulated fires in Southeast Asia, rather than Asian fossil fuel plumes, dominate the interannual variability of springtime trans-Pacific transport of ozone across the entire North Pacific Ocean. During El Niño springs, the intensified fires from both the Indochinese Peninsula and Indonesia, together with large-scale circulation anomalies, result in enhanced ozone plumes that stretch over 15 000 km in both the lower-middle and upper troposphere. This enhancement is also observed in the in situ measurements of ozone concentration, with an almost 10% increase at Mauna Loa Observatory, Hawaii, a unique site to monitor the long-distance transport over the North Pacific. This study reports an unexpectedly strong influence of vegetation fires, linked with climate variability, on global tropospheric chemistry and proves once more how complex the interactions in the climate system are.     

印度季风与西风相互作用在现代青藏高原产生连锁式环境效应

西风与印度季风两大环流是控制青藏高原气候与环境变化的决定性因素。研究显示两大环流的影响范围和程度具有明显的空间分异:基于降水稳定同位素实测与模型模拟发现青藏高原现代西风与印度季风的相互作用特征表现为3种模态,即印度季风模态、西风模态和过渡模态。基于湖泊沉积记录的分析,发现3种模态主控范围在历史时期不断发生变化。3种模态对现代青藏高原环境产生连锁式环境效应,使得该区的冰川、湖泊、生态系统变化具有明显的区域特征,具体表现为印度季风模态的冰川强烈退缩,湖泊趋于萎缩;西风模态的冰川趋于稳定甚至部分出现前进,湖泊趋于扩张;过渡模态的冰川退缩程度减弱,湖泊变化不明显。西风模态的植被返青期提前,印度季风模态的植被返青期推后,而过渡模态的植被过程比较复杂。     

基于MODIS的西藏高原土地覆盖分类研究

嵌的MODIS遥感图像,用最大似然估计分类器对西藏高原的土地覆盖类型进行了分类,并采用西藏高原数字高程模型(DEM)对MODIS分类结果进行了分析和改进,最后分别用混淆矩阵和图集中西藏高原植被分类汇总面积对MODIS土地覆盖分类结果进行了分类精度评价。结果表明:①MODIS遥感图像能够有效地分类出西藏高原的主要土地覆盖类型;②根据西藏高原植被的垂直带性分布特点,由DEM改进的MODIS土地覆盖分类精度明显提高,主要土地覆盖类型的面积绝对误差都小于2%,其中,河流与湖泊、森林、高寒荒漠、作物和山地草原的绝对误差都在1%以下;③混淆矩阵分析的平均分类精度为87.68%。     

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。     

基于栅格尺度的中国人居环境气候适宜性评价

运用GIS技术,基于1km×1km栅格尺度,计算了中国的温湿指数和风效指数,并系统分析了二者的时空分布规律,在此基础上,定量评价了中国人居环境的气候舒适期与适宜性。结果表明：①中国温湿指数和风效指数的空间分布大势由东南沿海向西北内陆递减,中国人居环境的气候适宜性整体呈由东南沿海向西北内陆,由高原、山地向丘陵、平原递减的趋势;②基于温湿指数和风效指数的中国人居环境气候舒适期地域差异显著,最高值分布在东南丘陵和云贵高原东南部,舒适期长达12个月,青藏高原和天山山地等高寒地区为全年气候不舒适区;气候舒适期超过半年（6个月）的地区,面积占全国的1/3强;气候舒适期为12个月的地区,面积不足全国的1%;③中国人居环境的气候适宜性评价表明,气候适宜地区占国土面积的63.14%,相应人口占98.22%,临界适宜区和不适宜区面积各占14.06%和22.77%,而相应人口仅占1.62%和0.16%,人口明显集中分布于气候适宜地区。     

Changes in China’s lakes: climate and human impacts

Lakes have played a critical role in providing water and ecosystem services for people and other organisms in China for millennia. However, accelerating climate change and economic boom have resulted in unprecedented changes in these valuable lakes. Using Landsat images covering the entity of the country, we explored the changes in China’s lakes and the associated driving forces over the last 30 years (i.e. mid-1980s to 2015). We discovered that China’s lakes have changed with divergent regional trends: in the sparsely populated Tibetan Plateau, lakes are abundant and the lake area has increased dramatically from 38 596 to 46 831 km² (i.e. increased by 8235 km², or 21.3%), whereas, in the densely populated northern and eastern regions, lakes are relatively scarce and the lake area has decreased from 36 659 to 33 657 km² (i.e. decreased by 3002 km², or 8.2%). In particular, severe lake decreases occurred in the Mongolia-Xinjiang Plateau and the Eastern Plain (−2151 km²). Statistical analyses indicated that climate was the most important factor controlling lake changes in the Tibetan Plateau, the Yun-Gui Plateau and the Northeast Plain. However, the strength of climatic control on lake changes was low in the Eastern Plain and the Mongolia-Xinjiang Plateau, where human activities, e.g. impoldering, irrigation and mining, have caused serious impacts on lakes. Further lake changes will exacerbate regional imbalances between lake resources and population distribution, and thus may increase the risk of water-resource crises in China.