青藏高原素称地球的“第三极”^{[ 1]},平均海拔高度达4 000 m以上,是世界上平均海拔最高的高原,也是亚洲地区重要的水源地。围绕青藏高原发育了10条国内外重要的河流,为东亚、南亚占世界1/3的人口提供了生活与生产用水。青藏高原强大的动力和热力作用,显著地影响着东亚气候格局、亚洲季风进程和北半球大气环流^{[ 2~ 5]}。研究表明,青藏高原的气候近几十年来发生了明显变化,导致了该地区冰川、湖泊与冻土的改变,倍受国际社会与科学界的关注。同时,气候与水文的变化进一步影响青藏高原和周边地区的生态与环境,从而影响这一地区的社会经济发展以及更深层次的国家利益。

首先是对青藏高原地区社会经济发展的影响。冰川—湖泊-河流的共生关系形成了高原面上独有的水资源转化形式。但全球气候转暖使得青藏高原地区冰川快速融化与退缩,从而引起青藏高原一些湖泊的扩张,进而导致包括冰湖溃决、泥石流灾害、草地被淹等事件的发生,冰川的强烈退缩也引起河流洪水事件的频繁发生。这些灾害性事件过程直接影响了人民生产与生活。随着气候变化、水循环与水文条件的改变,青藏高原地区的自然生态系统正在发生明显变化,表现为林线波动,草场退化,荒漠化加剧,湖泊碳储存能力改变,对当地人民的生产和生活产生了直接的影响。因此,从地球系统科学的角度出发,开展青藏高原地区“水—冰—气—生”各圈层相互作用与社会经济系统的综合集成研究,系统揭示全球变化与青藏高原-东亚区域气候系统相互影响机制,有利于减少气候变化与异常所导致的区域自然灾害的损失,提出应对气候变化与异常的措施与适应策略,对促进青藏高原社会经济可持续发展具有重要的现实意义。

其次是对周边地区社会经济发展的影响。青藏高原地表关键因子的异常会影响到东亚区域气候环境乃至北半球气候环境。作为中低纬度地区地-气热量调节的关键地区,青藏高原冬春季节积雪面积的增加,会减弱高原的热力作用,导致次年夏季印度季风减弱,以及中国东部夏季的梅雨在时间上延长和在区域上停滞,造成长江中下游地区的大面积和长时间降水。最新研究表明气候变化导致了高原的热力作用减弱,可能与亚洲季风的减弱以及相应的极端气候事件密切相关。青藏高原是中国长江、黄河和印度次大陆及东南亚地区十大著名江河的发源地,是我国生态安全的重要屏障。尽管全球变暖导致的冰川退缩可能在短时间内增加下游河流的冰川融水补给,但从长时间来看是不可持续的过程,其后果将给以绿洲经济为主的生存环境以及整个区域社会经济的可持续发展带来重大灾难。由气候变化所导致的青藏高原水资源的变化直接影响到青藏高原周边多个国家与地区用水安全,引起了国际广泛关注。此外,高原地区荒漠化的加剧将可能造成大量沙尘直接进入对流层上部,在大气环流的作用下发生长距离的扩散,对东亚甚至北半球产生广泛影响。

鉴于此,全球变化研究国家重大科学研究计划项目“青藏高原气候系统变化及其对东亚区域的影响与机制研究”于2010年9月立项并正式启动,旨在开展青藏高原环境、地表过程、生态系统对全球变化的响应及其对周边地区人类生存环境影响的综合交叉研究,以揭示青藏高原气候系统变化及其对东亚区域的影响机制,提出前瞻性的应对气候变化与异常的策略,减少其导致的区域自然灾害的损失。该项目的研究成果不仅是对我国国家需求的贡献,也将是一个地区性的、多国区域可持续发展共享的成果。不仅有利于保障青藏高原地区的社会经济可持续发展,为国家生态安全屏障建设提供决策依据,而且有利于促进周边地区,特别是东亚地区社会经济和谐发展。

近3年来,项目组人员紧紧抓住“青藏高原气候系统变化及其对东亚区域的影响与机制研究”这一主线,充分利用青藏高原地区的地面观测平台、各个专题观测网络和项目的补充观测站点,结合航空遥感和卫星遥感技术进行综合立体观测,并通过数值模拟和数据同化等方法开展综合研究,取得了以下较为突出的进展。

(1)青藏高原“星-机-地”综合立体协同观测试验。首次于2011年7~8月在羌塘高原青藏高原腹地主影响区和藏东南生态过程与东亚水汽通道关键区域,以青藏高原地气相互作用和地表过程变化研究为目标,开展了多尺度的、多学科联合的“星-机-地”综合立体观测试验,航空试验航线见图1。完成航空飞行8个架次,获得500多GB高光谱和激光雷达航空遥感数据,800多幅热红外遥感影像,430个土壤和植被样方,200多GB地面气象水文和探空观测数据等,也搜集和获得了大量卫星遥感数据。为精细化描述青藏高原地表过程和开展遥感反演尺度转换研究积累了经验,是一次有益的尝试。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 航空试验航线规划示意图Fig.1 Flying routes of airborne remote sensing experiment

(2)青藏高原地气相互作用综合观测试验。这次地气相互作用观测试验无论从试验范围之广（覆盖大部分青藏高原）和持续时间之长（2011年5~10月的加强观测期共6个月,连续观测至今仍在继续）,还是从投入设备（100多台套）、观测站点（34个长期定位观测站点）、参与人员（超过120人）和资料获取（近800 GB,还在增加）的数量等之多,都超越了之前在青藏高原开展的几次类似的观测试验,部分站点分布见图2。还系统收集了研究区域气象水文、土壤植被、冰冻积雪和社会经济等基础资料和再分析资料。为定量和深入开展青藏高原地气相互作用和能量水分循环及其对东亚区域天气气候、生态环境和社会经济的影响与机制研究奠定了坚实的数据基础。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 高原尺度地气相互作用观测站点分布图Fig.2 Site distribution of airland interaction observation at plateau scale

(3)卫星遥感反演区域地表特征参数和能量通量研究。提出了一个MODIS遥感资料结合地面观测资料确定青藏高原地表特征参数、能量通量、地面加热场及蒸发（散）量区域分布的方法,并利用此方法推算得到了整个高原区域上的地表反射率、地表温度、净辐射通量、土壤热通量、感热通量、潜热通量和地面加热场。结果显示：推算得到的地表反射率、地表温度、净辐射通量、土壤热通量、感热通量、潜热通量和地面加热场（图3）与高原的地表分布状况十分吻合,有明显的月季变化,且各个参数的分布范围都很宽。推算得到的地表反射率、地表温度、净辐射通量、土壤热通量、感热通量、潜热通量和地面加热场与地面观测值很接近,绝对百分比误差都小于10%^{[ 6, 7]}。这为研究高海拔复杂地表地气相互作用规律提供了一条有效途径。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 卫星反演的青藏高原地面加热场分布的季节变化Fig.3 Seasonal variations of ground heating field by remote sensing in the Tibetan Plateau

(4)高原地区多对流层顶高度的确定研究。利用高分辨率的无线电探空数据观测资料分析了高原地区上对流层和下平流层的结构（图4）,发现以往得到的高原地区多对流层顶的发生频率被低估,且与对流层顶折叠紧密联系的平流层大气的下侵过程对于高原地区不同季节臭氧的变化也有显著影响。而且高原多对流层顶高度有明显的季节差异。同时结合观测资料和再分析资料给出了高原地区上下层大气交换的证据^{[ 8]}。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 (a)2008年2月25日和(b)2008年2月29日高原地区对流层风温场结构在84.25°E的纬向—高度剖面图蓝色线为动力对流层顶,红色虚线为等位温线,黑色实线为纬向风,绿色区域为西风急流位置Fig.4 Pressure latitude cross of troposphere structures over plateau at 84.25°E on (a) 25 and (b) 29 February 2008Blue line: Potential vorticity, Red: Potential temperature, Black: Zonal winds, Green area: Westerly jet

(5)高原季风指数及其与大气环流异常的关联。基于ECMWF再分析资料（ERA-Interim）,分析了青藏高原近地层低压系统的特征及其移动路径和规律。在此基础上,将高原近地层低压系统中心位置参数引入传统高原季风指数中,定义了动态高原季风指数,探讨了动态高原季风指数对大气环流异常的表征能力及两者之间的关联。结果表明,相对传统高原季风指数而言,动态指数能够更好的反映大气环流异常和气候变化特征（图5）；高原季风与南亚高压的强度和位置变化密切相关,与东亚季风和南亚季风之间也存在着某种内在联系^{[ 9]}。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 图5动态(DPMI)和传统(TPMI)高原季风指数的(a)季节和(b)年际变化Fig.5 (a) Seasonal and (b) interannual variation of dynamic (DPMI) and traditional (TPMI) plateau monsoon indices

(6)中国及青藏高原地区近几十年太阳辐射的变化趋势研究。研究发现,中国太阳辐射自20世纪60年代以来持续减弱,但趋势远小于以往的估计；在90年代初期辐射强度进入稳定期,“由暗变亮”的转变并不明显。太阳辐射变化在青藏高原地区的变化与全国平均截然不同,20世纪60年代逐步增强,70年代末开始持续减弱至今,且辐射减弱趋势远大于全国平均,更不存在所谓的“由暗变亮”的转变（图6）。由于高原地区的气溶胶浓度极低,且其变化远小于全国的平均状况,这表明青藏高原地区太阳辐射变化的成因不能简单归结于气溶胶浓度的变化,在青藏高原地区甚至不是主要因素^{[ 10]}。在青藏高原地区引起太阳辐射减弱的主要原因是水汽和深对流云的增加^{[ 11]}。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 图6中国和青藏高原地区平均的辐射变化Fig.6 Regional mean variation of solar radiation in China and in the Tibetan Plateau

(7)中国与青藏高原地区风速变化趋势研究。研究发现,中国及青藏高原地区风速变化有3个阶段（图7）：60年代末至70年代初的突然增强,到21世纪初持续减弱,直到最近几年的恢复,显示出明显的年代际变化。这一年代际变化与区域升温的梯度密切相关。当风速加剧时,高原升温比中国以北区域强烈；当风速减弱时,中国以北区域升温比高原强烈^{[ 12]}。

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 中国（CN）和青藏高原地区（TP）地表风速变化的3个阶段1974年前的加强期,1974—2002年的持续减弱期,2002年开始的稳定或恢复期Fig.7 Three stages of surface wind speed in China (CN) and in the Tibetan Plateau (TP)Strengthening before 1974, continuous weakening during 1974 to 2002, stable or recovering after 2002

(8)青藏高原春季感热源的减弱及其对亚洲夏季风和中国东部降水的影响研究。研究表明,高原春季感热减弱仍在持续,但最近5年高原地气温差迅速增加,与之前的变化趋势正好相反（图8）。高原春季感热减弱是对气候变暖随纬度不均匀分布的局地相应。这种变化反过来又影响了周边地区的气候变化,特别是对地形陡峭的高原南坡和东侧降水减少起主导作用。但对东亚季风和南亚季风总体变化趋势而言,高原的感热变化尚未产生直接影响^{[ 13]}。更进一步的研究发现,东部降水与高原春季感热减弱更可能相关,而与春季高原积雪的关系不稳定^{[ 14]}。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 青藏高原（a）中东部和（b）西部春季感热通量及与其相关的地面气温、地表温度和地表风速的变化趋势Fig.8 Time series of sensible heat (SH), ground air and skin temperature (Ta and Ts), wind speed (V10) over the (a) central-eastern and (b) western Tibetan Plateau in spring

(9)珠峰极高海拔地区土地覆被格局模拟研究。以2006年珠峰保护区解译的土地覆被信息为基础,将光谱数据（遥感影像）引入到一般Logistic模型和空间自相关的Logistic模型当中,依此来预测具体土地覆被类型的空间分布。20个相关变量,其中包括7个光谱变量,作为本模型的自变量。抽取了10 000个随机取样点用来量化分析保护区相关变量和土地覆被类型的相互关系。分别将光谱数据的加入与否来构建了相关模型,同时将空间自相关的加入与否也构建了对比模型。提高了极高海拔山地土地覆被格局空间模拟的精度^{[ 15]}。