青藏高原外源性沙尘气溶胶的时空分布、来源地分析和环境效应评估

这是一篇关于沙尘气溶胶,青藏高原,来源,环境效应,时空变化的论文, 主要内容为沙尘气溶胶作为地球大气气溶胶的重要组成部分,对全球气候、生态环境和人体健康都有重要影响。目前,国内外对青藏高原地区沙尘气溶胶的研究,借助数值模拟、卫星遥感和实地观测等手段,已经取得多方面的进展,但由于青藏高原沙尘来源复杂、气象条件变化剧烈、研究方法的局限性等,相关研究结果在回答沙尘气溶胶来源、时空分布及其气候和环境效应等科学问题上仍然存在较大的不确定性。本文依托第二次青藏高原综合科学考察研究项目,利用相关地面观测、卫星遥感、再分析资料和融合同化数据集,研究了青藏高原沙尘气溶胶分布状况、来源地气象因子和沙尘造成的气候环境效应。通过分析青藏高原地区气溶胶光学厚度AOD等光学参数和同期气象观测数据,得到青藏高原的沙尘活动时空分布特征和变化趋势;利用Dust COMM数据集分析沙尘源地的相对贡献,对比青藏高原、东亚、中东和中亚及北非等地区的对流活动、降水、风速等气象因子的差异,总结东亚、中东和中亚地区的沙尘传输机制,以及影响青藏高原的沙尘外来源特征;最后利用再分析资料和光伏能源模式,定量评估沙尘气溶胶造成的气候环境效应。(1)利用UKMO MIDAS(UK Meteorological Office MIDAS)数据集、MIDAS(Mod Is Dust Aero Sol)资料、MERRA-2再分析资料等,定量分析青藏高原沙尘气溶胶粒径、光学参数、地面浓度等变量的时空特征,及1980年代以来沙尘天气发生频数的变化趋势。根据红外差值沙尘指数(IDDI)和沙尘气溶胶光学厚度(DOD)分布状况,青藏高原整体沙尘活动在春季最为活跃。沙尘气溶胶浓度从北向南呈下降趋势,高原中部地区是气溶胶分布的低值区域,青藏高原东北部柴达木盆地上空存在着气溶胶浓度高值区。青藏高原西部的羌塘高原地区在春季和夏季都存在着IDDI分布的高值区域,沙尘活动强度远高于高原其他区域。根据地面气象观测记录,观测期间以来的最高值出现在青藏高原西北部的天山山脉地区,该区域的站点在1980年代观测到的沙尘日数为143。此外,高原南缘也有季节性的高值区分布,主要存在于夏季和冬季,与外源性气溶胶传输活动有关。从青藏高原内部不同区域来分析,沙尘气溶胶变化趋势也存在差异:高原中部地区沙尘日数无明显时间变化;高原北部和南部2000年之后,沙尘活动频率和强度均表现为降低趋势。(2)利用CALIPSO L2 VFM资料、Dust COMM(Dust Constraints from joint Observational-Modelling-experi Mental analysis)数据集、ERA5再分析资料等,分析青藏高原沙尘气溶胶的来源地相对贡献和影响沙尘传输机制的气象因子,总结不同传输机制的主导影响因子。中东和中亚地区的沙尘在释放和远距离传输过程中,中高空风场和对流活动是主导因素,降水是抑制因素;东亚地区的沙尘传输活动,主要集中在低层近地面处,地形和近地面风速的影响更为显著。青藏高原沙尘气溶胶主要来源是东亚地区、中东和中亚地区、北非地区,占比分别约为45%至58%,32%至38%,6%至13%。不同沙尘源地在不同沙尘参数上的相对贡献有明显区别,其中东亚地区沙尘对于青藏高原近地面处和地面沉降的沙尘贡献率高于沙尘负荷,同时对青藏高原上空沙尘气溶胶光学厚度DOD贡献较小;在中东、中亚地区和北非地区沙尘对DOD和沙尘负载有更高的贡献率,对沙尘沉降贡献较少。不同沙尘源地对青藏高原沙尘气溶胶在垂直方向上分布的贡献存在差异:东亚地区沙尘对近地面处的贡献率较高,而中东和中亚地区和北非地区对近地面以上的大气层贡献较高。东亚地区和中东、中亚地区在风速、沙尘抬升和对流活动等气象因子综合作用下,具有垂直分布迥异的外源沙尘传输特征,进一步影响了青藏高原地区沙尘气溶胶的垂直结构。(3)利用MERRA-2再分析资料、CERES-SYN辐射数据和光伏能源模式PVLIB,分析沙尘气溶胶造成的气候和环境效应。青藏高原地区因沙尘气溶胶积尘效应造成的光伏能源亏损在春季最大(38.9 W·m-2),在夏季最小(30.3 W·m-2),而羌塘高原和柴达木盆地的光伏能源亏损最高可超过100.0 W·m-2。青藏高原地面处的多年平均气溶胶短波辐射强迫约为-4.38W·m-2。如果考虑大气削弱、云和气溶胶粒子相互作用的影响,青藏高原短波辐射通量在地面和大气层顶处的差值在夏季达到最强;而长波辐射通量在青藏高原地区地面处则发挥加热作用,在夏季地面处和大气层顶的长波辐射通量差值约为151W·m-2。沙尘气溶胶对于光伏能源利用和转化的影响远远大于太阳辐射强迫:春季、夏季、秋季和冬季的因积尘效应损失的光伏能源多年平均分别为38.9、30.3、36.2和35.4 W·m-2,积尘效应造成的青藏高原地区光伏能源损失量值大于塔克拉玛干沙漠、南亚次大陆北部等气溶胶分布高值区的直接辐射强迫(约-30.0 W·m-2)。羌塘高原和柴达木盆地是光伏能源损失的高值区,由于春季降水较弱和风沙活动活跃,光伏能源损失最高超过了100.0 W·m-2。

基于时间序列遥感数据AVHRR-LTDR青藏高原近三十年积雪时空演变分析

这是一篇关于青藏高原,遥感,积雪,时空演变的论文, 主要内容为积雪是地球外部圈层水圈的地理要素之一,也是研究地球表层循环系统的重要要素之一。青藏高原作为世界第三极因其特殊的地理条件使其成为中国大陆主要积雪区之一,就全球尺度而言,青藏高原地区积雪长时间序列时空演变分析结果对于认识我国气候、亚洲夏季风和东亚区域气候乃至全球气候系统都具有十分重要的意义;就区域尺度而言,青藏高原积雪时空演变分析对于该地区草地生态系统水资源供给、青藏高原地区雪灾预测以及相关河流洪水量预测有重要的现实意义。论文主要以遥感数据建模与生态学应用两方面为重点,以创新的积雪反演模型为基础研究青藏高原近三十年积雪时空演变。完成积雪反演模型的研究,已制作1982至2012年AVHRR-LTDR雪盖反演产品,并完成1982年至2012年青藏高原积雪时空演变分析。主要研究内容如下:(1)创建以LTDR数据与数字高程模型为基础的积雪反演模型,模型利用数字高程模型部分消除山区阴影对积雪反演的影响,多时相合成则消除了云的干扰,应用动态阈值法解决了高程对雪面亮度温度值的影响,建立一套完整的AVHRR雪盖产品处理系统。完成雪盖产品精度验证,通过与实测数据对比验证,LTDR雪盖反演产品积雪识别精度达到93.9%,KAPPA系数达到0.765。根据多时相动态阈值模型提取的雪盖信息结果以及由雪盖信息进一步处理得到了各积雪参数。(2)在雪盖产品的基础上完成积雪面积与雪盖日数的计算,以水文年为单位整合计算结果,分析青藏高原多年月均雪盖时空分布及高原内部各生态区的差异,青藏高原整体雪盖面积在9月份达到最低值6.3%,从10月份开始积雪面积迅速上升,在次年的3月份达到雪盖最大值29.4%,积雪消融速率明显慢于积雪累积速率。高原内部各生态区多年月均雪盖面积呈现差异性,青藏高原腹地同属半干旱的四个生态分区表现出较为一致的多年月均积雪演变特征,而高原温带湿润/半湿润生态分区呈现明显的滞后性,其积雪覆盖出现最小值较其他地区平均延后两个月。(3)以年均雪盖面积、日数为基础完成青藏高原1982至2012年际雪盖时空变化,结果显示1984、1990、1998、2003为异常少雪年,1982、1985、1997、2007为异常多雪年;各生态区之间呈现明显差异,青藏高原中部腹地同属半干旱的四个地理分区呈现较为一致的变化趋势,其余个生态分区则表现出不同变化趋势;整个青藏高原在1998年之前年均积雪面积变动较为剧烈,1998年之后积雪变动较为平缓。在积雪空间分布上,积雪变化的主要地区集中在高原腹地及东西向延伸的广大地区,冈底斯山脉南部的藏南谷地、云贵高原的西北部、柴达木盆地与祁连山东南部地区则表现出全年无雪的特征,喜马拉雅山脉、念青唐古拉山脉以及昆仑山脉地区则为常年积雪区。(4)以积雪期开始日期与积雪期结束日期为基数完成青藏高原1982至2012年积雪时空物候变化,分析积雪物候的空间差异和空间趋势,并发现高原积雪物候并不具有纬向性特征这一规律,而且有些年份积雪的开始期与结束期以青藏高原腹地为起始区域;在积雪物候的时间序列上发现部分生态区的积雪物候期波动较大。(5)分季节分生态区计算积雪与温度、降水象元级相关性,结果显示青藏高原腹地唐古拉山地区的生态分区冬季年均积雪与年均温度呈现显著相关性,调整后的R2达到0.76,显著性水平小于0.01,青藏高原大部分生态分区在秋冬呈现出积雪与降水较强的相关性并通过了显著性水平检验,春季则没有明显的相关性,可能与春季温度升高,日均温达到0度以上,积雪无法稳定存在有关。(6)综合比较各生态分区的积雪分布特征,研究结果显示:青藏高原腹地即唐古拉山地区相邻的两个半干旱生态分区具有年际积雪面积波动大、积雪物候波动大以及与温度呈现显著负相关,与降水呈现显著正相关的特点,而该地区即覆盖长江与黄河的源头——三江源地区,也是青藏高原主要放牧区,因此,研究结果对于下游洪水量的预测以及牧民雪灾防范具有实际的指导意义。

青藏高原高时空分辨率NDVI时间序列数据重建及应用

这是一篇关于青藏高原,NDVI,高时空分辨率,时间序列,数据重建,GEE,湖泊变化,驱动因素的论文, 主要内容为地球“第三极”青藏高原(Qinghai-Tibetan Plateau,QTP)是世界上最大的高山生态区,对当前的全球气候变化极为敏感,是全球生态研究的热点区域。基于光学遥感卫星的归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)时间序列数据可以反映地表植被时相动态变化特征,是生态遥感研究中最广泛使用的基础数据。然而,受限于青藏高原复杂地形、多云雾天气条件,目前可获取的青藏高原NDVI时序数据仍无法满足应用需求,如空间分辨率较粗(如250米MODIS NDVI)或时相不连续(如30米Landsat NDVI)。为此,本论文研究重建了2000-2020年青藏高原地区高时空分辨率(30米-8天)NDVI数据集,并应用该数据集揭示了高原湖泊水体面积的高时空变化特征,具体研究工作包括:(1)研制了青藏高原地区2000-2020年高时空分辨率的NDVI时间序列(称为QTP-NDVI30)。通过融合30米Landsat和250米MODIS NDVI时间序列数据,获得空间分辨率为30米,时间分辨率为8天的高质量数据集。QTP-NDVI30的研制使用了2000-2020年高原区域所有可用的Landsat 5/7/8影像(>10万景),重建方法基于最近开发的Gap-Filling和Savitzky-Golay滤波(GF-SG)方法,并在此基础上增加了去除积雪污染模块,以提高在青藏高原地区的适用性和稳健性。我们对QTP-NDVI30进行了全面的精度评估。首先,我们在青藏高原地区随机选取了100个生长季(7-9月)期间无云的Landsat影像区域,重建数据与其相比,平均绝对误差(MAE)为0.022,空间结构相似性(SSIM)为0.941。其次,我们在青藏高原地形变化明显的区域将QTP-NDVI30与无云的3米空间分辨率Planet高分影像进行比较,观察到了一致的空间变化(平均SSIM=0.874)。我们进一步基于QTP-NDVI30产品估算了30米空间分辨率的植被返青期,将30米的植被返青期与250米空间分辨率的MODIS返青期产品比较,二者在空间上具有相似的空间分布,但QTP-NDVI30提供了更丰富的空间细节变化信息。QTP-NDVI30已发布在国家青藏高原数据中心(https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/data/80ee374d-b956-4c51-9572-ee4f6017e0d7),下载量已达3257.52TB(截止2023.3.15)。(2)揭示了青藏高原2011-2018年湖泊面积的时空变化特征。QTP-NDVI30的高时空分辨率特征将为高原生态研究带来新的契机,我们使用QTP-NDVI30数据集,首先基于改进的Land Trendr变化检测模型,检测了高原上所有面积大于1km2的湖泊面积变化,并且可检测到湖泊面积变化的具体时间(Landsat原始数据无法获取变化时间)。在青藏高原地区随机选取了100个湖泊变化对象,将QTP-NDVI30探测结果与8月份的Planet高分影像进行对比评价,结果显示二者在时间和空间上均保持较高的一致性(平均总体精度为0.701,精确度为0.878,召回率为0.807)。此外,我们分析了青藏高原湖泊面积的变化趋势及主要驱动因素。实验结果表明,青藏高原2011-2018年湖泊变化特征主要分为三个阶段:第一阶段(2011-2015年)为缓慢增长期,湖泊面积总体呈扩张趋势,但扩张速率逐年下降(Trend=-24.97 km2/yr;第二阶段(2015-2017年)为快速增长期,湖泊总面积迅速增大(Trend=469.22 km2/yr);第三阶段(2017-2018年)回归至缓慢增长期,且该阶段湖泊扩张的下降速率(Trend=-133.74 km2/yr)大于第一阶段。其次,我们对面积大小不同的湖泊变化情况进行了分析,结果表明湖泊面积在一定范围内(<50km2),湖泊变化面积与其自身面积呈正相关。最后,我们研究了气候特征(潜在蒸散量、不同季节的温度和降水)对青藏高原湖泊变化的驱动影响,结果表明:春冬季(10-4月)降水特征是青藏高原湖泊变化的主要驱动因素,贡献度为53.4%,其次是贡献度为16.14%的夏秋季(5-9月)降水特征和贡献度为13.42%的温度特征。

青藏高原外源性沙尘气溶胶的时空分布、来源地分析和环境效应评估

这是一篇关于沙尘气溶胶,青藏高原,来源,环境效应,时空变化的论文, 主要内容为沙尘气溶胶作为地球大气气溶胶的重要组成部分,对全球气候、生态环境和人体健康都有重要影响。目前,国内外对青藏高原地区沙尘气溶胶的研究,借助数值模拟、卫星遥感和实地观测等手段,已经取得多方面的进展,但由于青藏高原沙尘来源复杂、气象条件变化剧烈、研究方法的局限性等,相关研究结果在回答沙尘气溶胶来源、时空分布及其气候和环境效应等科学问题上仍然存在较大的不确定性。本文依托第二次青藏高原综合科学考察研究项目,利用相关地面观测、卫星遥感、再分析资料和融合同化数据集,研究了青藏高原沙尘气溶胶分布状况、来源地气象因子和沙尘造成的气候环境效应。通过分析青藏高原地区气溶胶光学厚度AOD等光学参数和同期气象观测数据,得到青藏高原的沙尘活动时空分布特征和变化趋势;利用Dust COMM数据集分析沙尘源地的相对贡献,对比青藏高原、东亚、中东和中亚及北非等地区的对流活动、降水、风速等气象因子的差异,总结东亚、中东和中亚地区的沙尘传输机制,以及影响青藏高原的沙尘外来源特征;最后利用再分析资料和光伏能源模式,定量评估沙尘气溶胶造成的气候环境效应。(1)利用UKMO MIDAS(UK Meteorological Office MIDAS)数据集、MIDAS(Mod Is Dust Aero Sol)资料、MERRA-2再分析资料等,定量分析青藏高原沙尘气溶胶粒径、光学参数、地面浓度等变量的时空特征,及1980年代以来沙尘天气发生频数的变化趋势。根据红外差值沙尘指数(IDDI)和沙尘气溶胶光学厚度(DOD)分布状况,青藏高原整体沙尘活动在春季最为活跃。沙尘气溶胶浓度从北向南呈下降趋势,高原中部地区是气溶胶分布的低值区域,青藏高原东北部柴达木盆地上空存在着气溶胶浓度高值区。青藏高原西部的羌塘高原地区在春季和夏季都存在着IDDI分布的高值区域,沙尘活动强度远高于高原其他区域。根据地面气象观测记录,观测期间以来的最高值出现在青藏高原西北部的天山山脉地区,该区域的站点在1980年代观测到的沙尘日数为143。此外,高原南缘也有季节性的高值区分布,主要存在于夏季和冬季,与外源性气溶胶传输活动有关。从青藏高原内部不同区域来分析,沙尘气溶胶变化趋势也存在差异:高原中部地区沙尘日数无明显时间变化;高原北部和南部2000年之后,沙尘活动频率和强度均表现为降低趋势。(2)利用CALIPSO L2 VFM资料、Dust COMM(Dust Constraints from joint Observational-Modelling-experi Mental analysis)数据集、ERA5再分析资料等,分析青藏高原沙尘气溶胶的来源地相对贡献和影响沙尘传输机制的气象因子,总结不同传输机制的主导影响因子。中东和中亚地区的沙尘在释放和远距离传输过程中,中高空风场和对流活动是主导因素,降水是抑制因素;东亚地区的沙尘传输活动,主要集中在低层近地面处,地形和近地面风速的影响更为显著。青藏高原沙尘气溶胶主要来源是东亚地区、中东和中亚地区、北非地区,占比分别约为45%至58%,32%至38%,6%至13%。不同沙尘源地在不同沙尘参数上的相对贡献有明显区别,其中东亚地区沙尘对于青藏高原近地面处和地面沉降的沙尘贡献率高于沙尘负荷,同时对青藏高原上空沙尘气溶胶光学厚度DOD贡献较小;在中东、中亚地区和北非地区沙尘对DOD和沙尘负载有更高的贡献率,对沙尘沉降贡献较少。不同沙尘源地对青藏高原沙尘气溶胶在垂直方向上分布的贡献存在差异:东亚地区沙尘对近地面处的贡献率较高,而中东和中亚地区和北非地区对近地面以上的大气层贡献较高。东亚地区和中东、中亚地区在风速、沙尘抬升和对流活动等气象因子综合作用下,具有垂直分布迥异的外源沙尘传输特征,进一步影响了青藏高原地区沙尘气溶胶的垂直结构。(3)利用MERRA-2再分析资料、CERES-SYN辐射数据和光伏能源模式PVLIB,分析沙尘气溶胶造成的气候和环境效应。青藏高原地区因沙尘气溶胶积尘效应造成的光伏能源亏损在春季最大(38.9 W·m-2),在夏季最小(30.3 W·m-2),而羌塘高原和柴达木盆地的光伏能源亏损最高可超过100.0 W·m-2。青藏高原地面处的多年平均气溶胶短波辐射强迫约为-4.38W·m-2。如果考虑大气削弱、云和气溶胶粒子相互作用的影响,青藏高原短波辐射通量在地面和大气层顶处的差值在夏季达到最强;而长波辐射通量在青藏高原地区地面处则发挥加热作用,在夏季地面处和大气层顶的长波辐射通量差值约为151W·m-2。沙尘气溶胶对于光伏能源利用和转化的影响远远大于太阳辐射强迫:春季、夏季、秋季和冬季的因积尘效应损失的光伏能源多年平均分别为38.9、30.3、36.2和35.4 W·m-2,积尘效应造成的青藏高原地区光伏能源损失量值大于塔克拉玛干沙漠、南亚次大陆北部等气溶胶分布高值区的直接辐射强迫(约-30.0 W·m-2)。羌塘高原和柴达木盆地是光伏能源损失的高值区,由于春季降水较弱和风沙活动活跃,光伏能源损失最高超过了100.0 W·m-2。

青藏高原近15年积雪时空变化及其与气候因子关系研究

这是一篇关于青藏高原,雪盖日数,雪盖面积,自然地带,气候因子的论文, 主要内容为积雪是地表覆盖的重要组成成分,是地球表面最活跃的自然因素之一,而青藏高原作为全球同纬度地区中海拔最高的地域,在全球气候变暖的背景下,其积雪是受影响最为直接与显著的圈层。积雪的动态变化能够影响地球表面反射率、气候变化、水文循环系统、大气环流和能量平衡。同时积雪的增长与融化交替过程直接影响着土壤水热环境与植被的生长,进一步影响动物和微生物的活动节律,从而对植物群落产生深刻的影响。因此,研究近年来青藏高原积雪时空变化特征及在不同尺度上与气候因子之间的关系具有重要的社会、经济和生态意义。本文以青藏高原为研究区,利用10350景MODIS雪盖产品,128个地面气象台站数据,数字高程模型数据,自然地带分区数据等,经几何校正、投影转换、去云处理、镶嵌剪切等,得到青藏高原在2001-2015年间的积雪覆盖图,以此为原始数据,进行后续的地理信息系统处理和基于SPSS和R的统计分析,研究了15年雪盖面积和雪盖日数的年内和年际间的时空变化。将不同季节的雪盖面积、不同自然地带的雪盖日数变化与多种气候因子进行相关和逐步回归分析,系统揭示了不同气候因子对青藏高原积雪变化影响的时空差异性及贡献,结果表明：(1)青藏高原雪盖的年内变化表现为“双峰单谷型”,峰值在2月中旬和10月下旬,低谷在7月下旬,雪盖的积累和消融过程并不是稳定的,具有波动性。研究区冬季雪盖范围最大(约占21.45%),春季次之,夏季(5.63%)远低于其他三个季节。青藏高原近15年,年均雪盖面积在36.3-49.1万km2,2002、2005和2008年是多雪年,而2001、2003和2010是少雪年,年均值在15年中呈缓慢波动性减少,变化幅度不大,线性倾向率为-1.82万km2/10a,总体上,2011-2015这5年的雪盖范围比研究期前两个5年出现较为明显的下降。高原融雪主要发生在夏季,夏季雪盖在年际间呈现缓慢波动式减少的趋势,尤其在2001-2014年间,变化的线性倾向率为-3.15万km2/10a,下降趋势极显著(p=0.007)。秋季雪盖的变化对于高原年均值的贡献最大(r=0.778),其次为冬季(r=0.667)。研究期内高原不同月份雪盖年际变化多数呈现微弱降低的趋势。青藏高原冬季积雪分布形成了四周高海拔山区面积大,中部低海拔腹地面积小的空间格局,空间分布不均,高值区与各大山脉的分布较为一致,亚寒带所包含的几个自然地带积雪覆盖丰富。冬季某些块状分布的积雪聚集区在春季变为片状分散分布,但春季雪盖未出现大面积消融,夏季积雪的分布主要位于高海拔的山区,雪盖在夏季向秋季过渡时得到迅速地累积和扩展,且同样始于高海拔山区。(2)从高原不同雪盖日数的面积来看,呈不稳定积雪区>短日数积雪区>中日数积雪区>终年无雪区>长日数积雪区>终年积雪区。长日数积雪区和终年积雪区在研究期内,其范围总体上呈现出显著下降的趋势(P<0.05和P<0.01),终年无雪区和不稳定积雪区都有微弱的上升趋势,但变化不显著。雪盖日数较长的区域主要分布在高原的西北和南部部分地区及高原边缘地带,雪盖日数的变化与海拔存在一定的相关性,昆仑山、喀喇昆仑山、祁连山、唐古拉山、喜马拉雅山、念青唐古拉山是较长日数积雪覆盖存在的主要山脉。高原雪盖日数在2001-2005、2006-2010、2011-2015三个时段的变化,存在明显的时空差异性,但三个时段雪盖日数变化的区域均以减少为主,尤其在2006-2010年和2011-2015年,雪盖日数减少的区域占总面积的一半以上。2001-2015年雪盖日数增加(S>0)的区域约0.13%,而减少(S<0)的区域约占57.35%,主要为轻度减少,散落分布在青藏高原的大部分地区,同时,雪盖日数基本不变(S=0)的区域占42.15%,散布于高原的各个地区,尤以中部地区较多。青藏高原多数自然地带的雪盖日数在15年间呈现出波动下降的趋势,其中川西藏东山地的下降趋势较为显著。雪盖日数在不同温度带的表现为：高原亚寒带>高原温带>山地亚热带,呈现出与青藏高原气候从东南温暖湿润向西北寒冷干旱的过渡变化相一致的总体格局。(3)通过对青藏高原2001-2014年不同季节的雪盖面积变化与气候因子的相关分析表明,气温、湿度、降水量≥0.1mm日数(降水日数)、降水量以及水汽压与雪盖面积的相关性较高。气温、水汽压主要呈负相关,而湿度、降水日数、降水量则主要呈正相关。气温与夏季雪盖变化呈极显著负相关(r=-0.708；p<0.01),冬季的湿度、降水日数与雪盖面积呈明显正相关(r=0.676,p<0.01；r=0.600,p<0.05),且同时与气温呈显著负相关(r=0.554；p<0.01)。逐步回归发现春季和秋季雪盖面积受多种气候因子共同影响,而春秋季雪盖变化的主导因素是湿度和水汽压。夏季雪盖变化属气温驱动类型,随着气温在近年来以0.3℃/10a的速度呈波动上升,相应地,夏季雪盖面积以-1.29万km2/10a的速度缩减。冬季雪盖变化对湿度最为敏感(p<0.01),湿冷的气候有利于冬季积雪的维持和扩展。在不同自然地带,雪盖日数变化与气候因子的相关性具有空间差异性。具体表现为,气温、日照时数、日照百分率与雪盖日数主要呈现负相关,而平均相对湿度、日降水量>0.1mm日数与雪盖日数则主要为正相关关系,不同自然地带降水量对雪盖日数的影响呈现出相反的结果。通过逐步回归发现,青藏高原大部分自然地带雪盖日数对气温和湿度的变化最为敏感,阿里山地影响雪盖日数变化的气候因子是典型的气温-湿度主导类型。藏南山地和青东祁连山地的雪盖日数受到气温的显著负影响,果洛那曲的湿度对雪盖日数具有主导作用,水汽压也是影响青藏高原部分自然地带雪盖日数的重要气候因子,而降水日数是驱动青南高寒雪盖日数变化的显著积极因子。综上,不同地带雪盖日数对各个重要气候因子的敏感性不同,且气候驱动类型和因子贡献率有所差异。

利用COSMIC掩星资料研究青藏高原地区大气边界层高度

这是一篇关于GPS掩星,边界层高度,青藏高原的论文, 主要内容为青藏高原地区特殊的地形造就了高原边界层的独特性和复杂性。其强大的热力和动力作用对中国东部、南部地区甚至全球天气和气候都有着重要影响。而青藏高原对大气的作用是通过其边界层对大气造成影响的。受到青藏高原观测条件的限制,以往关于高原边界层的研究都是基于个别站点的常规观测,对青藏高原边界层的整体性认识受限。GPS掩星资料具有测量精度高和垂直分辨率高的特性,其廓线中含有大量有价值的边界层信息。利用2007—2013年COSMIC掩星资料,通过计算大气折射率最小梯度来确定边界层高度,并用无线电探空资料对结果进行了检验。在此基础上,对青藏高原地区边界层高度的特征及其形成机制展开了研究,比较了 COSMIC掩星确定的边界层高度和ERA-Int的差别,讨论了最小梯度法用于边界层研究的不确定性。结果表明:青藏高原上COSMIC掩星和无线电探空数据检测的边界层高度相关系数为0.786,平均值偏差为0.049 km,均方根误差为0.363 km,COSMIC掩星数据检测的边界层高度和无线电探空的结果非常接近。青藏高原上边界层高度呈现西高东低的分布特征,高原中西部边界层高度主要为1.8—2.3 km,而高原东部边界层为1.4—1.8 km,最大值在高原西南部。青藏高原地区边界层有明显的季节差异,冬季高原上大部分地区边界层高度超过2.0 km;春季大部分地区在降低,但在受印度季风影响的高原南部有明显的抬升,最大值可超过3.0 km;夏季高原上边界层高度开始增大,大部分地区超过1.8km;秋季又开始回落。高原以北塔克拉玛干沙漠和高原以南印度季风活动区是两个高值区,北部的沙漠地区边界层高度在夏季最强,南部印度季风活动区在季风爆发前(4月)达到全年最大值。高原中西部地区有水平风辐合以及广泛的上升运动,为边界层的发展提供了动力条件,而东部的下沉运动对边界层的发展有抑制作用。青藏高原边界层各个季节的空间分布与地表感热通量分布一致。COSMIC掩星资料确定的边界层高度和ERA-Int相比,空间分布基本一致但ERA-Int边界层高度明显偏低。当有系统性强逆温存在的时候,或者云中液态水或冰水含量较大时,用最小梯度法检测的边界层高度不确定性增加。本文利用COSMIC掩星观测资料研究高原边界层高度,探讨了其形成机制,从整体上认识了高原边界层特征,弥补了以往观测资料的不足,以期为青藏高原边界层的参数化提供一些参考和依据。在将来的研究工作中还将发展更为完善的算法,将更多的GPS掩星资料应用于青藏高原边界层的研究。

基于时间序列遥感数据AVHRR-LTDR青藏高原近三十年积雪时空演变分析

这是一篇关于青藏高原,遥感,积雪,时空演变的论文, 主要内容为积雪是地球外部圈层水圈的地理要素之一,也是研究地球表层循环系统的重要要素之一。青藏高原作为世界第三极因其特殊的地理条件使其成为中国大陆主要积雪区之一,就全球尺度而言,青藏高原地区积雪长时间序列时空演变分析结果对于认识我国气候、亚洲夏季风和东亚区域气候乃至全球气候系统都具有十分重要的意义;就区域尺度而言,青藏高原积雪时空演变分析对于该地区草地生态系统水资源供给、青藏高原地区雪灾预测以及相关河流洪水量预测有重要的现实意义。论文主要以遥感数据建模与生态学应用两方面为重点,以创新的积雪反演模型为基础研究青藏高原近三十年积雪时空演变。完成积雪反演模型的研究,已制作1982至2012年AVHRR-LTDR雪盖反演产品,并完成1982年至2012年青藏高原积雪时空演变分析。主要研究内容如下:(1)创建以LTDR数据与数字高程模型为基础的积雪反演模型,模型利用数字高程模型部分消除山区阴影对积雪反演的影响,多时相合成则消除了云的干扰,应用动态阈值法解决了高程对雪面亮度温度值的影响,建立一套完整的AVHRR雪盖产品处理系统。完成雪盖产品精度验证,通过与实测数据对比验证,LTDR雪盖反演产品积雪识别精度达到93.9%,KAPPA系数达到0.765。根据多时相动态阈值模型提取的雪盖信息结果以及由雪盖信息进一步处理得到了各积雪参数。(2)在雪盖产品的基础上完成积雪面积与雪盖日数的计算,以水文年为单位整合计算结果,分析青藏高原多年月均雪盖时空分布及高原内部各生态区的差异,青藏高原整体雪盖面积在9月份达到最低值6.3%,从10月份开始积雪面积迅速上升,在次年的3月份达到雪盖最大值29.4%,积雪消融速率明显慢于积雪累积速率。高原内部各生态区多年月均雪盖面积呈现差异性,青藏高原腹地同属半干旱的四个生态分区表现出较为一致的多年月均积雪演变特征,而高原温带湿润/半湿润生态分区呈现明显的滞后性,其积雪覆盖出现最小值较其他地区平均延后两个月。(3)以年均雪盖面积、日数为基础完成青藏高原1982至2012年际雪盖时空变化,结果显示1984、1990、1998、2003为异常少雪年,1982、1985、1997、2007为异常多雪年;各生态区之间呈现明显差异,青藏高原中部腹地同属半干旱的四个地理分区呈现较为一致的变化趋势,其余个生态分区则表现出不同变化趋势;整个青藏高原在1998年之前年均积雪面积变动较为剧烈,1998年之后积雪变动较为平缓。在积雪空间分布上,积雪变化的主要地区集中在高原腹地及东西向延伸的广大地区,冈底斯山脉南部的藏南谷地、云贵高原的西北部、柴达木盆地与祁连山东南部地区则表现出全年无雪的特征,喜马拉雅山脉、念青唐古拉山脉以及昆仑山脉地区则为常年积雪区。(4)以积雪期开始日期与积雪期结束日期为基数完成青藏高原1982至2012年积雪时空物候变化,分析积雪物候的空间差异和空间趋势,并发现高原积雪物候并不具有纬向性特征这一规律,而且有些年份积雪的开始期与结束期以青藏高原腹地为起始区域;在积雪物候的时间序列上发现部分生态区的积雪物候期波动较大。(5)分季节分生态区计算积雪与温度、降水象元级相关性,结果显示青藏高原腹地唐古拉山地区的生态分区冬季年均积雪与年均温度呈现显著相关性,调整后的R2达到0.76,显著性水平小于0.01,青藏高原大部分生态分区在秋冬呈现出积雪与降水较强的相关性并通过了显著性水平检验,春季则没有明显的相关性,可能与春季温度升高,日均温达到0度以上,积雪无法稳定存在有关。(6)综合比较各生态分区的积雪分布特征,研究结果显示:青藏高原腹地即唐古拉山地区相邻的两个半干旱生态分区具有年际积雪面积波动大、积雪物候波动大以及与温度呈现显著负相关,与降水呈现显著正相关的特点,而该地区即覆盖长江与黄河的源头——三江源地区,也是青藏高原主要放牧区,因此,研究结果对于下游洪水量的预测以及牧民雪灾防范具有实际的指导意义。

基于时间序列遥感数据AVHRR-LTDR青藏高原近三十年积雪时空演变分析

这是一篇关于青藏高原,遥感,积雪,时空演变的论文, 主要内容为积雪是地球外部圈层水圈的地理要素之一,也是研究地球表层循环系统的重要要素之一。青藏高原作为世界第三极因其特殊的地理条件使其成为中国大陆主要积雪区之一,就全球尺度而言,青藏高原地区积雪长时间序列时空演变分析结果对于认识我国气候、亚洲夏季风和东亚区域气候乃至全球气候系统都具有十分重要的意义;就区域尺度而言,青藏高原积雪时空演变分析对于该地区草地生态系统水资源供给、青藏高原地区雪灾预测以及相关河流洪水量预测有重要的现实意义。论文主要以遥感数据建模与生态学应用两方面为重点,以创新的积雪反演模型为基础研究青藏高原近三十年积雪时空演变。完成积雪反演模型的研究,已制作1982至2012年AVHRR-LTDR雪盖反演产品,并完成1982年至2012年青藏高原积雪时空演变分析。主要研究内容如下:(1)创建以LTDR数据与数字高程模型为基础的积雪反演模型,模型利用数字高程模型部分消除山区阴影对积雪反演的影响,多时相合成则消除了云的干扰,应用动态阈值法解决了高程对雪面亮度温度值的影响,建立一套完整的AVHRR雪盖产品处理系统。完成雪盖产品精度验证,通过与实测数据对比验证,LTDR雪盖反演产品积雪识别精度达到93.9%,KAPPA系数达到0.765。根据多时相动态阈值模型提取的雪盖信息结果以及由雪盖信息进一步处理得到了各积雪参数。(2)在雪盖产品的基础上完成积雪面积与雪盖日数的计算,以水文年为单位整合计算结果,分析青藏高原多年月均雪盖时空分布及高原内部各生态区的差异,青藏高原整体雪盖面积在9月份达到最低值6.3%,从10月份开始积雪面积迅速上升,在次年的3月份达到雪盖最大值29.4%,积雪消融速率明显慢于积雪累积速率。高原内部各生态区多年月均雪盖面积呈现差异性,青藏高原腹地同属半干旱的四个生态分区表现出较为一致的多年月均积雪演变特征,而高原温带湿润/半湿润生态分区呈现明显的滞后性,其积雪覆盖出现最小值较其他地区平均延后两个月。(3)以年均雪盖面积、日数为基础完成青藏高原1982至2012年际雪盖时空变化,结果显示1984、1990、1998、2003为异常少雪年,1982、1985、1997、2007为异常多雪年;各生态区之间呈现明显差异,青藏高原中部腹地同属半干旱的四个地理分区呈现较为一致的变化趋势,其余个生态分区则表现出不同变化趋势;整个青藏高原在1998年之前年均积雪面积变动较为剧烈,1998年之后积雪变动较为平缓。在积雪空间分布上,积雪变化的主要地区集中在高原腹地及东西向延伸的广大地区,冈底斯山脉南部的藏南谷地、云贵高原的西北部、柴达木盆地与祁连山东南部地区则表现出全年无雪的特征,喜马拉雅山脉、念青唐古拉山脉以及昆仑山脉地区则为常年积雪区。(4)以积雪期开始日期与积雪期结束日期为基数完成青藏高原1982至2012年积雪时空物候变化,分析积雪物候的空间差异和空间趋势,并发现高原积雪物候并不具有纬向性特征这一规律,而且有些年份积雪的开始期与结束期以青藏高原腹地为起始区域;在积雪物候的时间序列上发现部分生态区的积雪物候期波动较大。(5)分季节分生态区计算积雪与温度、降水象元级相关性,结果显示青藏高原腹地唐古拉山地区的生态分区冬季年均积雪与年均温度呈现显著相关性,调整后的R2达到0.76,显著性水平小于0.01,青藏高原大部分生态分区在秋冬呈现出积雪与降水较强的相关性并通过了显著性水平检验,春季则没有明显的相关性,可能与春季温度升高,日均温达到0度以上,积雪无法稳定存在有关。(6)综合比较各生态分区的积雪分布特征,研究结果显示:青藏高原腹地即唐古拉山地区相邻的两个半干旱生态分区具有年际积雪面积波动大、积雪物候波动大以及与温度呈现显著负相关,与降水呈现显著正相关的特点,而该地区即覆盖长江与黄河的源头——三江源地区,也是青藏高原主要放牧区,因此,研究结果对于下游洪水量的预测以及牧民雪灾防范具有实际的指导意义。