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期刊信息/Journal information
高原气象
高原气象

吕世华

双月刊

1000-0534

gybjb@lzb.ac.cn gyqx@lzb.ac.cn

0931-4967002

730000

甘肃省兰州市东岗西路322号

高原气象/Journal Plateau MeteorologyCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>本刊是全国性大气科学学术期刊之一， 努力反映高原气象学及其相关学科领域具有创造性和高水平的新成果， 新观点、 新动向。推动高原气象学及相关学科的发展， 促进国内外学术交流， 传播高原气象学和全球气候变化相关的科学知识， 为国民经济发展和西部大开发战略服务。重点报导青藏高原以其强烈的隆升， 独特的自然环境、 丰富的自然资源和对周边地区气候与环境的深刻影响， 及邻近地区的天气气候及大气物理、 化学等的观测事实， 大气环流理论， 预报预测方法， 高原大地形的动力和热力影响等， 也报导相关学科的研究成果， 本刊设学术论文、 短论、 研究简报、 学术讨论、 经验交流和综合评述等栏目。
正式出版
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    三江源冻土-植被相互作用及气候效应研究现状及展望

    罗斯琼李红梅马迪李文静...
    255-267页
    查看更多>>摘要：三江源冻土、植被二者之间存在着强烈的相互作用的关系,并通过改变土壤水热特性以及地表-大气间的能量和水分交换过程影响局地气候,加快或减缓气候变化,源区的生态安全面临挑战.本文综述了近几十年来三江源区冻土、植被特征及变化趋势、冻土-植被相互作用过程以及冻土、植被变化的气候效应,在此基础上对未来研究方向进行了展望.主要认知如下:三江源地区是季节性冻土和多年冻土的交汇带.植被类型有高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠等,植被生长季较短.近几十年来,在全球变化影响下,源区冻土和植被经历了快速的变化.冻土土壤温度明显升高;多年冻土面积减小而季节性冻土面积增加;多年冻土活动层厚度及融化期增加而季节性冻土最大冻结深度及冻结期减小.植被物候整体表现出返青期提前,黄枯期推迟,生长季延长的特征;同时高寒植被生态系统的结构和功能也发生了明显变化.土壤的水、热状态是连接冻土和植被相互作用的重要纽带.冻土的冻融状态,土壤的水、热过程对高寒植被的生长有着密切的影响;同时位于冻土上层的植被,又通过植被特征和生态系统的变化,影响土壤温度、湿度,反作用于冻土的形成和发展.冻土和高寒植被作为三江源两种典型的下垫面,在陆-气相互作用中是一个有机整体,其变化将通过影响局地能量分配及水分过程对区域降水、气温、能量收支、局地环流以及水汽循环等产生重要的影响,需要统筹考虑二者协同变化的气候效应.未来面向整个区域的冻土-植被相互作用的综合评估及机理分析需进一步加强.利用观测、耦合了动态植被模型的陆面过程模式、区域气候模式以及人工智能等,深入开展研究三江源区冻土冻融变化与高寒植被变化的内在联系,将进一步提高对未来冻土及高寒植被变化的认识,为三江源生态保护和建设提供重要科学依据.

    三江源冻土植被相互作用气候效应

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    基于机器学习的土壤温度预估研究综述

    谭晓晴罗斯琼舒乐乐李晓旭...
    268-281页
    查看更多>>摘要：土壤温度是地球科学研究中的重要物理量.在陆-气相互作用研究中,土壤温度不仅影响土壤内部的物理、生物、化学过程,而且对陆-气之间能量和物质交换起重要作用.随着可获取的相关数据越来越丰富,机器学习方法已经被越来越多的研究人员引入到土壤温度预估中,在很多任务中已经超过了统计模型、物理模型的性能.本文对比了统计模型、物理模型和机器学习方法这三种土壤温度常用计算方法的异同,简要介绍了应用于土壤温度研究的各类机器学习模型的原理和特点,综合国内外文献归纳了传统机器学习和深度学习在土壤温度空间分布、时间变化和时空变化三方面的研究进展.在土壤温度空间分布研究中,传统机器学习方法能够通过影响因子的空间异质性学习空间特征,并利用站点观测数据计算土壤深处的温度,但随土壤深度增加模型效果减弱,而深度学习模型有能够提取空间特征的结构,但对数据量要求高,当前研究中仅用于地表温度的遥感反演;在土壤温度时间序列研究中,加入了周期性信息的传统机器学习方法具有更好的模型效果,深度学习中的序列学习模型能自动捕捉土壤温度变化规律,结合了非平稳序列分析方法的混合模型能充分考虑土壤温度变化的连续性和周期性;由于陆面过程复杂性,土壤温度时空变化方面研究较少.基于模型特点和研究现状,本文总结了机器学习在土壤温度预估时的适用性,对数据选择、模型选择和模型评估方法进行了讨论.不同数据条件、研究目的决定着数据和模型的选择,决策树类方法可以可视化提供一定可解释性,支持向量机可适用于数据量较少的情况,极限学习机可以满足需要快速计算情形.由于机器学习缺少物理约束,应用于土壤温度预估时需要重视模型检验和结果对比.针对当前研究的挑战对下一步工作进行展望,认为未来利用机器学习方法对土壤温度进行预估可以从在学习模型中融入先验科学知识、结合遥感资料和多层观测进行土壤温度立体空间建模以及利用卷积循环神经网络进行时空建模三方面进行.

    土壤温度机器学习时间序列

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    不同初始值对三江源西大滩站多年冻土水热过程模拟的影响

    陈自航罗斯琼王景元谭晓晴...
    282-294页
    查看更多>>摘要：不同初始值对多年冻土水热过程的模拟有着深刻的影响.本文利用青藏高原三江源多年冻土区西大滩站观测数据,驱动通用陆面模式CLM4.5(Community Land Model version 4.5)对该站多年冻土进行为期14个月的模拟研究.设计三组试验,检验CLM4.5模式对多年冻土模拟性能,探究不同初始土壤温度、液态水含量以及含冰量对模拟结果的影响,并对土壤初始含冰量的计算进行改进,提高了模式对多年冻土水热过程的模拟.通过对比土壤含冰量模拟值,液态水含量和土壤温度观测值与模拟值,结果表明:(1)初始土壤温度、液态水含量会通过影响初始土壤含冰量进而影响CLM4.5模式对多年冻土水热过程的模拟.(2)CLM4.5默认初始土壤温度、液态水含量时,计算出的初始含冰量为0 m3·m-3,这使得模式不能准确模拟出多年冻土的特征.在2015年11月上旬至2016年8月上旬土壤含冰量大于0.01 m3·m-3,其余时段土壤含冰量几乎为0m3·m-3;整层土壤液态水含量从冬季开始减少,春季开始增加;土壤温度在2.8 m以下全年大于0℃,0～2.8 m呈现"冬冻夏融"的季节性冻土特征.(3)修改初始土壤温度和液态水含量为观测值后,模拟结果呈现多年冻土特性.在1.8 m以下土壤含冰量常年大于0.01 m3·m-3;在0～1.0m土壤液态水含量冬季开始减少,春季开始增加,在1.0m以下土壤液态水含量常年维持在0～0.01 m3·m-3;2.8 m以下土壤温度常年低于0℃,活动层厚度约2.8 m,高估约115.4％.(4)在修改默认值为观测值的基础上,进一步修改初始含冰量的计算,使得模拟的含冰量整体增加.在1.1 m以下土壤含冰量常年大于0.025 m3·m-3;在秋季和夏季0～2.3 m 土壤液态水含量有所增加,与观测值偏差进一步缩小,2.3 m以下常年维持在0～0.1 m3·m-3;活动层厚度减小到1.7 m,高估约30.8％,各层土壤温度模拟偏差较前两组试验均明显改善.

    多年冻土CLM4.5模式土壤含冰量土壤液态水含量土壤温度

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    1961-2020年三江源地区季节性冻土冻融特征分析

    冯晓莉李红梅罗斯琼白文蓉...
    295-305页
    查看更多>>摘要：基于1961-2020年三江源地区21个气象观测站点逐日冻土深度、平均气温和降水资料,利用数理统计方法分析了季节性冻土冻结初始日、融化终止日、最大冻结深度的时空分布特征及其与气温、降水的关系.结果表明:1961-2020年,三江源地区季节性冻土平均冻结初始日始于9月下旬至10月下旬,融化终止日多出现在4-5月.近60年来,三江源地区季节性冻土冻结初始日(融化终止日)显著推迟(提前),尤其是20世纪90年代以来,推迟(提前)尤为明显.三江源地区季节性冻土年最大冻结深度呈显著减小趋势,进入21世纪后,尤其是近10年来最大冻结深度减小明显.在空间分布上,冻结初始日、融化终止日、年最大冻结深度的分布主要受海拔的影响,冻结初始日(融化终止日)由高海拔向低海拔逐渐推迟(提前),年最大冻结深度也由高海拔向低海拔逐渐变浅.近60年来,三江源气候暖湿化导致季节性冻土封冻时间缩短、年最大冻结深度变浅.冻结初始日与10月气温、降水的正相关最高,融化终止日与气温和降水的负相关性在4月达最大,年最大冻结深度与1月气温和上一年8月降水呈显著负相关性.

    三江源季节性冻土气候变化冻融特征

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    三江源地区气候变化特征及其影响评估

    李红梅颜亮东温婷婷冯晓莉...
    306-316页
    查看更多>>摘要：利用三江源区1961-2020年逐日气象数据、2006-2020年EOS/MODS监测资料,基于概率密度分布函数、线性趋势分析等方法,分析了气温、降水、极端气候指数变化趋势.结果表明:(1)1961-2020年三江源区气温明显向高温方向漂移,年平均、最高和最低气温升温率分别为0.38℃·(10a)-1、0.28℃·(10a)-1和0.45℃·(10a)-1(P＜0.01),最高和最低气温升温幅度存在不对称现象.同时极端气温暖事件(暖昼日数、暖夜日数)明显增多,极端气温冷事件(冷昼日数、冷夜日数)迅速减少.(2)与前一气候态(1961-1990年)相比,1991-2020年平均、最高和最低气温分别上升了 1.28℃、1.12℃和1.60℃,且概率密度分布更加扁平,说明气温离散程度更大,气候不稳定性增强.(3)近60年来,三江源区降水量总体呈增多趋势,增加率为10.3 mm·(10a)-1,且随着降水量级的增加,降水量变化趋势越来越明显.进入21世纪以来,降水增多趋强表现更加明显.(4)在气温显著升高、降水量增多影响下,与第二次冰川编目相比,2019-2020年格拉丹东冰川和阿尼玛卿冰川面积分别减少5.51％和4.96％,冰储量分别减少23.43％和4.39％;三江源区年最大冻土活动层深度迅速减小,变化率为7.1 cm·(10a)-1,冻结期平均每10年缩短12.0天;积雪日数和累计积雪面积增多.受冰川冻土融水和降水量增多等因素的影响,三江源区湖泊面积总体呈增大趋势.

    三江源气候变化极端气候指数,影响评估

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    近20年若尔盖湿地植被覆盖变化与气候因子关系研究

    张一然文小航罗斯琼李茂善...
    317-327页
    查看更多>>摘要：基于NASA提供的MODIS卫星产品MOD13Q1的归一化植被指数(NDVI)数据,利用最大值合成法及像元二分模型计算得到2000-2019年若尔盖湿地植被生长季(5-9月)的植被覆盖度.利用ERA5再分析资料月平均的2 m气温、总降水量和土壤体积含水量数据,通过趋势分析、相关分析研究2000-2019年若尔盖湿地植被生长季(5-9月)的植被覆盖与气候因子的时空分布及二者的相关程度;研究气温、降水量和土壤含水量对植被覆盖度的共同影响及各自的贡献程度.结果表明:近20年来若尔盖湿地在生长季(5-9月)的植被覆盖度略有增长;2m气温有升高趋势,且研究区的西南部气温升高较快;研究区中南部的总降水量呈减少趋势,但不明显,在研究区中北部降水量则呈略微增加趋势;研究区北部的土壤湿度显著增加,南部则有变干的趋势.植被覆盖度与3个气候因子均呈显著的正相关关系,气候因子对植被覆盖度变化的贡献从大到小依次是2 m气温、土壤体积含水量和总降水量.

    若尔盖湿地植被覆盖变化气候因子相关性分析

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    三江源国家公园植被覆盖时空变化及其气候驱动因素

    赵慧芳曹晓云
    328-337页
    查看更多>>摘要：基于2000-2019年MODIS NDVI数据,结合气象数据,利用二分像元法、斜率分析法和偏相关分析等方法,分析三江源国家公园近20年植被覆盖时空变化特征及其与气候因子的相关性.结果表明:(1)三江源国家公园植被覆盖面积占公园面积的85.38％,平均覆盖度为42.70％,植被覆盖由西北向东南逐渐增加.西部长江源园区以中低覆盖度植被为主,东部黄河源园区以中高覆盖度植被为主,南部澜沧江源园区以高覆盖度植被为主.(2)2000-2019年三江源国家公园植被覆盖面积和覆盖度均呈增加趋势,植被覆盖面积以227.55 km2·a-1显著增加(P＜0.01),覆盖度增加幅度不明显,其中长江源园区植被覆盖面积和覆盖度均显著增加,黄河源园区植被覆盖面积基本不变,植被覆盖度显著增加,澜沧江源园区植被覆盖面积显著增加,但植被覆盖度基本保持不变.(3)近20年三江源国家公园植被覆盖空间上呈稳定增加趋势,植被覆盖保持不变的区域面积占比31.27％,增加的区域占比56.08％,减少的区域占比12.65％,长江源东部零星地区退化的高寒草甸出现轻度减少,长江源园区西北部地区、黄河源园区北部植被覆盖度增加幅度较明显,其余地区基本不变,三个园区植被覆盖度增加的面积均大于减少的1.49％～62.35％.(4)2000-2019年三江源国家公园气温呈显著增加趋势,降水量增加幅度不明显,近20年气温升高是三江源国家公园植被覆盖增加的主要原因,但植被覆盖变化与气候驱动因素的相关性存在一定的地区差异,干旱地区降水对植被覆盖具有主导作用,而降水充沛的区域,温度为主要制约因子.

    三江源国家公园植被覆盖MODISNDVI植被变化

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    青藏高原典型高寒草甸和高寒沼泽湿地植被耗水规律研究

    王秀英周秉荣陈奇李甫...
    338-348页
    查看更多>>摘要：为了揭示青藏高原典型高寒草甸和高寒沼泽湿地耗水特征,以青藏高原玛沁地区高寒草甸和玉树隆宝地区高寒沼泽湿地为观测研究站,以实际蒸散发为研究对象,采用涡度相关系统,通过涡度相关理论进行原始观测数据预处理,分析了实际蒸散发在不同时间尺度和不同下垫面的变化特征,探究了典型环境因子对实际蒸散发的影响.结果表明:(1)高寒草甸和高寒沼泽湿地实际蒸散发主要集中在生长季,平均蒸散发分别为123.46 mm和146.76 mm,小时蒸散发在一天的14:00-15:00(北京时)达到最高值;(2)对于不同下垫面,蒸散发与气象因子的相关关系不同,高寒草甸净辐射对蒸散发的贡献最突出,高寒沼泽湿地土壤热通量对蒸散发的贡献最大,其次为净辐射;(3)不同下垫面水分消耗(The difference between ET and precipitation,IETP)变化特征说明高寒草甸和高寒沼泽湿地下垫面都以水分消耗为主,IETP占比分别为69％和80％.

    高寒草甸高寒沼泽湿地实际蒸散发气象因子

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    BCC_AVIM陆面过程模式冻融过程参数化的改进与检验

    胥朋飞吕世华马翠丽徐悦...
    349-362页
    查看更多>>摘要：考虑冻融过程对陆气相互作用的重要性,参考国内外学者对于冻融过程的参数化方案研究,对BCC_AVIM陆面过程模式的冻融过程参数化方案进行了改进与检验.改进的内容主要包括:(1)加入了过冷水概念,改进土壤冻结判断条件与含冰量更新标准;(2)加入平衡温度概念代替原方案中恒定的冻结温度;(3)在导水率的参数化方案之中加入不可渗透分数.用改进前后方案分别模拟玛曲站2018-2019年,2019-2020年两次冻融过程.发现改进后的方案在冻融过程中相比原方案:(1)增大了冻结状态温度模拟值、振幅减小、变化趋势更加接近实测;(2)增大了冻结状态中含水量的模拟值,变化趋势与实测相关性更好;(3)土壤中冰的产生日期延后,冰的融解日期提前,最大含冰量模拟减小;(4)冻融过程各阶段的转变日 期模拟更接近实测;(5)新方案对于强冻融年份的模拟提升效果更优于弱冻融年份.

    冻融过程BCC_AVIM陆面过程模式参数化方案土壤水热

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    CMIP6模式对青藏高原多年冻土变化的分析预估

    胡桃吕世华常燕杨明鑫...
    363-375页
    查看更多>>摘要：利用国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)多模式的模拟结果,对比观测和青藏高原冻土图评估各模式对当前(1985-2014年)青藏高原与冻土相关气候变量以及多年冻土的模拟能力,并应用多模式集合平均的方法预估了未来4个SSP情景下2021-2040年、2041-2060年、2081-2100年高原多年冻土的变化趋势.结果表明:CMIP6各模式都能够较好地模拟出与冻土相关气候变量的分布特征与趋势,但对于气温的模拟有着较为明显的冷偏差,对于积雪的模拟明显偏大;利用冻结数模型(SFI)计算的当前多年冻土分布与青藏高原冻土图有较好的吻合,1985-2014年的表面多年冻土面积约为134.52×104km2(包含湖泊和冰川面积);随着气温的升高,21世纪青藏高原多年冻土呈现区域退化的趋势,在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下,青藏高原东部、南部以及北部边缘地区多年冻土呈现区域性退化,至2041-2060年间多年冻土面积分别减少13.81×104km2、19.51×104 km2、18.02×104km2和24.84×104km2,到21世纪末期高原多年冻土出现大规模严重的退化,仅存当前多年冻土面积的69.3％、52.5％、34.4％、26.3％.

    青藏高原CMIP6冻结指数模型(SFI)多年冻土预估

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