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青藏高原蒸散发及其对气候变化的响应(1970-2010)

谢虹  
【摘要】:蒸散发是水文过程的重要环节,也是联系水循环和能量平衡的重要枢纽。研究气候因子对蒸散发的影响,有助于深入认识水文过程对气候变化的响应,分析其对气象因子的敏感性有助于深入了解气候变化对水资源的影响。目前有越来越多的证据表明全球气候正在变暖,极端气候发生的频率越来越高。青藏高原作为全球气候系统中的一个典型单元,对全球气候变化的响应具有敏感性和快速性。高原上不同的生态系统在水热条件等方面与其它地区生态系统存在显著差异,在全球气候变化条件下,其水热条件也势必有着不同的变化趋势。因此对于青藏高原气候变化和蒸散发的研究具有重要的意义。潜在蒸散发的变化趋势研究对于从机理上探寻气候变化对青藏高原上不同陆地生态系统的深远影响以及陆地水循环的影响等若干重要科学问题具有极其重要的意义。 本研究利用青藏高原上75个地面气象站1970-2010年的最高气温、最低气温、平均气温、降水、风速、太阳辐射、相对湿度和蒸发皿蒸发数据,研究了青藏高原气候时间和空间的变化趋势。通过9个地面气象站点的辐射观测数据修正了太阳辐射系数,基于Penman-FAO公式运用修正的辐射结果估算了高原参照蒸散发,分析了参照蒸散发(ETref)的时空变化规律,并且对比了修正前和修正后的参照蒸散发结果以及三个不同模型计算出的潜在蒸散发的结果并进行了相关性分析。研究了不同气象因子对参照蒸散发的影响和贡献,分析了高原上参照蒸散发对气温、风速、太阳辐射的敏感性。为了更好地了解高原上参照蒸散发的变化,本文进一步分析了蒸发皿系数(P-M蒸散发和蒸发皿蒸发的比率)的时空变化趋势。基于遥感数据,运用NCEP Reanalysis2和MODIS数据估算了青藏高原上的实际蒸散发,通过潜在蒸散发和实际蒸散发结果计算了生长季的蒸散发干旱指数,分析了实际蒸散发的空间分布特征。基于以上的分析,本研究得出以下结论: 1.青藏高原气候变化趋势。高原上平均气温、日最高气温、日最低气温和饱和水气压都显示明显的上升趋势。高原上95%的站点显示增温趋势,4-6月的年最高气温的增加幅度为0.02116℃/年,7-9月为0:03421℃/年,10-3月0.04146℃/年。年最低气温的增加幅度4-6月为0.03632℃/年,7-9月为0.04006℃/年,10-3月为0.04955℃/年,冬季增温趋势最为显著,随后依次为夏季和春季,高原上气温日较差呈现持续减小的趋势。高原上大多数站点呈现饱和水气压差增加趋势,高原北部和东部边缘尤为显著,年饱和水气压差的增加趋势为4-6月0.002257hPa/年,7-9月为0.003534hPa/年,10-3月为0.001964hPa/年。降水也显示出增加趋势但是没有气温的增加显著,年降水的增加趋势为4-6月0.3122mm/年,7-9月为0.1887mm/年,10-3月为0.1297mm/年,春季降水增加最为显著。风速显示出统计显著性的降低趋势,为-0.02001m/s/年,显著性P值等于O。年太阳辐射显示降低趋势,为-0.005748MJ/day/m2.年相对湿度没有明显的趋势,只显示微弱的降低趋势,为0.0087%/年。高原上蒸发皿蒸发在所有季节都显示降低的趋势。饱和水气压的增加和相对湿度的降低说明高原上变干的趋势,降水的增加不足以抵消升温引起的蒸发的增加,蒸发皿蒸发的降低和饱和水气压的增加说明青藏高原上可能存在水分的限制。观测到的数据表明高原上是变暖变干的趋势,在高原北部尤为显著。高原上复杂的气候趋势也反映了气候变量间的非线性关系。 2.青藏高原植被对ENSO事件的响应。本文利用1980-2006年的AVHRR-NDVI数据计算出生长季(4-9月)和冬季(10-12月)的NDVI标准化离差图。结果表明,高原上冷阶段,植被生长水平在生长季明显高于平均水平,在冬季明显低于平均水平。在暖阶段,植被生长水平均低于平均水平。在冬季,没有发生ENSO事件年份的植被平均生长水平最好,在冷阶段最差。在生长季,植被生长水平在冷阶段最好,没有发生ENSO事件年份的植被平均生长水平最差。 3.青藏高原参照蒸散发变化以及对气候变化的敏感性。本研究利用回归得到的Angstrom系数为a+b=0.6381+5.48*10-5altitude.基于Penmnan-FAO模型运用修正后的太阳辐射计算了1970-2010年青藏高原上参照蒸散发ETref,并分析了时间序列变化趋势和空间分布规律。修正后的模型计算出的结果比修正前的结果略高,高原上ETref在季节和年序列上都显示为降低的趋势。平均年ETref趋势为-0.6909mm/年。最大和最小降低趋势分别为1-3月和7-9月,趋势分别为-0.1072mm/年和-0.0978mm/年。ETref变化趋势的空间分布在四个季节里比较稳定,没有明显的区别,大约60%的站点显示降低趋势,显示增加的站点主要分布在青藏高原的东北部和中部,显示增加的站点大部分沿沱沱河、通天河和黄河源头区域分布。通过移除趋势,结果显示风速的降低是高原上ETref减少的最主要原因,太阳辐射仅次于风速成为ETref减少的重要原因之一。通过Shuttle Worth方程对于不同气象因子对参照蒸散发的贡献进行量化计算,分析了不同气象因子对于ETref降低的贡献,四个气候变量的变化对高原蒸散发变化的贡献分别为:风速(-0.7mm)、气温(0.5lmm)、实际水汽压(-0.4mm)、净辐射(-0.1mm)。参考蒸散发对气候变量的敏感性结果显示,高原上ETref对太阳辐射最敏感,随后依次为相对湿度,风速和平均气温。虽然ETref对相对湿度的变化非常敏感,但是青藏高原上相对湿度没有明显的变化趋势,所以不是ETref降低的主要原因。 4.青藏高原上1970-2001年间年蒸发皿蒸发显示为显著性降低趋势。蒸发皿蒸发趋势为-3.763mm/年,季节趋势分别为4-6月0.4067mm/年,7-9月0.3209mm/年,10-3月0.3029mm/年。高原上蒸发皿蒸发和参照蒸散发在年尺度上显示了极高的相关性,蒸发皿蒸发和参照蒸散发都显示为降低的趋势,年蒸发皿系数Kp在统计学上呈现不明显的增加趋势。季节上Kp值在4-6月和7-9月这两个季节中呈明显的减少趋势,在1-3月和10-12月两个季节中呈增加趋势,其中4-6月减少最为明显,P值为0.0153,1-3月增加趋势最明显,P值为0.084。显示Kp增加的站点主要集中在青藏高原东北部和东南部边缘以及沿中部河流边缘分布。这种变化和分布主要取决于风速,太阳辐射和相对湿度的空间分布和变化。 5.青藏高原实际蒸散发的估算。本文通过遥感数据估算了高原2000年和2010年4-9月生长季的实际蒸散发。结果表明高原2000年,4-6月,高原上90%的区域显示实际蒸散发持续增长,其中4月和5月增长最明显,从7月开始整个高原大分布区域开始呈现降低的趋势。2010年,高原上实际蒸散发从5月开始显示增长,一直持续到7月,而4-5月间呈现减少趋势,从7月开始到9月显示持续降低趋势。通过参照蒸散发和实际蒸散发结果计算了蒸散发干旱指数。干旱指数较好地显示了2000年和2010年的高原上干旱情况的空间分布和空间变化情况,本方法对于干旱检测具有探索性的意义。


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