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研究进展
973项目“北方干旱化与人类适应”(2006CB400500)执行情况简介

 

 

一、 项目实施的准备

本项目于2005年经科技部批准正式立项。作为上一期973项目“我国生存环境演变和北方干旱化趋势预测研究”(G1999043400)的延续,项目高度重视在前期工作的基础上,加强原始创新研究的力度,把研究工作的重点从以干旱化发展规律研究为主转入以干旱化形成机理研究为主的新阶段,集中优势力量强化对干旱/半干旱区大气过程、地表过程、生态过程及其与人类活动相互作用的长期连续观测实验和理论研究;在干旱化规律研究中,着重对阶段性转折和突变规律的研究。同时,发展能综合描写物理、化学、生物和人文过程及其相互作用的地球系统亚洲区域模式,进行干旱化机理、预测、影响评估的综合集成研究,在更坚实的基础上,为国家重大需求做出贡献。

为统一思想、明确分工,项目于2005年7月21至23日在北京召开了临时专家委员会及课题任务分解会议。项目专家委员会对各课题主要研究内容、预期目标、年度研究计划、成员分工以及对项目总体目标的贡献等进行了详细评议。各课题针对专家的建议切实改进了计划任务书的编写质量,注重了课题间的协作交叉。修改后的项目和课题任务书报送科技部得到批准。

2005年9-12月,首席科学家和项目专家委员会针对观测试验的协同与资料共享、遥感信息应用以及地球系统区域模式的发展与应用等共性问题先后组织召开了三次跨课题的专题研讨。

研讨会强调各种观测试验首先要保证获得的数据质量可靠,不宜贪多。本项目的两个半干旱区CEOP国际基准站既有共性,又各具特色,通过相互协调并与其它不同下垫面类型的试验站进行对比,将力争在干旱化形成机理等方面取得若干原创性的研究成果,并和项目主持的CEOP国际半干旱区研究计划紧密地结合起来。会议制定了项目观测实验标准书,并确立了分级优先的数据共享政策;遥感信息应用研讨会的主题是如何充分合理地应用这一先进的技术手段并与野外定点强化观测、典型流域观测以及区域普查和监测等相结合。还讨论了如何利用遥感信息为项目使用的多个数值模式提供更高精度和更高分辨率的参数及初值场;地球系统亚洲区域模式的发展与应用研讨会决定进一步验证和改进新版本的区域环境系统集成模式(RIEMS Ⅱ)的模拟性能,实现并行运算。在此基础上发展其中的化学、生物和水文模块,并耦合社会经济模块。采取边发展、边应用的策略,通过各分支学科不断产出研究成果并分阶段集成,最终实现区域尺度的地球系统模式的建立这一战略目标。会议明确了模式的设计思路、技术路线、关键环节及解决方案、成员分工以及与其它课题的衔接等问题,其研究成果将为项目开展干旱化形成机理、影响评估和适应对策集成研究提供强有力的定量工具。

上述准备工作进一步在项目内贯彻了研究思路、明确了技术路线、落实了人员分工,为项目的顺利启动奠定了坚实的基础,得到科技部主管部门的充分肯定。

 

二、2006年度项目取得的主要进展

由于各种原因,本项目2006年度经费迟至11月才到位。为保障总体研究进度,项目于2006年5月正式召开了启动大会。会议进一步明确了各课题前两年在满足国家重大需求和科学原始创新方面的预期贡献以及围绕项目总目标安排的研究重点、具体措施,促使课题成员深入认识自身任务分工、建立研究思路。

在前期工作积累的基础上,本项目2006年度共发表论文133篇,其中SCI论文(含SCIE)45 篇, EI 18篇,多篇论文在著名国际学术期刊J. G. R., Climatic Change, Geophy. Res. Letter.,以及《中国科学》和《科学通报》等刊出。超过了预期完成论文25-30篇,其中SCI(E)论文5-10篇的年度目标。项目成员获得“国家自然科学杰出青年基金”、“长江学者计划”、“中科院百人计划择优支持”以及“新世纪百千万人才工程”各1人•次;本年度还有11人•次在国际会议上做了特邀学术报告。

2006年度项目取得的主要研究进展:

1.通过获取第一手的地-气通量交换定点(In Situ)强化观测数据,研究干旱化发生、发展的机理

(1) 吉林通榆半干旱区国际CEOP计划基准站(Reference Site)已取得 4年的连续观测数据分析,基于吉林通榆长期观测实验,推算了半干旱区2 种下垫面,3个地表特征参数及水热和CO2 通量的变化规律等,检验了多种陆面过程模式的模拟性能;完善了该站的生态系统观测, 气溶胶观测和台站设施建设准备。

(2) 黄土高原(兰州榆中)站的建立和观测启动

在兰州大学985专项仪器设备经费的支持下,在兰州大学榆中校区投入600余万元建设了“兰州大学半干旱气候与环境观测站” ,已于2006年4月12日正式投入运行。该站除了按照国际CEOP计划基准站规格配备观测仪器外,还重点加强了气溶胶和大气物理观测,并建立了完整的生态系统观测。

2. 半干旱地区生态-水文过程研究

流域生态水文联合考察:于2006年8月开展了西辽河支流老哈河、西拉沐沦河以及泾河支流流域生态-水文联合考察,系统收集了研究流域的土壤类型、地表覆被及土地利用和水文气象资料资料 ,并开展了典型植被类型的叶面积指数、土壤湿度、土地利用/覆被测量工作;

典型生态-水文过程野外观测:以内蒙古锡林郭勒盟牧业气象试验站和锦州玉米农田生态系统野外观测站为研究基地,开展了不同层次的生态-水文过程观测,主要包括微气象-生态梯度观测和通量观测;

典型流域生态-水文过程模型的研制:

(a) 垂向和水平混合产流模型在老哈河流域的应用

将蓄满、超渗和水平混合产流模型分别应用于老哈河流域4个流量控制站的日径流计算和不同时段的洪水过程模拟,表明模型中蓄满加超渗的混合模型较单一的产流机制能更好地模拟洪水过程;

(b) 考虑植被影响的水文模型框架的构建

在概念性水文模型-新安江模型中显式表征植被物候特征、根系特征、植被生理特性(叶面气孔开合)、地表粗糙度等因素对流域蒸散发、产流和汇流过程的影响,在数字流域上利用地理信息系统技术和遥感信息,初步构建了考虑植被影响的水文模型基本框架。

3. 干旱化趋势的阶段性转折和突变研究

利用石笋、树轮、湖泊沉积等多种代用指标建立了高分辨率的近1000年气候-环境变化的时间序列:重建过去气候变化并验证了重建序列的可靠性;在空白区找到新的石笋记录,对高分辨率记录进行了最近1000年的集成研究。

非平稳时间序列检测方法研究:比较和分析了经验模态分解(EMD)和小波分解在提取资料时空分布特征的优缺点,发现将两种方法结合应用可以有效的去除虚假分量;通过数值试验验证了启发式分割算法检测非平稳时间序列均值突变的有效性,将动力学结构指数和启发式分割算法相结合发展了一种能够在一定程度检测动力学结构突变的新的检测方法;

发现SST突变与北方干旱化关系:揭示了年平均海表温度场主要的年代际突变和年代际模态的基本特征,并发现赤道东太平洋和南太平洋海温变化的敏感区的可能性较大;比较了不同潜热通量资料的质量,发现潜热通量之间的年平均场及逐月变率差异可能是由于风速及海气比湿之间的差异引起的,从而为下一步从能量角度分析年代际突变的原因打下基础。

4. 我国北方与全球其它干旱区的比较研究

用年地表湿润指数揭示了全球和5个大陆的干湿变化趋势及各大陆之间的差异,揭示了20世纪下半叶以来北美和欧亚大陆的反向变化趋势;发现全球年代际干湿变化趋势与大尺度气候背景场关系密切,在研究全球或者区域环境干湿的年代际或者以上尺度变化时应重点考虑PDO与SO的变化。其物理联系正在深入研究中。

比较了北美和亚洲半干旱区地表水热交换特征:在相同的气候背景下,农田下垫面的风速较小,但感热通量、潜热通量、土壤热通量以及表层土壤温度、湿度的日变化都比草原下垫面的相应量剧烈。温度和湿度、感热、潜热以及降水都有很好的正相关。大气温度、湿度、潜热通量以及土壤温湿状况,都和降水有很好的正相关,并且草原下垫面相关性更好些,这应该和草原受人类活动影响较小有关。

5. 干旱化影响评估和适应研究

建立了1949-2005年北方13省1074县38个社会经济指标数据库;

开展了干旱化对粮食安全影响评估和适应的模拟研究:模拟分析了北方旱区玉米生产潜力,表明我国北方旱区东部的玉米生产潜力高于西部,但南北方向潜力差异不明显;而对北方旱区小麦生产潜力的模拟结果显示我国北方旱区东部的雨养小麦生产潜力高于西部,南部高于北部,且冬小麦的潜力高于春小麦;

发展了干旱化情景下的土地利用模型:在干旱化过程转折、不明显和加速3种情景下对中国北方2000-2020年的可能土地利用需求变化进行了模拟。在未来的发展中,寻求合理的土地利用结构和格局,适应气候变化和社会经济因素的共同压力,将是区域可持续发展过程中必须面临和解决的问题;

构建了水土资源匹配模型,为水土资源合理利用提出适应对策:以东北三省为例,分析了水资源保障程度时空演进规律、水旱转换的格局及其动力机制,以及东北地区水土资源匹配状态与区域差异分析。通过对农业水资源与土地资源利用态势的模拟分析,构建水土资源匹配模型,揭示市域尺度农业水土资源匹配程度及其空间差异性,为东北地区国家粮食安全基地建设、水土资源高效利用与管理决策,提供参考依据。

6.地球系统亚洲区域模式的发展和应用

RIEMS version 2的检验和完善:进一步改进与完善了区域环境系统集成模式RIEMS与化学模块、海洋模块、陆面和植被模块的耦合,形成了RIEMS 2.0版本,开展了对模拟结果的初步分析。通过对大气化学模式进行简化,使RIEMS模式积分时间减少到原来的1/3, 气象部分与化学模式的积分CPU时间之比由原来的约1:8下降到现在约1:2,基本上能满足长期积分的需要;完成了RIEMS与区域海洋模式POM的耦合,为研究区域海气相互作用过程在北方干旱化中的作用提供了条件;实现了地表-植被相互作用的陆面模式AVIM与区域气候模式RIEMS的双向耦合,其对中国东北地区冬季气温模拟偏低的现象有一定的改进,对东北地区夏季降水偏高的现象也有一定程度的改进,为开展区域尺度的植被-大气相互反馈研究奠定了模式基础;对亚洲地区黑碳气溶胶辐射气候效应模拟发现,黑碳气溶胶有加速中国南方和西北地表与低层大气变冷变湿、华北和东北变冷变干、印度次大陆变暖变湿、中亚地区变暖变干的趋势。课题组还正在尝试通过土地利用/覆盖动态变化模块和CO2排放的空间分布将人类社会经济活动与气候系统模式联系起来;

中等复杂程度地球系统模式的探索:初步探讨了中等复杂程度的地球系统模式,以研究模式能否在分辨自然强迫和人为强迫的相对贡献方面提供必要的信息。初步模拟结果表明,自然强迫(太阳和火山)可以很好地解释中世纪暖期(大约1100-1300 AD)和小冰期(大约1450-1800 AD)时期的气候。自然强迫几乎在所有的空间尺度上都施加了相同的强迫信号,但在更小的区域尺度上,很可能是区域性过程起到了重要作用。


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