青藏高原干湿空间格局及其机理分析

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作为欧亚大陆上面积最大和高度最高的高原,青藏高原具有强烈的山体效应,深刻影响着高原上的水热分配,以及高原山地垂直带的分布。山体效应最显著的影响就是温度的变化,但是,在深入研究山体效应的过程中,发现在大陆尺度上,或者山系/区域尺度上,由边缘越往大陆或山体内部,温度增高的同时还伴随着变干的趋势。目前山体效应的研究多着眼于温度变化与山地垂直带界限的关系研究,而且对于青藏高原的干湿格局认识不全面,多为局部区域研究或干湿度多年变化趋势研究,而忽略了青藏高原精确干湿格局及机理的深入研究。因此,本文开展了青藏高原干湿格局和机理的研究,并分析了高原干湿条件对山地垂直带分布高度的影响。主要工作和结论如下:  1.多源气象数据的收集与处理  本文收集了青藏高原及周边区域114个气象站点观测数据、遥感卫星数据、插值气象数据集、再分析资料及地形数据等。其中,气象站点观测数据包括月均温、月最高气温、月最低气温、月均降水、平均气压、平均风速、平均相对湿度、日照时数和日照百分率等气象要素;遥感卫星数据为热带降雨测量卫星(TRMM)的3B43综合降水产品,提供1998-2011年的月降水数据;插值气象数据集为WorldCLIM数据,主要使用了该数据集的生物气候学数据,包括最热月最高温,最冷月最低温,及年温差数据;再分析资料使用了1981-2010年的NCEP/NCAR再分析数据,该数据集包含了风场资料和比湿要素;地形数据为SRTM DEM数据。然后,本文应用ArcGIS,ENVI/IDL,SPSS等软件的空间分析、空间插值分析、回归分析等方法,系统处理了以上各种数据。  2.青藏高原呈现自东南向西北、自南向北逐渐变干的干湿变化格局  基于气象站点观测月均降水量与相应站点位置上TRMM3B43卫星降水的差值,本文获取了两组数据点状差值的空间插值数据层,并将其作为降水修正数据层,修正了空间连续的TRMM3B43卫星估算的1998-2011年多年平均的降水数据。结果显示,青藏高原多年平均降水格局呈现自东南向西北递减、自南向北逐渐减少的基本分布规律。  本文利用WorldCLIM插值气象数据集提供的月均温和温度极值数据,计算了青藏高原的温度大陆度,温度大陆度同样展现了高原自东南向西北大陆性逐渐加强的空间趋势。但是,由于青藏高原独特的高寒特征,温度大陆度方法仅能体现空间变化趋势,局部区域的大陆度数值存在较大误差,不能准确反映青藏高原的生态状况。因此,本文又选择了Gams降水大陆度模型,并依据青藏高原的特征对该模型进行了修正,利用前文获得年均降水数据和地形数据,求算了青藏高原的修正降水大陆度的空间分布格局。Gams降水大陆度从地形和降水的综合影响出发,体现了青藏高原自东南向西北、自南向北修正降水大陆度数值逐渐升高的趋势。同时也准确刻画了青藏高原的东部和东南部边缘属于海洋性气候区,高原大部分区域属于大陆性气候区的特点。  基于青藏高原气象站点观测数据的Penman-Monteith潜在蒸散发空间模型,也体现了高原自东向西潜在蒸散发量逐渐增加的变化趋势。利用“同期潜在蒸散发量/降水量”的方法获得了干燥度指标自东南向西北呈等值线形式递增。  3.构建了青藏高原干湿格局的机理模型  本文利用TRMM3B43月均降水数据和NCEP/NCAR再分析资料分别分析了青藏高原月降水的空间轨迹变化及大气水汽通量空间变化,并依此为基础,定量化确定了位于高原南部的4个水汽源地,分别为东部E、东南部SE、南部S和西部W,并确定了输送路径、影响范围及影响时间等,丰富、完善了青藏高原干湿格局的概念模型。  以改进的干湿格局概念模型为基础,本文从概念模型中提取了“高原内部与水汽源地的距离(d)”和“水汽输送途中地形的相对变化(△h)”两个影响降水的关键地形要素,然后结合这两个地形因素构建了地形指数“水汽输送衰减系数”。以水汽输送衰减系数为自变量,高原年均降水为因变量,利用多元线性回归方法构建了高原干湿格局的机理(地形)模型。  地形指数“水汽输送衰减系数”综合体现了大气环流和地势结构对高原干湿格局的综合制约和影响。通过计算发现地形模型的决定系数达到0.7。模型的结果参数表明高原南缘的湿润水汽对于高原干湿格局的重要影响。其中,东南部(Southeast,简称SE)的水汽输送对于高原降水格局的影响作用最大,对模型的贡献率为32.56%,高原东部(East,简称E)、南部(South,简称S)和西部(West,简称W)各自的模型贡献率分别为23.59%,23.48%和20.37%。  4.高原干湿条件对垂直带分布高度有显著的影响。  在获取准确的青藏高原降水、大陆度、潜在蒸散发和干燥度的空间格局后,本研究从全球山地垂直带谱数据库中提取了青藏高原及周边区域的285个林线样点和106个雪线样点,分析了高原干湿格局与林线、雪线分布高度的定量关系。结果分析表明,降水量较低,降水大陆度较大,潜在蒸散发量较高,干燥度指数偏高的区域,往往林线分布高度和雪线分布高度较高。青藏高原大多数的林线样点多出现于年均降水量高于400 mm,干燥度小于3,且修正降水大陆度小于45°,偏海洋性气候的区域。
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