發(fā)布時間：2018-03-07 18:19

  本文選題：高海拔區(qū)　切入點：地面氣溫　出處：《山西大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：高海拔區(qū),即山地和高原區(qū)域,是全球陸地系統(tǒng)的重要組成部分,與世界上超過14%的人口的生活息息相關。高海拔區(qū)地形復雜,海拔范圍大,氣候類型多樣,生物多樣性高,在水文循環(huán)上具有重要作用,對區(qū)域甚至全球氣候具有一定影響,因而其氣候變化研究受到科學家的高度關注,其海拔依賴性升溫(Elevation-dependent warming, EDW)問題更成為一個研究聚焦點。然而,盡管近20多年來人們就此進行了大量研究工作,但是對(1)高海拔區(qū)的升溫速度是否高于低海拔區(qū)和(2)高海拔區(qū)內是否存在EDW仍十分不確定。換言之,即針對高海拔區(qū)的升溫增強(Warming amplification)問題,對是否存在(a)區(qū)域升溫增強(Regional amplification)和(b)海拔升溫增強(Altitudinal amplification)仍有很大爭議。本研究通過收集和整理全球地面氣象站1961-2010年的氣溫數據,借助方法創(chuàng)新與引入,對這兩個關鍵科學問題進行了研究。本論文在方法上的創(chuàng)新之處和主要結論如下：(一)方法創(chuàng)新與引入(1)創(chuàng)建了“海拔升溫分量提取法”。由于對一個具有一定海拔和面積的高海拔區(qū)而言,其氣溫變化不僅與海拔效應有關,而且可能與緯度效應或緯度和經度效應相關。所以采用簡單線性回歸法對高海拔區(qū)的EDW趨勢進行檢測具有很大局限性。因此,本研究創(chuàng)建了海拔、緯度和經度升溫分量提取模型,使用“海拔升溫分量提取法”對高海拔區(qū)的EDW趨勢進行檢測。應用該方法對一個高海拔區(qū)的EDW趨勢進行檢測的4個步驟如下：(a)對各個站點的海拔、緯度和經度單位進行統(tǒng)一變換,使其均以千米(km)來表示。(b)對該高海拔區(qū)的海拔、緯度和經度效應系數(ECALT, ECLAT和ECLONG)進行估算。(c)采用海拔升溫分量提取模型(AWCE模型)對各站點的海拔升溫分量(QALT)進行提取。(d)對該高海拔區(qū)各站點的海拔升溫分量(QAIT)與站點海拔的線性關系進行檢驗,判斷是否存在海拔升溫增強趨勢。(2)建立了“配對區(qū)域比較法”和“配對氣象站組比較法”。在判斷一個高海拔區(qū)的氣溫升幅是否較大時,之前人們并沒有統(tǒng)一的參比對象,大多數研究是與全球或北(南)半球的趨勢相比較,所以可比性較差。為了提高可比性,本研究設計了“配對區(qū)域比較法”。首先將與高海拔區(qū)進行比較的對象界定為相鄰同一緯度、面積相同的低海拔區(qū),然后對2者的氣溫趨勢進行計算和比較。與建立“配對區(qū)域比較法”類似,在對全球高海拔站點(500m)的整體氣溫趨勢進行研究時,首先將參比對象定為同一緯度的所有低海拔站點,然后對2者的氣溫趨勢進行計算和比較。(3)引入了“逐步回歸法”。之前已有人注意到阿爾卑斯山的氣溫變化格局主要與海拔和緯度相關,但是卻從來沒有人對這種關系進行過統(tǒng)計學分析。盡管這種關系在區(qū)域尺度上一般并不顯著,在全球尺度上對這種關系進行統(tǒng)計學檢驗則值得嘗試。因此本研究將逐步回歸法引入了對全球高海拔站點升溫趨勢與海拔和緯度關系的檢驗。(二)主要結論(1)根據近50年(1961-2010)年均氣溫序列,采用海拔升溫分量提取法對青藏高原、黃土高原、云貴高原、阿爾卑斯山、美國落基山脈、阿帕拉契山脈、南美安第斯山脈和蒙古高原這8個高海拔區(qū)的海拔升溫增強趨勢進行了檢測。結果表明這些高海拔區(qū)均存在顯著的海拔升溫增強趨勢,在1961-2010年,這些高海拔區(qū)的平均海拔升溫增強速率為0.19(+0.09)℃km-150-yr1。采用配對區(qū)域比較法對4對高、低海拔區(qū)氣溫變化趨勢的分析表明,4個高海拔區(qū)(青藏高原北部,黃土高原東部,美國落基山東南部和阿爾卑斯山)的升溫幅度均高于相應低海拔區(qū)。這些結果說明,在全球氣候變暖背景下,高海拔區(qū)普遍存在區(qū)域升溫增強現象和海拔升溫增強趨勢。(2)以近50年(1961-2010)的年均最低和年均最高氣溫序列為基礎,采用海拔升溫分量提取法對青藏高原、黃土高原、云貴高原、阿爾卑斯山、美國落基山脈和阿帕拉契山脈這6個高海拔區(qū)的海拔升溫增強趨勢進行了檢測。結果表明,6(4)個高海拔區(qū)的年均最低溫度(年均最高溫度)具有顯著的海拔升溫增強趨勢。1961～2010年,這6個高海拔區(qū)的年均最低溫度(年均最高溫度)的平均海拔升溫增強速率為0.306±0.086℃ km-150-yr-1 (0.154±0.213℃ km-1 50-yr-1)(海拔升溫增強趨勢不顯著時,其海拔升溫增強速率以“0”來計算)；大于(小于)這些高海拔區(qū)年均溫度的平均海拔升溫增強速率(0.230×0.073℃ km-1 50-yr-1)。采用配對區(qū)域比較法對5對高、低海拔區(qū)的氣溫變化趨勢分析表明,4個高海拔區(qū)的升溫幅度大于對應的低海拔區(qū)。從定性的角度來看,由年均最低溫度(年均最高溫度)得到的結果與年均溫度的高度(大致)一致。除此之外,本研究同時采用2因子(海拔和緯度因子)海拔升溫分量提取法,從年均氣溫、年均最低氣溫和年均最高氣溫3方面,對青藏高原、黃土高原、云貴高原、阿爾卑斯山、美國落基山和阿帕拉契山這6個高海拔區(qū)的升溫增強趨勢進行了分析。結果表明各高海拔區(qū)的升溫增強趨勢與由3因子(海拔、緯度和經度因子)海拔升溫分量提取法得到的非常一致。這說明同樣可以采用2因子海拔升溫分量提取法對高海拔區(qū)的海拔升溫增強趨勢進行估計。這也從另一個側面說明各高海拔區(qū)的氣溫變化主要與海拔和緯度相關。(3)將全球高海拔站點(500m)和相應低海拔站點分別視為一個整體,對2者的年均氣溫線性趨勢進行比較,發(fā)現1961-2010年高海拔區(qū)的升溫幅度是低海拔區(qū)的1.24倍。采用海拔分帶法對高海拔站點的氣溫升幅與海拔的關系進行分析,發(fā)現在1961-2010年和1976-2010年期間,高海拔區(qū)均存在顯著的海拔升溫增強趨勢,近35年的海拔升溫增強速率是近50年的1.39倍。采用逐步回歸法發(fā)現高海拔站點的氣溫升幅不僅與海拔顯著相關,而且與緯度顯著相關。這說明高海拔區(qū)的升溫增強(Warming amplification)同時包含海拔升溫增強(Altitudinal amplification)趨勢和緯度升溫增強(Latitudinal amplification)趨勢。進一步分析表明,高海拔區(qū)的升溫趨勢與海拔和緯度兩個方向上的溫度遞減率呈正比。根據Stefan-Boltzmann定律,這意味著高海拔區(qū)的升溫增強主要與海拔和緯度兩個維度上的能量平衡狀態(tài)密切相關。相比較而言,在1961-2010年期間,北半球高緯區(qū)(北極區(qū))低海拔站點(≤500m)的升溫趨勢是低緯度區(qū)低海拔站點的1.24倍。盡管北極區(qū)不存在緯度升溫增強趨勢,北半球低海拔站點的緯度升溫增強趨勢卻非常顯著。分析同時表明,北半球低海拔站點的升溫趨勢與緯度方向上的溫度遞減率呈正比。根據Stefan-Boltzmann定律,這意味著北極升溫增強主要與緯度方向上的能量平衡狀態(tài)密切相關。(4)將全球高、低海拔站點分別視為一個整體,對其1961-2010年各季節(jié)的平均氣溫線性趨勢進行比較,發(fā)現近50年高、低海拔站點各季的平均氣溫均呈顯著上升趨勢。除春季外,其它三個季節(jié)均為高海拔站點的氣溫升幅高于低海拔站點。海拔分帶法分析表明,高海拔站點各季的海拔升溫增強趨勢均很顯著,且秋、冬季的海拔升溫增強速率(0.2790℃km-1 150-yr-1,0.2756℃ km-1 50-yr-1)明顯高于春、夏季(0.1023℃ km-1 50-yr-1,0.135℃ km-1 50-yr-1)。采用逐步回歸法發(fā)現,高海拔區(qū)各季的升溫增強現象同樣既包含海拔升溫增強趨勢又包含緯度升溫增強趨勢�？傊�,本研究通過對EDW檢測方法的創(chuàng)新與引入,極大地推動了EDW在區(qū)域和全球尺度上的研究。研究發(fā)現高海拔區(qū)普遍存在區(qū)域升溫增強現象和海拔升溫增強趨勢。研究同時發(fā)現高海拔區(qū)不僅具有海拔升溫增強趨勢,而且具有緯度升溫增強趨勢。這些成果對高海拔區(qū)的氣候變化歸因、預估、影響和適應對策研究等具有重要參考價值。
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【學位授予單位】：山西大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P461.3

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本文編號：1580411