《新疆生地所在西北干旱区蒸散发变化归因追 踪研究中获进展》

  • 来源专题:中国科学院亮点监测
  • 编译者: yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间:2018-10-17
  •         全球气温升高而北半球潜在蒸散发减少,这一事实与全球变暖可能导致蒸发潜力增加的猜测相矛盾,即“蒸发悖论”,并一直引发不同蒸散发理论之间的争论。中国科学院新疆生态与地理研究所陈亚宁研究员团队发现西北干旱区蒸发水平以1993年为转折点,由显著下降逆转为显著上升的趋势,以风速为主的空气动力项是引起该变化的主要原因,研究结论向“蒸发悖论”发出了新的信号。该成果在国际水资源领域top期刊Water Resources Research上发表(http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/wrcr.20202/full),并被Bulletin of the Chinese Academy of Sciences作为"highlights"进行了专门报道。

      然而,值得追踪研究的是,空气动力项发生了怎样的改变?陈亚宁研究员团队进一步探究了影响近地表风速长期变化的根源和机理,结果表明,西北干旱区的地表风速在过去半个多世纪发生了明显变化。即:以1992年为拐点,在1969-1992年期间,近地表风速以0.036 m s-1 a-1的速率显著下降,而1992年以后,近地表风速以0.004 m s-1 a-1的速度开始回升。具体表现为:(1)1992年之前,春季风速的下降引起全年平均风速的整体下降趋势,而1992年之后,冬季风速的显著回升对全年风速下降趋势的逆转贡献最大;(2)在1969-1992年期间,风速大于2 m s-1 的天数呈现显著减少趋势。在1993-2015年期间,风速1-3 m s-1的天数呈现显著的增加趋势;(3)1000-1500m海拔地区的风速变化是对气候响应最为敏感的地区,风速在这一海拔范围内变率最大。

      那么又是什么原因导致这种变化发生呢?通过对不同纬度带的升温幅度的研究发现,影响西北干旱区风速变化的根本原因是高低纬度的不对称增温,从而引起高低纬气压差的强弱发生变化(图1)。在1969-1992年期间,高纬度带(50°N-65°N)升温幅度高于低纬度带(35°N-50°N),高低纬度带之间的气压差减小,造成近地表风速的减弱;而在1993-2015年期间,高纬度带升温幅度小于低纬度带,高低纬度带之间的气压差增大。并且发现,这种现象同样发生在对流层的中上层。

      相关研究成果以Recent recovery of surface wind speed in northwest China为题发表在International Journal of Climatology上,详见:https://doi.org/10.1002/joc.5679

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  • 《新疆生地所在超高分辨率遥感图像分类及新型集成学习算法构建方面取得进展》

    • 来源专题:中国科学院亮点监测
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2018-08-01
    •         在城市管理、生态环境分析、规划以及景观分析方面,高质量且精细地表信息图发挥着至关重要的作用,卫星、飞机、无人机平台获取的高分辨率、超高分辨率遥感图像则可以以直观、时效、低成本方式提供高质量且精细地表信息。然而,受城区地表结构复杂、多光谱影像辐射分辨率较低及成像几何畸变等因素影响,高分辨率尤其是超高分辨率遥感图像的高精度解译一直是个挑战性的问题。   通常在超高分辨率遥感图像分类中加入纹理、面向对象、形态学剖面等空间特征可大大提高其分类精度,但以上这些方法依然存在一定的缺陷,例如:1)纹理算子移动窗口大小、方向的选择对纹理特征的有效性直观重要,且一个移动窗口作用于正副图像其效果不一致;2)面向对象方法受限于所采用的图像分割算法,且分割算法的最优参数直接由所要处理的图像尺度、分辨率、复杂度等决定;3)传统形态学剖面(Morphological profiles, MPs)及扩展的形态学剖面(Extended morphological profiles, EMPs)不能有效提取纹理信息;4)部分重构的形态学剖面(Morphological profile with partial reconstruction, MPPR)会过度重构细节特征;5)形态学剖面、扩展的形态学剖面以及部分重构的形态学剖面采用的基本结构算子(Structural elements, SEs)数量、结构、尺度有限,不可能完全正确匹配整副超高分辨率遥感图像中所有结构特征。   针对上述问题,中国科学院新疆生态与地理研究所吉力力·阿不都外力研究员团队成员阿里木·赛买提博士利用最大稳定极限区域(Maximally stable extremal region, MSER)提取方法提取了城区超高分辨率遥感图像中的所有最大稳定区域,并将这些稳定区域作为结构算子一次性匹配整副图像中的所有结构特征,提出了最大稳定极限区域引导的形态学剖面构建方法。此外,首次将极限扰动决策树(Extremely randomized decision tree, ERDT)及其集成形式ExtraTrees引入到超高分辨率遥感图像的分类,并提出了极限扰动旋转森林(Extremely randomized rotation forest, ERRF)集成学习算法,并成功应用于城区超高分辨率遥感图像的高精度分类。   相关研究以Classification of VHR Multispectral Images Using ExtraTrees and Maximally Stable Extremal Region-Guided Morphological Profile为题发表于遥感领域权威期刊IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN APPLIED EARTH OBSERVATIONS AND REMOTE SENSING。研究得到了国家自然科学基金青年基金、中国科学院西部之光B类、新疆维吾尔自治区高层次人才引进工程等项目的资助。
  • 《全球海洋变暖研究获进展》

    • 来源专题:中国科学院亮点监测
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2019-04-06
    • 自美国国家海洋和大气管理局(NOAA)研究员S. Levitus于2000年在《科学》(Science)撰文正式发布第一条全球上层海洋热含量变化时间序列,发现20世纪下半页全球海洋次表层升温的现象以来,全球海洋到底变暖了多少,一直是一个争议不断的问题。2013年发布的国际政府间气候变化第五期评估报告(IPCC-AR5)列出的5个海洋热含量变化趋势估算中,最小的估计竟只有最大的估计的一半。对海洋变暖速度估算的不确定性,一方面限制了人们对全球变暖的科学认知,影响地球系统能量不平衡、气候敏感性等关键气候参数的估算;另一方面也阻碍了对气候模型的评估:从能量变化的角度,气候模型能否准确反映出过去的气候变化,进而对未来做出合理预估呢?   中国科学院大气物理研究所副研究员成里京联合美国圣-托马斯大学J.Abraham、加州大学伯克利分校Z.Hausfather和美国大气研究中心K.Trenberth在Science上撰写perspective论文,对上述问题进行了解答。   海洋变暖多少的争议来源于过去海洋观测数据质量和数量的不足。自IPCC-AR5发布以来,研究人员发现传统的估算方法低估了过去几十年海洋热含量上升速率。虽然2005年之后,海洋科学家们在海洋中布放了一些新的仪器Argo,得到了较好的全球海洋热含量估计。但是科学家们永远无法穿越到2005年之前,重新用高精度的仪器观测过去的海洋状况,因此海洋数据领域科研人员一直在持续不断地改进旧数据的质量、发展新的技术以更准确地重构过去海洋的状态。   大气所团队多年研究解决了历史海洋热含量估计中的一系列问题,于2017年提出了一个新的海洋上层2000米热含量估计;同时日本气象厅、澳大利亚联邦科学与工业研究组织、美国普林斯顿大学等也提出了更新的或改进的方法对海洋热含量变化进行估算。这些新的方法显示出非常一致的自1955年以来的全球海洋热含量上升趋势。   最近一些估计一致性表明:热含量研究领域已经逐步解决已有问题,可以对全球海洋变暖做出更准确的计算了。根据最新估算,1971-2010年间全球海洋上层2000米变暖速率为0.36~0.39 Wm-2。新的估算显示出比IPCC-AR5更强的海洋变暖速率:IPCC-AR5的同期估计仅为0.20~0.32 Wm-2。海洋变暖在上世纪90年代后显著加速:1991年后海洋上2000米变暖速率为0.55~0.68 Wm-2。这直接反映了大气中不断积累的温室气体对海洋的影响。   气候模型能否准确模拟过去的海洋变化呢?Science研究表明,耦合模式比较计划5(CMIP5)模型集合平均可以非常好地模拟历史海洋变暖:1970-2010年间,CMIP5模拟的海洋上层2000米变暖速率为0.39 Wm-2,与最新的观测几乎一致。模型对过去情况的优秀的模拟效果极大提升了其对未来预估的可信程度。根据CMIP5模型预估,在rcp8.5情景下(假设未来不施行任何气候政策),2081-2100年间,整个上层2000米海洋将平均变暖0.78摄氏度(相对于1991-2005年的平均状态),这是过去60年海洋变暖总量的6倍。在rcp2.6情景下(假设未来将接近或达到《巴黎协定》目标),2081-2100年间海洋上层2000米将平均变暖0.4摄氏度。   人类活动已经深刻地改变了海洋环境,海洋增温已经造成了海平面上升、溶解氧下降、极端事件加剧、珊瑚白化等后果。然而,由于海洋对温室气体响应的“滞后效应”,海洋正在加速变暖,更强的海洋增暖将发生在本世纪。即使接近或者达到《巴黎协定》目标,海洋升温及其带来的影响也将持续。若不积极应对,未来人类和地球生态系统都将面临严重的气候风险。   论文于北京时间2019年1月11日上线,得到国际媒体的广泛关注。美国国家航空与航天局戈达德空间科学研究所主任Gavin Schmidt在接受采访时指出“海洋热含量确实是地球系统能量不平衡的最佳度量”,评论文章称“该发现进一步验证了已有的科学研究工作,并为本世纪末的气候预估提供了更强的可信度”。