西藏色林错地区环境变化综合科学考察报告

第1章 现代气候特征与变化
　　本章导读：色林错流域地处青藏高原季风与西风相互作用的过渡地带。季风和 西风的水汽输送以及局地水循环过程均对色林错流域的气候特征产生影响。色林错流 域多年平均气温为-1.8°C，降水量为389.4 mm，空气湿度为0.0032 kg/kg，太阳辐射 为236.2 W/m2，20 cm蒸发皿蒸发量为2014.9 mm。色林错流域每年5～9月的月均 温高于0C，其他月份普遍低于0C。色林错流域的降水主要出现在6～9月，占全 年降水量的80%以上。全球气候变化背景下，色林错流域也存在显著的气候变化。 1979～2017年，色林错流域年均气温以0.049C /a的速率显著升高；四季平均气温 也显著升高，尤以冬季为甚。近39年来，色林错流域年平均降水量以4.65 mm/a的 速率呈显著增多之势。降水的增多主要出现在1990s中期以后，1996～2017年年平 均降水量（443.2 mm)较1979～1999年年平均降水量（319.8 mm)高出123.4 mm。 上述气温和降水变化暗示了色林错流域在近20年来显著变暖变湿的气候背景。此 外，近39年来，色林错流域风速和太阳辐射也出现波动减小的趋势，尤以1980s～ 2000s为甚，然而*近10年来色林错流域的风速和太阳辐射均呈逐渐增大的趋势。 需要指出，尽管气温升高，但是风速和太阳辐射减小使得20 cm蒸发皿蒸发量在 1979～2012年也呈显著减少之势。
　　关键词：色林错，气候变化，气温，降水，湿度，风速，太阳辐射
　　1.1 色林错流域大气环流背景
　　青藏高原是西风与印度季风两大环流系统的交汇区，西风与印度季风两大环流控 制着青藏高原气候与环境变化，影响着青藏高原的热力和动力条件，二者相互作用之 下的水汽输送及其变化不仅能够改变青藏高原地区的气候条件，也在更大的尺度上影 响着东亚、南亚的气候变迁（Wu et al.， 2015; Ye and Wu， 1998)。基于降水稳定同位 素实测与模型模拟发现，西风与印度季风两大环流的影响范围和程度具有明显的空间分 异，青藏高原现代西风与印度季风的相互作用特征表现为3种模态（图1.1)，以30°N ～35°N为分界线，划分为印度季风模态（30°N以南）、西风模态（35°N以北）和过 渡模态（30°N～35°N)(Yao et al.，2013)。上述3种模态对现代青藏高原环境产生连 锁式效应，使得该区的冰川、湖泊、生态系统变化具有明显的区域特征（姚檀栋等， 2017)。其中，过渡模态位于西风和印度季风影响交汇区，降水氧稳定同位素没有明显 的季节性极值，与局地气象要素的相关性也较为复杂，多受控于大尺度的天气过程， 且由于地处青藏高原腹地，海洋蒸发的水汽很难直接到达，故局地水汽再循环在大气 降水过程中扮演了极为重要的角色，地表水分蒸发的水汽对当地部分降水事件的贡献 率可高达 80% (Kurita and Yamada，2008)。
　　色林错流域位于羌塘高原中南部，其南北范围为30°03'N～33°40'N，东西跨 度为87°39'E～92°26'E，整个流域恰好处于过渡带范围之内，图1.2为研究区域及 周边地区夏季和其他季节多年的大气环流平均状况（水平风场和比湿场）。从图1.2中可以看出，夏季季风期（6～9月），流域主要受来自印度洋西南季风的控制， 虽然平均风速只有10 m/s，但受其影响，暖湿的大洋水汽通过阿拉伯海输送至青藏 高原或穿过孟加拉湾翻越喜马拉雅山脉北上，输送至青藏高原内部，因此，水汽量 大，降水较多，经历长距离的“雨洗作用”（Dansgaard，1964)和受强对流活动（Gao et al.，2013)的影响，使得到达该地区时形成的降水中稳定同位素值极度贫化（图1.3) 过渡区除两大环流的影响之外，过去的研究表明（Tianetal.，2001，2007)，青藏 高原夏季降水中的#8O和过量氘3D由南至北逐渐增大（例如，青藏高原北部沱沱河 的大气降水中#8O和3D分别为-9%。和15%。，而南部的拉萨分别为-17%。和7%。)， 造成这种差异的主要原因是：高原南部的降水主要与南亚季风带来的海洋型水汽有关， 而高原内流区水循环过程较强，降水水汽来源主要是地表水分的蒸发。基于本次科考， 我们布设色林错流域尺度的降水同位素釆样网络，结果同样验证了以上结论，由流域 南部向北部3D值不断增大(图1.4)(Zhang et al.，2019)。
　　图1.1 西风和印度季风水汽传输路径及模态分界示意图（改绘自Yao et al.，2013)
　　图1.2 青藏高原及其周边地区500hPa风场和比湿场的空间分布
　　(a) 6～9月平均值；（b) 11月～次年5月平均值，绿色边框为色林错流域所在区域
　　图1.3 色林错流域内申扎站点曰均降水同位素的变化（2013～2017年）（Zhang et al.，2019)
　　基于Yamada和Uyeda(2006)划分的3种降水类型，分别对比了 3种降水过程中 大气降水、低层大气水汽和地表蒸发水汽的同位素（主要指318O和过量氘3D)的关系 和差异，观测期间青藏高原内流区水循环可简单概括为以下过程：观测初期，夏季热 低压促进了高原尺度的对流运动，源于低层大气水汽（含有大量地表蒸发的水汽）的 强降水随之产生。随后，局地的对流运动因对流层上部干空气的侵入而有所减缓，在 这期间基本没有降水发生。向东的大气扰动挟带一定的水汽从远距离以外传输到藏北 内流区，并形成了降水，浸润地表。降水结束后，地表水分开始通过蒸发返回至低层 大气，低层大气中的水汽在热力环流作用下于夜间再次产生降水。
　　其中，西风槽东移所带来的降水（简称TR型降水）事件：远距离的水汽通过青 藏高原北部的水汽辐合作用输送至此形成降水。除此之外，大气层中部水汽含量增大而导致的低压槽到来时空气中可降水量剧增，暗示着当地水汽的蒸发对TR型降水事件 的水汽贡献较小。综合而言，TR型降水事件的水汽主要源于远距离的水汽输送，而与 局地水汽蒸发关系甚小。而热低压型降水（简称UH型降水)事件刚开始时，大气低 层水汽中的3D呈现出明显的下午大、夜晚小的日变化，这反映了地表蒸发对大气低层 水汽的贡献；而随着降水的持续，大气低层水汽中的JD逐渐变小，暗示着地表蒸发对 其贡献减少，推测其水汽来源可能源于由南向北的水汽辐合，但是再分析资料的分析 结果表明，观测点处并没有明显的水汽辐合现象，因此，目前还无法判断局地水循环 作用和远距离水汽输送在UH型降水事件中各自所占的比例。而高原尺度的扰动降水 (简称NL型降水），水汽主要源自低层大气，水平方向上低层水汽输送为辐散。与此 同时，大气水汽中逐渐增大的3D表明，地表水分的蒸发对NL型降水的水汽贡献越来 越大。这是因为地表蒸发的水分中3D较为富集，局地水汽的再循环（即地表蒸发水汽 回到大气中又参与形成降水)作用使得低层大气中3D也逐渐增大。模拟结果表明， NL型降水时，地表水分的蒸发对降水水汽来源的贡献可从30%增大到80%，即局地 环流影响的水汽再循环作用对NL型降水事件的水汽来源贡献甚为显著。需要指出，虽 然局地水汽的再循环对3种降水过程水汽来源的贡献有所差异，但其对维持该区活跃 的水循环至关重要（Kurita and Yamada，2008; Yang et al.，2006)。
　　图1.4 2016～2017年色林错流域内申扎（a)、班戈（b)、多玛（c)、岗尼（d) 4个站点处降水d-excess值月变化曲线（Zhang et al.，2019)
　　整体而言，色林错流域所处的青藏高原过渡带的水汽来源较为多样化（徐祥德等， 2014; Yao et al.，2013)。图1.5展示了青藏高原特别是中部地区水分循环的概念图， 尽管来自远距离输送的水汽从根本上控制着内流区的局地水循环，而活跃的内流区局 地水循环的*重要作用，正是反复利用了这些水汽才给藏北地区带来更多的降水，进 而维持夏季风时期该地区的地表湿度。
　　图1.5 青藏高原水分循环模式概念图（Yao et al.，2013)
　　1.2 色林错流域现代气候特征
　　色林错流域大多属高原亚寒带，气候以半干旱为主（郑景云等，2013)。由于气候 恶劣，流域内仅有一个中国气象局气象站——申扎站。本章基于中国科学院青藏高原 研究所开发的中国区域地面气象要素数据集（CMFD)中的格点气温（2 m)、湿度、风 速（10 m)、太阳福射资料以及申扎站的20 cm蒸发皿探讨色林错流域现代气候特征及 其变化趋势。CMFD以国际上现有的Princeton再分析资料、全球陆面数据（GLDAS) 气象驱动资料、GEWEX-SRB辐射资料和TRMM降水资料为背景场，融合了中国气象 局常规气象观测数据制作而成（He and Yang，2011)。对地面气象站观测结果的评估发现， CMFD数据整体具有较好的准确度（Chen et al.，2011; Zhou et al.，2015)，并已广泛 应用于气候和水文模拟研究中(Sun et al.，2017; Ma et al.，2016; Zhou et al.，2015)。 本章中色林错流域1979～2016年的气象数据来源于CMFD，而2017年的气象数据源 于GLDAS的原始气象驱动，20 cm蒸发皿观测的蒸发资料则源于申扎站。气候要素变 化的趋势均以线性回归计算。就趋势显著性检验而言，只有当趋势通过信度为0.05的 显著性检验时，才认为变化趋势显著，否则认为变化趋势不显著。
　　1.2.1 气温
　　图1.6展示了色林错流域多年（1979～2017年）平均的年均气温的空间分布，可 以发现，流域多年气温的空间分布与海拔显著相关，流域内多年均温*高的地区可达 1.0°C，多年均温*低的高海拔地区甚至低于-10°C。具体而言，流域西北部的唐古拉 山南麓和流域西南部的甲岗雪山地区由于海拔较高，多年平均气温一般低于-7C;而

西藏色林错地区位于青藏高原印度季风与西风相互作用的过渡带。2017年启动的第二次青藏高原综合科学考察研究将色林错地区作为重点考察地区之一，重点关注该区域的气象、湖泊、河流、冰川、大气状况和生态系统的近期变化以及全新世以来的环境演变。《西藏色林错地区环境变化综合科学考察报告》从气象要素、大气边界层水汽交换、现代湖泊学特征、湖泊面积与水量水质变化、水量平衡要素分析、湖泊生态系统、植被类型与植物多样性、动物多样性及其保护、土地覆被变化、全新世以来环境演变等方面，较为系统地介绍了考察的初步成果，提供了考察获得的基础数据。

目录
第1章 现代气候特征与变化 1
1.1 色林错流域大气环流背景 2
1.2 色林错流域现代气候特征 6
1.2.1 气温 6
1.2.2 降水 7
1.2.3 空气湿度 8
1.2.4 风速 11
1.2.5 太阳辐射 12
1.2.6 蒸发皿蒸发量 12
1.3 1979～2017年色林错流域气候变化 13
1.3.1 气温变化 13
1.3.2 降水变化 16
1.3.3 空气湿度变化 18
1.3.4 风速变化 20
1.3.5 太阳辐射变化 21
1.3.6 蒸发皿蒸发量变化 23
参考文献 25
第2章 大气边界层特征及地气相互作用 27
2.1 江湖源地区大气边界层特征 28
2.1.1 色林错湖区大气边界层高度 28
2.1.2 藏北高原大气边界层结构特征 29
2.1.3 藏北高原大气边界层内温湿风压变化规律 31
2.1.4 青藏高原大气边界层与平流层–对流层的物质交换 33
2.2 江湖源地区地气相互作用 36
2.2.1 湖–气相互作用 36
2.2.2 陆气相互作用及其地表参数化 40
2.2.3 陆面过程的重要性 44
参考文献 46
第3章 现代湖泊学特征 53
3.1 区域湖泊概况 54
3.2 色林错湖泊水文水质状况 56
3.2.1 水深分布及水量 58
3.2.2 湖水理化性质 59
3.3 多尔索洞错–赤布张错湖泊水文水质 62
3.3.1 多尔索洞错 63
3.3.2 赤布张错 67
3.4 其他湖泊水文水质 71
3.4.1 达则错 71
3.4.2 格仁错 76
3.4.3 错鄂 79
3.4.4 兹格塘错 80
3.4.5 江错 83
参考文献 88
第4章 湖泊面积水量与理化参数变化 91
4.1 湖泊面积水量变化 92
4.1.1 内陆封闭湖泊面积水量变化概况 92
4.1.2 色林错及其周边地区湖泊面积水量变化 95
4.1.3 典型湖泊面积与水量变化 99
4.1.4 湖泊变化对气候的响应 102
4.2 水质参数变化 103
4.3 基于遥感反演的色林错地区湖泊透明度时空变化 106
4.3.1 色林错地区湖泊透明度空间分布特征 108
4.3.2 色林错地区湖泊透明度时间变化特征 108
4.3.3 湖泊透明度时间变化与流域温度、降水率的关系 112
参考文献 114
第5章 色林错湖泊水文与水量平衡 115
5.1 流域水文观测 116
5.2 径流的形成及其对湖泊补给作用 121
5.2.1 色林错降水 121
5.2.2 入湖径流特征 123
5.2.3 过水湖在湖泊变化中的作用 126
5.2.4 入湖径流变化 127
5.2.5 径流对湖泊补给作用 129
5.3 湖面蒸发 130
5.3.1 湖面蒸发观测 130
5.3.2 湖面蒸发模拟 133
5.3.3 湖面蒸发间接反算法 135
5.3.4 色林错湖面蒸发变化 135
5.4 湖泊水量平衡及其变化 136
5.4.1 利用同位素计算湖面蒸发对大气降水的贡献 137
5.4.2 基于观测的湖泊水量平衡过程 137
5.4.3 湖泊水量平衡变化 138
5.4.4 色林错湖泊扩张原因定量分析 140
参考文献 142
第6章 水生浮游生物 147
6.1 调查湖泊的基本状况 148
6.2 浮游植物 152
6.2.1 种类组成 152
6.2.2 浮游植物的丰富度和多样性 155
6.2.3 浮游植物群落结构与生物量 156
6.2.4 以浮游植物种群为基础的青藏高原湖泊类群 158
6.2.5 青藏高原浮游植物与其他因子的关系 159
6.3 浮游动物 160
6.3.1 种类组成 160
6.3.2 种类分布与环境因子关系 167
6.3.3 群落结构 170
6.3.4 营养级联效应 174
6.3.5 气候变化对青藏高原湖泊生态系统影响的启示 176
6.4 枝角类休眠卵 176
6.4.1 现生种类与休眠种类 177
6.4.2 沉积物休眠卵种类分布特征 178
6.4.3 西藏溞休眠卵长期变化 179
6.5 西藏溞生物地理学研究 180
6.5.1 西藏溞单倍型分布 180
6.5.2 西藏溞种群遗传结构与环境和空间的关系 182
6.5.3 西藏溞种群分化与西藏大湖关系 184
参考文献 185
第7章 植被类型与植物多样性 187
7.1 植被调查方法 188
7.1.1 研究方法 189
7.1.2 数据分析 189
7.1.3 不同方法的结果 190
7.1.4 不同方法的讨论 193
7.2 植物群落特征 194
7.2.1 主要植被类型 194
7.2.2 调查区域A 基本情况分析 200
7.2.3 调查区域B 基本情况分析 204
7.2.4 调查区域C 基本情况分析 207
7.2.5 色林错区域土壤总体评价 208
7.2.6 色林错区域草地生产力总体评价 214
7.3 植物群落与环境之间的关系 214
7.3.1 植物群落在不同海拔的变化特征 214
7.3.2 植物群落在不同纬度下的变化特征 216
7.3.3 植物群落在不同经度下的变化特征 216
7.3.4 植物群落在不同土壤含碳量下的变化特征 217
7.3.5 植物群落在不同土壤含氮量下的变化特征 220
7.3.6 植物群落在不同土壤含磷量下的变化特征 221
7.3.7 植物群落在不同土壤含钾量下的变化特征 221
参考文献 224
附录 色林错地区种子植物名录 226
第8章 动物多样性及其保护 239
8.1 大型有蹄类及大鵟 240
8.2 鸟类和爬行动物 244
参考文献 246
第9章 土地利用与土地覆被变化 249
9.1 色林错地区土地利用现状 250
9.1.1 土地利用总体构成及分布 250
9.1.2 主要土地覆被类型分布特点 252
9.1.3 土地利用类型的地形分异特征 255
9.1.4 土地利用程度及区域差异 256
9.1.5 土地利用景观格局 259
9.2 色林错地区土地覆被类型变化空间特征 261
9.2.1 土地覆被类型组成变化 261
9.2.2 土地覆被类型变化 263
9.2.3 土地覆被空间变化 263
9.3 土地覆被变化对地表温湿度变化的影响 266
9.3.1 色林错地区地表温度变化 267
9.3.2 夏季土壤湿度变化 269
9.3.3 不同土地覆被类型的土壤温湿度变化 273
参考文献 276
第10章 湖泊沉积记录的过去环境变化 279
10.1 湖泊沉积的过去环境变化研究方法 280
10.1.1 样品采集与处理 280
10.1.2 样品定年 280
10.1.3 湖泊沉积物中常用环境指标 282
10.2 令戈错湖芯重建的末次冰消期以来环境变化 285
10.2.1 样品采集及年代学 287
10.2.2 令戈错沉积物代用指标的环境意义 288
10.2.3 令戈错1 ka B.P.以来环境变化 292
10.3 色林错湖芯重建的晚冰期以来环境变化 294
10.3.1 色林错湖芯年代测试分析 295
10.3.2 色林错湖芯反映的环境变化 296
10.4 赤布张错湖芯反映的晚冰期以来环境变化 299
10.4.1 研究材料 299
10.4.2 年代学与沉积速率 300
10.4.3 赤布张错湖芯代用指标的环境意义 302
10.4.4 赤布张错过去近13000 年环境演化 308
10.5 达则错湖芯揭示的*近2000 年气候变化 310
10.5.1 样品采集及年代学 311
10.5.2 过去2000年达则错气候变化 312
10.5.3 过去2000年达则错气候变化的影响因素 313
10.6 区域环境变化特征 315
10.6.1 环境变化代用指标的选择 315
10.6.2 区域环境变化历史 316
参考文献 318
附录 2017年江湖源科考日志(6.3～7.12) 327