青藏高原湖泊过程及其与大气相互作用的高分辨率模式发展和模拟研究

The inland lakes with the highest elevation on the Earth are located in the Tibetan Plateau. Under the background of global warming, how the lake processes affect the energy and water cycles over the Tibetan Plateau is an important issue for global climate and environmental change research. However, due the lack of climate and hydrological data and coupled high-resolution lake-climate models, lake-atmosphere interactions over the Tibetan Plateau are not well understood and sufficiently quantified. This project is intended to build a continuous remote sensing lake database in the spatiotemporal domain for the Tibetan Plateau and develop a lake model with physically based lake water mixing and lake ice parameterizations. In addition, the developed lake model will be coupled with a regional climate model and perform high-resolution (10 km) simulations for a 30-year period (1986-2015) to investigate the lake processes and their interactions with the atmosphere over the Tibetan Plateau and its downstream regions. With such simulations, we will also explore the variations of water and heat fluxes on the lake surfaces over the 30-year period and their impact on the climate system over the Tibetan Plateau and its downstream regions. The results from this project will give insight into the sustainable developments of ecosystem and environment and will have a great scientific value and a social impact.

青藏高原有地球上海拔最高的内陆湖泊群, 在全球变暖背景下，这些湖泊的变化过程及对高原及周边区域能量和水分循环的影响是高原乃至全球气候与环境变化研究中一个重要的科学问题。本项目针对青藏高原气象水文观测数据较少且缺乏本地化高分辨率湖泊-大气耦合模式，从而对高原湖泊与大气相互作用过程认识不清、量化不够的问题，拟利用多源遥感资料构建湖泊时空变化过程连续数据集，发展参数优化、湖水混合和湖冰变化机理合理的湖泊模式，并在构建湖泊与高分辨率（10公里）气候耦合模式的基础上，模拟近30年（1986~2015）青藏高原湖泊变化及其与高原和下游地区大气相互作用过程，以厘清近30年来青藏高原湖泊表面水热通量的变化及其对高原地气系统和下游地区天气气候影响的物理机制和时空尺度特征。项目研究成果可为高原及其周边地区生态资源和环境可持续发展提供科学依据，具有重要的科学价值和社会意义。

系统开展了青藏高原湖泊过程及其与大气相互作用的高分辨率模式发展和模拟研究，在如下3个方面取得显著进展。（1）以可可西里卓乃湖流域为例分析了青藏高原湖泊水体时空变化过程规律以及影响。根据卓乃湖流域附近五道梁气象站观测资料，近20年来该区年降水量和年平均气温均呈增加趋势，区域暖湿化特征十分明显。受湖泊溃决影响其湖泊水面面积近20年发生了急剧变化。2000-2011年间卓乃湖、库赛湖和盐湖面积均呈逐年增长趋势，2012-2016年间，卓乃湖面积先减少后增加，2016年之后湖泊面积持续减少。卓乃湖的溃决对下游盐湖的影响是通过打通卓乃湖、库赛湖、海丁诺尔湖及盐湖之间的水力联系后，先是直接导致了盐湖面积的快速扩张。之后，由于整个区域的降水经汇流后都汇集至盐湖，使得盐湖面积的变化完全受控于区域降水量的变化。（2）青藏高原湖泊过程模式发展和模拟。通过将海洋模型中的垂直混合K廓线（KPP）方案耦合到CLM湖泊模型中，改进后的湖泊模型考虑了水体内边界层的发展，可以更加真实地反映湖泊水体垂直混合过程，进而提高对湖表温度及湖温廓线的模拟结果。同时通过加入了湖水盐分对结冰点的影响和表面升华过程对冰厚的影响来提高了湖泊模型对湖冰的模拟精度。改进后可以更加充分描述湖冰的冻结与融化过程。（3）本研究利用包含一维湖泊模式的区域气候模式WRF，对2000-2010年高原气候进行高分辨模拟试验，结果表明：高原湖泊改变高原了表面能量收支，加强了湖面风速以及蒸发，并且在春季起冷却作用，秋季起增温作用。同时，湖泊的存在会引起局地降水在春季减少，秋季增多。并且湖泊的水热过程进一步改变了区域大气环流，并引起非湖泊区域降水的变化。研究成果丰富了对青藏高原气候动力学湖泊的研究，对于提高青藏高原湖泊过程及其与大气相互作用的理解具有十分重要的科学意义和参考价值。