中国气候干湿变化及气候带边界演变:以集成土壤湿度为指标

依据观测气象资料驱动的陆面模式模拟土壤湿度,比较评估了25个全球耦合气候模式的模拟土壤湿度,选择其均值和趋势与陆面模式模拟均呈正相关的11个数据集.采用多模式权重平均法集成了中国区域两种气候情景1900～2099年的土壤湿度.以集成土壤湿度为指标,分析中国区域199年气候干湿变化的时空特征,区划干湿气候带,分析干湿区边界的演变特征.结果表明总体上典型干旱区土壤湿度呈增加趋势,湿润区变化不显著,干湿过渡带土壤湿度变化最剧烈,呈显著干旱化趋势.干湿气候带边界线演变表明半干旱区扩张,半湿润区收缩是两种情景下我国干湿气候带演变的典型特征.其中20世纪30°N以北的半干旱区面积与1970～1999年平均半干旱区面积比较扩大了11.5%,即使考虑湿润区向半湿润区的转变,与1970～1999年平均面积相比,半湿润区面积缩小也达9.8%.21世纪A1B情景下干湿区界线的变化保持了同样的趋势,但强度明显大于20世纪.因此未来干旱化扩张影响下的区域生态环境变化和人类适应问题需要深入关注.     

我国西北干旱区水文研究的现状及对今后研究的意见

干旱区在世界上分布极为广泛,其中以非洲、亚洲和澳洲面积最大;南北美洲也有部分地区为干旱区所占据,就在比较湿润的欧洲干旱(半干旱)区亦有出现(克里米亚和西班牙等)。干旱地区的特点就是相对的缺水,改造与利用干旱区都以有效的利用水资源为前提。随着经济、技术的发展,干旱(半干旱)区越来越多地被开发利用,因此,干旱区水文研究从本世纪四十年代在世界各国干燥地区广泛地开展起来。其中以苏联、美国、埃及、法国、澳大利亚、突尼斯和摩洛哥等国所做的工作较多。从现有的文献看来,世界各国干旱区水文研究是冶水文、水     

全球变暖背景下中国夏季表面气温与土壤湿度的年代际共变率

利用1961～2004年中国160站地面观测气温和降水月资料, 计算了自校正Palmer干旱指数 (PDSI)作为土壤湿度的代用资料. 首先使用中国40个站点的土壤湿度数据对PDSI进行可靠性验证, 结果表明自校正PDSI可以很好地表示土壤湿度的变化. 在此基础上, 分析了夏季土壤湿度和表面气温的变化趋势及两者的共变率. 分析结果显示, 在中国许多地区, 表面气温和土壤湿度之间存在着显著的年代际气候共变率和强的反馈作用, 这一年代际气候共变率与气候变暖紧密联系. 中国西北的东部, 华北和东北的夏季气候存在显著的由冷湿向暖干发展的年代际变化. 而在中国东南地区和西北西部, 气候发生了显著的由暖干向冷湿转变的年代际现象. 在过去20~30 a, 全球陆地的大部分地区都观测到显著的变暖, 而中国东南地区和西北西部则出现向冷湿发展的年代际变化, 这可能是需要在科学上引起特别关注的气候现象. 对于观测到的气候年代际共变率, 表面气温和土壤湿度的相互反馈作用起着一定的作用. 利用Palmer干旱模型研究发现表面气温的异常对土壤湿度具有显著的影响, 从而亦影响到表面气温和土壤湿度的年代际共变率. 在伴随着人类影响的全球变暖过程中, 中国气候出现年代际干旱或洪涝的可能性也相应增加, 本研究结果为此观点提供了真实的观测证据.     

中国土壤湿度的变异及其对中国气候的影响

土壤湿度是气候系统中的重要参量,对地球系统中水分、能量以及地球生物化学循环都有重要影响。本文综述了关于土壤湿度对大气的影响,以及中国区域土壤湿度及其对中国气候影响的研究进展,分析了土壤湿度通过影响地表能量和水分平衡,进而影响大气的变化。现有研究表明：在中国东部春季,土壤湿度的气候分布表现为东北、长江中下游为高值区,华北较干,河套地区的土壤湿度最低;中国东部中纬度地区是土壤湿度年际变异最大的区域,并与东北区域呈反相变化;土壤湿度整体上呈现变干的趋势,深层土壤变干较浅层土壤显著,且东北和南方地区比中纬度地区的变干趋势显著。中国东部从长江流域到华北的春季土壤湿度偏高时,通过改变春末地表能量平衡可以导致东亚夏季风减弱,造成夏季华南和华北降水减小,长江中下游和东北降水增多。中国北方季风边缘区的土壤湿度对局地降水有显著影响,而土壤湿度对局地温度有显著影响的区域主要位于中国北方。     

利用CLM模拟陆面过程中稳定水同位素季节变化

将稳定同位素作为诊断工具引入CLM(Community Land Model), 并对巴西马瑙斯站在平衡年的不同水体中稳定同位素的季节变化进行了模拟和分析, 旨在通过对陆面过程中稳定水同位素的模拟试验, 了解陆面过程中稳定水同位素的循环过程, 以补充观测资料之缺乏, 并最终利用稳定同位素的变化特性进行水文气象过程的预测. 模拟的结果表明, 降水、水汽和地表径流中的δ¹⁸O均存在显著的季节性变化, 并与相应的水量存在反比关系. 与IAEA/WMO监测数据相比, CLM的模拟基本上揭示了降水中δ¹⁸O的实际分布特征. 另外, 模拟的月降水量与月δ¹⁸O之间的降水量效应以及大气水线(MWL)均接近实际状况. 这在一定程度上说明, 引入稳定同位素效应的CLM的模拟是合理的. 但也看到, 模拟的降水中δ¹⁸O的季节差异明显小于实际值, 降水中δ¹⁸O的季节变化展示了赤道地区理想的双峰型特点, 但实际的分布却是单峰型. 这些差异的产生可能与CLM本身的模拟能力有关, 也可能与强迫资料的准确性有关.     

CMIP5多模式对全球典型干旱半干旱区气候变化的模拟与预估

应用CRU 3.1气温资料和GPCC V6降水数据,系统评估了国际耦合模式比较计划第5阶段(CMIP5)中17个耦合模式对全球典型干旱半干旱区的长期气候变化的模拟能力,并在此基础上分析了不同典型浓度路径(representative concentration pathways,RCPs)下典型干旱半干旱区未来的气候变化情景.结果表明:大多数模式都能模拟出全球陆地以及典型干旱半干旱区观测气温时空分布特征,特别是近60年来显著增温的空间格局,但增温幅度偏小0.1~0.3℃/50 a;大多数模式难以捕捉到全球陆地观测降水的年际变化特征,模拟的变率和趋势均明显偏弱,不同模式对干旱半干旱区降水的模拟存在较大的时空差异,但总体上还是多模式集成结果更为接近观测值;在人类活动和自然变化的共同影响下,全球及其不同干旱半干旱区未来气温的变化均是以显著增温为主,特别是高端浓度路径(RCP 8.5)下的增温幅度几乎是中低端浓度路径(RCP 4.5)下的2倍;降水的未来变化情景基本上是"干愈干、湿愈湿"的时空特征,也是高端浓度路径下的变化更为明显;而未来中国北方干旱半干旱区很可能是气温上升、降水增加最为显著的地区之一.     

RegCM3对21世纪中国区域气候变化的高分辨率模拟

使用RegCM3区域气候模式,单向嵌套日本CCSR/NIES/FRCGC的MIROC3.2_hires全球模式输出结果,对中国及东亚地区进行了1951~2100年,在IPCCSRESA1B温室气体排放情景下,水平分辨率为25km的连续气候变化模拟试验.首先分析了区域模式对当代气候的模拟能力,结果表明,模式可较好地再现中国地区地面气温和降水的空间分布及数值.对未来21世纪中期和末期气候变化的模拟表明,未来平均气温将明显升高,且随时间推移,气温升高幅度增大,升温高值区集中在高纬度和高海拔(青藏高原)地区.21世纪中期,冬季降水除青藏高原外以增加为主,夏季降水在中国西部西北地区增加、青藏高原减少;东部地区降水变化呈正负相间的分布.21世纪末期,降水变化分布除个别地方外,和21世纪中期一致,但变化幅度增大.此外,将此模拟结果与以往RegCM3在另一个全球模式驱动下的结果进行了对比,以了解中国地区气候变化预估中的不确定性.     

临近绿洲的荒漠表层土壤水分"呼吸"现象

本文利用“我国西北干旱区陆 -气相互作用试验”项目在甘肃敦煌取得的野外观测资料 ,分析了临近绿洲的荒漠戈壁大气和土壤湿度特征以及水分的输送特征 .发现由于绿洲效应影响 ,临近绿洲的荒漠戈壁不仅近地层大气多为逆湿 ,而且这种大气逆湿在夜间较强时可以继续向土壤活动层延伸 ,并且可以通过凝结被土壤吸收 .夜间土壤对水分的吸收与白天土壤水分的蒸发共同构成土壤对大气水分的“呼吸”过程 .     

近30年我国干湿状况变化的区域差异

以全国616个气象站点1971~2000年的气象数据为基础, 应用修正的FAO-Penman-Monteith最大可能蒸散模型, 计算近30年的最大可能蒸散和干湿指数; 分析降水量、最大可能蒸散和干湿指数的变化趋势及年代际距平变化, 研究我国近30年来干湿状况变化的区域差异. 结果表明, 各要素的变化趋势存在较大的区域差异, 年代际变化明显. 近30年来全国大部分地区年降水量呈增加趋势; 最大可能蒸散和干湿指数呈减少趋势. 说明我国大部分地区近30年来湿润程度有所增加, 在新疆北部和藏东川西滇北地区变化趋势显著. 我国地理环境复杂, 全国的平均状态掩盖了区域间的差异, 在研究气候变化及其影响时应分区域描述. 分析区域的干湿状况必须综合考虑水分的收支.     

1951~2004年中国北方干旱化的基本事实

利用月降水及月平均气温资料, 计算了中国区域地表湿润指数、Palmer干旱指数和反演的土壤湿度, 通过对上述3个指标及降水变化特征的对比分析, 揭示了中国北方近54年干湿变化的时空结构, 特别是对北方干旱化事实的分析. 结果指出: (1) 20世纪80年代以来, 西北东部和华北以干旱化趋势为主要特征, 这种干旱化的趋势在近15年不断加剧, 降水减少和气温升高是其产生的主要原因; (2) 在54年间, 西北东部和华北在年代际尺度上仅发生一次干湿转换, 转折点出现在20世纪70年代的末期, 这与1977/1978全球气候背景的转折性变化有关. 而东北地区却有3个转折点, 最近的一个产生在20世纪90年代中期, 另两个分别发生在1965和1983年; (3) 与北方其他地区的变化趋势相反, 西北西部当前正处在一个相对湿的时段, 但温度的升高削弱了这种变湿趋势; (4) 20世纪80年代以后, 西北东部、华北和东北地区的极端干旱发生的频率明显增加, 这与这些地区降水减少和气温升高密切相关.     

气候变暖背景下青藏高原植被覆盖特征的时空变化及其成因分析

正交分解反演于NOAA-AVHRR数据的叶面积指数、空间特征场分布和时间系数变化显示, 自20世纪80年代初至2000年, 在全球变暖气候大背景下, 青藏高原地区植被覆盖率总体上呈增加趋势. 降水量与主特征场时间系数相关性分析表明, 降水量是决定高原地区植被整体覆盖年际变化和波动的主要气候驱动因素. 植被覆盖总体增加的同时, 高原地区植被覆盖率也存在显著的南北反相位区域变化特征, 气候变暖是造成植被覆盖南北反相位变化的主要原因. 气温持续增高导致活动积温增加, 有利于高原南缘湿润地区植被的生长, 相反却使高原北部地区干旱加剧, 不利于植被覆盖状况的改善.     

华北干旱化趋势及转折性变化与太平洋年代际振荡的关系

基于月降水和月平均气温资料, 通过计算地表湿润指数分析了中国华北地区1951~2005年干湿变化的年代际趋势特征及其与太平洋年代际振荡指数(PDOI)的关系. 结果表明: 华北地区气候及环境干湿变化存在显著的年代际趋势和突变特征, 20世纪70年代中后期至今处于一个暖而降水少的干旱时段; 近55 a经历了一个由湿向干转换的过程, 其中转折点发生在20世纪70年代中后期, 这应与全球大尺度气候背景的转折性变化有关. 相关分析表明: 在年代际尺度上, 四季和年的PDOI与气温、降水和区域平均地表湿润指数均有显著的相关关系. 这种相关关系表现为正的PDOI位相(PDO暖位相)对应华北地区高温、少雨和干旱时段, 而负的PDOI位相(PDO冷位相)对应低温、多雨和湿润的时段, 不同位相的持续时间在25 a以上, 与降水和气温年代际趋势密切相关的北太平洋海温的年代际变化是该地区年代际干湿趋势形成的可能原因之一.     

黄河源区水文收支对近代气候变化的响应

黄河源区径流在20世纪90年代以后显著减少.中国气象局台站资料显示,源区平均降水量在20世纪90年代偏低,在2002年后又偏多,近几十年来地表一直持续着快速增温和变湿,以及风速减弱.利用一个改进的陆面过程模式,模拟了1960~2006年来黄河源区及周边气象台站的水文收支,分析了气候变化对水文收支的影响.结果显示,除了降水量本身和降水强度之外,降水变化的空间配置也是影响径流对降水变化响应的一个重要因子.在20世纪90年代径流偏少是与区域平均降水量偏少及降水强度偏弱一致.在2002年以后,源区平均降水偏多,但主要增加在较干旱的区域.在此干旱的区域,蒸发主要受降水量控制,因此大部分的降水增加转化为蒸发了.相比而言,在源区较湿润的区域,能量是决定蒸发的一个更加重要的因子,尽管此区域的降水量部分增加部分减少,但由于快速增温,此区域蒸发明显增加,产流在2002年以后依然偏少.这种影响蒸发的机制和它对气候变化的响应,以及降水空间配置的变化,使得近些年来黄河源区的水文收支不利于产流.     

土壤湿度资料同化对中国东部夏季区域气候模拟的改进

采用牛顿张弛同化法把GSWP2资料同化进区域气候模式BCC_RegCM1.0(简称RegCM)中土壤湿度初始场, 结果得到采用不同张弛参数对土壤湿度资料进行同化, 均能不同程度的改进气温和降水的模拟, 当张弛强度取0.5和张弛时间为5 d时, 对中国东部地区气温和降水模拟的改进效果较好. 加入土壤湿度资料同化后, 不仅对中国东部地区的降水和气温的空间分布型有所改进, 而且修正了控制试验中地表气温的系统性冷偏差以及中国东部地区的降水偏少, 使地表气温和降水的模拟值较控制试验结果接近于观测值, 这说明RegCM对地面气温的偏低和降水量的偏少, 可能与陆面过程中的土壤湿度处理有较大的关系, 今后应注重RegCM中土壤湿度的作用.     

全球山脉隆升影响副热带干旱气候的模拟

现代全球山脉主要形成于新生代,对全球气候格局起重要作用.本文利用全球海气耦合模式CESM,设计并开展了3组不同地形隆升情景的数值试验,集中研究了全球地形对干旱的影响.在全球无地形试验中,各大陆副热带干旱区总体呈现东西对称的纬向型带状分布.随着全球地形隆升,一方面,亚洲东南部和中部、北美东南部和南美中部由干旱区变为湿润区,而欧亚内陆、东非沿岸则由湿润区退化为干旱区;青藏高原隆升的作用主要局限在欧亚大陆和非洲东部有限区域.另一方面,欧亚和非洲地形的存在缓解了北非西部沿岸及其北部的干旱化,但在一定程度上加剧了北非中部、北美西部和南美西部的干旱环境;而青藏高原隆升加剧了其西部包括中东、北非大部和东非的干旱化.干燥度指数分析表明,地形隆升主要通过改变降水影响干旱,潜在蒸散发的作用其次,二者对干燥度指数的贡献在空间分布格局上定性一致,但定量上有所差别.潜在蒸散发的影响因子中,地形隆升主要通过改变相对湿度和近地面气温影响干燥度,近地面风速的作用其次.上述模拟结果在一定程度上与地质时期重建证据和以往大气模式结果定性一致,表明其科学合理性及其古气候意义,从而有助于加深理解全球地形的气候效应.     

典型半干旱区干旱胁迫作用对春小麦蒸散及其作物系数的影响特征

蒸散量量是地表水分循循环的重要分量量,与农业和生态系统的水水分需求密切相相关,是水资源规规划和管理必须考虑的重要要因素之一.虽虽然对湿润区作作物蒸散计算模型研究已经经相对比较成熟熟,但但由于干旱和半干旱区作物物蒸散量受干旱旱胁迫的显著著影响,以往建建立的湿润区作作物蒸散模型和作作物系数并不适用对其作物物蒸散量的估算算,而目前对这一问题的研研究却十分有限限.利用位于黄土土高原典型半干旱区的"定西西干旱生态环环境综合科学试试验站"春小麦麦农田的蒸渗仪仪、蒸发皿、超声声涡动仪的观测资料及常规规气象观测资料料相结合,分析了该地区实际蒸散量与F AO推荐作物系数数估算的蒸散量之间的差异异性及其随干旱旱胁迫度的变化关系.研究究了该地区春小小麦参考蒸散量与与蒸发皿蒸发量比值和实际际蒸散量与蒸发发皿蒸发量比值随干旱胁迫迫度的变化特征征及春小麦作物系系数对干旱胁迫度的响应规规律,并对FA O推荐值的作作物系数进行了改进.分析发现,由于半干旱旱区作物蒸散受干旱胁迫影影响较大,FAO推荐作物系数数估算的蒸散散量与实际蒸散散量相差很显著著,实实际作物系数对干旱胁迫度度的依赖很强,,随干旱胁迫度增加显著减减少,但其敏感感性在干旱胁迫度度约达到0.7后明显降低.而且,改进的作物系数在作作物生长初期和和发育期远远低低于FAO的推荐荐值和Kumar修正值,改进进的作物系数估估算的春小麦蒸散量也明显显比后两者估算算的更接近实际观观测值,与观测测值线性拟合的系数为0.98,决定系数能能够达到0.455,标准误差也也仅为0.85 mm m,对对半干旱地区春小麦蒸散量量的估算效果比比较理想.     

干旱区夏季晴空期超厚对流边界层发展的能量机制

在全球干旱区,因其特殊的气候环境背景,夏季晴天常常会出现其他地区少见的超厚对流大气边界层(superthick convective boundary layer, SCBL),这种特殊的边界层结构具有重要的天气气候意义,但目前对这种超厚对流边界层发展机制理解十分有限.这既制约了大气数值模式中针对这种超厚对流边界层的参数化改进,也限制了超厚对流边界层与天气气候背景相互作用的科学认识.通过选取我国西北干旱区敦煌荒漠戈壁为代表性研究区,利用以往在该区域开展的陆-气相互作用观测试验资料及长期业务探空观测资料,从大气边界层发展的能量机制出发,对该地区出现的超厚对流边界层的发展过程进行分析.分析表明:从日际尺度看在持续晴空期即使在白天地表感热通量日积分值不变甚至减弱的情况下,大气对流边界层(convective boundary layer, CBL)的日最大厚度仍然表现为逐日持续增高的特点,且地表感热提供的能量无法平衡对流边界层发展所需要吸收的能量.主要原因是深厚的近中性残余层(residual layer, RL)在对流边界层发展过程中发挥了重要作用,通过夹卷过程从残余层进入对流边界层的夹卷能量是对流边界层逐日持续发展的关键能量补充.在夏季连续晴空期,对流边界层与残余层之间会形成逐日循环增长机制,使干旱区夏季发展出超厚对流大气边界层.     

基于CMIP5多模式结果评估人类活动对全球典型干旱半干旱区气候变化的影响

基于CMIP5多模式的历史试验(考虑所有驱动因子)以及单因子强迫气候归因试验结果,评估了温室气体、气溶胶、土地利用及所有人类活动对全球典型干旱半干旱区气候变化的影响.结果表明,所有人类活动和温室气体强迫会引起全球陆地显著增温,特别是由温室气体强迫引起的北半球中高纬地区近60年的增温幅度几乎是历史变化的2~3倍,气溶胶的降温效应则对近60年来的全球变暖具有明显的抑制作用,土地利用在大多数干旱半干旱区具有微弱的降温作用.所有人类活动和温室气体强迫会使大多数陆地及干旱半干旱区的降水增加,而气溶胶和土地利用的影响则存在明显的区域差异和不确定性.近60年,中国北方干旱半干旱区的气温和降水变化受人类活动的影响最为显著.基于集合经验模态分解(EEMD)的结果,大多数地区气温和降水的年代际和多年代际变化特征均是所有人类活动综合作用"同步叠加"在自然变化之上的一种结果;其中,气溶胶在大多数地区显著促进温度的多年代际变化,土地利用在澳大利亚地区则起到明显的抑制作用;对降水的多年代际变化而言,气溶胶的贡献相对比较突出,而温室气体和土地利用对全球降水的多年代尺度特征有明显的促进作用.     

青藏高原东北部土壤冻融过程的数值模拟

利用青海省苏里站2009 年2 月1 日~12 月31 日的气象观测资料作为模式强迫场, 使用陆面过程模式CLM3.0(Community Land Model), 对青藏高原东北部季节性冻土区域进行模拟.结果表明, 模式能够较好地模拟出各层土壤的冻融变化趋势, 但在融化阶段, 模拟的土壤温度高于观测, 融化结束时间早于观测; 冻结阶段, 模拟的土壤温度略低于观测, 深层土壤冻结时间早于观测; 整体看来, 模式对冻结过程的模拟好于对融化过程的模拟, 对靠近表层的土壤模拟好于深层. CLM3.0 模式中认为冻土在土壤温度高于0℃时发生融化, 本文根据热力学平衡方程得到土壤发生冻融的临界温度, 进而对冻土的融化条件进行调整, 融化条件的调整减缓了冻土的融化速率, 使得土壤温度模拟降低, 同时, 调整后的模式模拟结果反映了冻土融化过程中伴随有冻结过程的发生, 与真实的冻土融化过程更为接近. 此外, 通过敏感性试验发现, 融化过程和冻结过程中土壤水的冻结速率是不同的, 表明模式中用于计算土壤发生相变后温度的方案还有待进一步改进.     

柴达木盆地苏干湖年纹层岩芯摇蚊记录的过去1000年干旱区湿度变化及其意义

利用柴达木盆地苏干湖具有年纹层的沉积岩芯, 以摇蚊亚化石分析恢复了研究区近千年来10年分辨率的湿度演变历史. 研究表明, 苏干湖岩芯中的摇蚊亚化石主要由高咸水属种Psectrocladius barbimanus-type和Orthocladius/Cricotopus与低咸水属种Procladius和Psectrocladius sordidellus-type组成, 依据其相对丰度的变化, 结合摇蚊-盐度转换函数重建的盐度波动, 区域过去1000年湿度变化可划分为3个阶段: 990~1550 AD为气候整体干旱期、1550~1840 AD为气候整体湿润期、1840~2000 AD为全球变暖下的气候再次干旱期. 高分辨率的记录还发现, 在年代际到百年尺度上, 存在1200~1230 AD干旱背景下的湿润阶段和1590~1700 AD湿润小冰期内部的干旱阶段; 就气候变率而言, 湿润小冰期时段摇蚊种群组合及重建的盐度变化幅度增大, 频率加快, 指示出小冰期气候的不稳定性特征. 该记录得到西风环流影响区的其他古湿度资料支持. 苏干湖高分辨率摇蚊记录的湿润小冰期气候与中国东部季风区降水变化存在明显的差异, 表明中国内陆干旱区和东部季风区湿度变化即使在近1000年来也存在相位差.