青藏高原21世纪气候和环境变化预估研究进展

本文回顾了21世纪青藏高原区域多种气候和环境要素变化预估研究的进展,包括气温、降水、极端天气气候事件、冻土、积雪、冰川、径流和植被等,预估结果主要来自于SRES和RCP情景下气候模式的预估以及物理统计模型的预估.结果表明,未来青藏高原地面气温将升高,21世纪后期增温更显著.总体来说21世纪高原降水以增加为主,极端天气气候事件增加.高原未来冻土面积缩小,冻土活动层厚度增加,积雪日数和积雪深度减少,冰川将以退缩为主.径流的未来变化较复杂,不同流域之间的差异较大,径流在不同流域表现为增加和减少并存.青藏高原植被对气候变化的响应敏感而脆弱,21世纪中后期青藏高原的生长季长度增加,常绿林/森林出现在高原东部和南部,灌丛植被类型将会扩展并入侵高寒草原.根据已有的研究结果,本文对这些气候与环境要素在21世纪中期(2030~2050年)和后期(2080~2100年)的变化进行了综合集成,给出了它们在21世纪中期和后期的可能变化范围.     

近30年青藏高原中东部大气热源变化趋势:观测与再分析资料对比

利用青藏高原(以下简称高原)中东部71个气象台站常规观测资料,2套卫星辐射资料,以及3套再分析资料,定量计算了1980～2008年高原中东部上空大气热源变化趋势.研究表明:高原感热减弱趋势仍在持续,尤其是春季感热减弱趋势最为显著.感热的这种变化主要由风速的持续减弱所决定,值得注意的是,近5年地气温差变化趋势由过去的减小转为增大.2套卫星辐射资料计算所得高原中东部大气柱净辐射通量变化趋势有明显差异.利用3套再分析资料通过倒算法计算高原中东部大气视热源变化趋势也不尽相同,其中2套基本一致,均呈减弱趋势,且其中1个的变化幅度明显偏强;而另一套为明显上升趋势,与观测相反.精确计算高原热源变化趋势仍很困难,特别是利用再分析资料估计高原热源变化趋势存在很大不确定性.     

青藏高原生态系统对气候变化的响应及其反馈

近几十年来,青藏高原正经历快速的气候变化,高原生态系统因此发生了深刻变化,并对周边地区产生了深远影响.本文围绕青藏高原生态系统结构和功能对气候变化的响应与反馈这一主线,系统总结了气候变化对物候、高山树线、生物多样性、植被生产力和生态系统碳汇功能的影响,阐述了青藏高原植被变化对区域气候的反馈及对亚洲季风的远程影响的研究进展.主要结论如下:气候变暖导致植被返青期总体提前,高原树线位置上升,高寒草原植物物种丰富度和多样性下降;气候变暖总体促进了高原植被生产力、增强了生态系统碳汇功能,但受限于土壤极大的空间异质性和对深层土壤碳动态理解的匮乏,目前对高原土壤碳库及土壤碳汇功能大小的估算仍具有较大不确定性.同时,青藏高原植被变化对近地表气温产生"负反馈"作用;植被活动增强还对东亚季风产生远程影响,导致我国东部夏季降水变化呈现"华南增加-长江黄河中间区域减少"的空间分异格局.未来的研究需要在完善观测体系基础上,加强对高寒生态系统对气候变暖的适应机理及生物地球物理反馈等过程的认知,为优化生态系统管理和保障青藏高原的生态安全提供理论基础.     

古里雅冰芯中钙离子与大气粉尘变化关系

通过青藏高原古里雅冰芯的研究, 发现陆源的Ca²⁺离子是可溶气溶胶中的主要阳离子, 可以作为中、低纬干旱区周边山地冰芯中反映大气成分和环境变化的指标. 在古里雅冰芯中, 末次间冰期以来Ca²⁺离子浓度存在明显的变化, 有两个较强的增高时期和两个较弱的增高时期, 这些变化总体与气候变化相关. 即气候变冷时, Ca²⁺离子浓度升高; 气候变暖时, Ca²⁺离子浓度降低. 但Ca²⁺离子浓度变化并非总是在气候变暖时降低和在气候变冷时升高, 与温度记录在变化相位和幅度上也不完全一致. 大气环流、高原下垫面以及大气湿度的变化可能是除温度以外的重要影响因素.     

青藏高原湖泊水量与水质变化的新认知

青藏高原湖泊众多,是气候变化敏感的指示器。湖泊作为地表下垫面的重要组成部分,不仅通过陆-气之间的水汽和能量交换影响区域气候(如降水、气温),而且通过沉积物记录了过去的气候变化信息。湖泊的水量和水质是制约湖泊与大气水分能量交换和湖泊沉积过程的基本要素,对青藏高原湖泊水量、水质的基础调查工作是准确认识青藏高原对气候响应与影响的关键。基于最近5年在青藏高原地区开展的湖泊基础调查工作,明晰了过去对青藏高原重要湖泊基础资料的模糊认识,阐述了湖泊面积、水量变化的时空差异及其对气候变化的响应,探讨了基于遥感水色开展大范围长、时间湖泊水质研究的新方法。     

青藏高原东北缘黄土粒度记录的末次冰期千年尺度气候变化

末次冰期以来, 北半球高纬地区气候变化是否对青藏高原地区高原季风产生影响以及高原季风本身的变化规律是仍未解决的重要科学问题. 22 m厚的青藏高原东北部合作盆地黄土-古土壤剖面高分辨率的粒度记录表明, 末次冰期以来青藏高原冬季风存在明显的可与北半球高纬地区相对比的千年尺度变化, 但对冷事件(Heinrich事件)的响应明显强于对暖事件(Dansgarrd-Oeschger事件)的响应, 表明北半球高纬地区气候对青藏高原冬季风和高空西风同样产生了深刻影响. 在万年尺度上, 高原冬季风存在两个明显不同于北半球高纬地区气候记录的变化, 一是在36 kaBP附近(H4事件)发生了一次明显的突变增强; 二是在43~36 kaBP期间, 高原冬季风显著减弱, 可能指示了高原冬季风在万年尺度上除了受到北半球高纬地区气候系统影响外, 还受到其他因子的影响.     

青藏高原中部大气水汽稳定同位素捕捉到印度洋台风“费林”信号

大气水汽稳定同位素的变化不仅在长时间尺度上与气候因子相关,而且对于极端天气事件也十分敏感.本文通过分析青藏高原中部那曲地区大气水汽?18 O变化,发现2013年10月15~16日在印度洋台风"费林"暴发期间,大气水汽?18 O达极低值?42.1‰,平均值低于一般值16.6‰.大气水汽同位素与同期气象观测结果对比分析表明该极低值与水汽来源相关.TRMM卫星日降水量分布及水汽反向追踪模型结果显示,该水汽来源于南部的孟加拉湾.这表明即使在季风结束期,印度洋水汽可以通过极端天气事件影响到青藏高原;这也表明极端天气事件有可能通过稳定同位素信号影响不同介质的稳定同位素记录.     

青藏高原生态变化

青藏高原是全球平均海拔最高的自然地理单元.近几十年乃至上百年来,在气候变化和人类活动双重影响下,青藏高原生态系统的结构和功能以及重要物种的种群数量和结构均发生了深刻的变化.近几十年的研究表明:青藏高原植被返青期提前,生长期延长,覆盖度和生产力增加,碳汇功能增强,青藏高原植被总体趋于向好,局部变差.气候变化是高原生态系统变化的主控因子,气候变暖对青藏高原生态系统的影响是正面的,但这种影响仍存在时间和空间上的不平衡性,尤其是降水在时间和空间上的变化对干旱和半干旱地区植被产生较大影响,在干旱的年份叠加人类放牧活动等会导致这些区域,尤其是青藏高原西部地区植被产生严重的退化,但随着青藏高原生态安全屏障保护与建设工程的实施,高原生态系统退化的态势得到了进一步遏制,人类对高原特有珍稀植物资源,如虫草、雪莲和胡黄连的过度采收以及对野牦牛、藏羚羊和藏野驴的盗猎等现象得到近一步缓解,近期高原的野牦牛、藏羚羊和藏野驴的种群数量得到恢复.青藏高原的隆起不仅对本区而且对其毗邻地区的气候与环境都产生着深刻的影响,其生态系统对全球变化的响应与影响研究具有特殊重要的地位,今后迫切需要加强生态系统结构和功能变化的地面监测和遥感技术的应用,加大大型生态保护工程建设的实施力度,整体提高高原地区应对全球变化的能力.     

典型陆地生态系统对气候变化响应的定量研究

森林、农田和草地生态系统对气候变化响应定量研究进展的综合分析表明:近一个世纪以来的森林、农田和草地生态系统对气候变化有很强的响应,诸多生态系统类型的组成、结构和分布已发生了显著变化;由于病虫害、极端气候频发,植物物种的死亡率增加、生产力出现下降趋势;典型陆地生态系统对气候响应的未来情景分析结果表明,高海拔地区和高纬度地区的生态系统类型的结构、分布、物种和生产力将发生较大变化;然而,由于生物群落的相互作用,各种生态系统对气候变化的响应很复杂,目前人类对典型陆地生态系统变化的认识仍然处在很初级的阶段.尤其是在气候变化对植物物种的影响、干旱和极端事件的后果以及病虫害的影响等方面,还没有明确的结论;根据目前的研究积累,还无法给出气候变化对典型陆地生态系统影响的综合定量评估,需要改进区域气候模拟,尤其是降雨量的模拟,需要提高植物物种对气候、病虫害和大气成分响应的认识.以典型陆地生态系统对全球气候变化响应机理研究成果为基础、集成空间对地观测数据和地面实测数据的多尺度生态系统动态模拟分析平台,到目前为止,仍是亟待填补的空白.     

典型陆地生态系统对气候变化响应的定量研究简

森林、农田和草地生态系统对气候变化响应定量研究进展的综合分析表明：近一个世纪以来的森林、农田和草地生态系统对气候变化有很强的响应,诸多生态系统类型的组成、结构和分布已发生了显著变化;由于病虫害、极端气候频发,植物物种的死亡率增加、生产力出现下降趋势;典型陆地生态系统对气候响应的未来情景分析结果表明,高海拔地区和高纬度地区的生态系统类型的结构、分布、物种和生产力将发生较大变化;然而,由于生物群落的相互作用,各种生态系统对气候变化的响应很复杂,目前人类对典型陆地生态系统变化的认识仍然处在很初级的阶段. 尤其是在气候变化对植物物种的影响、干旱和极端事件的后果以及病虫害的影响等方面,还没有明确的结论;根据目前的研究积累,还无法给出气候变化对典型陆地生态系统影响的综合定量评估,需要改进区域气候模拟,尤其是降雨量的模拟,需要提高植物物种对气候、病虫害和大气成分响应的认识. 以典型陆地生态系统对全球气候变化响应机理研究成果为基础、集成空间对地观测数据和地面实测数据的多尺度生态系统动态模拟分析平台,到目前为止,仍是亟待填补的空白.     

极地大气科学考察与全球变化研究

南极和北极是地球上的气候敏感地区,也是多个国际计划研究全球气候变化的关键地区。极地包含了大气、海洋、陆地、冰雪和生物等多圈层相互作用的全部过程,在全球气候的形成和变化中有重要的作用。极地大气科学考察与研究是极地科学研究的重要组成部分。到2008年初,我国自主组织了24次南极考察,2次北冰洋考察和4次北极站考察;建成了南极长城站、中山站和北极黄河站,并在南极冰盖设置了5个无人自动气象站;开展了有关极地大气科学与全球变化的研究。在南北极地区,进一步加强国际合作,继续监测包括近地面温度在内的大气要素的变化,提高极地气象业务水平;拓展极地气象业务和大气科学考察研究领域,积极获取气候代用资料;进一步量化和认识极地在全球变化中的作用,及其对我国天气气候和国民经济可持续发展的影响;建立完善极地大气科学研究体系,提高极地大气科学研究水平,仍是我国极地大气科学与全球变化研究的重要内容之一。     

北极海冰消退及其主要驱动机制

极地海冰在全球气候变化中扮演着重要角色。在全球变暖背景下,北极海冰正在以过去千年来所未有的速率消退,预计到21世纪中叶或更早,北极海域将面临夏季无冰的状况。北极海冰减少不仅改变北极地区的生态和环境,还通过大尺度的海气环流影响中纬度地区,甚至是全球的天气和气候。文章简要介绍了北极海冰消退的特征和主要驱动机制,并对未来北 极海冰消退机理研究进行了展望。     

“深时”古气候对现代全球变暖及不确定性的启示

为了客观评价当前全球变暖的原因和不确定性因素,厘清影响全球变暖的主要因素,分析了"深时"(前第四纪)时期的古大气成分、古温度等气候参数和极端气候事件,同时还总结出当前全球变暖中7个不确定性因素。分析指出,研究第四纪以来的气候变化尤其是当前全球变暖,首先应该与"深时"古气候有机结合为一体;其次应该考虑大气圈-水圈-生物圈-土壤圈-岩石圈之间的耦合和反馈,而太阳活动、地球轨道变化等地外因素也不能忽略;再次,在不否认人类活动对当前气候造成重大影响的同时,也需正视当前全球变暖过程中存在的诸多不确定性因素;最后,对中国二氧化碳减排和应对全球变暖提出对策建议,指出坚持"共同但有区别的责任"的国际谈判原则的重要性。     

青藏高原大气污染科学考察与监测

青藏高原平均海拔4 000 m以上,独特的地理位置和特殊的气候环境效应,以及高原上相对稀少的工农业等人类活动,引发了科学界对其大气环境研究的浓厚兴趣。青藏高原大气污染科学考察起步较晚,主要还集中在珠峰等关键地区。中国于20世纪90年代起陆续在瓦里关、纳木错、珠峰等地设立了台站,并在拉萨等城市开展了大气环境常规监测。目前,已经在温室气体监测,大气沙尘传输,臭氧低谷,气溶胶污染物化学及传输,城市大气环境监测和室内空气污染等领域取得了一系列研究成果。青藏高原大气污染科学研究的深入持续开展,将为了解和保护人类生存环境、推动当地经济社会可持续发展和深入研究大气环境科学做出积极贡献。     

地史时期古大气二氧化碳变化趋势与温室气候——以中生代白垩纪为例

中生代不仅是地球发展和生命演化的重要阶段,同时也是距离现代最近的典型温室气候期。其中,白垩纪被视为地球历史时期温室气候的最佳范例之一。通过古植物气孔参数、古土壤同位素以及地球化学模型等途径的研究,可以勾勒出白垩纪这一典型温室气候环境下古大气二氧化碳浓度变化的大致轮廓。在整个白垩纪时期大气二氧化碳水平相对较高,但在白垩纪早期较低,白垩纪中期达到最高,而白垩纪晚期逐渐降低。更重要的是,借助于这些地质参数还更精确地识别出在白垩纪关键时期出现了几次显著的古大气二氧化碳的短期快速波动变化,表明白垩纪的温室气候状态并非之前所想象的那么稳定,而是发生了几次大规模快速气候扰动事件,并伴随着二氧化碳浓度的短期波动变化。这项研究质疑了整个白垩纪期间气候温度均匀分布且呈现单一稳定温室状态的观点。     

澳大利亚墨累-达令河流域水文气候变化的影响与适应对策

应澳大利亚联邦科学与工业研究组织(Commonwealth scientific and Industrial Research Organisation, CSIRO)邀请,2018年4月清华大学组织科技考察团赴澳大利亚墨累-达令河流域开展为期一周的科学考察。考察团从墨累河出海口逆流而上,通过学习交流、现场考察和访问农场等方式,与澳大利亚同行们进行了深入交流,对澳大利亚墨累-达令河流域的气候变化与水的影响与适应对策研究,尤其是陆面水文-气候、极端水文研究、水资源管理体系的最新动态,及其气候变化应对与减缓、极端水文事件风险管理等进一步了解。此次考察对认识多时空尺度的气候-陆面-水文相互作用机理及其对自然强迫和人类活动(含人为强迫和下垫面人类活动)的响应机制,揭示全球气候系统能量-水循环动态演变规律和极端水文事件变化成因,构建全球增暖背景下应对极端水文事件的风险管理体系,提出中国适应性对策具有重要的借鉴意义。     

臭氧与臭氧洞*

2011年空前的北极臭氧损耗,引发了人们对臭氧和臭氧洞的新关注。本文回顾了南极臭氧洞的由来及变化;讨论了南极臭氧洞产生的原因以及南北极臭氧变化的差异;指出目前只是在南极春季出现了臭氧洞,北极并没有出现过臭氧洞。在当前大气环境被污染的情况下,极地大气臭氧亏损的程度将更多地随大气环流,特别是极地涡旋中的低温状况而发生变化。人类只有一个地球,为保护大气臭氧层,国际社会做出了巨大的努力,中国也有自己的贡献。     

中国极端气候及东亚地区能量和水分循环研究的若干近期进展*

本文介绍了国家重点基础研究计划项目“全球变暖背景下东亚能量和水分循环变异及其对我国极端气候的影响（2009-2013）”一年多来的若干主要科学进展,包括对于东亚不同典型下垫面能量和水分循环过程的新认识、中国极端气候事件的观测事实分析及其与能量和水分循环变异的联系、短期气候预测新方法以及中国未来气候变化预估等方面。最后概要介绍了项目后续的主要研究计划。