北方蒸散对气候变暖响应随降水类型转换特征

地表蒸散量是对全球气候变暖响应最显著的水分循环分量,但以往不同研究得出的气候变暖背景下各地地表蒸散量的变化趋势差异很大,有时甚至表现出相反的趋势.然而,对于地表蒸散对气候变暖响应的差异性具有怎样的规律以及是何原因造成了这种差异至今也并不完全清楚.为此,在对中国北方地区的蒸散量格点资料(FLUXNET)和全球陆面同化资料(GLDAS)进行观测试验验证的基础上,利用可靠性相对较高的蒸散量格点资料及以往研究常用的CRU和ERA-Interim气候格点资料,分析了我国北方不同降水气候空间类型时地表蒸散量对气温增加的响应特征.分析发现:地表蒸散量对气温升高的响应程度随降水气候类型不同变化比较明显,地表蒸散量的增温倾向率表现出随降水气候类型变化的显著转换特征.降水量在200~400 mm的气候区间时,正好是倾向率发生转折的气候敏感区间;在更湿润气候类型时,气候越湿润,地表蒸散量随气温升高增加的就越明显;而在更干燥气候类型时,气候越干燥,地表蒸散量反而随气温升高减少的越明显.地表蒸散量对气候变暖的这种响应特征在全球其他气候过渡比较明显的典型地区也有不同程度的表现.同时,就地表蒸散量对气候变暖的响应机制而言,主要有气温升高直接引起的潜在蒸散力增加与气温升高通过蒸散过程造成的土壤水分损失再反过来间接抑制蒸散这两个作用过程.前者在湿润地区起主导作用,导致蒸散增强;而后者在干燥地区主导作用,导致蒸散减弱.该研究结论对地表蒸散的气候变化响应特征有新认识,对改进全球水资源评估方法和干旱监测技术具有重要科学参考意义.     

沙尘直接辐射效应对东亚地气系统的影响

基于东亚-北太平洋地区太阳高度角在春季乃至由冬季到夏季的逐日变化规律, 选取 2001 年春季发生的3 次典型沙尘暴为例, 利用包含详细气溶胶辐射参数化方案的大气辐射传 输模型, 模拟研究了该地区太阳高度角的变化对东亚-北太平洋地区沙尘直接辐射效应的可能 影响. 研究结果表明, 在沙尘暴爆发时间从春初(或冬季)到春末(或夏季)的变化过程中, 由于 该地区太阳高度角逐渐增大, 导致沙尘在大气顶晴空正辐射强迫值增加、负辐射强迫值降低 甚至转变为正强迫. 具体表现为: 在地表反照率低的海洋上空, 春初到春末太阳高度角的增 加使得沙尘在大气顶负辐射强迫的值由大变小, 即对地气系统由较强的降温转变为较弱的降 温作用; 在地表反照率较高的沙漠及其周边地区, 春初到春末太阳高度角的增加导致沙尘在 大气顶辐射强迫由负值转变为正值, 即对地气系统由辐射降温逆转为辐射增温. 云天辐射强 迫的研究结果与晴空类似, 但低云的存在相当于在一定程度上增加了地表反照率, 它一方面 使得沙漠上空沙尘层由冷却地气系统到加热地气系统这一逆转过程发生的日期提前, 也导致 了沙尘在海洋上空负的辐射强迫比晴空时随着太阳高度的增加减小得更为明显, 甚至局部地 区因为低云的存在由弱的负强迫变为弱的正强迫. 这一研究结果说明, 在东亚沙漠附近地区, 即便是同等强度的沙尘暴事件, 因为发生的日期不同, 太阳高度角不同, 沙尘层在大气顶的 辐射强迫和对地气系统的影响也会因此不同甚至相反. 沙尘暴发生的时间越靠近初春或冬季, 在沙漠附近, 沙尘在大气顶辐射强迫越倾向为负值, 对地气系统表现为降温作用, 沙尘暴发 生时间越靠近春末或夏季, 由于太阳高度角的增大, 沙尘在大气顶越容易产生正辐射强迫, 对地气系统表现为增温作用. 简而言之, 即在东亚沙漠源区附近, 沙尘直接辐射效应可能呈 现“春初(冬季)降温, 春末(夏季)增温”的特征.     

中国冬季降水和极端降水对变暖的响应

本文主要研究了中国近50年来冬季(12～2月)降水和极端降水在年代际尺度上对区域尺度增暖的响应. 结果发现, 随着中国区域冬季温度的升高, 中国区域的冬季降水和极端降水均呈现出一致的增加趋势. 而且伴随着气温在20世纪80年代中期的突变, 降水和极端降水也都在同时发生突变. 定量分析结果显示, 中国区域冬季气温每增加1℃, 降水和极端降水的增加百分率分别达到9.7%和22.6%. 该增加幅度, 明显高于全球平均水平, 说明中国区域冬季降水和极端降水对变暖的响应更加敏感, 也进一步凸现了开展降水对增暖的区域响应研究的重要性. 此外, 极端降水的增幅高于非极端降水的增幅, 说明随着全球变暖中国区域冬季降水将更多以极端降水的形式出现, 这可能是近期中国多个地区冬季屡屡出现破纪录降雪事件的一个重要原因.     

中国东部城市化与地面非均匀增暖

利用1979～2008年中国东部312个站点均一化调整后的地面气温观测资料及DMSP/OLS夜间灯光数据, 运用滑动空间距平方法, 对冬夏地面气温变化趋势在不同空间尺度下的非均匀性进行检测, 并分析了城市化对地面增暖的影响. 结果表明, 中国东部夏季和冬季的增温高值中心分别集中在长三角和京津冀地区, 其中长三角地区夏季的增暖主要是由夏季最高气温的增加所导致, 城市增温率为0.132～0.250℃/10 a, 增温贡献率为36%～68%; 京津冀地区冬季的增暖主要是由冬季最低气温的增加所导致, 城市增温率为0.102～0.214℃/10 a, 增温贡献率为12%～24%. 城市群增暖的时空差异可能与区域气候背景及人为热排放的变化有关.     

利用PRECIS分析SRES B2情景下中国区域的气候变化响应

利用Hadley气候预测与研究中心的区域气候模式系统PRECIS单向嵌套该中心全球海-气耦合气候模式HadCM3高分辨率的大气部分HadAM3P, 分析PRECIS对中国区域当代气候的模拟能力和SRES B2情景下2071~2100时段(2080s)相对于气候基准时段(1961~1990年)中国区域的气候变化响应. 气候基准时段的模拟结果与观测资料的对比分析表明: PRECIS能够很好地模拟中国区域地面气温的局地分布特征; 总体上讲, PRECIS对中国北方地区降水的模拟效果优于南方地区, 模拟的冬季降水型态分布较好, 而夏季降水对地形比较敏感, 东南沿海地区降水的模拟值偏低. 对SRES B2情景下相对于气候基准时段的气候变化响应分析表明: 2080s中国北方地区增温幅度明显大于南方, 西北和东北地区尤为显著, 其夏季平均气温增幅可达5℃以上; 中国大部分地区降水量呈增加趋势; 冬季华南地区降水量明显减少; 夏季东北和华北地区气温增幅大而降水量减少明显, 而长江以南地区降水量显著增加.     

冬季极赤温差年际变化及其与东亚气候异常的联系

利用美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料,定义了冬季极赤温差(temperature difference between polar and equatorial regions,TDPE)指数,分析了地面以上2 m处极赤温差指数(ITDPE-S)的年际变化及其与同期东亚冬季降水、气温的关系.结果表明:ITDPE-S可反映出全球变暖过程中北半球高纬地区冬季地面温度显著升高,且在年际时间尺度上存在4~8 a的周期变化.ITDPE-S与东亚冬季降水和气温存在很好的相关.当ITDPE-S偏高(偏低)时,中国东北、新疆、河西走廊、日本海以及南中国海到菲律宾岛地区冬季降水增加(减少),对应着中国华北到东北地区冬季平均气温降低(升高).进一步研究发现,ITDPE-S高值年,东亚中纬度地区异常水汽主要来自西北太平洋,低纬度地区降水异常时的水汽主要来自热带海洋上空.水平温度平流引起的异常降温可部分解释东亚中纬度地区冬季平均气温异常偏低.这些结果对深刻认识大气环流异常的形成机理及其影响具有重要意义.     

冬季澳大利亚东侧海温与长江流域夏季降水的联系及可能物理机制

通过对观测资料的分析, 初步探讨了冬季澳大利亚东侧海温和夏季长江流域降水的关系及可能物理机制. 研究表明, 澳大利亚东侧冬季海温与我国长江流域夏季降水之间具有同位相变化关系. 当冬季澳大利亚东侧海温变暖时, 随后夏季西太平洋副热带高压和东亚西风急流位置往往偏南, 我国大陆沿岸低层盛行异常的西南风, 有利于长江流域降水增多, 反之亦然. 冬季澳大利亚东侧海温对后期夏季东亚大气环流的影响通过两种途径来实现: (ⅰ) 冬季澳大利亚东侧海温异常信号由于自身的持续性可维持到夏季, 并通过南北半球遥相关影响东亚夏季大气环流的变化; (ⅱ) 冬季澳大利亚东侧海温偏高时,同期西南印度洋海温也易于偏高. 在海气相互作用下, 这种异常信号逐渐向东发展, 并造成夏季海洋大陆附近海温升高. 海洋大陆海温的升高反过来影响对流活动进而导致东亚夏季大气环流异常.     

中国植被覆盖对夏季气候影响的新证据

利用1981~1994年NOAA/AVHRR的归一化植被指数(NDVI)资料和中国160个标准气象台站的气温、降水资料, 对我国不同区域植被对气候的影响做了滞后相关分析. 结果表明, 在多数地区前期NDVI与后期降水存在正的相关, 同时这种滞后相关存在明显的区域差异. 上年冬季NDVI与夏季降水以华中和青藏高原地区的相关最明显, 而春季NDVI与夏季降水则以东部干旱-半干旱区和青藏高原的相关更明显. 在这3个地区植被的变化对气候有更敏感的作用, NDVI与降水的滞后相关也表明植被覆盖在年际尺度上对后期降水有一定的影响. 前期NDVI与温度的相关比较复杂, 同时温度较之降水对植被的滞后响应更弱一些, 可能与温室气体造成的全球变暖部分地掩盖了这种相关有关.     

沙漠化对青藏高原冻土地温影响的新发现及意义

青藏高原上发育着世界上独一无二的沙漠和冻土,然而,沙漠化对冻土地温产生的影响目前仍不清楚.近年来,随着青藏高原沙漠化的发展,这个问题愈加令人担忧.为此,作者在青藏高原红梁河建立观测实验场,利用热敏电阻地温探头,通过野外同步对比观测方法,于2010年5月～2011年4月对不同厚度沙层下的冻土地温进行了1个完整年的观测研究.发现沙层对下伏多年冻土有保护作用,表现为厚沙层下地温在多年冻土上限附近以下深度全年均低于天然地表,降温幅度大约稳定在0.2℃,夏半年5～9月最大处降温分别达3.40,3.72,4.85,3.16和1.88℃;薄沙层下地温在上限附近全年都低于相应的天然地表,最大处降温幅度全年平均达0.71℃.其初步结论不仅对探索青藏高原沙漠与冻土之间的关系具有科学意义,而且为青藏高原工程建设地区的冻土保护提供了一种新思路.     

北极地区春季降水呈现固态向液态转变的态势

降水形态的变化可以影响地表的温度和反照率,对下垫面物质和能量平衡、陆地水文及生态系统均产生极大影响.基于美国阿拉斯加8站和加拿大11站日平均气温和固态、液态降水资料拟合的固-液态降水临界气温,辨析了1961~2010年环北极地区253个站点的降水形态时空变化特征.结果表明:60°N以北地区,降雨量占总降水量的比值(rainfall to total precipitation ratio,RPR)随纬度升高而减小.RPR气候平均态在夏季最高,秋季、春季次之,冬季最小.在不同季节,RPR变化趋势存在明显的区域差异.在春季,RPR变化趋势较为一致,在北极大部分地区(82.46%站点)呈增加趋势,且有22.37%站点通过显著性检验,表明北极大部分地区春季降水在过去50多年间呈现由固态向液态转变的趋势.使用95%置信区间上限和下限临界温度对降水形态进行划分和趋势分析,其结果与使用最优解的计算结果一致.在北极冰雪开始消融的春夏季节转换期(3~7月),阿拉斯加、中西伯利亚和北欧部分地区存在明显的固态降水向液态降水转变的趋势,这一趋势可能正在对北极地-气相互作用施加着影响.     

我国未来冬季降水会增加吗?北极夏季无海冰情景时的模拟试验

近年来,我国冬季北方的暴雪经常发生,造成了很大的经济损失,也引起了广泛的关注.尤其引发一个重要科学问题:未来全球变暖情景下,我国冬季降水是否会显著增加从而导致北方的暴雪更多的发生.本文利用CMIP3模式在IPCCA1B情景下对未来气候的预测结果,得到北极夏季(September)无海冰时的一种情景,即"FreeArctic".利用相应的海温场和CO2含量驱动一个全球大气环流模式,来对北极夏季无海冰时的东亚各季节气候做出数值模拟.试验结果表明,此时的冬季(DJF)全球表面气温有显著的不同程度的升高,升温幅度最大的区域是在北极地区和亚洲、北美洲的高纬地区.西伯利亚高压、阿留申低压均减弱,东亚冬季风减弱.但是,由于来自北方的水汽输送的加强,我国冬季从南到北降水增多.由于增暖的协同作用,我国北方未来寒潮的概率有可能减少;北方部分地区降雪有可能增加,因为降雪的温度条件是基本满足的.     

年度数值气候预测系统及其系统性评估

介绍了IAP年度数值气候预测系统,并通过1980～2000年年度集合后报试验,对该预测系统进行了系统性评估.就年度预测而言,夏季气候的可预报性在热带地区较高,热带外地区则较低;500 hPa高度场的可预报性呈带状分布,自热带往中高纬减低,降水场、海平面气压场和地表气温的可预报性则是海洋上高于陆地;在中国区域,可预报性同样以500 hPa高度场最高.相关分析还表明,IAP年度气候预测系统对我国夏季气温的预测能力相对要高于降水,且订正系统可显著提高年度气候预测的技巧.此外,比较年度与跨季度后报结果,发现夏季降水跨季度后报结果要略好于年度后报,且两者的主要差别是在中高纬度地区.     

祁连山七一冰川积雪和大气降水中的氢氧稳定同位素变化

报道祁连山七一冰川夏季降水和冰川表层积雪中氢氧稳定同位素的观测资料, 并分析其与气象要素的关系. 在事件尺度上, 七一冰川夏季降水中δ¹⁸O的变化不存在温度效应, 但显示出明显的降水量效应. 水汽输送过程追踪与降水及降水中稳定同位素对比研究显示, 这种降水量效应既反映了水汽来源的差异, 与季风活动相关, 也与云中水汽冷却程度、水滴在降落过程中的蒸发及和周围水汽的交换相关. 由于冬季降水极少, 积雪剖面主要体现夏、春、秋三季的降水状况. 夏季降水的δ¹⁸O值低, 而春、秋季降水的δ¹⁸O高. 夏季降水的大气水线为δD= 7.6 δ¹⁸O + 13.3, 与祁连山南麓德令哈的大气水线相近. 积雪的大气水线为δD = 10.4 δ¹⁸O + 41.4, 显示出异常高的斜率和截距. 积雪剖面的过量氘(d)值与δ¹⁸O存在明显的正相关, 说明从春到夏, 随着降水同位素比率的降低, d值降低, 反之, 从初秋至早春, d值增加, 从而导致大气水线的高斜率和高截距. d的变化指示春秋季水汽可能来源于附近的内陆蒸发或干燥的西风气流在经过相对温暖的水体时的快速蒸发, 而夏季水汽则由季风带来. 同时, 这也表明季风的影响范围可达祁连山西段.     

利用生理模型模拟的柴达木东北缘祁连圆柏对气候要素的响应过程

借助Vaganov-Shashkin 模型, 从生理过程的角度讨论了柴达木祁连圆柏径向生长与主要限制性气候因子之间的关系. 模拟结果表明, 祁连圆柏生长对其主要限制性气候因子的响应过程主要发生在生长季的前期. 具体来讲, 降水(尤其是5 和6 月的降水)对祁连圆柏年径向生长起着决定性作用; 而气温的影响主要表现为夏季高温对生长的抑制以及伴随全球变暖所出现的生长季延长. 另外, 模拟结果也揭示出近20 年来随着区域水分条件的增加, 祁连圆柏径向生长量也随之出现增长趋势. 这些均预示着若这一暖湿的气候条件持续发展, 将不但有助于祁连圆柏在该区域的生长, 也有益于增加区域森林的碳积累.     

新生代青藏高原生长对东亚水循环及生态系统的影响

新生代青藏高原生长和全球温度变化驱动东亚气候和生态系统发生了剧烈变化.本文综述了前人的相关研究成果,基于前期的数值模拟工作,进一步探讨了青藏高原地形地貌演变对东亚水循环及生态系统的影响.目前,关于青藏高原新生代以来地形地貌的演化还存在争议,但近年来不同学科的证据一致认为,青藏高原生长过程具有区域差异性.最新的古气候数值模拟表明,青藏高原北部抬升显著改变了亚洲气候系统,促使东亚降水显著增加,尤其是中国南方冬季降水增加更为明显,地表径流也相应增加,对东亚水系格局产生了重要影响;土壤含水量也随之增加,冬季深层土壤含水量增加尤为显著,导致中国东部植被从干旱、半干旱转变为湿润、半湿润植被类型,造就了现今东亚植被和生物多样性格局.目前,关于青藏高原生长对东亚降水的影响,科学界已有深入认识,但是还有若干关键问题亟待解决,包括:对青藏高原地形地貌演化的进一步限定、对气候转型期高精度的古气候数值模拟,以及进一步解析新生代东亚水循环和生态系统的耦合关系.理解这些关键问题对预测未来全球气候急剧变化背景下的生态系统响应及其演变趋势具有重要的参考意义.     

秋-冬季节北极海冰对冬季西伯利亚高压的影响

冬季西伯利亚高压强度与前期秋到冬季北冰洋东部、欧亚大陆北部边缘海区海冰密集度呈现显著的负相关关系. 研究结果显示, 秋冬季北冰洋海冰密集度与同期海表温度异常可导致冬季西伯利亚高压与欧亚大陆中高纬度及东亚的地表气温异常. 数值试验结果进一步证实该结论, 并且所有的数值试验结果一致表明, 较低的海冰密集度能导致欧亚大陆中高纬度地表温度负异常. 本文提出了一种机制来解释秋冬季北极海冰密集度和冬季西伯利亚高压的联系. 9 月份海冰密集度为预测冬季西伯利亚高压提供了一个潜在的前期信号, 而若由单纯的热带海温异常则不能预测冬季西伯利亚高压强度. 在近20 年来(1990~2009 年)冬季西伯利亚高压呈现增强的趋势, 并伴随着亚洲大陆中高纬度地表温度的降温趋势, 从而导致近年来东亚严冬频发. 最后, 讨论了冬季西伯利亚高压和地表气温短期趋势的成因.     

卫星遥感中国对流层中高层大气甲烷的时空分布特征

利用美国Aqua 卫星的AIRS 遥感资料, 分析了2003~2008 年中国地区对流层中高层大气甲烷的时空分布特征. 研究发现, AIRS观测结果与近地面观测资料变化趋势一致, 与地基遥感的误差在1.5%以内. 受近地层自然排放与人为活动的共同影响, 中国对流层甲烷在垂直分布上呈现典型的变化趋势: 随着高度的增加甲烷浓度下降. 甲烷在我国东部和北部地区具有明显的双峰季节变化特征, 最高值存在夏季, 次高值出现在冬季, 与近地面观测结果一致, 而南部地区冬季没有显著增加的人为来源, 西部地区人为活动稀少, 因此在南部和西部地区的甲烷高值只出现在自然源排放强烈的夏季. 中国地区的对流层中高层的甲烷与北半球的几个主要地区变化趋势一致, 均在2007 年之前保持相对稳定, 在2007 年后有一个明显的增长, 但是中国的增长速度较其他地区更为显著, 其中2006~2008 年期间的增长速率与我国近地面观测结果相近.     

2000～2010年中国森林叶面积指数时空变化特征

森林是重要的陆地生态系统,其叶面积指数(leaf area index,LAI)是决定该生态系统与大气之间物质和能量交换的关键参数.利用MOD09A1及MCD43A1数据和基于4尺度几何光学模型的反演算法,生成了中国森林2000～2010年每8天的500mLAI产品,并利用6个典型森林样区的LAI观测数据对该LAI产品进行了验证.在此基础上,分析了2000～2010年间我国森林LAI的时空分布特征及其与温度和降水之间关系.结果表明,利用MODIS数据反演生成的500mLAI产品具有可靠的质量,6个典型森林样区的验证精度达到70%以上;2000～2010年间,我国东北、华北、中南部地区森林LAI呈增加趋势,但在东南部和西南地区森林LAI呈下降趋势,主要原因是2008～2010年该地区的LAI明显下降.森林LAI年平均值与年平均气温在东北地区正相关,在西南地区负相关;在华北和中南部地区LAI年平均值与年降水量正相关.2001和2009年的异常气候导致我国秦岭和淮河以南地区的森林LAI明显低于常年,部分地区的LAI年平均值较正常年份下降1.0左右.     

半干旱区不同下垫面地表反照率变化特征

分析了通榆半干旱区退化草地和农田下垫面2003~2005三年来地表反照率的日、季和年变化特征, 并讨论了地表反照率与太阳高度角及土壤湿度的关系. 发现退化草地和农田下垫面的地表反照率具有相似的日变化和季节变化, 冬季较大, 夏季较小; 地表反照率的日变化随天气条件的不同而不同, 晴天日变化曲线形如“U”形, 雨后晴天地表反照率的日变化是先低后高, 雪后晴天是先高后低, 多云天日变化波动较大, 阴天几乎没有日变化. 两下垫面地表反照率的差异在冬季主要受降雪影响, 最大为0.04; 在夏季受降雨的影响较大, 但地表反照率差异不大, 只有0.01; 秋季由于下垫面植被的差异, 地表反照率差异最大可达0.04. 对于三年平均地表反照率, 退化草地在春、夏、秋和冬季分别为0.25, 0.22, 0.24和0.32, 农田春、夏、秋、冬季分别为0.25, 0.21, 0.22和0.33. 地表反照率随着太阳高度角增大而减小; 当太阳高度角大于40°时, 地表反照率基本上趋于不变. 在生长季地表反照率与表层土壤湿度存在负指数关系.     

基于遥感观测的21世纪初中国区域地表土壤水及其变化趋势分析

综合利用3组最先进的AMSR-E地表土壤水反演产品,通过集合分析的方法,生成中国区域内2003～2010年月平均地表含水量集合数据.在此基础上,分析了21世纪初中国区域内地表土壤水的时空分布格局及变化趋势.发现:(1)集合分析数据能在一定程度上克服单一反演产品中的系统偏差,弥补了单一反演产品的局限性,得到更加客观的中国区域内遥感地表土壤水时空分布信息;(2)在这期间,中国区域内干旱区以变湿为主导,半干旱区以变干为主导,总体上变干的面积大于变湿的面积;(3)三套反演数据年和季的变化趋势各自不同,但它们都一致显示在夏季变干为主导,而且这些变干的区域主要分布在我国主要粮食产区;(4)结合GPCP降水变化趋势,发现气候变化可能是导致干旱区变湿以及半干旱区变干的因素之一;(5)结合MODIS地表温度变化趋势,发现过去8年中降湿增温区面积最大(33.2%),依次为降湿降温区(27.4%),增湿增温区(21.1%)和增湿降温区(18.1%).其中降湿增温区和降湿降温区主要分布在我国的重要粮食产区,而增湿增温区则主要分布在西北部和西藏等非农业区.这样的变化趋势对我国的农业可持续发展和生态维护是十分不利的.