中国区域土壤湿度变化的时空特征模拟研究

建立基于气象台站观测资料的陆面模式(CLM3.5)大气驱动场(ObsFC), 驱动CLM3.5 模拟了中国区域1951~2008 年的土壤湿度变化. 其结果与站点观测和遥感反演及不同陆面模式模拟的土壤湿度比较检验表明CLM3.5/ObsFC 合理再现了中国区域土壤湿度的时空特征和长期变化趋势, 并且基于观测资料建立的大气驱动场在一定程度上能够提高CLM3.5 模拟土壤湿度的准确度. 土壤湿度模拟分析显示中国区域土壤湿度空间分布具有由东南向西北逐渐减小的总体特征和干湿相间分布的带状结构. 土壤湿度的低值区主要分布在新疆南部和内蒙古西部地区, 高值区主要分布在东北平原、江淮地区和长江流域. 土壤湿度的长期变化, 干旱和湿润地区湿度呈增加趋势, 干旱区20 世纪70 年代中期至90 年代中期变化最为强烈, 湿润区除1970 前后和2003 年之后变化较明显外, 整个序列比较稳定; 半干旱地区呈减小的趋势, 且20 世纪90 年代以后下降趋势更加明显. 1951~2008 年干旱、半干旱和湿润典型区平均体积百分比土壤湿度分别变化了2.35, -1.26 和0.08. 不同区域土壤湿度变化趋势和强度有明显差异,变化最显著的区域主要分布在35°N 以北的干旱、半干旱区.     

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.     

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.     

森林与降水关系的初步研究

本文依据兴隆山、小陇山林业局北秦岭部分两林区和在同一气候带内非林区年平均降水量的气象观测资料,以及两林区的森林资源等,就森林与降水的关系进行了初步研究.结果表明,在我国北方地区,具有一定数量和质量的森林能够增加降水.而且森林作用的年降水净增量在温带半干旱区可能在23.02%～30.84%,温带半湿润区可能在9.88～24.52%.     

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.     

近0.5 ka来中国北方干旱半干旱地区的降水变化分析

从IGBP集成研究的思想出发, 采用冰芯、树轮、历史文献和湖泊沉积等多种气候代用资料, 重建了近0.5 ka来中国干旱区西部和东部, 以及整个干旱区分辨率为10年的降水变化序列. 在此基础上与1470年以来半干旱区西部和东部代用降水序列进行了比较. 结果表明, 近0.5 ka来各区域降水曲线均存在5次气候干旱期, 每个干旱期持续50年左右, 同时降水表现出区域差异性. 近0.5 ka来干旱区东部与半干旱区西部、半干旱区东部的降水呈现出基本一致的变化趋势, 而干旱区西部的降水变化比较独特, 呈现出显著的局地性降水特征. 最大熵谱和奇异谱分析结果表明每个区域降水序列, 包括干旱区西部、东部, 整个干旱区、半干旱区西部和东部, 以及中国北方区域降水序列, 均存在百年尺度约120年左右的周期.     

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.     

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.     

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.     

全球变化背景下干旱区山地-绿洲-荒漠系统耦合关系的特征及规律

全球变化对于旱区资源环境的分布格局与时空变化造成了一定程度的影响,制约了土地利用与覆盖变化的趋势与过程,并通过水热状况、景观带谱、气候效应、土地利用与人为活动表现出来;而上述特征又与山地、绿洲、荒漠系统具有密切的耦合关系．中亚干旱区气候具有暖湿化的特征,与中国北方地区气候干旱化的趋势具有一定的差异性,这种响应机制制约了MODS的特征与规律．而系统的界面特征与界面过程,特别是水资源的形成、转化与消耗规律直接反映了干旱区MODS对全球变化的响应过程．MODS的空间格局、动态变化、时空特点以及尺度转换与耦合模式问题,反映了系统之间及其内部的生态学机制．     

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。     

石羊河流域晚冰期以来环境变化与人类活动

石羊河流域是中国西北地区环境变化与丝路文明演化的典型区域.基于大批学者的研究,目前对石羊河地区的气候、环境、文化形成了基础认识,但沉积地层指示的古湖泊演化过程,以及古文化更替与气候变化之间的联系仍存在争议.本研究与前人采用单一采样点的研究方法不同,在石羊河流域沿中游红水河地区和下游猪野泽地区共连续采集13个剖面,建立了包含705个沉积样品, 129个AMS¹⁴C年代数据, 5460个古环境代用指标数据和12个历史文化遗址的数据库.结合TraCE-21 ka(The Transient Climate Evolution Experiment)和PMIP3(Paleoclimate Modeling Intercomparison Project 3)模拟,探讨晚冰期以来石羊河流域环境变化和古文化演变.研究发现,石羊河流域晚冰期以来环境持续变化;晚冰期到早全新世期间,古湖泊武始泽和猪野泽开始发育;中全新世时期,石羊河流域气候湿润,湖泊面积大、水位高;晚全新世干旱化使得湖泊退缩,河流下切;在干旱趋势下,马家窑、齐家文化逐渐消失,沙井文化(一种独特的青铜文化)兴起,匈奴...     

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.     

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.     

蒙古国中部Ugii Nuur湖8660 a BP以来高分辨率孢粉记录及气候变化

以9个AMS¹⁴C 年代为框架, 以现代花粉研究为基础, UG04孔高分辨率孢粉记录重建了蒙古国中部8660 a BP以来的植被和气候变化: 7800 a BP以前研究区植被以草原为主, 气候温和略湿润, 其中8350~8250 a BP气候凉湿; 7800~6860 a BP旱生植物增加, 气候转向暖干; 6860~3170 a BP半荒漠草原扩张, 气候持续暖干; 3170~2340 a BP旱生植被退缩, 远山森林草原发育, 气候转凉变湿, 末期湿度条件达最佳; 2340~1600 a BP气候较凉湿; 1600 a BP以来气候波动较大. 与区域古气候记录对比表明, 蒙古国中部到中国西北干旱区可能存在持续干旱的中全新世气候. 重建结果与GCM气候模式模拟结果有较好的呼应. 此外, UG04孔孢粉记录揭示了若干气候变冷事件, 部分可与北大西洋地区对应, 但表现为冷湿.     

1000年以来巴丹吉林沙漠地下水补给与气候变化的包气带地球化学记录

氯平衡原理在降雨极其稀少的干旱区研究地下水补给具有较强的适用性, 与氢、氧稳定同位素及含水量在包气带垂向的变化相结合, 能够准确地计算地下水的多年平均补给率, 并记录水文气候变化信息. 巴丹吉林沙漠南缘的两个钻孔剖面分别记录了过去574年(B1)和812年(B2)以来的补给量变化过程及其所反映的气候波动特征. 在该地区, 多年降雨量为89 mm, 而补给量平均仅为1.3 mm. 800 aBP气候划分为4个干期和3个湿期. 1500 ~ 1530年干旱区气候突变, 18世纪末至19世纪初是气候环境演化的又一个十分重要的时间界限, 自此以后干旱化进程进一步加剧.     

兰州盆地古近系杨属叶化石及古气候指示意义

兰州盆地古近系发现一被子植物压型化石群, 对其中的山杨(Populus davidiana Dode)做了细致的角质层分析. 同时, 比较了不同生境下(湿润、半湿润、半干旱至干旱气候区)现生山杨的表皮构造. 实验表明, 随着植物分布区纬度逐渐增高, 气候从湿润到干旱、年降水量从大到小, 年均温度从高到低的变化, 成熟的山杨叶片明显表现出外形由大到小逐渐减缩、角质层由很薄到较厚、表皮细胞垂周壁从模糊到清晰的特点. 化石山杨与处于温带半干旱-干旱气候区的山丹标本相差较远, 而与温带半湿润区的武山标本最接近. 新的研究反映当时植物可能生长于半湿润的气候环境. 当前古近系杨属叶化石角质层的分析, 对了解青藏高原隆升初期对周缘植被类型和古气候的影响具有重要意义.     

370 ka以来灵台黄土剖面元素碳记录及其对气候环境变化的响应

通过测定灵台黄土剖面370 ka来黄土-古土壤样的元素碳含量, 结合相关孢粉资料及古气候替代性指标, 讨论了该地区天然火的历史及其与气候、植被的关系. 灵台剖面元素碳含量谷值和峰值出现时的气候状况及变化特征, 表明气候不稳定的过渡时期, 特别是湿润转向干旱的时期容易发生大火. 各层黄土-古土壤元素碳含量变化规律为: 冰期低、间冰期高, 反映区域(或全球)生物量变化. 元素碳含量在130 kaBP前后呈阶段性增加趋势, 表明植被类型、气候格局发生了变化, CO₂浓度阶段性增加可能是其中原因之一. 元素碳含量总体上随时间呈上升的趋势, 可能反映了干旱化趋势的加剧. 全新世元素碳含量出现最大峰值, 反映了距今约六千年的气候突变事件, 以及人类活动导致火灾更为频繁的发生.     

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.     

中国地区1~3℃变暖的集合预估分析

有关气候变化的生物地球化学影响、关键脆弱性和风险性评估研究表明, 如果年平均地表气温在现有的水平上继续升高1℃, 2℃和3℃, 那么由于人类活动而引发的全球气候变化将会对极端天气和气候事件、粮食产量、淡水资源、生物多样性、人口死亡率等产生不同程度的重要影响. 为此, 基于17个气候模式在20世纪气候模拟试验和SRES B1, A1B和A2温室气体和气溶胶排放情景下的数值模拟结果, 通过多模式集合方法评估了以上3个变暖值在中国的时空分布特征. 结果表明: 中国年平均地表气温的上升速度存在着很大的地域差别, 低(高)排放情景下各变暖值出现的时间相对较晚(早), 低(高)变暖值的发生时间在各排放情景之间差别相对较小(大); 就地域分布而言, 各变暖值在中国北方和青藏高原地区出现的时间要明显早于江淮流域及其以南地区.