中国北方和蒙古南部植被退化对区域气候的影响

奇异值分解(SVD)分析归一化植被指数(NDVI)和降水给出的新证据, 揭示出中国北方过渡带及附近地区可能是植被覆盖变化对中国夏季降水影响的最敏感地区. 利用再分析资料和测站资料对土地利用变化影响温度的统计分析还表明, 年代际尺度上, 土地利用变化对中国温度的影响最明显地表现在使北方温度的升高. 基于观测上的一些新事实, 利用一个高分辨率的区域环境系统集成模式(RIEMS)通过多年积分, 研究了中国北方过渡带及附近地区(中国北方和蒙古南部)植被退化对区域气候的影响. 模拟结果表明, 植被退化可以造成中国北方和南方的降水减少和江淮流域的降水增加, 及植被变化区的温度的升高和华中地区温度的降低. 此外, 植被退化对大气环流也产生了重要影响. 模拟的表面气候和大气环流的变化与最近50年来观测的年代际气候异常都比较一致. 统计和模拟结果表明, 中国北方过渡带及其附近地区的植被退化, 可能是造成中国气候异常尤其是北方干旱化的重要原因之一.     

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.     

喜马拉雅-青藏高原不同子区域隆升对亚洲夏季气候演变影响的数值模拟

鉴于喜马拉雅-青藏高原空间上各重要部分隆升时间上的差异,利用美国国家大气研究中心的通用大气模式就其主要隆升阶段对亚洲夏季气候演变影响进行了敏感性试验研究.研究发现喜马拉雅山和青藏高原北部隆升分别对南亚与东亚北部夏季气候的发展具有重要影响,喜马拉雅山隆升导致南亚夏季风环流的显著增强和区域季风降水的明显增加,而青藏高原北部隆升造成东亚夏季风环流的明显发展和东亚北部降水的显著增加,且随后的阶段性隆升对这些均影响有限.与以往模拟研究相比,试验结果表明对比分析喜马拉雅-青藏高原不同子区域隆升有利于深入理解亚洲夏季风演变历史.     

纵向岭谷区植被覆盖的空间分异及其对气候的时滞效应

分析了西南纵向岭谷区NDVI时间序列与温度降水两类气象因子的相关性,探讨植被对温度和降水变化响应敏感性的空间格局,通过构造NDVIr指数揭示纵向岭谷区植被覆盖变化与土地利用之间的相互关系,得出如下结论:(1)纵向岭谷区植被对温度和降水变化的响应过程具有"时滞效应",不同地区出现最大相关系数所对应的滞后时间不同;植被对温度和降水变化的反应可以分为"雨热同期、雨先热后和热先雨后"3种时间组合.(2)植被对温度变化反应的敏感程度在空间上形成数个不连续的高相关中心和低相关中心;与温度不同,在研究区北部形成了植被-降水相关关系的两个低敏感区,沿纵向岭谷方向形成了两条高相关带.(3)构造了NDVIr指数,发现NDVIr与气象因子和土地利用状况具有较好的对应关系.     

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.     

青藏高原主要生态系统变化及其碳源/碳汇功能作用*

根据NOAA/AVHRR (National Oceanic and Atmospheric Administration/Advanced Very High Resolution Radiometer)卫星归一化植被指数(NDVI)数据和CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型的计算结果,过去30 年间(1982-2011 年),青藏高原生长季植被覆盖度和植被净初级生产力(NPP)呈总体上升态势, 植被总体变好。青藏高原生态系统碳汇功能增强,占全国增加碳汇的10%左右。气候条件的变化是青藏高原植被总体变好的最为重要的驱动因子,退牧还草等大型生态工程的生态效应也比较显著。青藏高原植被总体变好的同时,存在着区域不平衡。植被变差的区域主要集中在海拔较高的、生态更为脆弱的藏北高原、西藏“一江两河”和三江源的部分地区,尤其是藏北高原西部的高寒草原和高寒荒漠出现了较为严重的草地退化,其原因是气候变暖变干叠加人类活动(如超载放牧等)的影响。为了应对气候变化和人类活动对青藏高原植被的影响,应该加强青藏高原生态系统变化长期监测系统与平台建设,加大生态补偿和大型生态工程的实施力度。     

青藏高原西部降水中δ18O变化特征及其气候意义

根据青藏高原西部阿里地区狮泉河和改则二站点降水中δ¹⁸O实测值和相关气象资料, 研究发现, 在一定程度上, 温度能够影响狮泉河和改则二站点降水中δ¹⁸O变化. 在夏季, 特别是同一降水过程中, 两个站点降水中δ¹⁸O变化趋势非常一致, 且在季风活跃期, 降水中δ¹⁸O都出现多次明显的低值, 这与西南季风水汽输送密切相关, 而在季风间歇期, 降水中δ¹⁸O仍然表现相对高值, 水汽主要来源于局地水汽的再循环; 在非季风时段, 降水中δ¹⁸O与温度的正相关性都更为显著, 该研究区域降水的水汽主要受局地环流和西风环流控制. 另外, 该研究区域的蒸发条件也同样影响降水中δ¹⁸O变化. 通过该区域及其毗邻地区降水中δ¹⁸O空间分布特征的研究, 揭示了5月底或6月初始至8月底或9月初是青藏高原不同水汽来源的一个重要的时间分界线, 而在空间上, 位于青藏高原北部的西昆仑山与唐古拉山是一条重要的气候分界线.     

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.     

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.     

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.     

德令哈地区树轮宽度指数与草地植被指数的关系

利用德令哈地区五条祁连圆柏树轮宽度指数序列和1982~2001年逐月NOAA/AVHRR的标准化植被指数(NDVI)数据及气候数据, 在分析树轮指数及草地NDVI与气候因子关系的基础上, 探讨了祁连圆柏树轮宽度指数序列与草地NDVI之间的关系. 结果表明, 德令哈地区树轮宽度指数及草地NDVI深受6月份的水热状况, 尤其是降水的影响, DLH1~DLH5五条序列与草地6~9各月NDVI有显著的相关关系, 其中与8月份的NDVI相关性最强. 五条序列的第一主成分(PC1)与草地生长季各月NDVI值及生长季NDVI均值间存在显著的线性关系, 祁连圆柏树轮指数和草地NDVI变化的一致性体现了德令哈地区不同类型植被对水分胁迫的一致响应. 树轮指数与草地NDVI间的显著相关性为研究该地区草地过去的动态变化提供了基础, 本研究利用PC1重建了德令哈地区草地8月份NDVI的千年变化.     

中国西部地区地表植被覆盖和积雪覆盖变化对沙尘天气的影响

自然正交(EOF)分解生成的80 km×80 km归一化植被指数(NDVI)显示, 自1982~1994年间中国西部区域地表植被覆盖率呈增加趋势, 1995年前后, 地表覆盖状况有下降趋势, 地表覆盖变化存在很大的空间差异. 其中第一、二特征向量时间系数可以很好地反映中国西部区域局地植被覆盖率的年变化. 通过NDVI与西部区域沙尘暴、扬沙、浮尘年发生频次相关分析得出, 地表植被的年变化是影响沙尘等灾害性天气发生的最主要地表特征因素. 同时, 相关分析显示, 在西部部分地区, 降雪量也是影响沙尘天气的重要地表特征因子. 采用遥感数据、气象观测数据, 通过数理分析方法, 直接证明了中国西部地区地表植被、积雪覆盖变化对沙尘天气发生频次的影响.     

气候变化对中国陆地植被净初级生产力的影响分析

近来的气候变化对陆地植被净初级生产力(NPP)产生了综合影响. 通过对1982~1999年的中国陆地植被NPP及相应的气候数据进行系统分析, 结果表明: (ⅰ) 中国近20 a来的气候变化使温度、降水、光照均朝着有利于植物生长的方向发展, 其胁迫作用有所减弱: 受水分限制的西北地区, 其NPP的增长趋势平均为1.42%·a^-1; 受温度制约的东北、华北和青藏高原地区, NPP增长趋势平均为1.46%·a^-1; 华中、华东、华南受光照制约的地方, NPP增长趋势平均为0.99%·a^-1. (ⅱ) 18 a来, 中国陆地植被NPP总量增加了0.76 Pg C (24.2%), 其中由气候变化约导致NPP增加0.36 Pg C (11.5%), 其他因素(气候-植被相互作用、土地利用变化、造林等)约导致NPP增加0.40 Pg C (12.4%). (ⅲ) 与全球情况相比, 中国陆地植被NPP对气候变化的响应存在区域差异, 在20世纪80年代后期的几次厄尔尼诺事件中, 全球NPP均明显下降, 而中国的NPP因受季风影响, 情况复杂.     

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.     

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.     

我国草地面积有多大?

草地是不可或缺的自然资源,但关于我国草地面积到底有多大存在很大争议.本文主要利用植被分布与降水之间的相关关系来探讨我国草地的分布和面积.归一化植被指数(NDVI)数据能够很好地反映植被的覆盖状况,与降水之间也存在良好的相关关系,因此可以通过建立已知草原地区的降水与NDVI的关系来反演草地的分布和面积.利用此方法及与遥感数据相匹配的过去30年(1982~2011年)的平均降水量数据,估算得到我国的草地总面积约为293×104 km2.将研究期间的降水数据每5年求其平均,估算得到我国草地面积的年际变化并不显著,变动于290×104~295×104 km2.     

RegCM3对中国21世纪极端气候事件变化的高分辨率模拟

基于RegCM3区域气候模式对21世纪气候变化的连续模拟,在对当代模拟能力检验的基础上,对中国区域未来极端气候事件的变化进行了分析.模拟中RegCM3所使用的水平分辨率为25km,初始和侧边界场由MIROC3.2_hires全球模式结果提供,积分时间为1951～2100年.所使用的极端气候事件指数包括SU(夏季日数)、FD(霜冻日数)、GSL(生长季长度)3个温度指数和SDII(日降水强度)、R10(日降水量≥10mm日数)、CDD(连续干旱日数)3个降水指数.结果表明,模式在可较好地再现中国地区当代地面气温和降水空间分布及数值的同时,对各项极端气候事件指数也有较好的模拟能力.未来随着中国区域的明显升温和降水变化,暖事件指数SU和GSL都将增加,冷事件指数FD则将普遍减弱;以SDII和R10反映的强降水事件指数也基本呈增加趋势,其中R10指数在东北大部和青藏高原中部减弱,其他除长江中下游部分地区外普遍加强,而CDD则在北方明显缩短,在青藏高原和四川盆地到中国南部增加.从区域平均各指数的21世纪变化看,除CDD变化不大外,其余指数变化均表现出随时间增大的趋势.     

影响南方农业干旱灾损率的气候要素关键期特征

我国南方地区是全国粮食主要产区,在全球气候变化背景下近年来该区域干旱灾害不断加剧,农业旱灾损失十分突出,异常特征也比较明显.然而,对于我国南方农业旱灾损失的变化特征及其受干旱致灾因素的影响机理至今并不十分清楚,这严重影响了对南方农业旱灾规律的深入认识及其影响程度的客观评估.鉴于此,利用我国南方农业干旱灾情实况、农作物种植面积、气象干旱监测指数和常规气象要素等相关资料,系统分析了中国南方地区近50年来农业旱灾综合损失率变化特征及其与气候致灾因子的关系.分析发现:南方地区近50年来农业旱灾综合损失率明显增加,西南比华南和东南增加更为明显.而且,由于农作物各个生长阶段对气候要素的依赖程度不同及气候要素的非均匀季节分布特征,农业旱灾损失率主要受关键期的气象干旱、降水和温度等气候要素变化的影响,而其他时段气候要素变化对农业旱灾损失率影响并不明显.因此,南方地区农业旱灾损失率与关键期气候要素的拟合关系要明显好于与全年气候要素的关系,并且与关键期气候要素的多因子拟合关系与单因子拟合关系相比更具有明显的优势.同时,对这种多因子关系建立的农业旱灾损失率评估模型进行交叉检验的相关性、误差水平、信度均比较理想,表明该模型对估算南方地区农业旱灾损失率具有较好的效果.该文研究结果对于发展我国南方农业干旱灾损评估方法具有重要科学参考意义.     

喀纳斯湖植物残体碳同位素记录的温度波动

喀纳斯湖位于阿尔泰山脉南坡,区域森林植被茂盛,气候相对湿润.目前,阿尔泰山脉南坡的古温度记录主要来自于树轮宽度及短时间序列的树轮同位素,从结果来看,最近100多年来似乎没有表现出明显的增温趋势.在全球大部分地区(尤其是北半球中高纬度地区)普遍增温的情况下,是否这一区域因为某些特殊原因对全球气候变暖没有响应,抑或是该区域的树轮对长期趋势表现不明显?本文基于喀纳斯湖湖滨29 m水深处获得的81 cm岩芯,在陆生植物残体AMS ~(14)C定年的基础上,利用陆生C_3植物残体δ~(13)C序列经过大气CO_2浓度校正,探讨过去近600年区域温度对全球气候变化的响应.本文δ~(13)C序列很好地记录了阿尔泰山脉南坡对气候变暖的响应.19世纪前期以来温度在冷暖波动中持续上升;20世纪是近600年来最暖的一个世纪.这种温度变化特征与俄罗斯阿尔泰地区的冰芯、湖泊沉积物和树轮重建的温度记录以及周边地区的温度记录表现出比较一致的趋势,与北半球中高纬度地区多代用指标集成重建温度也表现出很好的一致性.此外,岩芯顶部的δ~(13)C序列表现出降温的趋势,这与近十几年来北半球许多地区出现的增温停滞现象以及喀纳斯湖邻近气象站的器测资料中表现明显的降温趋势相互印证.     

北半球中纬度3个典型区域末次冰期以来土壤有机质稳定碳同位素变化的差异及其原因分析

针对北半球中纬度地区3个典型区域末次冰期以来土壤有机碳同位素记录之间存在的差异, 收集了相关的气候数据并结合前人现代过程研究的结果进行了有关的分析. 得到的认识表明: 温度, 特别是生长季节的高温对C₄植物生长具有明显的影响. 年均温和生长季节温度低至一定程度后, C₄植物的生长受限. 即使温度足够高, 生长季节异常干旱也不适于C₄植物生长. 当温度条件满足以后, C₄植物适应的降水范围较宽, 而当降水增加到适合乔木生长时, C₄植物比例将下降. 古植被记录与现代植被研究结果是一致的, 欧洲黄土记录的该区域末次冰期以来植被为纯C₃植物主要是由当地的低温造成的, 而中国黄土和美国中部大平原及其临近区域记录的晚更新世向全新世转化过程中的C₄植物比例上升可能主要反应了温度上升的影响.