21世纪未来气候变化情景(B2)下我国生态系统的脆弱性研究

使用国际政府间气候变化专门委员会(IPCC)《情景排放特别报告》(SRES)所设定的社会经济发展情景中B2情景下的未来气候变化数据, 应用大气-植被相互作用模型(AVIM2), 对21世纪中国生态系统的状况进行模拟; 在已建立的生态系统脆弱性评价指标体系和评价模型的基础上, 对中国21世纪自然生态系统在气候变化背景下的脆弱性进行了评价. 结果显示中国未来气候变化将对生态系统存在着较为严重的影响, 并将随时间的推移有趋于严重的趋势; 受气候变化影响严重的地区是生态系统本底比较脆弱的地区, 但部分生态系统本底较好的地区也将受到严重的影响; 极端气候的发生将对生态系统产生巨大的影响; 开放灌丛和荒漠草原是受影响最为严重的类型, 极端气候事件的发生则将严重影响到落叶阔叶林、有林草地和常绿针叶林; 气候变化的影响不都是负面影响, 近期的变化对寒冷的地区也可能有利, 但从中、远期的情况看, 气候变化对生态系统的负面影响巨大.     

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.     

全球变化与气候-植被分类研究和展望

对全球变化与陆地生态系统关系研究的核心问题－－气候－植被关系的研究进展进行综述和讨论,指出气候－植被分类研究３个阶段的特点：（１）以现实自然植被类型与气候相关性为特征的气候－植被分类研究;（２）以对植物生理活动具有明显限制作用的气候因子为指标气候－植被分类研究;（３）综合反映植被的结构和功能变化的气候－植被分类研究。在此基础上,提出了全球变化背景下中国气候－植被分类研究的方向,并强调了气候－植被分     

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.     

中国陆域干旱演变预估及其生态水文效应

全球变暖改变了大气圈、水圈、陆地圈与生物圈的水文生物地球化学循环过程,对降水、大气湿度、陆地水储量等气象水文要素及生态系统生产力产生显著影响.现有研究较少采用陆地水储量预估未来旱情,也未能量化水热通量和生态系统碳收支对干旱的响应机制.本文首先基于GRACE/GRACE-FO重力卫星识别中国陆域干湿状况,采用大气再分析、机器学习重构和通量观测等多源数据评估对流有效位能、水汽辐合通量、生态系统总初级生产力等水-热-碳因子对干旱事件的反馈效应;然后基于ISIMIP2b框架下全球气候模式集合,考虑3种代表性浓度路径,结合动态植被模型、全球水文模型和陆面模式,预估未来陆地水储量及旱情演变特征;最后,探讨气候变化下干旱对生态系统生产力的影响,并量化干旱预估各环节的不确定性.研究发现,陆-气耦合作用与旱情演变具有复杂的互馈效应, 21世纪末中国干旱历时和烈度可能大幅度增长;旱情加重影响了中国大多数陆域的生态系统净生产力,未来生态系统碳汇对干旱的调控功能减弱,且较高碳排放情景下植被受干旱胁迫影响造成的固碳下降现象更加严峻.     

生态系统对全球变暖的响应

以温暖化为主要特征的全球气候变化对生态系统产生了深刻影响,是21世纪人类社会最为严重的挑战之一.作为地球表层的重要组成部分,生态系统是人类生存和发展的物质基础,其对全球气候变化的响应直接影响着地球和人类社会的未来.因此,生态系统对全球变化的响应成为全球变化科学的研究前沿和热点.全球温暖化会引起植物个体水平上生理生态过程的变化,也会改变种群、群落和生态系统水平上物种组成和结构的变化,最终可能引起一个地区生态系统类型的改变,并导致其生态系统功能发生转变.同时,生态系统的这种改变又会对全球变化产生反馈作用,减缓或者加剧气候变化的发生.由于地球表层系统的复杂性,对生态系统与全球变暖的相互关系进行深入持久的研究显得十分必要.     

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.     

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。     

孢粉记录的新疆巴里坤湖16.7 cal ka BP 以来的植被与环境

 通过对新疆巴里坤湖的地层剖面进行的精确定年和孢粉分析, 结合现代表土孢粉数据, 重建了该地区16.7 cal ka BP 以来的植被和环境演化历史. 结果表明, 在末次冰消期及早全新世 (16.7~7.9 cal ka BP)研究区以荒漠植被为主, A/C 值所指示的有效湿度明显偏低, 气候干旱. 其中在16.7~8.9 cal ka BP 期间, 气候环境最为恶劣; 8.9~7.9 cal ka BP 为气候环境逐渐改善的过渡期. 研究区在中全新世(7.9~4.3 cal ka BP)为荒漠草原/草原, 有效湿度明显升高, 气候环境相对最为适宜, 湖泊周围高地可能有片状的桦木林地出现. 在4.3~3.8 cal ka BP 这一短暂时期, 研究区植被由荒漠草原/草原迅速转变为荒漠, 有效湿度显著降低, 可能是一次百年尺度的干旱气候事件. 研究区在晚全新世(3.8~0.53 cal ka BP)呈现出典型的荒漠草原/草原草甸景观, 有效湿度相对较高, 气候环境相对较为适宜; 0.53 cal ka BP 以来, 呈现荒漠植被景观. 区域对比显示, 该地区16.7 cal ka BP以来的气候环境演化特征与东亚季风影响区有着明显的差异, 在末次冰消期-早全新世气候干旱, 中全新世-晚全新世气候相对湿润.     

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.     

21世纪东亚季风变化:CMIP3和CMIP5模式预估结果

使用国际耦合模式比较计划第3和最新的第5阶段中共42个气候模式的数值试验结果,首先定量评估了它们对于当代东亚冬、夏季风气候态的模拟能力;而后在SRES A1B中等温室气体排放情景或者RCP4.5中等偏低辐射强迫情景下,根据择优选取的31和29个气候模式分别对21世纪东亚冬、夏季风变化进行了预估研究.结果表明:相对于1980～1999年参照时段,21世纪东亚冬季风强度整体上变化不大,在区域尺度上则表现为在东亚约25°N以北地区减弱,在其南部加强,这主要是源于阿留申低压系统减弱和北移所引起的西北太平洋和东北亚地区大气环流变化,同时也与东北亚地区西北至东南向热力对比和气压梯度减小有关.另一方面,东亚大陆与西北太平洋和南海的海陆热力差异加大导致21世纪中国东部夏季风环流略有加强.     

晚古生代大冰期碳-水循环回顾与展望

晚古生代大冰期(360～260 Ma)是地球上自动植物繁盛以来持续时间最长的冰期事件,记录了陆地自有高等植被和复杂陆地生态系统以来,唯一的一次从“冰室气候”向“温室气候”的转变.针对晚古生代大冰期的研究大多聚焦于全球碳循环以及冰川性海平面变化等方面,对大冰期的水循环研究相对较少,并且其主要基于气候模拟研究结果.随着单颗粒锆石精确测年技术的应用,高精度的综合地层框架使得冈瓦纳中高纬度地区冰川消长与低纬度地区沉积记录、生物多样性与演化及各种全球地球化学记录建立时序关系,为研究地球循环系统和反馈机制提供了基础条件.目前,对晚古生代大冰期碳同位素变化趋势已有较好认识,存在3次显著的碳同位素正漂事件,依次为杜内中期、巴什基尔早期和阿瑟尔早期,并且在时间上与冈瓦纳大陆识别的3次冰川高峰吻合.在宾夕法尼亚亚纪卡西莫夫末期发生了一次短暂的碳同位素负漂事件,引起显著的全球变暖和海洋缺氧.冰川体积与古热带区域气候动态在天文轨道周期尺度至1～8个百万年的冰期-间冰期时间尺度上都具有耦合关系.在各种时间尺度上,晚古生代大冰期地球表层系统各个圈层之间的反馈过程都非常复杂.因此,今后需在高精度综合地层框架下,开展...     

一个经济-气候新模型的构建

将气候变化研究和农业经济研究相结合, 构建了一个经济-气候新模型, 用来评价全球气候变化对粮食产量影响的问题. 提出在经济模型C-D生产函数中添加气候变化因子, 建立一个新的评价模型, 作为连接气候变化因素和经济变化因素的桥梁, 并对该模型的性能及合理性进行了初步的模拟和验证.     

青藏高原气候变暖是温室气体排放加剧结果的新证据

过去数十年间青藏高原气候变暖已经被许多研究所证实, 但迄今为止还缺少能将其与人类活动联系在一起的证据. 通过对历史观测资料的分析, 本文发现高原气候变暖的同时伴随有显著的气温日较差的减小. 另外, 欧洲中期数值预报中心的高空再分析资料还表明高原上空对流层顶附近也有明显的气温上升趋势, 而平流层低层则是变冷的趋势. 这些特征在两个参与国际间气候变化委员会第四次气候变化评估的耦合气候模式的20世纪CO₂浓度情景试验中成功再现, 而两个模式的工业化前情景试验中都没有这样的特征. 这意味着最近数十年青藏高原的气候变暖很可能主要是由与人类活动有关的温室气体排放加剧所引起, 并且温室气体排放加剧对青藏高原气候变化的影响可能比全球其他地区更显著.     

晚冰期大兴安岭植被气候变化的气孔器记录

月亮湖末次盛冰期到早全新世湖泊沉积物气孔器分析的结果,揭示了大兴安岭地区以落叶松为主的针叶树演化历史:15.0 cal ka BP之前研究地点周围没有针叶树生长;15.0~12.8 cal ka BP开始到达研究区,在植被中所占比例逐渐升高;12.8~11.8 cal ka BP所占比例达到峰值,11.8~10.8 cal ka BP针叶树成分退缩.大兴安岭地区晚冰期的森林群落演化与东亚季风区不同纬度区域的植被演替具有可比性.气孔器和花粉记录揭示的植被演化阶段在时间上与欧洲地区Meiendorf间冰段、Oldest Dryas冷事件、B?lling-Aller?d暖期、Younger Dryas冷期以及早全新世温暖湿润期较为一致,温度变化是控制植被变化的主要因素.研究区的植被演替响应了全球冰量控制的北半球温度变化,揭示了东亚中纬度地区与北大西洋地区晚冰期快速气候变化的同步性.     

陆-气耦合增加中国的高温热浪

极端气候, 例如高温热浪, 对社会、经济和生态系统有着重要的影响. 在过去的几十年间, 中国的高温热浪已经发生了显著的年际和年代际尺度上的变化. 然而, 目前对引起中国高温热浪变化的物理机制尚不清楚. 本文利用2 个长期的含有和没有土壤湿度-大气相互作用的WRF 区域气候模式模拟评估了陆-气耦合对中国夏季高温热浪的影响. 结果表明陆-气耦合增加了中国的高温热浪. 尤其是, 在中国东部和西南的大部分地区, 高温热浪的增加都有统计上的显著性. 在这些地区, 陆-气耦合能够贡献30%～70%的高温热浪. 研究结果表明, 陆-气相互作用对中国高温热浪的发生起到重要作用.     

东北地区冬半年大雪-暴雪日数气候预测

大雪和暴雪是东北冬半年(前一年11月～次年3月)发生主要的极端天气和气候事件,是我国当前主要的气象灾害之一.此前的研究主要集中于东北大雪和暴雪天气个例的成因和天气预测,对其气候预测研究甚少,因为大雪-暴雪年际变率非常大,气候规律复杂,同时动力模式对中高纬气候预测能力较低,预测非常困难.本文基于东北冬半年大雪和暴雪日数的年际增量的气候变化规律及其影响系统,尝试开展东北地区大雪-暴雪日数的气候预测.本文选取4个具有物理意义的预测因子,包括东北北部地区前期9月土壤湿度异常的陆面过程的影响、表示冬季西北太平洋海气过程的预测因子、前期夏季马斯克林高压和前一年前期冬半年东北暖湿气流,研制东北地区冬半年大雪-暴雪日数气候预测模型,并对预测模型进行1963～2011年(48年)独立样本交叉检验和1983～2010年(28年)独立样本回报检验,两种检验结果均表明该预测模型对东北大雪-暴雪日的年际增量及其距平百分率具有较高的预测能力.48年的交叉检验中,年际增量(距平百分率)相关系数是0.86(0.77),均超过0.01的显著性水平.距平百分率绝对误差是16%,平均均方根误差是20%.本研究结果为东北大雪-暴雪日数的气候预测研究提供一个有效预测方法和预测模型,值得在预测实际业务中试验应用.     

青藏高原极端天气气候变化及其环境效应*

 青藏高原气候变化敏感性强、幅度大,而极端天气气候变化是高原生态、环境变化的重要驱动因素。过去几十年高原气温增暖幅度明显大于全国平均值,高原绝大部分地区极端高温事件频次显著上升、极端低温事件频次显著下降,并伴随有风速和地表感热加热等气候要素的显著变化。高原极端天气气候事件以及相应的地表和大气热源变化会对高原周边区域天气气候产生重要影响。高原冬春季积雪、春季感热强度以及夏季高原低涡东移发展是东亚夏季风异常和旱涝灾害预报的重要指标,可影响到其下游地区的大气环流和中国东部的天气气候异常。为构建稳固的青藏高原生态屏障,深化对高原极端天气气候环境事件及其对周边区域气候变化影响的研究,建议国家加强高原上对流层-下平流层水汽和微量成分输送过程与机制的研究,加强高原湿地及其对周边区域气候环境变化的影响研究,以及加大投入灾害卫星监测和灾害预警系统的能力建设。     

大荔黄土-古土壤序列δ13CSC值及其古环境意义

对最近250 ka大荔地区两个剖面全岩碳酸盐的碳同位素组成进行了分析, 初步探讨了影响黄土-古土壤序列δ13CSC值的因素及其古环境意义. 大荔黄土-古土壤序列δ13CSC值与磁化率的变化基本同步,δ13CSC曲线的负峰分别对应着不同的古土壤发育期. 研究认为, 植物成因CO2的介入会导致δ13CSC值降低, 降低的幅度主要与古植被发育程度和古湿度有关, 植被中C4植物的相对含量可能仅影响其次一级的变化. 低δ13CSC值大体上指示了植被相对丰富、气候湿润的环境状况. 倒数第2次间冰期以来, 大荔地区植被发育最差、最干旱的时期是L2的黄土堆积期; 而植被最为丰富、气候最湿润的则是末次间冰期. 发生在MIS(深海氧同位素)第3阶段晚期即 40～30 kaBP的青藏高原"高温大降水事件"的水文效应已波及气候相对湿润的关中地区, 对当地植被和湿度均产生了明显影响.