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.     

中国北方土地利用/覆盖变化的情景模拟与预测

以北方13省(市)为研究区, 借助系统动力学(SD: System Dynamics)、人工神经网络(ANN: Artificial Neural Network)和元胞自动机(CA: Cellular Automata)模型建立了 “自上而下“和“自下而上”相结合, 数量变化与空间分布相结合的不同情景下土地利用/覆盖变化时空演变规律的动态模拟模型, 并对研究区多种土地利用/覆盖类型变化的时空特征进行模拟. 模型充分发挥了各子模型的特点和优势, 综合了土地利用/覆盖变化的宏观驱动因素与微观格局演化特征, 较全面地考虑了多种土地利用/覆盖变化驱动因子, 并引入CA模型中, 利用BP神经网络简化了CA模型模拟过程中参量权重确定问题, 提高了参量权值确定的精度和模拟结果的可靠性, 模拟精度约74%, 在一定程度上反映了大区域土地利用/覆盖变化的空间格局演变特征, 对脆弱生态区土地利用/覆盖变化的复杂性和生态环境响应研究具有一定参考价值. 模拟结果表明, 未来30 a中城建用地、林地、水体将明显增加, 耕地和未利用地将不断减少, 草地的数量则在波动变化中相对保持稳定; 空间上, 农牧交错带和东-南部地区变化最为显著.     

中国气候干湿变化及气候带边界演变:以集成土壤湿度为指标

依据观测气象资料驱动的陆面模式模拟土壤湿度,比较评估了25个全球耦合气候模式的模拟土壤湿度,选择其均值和趋势与陆面模式模拟均呈正相关的11个数据集.采用多模式权重平均法集成了中国区域两种气候情景1900～2099年的土壤湿度.以集成土壤湿度为指标,分析中国区域199年气候干湿变化的时空特征,区划干湿气候带,分析干湿区边界的演变特征.结果表明总体上典型干旱区土壤湿度呈增加趋势,湿润区变化不显著,干湿过渡带土壤湿度变化最剧烈,呈显著干旱化趋势.干湿气候带边界线演变表明半干旱区扩张,半湿润区收缩是两种情景下我国干湿气候带演变的典型特征.其中20世纪30°N以北的半干旱区面积与1970～1999年平均半干旱区面积比较扩大了11.5%,即使考虑湿润区向半湿润区的转变,与1970～1999年平均面积相比,半湿润区面积缩小也达9.8%.21世纪A1B情景下干湿区界线的变化保持了同样的趋势,但强度明显大于20世纪.因此未来干旱化扩张影响下的区域生态环境变化和人类适应问题需要深入关注.     

土地利用变化影响气候变化的生物地球物理机制

重点介绍国家重点基础研究发展计划(973计划)全球变化研究专项“大尺度土地利用变化对全球气候的影响” 项目执行三年多以来,集中在土地利用与土地覆盖变化(LUCC)对气候变化影响的生物地球物理机制方面的研究成果,包括对不同区域大尺度LUCC过程规律的对比、LUCC对气候影响的生物地球物理机制、多时空尺度LUCC气候效应的模式模拟、LUCC气候效应的未来情景分析,以及后续研究计划。     

“典型山地水土要素时空耦合特征、效应及其调控”项目简介

正本项目拟破解的关键科学问题:山地不同时空尺度水土要素耦合过程与资源效应;变化环境下山地水土作用失衡的发生机理与灾害风险;山区水土资源承载力与国土空间功能优化关联机制。其主要研究内容:气候、地形、地质条件约束下的山地水文过程;土地空间变异特征、功能及控制机制;山地水土要素时空耦合格局及其对生态稳定性和脆弱性的影响;新构造运动活跃区水土作用失衡机制与灾害风险评价;山区国土空间功能优化与人地关系协调机制。其总体目标是:通过对我国易受水分快速胁迫的太行山区、横断山     

基于CMIP5多模式结果评估人类活动对全球典型干旱半干旱区气候变化的影响

基于CMIP5多模式的历史试验(考虑所有驱动因子)以及单因子强迫气候归因试验结果,评估了温室气体、气溶胶、土地利用及所有人类活动对全球典型干旱半干旱区气候变化的影响.结果表明,所有人类活动和温室气体强迫会引起全球陆地显著增温,特别是由温室气体强迫引起的北半球中高纬地区近60年的增温幅度几乎是历史变化的2~3倍,气溶胶的降温效应则对近60年来的全球变暖具有明显的抑制作用,土地利用在大多数干旱半干旱区具有微弱的降温作用.所有人类活动和温室气体强迫会使大多数陆地及干旱半干旱区的降水增加,而气溶胶和土地利用的影响则存在明显的区域差异和不确定性.近60年,中国北方干旱半干旱区的气温和降水变化受人类活动的影响最为显著.基于集合经验模态分解(EEMD)的结果,大多数地区气温和降水的年代际和多年代际变化特征均是所有人类活动综合作用"同步叠加"在自然变化之上的一种结果;其中,气溶胶在大多数地区显著促进温度的多年代际变化,土地利用在澳大利亚地区则起到明显的抑制作用;对降水的多年代际变化而言,气溶胶的贡献相对比较突出,而温室气体和土地利用对全球降水的多年代尺度特征有明显的促进作用.     

黄土高原土地利用变化的生态环境效应

黄土高原是典型的生态脆弱区,随着我国退耕还林还草等一系列生态恢复和治理工程的开展,土地利用发生巨大变化.格局-过程-服务综合研究方法为理解土地利用变化的生态环境效应、科学指导生态恢复实践提供了途径.相关研究系统阐明了黄土高原土地利用格局对土壤水分、养分和土壤侵蚀过程的影响;揭示了植被恢复过程中固碳与产水服务的权衡关系及其时空变异规律,发现目前植被恢复已接近区域水资源承载力阈值;研发了区域生态系统服务综合评估与优化模型系统,提出了土地利用优化配置方案.上述成果推动自然地理学从定性结构分析向定量过程研究发展,引领生态系统服务研究深入到过程机制和综合集成,为黄土高原生态恢复提供了关键科学依据.     

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.     

干旱区绿洲地下水水位时空变异性对土地覆被变化的响应

应用遥感、地理信息系统和地统计学方法, 分析三工河流域绿洲土地利用/土地覆被变化对地下水位时空变异性的影响. 通过半变异函数模型、克里格插值拟合三工河流域1978, 1987和1998年地下水位时空变异性特征, 结合遥感解译生成的1978, 1987和1998年三期土地利用/土地覆被类型分类图, 叠加分析不同地下水埋深等值线区域土地利用/土地覆被类型转移关系. 结果表明1978~1998年20年间无论是平水期还是丰水期, 整个绿洲地下水补给量变幅并不显著, 而地下水位和土地利用/土地覆被均发生了显著的时空变化, 并且两者之间具有密切的相关性. 流域地下水水位整体具有中等的空间相关性(33.4%), 空间自相关距离为17.78 km. 地下水位急剧变化的区域均是土地资源开发加剧的区域, 主要表现为耕地、林地、建设及工矿用地土地资源的开发. 研究反映出干旱区绿洲土地利用/土地覆被变化对地下水资源时空变异性产生了深远的影响, 这对于合理利用浅层地下水资源, 维护绿洲的稳定性具有直接的现实意义.     

一个土壤-植被-大气双向耦合模式的发展及应用

发展了一个土壤-植被-大气双向耦合模式,并将其应用于东亚气候-植被敏感区的变化研究.这一模式克服了传统模式由于单向耦合带来的模式不确定性和系统误差,能够更好地刻画气候与生态系统的双向反馈过程及其变化.本模式对东亚气候-植被在两倍CO2条件下的变化研究表明,华北和西北地区内陆的气候将变得温暖干燥,江淮和长江中、下游以南地区将更为温暖湿润.植被对气候变化的响应在北方地区最为剧烈,其对气候的反馈也最为明显,表明该地区是气候-植被变化的敏感区域.温室效应造成的气候变化使华北地区自然植被生态系统退化,其对气候的同步反馈进一步加剧了温室气体的增暖效应.自北向南植被-气候变化的敏感性逐渐降低,反映在植被和气候的相互反馈和影响随纬度降低而逐渐减弱.     

中国新近纪哺乳动物演化对重大气候环境变化的响应

新近纪是全球环境发生重大变化的时期,而青藏高原的形成与演变是亚洲乃至全球气候环境变迁的重要驱动力。认清新近纪哺乳动物从青藏高原到蒙古高原的分布规律和生态特征,是了解青藏高原隆升对我国地貌和气候的改造及其对全球气候格局的影响的重要手段。哺乳动物对气候环境的变化非常敏感,而中国在新近纪哺乳动物方面有着得天独厚的优势。临夏盆地和蒙古高原中部分别处于青藏高原隆升的堆积区和影响区,有广泛发育的能够反映隆升和古气候的沉积物,地层出露完好,保存有非常丰富的哺乳动物化石。在两个地区进行对比研究的结果对于理解全球新近纪一系列重大环境和生态事件,特别是青藏高原隆升以及亚洲季风形成和生物交流等问题具有重要科学意义。     

人类土地利用的历史变化对气候的影响

通过MPM-2——一个中等复杂程度的地球系统模式(EMIC), 对近1000 a来土地利用对气候的影响进行了模拟, 主要评估人类土地利用造成的陆面覆盖变化的生物地球物理作用. 以耕地面积的变化来近似森林砍伐的动态过程, 近300 a来大面积的森林砍伐使全球变冷了0.09~0.16℃, 而北半球年均温降低了0.14~0.22℃, 尤其在春季更为显著. 为了将人类土地利用和其他强迫进行比较, 还模拟了气候系统对温室气体浓度变化的响应. 目前, 植树造林正逐渐成为陆地碳“捕获”以及调节区域气候状况的重要手段, 表明在进行气候变化研究时, 人类土地利用造成的陆面覆盖变化的生物地球物理机制是不可被忽略的.     

东亚季风气候的历史与变率

东亚季风的变迁可视为太阳辐射条件下, 全球大气、海洋、陆地和冰系统相互作用在东亚地区的表现. 干冷冬季风和暖湿夏季风优势期的相互交替反映了东亚季风的历史. 高分辨率的黄土高原风尘序列研究揭示了东亚季风至少自7.2 Ma前开始建立. 青藏高原的脉动对东亚季风变迁有重要影响, 数值模拟实验说明, 高原隆升对东亚冬季风的影响远大于对夏季风的影响. 末次冰期旋回气候记录显示了东亚季风气候千年或更短时间尺度的变率和不稳定性的特征. 北半球高纬冷空气活动、穿越赤道的气流和ENSO活动影响着东亚季风气候的变率. 有必要加强高分辨率季风气候记录的年代学和古气候替代性指标的研究,将东亚季风环境整体系统置于全球变化框架中,研究各因子相互作用或相互耦合的过程, 以深入认识东亚古季风变迁的规律和变化机制.     

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.     

青藏高原土地利用与覆被变化的时空特征

青藏高原土地利用与土地覆被变化(LUCC)研究是区域土地科学与全球变化科学研究的重要内容,也是保障高原生态安全屏障功能稳定与提升的科学基础.本文通过对已有LUCC数据与成果的再分析,研究了高原整体LUCC时空特征、典型区LUCC的时空过程及典型类型的变化过程与机制.结果表明:青藏高原土地利用与土地覆被结构稳定,一级地类变化面积比例低于7%,并以单次变化为主,土地覆被状况总体改善.近年来高寒草地覆被状况整体好转、局部退化,林地恢复良好,耕地基本稳定,建设用地显著扩张,裸地轻微减少.人口较为密集的河湟谷地与"一江两河"地区,建设用地、耕地、人工林地等增加明显;藏北高原和三江源等牧区,超载过牧和生态建设的作用均有体现;珠穆朗玛峰国家级自然保护地区土地覆被类型多样、变化复杂,并表现出对气候变化和人类活动有较强的敏感性.高原土地变化研究中还存在现有数据产品数量不足、精度不高,土地利用变化过程及其环境效应认识不够深入等问题,需要加强野外监测和遥感技术的结合,关注LULC在不同时空尺度下的变化特征,同时注重土地利用与土地覆被类型转化和类内渐变,使高原LUCC研究更好地服务于高原生态安全屏障建设和区域可持续发展.     

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     

川西甘孜黄土-古土壤序列的地球化学演化特征及其古气候意义

川西高原位于青藏高原的东南边缘, 气候主要受印度洋西南季风和高原季风的影响. 对川西甘孜地区甘孜寺黄土剖面地球化学特征的系统研究表明, 甘孜黄土在风尘源区经历了斜长石分解从而导致Na, Ca等活动性元素淋失的化学风化过程, 沉积后的化学风化主要表现为成壤过程中碳酸盐的淋溶淀积及Fe²⁺的氧化. 甘孜寺剖面CIA, Na/K以及Fe²⁺/ Fe³⁺等地球化学参数记录显示, 1.15 Ma BP以来甘孜黄土的风化强度有逐步减弱的趋势, 反映了更新世中期以来青藏高原东南缘持续变干的气候变化特征, 是区域气候对全球气候变化的响应. 同时, 本区气候变化在与全球变化基本一致的基础上, 也存在着明显的差异, 其中最突出的表现就是自约250 ka BP以来干旱化程度明显加剧. 该气候事件的形成可能与青藏高原东南缘隆升对西南季风水汽输送的屏障作用有关.     

生物多样性和生态系统功能对全球变化的响应与适应:进展与展望*

  人类活动引起的土地利用/覆盖变化、气候变化、大气CO2浓度增高和氮沉降加剧等使得生物有机体的性状、种间关系、分布格局与生物多样性发生改变,进而影响生态系统过程和功能,并最终影响人类的生存和社会经济的可持续发展。应用全球变化实验结合环境梯度研究方法,我们已经就我国主要的森林生态系统和草地生态系统对全球变化的响应与适应作了初步研究。基于已开展的实验研究和数据积累,以协同研究为主要手段,结合我国独特的自然条件,今后将加强以下四个方面工作:①开展长期的多因子实验;②构建动态物种分布模拟体系;③构建数据模型融合系统;④生态系统对全球变化的区域响应和适应性的集成分析。     

京津风沙源地表沙尘释放及其区域分异

土壤风蚀引起的地表沙尘释放及其输移过程,是干旱半干旱区最为重要的地表过程之一.准确估算地表沙尘释放是揭示沙尘暴发生机制、阐明地表沙尘释放与陆地生态系统耦合作用的基础,也是制定防沙治沙和大气环境治理规划和决策的依据.基于野外调查、表层土壤采集及其室内实验、遥感影像以及气象站观测资料,估算了4个不同时期4个粒径组地表沙尘释放,揭示了京津风沙源地表沙尘释放的时空分布及其对粒径的响应,明确了京津风沙源不同区域和土地利用地表沙尘释放的贡献.在此基础上,从控制地表沙尘释放及其对区域大气环境中可吸入颗粒物影响的角度,提出京津风沙源治理的重点区域是农牧交错带、燕山丘陵、荒漠草原、晋北山地丘陵,治理的土地利用核心是耕地,而不是沙地,为京津风沙源治理工程的优化布局提供科学依据.     

西北地区气候暖湿化的研究进展与展望

西北地区地理位置特殊,气候变化独特,形成机理复杂,对社会和自然环境的影响突出.尤其,自21世纪初有研究提出西北气候从暖干向暖湿转型的科学认识后,其气候变化问题引起了社会各界的普遍关注,也兴起了对西北气候变化趋势、驱动机制及影响的广泛研究,多年来已积累了大量的研究成果.然而,由于以往不同研究所用资料的类型、序列长度和时空分辨率不同,所关注的时段和区域不同,认识问题的视角和维度不同,使得存在一些分歧认识或者相悖结论.鉴于此,本研究通过系统梳理西北地区气候变化研究的历史经纬,归纳已有的研究成果,综合考虑不同视角和维度,划分了西北地区增暖与干湿变化科学认识的6个阶段;概括了西北暖湿化的驱动机制;评估了暖湿化对生态、农业及水资源等的影响;预估了未来暖湿变化趋势及其存在的可能风险;提出未来研究需要从大气、水文及生态等多学科相互作用角度探讨气候暖湿化的驱动机制、暖湿化背景下极端天气气候事件的变化特征、地表水分循环对暖湿化的响应特征、暖湿化与水文和生态的耦合机制、暖湿化对水安全、生态安全及粮食安全带来的机遇和风险,以及“双碳”(碳达峰、碳中和)目标下西北地区未来气候变化趋势等重点科学问题上取得突破.