根据卫星观测的城市用地变化估算中国1980～2009年城市热岛效应

1980～2009年是中国城市化发展的显著时期,也是气温上升剧烈的时期.本文基于卫星观测的城市土地利用数据,分析了1980～2009年中国城市化对地表观测气温的影响.城市用地指标采用1980～2005年的城市用地扩张量(ΔU),根据该指标将全国气象站点分为3类:(C1)站点周围城市化剧烈;(C2)站点周围城市化较明显;(C3)站点周围城市化微弱.结果表明C1类城市以中国的直辖市和省会城市为主,C2类城市以地级市为主,C3类城市以县城为主.鉴于C3类城市的ΔU很小,因此认为其温度可能受城市用地变化的影响不显著.如果三类城市受全球变暖的影响类似,则C1类或C2类城市的增温减去C3类城市的增温就可能在较大程度上去除全球变暖的影响,而突出城市化对局地温度的贡献.结果表明,C1类城市化对局地温度的影响为0.258℃/10a,占总增温幅度的41%;C2类对局地温度的影响为0.099℃/10a,占总增温幅度的21%.在全国尺度上,城市用地变化的影响为0.27℃/30a或0.09℃/10a,占总增温幅度的20%,且冬季高于夏季.由于C3类城市可能并非完全不受城市化影响,因此,这里计算得到的可能是城市化影响的最低值,实际影响可能略高于该值.此外,土地利用变化只是研究城市热岛效应的一个途径,但是这个指标比人口数量、夜晚光亮度等指标更直接地反映了地理环境的变化.     

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.     

气候增暖对我国近40年植物物候变化的影响

根据现代气象观测资料及中国科学院物候观测网络26个观测站点的物候资料，分析了近40年温度变化对我国木本植物候变化的影响，并建立了不同年代物候期与地理位置之间的关系模式，分析了当前气候增暖背景下物候期地理分布模式对温度变化的响应。结果表明：（1）物候期的提前与推迟对温度的上升与下降的响应是非线性的。20世纪80年代以后，在同等升降温幅度情况下，因降温而导致的物候期推迟幅度较因升温而导致的物候期提前幅度大；因升温而导致的物候期提前日数的变化率随着升温幅度的增大而减小，因降温而导致物候期推迟日数的变化率随着降温幅度的增大而加大。（2）物候期与地理位置的关系模式因气候变化而呈现不稳定特点。随着20世纪80年代以后我国大部分地区的春季增温及秦岭以南广大地区的降温，东北、华北及长江下游等地区的物候期提前，西南东部、长江中游等地区的物候期推迟；同时物候期随纬度变化的幅度减小。     

青藏高原中东部2485 年来温度变化幅度、速率、周期、原因及未来趋势

分析了根据树木年轮资料重建的青藏高原中东部过去2485 年来温度变化幅度、速率、周期、原因及未来趋势, 发现研究区极端气候事件与全球同步出现, 如中世纪暖期、小冰期和20 世纪增温等. 历史上最大的温度变幅和速率都发生在“东晋事件”(343~425 AD)期间, 而非20 世纪后半期. 过去青藏高原中东部地区温度序列存在显著的1324, 800, 199, 110,2~3 a 的准周期 (P < 0.01), 其中, 1324, 199 和110 a 周期与太阳活动有关. 温度变化在很大程度上受控于太阳活动: 千年尺度周期决定了温度变化趋势长期走向, 百年尺度周期控制了温度变化幅度, 而太阳活动极小期对应冷期出现. 预估结果显示未来这一地区温度将下降, 到2068 AD 前后温度下降到谷底, 2068 AD 后再次升温.     

近期青藏高原长江源区急剧升温的冰芯证据

长江源区作为整个青藏高原20世纪以来增温幅度较大的地区之一得到了普遍的关注. 通过对2005年在各拉丹冬峰北部果曲冰川平坦的粒雪盆(33.58°N, 91.18°E, 5720 m a.s.l.)钻取的1支冰芯多参数的定年, 获得了长江源地区近70 a来大气降水中δ¹⁸O的历史记录. 利用各拉丹冬冰芯δ¹⁸O与该区域气象台站夏季气温(7~9月)之间显著的正相关性, 恢复了近70 a来各拉丹冬地区夏季气温的变化历史: 1940s气温较低, 1950s~1960s中期气温较高, 1970s中期气温下降到近70 a来的最低值, 1980s仍然处在一个低温期, 而1990s以来气温急剧升高的趋势延续到了21世纪初期. 各拉丹冬冰芯恢复的气温记录在1970s以来的增温率(0.5℃/10 a)要明显的高于各拉丹冬地区和北半球, 而1990s以来的增温率(1.1℃/10 a)约为1970s以来的2倍, 表明近期的增温有加速趋势且高海拔区域对全球变暖的响应更为敏感.     

近百年中国气温变化中的不确定性估计

利用均一化的中国近百年气温观测数据,结合英国East Anglia大学气候研究中心(CRU)的CRUTEM3气温数据集中中国周边国家长序列资料对20世纪前50年资料进行了补充,研制了中国及周边地区近百年逐月5°×5°气温网格数据集,并综合系统考虑了该气温数据集中存在的3类误差(台站误差、抽样误差和偏差误差)导致的不确定性水平,重新构建了近百年全国气温变化序列,并给出了各种不确定性水平,得出了近百年中国气温变化的最新估计.基于上述数据集系统性地对中国近100年地表气温变化趋势进行了重新估计.结果显示:1900～2006年中国气温变化速度为(0.09±0.017)℃/10a;冬季最大,为(0.14±0.021)℃/10a;夏季最小为(0.04±0.017)℃/10a;春季为(0.11±0.021)℃/10a;秋季为(0.07±0.017)℃/10a.近50年(1954～2006年)气温增暖趋势约为(0.26±0.032)℃/10a,近30年(1979～2006年)增暖趋势为(0.45±0.13)℃/10a,气温增暖速率呈明显加剧趋势,值得引起注意.从地理分布上来看,东北、西北和华北地区的增暖幅度最为明显,而西南、华南地区增暖幅度最小,这种变化在近100,50和30年具有较好的一致性.     

青藏公路沿线多年冻土区活动层动态变化及区域差异特征

利用青藏高原多年冻土区10个活动层观测场建立以来到2010年的监测资料,构建了青藏公路沿线多年冻土区活动层平均厚度的估算模型,分析了多年冻土区活动层近期的动态变化及区域差异特征.结果表明,研究区活动层厚度30年来以1.33cm/a的速率增大,多年冻土上限温度、50cm土壤温度及5cm土壤积温均呈现出升高的趋势.土壤热通量以0.1Wm-2/a的速率增大,为高原多年冻土区活动层厚度增大和温度升高提供了依据.活动层开始融化日期提前,开始冻结日期推后,融化日数增加,速率达1.18d/a.活动层动态变化特征与多年冻土类型、海拔高度、下垫面类型和土壤组分密切相关.低温多年冻土区较高温多年冻土区变化明显、高海拔地区较低海拔地区变化明显、高寒草甸地区较高寒草原地区变化明显,细粒土较粗颗粒土变化明显.     

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.     

青藏高原工程走廊3个监测点多年冻土温度序列重建

连续、长时间序列的多年冻土温度数据在开展气候变化对多年冻土的影响及其生态、水文效应研究中有着重要的科学意义.本文利用西大滩、五道梁、唐古拉3个观测点的实测地温数据首先对多年冻土模型及其参数化方案进行了验证、优化和标校,以实测数据和经过校正的CMIP6逐月5 cm地表土壤温度数据作为模型的驱动数据,模拟了3个观测点1900～2019年多年冻土地温变化,并对1920年以后的模拟温度变化序列进行分析.结果表明:(1)多年冻土模型对处于地温年变化深度以下地温的模拟误差低于0.1°C,表明模型对于多年冻土的热状态具有较好的模拟能力;(2) 1920～2019年西大滩、五道梁、唐古拉各模拟深度的年平均温度均呈现升温趋势,年地温变化(15 m)处的平均升温速率为0.07°C/10 a(0.05～0.09),不同深度岩土层的热状态对气候变化具有不同的响应时间,深层地温对气候变化的响应相较于浅层有20年左右的滞后;(3)多年冻土上限下降速率相差不大,平均为0.6 cm/a;多年冻土下限的上升速率分别为13.4、4.0和4.0 cm/a;多年冻土厚度分别减少13.9、4.6、4.7 m;(4) 3个观测点...     

150 年来若尔盖泥炭沉积支链四醚膜类脂及古环境重建

环化指数(CBT)/甲基化指数(MBT)是近年来根据支链四醚膜类脂(GDGTs)提出的定量化重建土壤pH 和陆地年平均大气温度(MAAT)的生物标志物指标. 本文通过对高寒若尔盖草原泥炭柱状样中GDGTs 含量的测定, 利用CBT/MBT 指标定量化重建了其近150 年来的泥炭pH和MAAT 的变化. 近150 年来四川若尔盖草原泥炭pH 和MAAT 大致经历了3 个变化阶段:1851~1927 年pH 基本没有变化, MAAT 缓慢降低1℃; 1927~1979 年pH 快速降低0.6, MAAT大幅降低2.5℃; 自1979 年以来pH 和MAAT 大幅升高0.8 和5℃. 计算温度与当地气象站记录的近45 年来年平均温度具有相似的升温趋势和平均值, 并且近150 年来计算的MAAT 和在该地区利用树木年轮计算的温度具有相似的变化趋势, 表明泥炭沉积中GDGTs 相关指标在高分辨重建陆地古环境的适用性和应用潜力.     

千年气候模拟与中国东部温度重建序列的比较研究

利用全球海气耦合气候模式ECHO-G进行的1000年长时间积分气候模拟试验与中国东部区域温度重建资料作对比, 以验证ECHO-G模拟中国区域气候的能力, 并探讨近千年来中国区域气候变化的原因. 重建资料是中国东部地区(25°~40°N, 105°E 以东)1000年来分辨率为30年的冬半年温度距平变化序列. 模拟试验以随时间变化的有效太阳辐射、CO₂浓度和CH₄浓度场为外强迫, 从1000年开始积分至1990年. 结果表明: 重建和模拟结果的相关系数为0.37, 置信度为97.5%. 模拟和重建结果均反映出了1000~1300年的中世纪暖期、1300~1850年的小冰期和1900年之后的升温期. 对于1300~1850年的小冰期和1900年之后的升温期, 模拟和重建的正负距平基本一致, 尤其是1670~1710年Maunder太阳黑子最小期时, 模拟和重建值都达到了温度低谷, 且无位相差异. 但对1000~1300年的中世纪暖期, 模拟与重建资料存在显著差异, 这与重建资料质量降低有关. 模拟的变幅(1.62 K)略小于重建值(2.0 K),但两者具有较好的可比性. 模拟结果的诊断分析表明, 在1000年尺度上, 太阳辐射和火山活动是控制全球和区域温度变化的主要因子, 而在最近百年尺度上, 温室气体含量的变化对快速增温起着更为重要的作用.     

华北地区对流层臭氧长期变化趋势及影响因子分析

利用1979~2013年卫星对流层臭氧遥感数据序列,分析华北地区对流层臭氧的长期变化趋势,考察各主要影响因子和对流层顶高度变化对臭氧变化的影响作用.过去30多年来,华北地区对流层臭氧长期变化趋势在不同季节差异很大:夏季对流层臭氧呈现快速增长趋势,增长率为1.28 DU/10 a;冬季表现出下降趋势,下降率为1.46 DU/10 a;在春季和秋季表现出波动性下降趋势.对流层臭氧夏季含量最高,一般在50 DU上下,春季平均值大约40 DU,秋季平均值35 DU左右,冬季含量最小一般在26 DU左右.对华北地区对流层臭氧分布变化产生显著影响的因子主要有太阳周期(Solar),厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和准两年振荡(QBO).其中,Solar的影响幅度可达到5~6 DU,ENSO影响作用1~2 DU,QBO影响一般小于1 DU.对流层顶高度在年内不同季节存在显著周期变化,与对流层臭氧变化紧密相关,相关系数R=0.826,表明对流层顶高度年周期变化对对流层臭氧产生重要影响.从年代际时间尺度上,对流层顶高度不存在显著性变化趋势,对对流层臭氧变化趋势影响不大.     

全球平均温度在21世纪将怎样变化?

采用HadCRUT3全球平均温度距平序列和北太平洋海温年代际涛动(PDO)指数及赤道中东太平洋海温距平序列,探讨了全球温度变化中的长期趋势和多时间尺度周期性波动.研究发现,过去159年(1850～2008年)的增暖速率是每100年0.44℃,其间叠加了1910年前后和1950～1970年前后的两次冷期,以及19世纪70年代、20世纪40年代和1998年以来的3次10年际暖期.器测的全球温度变化中存在准21a和准65a的周期性波动并受百年尺度波动的影响.最近的10年际暖期是这3个周期性波动正位相叠加的结果,形成了器测温度以来的首次叠加现象.3个周期性波动叠加的最大增温是0.26℃,时间发生在2004年.准21a和准65a的周期性波动反映了太阳辐射和海洋变化的影响.根据这一长期趋势和3个周期性波动,能够预测21世纪30年代会出现一个冷期,而在21世纪60年代出现一个暖期.21世纪的最大增暖幅度在0.6℃附近,远小于IPCC报告的预估.     

青藏高原冰芯积累量的近期变化

研究结果表明: 喜马拉雅山中段(珠穆朗玛峰东绒布冰川和远东绒布冰川, 希夏邦马峰达索普冰川)的冰芯积累量自20世纪50年代以来急剧减小, 与北半球低纬地区(5°~35°N)和印度降水的变化趋势一致; 而青藏高原中部和北部地区(唐古拉山小冬克玛底冰川, 西昆仑古里雅冰帽和祁连山敦德冰帽)的冰芯积累量在相同时段内有增加的趋势, 与北半球中、高纬地区(35°~70°N)降水变化趋势一致.相比而言, 冰芯积累量变化幅度更为显著, 表明高海拔地区对气候变化的异常敏感性.20世纪60年代北半球气候系统和亚非夏季风系统的突变可能是造成青藏高原冰芯积累量变化的原因.     

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.     

中国陆域近地层风能资源的气候变异和下垫面人为改变的影响

研究在全球变暖的气候背景下, 我国近地层风能蕴藏的气候变化以及下垫面人为改变对其气候变化的影响, 将有助于我国风电发展的长期规划和风能资源的合理开发. 利用代表性较好的全国600多个地面站的40 a的常规风速观测资料, 以及NCEP/NCAR 1960~1999年的10 m高程的40 a的再分析资料, 根据Kalnay和Cai在诊断和估算下垫面人为改变对地面气温变化贡献的研究方法, 通过分析比较由地面器测观测资料和NCEP/NCAR再分析资料风能密度十年变化趋势之差异, 提出了由于下垫面的人为改变所引起的我国陆域风能蕴藏长期变化的量级估计. 分析结果表明: 近40 a来, 我国年平均风速序列保持整体上减弱的气候变化趋势, 并且逐年降低的现象在中国陆域普遍存在; 由于下垫面人为改变的影响, 导致了我国近地层风能密度以减弱的十年变化趋势为主, 并且使得我国区域平均的风能密度的十年变化趋势值达-3.84 W·m^-2/10 a, 接近人为因素与自然因素共同影响引起的风能密度的十年减弱趋势值(-4.51 W·m^-2/10 a).     

中国与北半球中高纬小雨事件的时空变化特征

基于站点逐日降水实测资料、英国气象局哈德莱中心(Hadley)的逐月高层探空气温资料和海表面温度资料、英国东英吉利大学气候研究中心(CRU)的逐月地面气温资料和NCEP/NCAR逐月再分析资料, 本文分析了1961～2010年夏半年和冬半年中国和北半球中高纬小雨事件的时空变化特征及其与大气层结稳定度、海表面温度和环流的关系. 对中国小雨事件的长期趋势分析的结果表明, 夏半年和冬半年东部小雨事件减少(3.0%/10 a), 西北地区小雨事件夏半年无明显的变化趋势, 而冬半年有增加的趋势(4.1%/10 a). 经验正交函数分解的结果表明, 夏半年和冬半年北半球中高纬小雨事件的前两模态的时间系数主要表现为长时间尺度的变化特征. 夏半年和冬半年第一模态主要表现为近50 a北美大陆、南欧和中国西北地区(夏半年除外)小雨事件有长期增加的趋势, 欧亚大陆大部分地区(包括中欧、东欧、北亚和中国东部)有长期减少的趋势. 夏半年的第二模态主要表现为1961至20世纪80年代早期北美大陆、 南欧和中国南方小雨事件增加, 而45°N以北的欧亚大陆大部分地区小雨事件减少, 20世纪80年代后期至2010年变化趋势逆转. 冬半年的第二模态主要表现为1961至20世纪80年代早期北美大陆、中国南方和华北小雨事件增加, 而40°N以北的欧亚大陆小雨事件减少, 20世纪80年代后期至2009年变化趋势逆转. 线性回归和相关分析的结果表明, 第一模态可能与全球增暖相联系的大气层结稳定度的长期变化趋势有关, 第二模态可能与AMO有关.     

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.     

青藏高原冰芯积累量的近期变化

研究结果表明:喜马拉雅山中段（珠穆朗玛峰东绒布冰川和远东绒布冰川,希夏邦马峰达索普冰川）的冰芯积累量自20世纪50年代以来急剧减小,与北半球低纬地区（5°～35°N）和印度降水的变化趋势一致;而青藏高原中部和北部地区（唐古拉山小冬克玛底冰川,西昆仑古里雅冰帽和祁连山敦德冰帽）的冰芯积累量在相同时段内有增加的趋势,与北半球中、高纬地区（35°～70°N）降水变化趋势一致.相比而言,冰芯积累量变化幅度更为显著,表明高海拔地区对气候变化的异常敏感性.20世纪60年代北半球气候系统和亚非夏季风系统的突变可能是造成青藏高原冰芯积累量变化的原因.     

红原泥炭纤维素氧同位素指示的距今6 ka温度变化

红原泥炭原同位素指示的距今6ka温度变化，其总体趋势与金川温度变化及敦德温度变化一致，与格陵兰冰芯记录的温度变化趋势也相似，具体的气候事件具有明显的全球一致性，距今6ka温度变化存在两个明显的“转折点”：即距今4ka左右气温由低温变为高温，距今1．5ka左右气温由高温变为低温，功率谱分析发现红原泥炭氧同位素序列包含1220－1087，752，444，325，213，127－123，88和79a这样的周期，分析表明红原地区气候驱动因子可能主要是太阳活动，同时海洋活动信号也通过海气耦合传递给季风，再由季风携带到红原地区。