21世纪北半球中高纬度净初级生产力(NPP)变化及其与气候因子之间的关系

基于CMIP5模式模拟的净初级生产力(NPP), 对21世纪初期(2016-2035年), 中期(2046-2065年)和末期(2080-2099年)三种排放情景下(RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5)北半球中高纬度陆地NPP的时空变化进行了预估, 并结合气候因子分析了NPP的变化和气温、降水、辐射之间的关系. 结果表明: 相对于1986-2005年, 21世纪北半球中高纬度陆地NPP呈增加趋势, RCP8.5情景下NPP的增加比RCP2.6和RCP4.5情景下更为明显; 在季节变化上, 北半球中高纬度NPP也以增加为主, 且NPP在夏季, 尤其是6月增加最显著. NPP对气候变化的响应存在明显的区域差异性, 在中低排放情景下(RCP2.6、RCP4.5), 相对于1986-2005年, 21世纪北半球中高纬度地区温度显著影响的范围在逐渐缩小, 而辐射和降水显著影响的范围在扩大. 在高排放情景下(RCP8.5), 21世纪北半球中高纬度地区NPP的变化主要与温度有关.     

全新世暖期鼎盛期与未来变暖情景下东亚夏季降水和气温变化对比

利用通用气候系统模式(Community Climate System Model,简称CCSM)全新世和21世纪气候模拟试验数据,对比分析了全新世暖期鼎盛期和RCP4.5(Representative Concentration Pathway 4.5,简称RCP4.5)未来变暖情景下东亚地区夏季地表气温和降水的空间分布特征,并探讨了两个暖期夏季气候变化的成因机制。结果表明:1)全新世东亚地区最暖的夏季出现在9 ka B.P.前后,这与地球轨道参数有关;2)RCP4.5温室气体排放情景下21世纪整个东亚地区的夏季平均地表气温均呈上升趋势,而在全新世暖期鼎盛期东亚地区的夏季地表气温呈现同心圆状分布;3)全新世暖期鼎盛期和未来变暖情景下东亚地区夏季降水的空间分布有明显差异,前者东亚地区的夏季降水呈现"南负北正"的偶极子分布形态,而后者呈三极子形势;前者东亚夏季降水的变化幅度明显强于后者;4)全新世暖期鼎盛期副高偏强,中国东部偏南气流较强;而在RCP4.5未来变暖情景下副高偏弱。     

气候变化情景下北江飞来峡水库极端入库洪水预估

以北江飞来峡水库上游为研究对象,构建了网格分辨率为0.25°×0.25°的VIC(Variable Infiltration Capacity)水文模型,应用CMIP5多模式输出的降尺度结果与VIC模型耦合,对RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下未来时期(2020-2050年)飞来峡水库的入库洪水进行预估,并根据IPCC第5次评估报告处理和表达不确定性的方法来描述预估结论的可信度。结果表明,2020-2050年飞来峡水库年最大洪峰流量和年最大7日、15日洪量在RCP2.6情景下"大约可能"呈增加趋势,在RCP4.5和RCP8.5情景下"较为可能"呈增加趋势,水库防洪安全风险增大。与历史时期(1970-2000年)相比,未来水库极端入库洪水增加的可能性从大到小依次为RCP4.5、RCP2.6和RCP8.5情景,其中设计洪水100年、50年和20年一遇的洪峰流量在3种排放情景下均呈上升趋势,100年、50年和20年一遇的最大7日、15日洪量在RCP4.5情景下以上升为主,而在RCP2.6和RCP8.5情景下则主要呈减少态势。     

CMIP5多模式集合对南亚印度河流域气候变化的模拟与预估

利用印度河流域CRU、APHRODITE和CMIP5多模式逐月气温、降水格点数据集, 评估了CMIP5模式集合对印度河流域气候变化的模拟能力; 对多模式集合数据进行了偏差订正, 并对流域2046-2065年和2081-2100年气候变化进行了预估. 结果表明: 气候模式对流域年平均气温时间变化和空间分布特征有着较强的模拟能力, 时间空间相关系数均达到了0.01的显著性水平, 尤其对夏季气温的模拟要优于其他季节; 模式对降水的季节性波动也有着较好的模拟能力. 偏差订正后的预估结果表明, RCP2.6、4.5、8.5情景下, 相对于基准期(1986-2005年), 21世纪中期(2046-2065年)和末期(2081-2100年)整个流域年平均气温都有一定上升, 且流域上游增幅较大; 除RCP4.5情景下21世纪中期流域有弱减少趋势外, 年降水量都将有一定增长. 未来夏季持续升温将引起源区冰川的进一步消融, 春季降水对于中高海拔地区水资源的贡献将减弱; 流域北部高海拔区域冬季降水的增加有助冰川累积和上游水资源的增加, 东部高海拔区域冬季降水的减少会减少上游水资源. 两时期夏季降水都有一定的增长, 洪涝的发生风险加大; 流域暖事件和强降水事件也将可能增多.     

CMIP5模式对长江和黄河流域极端气温指标的模拟与预估

为研究长江和黄河流域极端气温的变化特征,对耦合模式比较计划第5阶段22个大气环流模式数据进行精度评估、Delta降尺度并计算16个极端气温指标,采用可靠性集合平均方法对两流域历史和未来的极端气温进行预估.结果表明:除四川盆地外,两流域的观测值与REA(ensemble reliability average)值在空间上具有较好一致性;未来三个时期(2020s、2050s、2080s),典型浓度路径(Representative Concentration Pathways,RCP)4.5情景下指标变化趋势依次递减,RCP8.5情景下变化趋势逐渐递增;RCP4.5和RCP8.5情景下指标年际变化在21世纪40年代之前是相似的,但之后变化趋势差异增加;两流域的大多数指标呈现上升趋势,冬季趋势相较于其他季节更显著;两流域之间冷极端指标的差异大于暖极端指标.总的来说,两流域的暖极端事件将更加严重.      

基于GCM模型的塔里木河流域未来降水与气温变化规律研究

为研究塔里木河流域未来降水、气温变化,提出了GCM下RCP2. 6、RCP4. 5、RCP8. 5三种情景与分布式水文模型SWAT相对接的研究方案。采用气候模式输出的降水、气温等资料作为SWAT模型输入数据,分析未来2020-2050年流域降水、气温变化规律,结果表明:在RCP2. 6情景下,各子流域降水大多表现为增加趋势,在RCP4. 5情景下降水表现出减少趋势,在RCP8. 5情景下降水趋势性不明显;在不同RCP情景下,各子流域温度均呈现明显上升趋势,且升温情况随着RCP情景对应辐射强迫的增加而增加。研究结果为流域水资源规划和管理提供了重要参考。     

未来气候情景下天山西部山区融雪径流变化研究

基于三种不同模式的CMIP5气象数据,采用互信息法挑选预报因子结合RBF神经网络模型,预测不同排放情景(RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5)下未来气候变化下天山西部山区融雪径流的变化情况。对三种模式下不同排放情景预测出的未来径流量进行分析发现:(1)未来径流量在2020～2030年将持续上升,在2060年趋于稳定;未来径流量在非汛期有大幅度的增加而在汛期径流量减少;(2)通过灰色相关性分析找到未来不同模式不同情景下影响径流的主要相关因子,对各相关因子未来变化情况进行分析,发现径流在非汛期有大幅度的增加而在汛期径流量减少的主要原因是:非汛期的降水增加而蒸发减少或增加幅度不大;汛期降水减少而蒸发随气温升高导致汛期的径流量减少。     

未来气候变化背景下高温热害对中国水稻产量的可能影响分析

研究分析了RCP2.6和RCP8.5气候情景下2021—2050年我国水稻高温敏感期(孕穗期—乳熟期)高温事件的变化趋势(较基准时段1961—1990年),并利用1981—2009年水稻田间观测资料,明确了水稻高温减产的主导因子,构建了主导因子与水稻减产率之间的经验回归关系式,在此基础上预估了未来RCP2.6和RCP8.5气候情景下我国水稻发生高温热害的风险变化。结果表明:1RCP2.6和RCP8.5气候情景下2021—2050年,全国各水稻种植区,水稻高温事件均有增加趋势,高温日数(HSD)、高温积温(HDD)都呈现增加趋势,高温持续日数(CHD)有延长趋势,其中华南双季稻区、长江流域单季稻区和东北单季稻区的HSD和HDD的变化幅度较为明显。2中国水稻高温中心在1961—2000年主要集中于湖南北部,与湖北省交界处附近,2种情景下2021—2050年均出现了向东北方向移动的趋势。3除东北区外,我国其余水稻种植区,孕穗—乳熟阶段的日最高气温连续3 d超过35℃以上的有效积温HDD2是导致水稻减产的第一大要素,两者之间具有显著线性负相关关系;而东北区水稻产量更易受到孕穗—乳熟阶段的单日日最高气温超过32℃的有效积温SDD2的影响,且两者呈现出显著一元二次曲线关系。4与1961—1990年相比,2种气候情景下2021—2050年我国水稻发生高温热害的概率增加较大的地区,主要集中在长江流域单季稻区的湖北和安徽的大部分地区,华南双季稻区的广东、广西、海南省的大部分地区以及东北单季稻区的南部。     

气候变化下雅鲁藏布江拉孜以上流域径流过程模拟与预测

西部高寒河源区因冰川积雪冻土等特殊的地理环境,其径流过程的模拟与预测一直是水文学研究的难点和热点问题之一,全球气候变暖为这一地区的水文模拟提出了新的挑战。以雅鲁藏布江拉孜以上流域为研究区域,基于可考虑冰川积雪融水的SWAT分布式水文模型对拉孜站径流过程进行模拟,评估SWAT模型在高寒河源区的适用性。基于未来气候变化情景,统计分析了未来研究区降水、气温的变化趋势,预估了气候变化对区域径流过程的影响。结果表明:SWAT模型在拉孜以上流域径流过程模拟中具有较好的适用性,模型在率定期和验证期月尺度NS系数分别达到了0.78和0.84;未来研究区降水、气温均呈现出增加趋势,且随着排放情景的上升,气温、降水增加幅度有变大趋势;未来研究区不同时段径流量也呈现出不同的增加趋势,在2020～2049年的RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下,相较于基准期径流分别增加了约11.8%、14.0%、16.5%,为下游水资源可持续开发利用带来了更大的挑战。     

气候变化情景下北江流域骤发干旱特征变化预测

以北江流域为研究对象,利用VIC(Variable Infiltration Capacity)模型与CMIP5全球气候模式耦合构建了流域水循环模型,基于模型输出的蒸发和潜在蒸发数据,构建基于SESR指数的骤发干旱（简称骤旱）识别方法,评估2021—2050年三种排放情景下（RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5）骤旱特征（频次、历时、强度）相对于基准期（1971—2000）的变化及不确定性。结果表明,在RCP情景下：（1）流域呈持续增暖趋势,且排放情景越高升温幅度越大,降水、蒸发和潜在蒸发呈总体呈减小趋势,但潜在蒸发减小幅度小于蒸发;（2）骤旱频次在流域西部（东部）减少（增加）,且增幅随排放情景上升而增大（<80%）,流域东北部和南部预计会遭遇强度更高、历时更长的骤旱过程;（3）不同骤旱特征预测的不确定性差异较大,且均呈现出较强的空间异质性。     

藏北高寒牧区NPP的时空变化特征及2 ℃全球变暖背景下的预估

利用多源气象要素数据估算了1998 - 2016年的藏北高寒牧区植被净初级生产力（Net Primary Productivity, NPP）的变化特征并预估了其在2 ℃全球变暖背景下的变化趋势, 结果表明： 研究区域71.9%的NPP呈上升趋势, 仅中部部分区域有下降趋势; 平均NPP以每年0.54%速率增加, 同期气温和降水均呈增加趋势, NPP和气温在2007前后有显著增加趋势; 总体来说降水是影响NPP的最主要气候因子, 且随着纬度升高其影响越来越大, 气温对于NPP的影响从东南向西北依次递减, 在西北地区出现弱的负相关; 在2 ℃全球变暖大背景下, 分析得出IPCC“典型浓度路径”（Representative Concentration Pathways, 简称RCPs）三种温室气体排放情景下（RCP2.6、 RCP4.5、 RCP8.5）的NPP平均状态几乎没有变化, 其影响仅限于对研究区东南部的较高NPP有较小的改善作用, 其作用依次为\mathrm{高}\mathrm{浓}\mathrm{度}\mathrm{排}\mathrm{放}\approx \mathrm{中}\mathrm{浓}\mathrm{度}\mathrm{排}\mathrm{放}>\mathrm{低}\mathrm{浓}\mathrm{度}\mathrm{排}\mathrm{放}, 表明气候变暖对研究区NPP影响有限, 预估结果对认清高原地区气候变化下NPP时空变化特征有重要意义。     

Surface Air Temperature Projection Under 1.5 ℃ Warming Threshold Based on Corrected Pattern Scaling Technique

The global mean temperature during the recent decade (2007-2016) has increased above 1 ℃ relative to the pre-industrial period (1861-1890). The climate change and impact under 1.5 ℃ warming in the future have become a great concern in global society. Temperature projections, especially in regional scale, show great uncertainty depending on used climate models. Taking advantage of pattern scaling technique and observed temperature changes during 1951-2005, we tried to project the temperature changes globally under 1.5 ℃ threshold relative to current climate state, i.e. about 1 ℃ warming around 2007-2016. The projections of 21 climate models from the Coupled Model Intercomparison Project - Phase 5 under four Representative Concentration Pathways (RCP2.6, RC4.5, RCP6.0 and RCP8.5) were used to correct the assumptions in pattern scaling. Results showed that the geographical distribution and warming amplitude of surface air temperature changes under 1.5 ℃ threshold are similar in the four scenarios. Warming over most of the land would be above 0.6 ℃, 0.3 ℃ warmer than ocean. The Northern Hemisphere would be 0.2 ℃ warmer than the Southern Hemisphere. The temperature over China region will increase by 0.7 ℃. The warming in the Northern and Central China under RCP2.6 was obviously higher than that in the other scenarios. Ignoring the impact of correction method, uncertainty in temperature projection based on pattern scaling was much smaller than that in climate models, both in global and regional scales.     

Simulation and Projection of Climate Change in Qinling and Surrounding Areas with NEX-BCC Model

Based on NEX-BCC_CGM1.1 global daily statistics downscaling climate data set, the latest release by American National Aeronautics and Space Administration (NASA), which has representative concentration path, by using linear fitting and empirical orthogonal function (EOF) analysis methods, the simulation capacity on precipitation and temperature in Qinling and its surrounding areas of this data sets was estimated and the possible changes of the precipitation, daily maximum and minimum temperature in the next stage under the two scenarios of Rcp4.5 and Rcp8.5 were analyzed. Results showed that: ①The inter-annual trend of average daily precipitation, maximum temperature, minimum temperature is simulated well by NEX-BCC_CGM1.1. The spatial distribution was in accordance with the observations. The deficiency is that the elements value and extreme frequency have systemic bias compared with the observations. ②Average daily precipitation will have increasing trend in the future in Qinling and its surrounding areas under the two scenarios of Rcp4.5 and Rcp8.5. For different level precipitation frequency, light rains will reduce and rainstorms will increase in the future. The spatial modes of precipitation in the future are shown as the variation of the uniform increase in the whole region (EOF1) and anti-phase change in northern and southern Qinling (EOF2). EOF1 will be positive phase in medium-term in the Mid-21^st century, where there will be significantly more means precipitation. ③Under the two scenarios, temperature warming trend is obvious, daily maximum temperature increasing trend is greater than minimum temperature, and the amplitude of temperature increase under Rcp8.5 is higher than Rcp4.5. The frequency of daily maximum temperatures greater than 36 ℃ will increase and low temperature less than -15 ℃ will reduce in the future, at the same time, high temperature (low temperature) increase (decrease) rate is more pronounced under Rcp8.5. Average daily maximum and minimum temperatures are shown uniform warming in the whole region (EOF1) and anti-phase change in northern and southern Qinling under two scenarios, but the spatial distribution has great difference.     

近40a来江河源区生态环境变化的气候特征分析

利用月气象资料,对过去40a江河源气候变化特征进行分析,并与全球、全国、青藏高原进行了比较.结果表明:江河源区气温具有增暖趋势,近40a两地年平均气温分别增加约0.8℃和0.7℃,为高原异常变暖区.黄河源区变暖的主要特征是最低气温变暖,日照时数增加;最低、最高气温的显著变暖,以及较黄河源区增加更长的日照时数是长江源区变暖的主要特征.长江源区冬季变暖的作用不是主要的,春季、夏季和秋季的变暖作用比冬季还要大;黄河源区的变暖也并不主要是冬季变暖造成的,秋季变暖的作用与其相当,其它季节的变暖作用也不能忽视.近40a来江河源区降水量略有增加,主要体现在20世纪80年代中后期以来春季与冬季降水量的明显增加,夏季降水量虽然总体上没有明显变化,且局地夏季降水量呈持续减少趋势.与全球、全国以及高原区对比显示,江河源区对全球气候变暖的响应最敏感,变暖首先从长江源和整个高原发端,之后15a.黄河源和全国才进入显著温暖期.黄河源与长江源北部降水量的增加表明,气候变暖有利于高原增加降水量.     

Surface air temperature changes over the Tibetan Plateau: Historical evaluation and future projection based on CMIP6 models

With its amplification simultaneously emerging in cryospheric regions, especially in the Tibetan Plateau, global warming is undoubtedly occurring. In this study, we utilized 28 global climate models to assess model performance regarding surface air temperature over the Tibetan Plateau from 1961 to 2014, reported spatiotemporal variability in surface air temperature in the future under four scenarios (SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0, and SSP5-8.5), and further quantified the timing of warming levels (1.5, 2, and 3 °C) in the region. The results show that the multimodel ensemble means depicted the spatiotemporal patterns of surface air temperature for the past decades well, although with differences across individual models. The projected surface air temperature, by 2099, would warm by 1.9, 3.2, 5.2, and 6.3 °C relative to the reference period (1981–2010), with increasing rates of 0.11, 0.31, 0.53, and 0.70 °C/decade under the SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0, and SSP5-8.5 scenarios for the period 2015–2099, respectively. Compared with the preindustrial periods (1850–1900), the mean annual surface air temperature over the Tibetan Plateau has hit the 1.5 °C threshold and will break 2 °C in the next decade, but there is still a chance to limit the temperature below 3 °C in this century. Our study provides a new understanding of climate warming in high mountain areas and implies the urgent need to achieve carbon neutrality.     

中国西部寒区流域冰川水文调节功能研究

冰川作为固体水库以“削峰填谷”的形式显著调节径流丰枯变化,冰川的水文调节功能对于中国西北干旱区至关重要。使用现有VIC-CAS模型模拟得到中国西部寒区2014—2100年径流预估数据,从趋势和波动变化相结合的视角,基于径流变差系数法,构建了冰川水文调节指数（Glacier_R）,分析了9个寒区流域冰川径流变化的稳定性,详细剖析了历史时期（1971—2010年）和未来到21世纪末这些流域冰川水文调节功能的强弱变化。结果表明：历史时期及RCP2.6和RCP4.5情景下,除长江流域外,青藏高原其余流域的冰川径流减小时间节点为2020s,西北内陆河流域则为2010s。历史时期及RCP2.6和RCP4.5情景下至21世纪末,尽管西部寒区大部分流域的冰川径流呈减少趋势,但波动幅度减小或无明显变化,冰川径流稳定性增强或无变化。总体上,西北内陆河流域的冰川水文调节功能较高,青藏高原流域的冰川水文调节功能较低。RCP2.6和RCP4.5情景下,至21世纪末,西部寒区各流域冰川水文调节功能均呈现减弱趋势,西北内陆河流域减弱更加显著,如RCP4.5情景下,木扎提河冰川水文调节功能降幅达25.4%,而青藏高原各流域的冰川水文调节功能一直处于较低水平。从年代际变化来看,1970s—2010s是寒区流域冰川水文调节功能较强的时期,1980s和2000s两个时段冰川水文调节功能尤强;RCP2.6和RCP4.5情景下,未来到21世纪末,冰川调节功能明显减弱。减弱的时间节点不同,最早为1970s,最晚为2020s。     

大兴安岭区域未来气候变化趋势及其对湿地的影响

基于未来2种排放情景下的RCM-PRECIS输出的大兴安岭区域气温与降水量预测数据,采用Mann-Kendall(简称M-K)非参数检验法和线性倾向率法,分析大兴安岭区域2015-2050年气候变化趋势及其对湿地的影响.结果表明,在未来2种情景下,2015-2050年的年平均气温升高显著,A2情景的增温速率(0.54℃·(10a)^-1)高于B2情景(0.41℃·(10a)^-1),与东北地区增温速率(0.56℃·(10a)^-1)一致,B2情景增温速率低于东北地区增温速率;大兴安岭区域自2032年气温开始出现增暖突变现象,增温幅度显著增大.2种情景下季节平均气温的增温速率大小依次为夏季、冬季、春季和秋季,A2情景夏、冬、春、秋季分别为0.59、0.56、0.56、0.52℃·(10a)^-1,B2情景分别为0.48、0.47、0.42、0.37℃·(10a)^-1;各季突变增温时间点和增温趋势显著时段存在差异.2种情景下2015-2050年的年降水量有微弱的减少趋势,M-K检测基本无显著变化;季节降水总体而言,大兴安岭区域未来36a降水量仍以夏季为主,占全年降水量的60%左右;春季和秋季次之,各占全年降水量的18%~19%.未来大兴安岭区域气候呈现暖干化趋势,其中21世纪20、40年代大兴安岭湿地受到气候暖干化的胁迫相应较强,未来气候暖干化趋势是大兴安岭湿地生态系统萎缩和退化的主要诱因之一,未来大兴安岭湿地生态系统仍将受到气候暖干化趋势的巨大威胁,面临萎缩和严重退化趋势.