不同陆地生态系统碳通量对GEOS-Chem模型模拟全球CO2浓度的影响

大气中CO₂含量的增加速率已经超过了自然界所能吸收的速度,并逐步影响到全球气候变暖。利用模型模拟分析已经成为一个重要的工具用以深入对碳循环的理解。本文使用2008～2010年的生物模型SiB3（Simple Biosphere version 3）与优化后的CT2016（Carbon Tracker 2016）陆地生态系统碳通量驱动GEOS-Chem大气化学传输模型模拟全球CO₂浓度。通过分析模拟CO₂浓度的空间分布与季节变化,加深对全球碳源汇分布特点的理解,探究陆地生态系统碳通量不确定性对模拟结果的影响,进而认识陆地生态系统碳通量反演精度提升的重要性。SiB3与优化后的CT2016陆地生态系统碳通量都具有明显的季节变化,但在欧洲地区碳源汇的表现相反,其全球总量与空间分布也存在极大的不确定性。模拟CO₂浓度结果表明:在人为活动较少地区,陆地生态系统碳通量对近地面CO₂浓度空间分布起主导作用,尤其在南半球和欧洲地区模拟浓度有明显差异,且两种模拟结果的季节差异依赖于陆地生态系统碳通量的季节变化。将模拟结果与9个观测站点资料进行对比,以期选用合适的陆地生态系统碳通量来提升GEOS-Chem模拟CO₂浓度的精度。实验结果表明:两种模拟结果均能较好的模拟CO₂浓度的季节变化及其峰谷值,但CT2016模拟的CO₂浓度在多数站点处更接近观测资料,模拟准确性更高。     

长江三角洲地区净生态系统二氧化碳通量及浓度的数值模拟

净生态系统碳通量(NEE)的计算对于准确模拟区域碳通量和大气CO₂浓度的时空变化至关重要。本文利用中尺度大气-温室气体耦合模式WRF-GHG(Weather Research and Forecasting Model with Greenhouse Gases Module),对2010年7月28日至2010年8月2日期间影响长江三角洲地区大气CO₂浓度及时空分布的各种过程进行了详尽模拟。结果表明,植被光合呼吸模型(VPRM)能模拟不同植被下垫面NEE的日变化;WRF-GHG模拟的大气CO₂浓度日变化与观测相吻合,但低估了大气CO₂浓度5~15 ppm(ppm表示10-6),这可能与人为排放源的低估、VPRM参数的不确定性以及气象场模拟的不准确性有关。太湖和植被覆盖较好的地区如浙江北部山区是该地区的主要碳汇,而城市为CO₂的主要排放源。太湖和陆地生态系统对区域内碳循环起到一定的调节作用,减缓区域大气CO₂浓度的升高。此外,局地气象条件如湖陆风对太湖周边地区大气CO₂浓度有显著影响。     

CMIP6模式对亚洲陆地生态系统的模拟评估与预估

基于国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）模式模拟以及观测数据,评估了9个CMIP6模式对亚洲地区叶面积指数（LAI)、总初级生产力（GPP）和净初级生产力（NPP）的模拟性能。模拟评估结果表明,9个CMIP6模式能够较好地模拟出亚洲地区陆地生态系统LAI、GPP和NPP的时空分布特征。综合来看,多模式集合（MME）模拟效果最佳,其模拟的LAI、GPP和NPP与观测的空间相关系数分别达到0.90、0.81和0.89,均方根误差在0.5左右。在此基础上,利用MME结果进一步预估了亚洲地区陆地生态系统在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下的未来变化。总体而言,亚洲地区LAI、GPP和NPP到21世纪末都呈现上升趋势。其中,温室气体高排放情景下的上升趋势大于温室气体低排放情景下的上升趋势,亚洲中高纬度地区的增幅大于低纬度地区的增幅。从区域平均来看,到21世纪末期,与当今气候态相比,北亚LAI、GPP和NPP的增幅最大,其在SSP5-8.5情景下分别增加68%、106%和90%;东南亚增幅最小,分别为15%、34%和39%。在SSP1-2.6情景下,北亚LAI、GPP和NPP在21世纪末的增幅分别为23%、29%和26%;东南亚分别为3%、10%和11%,意味着未来全球变暖背景下亚洲区域陆地生态系统变绿和固碳幅度加强。     

基于CMIP6模式优化集合平均预估21世纪全球陆地生态系统总初级生产力变化

利用国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)中18个地球系统模式总初级生产力(GPP)模拟数据,基于传统的多模式集合平均(MME)和可靠集合平均方法(REA),在4个未来情景(SSP1-2.6,SSP2-4.5,SSP3-7.0和SSP5-8.5)下预估了21世纪全球陆地生态系统GPP的变化量,并分析了GPP变化的驱动因子。研究结果表明：在4个未来情景下,基于REA方法预估的全球陆地生态系统年GPP在未来时期(2068—2100年)比历史时期(1982—2014年)分别增长了(14.85±3.32)、(28.43±4.97)、(37.66±7.61)和(45.89±9.21)Pg C,其增量大小和不确定性都明显低于MME方法。在4个情景下,大气CO₂浓度增长对GPP变化的贡献最大,基于REA方法计算的贡献占比分别为140%、137%、115%和75%;除SSP5-8.5(24%)外,其他情景下升温均导致全球陆地生态系统GPP降低(-42%、-37%、-16%),部分抵消了CO₂施肥效应的正面贡献。温度的影响存在纬度差异：升温在低纬度地区对GPP有负向贡献,在中高纬度地区为正向贡献。降水和辐射变化对GPP变化的贡献相对较小。     

CMIP5模式对21世纪全球和中国年平均地表气温变化和2℃升温阈值的预估

基于参加国际耦合模式比较计划第5阶段（CMIP5）的29个全球气候模式开展的历史气候模拟和3种典型浓度路径（RCP2.6、RCP4.5、 RCP8.5）下21世纪气候预估的结果,分析了单个模式和多模式集合平均（MME）的21世纪全球与中国年平均地表气温（ASAT）变化特征及2℃升温阈值的出现时间。多模式集合平均的结果显示：全球和中国年平均地表气温均将继续升高,21世纪末的升温幅度随着辐射强迫的增大而增大。RCP2.6情景下,年平均地表气温增幅先升高后降低,全球（中国）年平均地表气温在2056年（2049年）达到升温峰值,21世纪末升温1.74℃（2.12℃）;RCP4.5情景下,年平均地表气温在21世纪前半叶逐渐升高,之后升温趋势减缓,21世纪后期趋于平稳,21世纪末全球（中国）年平均地表气温增幅为2.60℃（3.39℃）;RCP8.5情景下,21世纪年平均地表气温快速升高,21世纪末全球（中国）年平均地表气温增幅为4.75℃（6.55℃）。全球平均的年平均地表气温增幅,在RCP2.6情景下没有超过2℃,RCP4.5和RCP8.5情景下分别在2047和2038年达到2℃。RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下中国年平均地表气温增幅连续5 a不低于2℃的时间分别在2032、2033和2027年,明显早于全球平均。任一典型浓度路径情景下,达到2℃升温的时间,北半球同纬度地区早于南半球,同半球高纬度地区早于低纬度地区,同纬度地区陆地早于海洋。3种不同典型浓度路径情景下21世纪全球和中国年平均地表气温将继续升高这一结果是可信的,RCP4.5和RCP8.5情景下全球和中国年平均地表气温增幅超过2℃的结果模式之间有较高的一致性。多模式预估的全球和中国年平均地表气温升幅和不同幅度升温的出现时间均存在一定的不确定性,预估结果的不确定性随预估时间的延长而增大;相同情景下,中国年平均地表气温预估的不确定性大于全球。     

“一带一路”区域未来气候变化预估

利用耦合模式比较计划第5阶段(CMIP5)提供的18个全球气候模式的模拟结果,预估了3种典型浓度路径(RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5)下“一带一路”地区平均气候和极端气候的未来变化趋势。结果表明:在温室气体持续排放情景下,“一带一路”地区年平均气温在未来将会持续上升,升温幅度随温室气体浓度的增加而加大。在高温室气体排放情景(RCP8.5)下,到21世纪末期,平均气温将普遍升高5℃以上,其中北亚地区升幅最大,南亚和东南亚地区升幅最小。对于降水的变化,预估该区域大部分地区的年降水量将增加,其中西亚和北亚增加最为明显,而且在21世纪中期,RCP2.6情景下的增幅要比RCP4.5和RCP8.5情景下的偏大,而在21世纪后期,RCP8.5情景下降水的增幅比RCP2.6和RCP4.5情景下的偏大。未来极端温度也将呈升高的趋势,增温幅度高纬度地区大于低纬度地区、高排放情景大于低排放情景。而且在高纬度区域,极端低温的增暖幅度要大于极端高温的增幅。连续干旱日数在北亚和东亚总体呈现减少趋势,而在其他地区则呈增加趋势。极端强降水在“一带一路”区域总体上将增强,增强最明显的地区位于南亚、东南亚和东亚。     

不同代表性浓度路径情景下2045-2050年中国气溶胶分布变化的分析

基于来自于CMIP5中CESM模式的三种RCP情景下的气象场的降尺度模拟,应用区域空气质量模式系统RAMS-CMAQ模拟2045-2050年中国地区气溶胶浓度.三种RCP情景下气象场的降尺度模拟表明,与RCP2.6相比,在RCP4.5和RCP8.5下,华北和华南的近地表温度差减小,风速在华北和华南地区增加,在中部地区下降.RCP2.6情景下,模拟的2045年到2050年平均的PM 2.5浓度在华北平原,长三角的部分地区和四川盆地最高,约为40-50μg m-3,在中国中部和珠三角的部分地区约为30-40 μg m-3.与RCP2.6相比,在RCP4.5和RCP8.5下,PM2.5增加了4-12μgm-3,其中在RCP4.5和RCP8.5下,SO42-和NH4+的浓度增加,在RCP4.5下,NO3-浓度降低,在RCP8.5下,NO3-浓度升高,在RCP4.5和RCP8.5下,BC浓度变化很小,而OC浓度下降,其中在RCP8.5下,西南和东南部分地区的OC有所增加.不同的气溶胶物种浓度在RCP4.5和RCP2.6之间的差异以及RCP8.5和RCP2.6之间的差异具有相似的年度变化,这表明气候变化对不同物种的影响趋于一致.     

珠江三角洲地区大气CO2浓度特征及地面风的作用

利用光腔衰荡光谱(CRDS)技术在线观测了广州番禺大气成分站(GPACS)的大气CO₂浓度特征,分析了地面风对CO₂的作用。结果表明：(1)大气CO₂在珠江三角洲地区存在明显的地域不均匀特征,2014—2016年期间GPACS的年均本底浓度比全球背景地区平均增加了22.5×10^-6(22.5 ppm);(2)大气CO₂浓度在春季最高,冬、秋季次之,夏季最低,年均值为426.64±15.76 ppm;(3) CO₂的日变化为双峰结构,峰值分别在05:00—07:00和21:00—22:00,谷值在13:00—15:00,表明受到了自然过程以及人为排放源的复合影响;(4)风场显著影响CO₂的浓度分布,春、夏季CO₂浓度距平日变化与地面风速为显著负相关,秋、冬季则为显著正相关。在春、夏季,S-WSW和NNE-N风向上CO₂浓度较低,在秋、冬季,SSE-S和N方向均导致CO₂浓...     

一个地球系统模式模拟的气候变化对海洋碳循环的影响

使用维多利亚大学的地球系统模式进行模拟,选取1800-2500年间较高的CO₂浓度情景（RCP8.5）,分析由于CO₂增加引起的气候变化对海洋碳循环的影响。当气候敏感度为3.0 K时,相对于无气候变化,到2100年,由于大气CO₂增加造成的气候变化导致海表面温度升高2.7 K,北大西洋深水流量减少4.5 Sv,海洋对人为碳的年吸收减少0.8 Pg C;比较人为溶解无机碳在海洋中的垂直累积分布,发现气候变化对海洋吸收大气CO₂的影响在北大西洋区域最明显。1800-2500年,相对于不考虑气候变化的情景,模式模拟的气候变化导致整个海洋对人为碳的累积吸收总量减少23.1%,其中北大西洋减少32.0%。此外,比较不同气候敏感度（0～4.5 K,间隔为0.5 K）的模拟结果发现,气候敏感度越高,气候变化对海洋吸收CO₂能力的抑制作用越明显。     

IPCC AR6报告解读：气候系统对二氧化碳移除响应

IPCC AR6报告中控温1.5℃和2℃的低排放情景需要在21世纪中叶以后实现净负CO₂排放,这需要在很大程度上依赖CO₂移除措施。AR6对CO₂移除的主要评估结论如下：CO₂移除有潜力从大气中去除CO₂（高信度);如果CO₂移除量超过CO₂排放量,将实现净负CO₂排放,降低大气CO₂浓度,减缓海洋酸化（高信度);通过CO₂移除方法从大气中去除的CO₂会部分被海洋和陆地释放的CO₂抵消（非常高信度);如果净负CO₂排放可以实现并且持续,CO₂引起的全球升温趋势将会逐渐扭转,但是气候系统的其他变化（例如海平面升高）仍会在未来的几十年到千年尺度上持续（高信度);不同CO₂移除方法会对生物化学循环和气候产生广泛的影响,这些影响会加强或减弱CO₂移除的降温潜力,并且影响水资源、食物生产和生物多样性（高信度）。     

Climate change in the 21st century simulated by HadGEM2-AO under representative concentration pathways

We present climate responses of Representative Concentration Pathways (RCPs) using the coupled climate model HadGEM2-AO for the Coupled Model Intercomparison Project phase 5 (CMIP5). The RCPs are selected as standard scenarios for the IPCC Fifth Assessment Report and these scenarios include time paths for emissions and concentrations of greenhouse gas and aerosols and land-use/land cover. The global average warming and precipitation increases for the last 20 years of the 21st century relative to the period 1986-2005 are +1.1°C/+2.1% for RCP2.6, +2.4°C/+4.0% for RCP4.5, +2.5°C/+3.3% for RCP6.0 and +4.1°C/+4.6% for RCP8.5, respectively. The climate response on RCP 2.6 scenario meets the UN Copenhagen Accord to limit global warming within two degrees at the end of 21st century, the mitigation effect is about 3°C between RCP2.6 and RCP8.5. The projected precipitation changes over the 21st century are expected to increase in tropical regions and at high latitudes, and decrease in subtropical regions associated with projected poleward expansions of the Hadley cell. Total soil moisture change is projected to decrease in northern hemisphere high latitudes and increase in central Africa and Asia whereas near-surface soil moisture tends to decrease in most areas according to the warming and evaporation increase. The trend and magnitude of future climate extremes are also projected to increase in proportion to radiative forcing of RCPs. For RCP 8.5, at the end of the summer season the Arctic is projected to be free of sea ice.     

利用区域气候模式预估未来登陆中国热带气旋活动

鉴于热带气旋（TC）对我国沿海地区的影响,研究全球变暖背景下未来登陆我国TC活动的变化,对于我国沿海地区的防灾减灾具有重要意义。基于CMIP5中全球气候模式HadGEM2-ES数据,文中利用区域气候模式RegCM4开展了历史时期和3种情景（RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5）下未来东亚区域气候的动力降尺度模拟,检验了模式对历史登陆我国TC活动及其相关大尺度环境场的模拟能力,并预估了3种情景下2030—2039年、2050—2059年和2089—2098年,登陆我国TC的路径、强度和频率的变化特征。结果表明：模式能合理地再现东亚区域历史时期（1986—2005年）大气环流场的空间结构以及登陆我国TC的特征;在3种情景下未来登陆我国TC的平均强度和数量均有不同程度的增加,尤其是台风及以上级别TC的总数明显增加,其中RCP8.5情景最突出,到21世纪末期（2089—2098年）登陆我国TC的平均强度、台风及以上级别TC总数的年平均值较历史时期将分别增加7.56%和1.05个;不同情景下未来登陆我国TC的路径均有不同程度的北移趋势,且全球升温的幅度越大,北移趋势越明显,这可能与未来中国近海显著变暖和垂直风切变减弱有关。未来我国沿海地区尤其是中高纬度很可能将面临日益严峻的TC灾害风险,亟需尽快开展防灾减灾及对策研究。     

Future changes of the terrestrial ecosystem based on a dynamic vegetation model driven with RCP8.5 climate projections from 19 GCMs

Future changes of terrestrial ecosystems due to changes in atmospheric CO₂ concentration and climate are subject to a large degree of uncertainty, especially for vegetation in the Tropics. Here, we evaluate the natural vegetation response to projected future changes using an improved version of a dynamic vegetation model (CLM-CN-DV) driven with climate change projections from 19 global climate models participating in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5). The simulated equilibrium vegetation distribution under historical climate (1981–2000) has been compared with that under the projected future climate (2081–2100) scenario for Representative Concentration Pathway 8.5 (RCP8.5) to qualitatively assess how natural potential vegetation might change in the future. With one outlier excluded, the ensemble average of vegetation changes corresponding to climates of 18 GCMs shows a poleward shift of forests in northern Eurasia and North America, which is consistent with findings from previous studies. It also shows a general “upgrade” of vegetation type in the Tropics and most of the temperate zones, in the form of deciduous trees and shrubs taking over C3 grass in Europe and broadleaf deciduous trees taking over C4 grasses in Central Africa and the Amazon. LAI and NPP are projected to increase in the high latitudes, southeastern Asia, southeastern North America, and Central Africa. This results from CO₂ fertilization, enhanced water use efficiency, and in the extra-tropics warming. However, both LAI and NPP are projected to decrease in the Amazon due to drought. The competing impacts of climate change and CO₂ fertilization lead to large uncertainties in the projection of future vegetation changes in the Tropics.     

Global and regional evolution of short-lived radiatively-active gases and aerosols in the Representative Concentration Pathways

In this paper, we discuss the results of 2000?C2100 simulations following the emissions associated with the Representative Concentration Pathways (RCPs) with a chemistry-climate model, focusing on the changes in 1) atmospheric composition (troposphere and stratosphere) and 2) associated environmental parameters (such as nitrogen deposition). In particular, we find that tropospheric ozone is projected to decrease (RCP2.6, RCP4.5 and RCP6) or increase (RCP8.5) between 2000 and 2100, with variations in methane a strong contributor to this spread. The associated tropospheric ozone global radiative forcing is shown to be in agreement with the estimate used in the RCPs, except for RCP8.5. Surface ozone in 2100 is projected to change little compared from its 2000 distribution, a much-reduced impact from previous projections based on the A2 high-emission scenario. In addition, globally-averaged stratospheric ozone is projected to recover at or beyond pre-1980 levels. Anthropogenic aerosols are projected to strongly decrease in the 21st century, a reflection of their projected decrease in emissions. Consequently, sulfate deposition is projected to strongly decrease. However, nitrogen deposition is projected to increase over certain regions because of the projected increase in NH₃ emissions.     

1981—2019年全球陆地生态系统碳通量变化特征及其驱动因子

陆地生态系统碳汇显著降低大气CO₂浓度上升和全球变暖的速率,受人类活动和气候变化的影响,陆地生态系统碳通量具有强烈的时空变化,其估算结果仍存在较大的不确定性,不同因子的贡献尚不清晰。为此,利用遥感驱动的陆地生态系统过程模型BEPS模拟分析了1981—2019年全球陆地生态系统碳通量的时空变化特征,评价了大气CO₂浓度、叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）、氮沉降、气候变化对全球陆地生态系统碳收支变化的贡献。1981—2019年全球陆地生态系统总初级生产力（Gross Primary Productivity,GPP）、净初级生产力（Net Primary Productivity,NPP）和净生态系统生产力（Net Ecosystem Productivity,NEP）的平均值分别为115.3、51.3和2.7 Pg·a^-1（以碳质量计,下同）,上升速率分别为0.47、0.21和0.06 Pg·a^-1。全球大部分区域GPP和NPP显著增加,NEP显著上升（p<0.05）的区域明显少于GPP和NPP。1981—2019年,全球NEP累积为105.2 Pg,森林、稀树草原及灌木、农田和草地的贡献分别为76.4、15.8、9.4和3.6 Pg。CO₂浓度、LAI、氮沉降和气候变化各自对NEP的累积贡献分别为58.4、20.6、0.7和-43.6 Pg,全部4个因子变化对NEP的累积贡献为39.8 Pg,其中CO₂浓度上升是近40 a全球陆地生态系统NEP上升的主要贡献因子,其次为LAI。     

The Potential Response of Terrestrial Carbon Storage to Changes in Climate and Atmospheric CO2

We use a georeferenced model of ecosystem carbon dynamics to explore the sensitivity of global terrestrial carbon storage to changes in atmospheric CO₂ and climate. We model changes in ecosystem carbon density, but we do not model shifts in vegetation type. A model of annual NPP is coupled with a model of carbon allocation in vegetation and a model of decomposition and soil carbon dynamics. NPP is a function of climate and atmospheric CO₂ concentration. The CO₂ response is derived from a biochemical model of photosynthesis. With no change in climate, a doubling of atmospheric CO₂ from 280 ppm to 560 ppm enhances equilibrium global NPP by 16.9%; equilibrium global terrestrial ecosystem carbon (TEC) increases by 14.9%. Simulations with no change in atmospheric CO₂ concentration but changes in climate from five atmospheric general circulation models yield increases in global NPP of 10.0–14.8%. The changes in NPP are very nearly balanced by changes in decomposition, and the resulting changes in TEC range from an increase of 1.1% to a decrease of 1.1%. These results are similar to those from analyses using bioclimatic biome models that simulate shifts in ecosystem distribution but do not model changes in carbon density within vegetation types. With changes in both climate and a doubling of atmospheric CO₂, our model generates increases in NPP of 30.2–36.5%. The increases in NPP and litter inputs to the soil more than compensate for any climate stimulation of decomposition and lead to increases in global TEC of 15.4–18.2%.     

Projections of the advance in the start of the growing season during the 21st century based on CMIP5 simulations

It is well-known that global warming due to anthropogenic atmospheric greenhouse effects advanced the start of the vegetation growing season(SOS) across the globe during the 20 th century. Projections of further changes in the SOS for the 21 st century under certain emissions scenarios(Representative Concentration Pathways, RCPs) are useful for improving understanding of the consequences of global warming. In this study, we first evaluate a linear relationship between the SOS(defined using the normalized difference vegetation index) and the April temperature for most land areas of the Northern Hemisphere for 1982–2008. Based on this relationship and the ensemble projection of April temperature under RCPs from the latest state-of-the-art global coupled climate models, we show the possible changes in the SOS for most of the land areas of the Northern Hemisphere during the 21 st century. By around 2040–59, the SOS will have advanced by-4.7 days under RCP2.6,-8.4 days under RCP4.5, and-10.1 days under RCP8.5, relative to 1985–2004. By 2080–99, it will have advanced by-4.3 days under RCP2.6,-11.3 days under RCP4.5, and-21.6 days under RCP8.5. The geographic pattern of SOS advance is considerably dependent on that of the temperature sensitivity of the SOS. The larger the temperature sensitivity,the larger the date-shift-rate of the SOS.