东亚地区陆地植被净初级生产力与夏季气候的模拟

利用中国科学院大气物理研究所(IAP)一个海洋-大气-动态植被耦合模式(GOALS-AVIM),进行了100年模拟积分.基于模拟结果,对东亚地区的植被净初级生产力(NPP)、降水、地面气温和短波辐射的季节变化进行了标准化对比,分析了NPP的时空格局与气候因子(气温、短波辐射和降水)的关系;利用奇异值分解(SVD)对东亚夏季降水场和NPP的关系进行分解.结果表明,夏季东亚地区植被NPP及相关气候因子的时空变化规律明显,耦合模式可以很好地模拟出观测存在的降水及NPP、LAI(叶面积指数)大值区随季节北移南退的形态;由于耦合模式中AVIM的双向特点,模式模拟的NPP与其他物理场的季节变化有很强的对应关系,而且在不同时间和地区,NPP与降水、地面气温、短波辐射表现出不同的对应关系,其中植被NPP时间变化与气温和降水的相关性都较高;从NPP场和降水场夏季逐月标准化距平奇异值分解的空间分布模态来看.NPP与降水在时空场上表现出很强的耦合性,NPP的空间格局与降水存在较好的相关性,不同地理位置的相关性强弱不同,分解出的降水场异常相关模态也再现了东亚夏季降水移动的时空特征,同时东亚雨带随季节变化与NPP的气候变率表现出不同的对应模态.     

年际时间尺度上全球植被与大气相互作用的诊断分析

利用NOAA AVHRR得到的19年（1982～2000）全球月平均的叶面积指数（LAI）与ERA40近地面气温和CMAP降水进行时滞相关分析,并研究了LAI的年际变化对后期温度、降水的反馈作用。结果表明,大部分地区LAI与同期气温的相关性更好,30°N以北（以南）基本上为正（负）相关。LAI滞后一个月时,北半球中低纬度和20°S以南大部地区LAI与降水的正相关更强;而在北半球中纬度大陆东部和南半球热带地区,LAI与前一个月温度的关系更密切。LAI与温度的相关性在春、秋季最明显,LAI与降水的关系在雨季最密切。LAI对气温比较显著的正反馈主要分布在北半球中高纬度地区;20°S以南大部地区为比较显著的负反馈。LAI对降水比较显著的正反馈分散在北美大陆西北部、东欧平原南部、欧亚大陆东北部和热带沿海地区。中高纬度（尤其是北半球）大部分地区LAI 对气温、降水反馈部分的解释方差达到总方差的20%以上。     

气候变化及其未来情景

论述了百余年来气候变化的事实及对未来情景的预估。1861年以来,全球平均温度升高了0.6±0.2℃。20世纪90年代是20世纪最暖的10a。近百年来,降水分布也发生了变化,大陆地区尤其是中高纬地区降水增加,非洲等一些地区降水减少。气候模式模拟表明:全球平均地表气温到2100年时将比1990年上升1.4￣5.8℃。21世纪全球平均降水将会增加,但大部分年平均降水增加的区域很可能同时出现大的年际变化。全球平均海平面到2100年时将比1990年上升0.09￣0.88m。北半球雪盖和海冰范围将进一步缩小。未来,若干极端事件发生的频率会增加。     

1948～2001年全球陆地12～2月降水旱涝长期变化

本文利用1948～2001全球陆地月降水资料(PREC／L)，研究了全球、北、南半球及欧亚、非洲、澳洲、北美、南美和南极大陆6个大尺度区域12～2月的降水趋势变化及早涝气候变化。结果表明：全球、南、北半球的12～2月的陆面降水有明显的年代际变化，全球12～2月降水量从1975年开始有明显的下降趋势，回归系数约为-0．017mm／a。北半球有明显的降水减少，约为-0．028mm／a，南半球12～2月降水表现为极微弱的下降趋势，且在统计上是不显著的。划分出了全球、南北半球、全球6个大尺度区域12～2月旱涝年，指出全球及北、南半球12～2月的旱涝有明显的年代际变化。70年代中期以前是全球洪涝多发期，80年代到90年代为全球干旱多发期。北半球旱涝特征与全球特征相近，南、北半球12～2月的旱涝没有明显的联系。12～2月大尺度区域中：欧亚大陆、北美洲、南极大陆旱涝年的分布有明显的年代际特征，并指出全球大部分地区的旱涝年降水量有显著的差异。6个大尺度区域12～2月的降水相关关系中，欧亚大陆和非洲大陆的相关系数最高，为-0．35，北美大陆与欧亚大陆，南美洲和澳洲的12～2月降水也有较高的相关关系。     

2000年以来中国区域植被变化及其对气候变化的响应

气候是植被变化的主要驱动因子,研究全球增暖背景下中国区域植被变化及其对气候的响应对于国家开展重大生态恢复评估和未来植被保护政策制定具有重要意义。利用2000-2016年MODIS植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)数据集,运用统计分析方法,从平均态、线性趋势、时间序列、相关性等方面系统分析了2000年以来中国区域植被变化及其对气候变化的响应。结果表明:中国区域NDVI在平均态上呈现从东南向西北递减的空间分布,受降水生长季的影响,东部地区植被指数明显较大;我国大部分地区NDVI呈现增加的趋势,其中湿润半湿润地区NDVI增长幅度为0.037·(10a)^-1,而在干旱半干旱地区变化较小[0.013·(10a)^-1]。NDVI的变化与气候驱动因素的相关性存在一定的区域差异,其中:NDVI与气温变化在东南沿海、东北东部以及青藏高原北部等地区呈现出显著正相关,而在青藏高原南部等地区呈现微弱的负相关;除青藏高原、塔里木盆地和东北北部等地区外,NDVI与降水量在全国大多数地区呈正相关。从全国平均来看,温度和降水变化对NDVI的贡献分别为7.5%和9.1%,其中温度对NDVI变化的贡献主要体现在湿润半湿润地区(9.3%),而降水的贡献则在干旱半干旱地区(12.2%)。植被变化对气候要素驱动的响应也呈现出明显的区域差异性,在我国东南沿海、云贵高原东部、四川盆地等南方地区以及黄河中下游、东北东部等部分地区,NDVI变化对气温的敏感性最强;而在中国北方干旱半干旱大部分地区,NDVI变化则是对降水驱动具有很显著的响应特征。总体而言,气温是驱动南方地区植被变化的主导因子,而降水则调控着北方地区植被生长变化。     

2005—2015年广东省森林生态系统净初级生产力时空变化特征

基于MODIS的森林植被净初级生产力(NPP)数据,辅以气候和土地利用数据,利用GIS和统计分析方法,探讨了2005—2015年广东省森林植被NPP的时空特征。结果表明:1)时间趋势上,2005—2015年广东省森林植被年NPP均值以及年NPP总量总体上均呈现波动上升的趋势。2)空间分布上,2005—2015年广东省森林植被NPP存在空间异质性。年NPP均值最大值为潮州市,最低的地区是中山市和湛江市。3)空间趋势上,广东省森林植被NPP有15.93%为无显著变化区域,显著上升和显著下降区域分别为63.45%和20.62%;2005—2015年广东省森林植被NPP呈显著下降的区域主要分布广东省北部地区的清远市、韶关市、河源市、梅州市以及零星分布在南部的湛江市,NPP呈显著上升的区域主要分布在广东省的中南部地区茂名市、阳江市、云浮市等。4)气温和降水对森林植被NPP均值的影响呈现明显的空间分异特征。     

CMIP5模式对未来升温情景下全球陆地生态系统净初级生产力变化的预估

针对《巴黎协定》提出的温控目标,利用耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）模式在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下的模拟结果,初步分析了全球升温情景下陆地生态系统净初级生产力（NPP）相对于参考时段（1986—2005年）的变化,重点分析了1.5℃和2℃升温时NPP相对于参考时段的变化量,并探讨了大气CO₂浓度、气温、降水和辐射的变化及其对NPP变化的影响。CMIP5基于各典型浓度路径模拟的全球陆地生态系统NPP均呈增加趋势,且NPP增加量与升温幅度成正比。在相同的升温幅度下,基于各典型浓度路径模拟的各环境因子和NPP的变化量较为一致。陆地生态系统NPP总量增加主要由大气CO₂浓度上升驱动,其他环境因子的影响相对较弱。中国东南部、非洲中部、美国东南部和亚马孙雨林西部地区NPP增加最明显。NPP变化量的空间格局主要由大气CO₂浓度增加和升温控制,降水和辐射的影响相对较小。具体而言,大气CO₂浓度上升对中低纬度的NPP变化贡献最大,对北方高纬度地区NPP变化贡献较小。温度上升有利于促进北方高纬度地区和青藏高原地区NPP,但对中低纬度地区的NPP有较强的抑制作用。鉴于既有典型浓度路径和地球系统模型的限制,本文对未来升温情景下陆地生态系统NPP的预估仍存在较大的不确定性,需要在未来的研究中进一步改进。     

1981-2008年中国陆地植被NPP对气候变化响应的敏感性试验

在验证CENTURY模型对中国陆地植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)模拟能力的基础上,利用该模型探讨了1981-2008年中国陆地植被NPP的年际变异和变化趋势对CO₂浓度、温度和降水变化的响应。结果表明,中国陆地植被NPP对不同气候因子的响应程度存在明显不同。其中,CO₂浓度变化对植被NPP年际变异的影响不显著,但能够引起中国大部分地区植被NPP趋势系数增大;温度对中国中高纬度地区植被NPP的年际变化影响显著,但就全国范围而言,植被NPP年际变异对温度变化的响应程度总体低于对降水变化的响应程度;降水变化是对中国植被NPP变化趋势起主导作用的气候因子。此外,综合考虑温度和降水变化的影响发现,植被NPP变化趋势的响应特征类似于降水单独变化时植被NPP变化趋势的响应特征。     

北半球绕极涡的变异及其与我国气候异常的关系

本文利用近50 a大气再分析资料和中国站点观测资料,通过定义绕极涡的总体面积指数,分析了北半球绕极涡的变异特征及其与我国气候异常的关系,通过考虑绕极涡的局地变异和利用SVD分析方法揭示了绕极涡的局地变异与我国气候变异的关系。结果表明:北半球绕极涡的总体面积变异表现为一致性的扩张或收缩变化特征,近50 a来其总体面积具有收缩的趋势,这与全球增暖尤其是极区增暖有密切关系;叠加在这种趋势之上的既有年际变化又有年代际变化,主要周期大约是3~5 a和8~12 a。因此,研究绕极涡与我国气候的相关时分时间尺度来考虑更合理。北半球绕极涡的总体面积变异与我国气候异常的关系主要体现在年代际时间尺度上,当北半球绕极涡总体一致性收缩时,冬季我国大部分地区的气温都会随之变高,而降水偏多;夏季东北、华北、西南和华南地区气温偏高,降水偏少,而江淮流域气温偏低,降水偏多。反之亦然。北半球绕极涡的局地变异主要体现在西风带长波振幅的变异上,而其与我国气候异常的联系主要表现在年际时间尺度上,当东亚大槽减弱时,冬季我国中、东部大部分地区气温偏高,降水偏多;夏季江淮流域和四川盆地气温偏低,其它地区气温偏高,降水变化不明显。反之亦然。     

植被和大气CO2浓度变化对中国东部水资源环境影响的模拟研究

利用区域气候模式与全球气候模式嵌套,模拟了近百年来植被及CO2浓度变化对东亚区域气候及水资源环境的影响.结果表明,东亚许多地区产生了升温现象,但这种温度变化在地域上具有不均匀性,内蒙古、东北及华北增暖最为显著,而四川北部一些地区却存在降温现象;近百年来植被及CO2浓度变化使东亚一些地区呈现出干旱化的趋势,尤其以淮河流域、山东半岛及云南地区最为明显,但长江、黄河中游地区、江南及台湾地区存在降水增加的趋势,从而使缺水的华北地区的干旱化进一步加剧,而黄河中上游地区的干旱化有所缓解,同时长江流域洪涝灾害的发生频率有增加趋势.     

全球不同空间尺度陆地年降水的年代尺度变化特征

基于1951~2010年GPCC（Global Precipitation Climatology Centre）的逐月降水数据,利用集合经验模分解法（Ensemble Empirical Mode Decomposition,简称EEMD法）对全球、东西半球、五个大陆和四个典型干旱半干旱区等不同空间尺度年降水量的年代尺度特征进行了研究,区分了不同空间尺度上降水的年代际变化及其长期趋势。结果发现:（1）全球陆地平均降水既存在年代际的周期振荡,又存在长期变化的趋势,降水的年代际周期振荡的强度远大于降水的长期趋势,两者的共同作用使得全球陆地平均降水呈现以年代际周期振荡为主的特征。（2）在半球尺度,2000年以前,东、西半球具有明显相反的年代尺度变化特征,东半球变干（降水减少）,西半球变湿（降水增加）。（3）1951~2010年,欧亚大陆和非洲大陆与北美、南美和澳洲大陆的年代际振荡和趋势存在着一个近似反位相的关系;干旱化与干旱时段是完全不同的两个过程,两者所处的时段也不同;近10年（2001~2010年）全球五个大陆可能将进入一个相对湿润的时段。（4）四个典型干旱半干旱区降水的年代尺度变化具有明显的区域差异。总体来说,华北和北非与北美和中亚降水在长期趋势及年代际振荡上具有反位相的特征。华北和北非的年代际振荡具有近似的位相。在最近几十年,北美和中亚同处于湿润时段,但前者开始于1975年,后者开始于1985年。此外,中亚的第一个湿润时段（1959~1968年）却对应北美的干旱时段。     

近30年全球干旱半干旱区的蒸散变化特征

全球变暖加剧了气候系统能量和水分循环相互作用的变化,水分平衡变化导致极端旱涝事件频发。地表蒸散是能量水分循环的重要过程,是理解气候变化的关键环节。本文基于1982~2011年FLUXNET-MTE观测资料和ERA-Interim再分析资料,分析了全球干旱半干旱区蒸散的时空变化特征及典型区域的变幅、趋势和季节变化。结果表明:（1）干旱半干旱区多年平均蒸散量小于300 mm。冬季蒸散量最小,夏季最大且变率也最强。1990年代前后,干旱半干旱区蒸散发生了明显的年代际转变,暖季的年代际差异尤为明显。（2）近30年来,东半球干旱半干旱区蒸散量呈增加趋势,西半球呈减小趋势。典型区域来看,南非呈显著增加趋势[25.14 mm（10 a）-1],美国西南部呈显著减小趋势[-19.86 mm（10 a）-1];萨赫勒、中国北部和澳大利亚呈增加趋势,阿根廷及智利南部呈减小趋势。（3）蒸散变化与温度、降水的变化联系密切,三者具有相似的年循环变化,但三者间相关性在干旱半干旱区具有显著的差异性。     

Net primary production of terrestrial ecosystems from 2000 to 2009

The CASA (Carnegie-Ames-Stanford) ecosystem model has been used to estimate monthly carbon fluxes in terrestrial ecosystems from 2000 to 2009, with global data inputs from NASA??s Terra Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) vegetation cover mapping. Net primary production (NPP) flux for atmospheric carbon dioxide has varied slightly from year-to-year, but was predicted to have increased over short multi-year periods in the regions of the high-latitude Northern Hemisphere, South Asia, Central Africa, and the western Amazon since the year 2000. These CASA results for global NPP were found to be in contrast to other recently published modeling trends for terrestrial NPP with high sensitivity to regional drying patterns. Nonetheless, periodic declines in regional NPP were predicted by CASA for the southern and western Untied States, the southern Amazon, and southern and eastern Africa. NPP in tropical forest zones was examined in greater detail to discover lower annual production values than previously reported in many global models across the tropical rainforest zones, likely due to the enhanced detection of lower production ecosystems replacing primary rainforest.     

末次间冰期亚洲中部干旱区干湿变化的模拟研究

利用国际古气候模拟对比计划第四阶段的多模式结果,分析了末次间冰期亚洲中部干旱区的干湿变化及机制。多模式集合平均结果表明,末次间冰期亚洲中部干旱区年降水减少0.7％,其中中亚地区的年降水减少2.8％,新疆地区年降水增加1.8％。水汽收支方程表明,末次间冰期中亚地区在雨季（冬春季）的降水变化主要与垂直动力项有关,新疆地区在雨季（夏季）的降水变化主要与垂直动力与热力项有关。此外,基于Penman-Montieth方法计算的亚洲中部干旱区的干旱指数在末次间冰期减小约10.2％,表明末次间冰期亚洲中部干旱区气候明显变干且存在旱区扩张的现象,这主要受到潜在蒸散变化的调控。潜在蒸散的增加进一步受到有效能量增加与地面风速增大的调控。本研究从模拟的角度揭示了末次间冰期亚洲中部干旱区干湿变化的可能特征及机制,在一定程度上有助于理解旱区气候在增暖情景下对轨道参数的响应特征。     

Modeling Study of Aerosol Indirect Effects on Global Climate with an AGCM

Aerosol indirect effects (AIEs) on global climate were quantitatively investigated by introducing aerosol-cloud interaction parameterizations for water stratus clouds into an AGCM (BCC AGCM2.0.1), which was developed by the National Climate Center of the China Meteorological Administration. The study yielded a global annual mean of -1.14 W m-2 for the first indirect radiative forcing (IRF), with an obvious seasonal change. In summer, large forcing mainly occurred in mid to high latitudes of the Northern Hem...     

全球变暖背景下亚非典型干旱区降水变化及其与水汽输送的关系研究

分析比较了中蒙(35°N~50°N,75°E~105°E)、中亚(28°N~50°N,50°E~67°E)和北非(15°N~32°N,17°W~32°E)三个典型干旱区水汽输送特征的异同,及其1961~2010年间的降水时空变化,分析了水汽来源和输送变化及其可能原因。结果显示,由于受不同的气候系统影响,中蒙、北非和中亚干旱区的降水在年内变化上有着显著不同。中蒙和北非干旱区降水呈现夏季风降水的特征;而中亚干旱区降水则为更多受到冬季风的影响。1961~2010年,随着全球气温上升,中蒙干旱区冬季纬向水汽输送增加而经向输送减少,总水汽输送增加;中亚干旱区冬季纬向输送减少而经向增加,总水汽输送减少;北非干旱区冬季纬向输送增加而经向输送减少,总水汽输送增加。夏季中蒙和北非干旱区经向、纬向输送均减小,中亚干旱区夏季纬向输送减少而经向减少,总输送增加。相应的,中蒙干旱区年、冬季和夏季降水分别以4.2、1.3和1.0 mm/10 a的趋势增加;而中亚干旱区冬季(1.2 mm/10 a)和夏季(0.1 mm/10 a)降水增加,年降水则呈减少趋势(-0.8 mm/10 a);北非干旱区年降水和夏季降水分别以0.5 mm/10 a和0.1 mm/10 a的速率增加。冬季中蒙干旱区主要水汽来源是水汽经向输送,而中亚干旱区水汽主要为纬向输送,经纬向水汽均为净输出是北非干旱区降水极少的主要原因,平均总水汽输送量约为-9.48×104 kg/s。冬季低纬度和高纬度环流通过定常波影响干旱区冬季降水。中蒙和中亚干旱区冬季降水主要受西太平洋到印度洋由南向北的波列影响,北非干旱区冬季降水主要和北大西洋上空由北到南的波列相联系。各干旱区的降水对海温变化有着不同的响应:中蒙干旱区冬季降水与冬季太平洋西海岸和印度洋海温呈显著正相关,夏季与海温相关不显著;中亚干旱区与地中海和阿拉伯海温相关,且与阿拉伯海温为正相关。     

Global trends and patterns of drought from space

This paper analyzes changes in areas under droughts over the past three decades and alters our understanding of how amplitude and frequency of droughts differ in the Southern Hemisphere (SH) and Northern Hemisphere (NH). Unlike most previous global-scale studies that have been based on climate models, this study is based on satellite gauge-adjusted precipitation observations. Here, we show that droughts in terms of both amplitude and frequency are more variable over land in the SH than in the NH. The results reveal no significant trend in the areas under drought over land in the past three decades. However, after investigating land in the NH and the SH separately, the results exhibit a significant positive trend in the area under drought over land in the SH, while no significant trend is observed over land in the NH. We investigate the spatial patterns of the wetness and dryness over the past three decades, and we show that several regions, such as the southwestern United States, Texas, parts of the Amazon, the Horn of Africa, northern India, and parts of the Mediterranean region, exhibit a significant drying trend. The global trend maps indicate that central Africa, parts of southwest Asia (e.g., Thailand, Taiwan), Central America, northern Australia, and parts of eastern Europe show a wetting trend during the same time span. The results of this satellite-based study disagree with several model-based studies which indicate that droughts have been increasing over land. On the other hand, our findings concur with some of the observation-based studies.     

An assessment of monsoon precipitation changes during 1901�C2001

Changes of global land monsoon precipitation are assessed by using three sets of rain-gauge precipitation data for the period of 1901?C2002 compiled by GPCC, CRU and Dai-dataset, respectively. The three datasets show consistent long-term changes of precipitation over the monsoon region with slightly different amplitudes. During 1901?C2001, global land monsoon precipitation (GMI) exhibits multi-decadal variations, with an overall increasing trend from 1901 to 1955, followed by a decreasing trend up to 2001. The upward trends of global and Northern hemispheric land monsoon precipitation during 1901?C1955 are mainly resulted from the increased precipitation over the North African, Indian and East Asian monsoon domains. For the whole period of 1901?C2001, precipitation averaged over the Northern Hemisphere and global land monsoon areas both exhibit a decreasing trend although it is only statistically significant at the 5% level for the Northern Hemisphere. The robust decreasing trend of Northern hemispheric land monsoon precipitations during the twentieth century mainly comes from the downward trend of North African and eastern part of Indian monsoon precipitation and occurs mainly after the 1950s. The first leading mode of Empirical orthogonal function (EOF) analysis of precipitation annual range features a coherent change of North African, South Asian, Northeast China, southern South African, eastern Australian and western American monsoon, and a coherent change over the equatorial South African monsoon and eastern American monsoon. The corresponding principal component time series also indicate that the majority of global land monsoon precipitation has experienced an increasing tendency from 1901 to 1955 and a decreasing trend since the 1950s. Examination on the impact of station number change indicates a negligible influence on the results, especially after 1905.