极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响

近年来,极端气候事件发生频率增加,对陆地生态系统服务功能和人类社会生产生活造成严重影响.碳循环是驱动陆地生态系统变化的关键过程.准确理解和评估极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响,能为人类社会减缓和适应气候变化提供重要科学依据.文章以干旱、极端降水、极端高温和极端低温为例,系统总结了极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响及其机理.已有研究表明,干旱是当前陆地生态系统碳汇功能的重要胁迫因子,对生态系统生产力和呼吸都存在压制作用,但生产力对干旱的敏感性一般高于呼吸对干旱的敏感性,从而导致陆地生态系统碳汇功能显著削弱,甚至使之变成碳源.不同模型对干旱导致的碳循环变化模拟结果差异很大,显示目前学术界对生态系统碳循环响应干旱机制的认知有限,尤其是干旱对热带植被生长的影响机制仍存在较大争议.极端降水事件对生态系统碳循环的影响存在显著区域差异,一般认为,极端降水促进干旱地区生态系统碳积累,却不利于湿润地区生态系统固碳;但目前对极端降水导致的土壤碳侧向输移和土壤养分流失等间接影响过程的了解十分有限,致使结果存在很大不确定性.极端高温和极端低温也通过不同的机制过程影响生态系统碳循环,尤其值得注意的是其影响程度与这些事件的发生时间存在密切关系,但这一联系还有待进一步研究.基于已有认识,建议未来关于极端气候事件对碳循环影响的研究重点应该是关注其长期效应和不同时间尺度上的作用机理,并加强基于多数据、多途径的多尺度集成研究.     

区域气候动力降尺度方法研究综述

传统意义上的动力降尺度是指利用全球模式的模拟结果直接驱动区域模式,从而获得高分辨率气候信息的方法.由于该方法具有坚实的物理基础并可以获得全套气候变化信息,已经成为获取未来区域高分辨率气候信息的重要手段之一.然而,由于受模式系统误差的影响,传统动力降尺度的模拟结果往往会出现较大的偏差,这又在一定程度上限制了该方法在气候变化影响评估中的应用.为了提高动力降尺度的效果,近年来国内外发展了一系列改进的动力降尺度方法.目前的动力降尺度方法大体可分为四类:传统的动力降尺度方法、伪全球增暖方法、考虑全球模式误差订正的动力降尺度方法以及同时考虑全球模式和区域模式误差订正的动力降尺度方法.文章归纳总结了近年来动力降尺度方法的主要研究进展,分析了不同方法的优点和不足,阐述了动力降尺度研究面临的问题与挑战,最后提出了未来动力降尺度方法研究的潜在发展方向.     

梯级筑坝对黑河水质时空分布特征的影响

为探究梯级大坝建设对河流水质变化规律的影响,将黑河上中游划分为坝上河段、坝下河段及自然河段,于2017年12月-2018年8月选取了24个主要控制断面进行水质调查,并采用多元统计的方法对比分析了不同时空尺度上的水质分布特征.结果表明:黑河上中游水质时空变化的主要影响因子为水温(WT)、pH值、溶解氧(DO)、电导率(EC)、总氮(TN)、总磷(TP)和五日生化需氧量(BOD_5).空间尺度上,WT、EC、BOD_5、高锰酸盐指数(CODMn)、TN等指标具有显著性差异,其中坝上河段受BOD_5、CODMn影响较大,自然河段WT、EC和TN为关键指标,而各个因子对坝下河段水质影响较小.时间尺度上,WT、EC、BOD_5、氨氮与季节变化存在明显相关性,是不同河段水质时间变化的控制因子,且大多数水质因子在非汛期变化最明显.降水、温度、水文条件等季节性影响因素和梯级水库联合运用模式是该区域水质时间差异的主要原因;空间差异主要受祁连、张掖地区外源性污染物排放以及筑坝环境下水动力条件改变而产生的沉积滞留效应和沿程累积效应影响.研究表明,外源性污染源依然是导致水质变差的主要因素,梯级筑坝则是导致水质变差的间接因素.因此控制该区域人类活动所造成的外源性污染源,并针对不同种类污染物的季节变化特征实施合理的水库运行方式是改善水电梯级开发河段水质状况的关键.     

近两百年来龙感湖营养演化及其控制因子研究

通过龙感湖过去200年钻孔沉积物总磷浓度、由化石硅藻及硅藻-总磷转换函数定量重建的湖水总磷浓度、近50年气象观测的温度和降水资料、气候模拟的近200年来的温度和降水序列、以及近50年来龙感湖地区农用磷肥施用量资料, 分析了近200年来龙感湖营养态演化的特点和规律, 揭示了气候因素、人类活动因素及水生生物因素对龙感湖营养态演化的影响和机理. 结果发现 在近200年中, 龙感湖沉积物总磷浓度逐渐增加, 其变化范围介于330~580 mg/kg之间, 平均值为388 mg/kg, 至1950年前后有近30年的振荡调整期. 湖水总磷浓度的变化则大不相同, 在1950年之前, 湖水总磷浓度在波动变化中存在缓慢增加的趋势, 到1950年前后达到平均值(52.18 ?g/l), 并在平均值上下振荡调整, 然后湖水总磷浓度快速降低, 其变化介于37.75~62.33 ?g/l之间. 分析表明, 在世纪尺度上, 气候变化是控制龙感湖营养状态变化的主要因素; 而在最近50年的年代际尺度上, 人类活动是龙感湖营养状态变化的主导因素. 1950年以来, 人类活动对沉积物总磷和湖水总磷变率的贡献已分别占到60%和57%. 沉积物和湖水中磷浓度的不同变化反映湖泊生态系统对湖泊营养水平的响应过程和调节能力, 表现为藻类-水生植物之间平衡关系的维持与破坏, 以及磷的蓄积特点.     

高温高压实验和硅酸盐地幔中的水

硅酸盐地幔中的水是影响地球的气候、宜居性、地球化学演化、地球物理学性质和地球动力学过程等的重要因素之一,也是近20年来国际地球科学研究中的热点和前沿方向.高温高压实验是了解硅酸盐地幔中水的种类、分布、储量和效应等的强有力手段.近年来通过高温高压实验,人们对硅酸盐地幔中水的多种物理、化学和动力学性质及其影响取得了一系列显赫进展,极大地丰富了人们对时间和空间尺度上地球水循环(尤其是深部地球水循环)的认识.本文就硅酸盐地幔中水的研究现状和一些主要认识进行简要评述(偏重于高温高压实验相关的成果),主要包括硅酸盐地幔中水的起源、含量和分布以及水对硅酸盐地幔一些物理-化学性质的影响等方面.     

中国湖泊水域中磷形态转化及其潜在生态效应研究动态

通过对黑河下游天鹅湖-2孔湖泊沉积柱状岩芯的多环境指标的分析,同时参照相关的历史文献记录,提取了其中包含的气候变化和人类活动信息．根据天鹅湖-2孔湖泊沉积记录,将天鹅湖在近200年的湖泊演化分为七个阶段,影响湖泊演化各个阶段的主导因素各不相同,包括气候变化与人类活动,正是这两者的共同作用导致了天鹅湖及其周围地区的环境变化．湖泊沉积记录的环境演化主要受气候冷暖干湿变化的控制,而人类活动在特定时段对湖泊环境演变产生明显影响．     

基于模拟土壤湿度的中国干旱检测及多时间尺度特征

土壤干旱能够引起土壤-植被-大气系统的物质和能量循环异常,对生态环境和天气气候具有重要的影响,土壤干旱的检测和特征认识,有助于理解陆气相互作用及其评估和减缓影响.本文以观测气候资料驱动陆面模式CLM3.5模拟中国区域的土壤湿度,引入土壤孔隙度参数校正土壤湿度模拟的湿偏差,并检测了历史土壤干旱,分析不同时间尺度干旱的空间分布和变化趋势:1951~2008年40%的月份发生了月尺度的干旱,平均影响面积占我国陆地总面积的54.6%;年内干旱月数的变化呈干旱区显著减少,半干旱、半湿润区显著增加趋势,而湿润区减少但趋势不显著.1951~2008年月尺度干旱呈减少和增加趋势的面积之比为77.3%,总体上中国呈干旱加剧的趋势;平均来看月尺度干旱冬季影响范围最广,夏季最小,分别影响了我国54.3%和8.4%的陆地总面积.持续3个月以上的干旱主要发生在半干旱和半湿润区,发生概率51.7%,部分地区甚至77.6%;持续6和12个月以上的干旱主要发生在半干旱和干旱区,概率较小.     

黄土高原中部450ka以来植被演化的有机碳同位素与分子化石记录

黄土高原地质历史时期不同时间尺度上的植被演化规律与气候环境影响因素,以及植被替代性指标的解译等问题还值得进一步研究.本工作拟通过对灵台黄土剖面450ka以来黄土-古土壤样品总有机碳同位素(δ~(13)CTOC)和正构烷烃含量组合参数如C31/C27进行综合对比研究,从而为明晰这些问题提供一些新的讨论和证据.结果表明,450ka以来黄土高原中部C_3、C_4植物混生,以C_3植物为主;按生活型则草本、木本混生,以草本植物为主.在黄土高原气候较温暖湿润的MIS9(S3时期),MIS5(S1时期)阶段,可能出现过C_3木本植物的短暂增多,但总体上不存在大面积的森林.在阶段性变化上,黄土高原130ka以来草本植物总体增多,可能与区域性气候干旱化有关.在轨道尺度上,全新世较末次冰期,MIS11(S4时期)较MIS12(L5时期)C_3草本植物减少;在其他几个冰期旋回,间冰期较相应冰期C_3草本植物增多.植被替代性指标与建群种蒿属孢粉量的变化吻合较好,其变化可能与冰期旋回上水热配置有关.MIS1(S0时期)与MIS11(S4时期)气候相似,但全新世时期松属乔木的大量增多,暗示了人类活动和生态因子火活动的影响.     

末次盛冰期以来中国南方C_3/C_4植被时空演化及影响机制

当前中国南方C_3/C_4植被演化的研究开展得较少,且C_3/C_4植被演化的主要影响机制也不明确.这有碍于全面了解不同气候环境下C_3和C_4植物竞争机制及其与气候要素的关系,也不利于评估未来气候变化对区域C_3/C_4植被的影响.事实上,区域尺度C_3/C_4植被变化对全球碳循环和农业生产有着重要的影响.由此可见,重建中国南方地区C_3/C_4植被的演化历史并理清气候变化对其影响机制显得尤为重要.文章选取了长江以南地区的湛江湖光岩玛珥湖、泸沽湖、星云湖、鄱阳湖、龙感湖、白马湖、东钱湖和梵净山九龙池等8个湖泊以及定南、南屯、袍烈和铭爱村等4个泥炭沉积记录系统地开展了高碳数正构烷烃稳定碳同位素(δ~(13)C)分析,重建了末次盛冰期以来南方地区C_3/C_4植被的时空演化,并结合已有的古气候记录试图探讨影响研究区C_4植物丰度变化的气候要素.湛江湖光岩玛珥湖、星云湖和泸沽湖3个钻孔岩芯和定南泥炭样品的高碳数(C_(27)～C_(33))正构烷烃δ~(13)C均值的集成结果表明:从末次盛冰期至全新世早期C_4植物比例呈逐渐增加趋势,从21%升高到34%,而到全新世中期C_4植物比例显著降低,最低达到10%.在空间上,末次盛冰期和全新世早期C_4植物丰度总体上呈现由南向北逐渐降低的趋势,而在全新世大暖期则出现相反的空间变化趋势,这体现了C_4植物空间分布由温度调控转变为降雨调控的结果.该研究表明在中国南方温度是C_4植物分布的主控因素,而在温度条件合适时降雨的增多会降低C_4对C_3植物的竞争优势.因此,温度与降雨季节性分配的组合关系是决定C_3/C_4植被比例变化的重要气候要素.在未来温度升高降雨增多的前提下, C_4植物竞争优势的降低可能会对中国农业生产有所影响.     

国际湖沼学会2009年学术讨论会通知

淡水资源是人类最宝贵的资源,不仅是所有生命赖以生存的物质,也是决定社会经济发展的主要因素之一.随着全球人口的增加和社会经济的快速发展,淡水资源短缺的现象日益严重,而富营养化、有机物污染、生物入侵、土地利用变化等因素使淡水生态系统不断退化,进一步加剧了淡水资源的紧缺,甚至威胁到人类的健康与生存.同时,全球变化,尤其是气候变暖,不仅影响到降雨和淡水资源的分布,还影响到淡水生态系统和水环境的变迁,因此如何应对全球变化所带来的影响成为未来水环境保护与治理必须考虑的重要内容.     

青藏高原古里雅冰芯记录的轨道、亚轨道时间尺度的气候变化

研究了青藏高原冰芯与极地冰芯记录在轨道、亚轨道时间尺度上的气候变化特征及可能原因. 在青藏高原冰芯记录中, 轨道时间尺度上的气候变化基本超前于极地, 说明在以轨道变化驱动为起因的气候变化中, 青藏高原的变化(或反应)比极地来得更快. 太阳辐射变化是控制轨道时间尺度上的气候变化的主要因子. 但在亚轨道时间尺度上的许多气候变化, 青藏高原滞后于北极地区. 如Younger Dryas和Heinrich事件, 都是格陵兰冰芯记录的变冷早于古里雅冰芯记录. 可以认为, 这些亚轨道时间尺度上的气候变化可能受劳伦冰盖的影响. 因此, 冰盖对某些冰期气候内的亚轨道时间尺度上的气候变化具有决定性作用.     

MIS-3晚期以来乌伦古湖古湖相沉积记录的初步研究

通过对现代乌伦古湖附近出露的古湖相沉积剖面的AMS~(14)C测年,粒度、总有机碳、总有机氮以及碳酸盐等环境代用指标的分析及其与全新世钻孔沉积记录的对比研究,结果发现:乌伦古湖在MIS-3晚期的33600-22500 cal a BP以及冰后期至早中全新世的16500-6500 cal a BP期间,维持着湖相沉积环境,湖面约比现在湖面高40 m.33600-22500 cal a BP的MIS-3晚期,气候相对温暖,乌伦古湖呈现高湖面特征,湖泊沉积物来源以流水搬运为主;22500-16500 cal a BP的末次冰期冰盛期,气候寒冷干燥,湖泊沉积物来源以风力搬运为主;16500-6500 cal a BP的冰后期以及早、中全新世期间,气候回暖,湖泊沉积物主要来源于河流径流作用.6500-5500 cal a BP,受高温干旱事件的影响,湖面收缩、水位剧降,除沉积中心外的其它钻孔位置出现沉积中断.5500 cal a BP后气候转冷变湿,湖泊重新恢复到现在的状态.乌伦古湖MIS-3晚期以来的古湖相沉积环境变化及其反映的古气候万年尺度上的干湿变化与周边区域气候环境变化记录有很好的一致性,响应了区域环境变化和全球气候突变事件.季风和西风的强度消长变化及其引起的环流条件改变以及温度变化引起的蒸发效应可能是区域气候环境变化的主要原因.这一古湖相沉积记录的研究可为MIS-3晚期以来北疆地区的古湖泊演化以及长时间尺度上西风和季风环流相互关系及其影响区的气候环境演化提供地质证据.     

城市群落大气污染源影响的空间结构及尺度特征

以迅速发展的城市群落-北京及周边区域为样本, 利用2003年冬季(2月)、夏季(8月)北京城市大气环境现场科学试验(BECAPEX, Beijing City Air Pollution Observation Experiment)建筑群边界层大气污染动力-化学过程观测资料以及相关的气象要素、卫星反演气溶胶光学厚度等综合资料, 进行“点-面”空间结构动力-统计合成分析, 剖析北京大城市及周边区域大气污染影响域的空间结构及多尺度特征. 结果表明, 冬、夏季不同污染排放源对大气污染成分特征的贡献率具有显著差异, 统计模型主成分分析结果亦表明, 冬季气溶胶颗粒物成分结构以SO2和NOx影响为主; 夏季粒子成分结构则以CO, NOx影响为主. 冬、夏季北京城区不同方位测点近地层大气动力、热力结构及建筑群上边界各类污染物种均具有“同位相”变化及其“影响域”空间尺度特征. 功率谱分析发现冬、夏季颗粒物浓度和大气风场动力结构的周期谱相吻合, 冬季以长周期为主, 夏季则多为短周期, 揭示出冬、夏季大气环流季节性尺度特征对大气污染变化周期特征的影响效应. 分析城市区域热力非均匀性特征, 可发现北京地区热岛多尺度效应与高层建筑群面积非均匀扩展特征存在相关关系. 城市大气动力、热力特征空间结构中城市边界层群筑群湍流尺度特征对城市大气污染多尺度特征具有重要影响. 晴空、稳定天气条件下MODIS气溶胶变分订正分析场和污染源追踪相关合成风矢场综合分析模型均表明, 冬季北京大气污染气溶胶颗粒物的排放源可远距离追溯到北京南部周边的河北、山东及天津等地更大尺度空间范围, 气溶胶指数高值区与北京及周边地区居民户数高值区(采暖面源)空间分布存在关联. 冬、夏季空气质点后向轨迹特征呈类似上述多尺度特征, 且描述出不同季节污染源空间分布的尺度特征差异, 城区大气污染周边源轨迹路径主体来自城市近郊固定工业面源或采暖面源, 且冬季周边污染源扩散输送距离较夏季呈更远的空间尺度, 上述结论描述出城市区域大气污染源影响和大气动力结构引起的多尺度空间影响域及季节性特征. 冬季TOMS气溶胶光学厚度高值区域位于北京地区并向南延伸, 且呈南北向带状分布, 可描述出周边地形分布对区域尺度大气污染源扩散的动力影响效应. 研究分析表明: 北京周边大地形“谷地”内冬季污染程度与南部周边地区的污染排放源密切相关; 北京及周边地区冬季的气溶胶光学厚度和日照时数的“反位相”变化特征显著, 冬季云量、雾日数与气溶胶呈区域尺度相关特征, 反映了该区域尺度气溶胶影响的局地气候效应. 另外, 流域面尺度的大气干、湿沉降分布对密云水库区域尺度空间水体的影响分析亦反映了夏季水、土、气多圈层污染源影响多尺度空间结构对密云水库水质影响的可能性.     

基于改进U-Net的CMIP5全球气候模式降尺度方法及其在鄱阳湖流域的应用

利用降尺度方法对CMIP5全球气候模式进行空间降尺度并以此研究鄱阳湖流域未来气候时空变化趋势,能够为流域生态环境保护提供数据、技术和理论上的支持.通过简化原始网络结构,在网络首部添加插值层,采用反卷积算法作为上采样算法对传统U-Net网络进行改进,建立基于深度学习的气候模式空间降尺度模型(DLDM).以1965-200...     

亚洲和北美干湿变化及其与海表温度异常的关系

利用多通道奇异谱方法（MSSA）分析了1953~2003年亚洲和北美Palmer干旱指数（PDSI）与热带和北半球温带海洋海表面温度异常（SSTA）的主要周期振荡特征及其相互联系.结果表明：亚洲和北美PDSI以及SSTA均存在明显的3~6年的年际以及10年左右的年代尺度振荡;此外,亚洲PDSI还存在显著的6~8年的年际振荡.SSTA的年际振荡主要体现了ENSO的变化特征,而其年代尺度振荡的空间分布具有热带太平洋和北太平洋共同作用的类ENSO型.同时,MSSA的分析结果给出了亚洲和北美主要振荡信号的时间和空间演变特征.相关性分析表明,亚洲和北美PDSI的年际及年代尺度振荡均显示明显的对SSTA强迫信号的响应.对于年际振荡,亚洲PDSI对SSTA响应强于北美,但年代尺度振荡则反之.此外,亚洲和北美PDSI对于SSTA信号响应的关键区域也随时间尺度的不同而发生变化.亚洲的西西伯利亚、青藏高原东西两侧以及中西伯利亚东部在年际和年代尺度上均为受SSTA影响最显著的区域;在年际尺度上,北美中部地区的干湿变化与SSTA存在显著相关,而在年代尺度上,美国西部更易受SSTA年代尺度振荡的影响.     

2200年来我国瘟疫灾害的时空变化及其与生存环境的关系

1引言瘟疫灾害(简称疫灾)是指由病毒、细菌、寄生虫等引起的急性、烈性传染病大规模流行所导致的生物灾害,是人类面临的所有自然灾害中最顶级的灾害(龚胜生,2019).导致疫灾的病原体始终存在于自然界中,认识疫灾的时间演化和空间分布对人类社会防治疫灾具有重要参考价值.     

全球变化水文学:陆地水循环与全球变化

正1引言全球变化水文学是全球变化研究与水文学交叉的一门新兴前沿学科.全球变化水文学综合水文学、气候学和地理学,研究不同时间和空间尺度上陆地水循环与全球变化相互作用,其核心目标是理解陆地水循环演变的自然和人为因素及其影响与反馈.随着地球演化进入人类主导的新地质时代——"人类世",在气候变化、土地利用/覆盖变化、人类用水活动等因素影响下,陆地水循环系统正在发生快速变化,水文过程呈现非稳态特征,对水文学的更新与发展提出了新需求(Abbott等, 2019).在此背景下,全球变化水文学(Global Change Hydrology)应运而生,试图厘清水循环变化的自然波动和人类"印记",以更好地理解水循环变化,为水资源可持续管理服务.     

中国近五百年旱涝灾害与内乱关系的定量分析

众多的大数据定量研究证明了在历史时期,极端气候变化能造成中国社会不稳定.但是,已有的研究将温度和降水量作为主要解析变量,欠缺了旱涝灾害对社会动荡影响的大数据定量分析.同时,相关研究也没有分不同地理区域和不同时间尺度进行对比和深入探讨.为解决该问题,本研究对中国三个农业生态区(水稻种植区、小麦种植区和牧业区)开展定量分析,探究公元1470~1911年间中国旱涝灾害与内乱的对应关系.鉴于旱涝与内乱的对应可能是"非线性"和"非固定性"的,我们采用Poisson回归分析和小波一致性分析检测两者关系.结果表明,旱涝灾害诱发了中国历史时期的内乱,但区域差异显著.在水稻种植区,洪涝在年际和数十年际的时间尺度引发内乱;在小麦种植区,洪涝和干旱均在年际和数十年际的时间尺度引发内乱;牧业区的内乱只在数十年际尺度与洪涝相关.此外,在数十年际时间尺度,三个农业生态区的旱涝事件只在人口密度不断增加或处于相对区域承载力较高的水平时段内和内乱显著相关.本研究指出气候-战争的对应关系明显受地区因素如自然环境及人口压力影响,有鉴于此,在研究历史时期的人地关系时,应先把不同地区的数据分割,再以每个地区为单位进行独立分析,这要点有望被广泛应用于后续研究.     

2650年东亚-北印度洋热力差异与东亚夏季风变化

利用观测资料研究发现,东亚-北印度洋对流层热力差异指数（East Asian-North Indian Ocean index,IEANI）与东亚夏季风及相应的中国东部季风降水都具有密切的关系.当IEANI偏高（低）时,东亚中纬度夏季风偏强（弱）,华北地区降水偏多（少）,江南地区降水偏少（多）.为了研究东亚夏季风的长期变化特征,我们利用北京和澳大利亚塔斯曼尼亚地区的重建气温回归了BC665～AD1985年的IEANI.研究发现,在过去2000多年里,重建的IEANI总体上能够指示世纪尺度上的东亚夏季风变化和中国东部降水异常.重建的IEANI与中国东部降水的关系与现代气候所表现出来的关系非常相似,表明这种相关特征也出现在过去2000多年来的世纪尺度上.对于IEANI在更长时间尺度（数百至千年）上的变化特征及其与降水的关系,尚需利用更多类型的代用资料进一步验证.     

如何提高天气预报和气候预测的技巧？

从理论上探讨如何提高天气预报和气候预测的技巧.气候包括以小时为基本单位的昼夜循环、以日为基本单位的年(季节)循环、年代际循环和世纪循环等时间尺度的变化.这些气候变化存在确定的外强迫,是可以被认识和预报的.相对气候昼夜循环和年(季节)循环的偏差是天气尺度扰动.天气尺度的瞬变大气扰动可引发极端天气事件.有技巧的天气预报正是要通过天气尺度大气扰动信号,提前几天甚至十几天,预报出极端天气事件的发生.相对气候年代际和世纪循环的偏差是气候异常,有技巧的气候预测正是要预报出这种异常.距平天气图会大大提高短期和中期—延伸期天气预报的技巧,距平数值预报模式的研制也会加快提高中期—延伸期天气预报和气候预测的技巧.