区域气候模式对末次盛冰期东亚季风气候的模拟研究

末次盛冰期(LGM)是距今最近的一个与现代环境反差最大的气候时期. 利用包含较为详细陆面过程的区域气候模式, 通过分别加入现代植被和根据花粉化石资料转化的东亚地区LGM古植被, 模拟了LGM东亚季风气候并研究了植被变化对LGM东亚季风的影响. 由区域气候模拟得到的较为精细的气候演变图像表明: LGM东亚大陆全年降温是导致东亚冬季风强盛、夏季风萎缩的重要原因; 夏季西太平洋副热带高压的西伸、加强, 是造成中国东部LGM夏季降水减少的重要原因. LGM青藏高原及中亚地区的降水及有效降水均有所增加, 高原有效降水的增加主要由降水增加所造成, 地表蒸散对其贡献较小. LGM青藏高原的积雪也有所增加, 有利于高原地区的冰川、冻土发育, 使得该时期的多年冻土区可向南扩展到30°N以南. 在LGM模拟中加入恢复的古植被会放大由外强迫造成的气候影响, 对于模拟的降温、降水变化、地表热平衡量的变化、积雪及其他气候参量的变化都有进一步的强化作用, 使模拟结果与有关地质资料更为接近.     

MM5V3模式对IPCCA1B情景下中国地区极端事件的模拟和预估

利用MM5V3区域气候模式单向嵌套ECHAM5全球环流模式,对中国地区1978-2000年及IPCC A1B情景下2038-2070年气候分别进行了水平分辨率为50 km的模拟试验.文章首先检验了模式模拟的当代极端气候结果,在此基础上对6个极端温度指数和6个极端降水指数的未来变化进行了预估.检验结果表明:MM5V3模式对中国地区当代日最高、最低温度及强降水(大雨和暴雨)日数的空间分布和概率特征均具有一定的模拟能力,但模拟的日最高温度在大部分地区偏低,日最低温度在南方地区偏低、西北地区偏高.概率统计结果显示日最高温度向低值频段偏移,日最低温度在0℃的峰值附近明显偏高.模式对大雨和暴雨年平均日数的模拟在东部地区偏多,概率统计结果则为一致偏大.未来中国地区极端气候预估结果表明:极端高温、极端低温和相对高温在全国范围内都将升高,且线性趋势均为上升;霜日日数则为减少,并具有下降趋势;暖日日数和相对低温在青藏高原和新疆部分地区有所减少、其它地区均为增加,且线性趋势暖日日数为上升,相对低温不明显.极端降水指数的变化具有区域特征,其中单日最大降水、连续五日最大降水、最长无雨期、强降水日数、简单降水强度和极端降水总量均在江淮、华南及西南地区有所增多,而在东北及内蒙古地区有所减少,未来中国南方地区降水的极端化趋势将更加显著.极端降水指数的线性趋势除最长无雨期外其它均为上升.     

我国各大流域复合高温干旱事件变化趋势与归因分析

受全球气候变化影响,复合高温干旱事件呈现增加趋势.通过构建表征复合高温干旱重现期变化的全微分方程,提出了一种复合高温干旱变化的归因方法,并利用1921～2020年月气温和月降水观测资料,分析中国夏季复合高温干旱事件时空分布特征及变化趋势,量化降水变化、气温变化和降水-气温相关关系变化这三种驱动因子在中国夏季复合高温干旱事件变化中的贡献.结果表明:近年来中国大部分地区夏季复合高温干旱事件呈现出明显的增加趋势,气温变化、降水变化、降水-气温相关关系变化对干旱高温复合事件变化的贡献依次递减.气温变化幅度最大、影响范围最广,在长江中上游地区以外的区域均导致复合事件增加,是最主要的驱动因子之一;降水变化是中国西部特别是新疆北部、青海和甘肃地区复合事件减少的重要原因;降水-气温关系则与其他驱动因子一起导致了在华南地区复合事件重现期的缩短和华东、西北部分地区复合事件重现期的增加.与此同时,降水和气温的均值趋势与离散程度的变化均可能导致复合高温干旱事件重现期的变化.     

土地利用和气候变化对农牧过渡区生态系统生产力和碳循环的影响

气候和土地利用变化对陆地生态系统碳循环的影响是当前全球变化研究中的中心问题之一. 近20 a来中国的气候和土地利用发生了很大的变化, 对陆地生态系统生产力和碳循环产生重要影响, 尤其是在生态敏感的农牧过渡区. 应用以遥感观测为基础的土地利用数据和高时空分辨率的气候数据驱动生态系统过程模型, 估计土地利用和气候变化对农牧过渡区 NPP(净初级生产力)、植被碳贮量、土壤呼吸和碳贮量以及NEP(净生态系统生产力)的影响. 结果显示, 20世纪80~90年代, 农牧交错带由于气候变暖和降水减少导致NPP减少3.4%, 土壤呼吸增加4.3%, 每年NEP总量减少33.7×10⁹ kg. 尽管植被和土壤碳贮量由于NPP仍然高于HR(土壤异氧呼吸)而有所增加, 但NEP的下降表明气候变化削弱了生态系统的碳吸收能力, 降低了碳贮量的增长速率. 土地利用变化使所发生区域NPP增加3.8%, 植被碳增加2.4%, 每年NEP总量增加0.59×10⁹ kg. 土地利用变化使生态系统碳吸收能力有所加强, 但尚不足扭转由气候变化导致的下降趋势. 土地利用变化对整个区域生产力和碳循环的影响比较小, 但在它所发生地区的影响大于气候变化的影响.     

基于植被光合有效辐射资料研究中国地区植被大气反馈作用

本文采用中国地区基于卫星观测的植被光合有效辐射资料(FPAR)和月平均气候数据(1982-2000年)来分析中国区域陆面植被与气温、降水的反馈作用.通过计算和分析超前滞后相关系数和反馈系数发现:春、夏季FPAR超前气温一个月相关系数在全国大部分地区为负值,反映出植被生长旺盛,可以降低局地气温.春、秋两季气温与FPAR的同期相关系数较大.夏季降水超前FPAR一个月的正相关性反映出夏季降水对于植被生长存在促进作用.在中国长江流域以南区域,植被对于气温的反馈系数为一致正值,可达0.5 ℃(0.1FPAR)^-1;在30°N以北区域显示出一致的负反馈,可达-0.42 ℃(0.1FPAR)^-1.FPAR对降水全年反馈系数全国区域平均可达-2.12 cm month^-1(0.1FPAR)^-1.不同植被类型、不同季节的植被反馈效应也存在差异.植被反馈系数可以用来验证动态植被模式计算的植被大气反馈作用.     

SRES B2情景下中国区域最高、最低气温及日较差变化分布特征初步分析

本文利用Hadley气候预测与研究中心的区域气候模式系统PRECIS进行中国区域气候基准时段(1961～1990年)和SRES B2情景下2071～2100年(2080s)最高、最低气温及日较差变化响应的分析.气候基准时段的模拟结果与观测资料的对比分析表明：PRECIS具有对中国区域最高、最低气温及日较差的模拟能力，能够模拟出中国区域最高、最低气温及日较差的局地分布特征.对SRES B2情景下相对于气候基准时段的最高、最低气温及日较差变化响应分析表明：中国区域2080s时段年、冬季和夏季平均最高、最低气温变化均呈一致增加的趋势，北方地区增温幅度普遍大于南方地区.夏季东北地区极端高温事件发生的频率将会增加，而冬季华北地区极端冷害事件发生频率将会减少.未来中国区域年平均日较差将出现北方地区减小而南方地区增加的趋势.冬季长江中下游以南地区日较差呈增加趋势，而夏季华东地区、西北地区及内蒙古中部日较差将呈减小趋势，其中在青藏高原北部地区存在一个较强的低值中心.     

区域气候模式RegCM3对华北地区未来气候变化的数值模拟

采用高水平分辨率区域气候模式进行区域未来气候变化预估,对理解全球增暖对区域气候的潜在影响和科学评估区域气候变化有很好的参考价值.这里对国家气候中心使用25 km高水平分辨率区域气候模式RegCM3单向嵌套全球模式MIROC3.2_hires在观测温室气体(1951—2000)和IPCC A1B温室气体排放情景下(2001—2100)进行的共计150年长时间模拟结果,进行华北地区未来气温、降水和极端气候事件变化的分析.模式检验结果表明:模式对当代(1981—2000)气温以及和气温有关的极端气候事件(霜冻日数、生长季长度)的空间分布和数值模拟较好;对降水及和降水有关的极端气候事件(强降水日期、降水强度、五日最大降水量)能够模拟出它们各自的主要空间分布特征,但在模拟数值上存在偏大、偏强的误差.和全球模式驱动场相比,区域模式模拟的气温、降水和极端气候事件有明显的改进.2010—2100年华北地区随时间区域平均气温升高幅度逐渐增大,随之霜冻日数逐渐减少,生长季长度逐渐增多;同时随温室效应的不断加剧,未来降水呈增加的趋势,强降水日期和五日最大降水量逐渐增多、降水强度逐渐增大.从空间分布看,21世纪末期(2081—2100)气温、降水以及有关的极端气候事件变化比21世纪中期(2041—2060)更加明显.     

末次冰盛期中国气候要素定量重建

古气候定量化是古全球变化研究的核心目标之一.重建末次冰盛期时段((18±2)ka14C)气候变化特征,对理解冰期-间冰期地球气候演化规律具有重要的意义.以往古气候要素定量重建,主要基于现代气候条件下孢粉-气候的统计学方法,因难以有效区分过去气候季节性变化和大气CO2浓度降低对植物生长的影响,导致重建结果可能存在不确定性.本研究基于植物生理过程、新一代古气候定量重建的植被反演方法,考虑上述环境因子对植物生长的影响,利用新完善的中国第四纪孢粉数据库,重建了古气候的空间格局.结果表明,在末次冰盛期,大气CO2浓度降低对中国古气候要素重建结果影响不显著;全国年均温比现在低约(5.6±0.8)℃,最冷月温度和最热月温度分别降低约(11.0±1.6)℃和(2.6±0.9)℃,且中国南方降温幅度达到约(5.5±0.5)℃,接近平均值的水平,年均温变化主要归因于冬季温度的降低;全国年降水量比现在低约(46.3±17.8)mm,其中北方降水减少约(51.2±21.4)mm,年降水变化主要源于夏季降水的减少.与古气候模拟结果的对比揭示,虽然现有模式能较好模拟年均气候模态,但是在季节性变化上与重建结果还有较大的差距,指示未来在提高古气候重建精度的同时需进一步加强古气候模式的季节性气候模拟能力.     

未来土地利用变化影响中国区域气候的数值模拟

土地利用/土地覆盖变化(LUCC)是人类影响气候的重要强迫之一.相对于历史时期LUCC对区域气候的影响研究,未来LUCC到底对气候有多大影响不得而知.基于CMIP5推荐的土地覆盖数据,采用区域气候模式Reg CM4,通过当代和反映未来(2050年)土地覆盖状况分布情况下各15年(2036~2050)的数值积分试验,探讨了未来LUCC对中国区域气候的影响.未来中国地区主要是以草地转换成森林为主要特征,LUCC引起温度和降水的变化幅度和范围具有季节性差异,其中夏、秋季区域响应最显著,主要包括中国东北、华北和河套地区,青藏高原东部以及华南等地.进一步分析表明,LUCC对大气环流也具有明显的影响,在未来LUCC影响下,印度半岛经孟加拉湾到南海及华南沿岸一带受到一致的异常西南风控制,热带印度西南季风和南海西南季风均偏强,来自南海和印度洋的异常水汽辐合使得中国南方降水偏多.     

全新世初期气候的数值模拟研究

本文尝试用一个完全耦合的大气-海洋-植被模式(Atmosphere-Ocean-Vegetation General Circulation Model, AOVGCM)模拟全新世初期的地球气候.模拟结果表明，耦合模式成功地再现了全新世初期复杂气候条件下的基本特征，为研究这一时期的气候状况提供了重要的模型支持.就全球平均而言，11ka BP冬季地表气温比现代约低1.6 K,夏季比现代低约0.3 K；大气温度从低层到高层有不同的表现，高层反映了太阳辐射的重要作用，而低层气候对下垫面（如冰川、植被和海洋等）的影响比较敏感.从区域分布来看，11 ka BP冬季大部地区比现在偏干，但热带太平洋和南半球少部地区降水偏多；夏季大部地区比现在偏湿，亚洲和非洲季风偏强，主要的季风区降水偏多.     

东业小冰期气候形成中太阳辐射和火山灰作用的敏感性试验

利用最新的太阳辐射变化资料和山灰记录通过气候模式的模拟试验来探讨小冰期气候的形成因子，并揭示其动力学机制，模拟结果较好地反映了在太阳辐射和火山灰作用下典型小冰不亚地区的温度和降水变化，主要结论是：在小冰期典型强迫条件下，欧亚大陆年平均温度普遍降低，且具有明显的区域差异，高纬度降温幅度大于低纬度，冬季降温幅度大于夏季，我国长江流域以北的广大地区的降温幅度在0．2－0．4℃之间，不同季风区对火山灰和太阳辐射变化具有不同的响应，东南季风控制的地区（如我国的华东、华南地区）降水明显减少，年平均减少幅度在0．5－1．5mm/d之间，西风和西南季风控制的广大地区降水几乎持平或略增，最大年均增幅小于0．5mm/d，这与历史证据和自然记录资料是一致的。     

西北太平洋热带气旋活动影响区域大尺度环流的数值模拟研究

本文利用"模式手术"方法研究了西北太平洋热带气旋(TC)对东亚—西北太平洋区域大尺度环流的影响.结果表明,夏季频繁的西北太平洋TC活动导致东亚夏季风增强,季风槽加深;西太平洋副热带高压东退,位置偏北;东亚副热带高空急流强度增强,北太平洋(东亚大陆)上急流轴偏北(偏南);热带地区(副热带地区)的对流层中低层出现异常上升气流(下沉气流),并且从低纬向高纬呈现异常上升气流和异常下沉气流交替分布特征.在中国东南沿海,TC降水导致夏季降水量明显增加;而在长江中下游和华北地区,TC活动引起的异常下沉气流使夏季降水量显著减少.因此,夏季西北太平洋TC活动对东亚—西北太平洋区域气候有显著影响.     

中国地表气温变化对土地利用/覆被类型的敏感性

利用观测气温与再分析气温的差值分析了近40年中国地表气温变化对土地利用/覆被类型的敏感性.结果表明：土地利用/覆被类型对地表气温变化具有稳定的、系统性的影响,在全球变暖背景下各类型的响应不同,以沙地、戈壁和裸岩石砾地为主的未利用地升温幅度最大,为0.21℃/10a;其次是草地、耕地和城乡、工矿、居民用地,分别为0.12,0.10,0.12℃/10a;林地升温趋势最弱,为0.06℃/10a.总体来看,沙地、戈壁等未利用地和人类活动较多的区域地表升温幅度大,植被覆盖状况好的区域升温趋势则较弱;同一一级类型下理化特性及生物过程相似的二级类型对地表气温的影响程度相近,土地利用/覆被类型的变化需要达到一定的强度,导致地表特性发生本质改变后才会对局地气温产生较明显的影响;同一土地利用/覆被类型下,中国东部人类活动强度大的区域升温更为明显.这一结果为众多土地利用/覆被变化对气候影响的数值模拟试验研究提供了观测事实的支持.在区域尺度上预测未来中国气候变化不仅要考虑温室气体增加的影响,还要考虑土地利用/覆被类型及其变化的影响.     

前期西太平洋暖池热含量异常影响长江中下游夏季降水的可能途经

利用日本气象厅历史海温资料、NCEP/NCAR再分析资料、海表温度和降水资料,研究了1951-2010年前期西太平洋暖池（简称暖池）热含量异常与长江中下游夏季降水的关系,及其可能影响途径.结果表明,前期暖池热含量与长江中下游夏季降水存在超前2个季节的显著负相关关系,前期11-1月（即上年11月-当年1月,下同）暖池关键区（166.5°E-173.5°W,7.5°S-3.5°N）0~200 m热含量的偏低（高）对长江中下游夏季降水偏多（少）的预测有重要指示意义.前期暖池热含量异常的持续存在,及其外强迫作用激发的具有一定斜压性结构的夏季东亚-太平洋型遥相关（EAP）,可能是影响长江中下游夏季降水的主要原因.暖池热含量在前期11-1月异常偏低导致其西北侧菲律宾异常反气旋形成并维持,夏季菲律宾异常反气旋向西北方向扩展加强,东亚沿岸EAP波列形成,使得长江中下游及其以东的西北太平洋副热带地区受异常气旋控制,且长江中下游地区为北方冷空气与南方暖湿气流的交汇区.同时,对流层高层东亚沿岸亦存在位置较中低层向西北偏移的EAP波列,长江中下游及其以南地区为异常偏强高压,高层辐散与中低层辐合相配合,有利于长江中下游地区对流发展和降水增多;反之亦然.     

中全新世以来东亚夏季气温对轨道强迫时空响应不一致的模拟研究

基于一个海-气耦合模式FOAM（the Fast Ocean Atmosphere Model）在轨道强迫下对过去6 ka气候变化的瞬变模拟结果,本文分析了中全新世以来东亚地区夏季气温对日射变化的响应特征.研究发现,东亚地区夏季气温对日射响应具有时空不一致性：相对于现代,6 kaB.P.时北半球夏季日射偏强,东亚地区地面气温却未普遍偏高,而是约以35°N为界,北方显著偏暖,南方气温变化不明显甚至有微弱冷却.自6 ka B.P.至今,东亚40°N以北的中、高纬陆地夏季气温大致呈线性降低趋势,以南的低纬陆地夏季气温则呈量级较小的“U”型变化,即气温在约3 kaB.P.附近达最低值,前3 ka为降温趋势,后3 ka为升温趋势.这与一些地质记录反映的气温变化相一致.中全新世以来东亚夏季气温演变的时空不一致性,可能源自因海陆热力惯性不同所引起的气温对日射响应的差异.热容量较小的东亚高纬大陆夏季气温主要响应7月份日射;而热容量较大的海洋对日射的响应通常会滞后约2个月,其夏季气温主要响应5月份日射.受海洋影响,南方陆地夏季气温对日射响应呈现出与海洋相似的特点.在岁差周期上,5、6、7月份日射间的相位差相对于较长轨道时间尺度较不明显,但在相对较短的近6千年时期内,它们相继出现波谷而呈显著趋势差异,从而导致了中全新世以来东亚夏季气温变化的时空差异.正如有学者所指出的,夏季气温变化对应的可能并非同季节日射强迫,考察轨道强迫的气候响应时,如何选择日射标尺至关重要,否则可能混淆“因果”.     

末次盛冰期东亚气候的数值模拟

用美国国家大气研究中心(NCAR)的CCM3全球气候模式研究了末次盛冰期(LGM)和现代情景下的东亚季风和地面水分特征以及青藏高原冰川扩张. 结果表明: 在LGM时, 我国北方和西太平洋地区冬季风显著加强, 南方地区冬季风变化不大; 而对LGM时期的夏季风, 我国南方和南海地区显著减弱, 北方变化不显著; LGM时期季风的这种变化, 使我国东北、华北大部分地区、黄土高原和青藏高原东部年降水量比现代显著减少, 造成这些地区当时地面净失去更多水分, 使当地变干燥, 其中青藏高原东部、黄土高原西部地面变干燥最显著; 而在LGM时期青藏高原中部一些地区由于蒸发减少使地面变湿润, 有利于当时这些地区的湖面上升; 此外, LGM时期冬季青藏高原 绝大部分地区积雪明显比现代厚, 通过分析模拟资料计算的冰川平衡线高度发现: 尽管我们模拟出LGM时期较小的降温幅度, 但是通过模式中大气物理过程青藏高原降水和气温之间保持平衡, LGM时期当地冰川平衡线高度与现代相比降低了300~900 m, 即从现代的5400 m以上降为4600~5200 m, 指示着LGM时期青藏高原冰川的大规模扩张.     

东亚小冰期气候形成中太阳辐射和火山灰作用的敏感性试验

利用最新的太阳辐射变化资料和火山灰记录通过气候模式的模拟试验来探讨小冰期气候的形成因子 ,并揭示其动力学机制 .模拟结果较好地反映了在太阳辐射和火山灰作用下典型小冰期东亚地区的温度和降水变化 .主要结论是 :在小冰期典型强迫条件下 ,欧亚大陆年平均温度普遍降低 ,且具有明显的区域差异 ,高纬度降温幅度大于低纬度 ,冬季降温幅度大于夏季 .我国长江流域以北的广大地区的降温幅度在 0 .2 - 0 .4℃之间 .不同季风区对火山灰和太阳辐射变化具有不同的响应 .东南季风控制的地区 (如我国的华东、华南地区 )降水明显减少 ,年平均减少幅度在 0 .5 - 1.5mm/d之间 ,西风和西南季风控制的广大地区降水几乎持平或略增 ,最大年均增幅小于0 .5mm/d .这与历史证据和自然记录资料是一致的     

全球海温对太阳射电通量异常的响应及其对降水的影响

太阳活动对全球气候的影响一直是人们关心的热门话题,尤其是太阳活动对海温和降水的影响吸引更多学者的目光.本文通过研究全球0～700m海温对太阳射电通量(Solar Radio Flux,缩写为SRF)的响应,发现全球海温对太阳活动响应具有空间分布不均匀性特征,显著响应的地区集中在太平洋和南大西洋,显著响应的层次主要在0～200m.利用响应太阳活动显著区域的海温资料,定义一个响应太阳活动的海温异常指数,研究该指数与同期和滞后1年全球冬夏季降水的相关分布,发现指数高时夏季热带中太平洋降水增多,南北半球中高纬地区降水增加,呈带状分布,南极地区降水显著减少;我国江南东部地区、青藏高原和山东半岛降水减少.冬季热带中部太平洋和东南太平洋地区降水增多,赤道西太平洋降水明显偏少,北极地区降水显著偏多,热带西太平洋和孟加拉湾降水减少,南北两个半球中高纬度地区降水增多;我国华南地区广西和广东西部、海南一带降水增多,东北地区降水减少,青藏高原地区降水显著增加.当海温异常指数低时,情况相反.研究结果表明,海温异常通过影响降水放大了太阳活动的作用.由此推测,在考虑夏季降水的预测问题时,由太阳活动引起的太平洋和大西洋海温异常对降水的影响应该引起重视.     

以东亚及中亚地区虚拟湖泊水位变化为代表的全新世有效水分变化的连续模拟

流域内的水量平衡可以通过单个湖泊的水位波动体现,而区域湖泊水位的一致性波动则可以反映区域有效水分的变化.以往的研究主要通过分析湖泊沉积物的多代用指标来重建过去的有效水分,缺少对区域有效水分变化的定量研究.本研究基于瞬态气候演变模型、湖泊能量平衡模型及湖泊水量平衡模型,以构建的虚拟湖泊为载体,进行东亚及中亚地区全新世以来有效水分变化的连续模拟实验.使用的虚拟湖泊水位、面积、水深、盐度与实际区域的湖泊状况并不相同,但能够通过假设来估算区域有效水分的相对变化.此外,还对不同地理区域有效水分变化的驱动机制进行了探讨.研究结果表明:中国北方全新世以来有效水分的逐渐降低主要受到长波和短波辐射导致的蒸发增加,以及夏季太阳辐射降低导致的降水减少的共同影响;青藏高原和中亚南部全新世以来有效水分的降低主要受控于亚洲夏季风的减弱而造成的降水减少;而西风环流增强导致的降水逐渐增多是中亚北部全新世晚期有效水分增加的原因.     

人工神经网络模型预测气候变化对博斯腾湖流域径流影响

温室气体排放量增加造成气候变化,对全球资源环境产生重要影响．本文利用人工神经网络模型建立月降水、气温与径流关系,利用开都河流域降水、气温、径流资料对模型进行训练和验证,通过试算法确定网络模型结构,气温升高和降水量增加对径流影响的敏感程度分析表明,气温升高和降水增加对该区域径流影响较大,且气温升高的影响更为显著,径流增加主要集中在夏季,根据区域气候模型（RCMs）推算的CO2加倍情况下西北地区气候的可能变化,预测位于博斯腾湖流域的开都河大山口站年径流量增加38．6％,其中夏季增加71．8％,冬季增加11．4％。