近20年中国土地利用变化影响区域气候的数值模拟

区域尺度土地利用/土地覆盖变化(LUCC)的气候效应以及土地覆盖数据的不确定性, 一直是LUCC研究不可忽视的关键问题。本研究基于最新的遥感资料, 采用新的区域气候模式RegCM4.0, 探讨了1990年至2010年中国LUCC对区域气候的影响。结果表明, 中国区域LUCC使得局地气温和日较差发生了显著改变, 而降水及低层环流场变化不显著;LUCC的影响存在季节性差异, 其中, 夏秋季响应程度较大且主要体现在边界层内。就LUCC对气候影响的机理各地区有所不同, 华北地区LUCC的气候效应主要受蒸散发作用主导, 而长江流域则由反照率与蒸散发共同作用。这些结果均说明, 较短时间尺度的LUCC气候效应主要体现在其局地范围, 且在不同的季节有所差异。     

Evaluating the impacts of land use and land cover changes on surface air temperature using the WRF-mosaic approach

如何量化土地利用/覆盖变化(LUCC)对区域气候的影响,是人类活动影响气候变化研究中的一个难点。本文利用卫星遥感反映过去三十年东亚区域土地利用变化数据,基于Mosaic近似考虑土地利用及其变化次网格尺度过程,量化了LUCC对地表辐射收支及气温的影响。过去三十年土地利用/覆盖变化对东亚区域总体呈降温效应(中国东部地区增温效应),LUCC导致的地表反照率变化影响地表辐射收支,中国和东亚区域的辐射强迫分别为-0.56 W m~(-2)和-0.50 W m~(-2)。     

从全球到区域气候变化

尽管气候变化是全球性的现象,但其表现和结果随区域不同而不同,因此区域气候信息对于气候变化的作用和风险评估很重要。基于此,IPCC第六次评估报告（AR6）第一工作组（WGI）报告第十章对如何从全球链接到区域气候变化方面进行了评估。区域气候变化是对自然强迫和人类活动的区域响应、对大尺度气候系统内部变率的响应和区域气候本身反馈过程的相互作用结果。因此,本章重点关注如何从多套观测资料,不同模式的集合,物理过程的理解、专家判断和本地信息等多元信息中有效提炼出区域信息的方法。通过提炼方法指出人类活动是许多次大陆尺度上1950年代以来区域平均温度变化的主要驱动力,但参考时段和阈值的选择对人类活动信号是否出现和出现的早晚有影响。人类活动对一些区域的多年代际降水变化有一定贡献,但其不确定性相对全球平均而言更大。气候系统内部变率可以在很大程度上延迟和阻碍人类活动信号在区域气候变化中的出现。区域气候变化的评估给决策者提供了更多有用的信息,增加了评估报告的适用性。     

国际气候变化科学评估中所反映的气候变化科学的重要进展

政府间气候变化委员会(IPCC)历次评估报告的进展表明:1)人类对于气候系统变化的科学认知在不断加深,全球变暖是毋庸置疑的;工业化时代以来,人类活动可能已经引起了1 ℃的增暖。2)气候系统观测不断完善,观测资料和再分析资料的空间覆盖范围以及时间尺度均明显提高;气候系统模式分辨率不断提高,以及更为复杂的生物地球化学过程的加入,使得模式发展经历了从气候系统模式到地球系统模式的进步。3)与以往的评估报告相比,在第六次评估报告(AR6)的规划中,以解决问题为导向,加强了对于水循环变化、区域气候变化信息以及极端天气气候事件检测归因的评估内容。     

太阳常数的微小变化在气候变化中的作用

将复杂的气候系统抽象为含有云辐射动态反馈过程的高度非线性气候模型,利用分岔理论,分析了该模型的平衡态及其稳定性。计算结果表明,云反照率反馈、地表反照率反馈和水汽反馈是气候系统呈现多平衡态结构的主要因素,是气候变化复杂性根源,而云放射率反馈对系统结构的影响,只有在强烈的水汽放射率反馈条件下才表现明显。较强的地表反照率反馈和水汽放射率反馈,均可在太阳常数仅有微小变化时就能导致全球气候突变。     

全球变暖与地球“三极”气候变化

北极、南极和青藏高原分别是地球的最北端、最南端和海拔最高的高原,被称为地球“三极”。地球三极是全球气候变化的关键区与敏感区,在区域及全球气候系统中的重要性日益凸显。本文回顾了该领域的最新研究成果,重点阐述了地球三极气候年代际变化的基本特征及其对区域气候的影响,探究了在全球气候变暖背景下地球三极气候变化之间的潜在联系,讨论并展望了未来地球三极气候变化研究所面临的挑战。     

全球气候变化的影响因素、机制及其效应概述

本文综合国内外有关资料, 从全球气候系统辐射能量平衡原理出发, 概述了影响全球气候长期变化的几个主要外部强迫因素：大气上界辐射变化（ 地球轨道形状变化和太阳活动） 、温室气体变化、气溶胶和火山活动、下垫面物理景观变化。分别论述了他们对气候变化的影响机制、辐射效应及作用效果。这些因素多与人类活动有关。     

青藏地区地球轨道变化对地形依赖性的数值模拟研究

利用美国大气研究中心(NCAR)的公用气候系统模式(CCSM2.01)进行了一组改变青藏高原地形高度和地球轨道(岁差)参数的数值模拟试验,以探讨青藏地区地球轨道和地形变化对高原气候的影响。结果表明:同样的岁差强迫,青藏地区与湿度相关的各种气候要素(如降水、地表径流、降雪和积雪深度)在高地形情况下的响应要比在低地形情况下的响应强烈得多。当近日点的时间由现代的1月份变为7月份时(如距今约1万年前的全新世初期),会造成高原中南部及高原南侧夏季降水和径流显著增加,冬季高原西北部降雪增加,但高原中南部的冬季降雪却会明显减少。上述区域气候变化特征与岁差强迫下大气环流的改变密切相关。这些数值模拟结果也有助于理解该地区相关地质气候记录中青藏高原隆升过程对轨道尺度气候变率的调制作用。     

年代际气候变化研究进展

概述了全球尺度、我国大范围区域及长江中下游梅雨的年代际气候变化的一些研究进展,重点介绍了近期我国气象工作者有关这方面研究的一些成果。指出:①全球尺度的大气、海洋及气温变化不仅存在明显的年际变化,而且年代际变化也十分显著;②受全球气候年代际变化的影响,中国气候也存在多时间尺度的变化特征,但气候的年代际变化特征与全球气候年代际变化有不同之处;③长江中下游梅雨气候变异不仅与海-气相互作用密切相关,而且海洋的年代际变化也是梅雨异常变化的重要气候背景;④年代际尺度变化在全球变暖改变区域气候特征的过程中的贡献、年代际气候变化的形成及作用机制,特别是长江中下游梅雨的年代际变化的成因和机制都是仍需继续加强研究的问题。     

气候变化科学方面的几个最新认知

IPCC第六次评估报告（AR6）第一工作组报告主要从以下几个方面的进展提升了我们对气候系统变化、气候变化原因以及预估未来气候系统变化等方面的认知,对过去气候变化及其与人类活动的关系有了更加清晰、可靠的认识。综合多重证据评估指出,全球气候正经历着前所未有的变化;包括极端事件在内的归因进展已把人类活动对气候系统影响的认识从大气圈扩展到水圈、冰冻圈和生物圈,进一步强化了人类活动影响全球和区域气候的认识;有关区域气候变化信息的内容更加丰富,与各行业和敏感地区的气候变化影响联系更加紧密,使这些信息能更好地为气候变化风险评估和气候变化区域适应提供支持;气候模式和约束预估方法的发展以及对气候敏感度认识的深化,减少了未来不同排放情景下全球地表温度（Global Surface Temperature,GST)、海平面上升和海洋热含量的变化预估的不确定性。这份最新报告对我国提升气候变化研究水平和防灾减灾应对能力具有十分重要的指导意义。     

A regional and global analysis of carbon dioxide physiological forcing and its impact on climate

An increase in atmospheric carbon dioxide concentration has both a radiative (greenhouse) effect and a physiological effect on climate. The physiological effect forces climate as plant stomata do not open as wide under enhanced CO₂ levels and this alters the surface energy balance by reducing the evapotranspiration flux to the atmosphere, a process referred to as ‘carbon dioxide physiological forcing’. Here the climate impact of the carbon dioxide physiological forcing is isolated using an ensemble of twelve 5-year experiments with the Met Office Hadley Centre HadCM3LC fully coupled atmosphere–ocean model where atmospheric carbon dioxide levels are instantaneously quadrupled and thereafter held constant. Fast responses (within a few months) to carbon dioxide physiological forcing are analyzed at a global and regional scale. Results show a strong influence of the physiological forcing on the land surface energy budget, hydrological cycle and near surface climate. For example, global precipitation rate reduces by ~3% with significant decreases over most land-regions, mainly from reductions to convective rainfall. This fast hydrological response is still evident after 5 years of model integration. Decreased evapotranspiration over land also leads to land surface warming and a drying of near surface air, both of which lead to significant reductions in near surface relative humidity (~6%) and cloud fraction (~3%). Patterns of fast responses consistently show that results are largest in the Amazon and central African forest, and to a lesser extent in the boreal and temperate forest. Carbon dioxide physiological forcing could be a source of uncertainty in many model predicted quantities, such as climate sensitivity, transient climate response and the hydrological sensitivity. These results highlight the importance of including biological components of the Earth system in climate change studies.     

土地利用与土地覆盖变化的遥感监测及环境影响研究综述

土地利用与土地覆盖变化（LUCC）对全球生态、环境产生了巨大影响,是全球变化的原因之一,也是全球变化研究的重要组成部分。从遥感数据源、遥感分类方法、遥感动态变化监测方法3方面出发,介绍了遥感监测技术在LUCC研究中的应用现状;回顾了LUCC对气候、水文影响的研究进展,并对数值模拟方法在LUCC影响研究中的应用进行了重点评述;探讨了目前LUCC研究工作中在动力机制、对环境的影响、遥感技术及资料应用、多源数据的综合应用及利用区域气候模式进行数值模拟试验等方面存在的问题及未来发展趋势。     

基于慢特征分析方法研究陆地表面气温变率的驱动力

慢特征分析（SFA）方法可以从非平稳时间序列中提取出慢变的外强迫信息。近年来,SFA方法被应用于气候变化研究领域,用于探究气候变化的潜在驱动力及相关的动力学机制。本文基于SFA方法,提取全球陆地表面气温（LSAT）的慢变外强迫信息,研究全球LSAT慢变驱动力的空间结构特征及低频变率的主要驱动因子。SFA方法提取的LSAT慢变驱动力与历史时期全球辐射强迫（GRF）和全球海表温度（SST）的主模态（大西洋多年代际振荡AMO、热带太平洋ENSO变率和太平洋年代际振荡PDO）有显著的相关关系,表明全球大部分地区LSAT的变率受到GRF和三个SST模态的显著影响。GRF对LSAT变率的影响有全球一致性的特征,而三个SST模态对LSAT变率的影响则呈现出明显的区域特点。此外,由于SFA方法可以有效降低原始LSAT序列中随机噪声的干扰,GRF和SST模态对LSAT变率的解释方差显著提高,进一步表明GRF和SST模态是全球LSAT低频变率主要的驱动因子。最后,利用历史海温驱动AGCM试验（即AMIP试验）的结果,验证了三个SST模态对区域LSAT变率的显著影响。     

Regional and Global Land Data Assimilation Systems: Innovations,Challenges, and Prospects

Since the North American and Global Land Data Assimilation Systems(NLDAS and GLDAS) were established in2004, significant progress has been made in development of regional and global LDASs. National, regional, projectbased, and global LDASs are widely developed across the world. This paper summarizes and overviews the development, current status, applications, challenges, and future prospects of these LDASs. We first introduce various regional and global LDASs including their development history and innovations, and then discuss the evaluation, validation, and applications(from numerical model prediction to water resources management) of these LDASs. More importantly, we document in detail some specific challenges that the LDASs are facing: quality of the in-situ observations, satellite retrievals, reanalysis data, surface meteorological forcing data, and soil and vegetation databases; land surface model physical process treatment and parameter calibration; land data assimilation difficulties; and spatial scale incompatibility problems. Finally, some prospects such as the use of land information system software, the unified global LDAS system with nesting concept and hyper-resolution, and uncertainty estimates for model structure,parameters, and forcing are discussed.     

土地利用变化对气候影响的研究进展

为满足人类对食物、纤维、水和居住地的需求,全球土地利用格局发生了巨大的变化,IPCC 第四次评估报告（IPCC,2007）指出土地利用变化是人类影响气候的重要强迫之一。土地利用变化对气候的影响分为生物地球物理作用和生物地球化学作用。分别对有关生物地球物理作用和生物地球化学作用的研究进展以及研究热点进行了综述;并从定量评估两者对气候影响的相对贡献以及两者共同效应的角度,回顾了辐射强迫计算和耦合模式数值模拟两种方法的研究进展,及其在森林恢复、人工造林以及碳封存等气候变化应对措施可行性评估中的应用。最后分析和展望了当前土地利用变化对气候影响相关研究中的不确定性以及未来发展方向。     

Elucidating Dominant Factors Affecting Land Surface Hydrological Simulations of the Community Land Model over China

In order to compare the impacts of the choice of land surface model(LSM) parameterization schemes, meteorological forcing, and land surface parameters on land surface hydrological simulations, and explore to what extent the quality can be improved, a series of experiments with different LSMs, forcing datasets, and parameter datasets concerning soil texture and land cover were conducted. Six simulations are run for the Chinese mainland on 0.1° × 0.1° grids from 1979 to 2008, and the simulated mon...     

陆面过程模型CoLM与区域气候模式RegCM3的耦合及初步评估

陆面过程通过影响陆面和大气之间物质（如,水分）和能量的交换影响气候, 其参数化方案对数值天气预报、全球及区域气候模拟有重要影响。本研究利用对生物物理、生物化学过程考虑更全面的陆面模式Common Land Model(CoLM) 替代区域气候模式RegCM3原有的陆面模式BATS, 发展了耦合区域气候模式C－RegCM3; 将其应用于东亚地区典型洪涝年份夏季气候模拟以进行评估, 结果表明新耦合的模式C－RegCM3能合理模拟大尺度环流场、近地表气温和降水的分布特征, 对西北半干旱地区降水模拟比RegCM3有所改进。通过利用区域气候模式C－RegCM3及RegCM3对地表能量和水文过程模拟结果的比较, 发现在半干旱、半湿润过渡区C－RegCM3模拟的潜热增大、感热减小; 模拟的地表吸收太阳辐射差异较明显的地区位于模式模拟的主要雨区; C-RegCM3在上述过渡区模拟的夏季地表土壤湿度比RegCM3偏干, 这与它在过渡区降水模拟偏少、蒸散发模拟偏大相对应, 体现了该模式在半干旱、半湿润过渡带模拟出比RegCM3更明显的局地土壤湿度－降水－蒸散发之间的正反馈作用。     

The biogeophysical effects of extreme afforestation in modeling future climate

Afforestation has been deployed as a mitigation strategy for global warming due to its substantial carbon sequestration, which is partly counterbalanced with its biogeophysical effects through modifying the fluxes of energy, water, and momentum at the land surface. To assess the potential biophysical effects of afforestation, a set of extreme experiments in an Earth system model of intermediate complexity, the McGill Paleoclimate Model-2 (MPM-2), is designed. Model results show that latitudinal afforestation not only has a local warming effect but also induces global and remote warming over regions beyond the forcing originating areas. Precipitation increases in the northern hemisphere and decreases in southern hemisphere in response to afforestation. The local surface warming over the forcing originating areas in northern hemisphere is driven by decreases in surface albedo and increases in precipitation. The remote surface warming in southern hemisphere is induced by decreases in surface albedo and precipitation. The results suggest that the potential impact of afforestation on regional and global climate depended critically on the location of the forest expansion. That is, afforestation in 0°–15°N leaves a relatively minor impact on global and regional temperature; afforestation in 45°–60°N results in a significant global warming, while afforestation in 30°–45°N results in a prominent regional warming. In addition, the afforestation leads to a decrease in annual mean meridional oceanic heat transport with a maximum decrease in forest expansion of 30°–45°N. These results can help to compare afforestation effects and find areas where afforestation mitigates climate change most effectively combined with its carbon drawdown effects.     

陆面过程对全球变暖的响应及可能机制—基于CMIP3的多模式集合分析

利用“国际耦合模式比较计划” (Phase 3 of the Coupled Model Intercomparison Project, CMIP3) 12个模式对20世纪 (The Twentieth-Century Climate in Coupled Models, 20C3M) 和21世纪SRES (Special Report on Emissions Scenarios) A1B 情景下的模拟结果, 通过21世纪 (2001～2099年) 与20世纪 (1901～1999年) 陆面能量和水文变量的对比分析, 揭示了陆面过程对全球变暖响应的基本特征, 并探讨了其可能的响应机制。结果表明, 与20世纪相比, 21世纪全球陆面平均的表面温度、 地表净辐射、 潜热通量明显增加; 而感热通量有所减小。降水、 径流、 蒸发等地表水循环分量也表现出不同程度的增加, 而土壤含水量有减小趋势。通过分析近地层主要大气强迫变量与陆面变量之间的联系, 发现陆面能量平衡过程对全球变暖的响应主要受向下长波辐射和气温变化的影响, 而温度的变化对陆面水文过程的影响起决定性的作用。进一步分析表明, 陆面过程对全球变暖的响应存在明显的区域性差异, 陆面温度和感热对全球变暖响应最显著的区域位于北半球中高纬, 而净辐射和潜热对全球变暖的响应在亚洲中部和非洲大陆最显著。相对于20世纪, 21世纪主要是长波辐射和温度对陆面能量平衡过程的贡献重要。对于陆面水文过程, 径流和土壤含水量对全球变暖的响应在亚洲中部以及北美最显著。在全球变暖背景下, 21世纪相对于20世纪, 温度对陆面水循环的影响更加显著, 主要体现在北半球中纬度地区。