内蒙古半干旱草原土壤－植被－大气相互作用综合研究

为深化对中纬度半干旱草原气候-生态相互作用过程、机制及其对全球变化的响应与贡献的认识,一项名为“内蒙古半干旱草原土壤-植被-大气相互作用(IMGRASS)”的基金重大项目于1997~2001年在内蒙古锡林郭勒草原执行。IMGRASS计划在1998年草原生长季节在所选定的以典型草原为主,包括草甸草原、稀疏沙地草原等在内的中尺度试验区开展了多点、多要素的综合观测。观测内容包括土壤、植被、大气的相关要素和发生于地-气界面的潜热、感热通量,还包括N2O,CH4,CO2等微量气体交换量、辐射与降水分布。除1998年中尺度观测试验外,1999~2001年在代表性地点进行了微量气体收支、遥感和沙尘天气相关的专项观测,结合草原站已进行的长期监测资料,分析气候-生态长期相互作用,特别是人类活动干预的影响。在分析观测结果的基础上,对该地区的气候-生态相互作用进行了数值模拟研究。文章简要介绍IMGRASS计划目标和初步成果,包括:计划目标与实验区背景;半干旱草原不同地表陆气相互作用特征;浑善达克沙地及其沙尘气溶胶特征;半干旱草原温室气体收支与碳循环测量分析;人类活动干预下半干旱草原生态退化与恢复演替规律;半干旱草原的遥感测量。     

1971—2000年中国陆地植被净初级生产力的模拟

利用植被与大气相互作用模式(AVIM),基于气象台站的观测资料模拟了1971—2000年中国陆地生态系统NPP的变化特征.结果表明:1971—2000年我国陆地植被年均NPP变化范围在0~987.67 gC·m^-2·a^-1,全国平均值为349.74 gC·m^-2·a^-1,30 a呈现出递增的变化趋势.对各类植被NPP的模拟显示,最近30 a我国热带雨林、落叶阔叶林以及有地被层的阔叶林的年均NPP减小,而混交林、常绿针叶林、落叶针叶林、有裸土的灌丛、草地以及作物的年均NPP均为增加趋势.由于采用了先进的农业技术,与自然条件下我国作物的年均NPP变化相比,我国实际的粮食单产在上述时期呈显著的增长,表明了人类活动对于我国陆地植被净初级生产力有着深刻的影响.     

A SIMPLIFIED MODEL STUDY ON THE SHORT-TERM CLIMATIC EFFECT OF SNOWFALL ANOMALY IN MID-HIGH LATITUDES

A simulation of the annual variation of temperature and moisture in the atmosphere and sublayer of soil in mid-high latitudes has been performed with a one-dimensional atmosphere-land coupled model, in which snowmelt process is included. The computed temperature variations in each latitudinal belt are consistent with the seasonal change of snowextent over continents in the Northern Hemisphere.To analyse the short-term climatic effect of snowfall anomaly, two sets of experiments have carried out by using the above simplified model, i. e. 1) the snowmelt period is earlier than the climatic mean and 2) snowdepth is less than the climatic mean. The results are shown in the present paper. In the first experiment, snow melts earlier, and comparing with the normal annual variation, the absorption of solar radiation increases significantly due to the earlier decrease of albedo. Thus the surface temperature is higher, and latent and sensible heat fluxes are enhanced. This process is characterized by thermal anom     

地表面物理过程与生物地球化学过程耦合反馈机理的模拟研究

利用大气—植被相互作用模式（AVIM）研究地表面物理过程与生物地球化学过程耦合的机理和实现方法,其基础是植物与非生物环境之间物质和能量交换等物理过程影响植物的生理生长过程,使得植被宏观形态和相应的地表的动力学参数上发生显著变化,又反过来作用于植被与大气、土壤之间的物理交换过程。这种气候与生物圈双向反馈过程是在季节和年际时间尺度上的主要相互作用机理。应用AVIM于内蒙古半干旱草原,模拟了在大气状况强迫下,草原生态系统初级生产力,植被与大气之间CO2、潜热和感热的交换,揭示了地表物理和生物学过程耦合反馈机理。     

气候变暖的显著性检验以及温度场和降水场的时空分布特征

用近百年来全球温度和降水资料研究了20世纪20年代和80年代两次全球性气候突然变暖现象,并利用Mann-Kendall突变检验方法对其进行突变检验.分析表明,温度场和降水场的经验正交分解函数的主分量(EOF1),能够很好地表征相应变量年代际时间尺度上突变空间分布型的主要特征,因而用温度资料的EOF1讨论了两次突然变暖的全球空间和时间分布特点.在全球两次突然变暖的同时也发生了相应的降水空间分布型突变.对比分析表明,两次变暖事件的基本特征并不相同,说明引起两次突变的物理机制也不相同.     

气候变化对中国中纬度半干旱草原生产力影响机理的模拟研究

应用大气植被相互作用模式(AVIM)模拟了内蒙古半干旱草原的净初级生产力和生物量。在此基础上,通过气温和降水变化的敏感性控制试验探讨了气候变化对草地初级生产力的影响机理。研究表明,无论是降水或温度的变化对草地的生产力都有显著影响。降水增加,生产力增加。而温度增加,生产力下降。气候变化对生产力影响的机理是:降水增加改善了土壤的水分供给条件,增强了光合速率,从而提高了生产力。温度增高,一方面可以增加光合速率,另一方面却使蒸散加强,土壤变干,光合速率下降,而后一作用过程在半干旱地区大于前者,因而温度增高使生产力下降。单一气候因子敏感性试验表明,温度增高或降低2℃,年净初级生产力(NPP)变化约20%,中纬度半干旱草地地上生物量可以改变30%以上。降水量变化50%,年NPP改变37%,地上生物量将改变近30%。     

ENSO年代际变化对全球陆地生态系统碳通量的影响

使用动态植被陆面模式AVIM2,以NCEP (National Centers for Environmental Prediction)再分析气象资料作为大气强迫场,模拟了1953-2004年全球陆地生态系统净初级生产力(NPP)和净生态系统生产力(NEP) 的空间分布及时间变化特征。结果得到,1953-2004年陆地生态系统NPP和NEP全球总量52 a的C平均值分别为65 Pg/a和1.2 Pg/a,NPP呈明显的上升趋势,而NEP的上升趋势不明显。虽然NPP和NEP的年代际增长趋势不同,但是在20世纪70年代中期,NPP和NEP的年代际变化都出现了一个明显的突变,突变点后的增长趋势都没有之前的增长趋势高。这是由于太平洋的年代际振荡(PDO)冷暖位相影响了厄尔尼诺与南方涛动（El Nin~o Southern Oscillation,ENSO)的年代际变化,对NPP和NEP的年代际变化也产生了重要的影响。1976年以前PDO处于冷位相年,增加了ENSO冷位相的强度和频率,使热带地区的气候偏凉爽湿润,从而利于NPP和NEP趋势增长,而1976年以后PDO进入暖位相年,El Nin~o发生频繁,赤道地区多为干热的气候异常,会降低NPP和NEP的增长趋势。     

全球植被分布对气候影响的数值试验

利用一个新的陆－气双向耦合模式R42_AVIM, 通过有无植被覆盖的对比试验分析, 探讨了全球植被分布对气候和大气环流产生的潜在影响。得出: 陆面植被覆盖使得地表特征参数发生行星尺度的明显改变, 在叶面积指数大的热带和中高纬度森林带尤其显著。在现实植被分布下, 陆地表面反照率减小, 地表净辐射收支和地表潜热通量增加, 而地表感热通量减小。植被叶面积指数比较大的区域地表温度降低, 并且这种温度的改变一直延伸到对流层中上层, 在热带表现为斜压结构, 而在中高纬表现为相当正压结构。植被的存在使热带和中高纬度森林带的蒸发和相应的高层凝结潜热加热增强, 从而增强了经圈环流的上升支, 使得冬季在热带和南半球中纬度降水增多, 夏季在热带和北半球中高纬地区降水明显增多; 而经圈环流下沉支的增强致使副热带降水减少且更干旱。同时, 植被的存在使大陆潜热释放增强, 气温下降, 减小了海陆温度对比, 亚洲夏季风也有所减弱。     

简论人类圈(Anthroposphere)在地球系统中的作用

工业革命后, 人类活动影响地球环境达到了空前的程度。近年提出的人类世 (anthropocene) 概念就是为表征地球系统演变进入了这一特殊的新纪元。然而, 人类活动并非单向地影响自然, 它在改变自然环境的同时, 环境变化也影响着人类行为, 迫使人类去适应自然变化, 改变生存方式。为更深入地表征人类活动与地球环境相互作用的这种特征, 作者讨论了在地球系统模式里引入“人类圈 (anthroposphere)” 的必要性以及由此带来的新的科学挑战, 并提出了构建包含人类圈的地球系统模式的一些思路。     

Use of a land surface model to evaluate the observed soil moisture of grassland at the Tongyu reference site

A land surface model driven by the continuous three-year observed meteorological data with a time interval of 30 minutes at the Tongyu station, a reference site of the Coordinated Enhanced Observing Period （CEOP）, was used to evaluate the observation bias of soil moisture （SM） data and analyze the variation of SM at different time scales. The saline-alkaline soil of the grassland at the Tongyu site makes the measured SM too high, especially in boreal summer of 2003-05. The simulated annual mean SM has the lowest value in 2004 and its three-year variation corresponds to the change of precipitation, whereas the observation shows the increasing trend from 2003 to 2005. Compared to the variation range between -60% and 40% for the anomaly percentage of the simulated daily mean SM during May-October of 2004, the measured data show the higher values more than 40%. The magnitude of the variation trend of the observed daily mean SM in 2003 and 2005 is generally consistent with the simulation. The largest deficiency for the soil moisture observation of the grassland is the overestimated value in the drought year with less precipitation. The simulated monthly mean SM has the lowest value in March due to the large contribution of evaporation relative to precipitation and this phenomenon can not be reproduced in the observation.