全球变化背景下的植物物候模型研究进展与展望

植物物候学是研究自然界的植物(包括农作物)和环境条件(气候、水文、土壤等条件)的周期性变化之间相互关系的科学.植物物候不仅通过物种间的物候适应度差异影响生态系统结构和功能,还可以通过改变植被冠层与近地面大气之间的碳、水和能量交换影响局地天气和气候系统.因此,准确模拟植物物候期对于理解生态系统对气候变化的响应,以及模拟陆地生态系统碳、水和能量平衡具有重要的意义.全球变化背景下物候学研究取得蓬勃发展,但物候模型研究相对滞后.物候模型模拟结果的不准确,已成为全球陆面模式模拟陆地生态系统碳、水循环准确性的重要限制因素.基于新的实验手段,明确物候响应气候变化机制,构建基于过程的植物物候模型,已成为全球变化生态学领域重要的前沿问题.文章首先综述了不同环境因子对植物物候的影响,回顾了植物模型发展历史,指出了气候变化背景下的植物物候模型所面临的挑战,探讨了结合机器学习和贝叶斯等数学方法的物候模型优化思路,以提高物候模型在全球变化背景下物候模拟和预测的准确性.     

全球变暖背景下中国森林春季木质部物候提前的模拟证据

植被物候对当前和未来全球气候变暖的响应,直接影响森林生态系统初级生产力的变化.然而,由于树木木质部物候的监测数据十分稀少,学界较少关注树木木质部物候的变化,这阻碍了对森林大空间尺度碳收支的评估和预测.本研究使用基于生理生态过程的树轮生长模型(Vaganov-Shashkin模型)模拟1962～2016年中国森林站点春季树木木质部物候(木质部生长季开始时间)的时空变化.使用实测树轮宽度序列(70条)对树轮生长模型模拟结果进行校正,校正后的模拟结果与已有独立的微树芯监测结果显著相关.模拟结果发现,全球变暖背景下春季木质部物候在1962～2016年期间显著提前,其提前速率在20世纪90年代后显著增快,平均每年提前0.25天.生长季前的日均温与大多数站点(71%)的生长季开始时间显著相关,表明其可能是中国树轮站点春季木质部物候的主要气候驱动因子.春季增暖的气温允许树木生长的热量需求更早达到,因此导致春季木质部物候显著提前.生长季前日均温每升高1℃,春季物候提前6～7天,这将有益于偏冷湿环境下树木的径向生长.模拟的春季树木木质部物候与遥感物候间存在显著正相关,表明全球增暖背景下树木初生生长和次生...     

基于物候记录的中国中部关中地区公元600～902年冬半年温度重建

历史文献中的物候记录是揭示气候变化的重要证据.本文从隋唐时期历史文献中提取出周期性气象、水文事件(如初霜日期等)、农业物候记录(如春耕日期等)和观赏植物物候记录(如山桃始花等)等77个年份的87条历史物候记录.通过建立现代物候期与气温的转换方程,并代入上述历史物候期,重建了中国中部关中地区公元600~902年的冬半年(10月至次年4月)温度变化.关中地区600~902年气候可划分为前暖后冷等2个阶段,这一时期冬半年平均温度比1961~1990年高0.23℃.其中,600~800年冬半年温度比现代高0.38℃,而800~902年比现代低0.08℃.上述重建结果与已有研究在整个时段内的平均温度和由暖转寒的阶段相一致,在各阶段的冷、暖程度上存在一定差异.本研究为进一步了解中国隋唐时期的温度变化提供了参考.     

全球变暖对淡水湖泊浮游植物影响研究进展

全球变暖对湖泊生态系统的影响已经成为近年来湖沼学领域的研究热点.本文首先列举了目前研究全球变暖对淡水湖泊浮游植物影响的常用方法:监测数据分析、时空转换、遥感信息提取、控制实验、模型预测和古湖沼学技术等.研究结果表明气候变暖导致的气温升高、湖泊热力分层提前破坏以及无冰期提前等因素可导致春季物候提前;在全球变暖大背景下浮游植物群落结构正朝着蓝藻占优的方向发展,但是不同地区以及不同物种对全球变暖的响应不一致.在营养盐充足的湖泊中,由于全球变暖延长了浮游植物生长季节等,从而能提高浮游植物初级生产力;但在贫营养湖泊中,浮游植物初级生产力与变暖趋势甚至可能呈负相关.由于生态系统往往是多因子的共同作用,这也使得全球变暖对浮游植物群落的影响效应复杂化,区分各因子的净影响份额是目前研究的一个难点;全球变暖引起的风场改变会促进浅水湖泊中营养盐从底泥的释放,同时也会增加水体中悬浮物的浓度而影响水下光场,因此开展气候变化对再悬浮及浮游植物群落结构的影响可能是将来研究的一个切入点.     

全球变暖、碳排放及不确定性

近年来人们对全球变化尤其是对气候变暖及其机制的争论达到了前所未有的程度.本文对气候变化研究的最新进展和国内外动态进行了梳理,得出如下观点和结论：（1）全球变暖是客观事实,但由于多种原因,全球升温多少存在不确定性;（2）人类活动和自然因素共同影响着气候变化,但其相对贡献量难以量化;（3）政府间气候变化专门委员会（IPCC）认为CO2等温室气体浓度的增加是全球变暖的主要因素,但学术界对此有异议,因为作用于温度变化的自然和人为机制并不十分明确,大气中CO2的来源也存在不确定性.因此,在得出准确结论之前,需要加大力度研究和明确这些不确定性.     

末次冰盛期以来东亚季风变化历史——中国北方的地质记录

全球变暖对中国北方气候的影响已经引发了学术界的广泛关注,地质增温期东亚季风变迁历史可为理解未来气候变化提供重要参考.文章主要基于中国北方夏季风边缘带的湖泊、黄土等记录的古植被信息,探讨了末次冰盛期至全新世全球增温过程中东亚季风的变化历史.地质记录显示,末次冰盛期东亚冬季风增强,夏季风减弱,中国北方气候干冷,大部分地区呈现荒漠草原或干草原景观,贺兰山以东沙地的东南边界和现代沙地边界接近或略向东南方向小幅扩张.在由冷转暖的末次冰消期,东亚冬季风逐渐减弱,夏季风逐渐增强,但在快速变冷的Heinrich 1(H1)和Younger Dryas(YD)事件期间,中国北方气候变干.全新世冬季风减弱,夏季风显著增强,季风雨带向西北推进至少300km,中国中东部干旱区范围大幅度缩小,北方喜暖喜湿植物显著增加.从夏季风边缘带的记录看,中全新世夏季风最为强盛.显然,古增温有利于东亚夏季风的增强,从而极大改善中国北方的生态环境.如果全球变暖持续下去,中国北方将变得湿润.与轨道尺度记录相比,高分辨率的古植被记录较为缺乏,全新世气候突变事件以及百年-十年尺度气候旋回尚需深入研究,应作为今后研究的重点.     

全球变暖对淡水湖泊浮游植物影响研究进展

全球变暖对湖泊生态系统的影响已经成为近年来湖沼学领域的研究热点。本文首先列举了目前研究全球变暖对淡水湖泊浮游植物影响的常用方法：监测数据分析、时空转换、遥感信息提取、控制实验、模型预测和古湖沼学技术等。研究结果表明气候变暖导致的气温升高、湖泊热力分层提前破坏以及无冰期提前等因素可导致春季物候提前;在全球变暖大背景下浮游植物群落结构正朝着蓝藻占优的方向发展,但是不同地区以及不同物种对全球变暖的响应不一致。在营养盐充足的湖泊中,由于全球变暖延长了浮游植物生长季节等,从而能提高浮游植物初级生产力;但在贫营养湖泊中,浮游植物初级生产力与变暖趋势甚至可能呈负相关。由于生态系统往往是多因子的共同作用,这也使得全球变暖对浮游植物群落的影响效应复杂化,区分各因子的净影响份额是目前研究的一个难点;全球变暖引起的风场改变会促进浅水湖泊中营养盐从底泥的释放,同时也会增加水体中悬浮物的浓度而影响水下光场,因此开展气候变化对再悬浮及浮游植物群落结构的影响可能是将来研究的一个切入点。     

气候变化与持久性有机污染物全球循环

作为全球变化的主要表现之一,气候变暖对人类赖以生存的地球环境已经产生了不可磨灭的影响.其中,气候变暖如何影响污染物传播引起了科学家的广泛关注.持久性有机污染物(POPs)是可以进行全球传输的污染物.揭示气候变暖对POPs全球循环的影响机制对于准确理解POPs循环的过程和相关政策的制定具有重要的指导意义.本文综述了此领域近十年来的主要研究工作,总结了气候变暖对POPs排放、迁移、储存、降解和毒性的影响,简述了相关模型的特点和主要应用,并指出目前研究中存在的问题以及未来研究的主要方向.在气候变暖条件下,POPs全球循环的变化主要体现在以下几个方面:(1)全球变暖直接促进了POPs的二次排放,升温将导致POPs从土壤和海洋中挥发出来,而冰川融化、冻土退化则可以将POPs二次释放进入淡水生态系统;(2)全球极端气候(干旱和洪水)通过剧烈的地表侵蚀过程,将土壤所负载的POPs重新释放进入环境,进而改变了POPs的全球分布;(3)气候变暖条件下大气与海洋环流的变化将显著改变全球POPs的迁移路径;(4)气候变暖改变了海洋生物生产力,进而改变了海洋对POPs的储存能力;(5)部分地区水生及陆地食物链结构在气候变暖的情景下发生了明显变化,这种变化可以导致POPs在生态系统中毒性的放大;(6)尽管气候变暖在促使POPs再挥发的同时也加速着其降解的过程,但是总体上气候变暖增加了环境中POPs的总量;(7)各种模型的耦合应用对未来气候变暖情景下POPs环境行为的反馈与响应进行了预测,这些工作有助于政策和法律制定者在POPs控制措施中全面考虑气候变暖对POPs环境载荷的影响.在未来,气候变暖与全球变化的其他表现协同影响POPs的循环将是下一步的研究重点,POPs与碳循环、水循环互相关联耦合,其相互作用机制将是生态系统对气候变化适应性研究的一个新方向.     

中国北方近500年沙尘暴活动及机制

由于缺乏可靠的、长时间、高分辨率沙尘暴地质记录,中国北方沙尘暴的历史及机制迄今尚未完全澄清.本研究基于内蒙古岱海准确定年的沉积物粗粒度组分(63μm)重建了中国北方过去～500年沙尘暴活动历史.高分辨率数据显示岱海地区沙尘暴频发期主要集中在AD1520～1580、AD1610～1720、AD1870～2000三个阶段.该区的沙尘暴活动与其他典型的历史资料及地质档案所记录的中国北方沙尘暴事件基本同步,且尘暴事件频发期大致对应于寒冷时段.我们认为受温度变化调控的西伯利亚冷高压强度变化以及西风强度变化可能是沙尘暴活动的主控因素.一个重要的特征是,尽管沙尘暴活动在近代全球变暖时期呈系统性增强,但在该时段内却呈现出明显的减弱趋势.近现代沙尘暴活动的增强可能与因人类活动增强而导致的粉尘供应量增加有关,而该时段内沙尘暴减弱趋势可能与近现代全球变暖导致的平均风速降低有关.     

近40年来贝加尔湖区气候变化及其对湖泊水位的影响

气候变化对湖泊水位的影响是湖泊研究的关注热点.作为欧亚大陆最大淡水湖,贝加尔湖水位变化深受自然因素和人类活动的共同影响.在全球变暖背景下,贝加尔湖水位升降将对维系流域生态系统与社会发展至关重要.为此,基于湖区气象站、水文站和湖泊水位观测数据,采用突变检验、变异系数检验等方法,分析了过去40年贝加尔湖周边气候变化及其对水...     

海洋表面盐度与海洋环流和气候变化的关系

依据Argo的海洋盐度观测及降水、蒸发、海面高度等数据分析了全球海洋表层盐度的平均态和低频变化特征及其与海洋环流和气候变化的关系,并结合前人成果对海洋盐度的研究进行了回顾和展望.蒸发减降水在最低阶上决定了海洋表层盐度的分布,海洋环流动力过程在大部分海域调整了海洋表层盐度的空间结构,并影响了海洋表层盐度的低频变率.全球变暖的情况下,海洋表层盐度表现为盐度高的地方会变得更高、盐度低的地方会变得更低,表征为整个水循环系统的加强.在最近20年全球变暖停滞期,海表盐度变化与全球变暖的趋势不同,更多地体现了对气候系统的年代际及多年代际振荡的响应,此阶段对应着Walker环流加强;西太平洋和东南印度洋海表盐度的反向变化揭示了跨海盆尺度海洋动力过程的重要性,海洋Rossby波和印尼贯穿流的共同作用使得东南印度洋海表盐度显著降低;在东南太平洋和北大西洋更多地体现了全球变暖下的海表盐度单调升高或降低的响应.期待未来的盐度卫星能够提供更高时空分辨率的盐度数据,这将和Argo观测一起,拓展我们在中尺度动力学、区域海洋学以及气候变化等方面的认知.     

水分胁迫对内蒙古羊草草原生态系统光合和呼吸作用的影响

在全球气候变化条件下,全球陆地区域的降水量及其空间/时间分布模式将发生明显改变,这种变化将对中国的陆地生态系统,尤其是干旱地区的温带草地生态系统碳收支产生重要影响.作为中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的一部分,本研究利用2003至2004年在内蒙古羊草草原的涡度相关通量观测数据,初步探讨了水分胁迫对羊草草原生态系统光合和呼吸作用的影响.研究发现温度和水分是影响该生态系统在生长季(5～9月)的光合和呼吸作用的主要因子.在土壤水分适宜条件下,生态系统呼吸对温度变化的敏感性较大(Q10=2.0),而当土壤含水量降低时生态系统呼吸对温度的敏感性明显降低(Q10=1.6).高温和干旱会显著降低生态系统的光合生产力.生长季的降水量及其季节分配模式的不同对草地生态系统的生物物候有明显的影响,在2003年6月初生态系统就开始净吸收CO2、在7月初出现最大净生态系统CO2吸收量,而因随后发生的干旱和高温胁迫使其在8月就提早进入休眠期;2004年春季的严重干旱导致生态系在7月初才开始净吸收CO2,并在降水丰沛气温适宜的8月出现最大CO2吸收量,水分胁迫导致该草地植物生长发育比2003年推迟1个多月.观测结果显示该草地生态系统在2004年5～9月比2003年同期多吸收30 g CO2·m-2.我国温带草原植被类型复杂多样,要准确估算我国草地生态系统碳收支还需要开展更多的长期联合观带研究.     

植被变化驱动机制的样带研究

采用以植物功能型为基础的中国气候-植被分类模型,利用中国1951～1980年30年的气象数据及全球最低和最高温室气候排放方案下的未来气候情景（SRES-B2和SRES-A2）,模拟了中国东北样带和中国东部南北样带的植被分布格局及其变化．结果表明,植被分布格局在未来气候变化情景下将发生重大变化,而驱动植被分布格局变化的关键因子是热量和水分,但是不同植被类型的变化对热量和水分的响应程度不同．植被变化对热量的敏感性要大于水分,未来气候变暖将对植被分布格局产生重大影响．     

基于星载被动微波遥感的青藏高原湖冰物候监测方法

湖冰物候影响着区域及全球气候,是全球变化的敏感因子,青藏高原湖泊众多,冻融现场监测数据缺乏,而微波具有对冰水相变敏感、时间分辨率高、历史存档数据长等特点,这对于长时间序列湖冰物候研究具有重要意义.然而,被动微波遥感空间分辨率低、湖泊亮温的精准定位难.论文通过获取AMSR-E/Aqua和AMSR-2/Gcom-W1的亮温数据,构建了基于轨道亮温数据的阈值判别法,通过对青藏高原不同区域和不同大小的青海湖、色林错、哈拉湖以及阿其克库勒湖进行测试研究:与青海湖现场观测对比,湖泊完全冻结日期与开始融化日期最大误差小于3天;与无云光学遥感判别结果相比,4个湖泊的冻融参数误差为2~4天.结果表明,被动微波轨道亮温数据可实现青藏高原地区亚像元级中大型湖泊冻融信息的获取,历史卫星资料可为湖冰物候的监测提供重要的支撑.     

祁连山中部过去近千年温度变化的树轮记录

对采自祁连山中部的树木年轮样品交叉定年后, 建立了树轮宽度标准指数序列. 通过树轮标准年表与附近气象站观测数据的相关分析表明, 在森林上限, 树木生长主要受温度变化的影响, 年轮宽指数序列中主要包含温度变化的气候信息, 对树轮生长影响最大的气候因子为前一年12月~当年4月平均温度. 祁连圆柏轮宽标准指数序列反映的温度变化很好地表现了小冰期降温特征及20世纪的全球气温持续变暖趋势. 与祁连山敦德冰芯δ¹⁸O所反映温度变化比较说明, 冰芯和树轮所记录的温度变化趋势基本一致. 轮宽序列表现出的冷暖特征与北半球温度变化存在较好的一致性, 表明祁连山地区气候变化不仅受区域条件的影响, 而且对全球气候变化作出了响应.     

20世纪温度变化中自然变率和人为因素的影响:基于耦合气候模式的归因模拟

本文基于中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学国家重点实验室(LASG/IAP)发展的气候系统模式FGOALS_gl对近百年气温变化的模拟,讨论了自然变率和人为因素对20世纪全球变暖的相对贡献.数值试验结果表明,在自然和人为因子的共同强迫作用下,耦合模式能够合理再现20世纪全球平均气温随时间的演变;仅在自然因子作用下,模式不能再现1970年以后的全球变暖.自然因素对20世纪第一次变暖的作用是显著的,但温室气体是20世纪后期变暖的主要原因.在这一定性结论基础上,进一步对近百年变化中自然和人为因素的相对贡献做定量的归因分析,结果表明,除赤道中东太平洋和北大西洋外,人为因素对近百年的增暖起决定性作用.对全球、半球及大陆尺度而言,外强迫可以解释平均气温变化的70%以上,而内部变率贡献较小;但对于区域尺度而言,多数地区内部变率的贡献大于外强迫,区域尺度气温变化的机制较全球、半球尺度要复杂.对中国地区而言,20世纪早期的气温变化受自然变率影响,但20世纪后期的变暖主要是温室气体增加的结果.中国东部气温变化的空间分布表明,自然因素对近50年及近百年中国地区的变暖趋势贡献较小.在自然和人为因子共同作用下,模式能够再现近50年中国东部气温变化冬春两季增暖的特征、但没有模拟出夏季长江中下游地区及淮河流域的降温趋势;自然因子试验的结果表明,太阳活动对该区域的变冷有贡献,但模式无法再现该地区气温的季节变化特征.     

专题：遥感与全球变化研究——编者按

全球变化,包括气候变化以及在地球内外多圈层交互作用下发生的其他环境变化.全球变化给人类和其他地球生命带来了机遇,有其积极的一面,但同时也带来了更多的挑战和负面影响.目前这种影响已经涉及地球系统的主要过程和人类活动的各个方面.例如森林的过度砍伐导致生物多样性下降,全球变暖已经导致海平面上升,同时也增加了极端气候事件和自然灾害发生的频率.全球变化在改变自然环境的同时对经济社会发展也产生了深刻影响,妥善应对全球变化的挑战是人类实现可持续发展的重要保障.     

中国石笋古气候研究的回顾与展望

石笋是洞穴次生碳酸盐的一种,是由含Ca2+和HCO3的洞穴滴水滴到洞穴地面后,水中碳酸钙在一定条件下过饱和析出,经年复一年沉积形成.石笋是古气候研究的重要地质材料之一,其优势在于空间分布广、适合UTh和U-Pb精确定年、气候代用指标丰富、记录较连续、时间跨度较大、相互对比性强和采样成本低等.以上有利因素使得洞穴石笋在全球气候变化研究领域有着不可替代的重要作用.石笋古气候研究于20世纪60～70年代在欧美等西方国家起步,中国的相关研究是在改革开放后80～90年代中期逐步发展起来的.这一时期虽然总体研究水平与国际水平有较大差距,但打下了良好的研究基础、培养了多个人才队伍.进入21世纪,以2001年发表南京葫芦洞石笋记录为起点,中国石笋古气候研究在开放合作的基础上,迎来了蓬勃发展和真正意义上的飞跃,产生了重大国际影响,在多个相关技术和研究领域迈向了国际前沿.标志性成果包括建立了目前世界最长的东亚季风(64万年)石笋记录,以及印度季风(28万年)、南美季风(25万年)、北美西风区(33万年)、中亚西风带(13.5万年)和中国西部西风带(50万年)最长的石笋记录,奠定了这些气候系统石笋古气候研究的里程碑;揭示了轨道-亚轨道尺度上亚洲季风与太阳辐射、南-北极地气候变化的关联,以及与南美季风的反相位关系,为发展轨道-亚轨道气候变化理论提供了新的内涵和证据;阐述了亚洲季风与西风带气候模态之间的耦合和分异关系;精细刻画了全新世亚洲季风变化历史、提供了中国和印度文明-文化演化的水文气候变化背景;建立了大量的2000年以来的高分辨率石笋记录,对理解短尺度气候变率、幅度、事件、周期及预测未来气候变化具有重要意义;改进或发展了包括U-Th测年技术在内的多项重要技术和新的水文气候学指标;为精准重建大气14C做出了重要贡献.展望未来,中国石笋界将继续发展关键技术、进一步厘清石笋指标的水文气候学意义、注重与相关学科的融合交叉、聚焦全球气候变化的前沿科学问题和重大社会需求,做出新的更大的科学贡献.     

气候变化背景下1981～2010中国小麦物候变化时空分异

物候是气候变化可靠有力的指示物之一,作物物候变化及其影响机制研究对于应对气候变化和指导地区农业生产有重要意义.由于缺乏长时段连续观测数据,全国尺度的作物生长季内连续多个物候期的变化,尤其是物候期变化趋势的时空分异特征研究报道较少.本文基于全国4个小麦种植区内48个农业气象站1981～2010年的长序列物候观测记录,量化了小麦10个关键物候期和相应生长阶段长度的时空变化.结果表明,1981～2010年期间,在小麦生长季内气候显著变化背景下,小麦物候也发生了显著变化.在全国尺度,播种期、出苗期、三叶期和乳熟期平均推迟幅度分别为0.19、0.06、0.05和0.06d a~(-1);而分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期和成熟期平均提前幅度依次为0.02、0.15、0.21、0.17、0.19和0.10d a~(-1);营养生长阶段长度和生长季长度分别平均缩短0.23和0.29d a~(-1),而生殖生长阶段长度平均延长0.06d a~(-1).不同种植区小麦物候期及生长阶段长度的变化趋势不尽相同.小麦生长季长度对生长季内气候因子变化敏感度的空间分异特征在春、冬小麦之间表现得尤为突出.春(冬)小麦生长季长度均随着生长季内平均温度上升而缩短(延长);所有种植区小麦生长季长度均随生长季内降水和日照时数增加而延长.其中,春小麦生长季长度对降水的敏感度小于冬小麦,但对日照时数的敏感度大于冬小麦.在进行农业生产管理时应因地制宜,充分考虑小麦物候变化及其对不同气候因子变化响应的空间分异特征.     

全球气候变化的成因初探

温室效应不是气候变化的唯一因素,温室气体的主体不是二氧化碳而是水汽.当水汽凝聚为云,就会遮蔽阳光,起到降温作用.太阳辐射量变化不足以解释气候变化的振幅,关键在于存在太阳能量积累和释放的多种效应,其中“海底藏冷效应”和“海洋锅炉效应”最为显著.太阳能在地球各圈层的不同分配也是地表气候变化的原因之一,其中“地磁层漏能效应”和“臭氧洞漏能效应”最为显著.气候变化周期是天文周期微力激发的结果,其能量来自太阳能量的长期积累.目前处于1500～1800年气候周期的变暖高峰,200年气候周期的变冷初期,60年气候周期的变冷阶段.本文通过历史资料反复核对,证实太阳黑子延长极小期、太阳黑子周期长度大于11年时期、潮汐极大期、低温有明显的对应关系,已经查出重复出现两个连续周期,除太阳活动变化外,强潮汐是其形成的原因.全球气候有准60年、200年、18000年等周期,这些周期与潮汐周期有很好的对应关系.特别是179～200年周期,在太阳黑子活动、潮汐变化和冷暖变化中都有明显的表现,形成对应的周期规律.分析结果显示,气候冷暖变化的原因不只限于大气层本身,而确有可用于气候预测的星体运行的变化信息.规律表明,2007年开始的太阳黑子延长极小期和潮汐极大期使我国可能进入严重低温冻害时期,并将在2020年达到高潮,必须做好预防准备.