中国西北地区气候态变化对极端天气监测的影响

中国西北地区对气候变化的响应极其敏感,西北地区1961-2013年气候变化趋势,分为Ⅰ态（1961-1990年）、Ⅱ态（1971-2000年）、Ⅲ态（1981-2010年）和Ⅳ态（1961-2013年）等4个气候态。利用西北地区年平均气温和降水资料、日最高气温极值和日最大降水量极值资料,基于两种极端天气事件的定义,分析了气候态变化对极端天气监测的影响。结果表明：年平均气温变化受气候态改变的影响较年降水量更为明显。在Ⅰ态和Ⅱ态下进行气温要素评价分析,会突出气温升高的现象,在Ⅲ态下会出现气温降低,气候态改变对降水量等级影响很小。Ⅰ态、Ⅱ态和Ⅲ态下,在20世纪70年代和90年代以来的两个时段内,日极端高温和日极端降水事件均出现增多,其中Ⅰ态增多幅度最大,Ⅲ态的影响最小。在空间分布上,西北地区受气候态影响的敏感区域,主要是新疆北部、青海北部、甘肃中部和东部、宁夏大部和陕西部分地区。     

气候变化对东北地区玉米生产的影响

利用气象观测数据、玉米产量及面积资料,分析了东北地区气候变化事实及对玉米生产的影响。研究表明:1971年以来,东北地区≥10℃积温增加了262.8℃,≥10℃积温带(以2700℃为例)平原区向北推进了约200～300km左右,向东扩展50～150km。1991年开始玉米生长季(4～9月)降水量持续减少,年平均水分亏缺量达391.5mm,湿润区缩小,有变干趋势。初霜日推后7～9天,无霜期延长了14～21天,霜冻灾害几率降低。20世纪90年代后,玉米延迟型冷害进入低发期。随着热量资源的增加,玉米可种植区范围不断扩大,种植北界北移东扩,玉米适播起始时间提前。玉米总产、播种面积增加趋势分别为967万t/10a、72万hm2/10a。未来40年东北地区玉米产量以减产为主,与过去30年(1961～1990年)相比平均减产9.5%左右。调整玉米种植布局和品种搭配,依靠水利工程和推广旱作农业技术,选种耐旱、抗病、抗逆性强的玉米品种,是实现东北玉米生产可持续发展的主要措施。     

近50年气候驱动下东北地区玉米生产潜力时空演变分析

利用GAEZ模型,综合考虑气象、土壤、地形等因素,估算1961-2010年东北玉米生产潜力,分析50年来气候变化导致的东北玉米生产潜力时空格局演变特征。研究发现：① 1961-2010年,东北玉米平均生产潜力波动较大,整体上以每10年80 kg/hm²的线性倾向率增加;② 由于气候变化,20世纪末、21世纪初玉米生产潜力变化较为频繁;③ 玉米生产潜力总值黑龙江省始终处于最高,近50年间增长幅度黑龙江省>吉林省>辽宁省;④ 近50年来,黑龙江省玉米生产潜力的波动较为剧烈,吉林省和辽宁省相对稳定;⑤ 近50年东北玉米适宜种植区有所增加,主要集中在黑龙江省西北地区,高生产潜力区域增加明显,呈现北移趋势。研究可为东北地区高效利用气候和土地资源,优化玉米生产布局提供依据。     

1981-2010 年柴达木盆地气候要素变化特征及湖泊和植被响应

以1981-2010 年柴达木盆地及其周边气象站点逐月气温和降水量资料为基础, 通过气候趋势分析、气候突变分析等方法, 研究了柴达木盆地气候要素的变化特征, 并结合Landsat TM/ETM+影像、NOAA/AVHRR-NDVI和EOS/MODIS-NDVI 数据, 研究了近30 年来柴达木盆地湖泊面积和植被生长的动态变化及其对气候要素的响应。结果表明:① 1981-2010 年, 柴达木盆地气温整体升高, 秋冬增幅最为明显, 年平均气温在1997 年发生暖突变, 1998 年以后升温趋势显著。② 1981-2010 年, 柴达木盆地年可利用降水量经历了“减少—增加—减少—增加”的变化, 但整体呈增加趋势, 1980-1985 年、1990-2001 年, 年可利用降水量呈减少趋势;1985-1990 年、2001-2010 年, 年可利用降水量呈增加趋势。③ 柴达木盆地湖泊面积受夏季可利用降水量影响显著, 1985-2010 年, 托素和冬给措纳湖泊面积呈“扩张—萎缩—扩张”变化;1985-1990 年, 湖面轻微扩张;1990-2001 年, 湖面明显萎缩;2001 年以后, 湖面显著扩张。④ 柴达木盆地植被生长受生长季可利用降水量影响显著, 1982-2010 年柴达木盆地植被生长呈“退化—改善—退化—改善”变化, 但整体呈改善趋势;1982-1985 年植被轻微退化, 1985-1990 年植被轻微改善, 1990-2001 年植被显著退化, 2001 年以后植被显著改善。     

近30年东北亚南北样带气候变化时空特征分析

以东北亚南北样带为研究区,基于NCDC气象数据,采用统计分析、线性趋势分析和累积距平分析法,对近30 a来东北亚地区的气候变化进行了系统研究。结果显示：1980~2010年,样带温度变化整体以升温态势为主,1996年后进入偏暖阶段,显著升温区年升温速率在0.05℃/a以上。降水变化整体表现为南减北增的空间分异格局,南部在1999年后进入偏少阶段,北部在2004年后进入偏多阶段,降水显著减少区,年降水量减少速率在5 mm/a以上;降水显著增加区,年降水量增加速率在5 mm/a以上。     

东北地区植被分布全球气候变化区域响应

根据东北地区生态气候环境和生物地理规律对Holdridge生命地带分类系统进行修正,将东北地区植被分为寒温带湿润森林、寒温带潮湿森林、温带湿润森林、暖温带湿润森林、温带半湿润森林草甸草原、温带半湿润草甸草原、温带半干旱典型草原、暖温带半湿润草甸草原和暖温带半干旱典型草原等9 个生命地带并分析了其空间分布特征。运用大气环流模式分析东北地区由于温室气体增加导致的气候变化趋势。以此为基础评价东北地区植被分布的区域响应。全球气候变暖情景下,东北地区暖温带和温带范围明显扩大,而寒温带范围缩小甚至退出东北地区,植被分布界限显著北移;同时湿润区面积减少半湿润区和半干旱区扩大,导致森林面积缩小草原面积扩大。     

近30年中国农作物种植结构时空变化分析

综合运用时序变化趋势、空间集聚分析等方法,从种植结构类型和种植比例变化趋势分析了1980年以来中国县域种植结构的时空特征。结果表明：① 近30年来中国前10位的种植结构类型有16种,2002年后多元种植结构逐步替代单一型种植结构。粮食作物占优的单一种植结构类型呈逐年递减趋势,其中1980年全国82.7%的县级农业种植结构是水稻、小麦、玉米及其组合种植类型,2002年后的果蔬类型增加改变了种植结构格局。② 全国种植县中有47%的水稻、61%的小麦和29.6%的玉米的种植比例显著减少,其他作物呈现增加趋势。粮食作物由以水稻为主的格局调整为水稻、小麦和玉米共存格局,其中玉米种植面积比例在空间上变化最为显著,在中国形成北东—西南向的“玉米减少带”。种植结构调整热点的城市地区,城市化对种植结构变化影响显著,水果和蔬菜类种植比例在城市化地区快速增加。③ 种植结构变化趋势在1300个县形成空间集聚效应,水稻的高高聚集占全国县数的2.86%、小麦占5.64%、玉米占6.11%、大豆为4.53%、麻类为1.62%、棉花占7.77%、蔬菜占8.24%、薯类占12%、水果占10%、糖料占1.41%、油料占9.35%,主要分布于中国东北、新疆和沿海的城市化地区。     

东北地区水稻延迟型冷害时空特征及其与气候变暖的关系

利用水稻延迟型冷害分级指标和1951-2010 年东北地区101 个气象台站的逐日气温资料,采用累计距平、相关系数、气候倾向率、趋势系数等方法分析东北地区水稻延迟型冷害时空变化特征及其对气候变化的响应。结果表明：蒙东地区西部、吉林东部和黑龙江交界延迟型冷害出现的频率较大,辽宁中南部延迟型冷害出现的频率较小。东北地区严重冷害出现频率高于轻度冷害和中度冷害。轻度、中度、严重延迟型冷害都呈下降的趋势,特别在1994 年后延迟型冷害呈快速下降的趋势,东北地区水稻延迟型冷害与气候变暖有着较好的对应关系,5-9 月平均气温和延迟型冷害呈明显反相关,5-9 月平均气温升高1℃,水稻延迟型冷害减少约45次。     

1961—2010年中国东北半干旱区东界变化趋势分析

气候带边界的变化是大尺度地理特征对气候变化的响应方式之一,半干旱区的边界变化对其响应尤为敏感。我们整合了中国东北地区50年(1961—2010年)的气象数据,以降水量和温度所计算的干燥度指数作为干湿气候带划分的指标,在ArcGIS中采用Kriging空间插值法,在不同时间尺度上分析了近50年来中国东北半干旱区东界的波动趋势。结果表明:中国东北半干旱区界限变化呈整体向东、向南扩展的趋势,其变化受时间累积效应的影响,在50年(1961—2010年)尺度上范围最大,面积为285 648.4km2。数据分析表明,降水量减少是导致半干旱区边界变化的主要因素,气温的影响次之。     

Inter-annual variations in vegetation and their response to climatic factors in the upper catchments of the Yellow River from 2000 to 2010

To understand the variations in vegetation and their correlation with climate factors in the upper catchments of the Yellow River, China, Normalized Difference Vegetation Index（NDVI） time series data from 2000 to 2010 were collected based on the MOD13Q1 product. The coefficient of variation, Theil–Sen median trend analysis and the Mann–Kendall test were combined to investigate the volatility characteristic and trend characteristic of the vegetation. Climate data sets were then used to analyze the correlation between variations in vegetation and climate change. In terms of the temporal variations, the vegetation in this study area improved slightly from 2000 to 2010, although the volatility characteristic was larger in 2000–2005 than in 2006–2010. In terms of the spatial variation, vegetation which is relatively stable and has a significantly increasing trend accounts for the largest part of the study area. Its spatial distribution is highly correlated with altitude, which ranges from about 2000 to 3000 m in this area. Highly fluctuating vegetation and vegetation which showed a significantly decreasing trend were mostly distributed around the reservoirs and in the reaches of the river with hydropower developments. Vegetation with a relatively stable and significantly decreasing trend and vegetation with a highly fluctuating and significantly increasing trend are widely dispersed. With respect to the response of vegetation to climate change, about 20–30% of the vegetation has a significant correlation with climatic factors and the correlations in most areas are positive： regions with precipitation as the key influencing factor account for more than 10% of the area; regions with temperature as the key influencing factor account for less than 10% of the area; and regions with precipitation and temperature as the key influencing factors together account for about 5% of the total area. More than 70% of the vegetation has an insignificant correlation with climatic factors.     

气候变化对祁连山北坡农林牧业结构的影响与对策研究

揭示了气候持续变暖是祁连山北坡现代气候变化的基本特征。1986年是气候发生明显转折的年份,1987—2003年的平均气温比1961—1986年升高0.8℃,≥0℃积温和≥10℃积温增加142℃和131℃,呈线性上升趋势;降水量平均增加7.5 mm,呈曲线缓慢增多趋势。由于气候变暖,使农作物适生种植区和作物种植上限高度不同程度的提高,其中喜热棉花、喜温玉米和喜凉甘蓝型油菜分别提高100 m左右、150 m左右和200 m左右,种植面积迅速扩大,呈直线上升趋势。依据农业气候生态资源垂直分布特征和15种主要作物气候生态适生种植区以及农林牧业结构布局特点,采用气候生态相似原理,将祁连山北坡大体分为5个农林牧业气候生态区,建议性提出各区农林牧业结构的比重以及夏粮、秋粮、经济作物和饲草的种植比例,并阐明了各区未来主要发展方向。     

西北干旱区极端气候水文事件特征分析

中国西北干旱区是对全球变化响应最敏感地区之一。气候变化导致气候水文系统的不稳定性加剧,极端气候水文事件的频度和强度增大、重现期缩短,灾害程度加重。借助资料分析和文献阅读,对过去50 a中国西北干旱区极端气候/水文事件的发生规律、影响机制及未来趋势进行了梳理总结,主要结论如下：（1）西北干旱区的极端气候/水文事件呈逐年增加趋势,特别是20世纪70年代以来增加显著;气温和降水极值都表现为一致的增强趋势。降水量的增多是降雨频率和强度共同增加的结果。（2）中国西北干旱区低温、降水极值在1986年左右发生了明显的突变,高温极值在1996年左右发生突变。突变后,气温和降水极值均发生了显著增强变化。（3）北半球极涡面积指数和青藏高原指数对西北干旱区气候极值变化具有重要影响,冬季极值还受冬季北极涛动和北大西洋涛动等影响。（4）新疆地区有变暖湿趋势,而河西走廊东部则为变干趋势。强大的西伯利亚高压和增强的贝加尔湖气流造成新疆地区降水增加,而河西走廊干旱增加是由东亚夏季风减弱引起的。     

Impacts of future climate change on agroclimatic resources in Northeast China

In this study, the spatial distribution and changing trends of agricultural heat and precipitation resources in Northeast China were analyzed to explore the impacts of future climate changes on agroclimatic resources in the region. This research is based on the output meteorological data from the regional climate model system for Northeast China from 2005 to 2099, under low and high radiative forcing scenarios RCP4.5 (low emission scenario) and RCP8.5 (high emission scenario) as proposed in IPCC AR5. Model outputs under the baseline scenario, and RCP4.5 and RCP8.5 scenarios were assimilated with observed data from 91 meteorological stations in Northeast China from 1961 to 2010 to perform the analyses. The results indicate that: (1) The spatial distribution of temperature decreases from south to north, and the temperature is projected to increase in all regions, especially under a high emission scenario. The average annual temperature under the baseline scenario is 7.70°C, and the average annual temperatures under RCP4.5 and RCP8.5 are 9.67°C and 10.66°C, respectively. Other agricultural heat resources change in accordance with temperature changes. Specifically, the first day with temperatures ≥10°C arrives 3 to 4 d earlier, the first frost date is delayed by 2 to 6 d, and the duration of the growing season is lengthened by 4 to 10 d, and the accumulated temperature increases by 400 to 700°C·d. Water resources exhibit slight but not significant increases. (2) While the historical temperature increase rate is 0.35°C/10a, the rate of future temperature increase is the highest under the RCP8.5 scenario at 0.48°C/10a, compared to 0.19°C/10a under the RCP4.5 scenario. In the later part of this century, the trend of temperature increase is significantly faster under the RCP8.5 scenario than under the RCP4.5 scenario, with faster increases in the northern region. Other agricultural heat resources exhibit similar trends as temperature, but with different specific spatial distributions. Precipitation in the growing season generally shows an increasing but insignificant trend in the future, with relatively large yearly fluctuations. Precipitation in the eastern region is projected to increase, while a decrease is expected in the western region. The future climate in Northeast China will change towards higher temperature and humidity. The heat resource will increase globally, however its disparity with the change in precipitation may negatively affect agricultural activities.     

我国夏玉米潜在种植分布区的气候适宜性研究

根据我国188 个夏玉米农业气象观测站资料与1971-2000 年10 km×10 km空间分辨率的气候资料,结合国家层次和年尺度筛选出的影响我国玉米种植分布的潜在气候指标,利用最大熵(MaxEnt) 模型和ArcGIS空间分析技术,构建了我国夏玉米潜在种植分布与气候因子关系模型,研究了影响我国夏玉米潜在种植分布的主导气候因子及其气候适宜性。结果表明,影响我国夏玉米潜在种植分布的主导气候因子有：无霜期、年平均温度、≥ 10 oC积温持续天数、≥ 0 oC积温、≥ 10 oC积温、最冷月平均温度、最热月平均温度、年降水;采用夏玉米存在概率这一综合反映各主导因子作用的指标,将我国夏玉米潜在种植分布区划分为4 个等级：最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区,并阐述了各气候适宜区的气候特征。研究结果可为夏玉米种植的科学布局及制定应对气候变化政策提供参考。     

2001-2015年间我国陆地植被覆盖度时空变化及驱动力分析

本文基于MODIS-NDVI遥感数据反演计算了我国陆地2001—2015年地表植被覆盖度的空间分布,讨论了植被覆盖度的时空变化规律,分析了影响植被覆盖度近十几年来动态变化的主要驱动因素。研究结果表明：我国陆地植被覆盖度从2001—2015年,植被覆盖度总体上呈增加趋势,其中淮河流域、华北平原地区、以及黄土高原地区增加趋势显著。根据植被覆盖度在时间序列上的变化特征,可将其变化类型分为持续增长型、先减小后增长等六种类型,其中农业种植区基本为一直增长型,而主要森林覆盖区,特别是西南地区的植被覆盖度在研究时段内表现出波动性的变化特征。降水是驱动华北平原北部,内蒙古,以及西北大部分区域植被覆盖度动态变化的重要因素,东北、青藏高原等地区植被覆盖度受温度的影响较大,而在中国东南沿海地区,光照条件是影响该区域植被覆盖度的主要因素。     

中国西北地区气候转型的新认识

近年来,中国西北地区的气候变化问题引起了社会各界的广泛关注,施雅风曾在2002年提出中国西北气候可能会从暖干向暖湿转型,自此学者们对中国西北气候“变暖变湿”现象的关注也逐渐增多,对于近20 a来气候转型的时间、范围和程度有了一些新的认识。基于此,选用1960—2019年逐月气温和降水量资料对中国西北地区气候变化特征进行了再分析。结果表明：（1） 1960—2019年中国西北地区平均气温和降水量均呈上升趋势,增暖趋势显著,增湿趋势较弱。（2） 自1997年后气温和降水量迅速增加,尤其是中国西北地区的东部地区降水量的增加速率超过同时期的西部地区。且研究初步认为,1997年以来中国西北气候的确出现了向暖湿转型的趋势且转型时间较前人预期的更早。（3） 气候转型的范围相较前人研究也有所变化,甘肃陇东地区由未转型区转变为显著转型区,青海东、西部地区由原来轻度转型区转变为显著转型区,而祁连山中西段地区由之前的显著转型区转变为轻度转型区。     

2000~2010年陕北地区植被NDVI时空变化及其与区域气候的关系

采用相关关系分析、空间统计分析和叠置分析,研究陕北地区2000~2010年植被NDVI的时空变化特征,并从温度和降水2个方面分析植被NDVI变化与区域气候的关系。研究表明,该地区植被NDVI经历了从相对快速增长到小幅波动,再到平稳增长3个阶段。其中,陕北中东部区域植被覆盖增加显著,北部变化不大,南部略微下降。同期该区域气候干热化趋势有所改善,植被覆盖变化与区域气候相关性不高,气候对植被覆盖的影响主要表现为对植被生长期年内韵律的控制方面。     

2000—2018年青海湖流域气温和降水量变化趋势空间分布特征

青藏高原是全球气候变化的敏感区,气温和降水量的空间分布及变化趋势是气候变化研究的核心和基础,为开展生态环境变化评估提供基础资料。基于2000—2018年青海湖流域及其周边气象站观测数据,以高程为协变量,结合专业气象插值软件ANUSPLIN对气温和降水量进行空间插值。利用线性回归法分析了青海湖流域2000—2018年气温和降水量的变化趋势;利用双变量空间自相关分析法分析了青海湖流域气温和降水量空间匹配关系。结果表明：（1） 2000—2018年青海湖流域年平均气温呈显著增加趋势,平均增速为0.30 ℃·（10a）^-1,春季增温显著。（2） 降水量呈显著增加趋势,平均增速为73.20 mm·（10a）^-1,春夏季增速显著、秋季变化不明显、冬季趋于变干。（3） 青海湖流域气温和降水量空间匹配差异显著。从年尺度来看,气温和降水量莫兰指数（Moran’s I）为-0.66,表现为显著的负相关,面积比为67.56%,水热组合空间匹配不佳。从季节尺度来看,青海湖流域春季、夏季、秋季和冬季的气温和降水量Moran’s I分别为-0.49、-0.80、-0.32和-0.14,均为空间负相关。春夏季,流域低海拔区域气温逐渐升高,高海拔区域降水量逐渐增多,气温和降水量空间负相关面积逐渐增大,水热组合空间匹配不佳。值得强调的是青海湖巨大水体对环湖区局地气温的调节作用明显,是青海湖流域的“气候调节器”。     

1999—2010年中国西北地区植被覆盖对气候变化和人类活动的响应

中国西北地区气候干旱,频繁出现沙尘天气,属于生态脆弱区域,而植被变化是生态系统对气候变化响应的指示器,研究其变化对改善西北生态环境具有重要意义.本文利用1999—2010年归一化植被指数(NDVI)以及气象数据研究中国西北地区植被覆盖时空变化,以Sen趋势度结合Mann-Kendall检验、相关和偏相关分析以及残差法分析人类活动和气候变化对植被覆盖变化的影响.结果表明:西北地区植被覆盖整体呈增加趋势,但在局部地区气候干旱少雨和人类活动抑制植被生长.植被变化强度空间差异是人类活动和气候要素共同作用的结果:气温高,降水少,大部分地区植被覆盖与气候要素相关显著,并且植被变化对气温和降水的响应存在一定滞后时间;蒸发量大于降水量,人类引水灌溉弥补降水不足,使得农业植被呈增长趋势.新疆北部地区植被覆盖呈下降趋势,原因是气候干旱、沙漠化严重会抑制植被生长,人类活动频繁、城市扩建同样会破坏植被生长.     

Vertical distribution of snow cover and its relation to temperature over the Manasi River Basin of Tianshan Mountains,Northwest China

How snow cover changes in response to climate change at different elevations within a mountainous basin is a less investigated question. In this study we focused on the vertical distribution of snow cover and its relation to elevation and temperature within different elevation zones of distinct climatology, taking the mountainous Manasi River Basin of Xinjiang, Northwest China as a case study. Data sources include MODIS 8-day snow product, MODIS land surface temperature (LST) data from 2001 to 2014, and in situ temperature data observed at three hydrological stations from 2001 to 2012. The results show that: (1) the vertical distribution of snow areal extent (SAE) is sensitive to elevation in low (<2100 m) and high altitude (>3200 m) regions and shows four different seasonal patterns, each pattern is well correspondent to the variation of temperature. (2) The correlation between vertical changes of the SAE and temperature is significant in all seasons except for winter. (3) The correlation between annual changes of the SAE and temperature decreases with increasing elevation, the negative correlation is significant in area below 4000 m. (4) The snow cover days (SCDs) and its long-term change show visible differences in different altitude range. (5) The long-term increasing trend of SCDs and decreasing trend of winter temperature have a strong vertical relation with elevation below 3600 m. The decreasing trend of SCDs is attributed to the increasing trend of summer temperature in the area above 3600 m.