极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响

近年来,极端气候事件发生频率增加,对陆地生态系统服务功能和人类社会生产生活造成严重影响.碳循环是驱动陆地生态系统变化的关键过程.准确理解和评估极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响,能为人类社会减缓和适应气候变化提供重要科学依据.文章以干旱、极端降水、极端高温和极端低温为例,系统总结了极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响及其机理.已有研究表明,干旱是当前陆地生态系统碳汇功能的重要胁迫因子,对生态系统生产力和呼吸都存在压制作用,但生产力对干旱的敏感性一般高于呼吸对干旱的敏感性,从而导致陆地生态系统碳汇功能显著削弱,甚至使之变成碳源.不同模型对干旱导致的碳循环变化模拟结果差异很大,显示目前学术界对生态系统碳循环响应干旱机制的认知有限,尤其是干旱对热带植被生长的影响机制仍存在较大争议.极端降水事件对生态系统碳循环的影响存在显著区域差异,一般认为,极端降水促进干旱地区生态系统碳积累,却不利于湿润地区生态系统固碳;但目前对极端降水导致的土壤碳侧向输移和土壤养分流失等间接影响过程的了解十分有限,致使结果存在很大不确定性.极端高温和极端低温也通过不同的机制过程影响生态系统碳循环,尤其值得注意的是其影响程度与这些事件的发生时间存在密切关系,但这一联系还有待进一步研究.基于已有认识,建议未来关于极端气候事件对碳循环影响的研究重点应该是关注其长期效应和不同时间尺度上的作用机理,并加强基于多数据、多途径的多尺度集成研究.     

极端气候事件综合危险性等级指标构建及近60年来长江流域极端气候综合分析

本文利用经过均一化订正的长江流域共669个气象站近60年(1961—2020年)逐日观测资料,采用相对阈值和绝对阈值相结合的极值分析方法,对长江流域近60年极端高温事件、极端低温事件、极端干旱事件和极端降水事件进行识别,分析了年发生频率和线性变化趋势.在此基础上,考虑到全国极端气候事件发生情况,构建了多个极端气候事件综合危险性等级指标,比较客观地给出了长江流域极端气候事件综合危险性等级.研究结果表明,相对于全国其他地区,长江流域大部分地区极端气候综合危险性等级较高,虽然自1961年以来综合年发生频率呈现弱的线性减少趋势,但自20世纪90年代以来,长江流域极端气候事件发生的危险性相对于全国其他地区明显偏高.通过对不同极端气候事件危险性和变化规律研究,结果表明：长江流域近60年极端干旱事件年发生频率呈现线性减少趋势,与全国他其区域相比较,长江流域大部分地区极端干旱发生的危险性等级都在中级以上,说明长江流域容易发生极端干旱事件;长江流域近60年极端降水事件年发生频率呈现弱的增加趋势,危险性等级指数分析表明,高危险区主要位于长江中下游地区,湖南西部、江西大部、湖北南部等地发生极端降水事件的危险性很高;近60年长江流域大部分地区极端高温事件显著增加,尤其进入21世纪以来发生更加频繁,但相对于全国其他地区,危险性等级较低;近60年长江流域极端低温事件显著减少,但相对于全国其他地区,极端低温事件发生的危险性增加明显.进入21世纪以来,长江流域极端气候事件的综合危险性不断增加,极端高温和极端干旱相伴而生的高温干旱复合型事件频繁发生,极端降水事件和极端低温事件在全国的占比不断升高,造成的社会经济影响越来越严重,说明长江流域加强极端气候事件风险防范的重要性和紧迫性.

     

气候变暖下太湖极端洪水的归因探讨

全球增温引起的降水变化是否引起极端洪水的增加,发生在不同气候背景的极端洪水事件可提供不同参照系;而不同驱动因子下气候、水文数值模拟为认识洪水发生和归因提供了有效途径.本文结合机理数值模拟和随机统计模拟两种途径,针对1990s和1880s的太湖流域特大洪水,通过GCM气候模拟驱动的流域水文模拟和不确定性的阈值模拟,分析19世纪末和20世纪末极端洪水的发生强度和频率的变化,从而论证极端洪水发生的风险系数.结果表明,1990s的极端洪水流量(0.1%的极端洪水流量(Q0.1%)为2929~3601 m³/s,0.5%的极端洪水流量(Q0.5%)为1842~1893 m³/s)比工业革命前大气温室气体状况下(Q0.1%为2069~3119 m³/s,Q0.5%为1436~1561 m³/s)显著增大.与19世纪末相比,由于太湖流域人类活动改变的流域下垫面在1999年特大洪水中引起最大增量占35%,本文模拟和分析的20世纪末气候下的洪水最大增量占60%.去除人类活动影响的下垫面变化,估计特大洪水风险的最大增量为25%,因此认为20世纪末气候变化引起的太湖极端洪水风险在增加;这将为认识与全球增温相关联的洪水灾害预测预警提供科学依据.     

当前威胁人类生存的十大环境问题

正(一)全球气候变暖由于人口的增加和人类生产活动的规模越来越大,向大气释放的二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氯氟碳化合物、四氯化碳、一氧化碳等温室气体不断增加,导致大气的组成发生变化,大气质量受到影响,气候有逐渐变暖的趋势。较高的温度可使极地冰川融化,淹没一些海岸地区。全球变暖还可能影响到降雨和大气环流的变化,使气候反常,易造成旱涝灾害,这些都可能导致生态系统发生变化和破坏,对人类生活产生一系列重大影响。     

极端气候事件-移民开垦-政策管理的互动

根据1661~1680年东北地区逐年人丁增长和起科耕地面积、相关政策与气候变化信息, 分析了东北地区的移民开垦与华北水旱灾事件的互动关系, 为认识极端气候事件的异地响应提供了实证. 发现: 1661~1680年间东北的移民开垦是对华北旱灾事件的异地响应, 1665~1680年移民开垦高峰期总体上对应于直隶、山东的1664~1680年的旱灾频发时段和东北的少灾期, 其间3次移民垦殖的峰值分别对应于3次干旱事件, 只是土地开垦高峰期比华北旱灾频发期一般落后1~2年左右. 1668年停止招垦、实行封禁政策是满清政府对华北灾害引起的大规模移民的响应, 该政策虽未能完全阻止流民的纷纷出关, 但确实起到了降低移民垦殖规模的效果, 使东北地区的开发至少推迟了200年. 1670年代起科年限的频繁变化等政策调整也是对气候灾害事件的响应行为. 气候灾害-移民开垦-政策构成了一个有机联系的响应链, 体现出气候变化影响与政策响应的互动性.     

中国平均降水和极端降水对气候变暖的响应:CMIP5模式模拟评估和预估

基于24个CMIP5全球耦合模式模拟结果,分析了中国区域年平均降水和ETCCDI强降水量(R95p)、极端强降水量(R99p)对增暖的响应.定量分析结果显示,CMIP5集合模拟的当代中国区域平均降水对增温的响应较观测偏弱,而极端降水的响应则偏强.对各子区域气温与平均降水、极端降水的关系均有一定的模拟能力,并且极端降水的模拟好于平均降水.RCP4.5和RCP8.5情景下,随着气温的升高,中国区域平均降水和极端降水均呈现一致增加的趋势,中国区域平均气温每升高1 ℃,平均降水增加的百分率分别为3.5%和2.4%,R95p增加百分率为11.9%和11.0%,R99p更加敏感,分别增加21.6%和22.4%.就各分区来看,当代的区域性差异较大,未来则普遍增强,并且区域性差异减小,在持续增暖背景下,中国及各分区极端降水对增暖的响应比平均降水更强,并且越强的极端降水敏感性越大.未来北方地区平均降水对增暖的响应比南方地区的要大,青藏高原和西南地区的R95p和R99p增加最显著,表明未来这些区域发生暴雨和洪涝的风险将增大.     

地球:人类的绿色家园

正地球,这个名字来源于对大地形状的认识,最早可以追溯到古希腊学者亚里士多德从球体哲学上"完美性"和数学上的"均衡性"提出"地球"这个名称和概念。西方人常称地球为盖亚,也就是"大地之母"的意思。距今46亿～35亿年,地球炽火喷涌、岩浆翻腾、波涛汹涌、天地分合,经过10亿年的巨变,地球迎来了春风化雨、润生千秋、昊阔展姿、生生不息的生命进化时代,展现出一幅幅"生克相依、万物一体"     

全球沙漠变化的气候影响

沙漠是重要的地表景观,其变化影响着人们的生产和生活.但是,目前对全球沙漠变化的规律及其气候影响了解有限.本文使用气候再分析数据和遥感产品,分别计算了全球沙漠的面积变化,分析了不同气候因子对沙漠变化的影响,并利用CMIP6(Coupled Model Intercomparison Project 6)模式结果,估算了未来全球沙漠变化趋势.结果表明,全球沙漠面积约17.64×10⁶km²,占陆地面积的12%;在20世纪80年代末到90年代快速减小,其中主要发生在北非和澳大利亚; 21世纪初沙漠开始缓慢扩张.气候干旱区面积存在年代际波动,各气候区干旱指数(AI)与沙漠面积变化有明显差异.相关性分析表明,降水增加对沙漠面积变化有直接影响;潜在蒸发、温度和湿度与沙漠面积呈明显相关关系,风速变化与沙漠面积的关系存在区域性差异. CMIP6模式结果表明,在ssp245和ssp585情景下, 21世纪全球沙漠都将有不同程度的扩张,其中,亚洲、非洲和澳大利亚沙漠扩张最多,而北非南部沙漠将会缩小、北非沙漠北移.     

2020年梅雨期极端降水的归因探讨和未来风险预估研究

2020年夏季我国经历了一场非同寻常的梅雨季,其持续时间长、暴雨日数多,为近几十年罕见.梅雨期间从日尺度到月尺度的降水均显著偏多,特别是持续性强降水(如连续四周最大累积降水量, Rx28day),较气候平均态偏多94%,打破了自1961年以来的历史记录.探讨人为强迫对此次梅雨期极端降水的影响及其物理过程,有助于理解和预估极端气候的风险变化.利用第六次耦合模式比较计划(CMIP6)检测归因模式比较计划(DAMIP),从事件归因角度,研究指出,人为强迫使得2020年夏季长江中下游流域持续性强降水(Rx28day)事件的发生概率减小了46%(22～62%).其中,温室气体有利于增加类似极端事件的发生概率(44%),这由增温引起的可降水量增加导致;而人为气溶胶则减少了其发生概率(73%),这与地表降温引起的可降水量减少、东亚夏季风环流减弱有关.未来随着温室气体的排放增加和人为气溶胶的减排,类似持续性强降水事件的发生概率将持续增加.在不同的共享社会经济路径(SSP)下,未来温室排放的情景越高,这类极端降水事件的发生风险越高.在低排放情景SSP1-2.6、中等排放情景SSP2-4.5和高排放情景SSP5-8.5下,到21世纪末,其发生概率分别约为当前气候下的4.6、13.6和27.7倍.因此,采取切实有效的温室气体减排措施,将有利于减缓极端降水事件的发生风险.     

江淮流域年极端降水事件分类特征及其致洪风险

利用百分位法提取出江淮流域1979~2016年间50个区域性年极端降水事件,分为长江、江淮和倾斜梅雨暴雨、台风Ⅰ型和Ⅱ型暴雨5类.各类降水事件位涡正异常轨迹显示,降水系统沿500h Pa副高外侧引导气流不断东传,并在江淮地区中重复出现是其共性特征.各类降水事件的传播路径在江淮南部地区汇集, 50个区域性年极端降水事件中有21个集中出现在江淮南部的秦淮河流域,平均雨量超过100mm,其中14个区域性极端降水事件致灾,致洪暴雨中5个为长江梅雨暴雨、6个为江淮梅雨暴雨、2个为台风暴雨、1个为倾斜梅雨暴雨.城市发展、河网水系改变与区域极端降水事件叠加使得江淮南部地区临严重洪涝风险.以致洪暴雨为致灾条件,利用Flood Area水动力模型模拟RCP6.0(RCP8.5)气候变化情景下南京地区土地利用改变带来的洪涝风险,结果显示位于洪涝高风险区的城镇面积将从2010年的3.86km~2(3.86km~2)增加到2100年的9.00km~2(13.51km~2),集中在地势低洼的禄口机场、江宁东山和溧水区,政府决策部门在进行城市发展规划时应当重视可能的洪涝风险.     

李廷栋:科学普及是最大的公益性工程

2020年新春佳节到来前夕,在中国科学院院士李廷栋办公室,笔者见到了这位虽已九十高龄,依旧身体硬朗、精神矍铄的区域地质学家。习近平总书记说过,科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼,要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置。没有全民科学素质普遍提高,就难以建立起宏大的高素质创新大军。谈起科普工作的重要性,李廷栋院士有许多想说的话。     

人类活动对射阳湖的影响

本文通过对众多历史文献和地方志资料的分析来研究人类活动对射阳湖演变的影响,结果表明,秦汉至南宋时期,范公堤,运河对射阳湖由古泄湖向淡水湖的演变影响很大,其中以范公堤尤甚,由于运河决堤次数少,河流堆积于湖区的泥沙量有限,对射阳湖的淤积作用不大;围湖造田对射阳湖的影响也不大,因此古射阳湖的面积还很大,黄河大规模夺淮的700多年间,尤其是明嘉隆以后射阳湖接受了大量黄河所携泥沙的沉积,不断缩小,运堤与湖堤的修建,使射阳湖洪患不绝,填淤加速,开挖河道宣泄内水,以及围湖造田等地使射阳湖日益萎缩,走向分化,解体,至清末射阳湖已成了一个长条状的河道型湖泊,大部分地区已被淤为荡滩沼泽或者被开垦为农田。     

Science:人类无法提前发现大地震

<正>所有地震在开始时看起来都一样,使人类无法预测哪些地震会带来早期观测造成的最大破坏。地震预警系统依赖于地震仪在主震开始之前监测到地震动,并对附近城市发出警报。即使是几秒钟的警告也可以为个人和医院等组织带来很大的不同。例如,墨西哥地震预警系统在2017年9月19日的7.1级地震之前就给所有人提供了10~15s的响应时间。     

土壤碳循环对大气环境及气候的影响

在人类进入工业革命前,碳循环是碳在大气、海洋和陆地生态系统间的流动。工业革命后,化石燃料的大量使用使得大气中的二氧化碳等温室气体含量急剧升高,温室作用随之加强,地球的温度也随之升高。随着这类现象的发生,“碳汇”也渐渐地进入到民众的视野。     

地磁活动对气候要素影响的研究进展

地磁活动是太阳爆发现象引起地球近地空间磁场扰动的重要空间天气过程之一.地球磁场的变化具有多种时间尺度,其中从数十年到数世纪的长时间地磁场变化主要是由地核磁场引起的,而从数秒到数年的短时间地磁变化与太阳活动有关.近年来,越来越多的统计研究表明,地磁活动与太阳活动和地球气候变化之间存在着显著的相关性.地球磁场和地球大气系统的耦合现象驱动着人们探索地磁活动对地球天气和气候系统影响的研究.本文的目的就是综述国内外地磁变化对气候影响的研究进展,介绍我们最新的研究成果,探索地磁活动对气候要素的影响特征和可能机理过程,为深入研究地磁活动对地球天气和气候的影响提供基础和依据,以期对地磁活动和气候要素关系有进一步的认识.     

城市化对北京气象站极端气温指数趋势变化的影响

利用5个乡村气象站和北京气象站(简称北京站)1960~2008年日最高、最低气温资料,比较分析了北京地区城市和乡村极端气温指数年、季节的时间变化以及城市化对北京站各极端气温指数趋势变化的影响.结果表明:1960~2008年北京站霜冻日数、冷夜日数、冷昼日数和平均日较差均显著减少,暖夜日数、暖昼日数、平均最高气温和平均最低气温均显著上升,这些指数的趋势变化全部通过了0.01显著性水平检验,其中霜冻日数、冷夜日数、暖夜日数、平均最低气温、平均气温日较差等与最低气温有关的极端气温指数比冷昼日数、暖昼日数、平均最高气温等基于最高气温记录的极端气温指数变化趋势更明显;城市化因素已致使北京站1960~2008年期间霜冻日数、冷夜日数和平均气温日较差显著减少,暖夜日数和平均最低气温显著增加,这些与最低气温有关的极端气温指数序列,其城市化影响都通过了0.01显著性水平检验.在北京站的霜冻日数、冷夜日数和平均气温日较差长期减少趋势中,城市化影响分别达到-5.78 d/10a、-17.83 d/10a和-0.73 ℃/10a,而在北京站暖夜日数和平均最低气温增加趋势中,城市化影响分别为14.76 d/10a和0.70 ℃/10a.在所有与最低气温有关的年平均极端气温指数的趋势变化中,城市化影响贡献率均达到100%,即观测到的趋势变化完全是由城市化因素造成的.城市化致使四季北京站冷夜日数、平均气温日较差均显著减少,暖夜日数、平均最低气温均显著增加,其中平均最低气温和平均气温日较差序列中的城市化影响在冬季最大,暖夜日数序列中的城市化影响在夏季最显著.     

固结比对土最大动剪切模量的影响

采用共振柱试验方法,研究了固结比对土最大动剪切模量的影响并给出了土最大动剪切模量的建议公式。通过对砂土、粉质黏土和粉土的系统试验,提出了不同固结比下土最大动剪切模量与固结比kc-1呈指数形式的增长模式,不同于Hard in公式最大动剪切模量与固结比kc呈直线形式的增长模式。同时给出了计算不同固结比下砂土、粉质黏土和粉土最大动剪切模量的建议公式,并与Hard in公式进行了对比,结果表明,固结比对土最大动剪切模量影响程度明显比Hard in公式要大,固结比对粉质黏土和粉土最大动剪切模量的影响程度要比对砂土的影响程度更大。     

人类活动对乌加河地震台背景噪声的影响

选取2022年5月和7月乌加河地震台测震和重力观测数据,应用噪声功率谱概率密度（PDF）方法,对比分析疫情防控政策背景下该台背景噪声变化,探究人类活动对观测数据的影响。结果发现：(1)测震数据记录：与2022年5月相比,7月噪声RMS值明显减小,分析认为,该月受乌加河地区疫情防控措施影响,人类活动减弱,表明人类活动对测震观测数据具有显著影响;(2)重力观测数据：在2个观测时段,置于同一观测山洞的重力仪背景噪声记录几乎无差别,表明人类活动对重力观测数据的影响较小,重力仪基本不受台站背景噪声的影响,从而验证了测震数据的准确、可靠。综合分析认为,人类活动对乌加河地震台背景噪声有一定影响,但重力仪由于其特性,观测数据基本不受人类活动影响。     

人类活动对青海湖水位下降的影响

青海湖是我国最大的内陆湖泊,位于青藏高原的东北隅。近三十年来由于自然要素和人为活动的影响,湖周生态环境急剧退化,湖水位下降达3.35m,湖面收缩约300多km~2。根据调查研究以及其他方面的资料。青海湖多年平均亏水量4.36×10~8m~3,而人为活动耗水量占亏水量的8.7％。仅占湖面蒸发量的1％。所以,人为耗水与湖水位波动无明显相关,湖水位下降虽然是综合效应,但主导因素是气候变化,并导致湖周生态环境的恶化。