全球变化科学领域的若干研究进展

介绍了中国科学院大气物理研究所东亚中心在全球变化科学研究方面的一些进展.主要包括:(1)参与了国际和国内全球变化科学的开拓工作;(2)提出了区域水平上的全球变化研究新方向;(3)气候突变和全球增暖的区域响应研究;(4)东亚季风区植被-大气相互作用研究;(5)区域环境系统模式的发展和亚洲区域模式的国际比较研究活动;(6)提出了对全球变化的人类有序适应的概念、试验观测、理论和方法;(7)面向国家需求的全球变化问题北方干旱化研究;(8)陆地生态系统碳循环研究等.     

全球变化与区域干旱化

本文总结了已完成的国家重点基础研究发展规划计划项目(“973”项目)“我国生存环境演变和北方干旱化趋势预测”(1999～2004年)和正在执行的“973”项目“北方干旱化与人类适应”的有关干旱化问题研究的部分成果。主要是中国科学院大气物理研究所最近几年在近代区域干旱化的事实及全球联系方面的研究进展,并对全球增暖背景下区域干旱化的形成机理展开讨论。     

全球变化的区域响应和适应

20世纪 90年代以来 ,全球变化研究进入了一个新的时期 ,其研究方向发生了重大调整 :从认识地球系统基本规律的纯基础研究为主 ,扩展到与人类社会可持续发展密切相关的一系列生存环境实际问题的研究 ;从研究人类活动对环境变化的影响 ,扩展到研究人类如何适应全球环境的变化 ;在更高层次上进行地球系统的综合集成研究。文中对日益受到重视的全球变化区域响应和适应研究的背景进行了分析 ,并着重介绍了一些概念和研究进展 :( 1)对全球和区域环境变化的适应同可持续发展之间的关系。两者应存在协调统一的关系。同时 ,适应应是对区域和全球环境系统的整体性和系统性适应 ,不应是局部的和片面的。( 2 )“有序人类活动”的研究框架。介绍了对“有序人类活动”的一些基本认识 ,以及在虚拟试验研究、示范区建设和长期监测研究等方面的进展。( 3 )集成研究。以东亚区域环境系统和北方干旱化的集成研究为例 ,介绍了集成研究的方法和过程     

近代中国北方干湿变化趋势的多时段特征

利用CRU(Climate Research Unit)月降水和月平均气温资料, 通过构造一个既包含降水变化又考虑温度变化对潜在蒸发影响的干湿指标, 对我国北方近100年(1901～1998年)、 50年(1951～2002年)、 20年(1981～2002年)和近10年(1991～2002年)干湿变化趋势进行了系统的检测和分析, 突出了在全球增暖背景下温度变化对干湿变化的重要影响, 揭示了中国北方四个不同时段干湿变化趋势的基本特征.结果表明: 由于受温度升高的影响, 近100年我国西部地区降水尽管增加但并不存在变湿趋势, 而东部地区降水显著增加的地区明显呈现出变湿趋势, 显著变湿的范围较降水增加的范围大, 且强度明显增强, 这与这个地区温度的降低有关.在近50年, 100°E以东的北方地区是明显的干旱化趋势; 西北西部显著变湿的范围较降水显著增加的范围为小, 而东部干旱化区域的范围较降水显著减少的区域大.这充分说明了增暖能够减弱降水增加对地表水分收支的贡献, 也就是加剧降水减少的干旱化程度.在近20年, 新疆北部尽管降水量有所增加, 但并未改变该地区干旱化的时空格局, 也未发现显著的变湿趋势存在, 这个时段北方大部分地区仍然以干旱化趋势为主.特别值得注意的是, 在有些地区干湿指标的变化趋势与降水的变化趋势完全相反.在20年和近100年时段上, 我国西部大部分地区仍处在一个干旱化的进程中, 而华北地区在20年和50年时段上均表现为一个干旱化的趋势.     

试论生态环境与气候变化对我国西部经济社会的影响

我国西部地区生态环境脆弱,干旱气候显著且年际变率大．对区域经济社会发展的影响重大。西部地区的生态气候环境形势严峻,水土流失严重,荒漠化加剧,环境污染严重,高寒干旱气候典型。生态环境对西部地区经济社会的影响：一是我国社会经济发展的资源基地和生态屏障;二是由于生态环境恶劣,在西部开发投资难度大、条件差、成本高。改善西部地区生态环境的建议对策：用科学发展观统揽西部地区生态环境建设;通过生态与特色经济发展绿色GDP;加强防灾减灾与气候资源的开发利用;政府要加大西部地区生态治理的资金投入。     

《大气边界层物理和大气化学国家重点实验室》简介

自工业化以来,由于人类的活动,使得厚度为一二公里、与人类和其他生物息息相关的大气边界层环境遭到了日益严重的污染和破坏。例如,大量污染物排入大气,使得人们时刻呼吸的空气质量变坏;二氧化硫和氮氧化物的大量排放造成了酸雨;大气中二氧化碳、甲烷等温室气体浓度的增加,可能是全球气候变化的主要原因;氟氯碳类化合物不断排入大气,破坏了保护人类和其他生物的臭氧层;空气中气溶胶颗粒物浓度的增加,不但影响能见度,而且也改变辐射平衡;地表生态环境破坏,加速了干旱化和沙漠化,等等。因此,近年来世界各国普遍关注那些与社会、环境、生态和经济发展密切相关的大气科学问题的研究。 大气边界层是地圈、生物圈与大气圈之间进行能量和物质交换的界面和场所,它既     

东北半干旱区退化草地土壤温度的日、季变化特征

在国家基础研究发展规划项目(973)"我国生存环境演变和北方干旱化趋势预测研究"支持下,吉林通榆"干旱化和有序人类活动"长期观测实验站于2002年10月建成并正式开始观测,该站也是国际协同加强观测计划(CEOP)观测网中36个地面站之一。本文利用2002年10月—2005年12月高密度连续观测资料,对退化草地下垫面土壤温度变化特征进行了分析。发现在东北半干旱地区,退化草地0~10 cm深处土壤温度日变化明显,20 cm处日变化较弱(冬季无明显日变化),50 cm以下无日变化;土壤温度0~80 cm存在明显的年变化周期,20 cm以下位相滞后明显,土壤垂直温度梯度经历一个负→转换期→正→转换期→负的年循环。土壤冻结期约96天。太阳辐射是影响土壤温度长期变化的主要因素;土壤表层温度、湿度的日变化对降水事件的响应因降水强度、时间等的不同而不同。太阳辐射是影响土壤温度长期变化的主要因素;土壤温度对降水事件的响应近似一渐变过程,而土壤湿度相对是一快速的跃变响应过程。     

干旱化对北方地区农业结构的影响

“干旱化对北方地区农业结构的影响”是国家重点基础研究发展规划项目“我国生存环境演变和北方干旱化趋势预测研究”的专题之一。该专题的主要研究内容包括3个部分: （1）我国北方地区生态功能区的划分及评述; （2）水资源的演变及其对农业生产的影响; （3）干旱化对北方干旱半干旱地区农业结构的影响及调整方案。 目前已完成了第一阶段的工作。研究采用遥感信息解译北方地区植被覆盖度,通过植被覆盖度推算出水土保持作     

应用BIOME-BGC模型研究典型生态系统的潜热通量——半干旱地区吉林通榆的模拟

年降雨量和年蒸发量在某种程度上反映了区域内水资源的丰富程度。随着社会和经济的发展,我国东北西部半干旱区的水资源供需矛盾日益突出。作者应用BIOME-BGC模型模拟了国际协调强化观测计划(CEOP)亚洲季风比较研究(CAMP)的一个地面观测基准站半干旱地区吉林通榆2002年10月~2003年9月草地和农田生态系统的潜热通量,并将模拟结果与通榆“干旱化和有序人类活动”长期观测站涡度相关法测定的观测值进行了比较,结果表明两者基本一致。此外,CEOP的观测数据对模型的验证和改进具有重要意义,半干旱区水资源的合理利用须引起当地政府和群众的重视。     

中国北方干旱化年代际特征与大气环流的关系

用CRU和ECMWF资料分析了近代中国北方干湿变化特征及其与东亚大气环流异常特征的关系.结果表明:中国北方干旱化具有显著的年际、年代际特征,20世纪70年代末干湿发生显著转变,西北东部和华北地区变干趋势明显,北方大部分地区干旱现象严重;中国北方地区当前的干旱化时空格局与东亚夏季风异常特征密切相关,夏季风减弱以及由此造成水汽输送量减少是导致干旱化发展的主要原因,而低层大气反气旋环流增强和气旋性环流减弱是引起干旱化的异常环流特征.     

气候变化及人类活动对西北干旱区水资源影响研究综述

本文回顾了西北干旱区气候变化事实及其对水资源影响的最新研究进展,从气候变化和人类活动两个角度综述了水资源变化的原因,以及未来西北干旱区水资源变化与适应对策。研究表明：1961年以来西北干旱区呈现明显暖湿化趋势,其中冬季增温最快,夏季降水增加速率最大。伊利河谷、塔城等地区增温趋势最大,北疆降水量增加最多。受气候变暖导致冰雪快速消融和山区降水增加的影响,西北干旱区西部河流黑河、疏勒河、塔里木河出山口径流量显著增加。由于东部河流石羊河径流的补给主要靠降水,降水的减少导致径流呈现下降趋势。不合理人类活动造成石羊河、黑河和开都河中下游径流减少。本文提出了西北干旱区亟待深入研究的任务：极端天气气候事件的变化规律及其对水资源影响;未来气候变化和水资源的预估;气候变化归因研究;气候变化-社会经济活动一体化适应策略选择;水资源科学合理定量分配等。     

中国北方地区1961～2000年干旱半干旱化趋势

本文基于中国551站1961～2000年的逐日降水资料,对不同季节和全年降水量的变化趋势进行了分析。结果表明,北方地区除东北外近40a来气候呈现干旱化趋势,尤其是河套地区标志线明显东移,半干旱区逐年东移;年的干旱化主要发生在河套地区,各季的干旱化分布不尽相同,有强有弱,有早有迟,但多是以河套地区为主,四季均表现为干旱化。     

Impact of land use changes on surface warming in China

Land use changes such as urbanization, agriculture, pasturing, deforestation, desertification and irrigation can change the land surface heat flux directly, and also change the atmospheric circulation indirectly, and therefore affect the local temperature. But it is difficult to separate their effects from climate trends such as greenhouse-gas effects. Comparing the decadal trends of the observation station data with those of the NCEP/NCAR Reanalysis (NNR) data provides a good method to separate the effects because the NNR is insensitive to land surface changes. The effects of urbanization and other land use changes over China are estimated by using the difference between the station and the NNR surface temperature trends. Our results show that urbanization and other land use changes may contribute to the observed 0.12℃ (10 yr)- 1 increase for daily mean surface temperature, and the 0.20℃ (10 yr)- 1 and 0.03℃ (10 yr)-1 increases for the daily minimum and maximum surface temperatures, respectively. The urban heat island effect and the effects of other land-use changes mayalso play an important role in the diurnal temperature range change. The spatial pattern of the differences in trends shows a marked heterogeneity.The land surface degradation such as deforestation and desertification due to human activities over northern China, and rapidly-developed urbanization over southern China, may have mostly contributed to the increases at stations north of about 38°N and in Southeast China, respectively. Furthermore, the vegetation cover increase due to irrigation and fertilization may have contributed to the decreasing trend of surface temperature over the lower Yellow River Basin. The study illustrates the possible impacts of land use changes on surface temperature over China.     

不同陆面过程模式对半干旱区通榆站模拟性能的检验与对比

随着全球气候变化和伴随而来的日益严重的干旱化问题,干旱/半干旱地区的陆气相互作用引起了越来越多的重视。利用国际协同强化观测期(CEOP)观测资料对3个不同的陆面过程模式BATS、LSM和CoLM在半干旱区通榆站进行了模拟检验与对比,考察了不同陆面过程模式对半干旱地区的模拟性能。结果表明,3个模式都可以较好地模拟出半干旱地区地气间的能量通量的季节和日变化,但模拟性能存在较大差异。对于地表温度和出射长波辐射的模拟,BATS表现最优;而对于感热和潜热通量的模拟,CoLM和LSM要好于BATS,其中CoLM的表现最好。各模式的模拟性能随着季节不同存在着很大的差异,夏季的模拟要好于冬季,3个模式都不能很好地模拟冬季该地区的潜热通量,说明对半干旱地区冬季地表过程的刻画还有待进一步提高。     

一个水文模型与区域气候模式耦合的数值模拟研究(英)

在陆面过程方案中考虑精细的水文模型有助于改善对区域水文及气候的模拟。建立了一个考虑降水及入渗空间非均匀性的水文模型,并将其并入陆面过程方案BATS中。通过区域气候模式耦合模拟试验,得到如下主要结论:陆面水文的模拟对降水及入渗空间非均匀性的考虑非常敏感:考虑入渗非均匀性后,提高了径流系数,这与湿润地区水分平衡的观测结果更一致;入渗非均匀参数化方案的引入对区域水文及气候模拟的影响比降水非均匀参数化方案的引入要大:不透水面积在区域中的考虑所揭示的特征与我国北方干旱化趋势是一致的。     

土地利用变化对20世纪中国地区气候干湿变化的影响

利用CMIP5耦合模式历史情景和土地利用情景结果,定量评估了模拟的土地利用变化对20世纪中国地区气候干湿变化的影响。结果表明,土地利用的变化加剧了20世纪中国地区干旱化的进程,其贡献约为1/3。其中,湿润区具有显著变干的趋势,土地利用变化的贡献约为35.4%;半干旱区显著变干,土地利用对半干旱地区变干的贡献不显著;两种情景下干旱区干湿变化都不显著。在土地利用情景下,中国地区土地利用的变化主要表现为一级土地的减少和牧草用地的增加,二者分别从国土面积的72.7%和12.9%(1901年)变为36.0%和41.9%(2004年),且1950年代之后变化速率显著增大。其中大面积显著的变化主要发生在青藏高原、内蒙古以及新疆北部地区,导致这些地区降水减少、温度降低,而降水减少带来的干旱化作用大于温度降低带来的变湿作用。     

21世纪初中国北方地区植被变化特征分析

利用增强型植被指数(EVI)作为植被活动的指标, 用MODIS-EVI时间序列数据定量分析了2000～2009年间中国北方地区EVI的变化规律。结果表明:1)21世纪初中国北方地区植被覆盖总体改善, 局部退化, 10年来区域年平均EVI增加5.97%;2)逐季节平均EVI均呈现上升趋势, 春季、秋季上升幅度小, 夏季、冬季上升幅度大;3)中国北方地区植被稀少的区域呈减少趋势, 同时单位面积EVI增加, 植被生长更加茂盛;4)中国北方地区EVI变化空间异质性大。东北平原、华北平原、黄土高原和新疆农业区显著增加, 东北和西部部分地区植被退化。     

中国区域陆地水资源数值模拟分析

利用NCAR公用陆面模式CLM3(Community Land Model 3)模拟1979-2003年的土壤蒸发量和植被蒸腾量,分析了中国区域水资源(降水减去地面蒸发和植被蒸散)的气候特征及变化特征.全国水资源分布从东到西、从南到北依次递减,这与全国多年降水分布一致,其中长江以南地区是水资源丰富区,西北地区尤其是新疆地区是水资源匮乏区.从水资源线性变化趋势来看,长江以北大部分地区水资源呈减少趋势,特别是四川盆地和东北地区,变干趋势显著,水资源减少速率为10～15mm/10a;长江以南地区年水资源增加,增加中心在两广地区,水资源增加速率达20～30mm/10a.     

Recent land cover changes on the Tibetan Plateau: a review

This paper reviews the land cover changes on the Tibetan Plateau during the last 50 years partly caused by natural climate change and, more importantly, influenced by human activities. Recent warming trends on the plateau directly influence the permafrost and snow melting and will impact on the local ecosystem greatly. Human activities increased rapidly on the plateau during the last half century and have significant impacts on land use. Significant land cover changes on the Tibetan Plateau include permafrost and grassland degradation, urbanization, deforestation and desertification. These changes not only impact on local climate and environment, but also have important hydrological implications for the rivers which originate from the plateau. The most noticeable disasters include the flooding at the upper reaches of Yangtze River and droughts along the middle and lower reaches of Yellow River. Future possible land cover changes under future global climate warming are important but hard to assess due to the deficits of global climate model in this topographically complex area. Integrated investigation of climate and ecosystems, including human-beings, are highly recommended for future studies.