MM5V3模式对IPCCA1B情景下中国地区极端事件的模拟和预估

利用MM5V3区域气候模式单向嵌套ECHAM5全球环流模式,对中国地区1978-2000年及IPCC A1B情景下2038-2070年气候分别进行了水平分辨率为50 km的模拟试验.文章首先检验了模式模拟的当代极端气候结果,在此基础上对6个极端温度指数和6个极端降水指数的未来变化进行了预估.检验结果表明:MM5V3模式对中国地区当代日最高、最低温度及强降水(大雨和暴雨)日数的空间分布和概率特征均具有一定的模拟能力,但模拟的日最高温度在大部分地区偏低,日最低温度在南方地区偏低、西北地区偏高.概率统计结果显示日最高温度向低值频段偏移,日最低温度在0℃的峰值附近明显偏高.模式对大雨和暴雨年平均日数的模拟在东部地区偏多,概率统计结果则为一致偏大.未来中国地区极端气候预估结果表明:极端高温、极端低温和相对高温在全国范围内都将升高,且线性趋势均为上升;霜日日数则为减少,并具有下降趋势;暖日日数和相对低温在青藏高原和新疆部分地区有所减少、其它地区均为增加,且线性趋势暖日日数为上升,相对低温不明显.极端降水指数的变化具有区域特征,其中单日最大降水、连续五日最大降水、最长无雨期、强降水日数、简单降水强度和极端降水总量均在江淮、华南及西南地区有所增多,而在东北及内蒙古地区有所减少,未来中国南方地区降水的极端化趋势将更加显著.极端降水指数的线性趋势除最长无雨期外其它均为上升.     

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...     

青藏高原雨季的客观监测方法及其近60年的变化趋势

本文通过对青藏高原降水季节演变特征的分析,选取日降水量和降水频率两个特征量来定义青藏高原各站点及全区的雨季,揭示了1961—2019年青藏高原雨季开始时间、结束时间、雨季长度和总雨量等的气候和变化特征.分析发现,青藏高原雨季的开始自东向西推进,而结束西早东晚,雨季持续时间自东向西缩短,雨季雨量东多西少.就青藏高原整体而言,雨季开始的平均日期在5月4日,结束的平均日期在10月15日,雨季平均持续163天,雨季雨量平均为413.2 mm.近60年,青藏高原雨季发生了显著变化,表现为开始时间提前、结束时间推迟、雨季延长、雨量增多.青藏高原各站点雨季的变化具有一定的区域性差异,主要表现为：高原雨季的开始整体提前,但是,高原东部边缘雨季开始提前的变化幅度相对较小;高原雨季的结束时间在南部和北部提前而在中部和东部推后;高原大部地区雨季雨量增多,但南部边缘等部分地区雨季雨量有所减少.     

Responses of water use efficiency to phenology in typical subtropical forest ecosystems——A case study in Zhejiang Province

Ecosystem-scale water-use efficiency(WUE) is an important indicator for understanding the intimately coupled relationship between carbon and water cycles in ecosystems. Previous studies have suggested that both abiotic and biotic factors have significant effects on WUE in forest ecosystems. However, responses of WUE to phenology in the context of climate change remain poorly understood. In this study, we analyzed the sensitivity and response patterns of seasonal WUE to phenology in Zhejiang Province where typical subtropical forest ecosystems are located, and discussed potential causes of the changes of the sensitivity and response patterns along different climate gradient during 2000–2014. The results of interannual partial correlation analysis showed widespread negative correlations between WUE and the start of growing season(SOS) in spring. This is because the increase in gross primary product(GPP) is larger than that of evapotranspiration(ET), resulting from an advanced SOS. The positive correlation between WUE and SOS was widely observed in summer mainly because of water stress and plant ecological strategy. The autumn WUE enhanced with the delay in the end of growing season(EOS)mainly because of the increase in GPP meanwhile the decrease or steadiness in ET, resulting from a delayed EOS. In space, the sensitivity of spring WUE to SOS significantly decreased along the radiation gradient, which might be related to strong soil evaporation in high radiation area;the sensitivity of WUE to SOS in summer showed a positive correlation with precipitation and a negative correlation with temperature, respectively, which might be attributed to the compensation of GPP to the delayed SOS and water stress caused by high temperature. The sensitivity of WUE to EOS increased significantly along the radiation and precipitation gradients in autumn, which may be because the increase of radiation and precipitation provides more water and energy for photosynthesis.     

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...     

区域气候模式对末次盛冰期东亚季风气候的模拟研究

末次盛冰期(LGM)是距今最近的一个与现代环境反差最大的气候时期. 利用包含较为详细陆面过程的区域气候模式, 通过分别加入现代植被和根据花粉化石资料转化的东亚地区LGM古植被, 模拟了LGM东亚季风气候并研究了植被变化对LGM东亚季风的影响. 由区域气候模拟得到的较为精细的气候演变图像表明: LGM东亚大陆全年降温是导致东亚冬季风强盛、夏季风萎缩的重要原因; 夏季西太平洋副热带高压的西伸、加强, 是造成中国东部LGM夏季降水减少的重要原因. LGM青藏高原及中亚地区的降水及有效降水均有所增加, 高原有效降水的增加主要由降水增加所造成, 地表蒸散对其贡献较小. LGM青藏高原的积雪也有所增加, 有利于高原地区的冰川、冻土发育, 使得该时期的多年冻土区可向南扩展到30°N以南. 在LGM模拟中加入恢复的古植被会放大由外强迫造成的气候影响, 对于模拟的降温、降水变化、地表热平衡量的变化、积雪及其他气候参量的变化都有进一步的强化作用, 使模拟结果与有关地质资料更为接近.     

近50a三峡库区汛期极端降水事件的时空变化

利用三峡库区35个台站1961-2010年汛期(5-9月)的逐日降水量资料,首先定义不同台站的极端降水量阈值,统计各站近50 a逐年汛期极端降水事件的发生频次,进而分析其时空变化特征.结果表明:三峡库区汛期极端降水事件发生频次的最主要空间模态是主体一致性,同时存在东西和南北相反变化的差异.三峡库区汛期极端降水事件发生频次具有较大的空间差异,可分为具有不同变化特点的5个主要异常区.滑动t检验表明,三峡库区西南部区代表站巴南的极端降水事件在1974年后发生了一次由偏多转为偏少的突变,北部区代表站北碚在1981年后和1993年后分别发生了由偏少转为偏多和由偏多到偏少的突变,中部区代表站武隆在1984年后发生了一次由偏多转为偏少的突变.结合最大熵谱和功率谱分析表明,近50 a来各分区汛期极端降水事件发生频次的周期振荡不太一致,三峡库区东北部区代表站宜昌、北部区代表站北碚和中部区代表站武隆分别存在5、2.4和8.3 a的显著周期.     

花粉记录的青藏高原中部中全新世以来植被与环境

青藏高原中部的草甸/草原混合生态群落, 对气候变化非常敏感. 孢粉记录显示草原发育时期, 莎草减少, 区域气候是相对干旱的, 在时间上对应季风相对弱的时期. 依据唐古拉山垭口湖、阿洪错和错那3个淡水湖泊钻孔孢粉分析, 定量重建的温度和降水指标, 探讨该地区8200 cal a BP以来的植被与气候变化. 8200~6500 cal a BP, 尤其是8200~7200 cal a BP, 植被以草甸/草原混合生态群落为主, 显示强季风控制着青藏高原中部; 6000~4900, 4400~3900以及2800~2400 cal a BP时期区域植被以草原植被为主, 应是3次百年尺度的干旱事件; 4900~4400 cal a BP期间植被类型由草原向草甸转变; 6500~5400和 3000~1600 cal a BP出现两次大的变干事件; 数值摸拟估计, 高原中部接近于现今的环境, 最早可能出现在6500 cal a BP, 自3000 cal a BP以后高原中部季风性降水和湿度逐渐减少至现今水平, 可能在700~300 cal a BP出现一次小冰期变冷事件.     

过去2000年重大火山喷发对全球和中国气候的影响

重大火山喷发(MVEs)越来越受到科学界的关注.已有很多工作研究了过去2000年MVEs对气候的影响,但古气候重建资料和气候模拟资料显示的全球和中国气候对MVEs的响应存在较大差异.本文汇总了观测、重建、模拟和同化数据,系统地总结了MVEs的史实、对气候的影响和机制以及未来的研究方向.主要结论是:过去2000年MVEs密集时期发生在公元530～700、1200～1460和1600～1840年.对温度影响上, MVEs会引起年际-年代际尺度全球和中国的显著降温,但模拟的年际尺度降温幅度明显大于重建结果.对降水影响上,热带MVEs会导致全球季风降水显著减少;在中国区域,长江流域的降水有所增加,但在华北、东北以及青藏高原南部区域,不同数据所反映的结果存在较大差异.频繁的强火山爆发、火山叠加太阳活动极小期、气候系统内部变率叠加火山的作用都可能引起北半球季风区和中国东部的年代际干旱事件.在机制上, MVEs既通过直接辐射效应影响气候,也通过调制气候系统内部变率来间接影响气候,如火山喷发会影响厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和大西洋多年代际振荡(AMO)的变化.然而, MVEs调制ENSO和AMO等...     

横断山地区气候-植被区划

横断山地区是中国今后生态保护、清洁能源生产、川藏和滇藏铁路等重大基础设施工程建设的重要布局区.这里高山峡谷纵横,气候和植被分布区域性与垂直地带性显著,孕灾环境复杂,亟待开展横断山地区气候-植被区划,以便有效服务于农业生产与生态建设、山地灾害风险防范和重大工程建设等国家需求.为此,本文基于横断山地区最新划界成果,采用横断山地区及其周边122个气象站点1990～2019年气温、降水量、气压、日照时数、风速、相对湿度等地面观测数据和高精度土地覆被类型遥感反演数据,制定了适用于横断山地区高山峡谷复杂大地貌格局、气象站点稀少、气候和植被分异显著等综合自然地理特征的气候-植被区划方案,并将横断山地区划分为5个温度带、20个干湿区、55个植被小区.该气候-植被区划方案分别以日平均气温稳定通过10℃日数、年干燥度指数、主要植被类型作为划分温度带、干湿区、植被小区的主要指标,且以≥10℃积温、最冷月气温、最暖月气温等为辅助指标.与之前区划方案相比,本方案遴选并优化了适用于横断山地区复杂地形的薄盘光滑样条气候空间插值模型;结合地理探测器,科学厘定了存在争议的气候带(区)间区划指标阈值;提出逐步降尺度窗格划...     

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.     

如何提高天气预报和气候预测的技巧？

从理论上探讨如何提高天气预报和气候预测的技巧.气候包括以小时为基本单位的昼夜循环、以日为基本单位的年(季节)循环、年代际循环和世纪循环等时间尺度的变化.这些气候变化存在确定的外强迫,是可以被认识和预报的.相对气候昼夜循环和年(季节)循环的偏差是天气尺度扰动.天气尺度的瞬变大气扰动可引发极端天气事件.有技巧的天气预报正是要通过天气尺度大气扰动信号,提前几天甚至十几天,预报出极端天气事件的发生.相对气候年代际和世纪循环的偏差是气候异常,有技巧的气候预测正是要预报出这种异常.距平天气图会大大提高短期和中期—延伸期天气预报的技巧,距平数值预报模式的研制也会加快提高中期—延伸期天气预报和气候预测的技巧.     

气候变化对中亚五国粮食安全的影响

随着全球气候变暖趋势的逐渐加剧,气候变化对粮食安全造成的影响引发社会各界广泛关注.中亚国家深处亚洲内陆,生态环境脆弱,农业技术较低,面临着严峻的气候变化威胁.基于1990～2019年中亚五国的面板数据,构建了C-D-C模型,研究气候变化对该区粮食安全的影响,并预测未来发展趋势.研究发现,过去30年中亚五国粮食安全水平整体呈上升趋势,其中哈萨克斯坦粮食安全指数较高,而塔吉克斯坦粮食安全水平较低.年均温和年降水对五国的粮食安全影响存在倒U型关系,其中对哈萨克斯坦粮食安全的积极影响最大;极端高温和极端低温对中亚五国粮食安全具有显著的负向影响,其中对土库曼斯坦粮食安全的消极影响最大;霜冻日数对粮食安全的影响不显著.未来气候预测结果显示, 2030～2090年中亚气温和降水量有继续升高趋势,整体将对五国粮食安全具有持续抑制作用.建议各国提高气候风险认识,加强气候科学研究,提前制定多方适应策略;同时,加强国际合作,有效减少温室气体排放,强化保障粮食安全的能力.     

长江中下游典型湖泊营养盐历史变化模拟

湖泊营养盐变化在自然条件下受到气候水文因素控制,同时受到湖泊生态系统生物群落作用和反馈.作为动力机制探讨,本文试图基于水文和生态动力学方法,分别构建气候-流域水文作用于湖泊营养盐的外源模式和湖泊生物群落作用于湖泊营养盐的內源模式.针对长江中下游典型湖泊,经过控制实验和率定,发现营养盐模拟与观测数据在时间序列上达到90%百分位的正相关,因此用来模拟1640 1840 A.D.期间的营养盐演变历史.研究表明:(1)模拟的湖泊营养盐变化与沉积钻孔揭示的历史营养盐变化基本一致,沉积记录与模式模拟的7个湖泊的营养盐变化均显著相关;(2)气候因素是湖泊营养盐历史演变的主控因子,来自于湖泊生物群落的反馈作用贡献约占40%;(3)在温度和降水因子的驱动下,湖泊营养盐历史变化主要受降水控制,在极端干旱时期,60%的营养盐变化同步响应于降水变化.同时,面积在400 km2以下的湖泊营养盐对气候变化的响应比2000 km2以上的大湖更为敏感.研究结果对长江中下游湖泊营养状态的长期变化机理认识和趋势控制提供科学依据.     

长江上游近千年来的洪水变化——比较气候-水文模型模拟数据与重建数据

了解水文过程对温室气体水平上升的响应,对气候变化影响研究至关重要.然而,由于缺乏长期的观测数据来了解气候系统的长期行为,这方面的研究往往受到一定限制.结合重建数据和模型模拟(全球气候模式和水文模型)数据将有助于更好地理解气候和水文过程在过去几十年到几个世纪的时间尺度上的变化.在本研究中,利用模型链方法研究长江上游过去千年至21世纪末的洪水变化.首先,利用四个全球气候模式(BCC-CSM1.1、MIROC-ESM、MRI-CGCM3、CCSM4)的降水和温度数据驱动水文模型,模拟长江上游在过去千年(850～1849年)、历史时期(1850～2005年)和未来时期(2006～2099年)的日径流过程.在此基础上,评估了模拟降水、温度和极值流量是否与文献记载的干湿期、温度变化和古洪水记录具有相似的统计特性.最后,通过模型模拟结果探究了极值流量从过去千年到未来的变化.结果表明:(1) MIROC-ESM模式不同于其他三种气候模式,从温暖期(中世纪暖期; MCA)到寒冷期(小冰期; LIA),温度增加,而其他模式的温度变化与历史记录相似;(2) BCC-CSM1.1模式的模拟降水与记录的干湿期之...     

新疆艾比湖地区湖泊沉积记录的早全新世气候环境特征

通过干旱区封闭湖泊艾比湖沉积物的多环境代用指标分析, 重点对全新世早期气候环境演化特征进行了研究. 孢粉组合及地球化学指标表明, 研究时段(8.0 ~ 11.5 cal kaBP)温度总体偏低, 初期(11.5 ~ 10.6 cal kaBP) 温度较高且降水较多; 早全新世向中全新世转换时期(8.9 ~ 8.0 cal kaBP )气候波动显著. 尤其是, 3层泥炭沉积显示了艾比湖地区早全新世气候的强烈不稳定性. 泥炭的发育程度及其同位素、孢粉分析数据都暗示, 8.2 cal kaBP, 8.6 cal kaBP, 10.5 cal kaBP的气候状况具有显著的冷湿特征, 可视为早全新世的3次冷湿事件.     

我国西北干旱区“暖湿化”问题及其未来趋势讨论

自施雅风先生提出我国西北干旱区气候从20世纪80年代开始发生“暖干”向“暖湿”的转型以来,学界对西北干旱区乃至整个亚洲中部干旱区的降水和湿度变化开展了大量研究,尤其是对有器测资料以来西北干旱区的“暖湿化”过程开展了系统研究,但西北“暖湿化”是否停滞及其未来变化趋势仍存在较大争议.本文综合气候、生态和水文资料,通过对1950～2019年温度、降水、干旱指数(Aridity Index,简称AI)、植被以及径流数据的分析发现,受西风环流控制的我国西北干旱区和青藏高原北部自20世纪80年代以来气候均持续变暖变湿,并且自20世纪90年代以来气候“暖湿化”进一步加速,而受季风环流影响的华北地区的降水/湿度变化则大体相反.这种反向变化主要受控于蒙古上空的异常反气旋,该异常反气旋在导致西北干旱区东风异常、水汽输出减少、降水增加的同时,也导致华北地区出现异常下沉运动、水汽辐散增加、降水减少.而降水是湿度变化的主控因素,这也就最终形成了我国西北-华北降水/湿度反向变化的“西风模态”时空变化格局.研究发现,近年来关于西北干旱区“暖湿化”争论的主要因素是由于过去研究中选择的时间序列长短不同、选择的区域范围不...     

淮河流域夏季降水的振荡特征及其与气候背景的联系

利用1922~2007年淮河流域和长江中下游夏季降水量资料,使用小波变换、广义极值分布等方法,分析了近86年来淮河流域夏季降水的年际、年代际振荡和概率分布特征.在此基础上,分析了东亚夏季风、太平洋海表温度及东亚遥相关环流等气候背景与淮河流域夏季降水年际和年代际振荡的联系.另外,还比较了淮河流域与长江中下游夏季降水年代际振荡特征及其气候背景的差异.结果表明：①淮河流域夏季降水存在显著的准2年振荡和年代际振荡特征.准2年振荡的强弱变化与年代际振荡强弱变化一致.20世纪90年代末以来,淮河流域夏季降水处在年代际偏多期,准2年振荡特征突出,极端强降水事件的概率亦显著增加;②淮河流域夏季降水年代际振荡与PDO及东亚夏季风年代际振荡关系密切,当PDO处于冷位相年代际阶段且东亚夏季风处于年代际偏弱时,淮河流域夏季降水呈年代际偏多趋势;③淮河流域夏季降水的准2年振荡主要受到东亚夏季风准2年振荡的控制,同时与东亚环流系统从高纬至低纬的＂＋,？,＋＂特定配置有关;④淮河流域与长江中下游夏季降水存在年代际位相差异,其差异主要与西太平洋副热带高压强度和位置的年代际变化有关.     

全球植被叶面积指数对温度和降水的响应研究

利用一套新的遥感信息反演的叶面积指数(LAI)数据和生物气候数据,建立了全球尺度的LAI与降水及温度的总体相关和距平相关,用以揭示全球尺度的植被季节和年际的变化对气候变化的响应特征.结果发现,全球尺度植被与气候因子的季节和年际变化随不同的生态系统差异明显.植被LAI与温度的总体正相关的最大值出现在北半球的中高纬度地区;LAI与降水的总体正相关高值(＞0.8)出现在亚洲东部、北美洲北部腹地和热带非洲北部的Sahel地区;最大的LAI与温度的正距平相关(0.4-0.6)出现在东南亚南部、非洲Sahel地区的南部和巴西东部等热带地区;而从LAI与降水的距平相关来看,最明显的特征是出现在西伯利亚、亚洲北部和北美西北部的强的负距平相关.本文进一步阐明了出现相关特征差异的陆-气过程物理机制.     

青藏高原东部MIS5e早期亚洲夏季风气候不稳定性的年纹层石笋印迹

深海同位素5e阶段(Marine Isotope Stage, MIS5e)是比工业化前更温暖的气候时期,这一阶段的气候可为当代暖期(Current Warm Period, CWP)气候提供“气候变化的过去相似型”,但MIS5e时期气候内部稳定状况仍然不清楚.我们从青藏高原东部万象洞内采集到一根石笋WXB075,通过U-Th和纹层计数年代数据建立了该石笋生长的高精度年代模型,并利用多替代指标重建了MIS5e早期亚洲夏季风变迁与环境演化历史.结果显示,年纹层石笋WXB075生长于MIS5e早期的北大西洋C27(Cooling Event 27, C27)降温时期.受北大西洋降温的显著影响,该石笋生长被打断(沉积间断;～125.58ka BP),并可能与北半球气候不稳定状况有关.此外,由于北高纬冰融水排放的强烈作用,石笋WXB075δ¹⁸O记录的MIS5e早期亚洲夏季风可定义为两个阶段:较弱阶段和逐步增强阶段(间断除外).总体上,亚洲夏季风气候不稳定性以准60a为循环周期,调控洞穴上覆植被状况、生物生产力变化和喀斯特动态水循环.然而,当北高纬冰融水排放加剧和温度降低...