CMIP6模式模拟的人类活动和自然强迫对全球地表气温多尺度变化的影响

量化人类活动在气候变化中的定量贡献是气候变化检测归因研究的核心科学问题,也是提高气候变化预测和预估水平的重要科学基础.本文基于最新的第6次国际耦合模式比较计划(CMIP6)多模式历史归因模拟试验(DAMIP),检测了人为因素(ANT)和自然因素(NAT)对近百年(1915—2014年)全球地表气温多尺度变化的影响,归因了温室气体(GHG)、气溶胶(AA)、土地利用(LU)等不同人为因素对全球地表气温长期变化的相对贡献及南北半球差异.结果显示,近百年来人为因素引起的全球陆地实际增温约为1.1℃(0.8℃～1.3℃),对南北半球的贡献则分别约为0.7℃和1.2℃;全球大多数区域人为排放GHG和AA的显著作用在1960—1980年期间就能够被检测到,其中北半球AA的冷却作用要超前于GHG的增温效应;气候系统内部自然变率是调制大多数区域气温年代际(10～30年)及多年代际变率(30～60年)的主导因子,而人为和自然外强迫在全球地表气温年代际变率中的方差贡献约为5%～20%,但二者在北半球尤其在东亚和欧洲中高纬度地区地表气温多年代际变率中的方差贡献可达50%.人为因素强迫可使近50年(1965—...     

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.     

植被覆盖状况影响中国地表气温变化的观测事实

利用NOAA/AVHRR归一化植被指数（NDVI）及观测气温与再分析地表气温的差值（Observation Minus Reanalysis, OMR）分析了植被覆盖状况对中国地表气温变化的影响.结果表明,地表气温OMR趋势值与NDVI在空间上呈现出显著的负相关关系,植被覆盖状况差（NDVI小于0.1）的区域地表升温较为显著,气温OMR趋势值超过0.2℃/10a,而植被覆盖度高（NDVI大于0.5）的区域气温OMR趋势值则变化不大,甚至出现降温.气温OMR趋势值对植被的季节变化还有着敏感的响应.不同区域植被覆盖状况的差异可能导致中国地表气温变化对全球变暖的响应不同,预测中国未来气候变化需要考虑植被覆盖状况及其动态变化的影响.     

中国地表气温变化对土地利用/覆被类型的敏感性

利用观测气温与再分析气温的差值分析了近40年中国地表气温变化对土地利用/覆被类型的敏感性.结果表明：土地利用/覆被类型对地表气温变化具有稳定的、系统性的影响,在全球变暖背景下各类型的响应不同,以沙地、戈壁和裸岩石砾地为主的未利用地升温幅度最大,为0.21℃/10a;其次是草地、耕地和城乡、工矿、居民用地,分别为0.12,0.10,0.12℃/10a;林地升温趋势最弱,为0.06℃/10a.总体来看,沙地、戈壁等未利用地和人类活动较多的区域地表升温幅度大,植被覆盖状况好的区域升温趋势则较弱;同一一级类型下理化特性及生物过程相似的二级类型对地表气温的影响程度相近,土地利用/覆被类型的变化需要达到一定的强度,导致地表特性发生本质改变后才会对局地气温产生较明显的影响;同一土地利用/覆被类型下,中国东部人类活动强度大的区域升温更为明显.这一结果为众多土地利用/覆被变化对气候影响的数值模拟试验研究提供了观测事实的支持.在区域尺度上预测未来中国气候变化不仅要考虑温室气体增加的影响,还要考虑土地利用/覆被类型及其变化的影响.     

CMIP5多模式集合对东北三省未来气候变化的预估研究

应用CN05观测资料,以及参与国际耦合模式比较计划第5阶段(CMIP5)中的26个模式,评估了新一代全球气候模式对东北三省气候变化模拟能力并选出4个较优模式,发现经过筛选得出的较优模式集合平均模拟结果的可靠性得到进一步加强,尤其体现在对气温的模拟上.在此基础上着重分析了多模式集合在不同典型浓度路径(RCPs)下对未来气候变化特征的预估.结果表明:21世纪的未来阶段,东北三省将处于显著增温的状态,且RCP8.5情景下的增温速率(0.53℃/10a)明显高于RCP4.5情景下的速率(0.22℃/10a);空间上,北部地区将成为增温幅度最大、增温速率最高的区域.未来降水将会相对增加,但波动较大,21世纪末期RCP4.5和RCP8.5情景下的降水增加幅度分别为11.24%和15.95%;空间上,辽宁省西部地区将成为降水增加最为显著的区域.根据水分盈亏量,21世纪未来阶段,RCP4.5情景下的东北三省绝大多数地区未来将相对变湿,尤其到了中后期;RCP8.5情景下则是中西部地区将相对变干,其余地区则会相对变湿.     

冰盖消融的海平面指纹变化及其对GRACE监测结果的影响

全球变暖背景下的冰盖消融以及由此带来海平面上升日益明显,直接影响地球表面的陆地水质量平衡,以及固体地球瞬间弹性响应,研究冰盖质量变化的海平面指纹能够帮助深入了解未来海平面区域变化的驱动因素.本文基于海平面变化方程并考虑负荷自吸效应（SAL）与地球极移反馈的影响,借助美国德克萨斯大学空间研究中心（Center for Space Research,CSR）发布的2003年到2012年十年期间的GRACE重力场月模型数据（RL05）,结合加权高斯平滑的区域核函数,反演得到格陵兰与南极地区冰盖质量变化的时空分布,并利用海平面变化方程计算得到了相对海平面的空间变化,结果表明：格陵兰与南极冰盖质量整体呈明显的消融趋势,变化速率分别为-273.31 Gt/a及-155.56 Gt/a,由此导致整个北极圈相对海平面降低,最高可达约-0.6 cm·a^-1;而南极地区冰盖质量变化趋势分布不一,导致西南极近海相对海平面下降,而东南极地区近海相对海平面上升,最高可达约0.2 cm·a^-1.远离质量负荷区域的全球海平面以上升趋势为主,平均全球相对海平面上升0.71 mm·a^-1,部分远海地区相对海平面上升更加突出（例如北美与澳大利亚）,高出全球平均海平面上升速率将近30%.此外,本文也重点探讨了GRACE监测冰盖消融结果中由于极地近海海平面变化导致的泄漏影响,经此项影响校正后的结果表明：海平面指纹效应对GRACE监测格陵兰与南极地区2003-2012期间整体冰盖消融速率的贡献分别为约3%与9%,建议在后期利用GRACE更精确地估算研究区冰盖质量变化时,应考虑海平面指纹效应的渗透影响.     

SRES B2情景下中国区域最高、最低气温及日较差变化分布特征初步分析

本文利用Hadley气候预测与研究中心的区域气候模式系统PRECIS进行中国区域气候基准时段(1961～1990年)和SRES B2情景下2071～2100年(2080s)最高、最低气温及日较差变化响应的分析.气候基准时段的模拟结果与观测资料的对比分析表明：PRECIS具有对中国区域最高、最低气温及日较差的模拟能力,能够模拟出中国区域最高、最低气温及日较差的局地分布特征.对SRES B2情景下相对于气候基准时段的最高、最低气温及日较差变化响应分析表明：中国区域2080s时段年、冬季和夏季平均最高、最低气温变化均呈一致增加的趋势,北方地区增温幅度普遍大于南方地区.夏季东北地区极端高温事件发生的频率将会增加,而冬季华北地区极端冷害事件发生频率将会减少.未来中国区域年平均日较差将出现北方地区减小而南方地区增加的趋势.冬季长江中下游以南地区日较差呈增加趋势,而夏季华东地区、西北地区及内蒙古中部日较差将呈减小趋势,其中在青藏高原北部地区存在一个较强的低值中心.     

大气温度反馈的机理及其对全球增暖的贡献

大气和地表之间热辐射交换引起的地气温度耦合(即大气温度反馈)是影响地表能量收支平衡的重要因子.文章旨在阐述大气温度反馈机理,讨论影响其强度和空间分布的主要因子;并以全球变暖为例,论述大气温度反馈如何与外强迫和气候反馈过程耦合最终对全球增暖产生贡献.基于ERA-Interim再分析资料,利用地表反馈响应分析方法,计算大气温度反馈核,以此来阐述大气温度反馈的物理机制及其强度的空间分布与气候态温度、水汽和云水含量空间分布的关系,以及全球增暖加速期间大气温度反馈对全球平均表面温度增加的贡献.分析表明大气温度反馈过程主要通过与气候系统外强迫和内部过程的耦合作用,将各独立过程引起的地表能量收支异常信号放大.研究结果表明大气温度反馈显著放大了CO_2浓度升高、冰雪融化、水汽含量增加和海洋热量吸收减缓引起的地表增暖,削弱了云量增加引起的地表降温效应.同时,也放大了地表潜热通量增加造成的地表冷却效应.从全球平均结果来看,全球快速变暖前后,尽管外强迫和气候系统内部过程引起的全球平均总地面直接能量通量扰动为负,但大气温度反馈造成的全球平均总地面能量通量扰动却为正,且后者幅度远大于前者,这导致全球平均总地面净能量通量扰动正异常.由此可见,大气温度反馈对全球变暖起到了至关重要的作用.     

基于CMIP5多模式评估人为和自然因素外强迫在中国区域气候变化中的相对贡献

基于观测资料和CMIP5多模式的历史试验(考虑所有驱动因子)以及单因子强迫气候归因试验结果,估算了温室气体、气溶胶、土地利用及自然因素等外强迫在中国区域气候变化中的相对贡献.结果表明,人为和自然外强迫的共同作用可解释近30年观测气温变化的95%~99%,其中温室气体引起的温度变化是观测增温的2~3倍,而气溶胶起到了显著的冷却降温作用;人为和自然因素外强迫对近几十年观测降水的变化的可能贡献约为65%~78%,其中,气溶胶和温室气体是中国区域降水的主要外强迫因子,尤其气溶胶主导着中国东部降水变化的分布型,而自然因素外强迫的贡献主要体现在干旱半干旱区.人类活动主导了近60年来中国区域气温的长期非线性趋势,特别是从20世纪60年代开始温室气体的影响强度逐渐增大,是中国区域气候变暖最主要的贡献者;不同外强迫因子对中国区域降水长期非线性趋势的影响具有明显的区域差异,温室气体是20世纪70年代以后干旱半干旱区降水逐渐增加的主要贡献者,而气溶胶的主要影响使湿润半湿润区降水有较为明显下降趋势,土地利用和自然因素外强迫也会造成降水呈减少的趋势.通过最优指纹法(Optimal Fingerprinting)的检测可知,人类活动能够很好地解释近60年来中国区域特别是湿润半湿润区观测气温的变化,其中温室气体的单独作用能够清晰地从观测结果中检测出来;由于多模式结果的不确定性,观测降水变化的归因目前还无法通过残余一致性检测.需要指出的是,尽管本文的研究结果还存在着一定的不确定性,但仍可为中国区域气候变化成因研究及其预测提供科学依据.     

极端气候:影响人类生存的最大风险

正极端天气气候事件是指一定地区在一定时间内出现的历史上罕见的气象事件,其发生概率通常小于5%或10%。极端天气气候事件总体可以分为极端高温、极端低温、极端干旱、极端降水等几类,一般特点是发生概率小、社会影响大。随着全球气候变暖,极端天气气候事件的出现频率发生变化,呈现出增多增强的趋势。世界气象组织指出,2007年1月和4月的全球地表气温分别比历史同期平均值高出1.89℃和1.37℃,都超过了1998年     

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.     

全球变暖背景下东亚气候变化的最新情景预测

在最新的SRES A2和B2温室气体排放情景下,利用国际上7个气候模式针对未来全球变暖的数值模拟结果,本文着重分析了东亚区域气候21世纪的变化趋势. 研究揭示：中国大陆年均表面气温升高过程与全球同步,但增幅在东北、西部和华中地区较大,且表现出明显的年际变化;全球年均表面气温增幅纬向上大体呈带状分布,两极地区最为明显,并在北极地区达到最大;此外,21世纪后半段北半球高纬度地区的年平均强升温幅度主要来自于冬季增温. 在21世纪前50年,温室气体含量的增加除在一定程度上会增加青藏高原大部分夏季降水量外,不会对中国大陆其余地区的年、季节平均降水量产生较大影响;但持续的温室气体含量增加将最终导致大陆降水量几乎是全域性的增加.     

宁金岗桑冰芯不溶性微粒的岩石磁学性质及其环境意义

冰芯中所含不溶性微粒与大气粉尘沉降过程密切相关,是重建气候环境变化的良好载体.本文对宁金岗桑冰芯（56m,公元1864～2007年）样品中不溶性微粒进行了系统的岩石磁学研究.结果表明,不溶性微粒的载磁矿物以低矫顽力、准单畴颗粒的磁铁矿为主.在过去的144年中,磁性矿物的粒径无显著变化.但是其含量（饱和等温剩磁指标）变化以～1980年为界,之前变化稳定,之后显著增多.这一现象与青藏高原及北半球的气温变化在大的趋势上具有良好的相似性.我们认为磁性颗粒的增加与气候变暖有着一定的关系.其可能的机制是：在大的时间尺度上,气候变暖导致的冰川退缩和局地气候不稳定使得冰芯中含有磁性矿物的大颗粒物质增多,而与年降水变化相关的沙尘天气频率相关性较弱.因此,青藏高原冰芯不溶性微粒的饱和等温剩磁可能在趋势上反映了气候变暖,为研究该区大气粉尘的沉降过程提供新参数.     

20世纪80年代以来中国的气候变暖及其对自然区域界线的影响

20世纪80年代以来全球气候加剧变暖,已为世人所瞩目.利用代表性较好的全国160个站1951～1999年逐年逐月气温资料,分析了80年代以来我国年和四季温度的变化,发现中国的气候变暖表现为非均衡响应,区域和季节差异颇大.在区域变化上有“北暖南冷”的趋势,在季节变化上有“冬暖夏凉”的特点.并从数理统计学角度,对温度变化进行显著性检验,得出长江以北地区基本达到了95%以上的信度水平.同时根据335个站,自1951年或50年代初建站以来至1999年日平均温度稳定通过≥10℃积温资料,对近19年与前30年资料进行对比分析,得出≥10℃积温及≥10℃持续日数的变化幅度,发现我国东部中亚热带、北亚热带、暖温带、中温带和寒温带普遍北移,北亚热带和暖温带北移明显,南亚热带和边缘热带变化不大,我国西部地区除滇西南、青藏高原和内蒙古西部所处的各温度带有北移或上抬趋势,其他地区变化不大或略有南压和下移.     

全球陆表水体空间格局与波动初步分析

陆表水体是人类生存和发展的最重要资源之一,也是全球水循环主要组成部分之一.全面地掌握陆表水体的空间分布、持续地测定其动态变化,是全球生态环境健康诊断的一项重要工作.根据30 m分辨率全球地表覆盖数据产品(Global Land 30)中的两期陆表水体数据产品(Global Land 30-water 2000和Global Land 30-water 2010),利用MODIS时间序列数据对其进行时相订正,通过水域面积、水域率及其空间变异系数的指标,按全球、经纬度、大洲及气候区等不同层次分析了陆表水体及空间分布格局和时间波动.遥感监测结果显示,全球陆表水体总面积达367.67×104 km2,占全球陆表面积的2.73%.陆表水体空间分布极为不均,主要集中于北半球的中高纬度地区和热带地区.对比2000与2010年两期的水域面积差异,总体波动不大,但是区域差异较明显.Global Land 30-water产品及统计数据为分析全球陆表水体空间分布格局、揭示其地域差异、研究时空波动规律以及诊断生态环境健康提供了重要基础数据.     

山西岩溶大泉近50年的流量变化过程及其对全球气候变化的指示意义

山西岩溶为中国北方岩溶之典型代表, 岩溶水是当地最重要的供水水源之一. 20世纪50年代以来, 该区各岩溶泉的流量大都以衰减为主要变化特征. 本文以娘子关泉、辛安泉、郭庄泉、神头泉、晋祠泉、兰村泉、洪山泉等7个岩溶大泉为例, 将岩溶泉的流量变化过程划分为天然波动阶段与人类活动影响叠加阶段, 其流量衰减主要受气候因素与人类活动因素控制, 其中前者的贡献约为60%, 后者的贡献约为40%; 而根据气候与人类活动的影响程度的差异, 又可将泉流量衰减模式初步划分为天然衰减为主型、开采衰减为主型、混合衰减型三类. 7个岩溶泉总还原流量的变化与同期全球气温变化存在良好的对应关系, 对近几十年来的全球变暖与干旱化过程具有指示意义, 表明岩溶泉的流量演化过程分析可以作为全球变化研究的一种新手段.     

1951～2002年中国东、西部地区地面气温变化对比

利用1951～2002年全国733个测站经过非均一性检验的月平均气温资料,在剔除50万以上人口大城市测站后,分析了52年来中国东、西部及青藏高原地区的气温变化趋势的一致性和差异性,并讨论了其可能原因.结果表明我国东、西部地区年、季平均气温变化有着较好的一致性;近52年来,我国东、西部和青藏高原地区年平均气温均呈升温趋势,年平均气温的增温速率东部为026℃/10a,西部018℃/10a,东部比西部高008℃/10a;季平均气温东部地区冬、春季的增暖趋势大于西部和青藏高原,而其夏、秋季的增暖趋势小于西部和青藏高原.我国东、西部地区年、季平均气温变化关系密切,说明其主要是受全球气候变化的影响而变化,但东部年平均气温的增暖总趋势大于西部,又说明地域差异在气温变化中也有重要作用.     

我国各大流域复合高温干旱事件变化趋势与归因分析

受全球气候变化影响,复合高温干旱事件呈现增加趋势.通过构建表征复合高温干旱重现期变化的全微分方程,提出了一种复合高温干旱变化的归因方法,并利用1921～2020年月气温和月降水观测资料,分析中国夏季复合高温干旱事件时空分布特征及变化趋势,量化降水变化、气温变化和降水-气温相关关系变化这三种驱动因子在中国夏季复合高温干旱事件变化中的贡献.结果表明:近年来中国大部分地区夏季复合高温干旱事件呈现出明显的增加趋势,气温变化、降水变化、降水-气温相关关系变化对干旱高温复合事件变化的贡献依次递减.气温变化幅度最大、影响范围最广,在长江中上游地区以外的区域均导致复合事件增加,是最主要的驱动因子之一;降水变化是中国西部特别是新疆北部、青海和甘肃地区复合事件减少的重要原因;降水-气温关系则与其他驱动因子一起导致了在华南地区复合事件重现期的缩短和华东、西北部分地区复合事件重现期的增加.与此同时,降水和气温的均值趋势与离散程度的变化均可能导致复合高温干旱事件重现期的变化.     

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.     

洞庭湖流域气候变化特征(1961-2003年)

以22个气象站1961-2003年的气象观测数据为基础,对洞庭湖流域的气温、降水和参照蒸散量进行趋势与突变分析．从1970年开始,洞庭湖流域经历了一个缓慢而稳定的增温过程,1990s发生突变进入快速增温时期;尤其是是在春、冬季节,这种突变式的增温特征非常显著;秋季持续而稳定增温,而夏季气温并无明显变化．进入1990s,洞庭湖流域降水有明显增多,尤其是夏季降水突变式增加;与此同时,夏季暴雨频率也突变式增大,但是暴雨强度并无明显变化．1900s迄今,参照蒸散量持续而稳定的减少,夏季减少量尤为显著．全球变暖的区域响应,驱动洞庭湖流域水循环速度加快,夏季降水增多,而蒸发能力减弱,这是1990s洞庭湖流域洪水频发的主要气候因子．