全球变化背景下的植物物候模型研究进展与展望

植物物候学是研究自然界的植物(包括农作物)和环境条件(气候、水文、土壤等条件)的周期性变化之间相互关系的科学.植物物候不仅通过物种间的物候适应度差异影响生态系统结构和功能,还可以通过改变植被冠层与近地面大气之间的碳、水和能量交换影响局地天气和气候系统.因此,准确模拟植物物候期对于理解生态系统对气候变化的响应,以及模拟陆地生态系统碳、水和能量平衡具有重要的意义.全球变化背景下物候学研究取得蓬勃发展,但物候模型研究相对滞后.物候模型模拟结果的不准确,已成为全球陆面模式模拟陆地生态系统碳、水循环准确性的重要限制因素.基于新的实验手段,明确物候响应气候变化机制,构建基于过程的植物物候模型,已成为全球变化生态学领域重要的前沿问题.文章首先综述了不同环境因子对植物物候的影响,回顾了植物模型发展历史,指出了气候变化背景下的植物物候模型所面临的挑战,探讨了结合机器学习和贝叶斯等数学方法的物候模型优化思路,以提高物候模型在全球变化背景下物候模拟和预测的准确性.     

深入探索全球变化机制——国家自然科学基金委重大研究计划的战略研究

全球变化作为历史上第一个由科学界提出的全球性政治问题,强有力地推动着学科发展.同时,国际主流意识在全球变暖问题上几十年来的巨大变化和当前面对的剧烈争论,反映出全球变化理论认识上的不成熟性.当前,我国全球变化研究已获得国家重大科学研究计划的支持,国家自然科学基金委可以集中力量支持变化机制基础理论的深入探索,从地球系统科学的高度、在更大的时空范围内研究变化机理,力争在基础理论上有所突破.全球变化的机制,主要涉及温室气体的气候效应、CO2与生源要素循环和气候系统中的水循环三大基础科学问题.建议我国针对基础问题,结合本身特色,聚集力量采取以下举措:(1)开展长期观测—科学和技术的结合;(2)穿越时空尺度—不同过程的辨识;(3)促进学科交叉—发展比较行星学等学科;(4)设置大型计划—发挥我国自然条件的优势.藉以揭示地球系统的运行机制,促使我国的相应学科尽早实现从跟踪到创新、从"原料输出型"到"深加工型"的转变.     

全球变化下青藏高原湖泊在地表水循环中的作用

青藏高原是地球上最重要的高海拔地区之一,对全球变化具有敏感响应.青藏高原作为"亚洲水塔",其地表水资源及其变化对高原本身及周边地区的经济社会发展具有重要的影响.然而,在气候变暖的情况下,构成高原地表水资源的各个组分,如冰川、湖泊、河流、降水等水体的相变及其转化却鲜为人知.湖泊是青藏高原地表水体相变和水循环的关键环节.湖泊面积、水位和水量对西风和印度季风的降水变化非常敏感,但湖泊面积和水量变化在不同区域和时段的响应也不尽相同.湖泊水温对气候变暖具有明显响应,湖泊水温和水下温跃层深度的变化能够对水—气的热量交换具有明显影响,从而影响了区域蒸发和降水等水循环过程.由于湖泊水量增加,高原中部色林错地区湖泊盐度自1970s以来普遍下降.根据60多个湖泊实地监测建立的遥感反演模型研究发现,2000—2019年湖泊透明度普遍升高.对不同补给类型的大湖水量平衡监测发现,影响湖泊变化的气象和水文要素具有较大差异.在目前的暖湿气候条件下,青藏高原的湖泊将会持续扩张.为了深入认识湖泊变化在青藏高原区域水循环和气候变化中的作用,需要全面了解湖泊水量赋存及连续的时间序列变化,需要深入了解湖泊理化参数变化及对湖泊大气之间热量交换的影响,需要更多来自大湖流域的综合连续观测数据.     

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.     

基于GlobeLand30的全球人造地表利用效率时空差异特征分析

人造地表是人类活动对陆地表层影响最直接的体现,其利用效率与全球范围内人类利用和改造自然的资源配置、产业布局和经济发展状况密切相关,同时对资源环境的利用、能源消耗和生态环境质量产生重要影响.基于2000年和2010年两期全球30m分辨率地表覆盖数据产品(Globe Land30),结合全球人口和经济数据,从空间分布、增长状况和变化效益三个方面,进行了全球人造地表利用效率的分析比较.研究表明:(1)全球各国人造地表的利用效率呈现显著的区域差异.欧洲、美洲等发达国家在人造地表资源丰富程度与经济产出上均高于世界平均水平;亚洲、非洲各国则普遍面临人均占用量相对较小.典型国家人造地表利用效率呈现资源配置与利用的结构性差异特点,可分为资源丰富型(美国、加拿大等)、集约利用型(日本、韩国等)以及处于两者间的过渡型.(2)各国人造地表利用效率变化与经济发展水平密切相关,也有较明显差异.发达国家(G7集团)单位人造地表的地均人口与地均GDP变化较小,中国、俄罗斯等地均人口与地均GDP产出增长较快.(3)从地均人口集聚度和GDP集聚度两个指标看,2000~2010这10年间全球人造地表的利用效率持续提升.     

全球变化科学卫星概念研究

全球变化正在对人类生存与发展形成严峻挑战,空间对地观测技术的宏观、快速、准确特点使其成为全球变化现象观测的一种关键技术手段.我国是影响全球变化及受其影响最大的国家之一,目前尚无专门针对全球变化研究的科学卫星.发展全球变化科学卫星是我国的重要需求,也是对国际的贡献.在全球变化敏感因子的空间观测机理分析基础上,研究了全球变化科学卫星概念,继而提出发展由7类卫星组成的全球变化系列科学卫星的构想,以便从空间高度对全球环境变化现象实施科学观测.     

基于不同再分析资料的全球蒸发量时空变化特征分析

基于目前使用较为广泛的8套再分析资料,研究了全球蒸发量的时空变化特征,同时对比分析了各套资料的异同点,研究结果表明:各套资料全球蒸发量的空间分布型基本一致,均具有明显的海陆、经向分布差异,并且同纬度陆地上高海拔地区蒸发量小于低海拔地区.各套资料蒸发量的时间变化形势不尽相同,其中MERRA,ERA-Interim,NCEP-R1和NCEP-R2等资料全球平均蒸发量的逐年变化基本一致,而CFSR与ERA-40资料更为接近;各套资料陆地平均蒸发量的逐年变化差异较大,其中MERRA,CFSR和NCEP-R2资料比较相似,而海洋平均蒸发量的变化形势具有较高的一致性,说明再分析资料对海洋蒸发量时空演变特征的再现能力更强.整体而言,MERRA与NCEP-R2资料能够同时较好地反映出全球蒸发量的时空变化特征,具有很好的代表性;此外,CFSR与ERA-40资料也可以较好地刻画出陆地蒸发量的变化特点,而ERA-Interim,NCEP-R1,OAFlux和HOAPS等资料比较适用于对海洋蒸发量的研究.各套资料陆地与海洋平均蒸发量在1958~1978年基本都呈现显著的线性减少趋势,而在1979~2011年时间段内大多是线性增加的,其中海洋地区更加显著.全球蒸发量也同时存在比较显著的年循环特征,尤其是北半球低纬度地区,而且陆地蒸发量逐月变化幅度要高于海洋.     

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.     

流域科学:连接水文学与流域可持续管理的枢纽

近几十年来,为了更好地认识和管理不同时空尺度的水循环,许多水科学和管理项目相继问世,如生态水文学、全球水文学、社会水文学、供水管理、需水管理和水资源综合管理(Integrated Water Resources Manage-ment,IWRM)等.与此同时,示踪、制图、遥感、机器学习和模拟等先进技术也广泛应用于水文过...     

探讨草原地区的生态和发展之路

正1月14～16日,由中共称多县委、称多县政府以及山水自然保护中心等机构联合组织的"草原治理与生计发展研讨会"在北京大学保护生物学楼举行。草原是全球陆地生态系统的重要组成部分之一,我国大地有40.9%的面积是草原。在气候变化和人类活动的交互影响下,草原生态系统的结构和功能趋于变化,对当地牧民和下游区域都有直接或潜在的影响。过去十多年的时间,为了应对新的环境和政     

人为气溶胶导致全球陆地季风区降水减少的动力和热力过程

季风区生活着全球约2/3的人口,季风降水变化直接关系到当地的社会经济发展.观测证据表明20世纪后半叶以来全球陆地季风降水显著减少,理解自然和人为强迫影响该变化趋势的物理过程,对于未来水资源规划、旱涝灾害风险管理、减缓与适应策略的制定具有重要意义.文章通过比较观测资料和第五次耦合模式比较计划(CMIP5)5个全球气候模式不同外强迫试验模拟的1948～2005年全球陆地季风降水的变化,发现观测中全球陆地季风降水的变干趋势与气候模式人为外强迫试验结果,特别是人为气溶胶强迫试验的结果高度一致.利用最优指纹法的检测与归因分析表明,人为气溶胶强迫对该变干趋势的贡献为102%(5～95%的不确定性范围为62～144%).基于水汽收支分析比较热力和动力过程的贡献,发现人为气溶胶强迫主要通过减弱垂直水汽平流从而造成全球陆地季风降水减少.本文结果意味着如果未来季风区气溶胶排放不能得以控制,则季风降水可能会继续减少;而中国自2006年以来气溶胶排放的显著下降趋势,则有利于缓解季风区降水的减少趋势.     

中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的研究进展及其发展思路

涡度相关技术经过长期的理论发展和技术进步,已经成为直接测定陆地生态系统与大气间的CO2和水热通量的重要方法.随着涡度相关通量观测在全球范围内的广泛开展,各区域、国家以及国际通量观测研究网络(FLUXNET)也应运而生.在过去10年里,通量观测研究在探讨全球陆地生态系统碳循环和水循环过程及环境控制机理、揭示陆地生态系统碳收支的时空格局、寻找"未知碳汇"等方面取得了显著的成果,也为资源、生态和环境等科学领域的国际交流创造了理想的合作研究平台.随着通量观测研究的不断深入,今后国际通量界将加强引进和开发新的观测技术,扩展通量观测的应用领域,尝试运用通量观测数据来协助研究有关生物地理学、生物地球化学、生态水文学、气象/气候学、遥感和全球碳循环模型等领域的科学问题.中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)是FLUXNET的重要组成部分,经过3年多的连续观测和研究已在涡度相关通量观测技术和方法、典型陆地生态系统碳水交换过程及其环境响应机理、生态系统碳水通量模型开发等方面取得了一系列重要进展.研究发现中国的主要森林生态系统在2003～2005年度都为大气CO2的汇,青藏高原上的高寒草甸生态系统也表现为较弱的碳汇,而封育的内蒙古半干旱羊草草原却表现为弱的碳源;在大的空间尺度上,温度和水分是决定陆地生态系统碳收支的关键环境因子.ChinaFLUX的发展思路拟以典型生态系统通量的联网观测与陆地样带研究相结合为技术途径,开展多尺度、多过程、多途径、多学科的综合集成观测,重点探讨生态系统的水、碳、氮循环过程机理及其耦合关系.     

专题：遥感与全球变化研究——编者按

全球变化,包括气候变化以及在地球内外多圈层交互作用下发生的其他环境变化.全球变化给人类和其他地球生命带来了机遇,有其积极的一面,但同时也带来了更多的挑战和负面影响.目前这种影响已经涉及地球系统的主要过程和人类活动的各个方面.例如森林的过度砍伐导致生物多样性下降,全球变暖已经导致海平面上升,同时也增加了极端气候事件和自然灾害发生的频率.全球变化在改变自然环境的同时对经济社会发展也产生了深刻影响,妥善应对全球变化的挑战是人类实现可持续发展的重要保障.     

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—...     

全球变化对人类传染病发生与传播的影响

在自然条件与人类活动加速全球变化的驱动下,传染病发生和传播的模式也在发生改变．自然因素尤其是气候变化将直接或间接影响许多传染病的暴发和传播．气温、降水、湿度和光照等气象要素通过影响病原体、宿主和疾病的传播媒介,从而改变传染病的发生和传播;极端气候事件引起的干旱、洪涝等气象灾害会直接对人类造成伤害并影响传染病的发生与传播;地表生态系统包括下垫面类型和植被分布也会间接对传染病的暴发产生影响．人类活动也是影响传染病传播的间接动力．其中,国际化、普遍化的旅行以及农村向城市的人口迁移所造成的人口流动是传染病大规模传播的根本原因;快速城市化伴随的城市基础设施滞后以及城市边缘传染病的高风险将改变传染病及其造成死亡的模式;农业侵占、森林砍伐等土地利用变化,已经引发了一系列疾病暴发并改变了许多地方病的传播方式;飞速发展的航空、公路和铁路交通运输,不但加快了疾病传播的速度,也扩大了疾病传播的范围．另外,频繁的经济贸易增加了传染病暴发的可能性,为病原体远距离扩散、新型病毒随牲畜贸易沿途扩散等提供了途径．     

不同外强迫对20世纪全球季风降水变化趋势的影响——NCAR CCSM3.0模式结果分析

利用NACR CCSM3.0气候系统模式的20世纪气候模拟试验(20C3M)结果,在检验模式对全球季风区、季风降水模态以及1979-1999年全球季风降水趋势的模拟性能基础上,研究了全强迫、自然强迫以及人类活动强迫等因子对20世纪全球季风降水变化趋势的可能影响。结果表明:全球季风降水在全强迫的作用下在20世纪呈线性增长趋势,且这个增长趋势主要是由于人类活动强迫影响造成的,进一步分析得到主要是由于人类活动强迫中的温室气体因子影响所导致的.在温室气体强迫作用下会产生"东太平洋冷—西太平洋暖"这一形势,有利于水汽传输合并进入东半球季风区,加上其引起的全球海陆热力差和半球热力差的增大会加大季风低压,使得相应的水汽辐合和越赤道气流的增大从而引起全球季风降水的增长.自然强迫作用下也会引起20世纪全球季风降水的增加,但增长趋势并不明显.而硫酸盐和黑碳气溶胶会减弱全球季风降水在20世纪的增长趋势,硫酸盐气溶胶主要引起北半球季风降水的减少,而黑碳气溶胶主要引起南半球季风降水的减少.     

鄱阳湖洪泛区碟形湖湿地系统地表—地下水交互作用

洪泛系统具有复杂动态的水文环境,在季节性洪水脉冲影响下,地表—地下水交互转化对洪泛区水循环和生态环境保护等方面具有重要意义.本文采用野外试验、统计分析和达西定律等研究方法,开展了鄱阳湖洪泛区碟形湖湿地系统(河流—洲滩湿地—碟形湖)地表—地下水文学特征、相互作用和交换通量研究.数据资料显示,在地形地貌影响下,研究区洲滩地...     

中新生代两类极热事件的环境变化、生态效应与驱动机制

对地质历史时期发生的极热事件进行深入分析可为认识和应对现今全球气候变暖提供借鉴与依据.根据碳同位素偏移特征,可以将中新生代五次典型的极热事件划分为碳同位素负偏移类和碳同位素正偏移类两类.第一类极热事件以碳同位素总体负偏移为特征,以二叠纪-三叠纪界线事件(PTB,～252Ma)、早侏罗世Toarcian早期大洋缺氧事件(TOAE,～183Ma)、古新世-始新世界线极热事件(PETM,～56Ma)为代表.第二类极热事件以碳同位素总体正偏移为特征,以白垩纪Aptian早期大洋缺氧事件(OAE1a,～120Ma)、白垩纪Cenomanian末期大洋缺氧事件(OAE2,～94Ma)为代表.碳同位素负偏移定义的极热事件造成温度、沉积作用、生物多样性等发生明显的变化,陆地环境出现野火频发、极端干旱、酸雨、臭氧层被破坏、金属中毒(如汞)和陆地水系变化等,海洋环境出现碳酸盐台地消亡、大洋酸化、大洋缺氧等现象,全球陆地和海洋生物尤其是浅海生物发生不同程度的绝灭.碳同位素正偏移定义的极热事件造成海水快速增温和大洋广泛缺氧,有机质大规模埋藏,出现黑色页岩沉积,远洋生物受到明显的影响(如出现钙质超微危机),而浅海和陆地生物受到影响不大.文章提出,碳同位素负偏移类极热事件可能为大陆环境下大火成岩省喷发触发,导致轻碳大规模释放到大气-海洋系统使得全球快速增温,从而引起一系列环境和生态响应.而碳同位素正偏移类极热事件为深海环境下大火成岩省喷发触发,把热量和营养物质直接释放到深海系统,由于海水缓冲作用导致海洋系统增温明显,而浅海和陆地系统影响相对较小.研究结果丰富了对地质历史时期极热事件的研究,不仅对于理解极热事件、大火成岩省、海洋-陆地环境变化、生物绝灭等具有重要的意义,而且为判别极热事件的类型并推断其驱动机制提供了一个新手段.     

全球变化与植被

本文讨论了全球变化与植被的相互依赖与制约关系，以黄土高原为例，研究了古气候与植被之间的关系以及青藏高原隆升对黄河流域生态环境的改造，分析了人类活动对被的破坏给黄土高原生态系统的影响，提出了植被差异与变迁是引起气候快速和区域变化的主要原因。     

全球变暖、碳排放及不确定性

近年来人们对全球变化尤其是对气候变暖及其机制的争论达到了前所未有的程度.本文对气候变化研究的最新进展和国内外动态进行了梳理,得出如下观点和结论：（1）全球变暖是客观事实,但由于多种原因,全球升温多少存在不确定性;（2）人类活动和自然因素共同影响着气候变化,但其相对贡献量难以量化;（3）政府间气候变化专门委员会（IPCC）认为CO2等温室气体浓度的增加是全球变暖的主要因素,但学术界对此有异议,因为作用于温度变化的自然和人为机制并不十分明确,大气中CO2的来源也存在不确定性.因此,在得出准确结论之前,需要加大力度研究和明确这些不确定性.