基于HASM方法对气候模式气温降水的降尺度研究——以黑河流域为例

基于空间平稳性分析,引入地理因素结合回归分析及高精度曲面建模方法（HASM）对黑河流域多年平均气温、降水给出了降尺度模拟。基于过去器测资料的验证,提出了CMIP5模式资料的合理降尺度方法。比较了降尺度结果与站点实测值的差异,同时比较了所给出的方法与经典插值方法的模拟精度。最后,基于历史时期T₁（1976—2005年）的降尺度方法结合RCP2.6、RCP4.5及RCP8.5不同情景下未来时段T₂（2011—2040年）、T₃（2041—2070年）、T₄（2071—2100年） CMIP5模式结果,对降尺度方法进行了修正,给出了未来时段气温的降尺度模拟公式,并基于此对上述3种情景下多年平均气温的CMIP5模拟结果进行了降尺度模拟。结果表明：本文所提出的降尺度方法模拟结果与站点观测值具有较好的相关性,且精度高于其他经典插值方法。对未来时段的模拟结果表明,升温最快的是RCP8.5情景,在2071—2100年,除祁连山地区外,大部分地区年平均气温大于10℃。     

中国降水未来情景的降尺度模拟

基于长时间序列(1964～2007年)的全国降水观测数据, 结合经纬度数据以及DEM、 坡向、坡度等系列地形特征数据, 利用空间统计方法, 在构建年平均降水降尺度模型的基础 上, 运用高精度曲面建模(HASM)方法对经过降尺度分析的HadCM3的A1Fi、A2a和B2a 三种情景T1～T4时段的全国未来平均降水进行高精度曲面模拟。模拟结果显示, 在T1～T4 时段内, A1Fi、A2a和B2a三种情景的全国平均降水均呈持续增加趋势。其中, 平均降水在 A1Fi情景中增加速度最快, B2a情景中增加速度最慢;A1Fi和A2a两种情景的平均降水均呈 加速增加趋势, 而B2a情景的平均降水则呈减速增加趋势。模拟结果表明, 本文构建的降尺 度模拟方法可以有效地实现IPCC GCM 的低分辨率的降水情景数据降尺度转换成高分辨率的 降水数据。     

全球气候变暖背景下陕甘宁地区风速时空变化特征

风速是影响沙尘天气最重要因素,认识温度对风速的影响有助于环境保护实践。运用Mann-Kendall突变检验法、线性趋势法、Spearman秩相关分析对陕甘宁地区1960—2014年风速和气温日平均值数据进行年尺度及季尺度时空变化特征分析。结果表明：（1）陕甘宁地区气温呈上升趋势,冬季气温上升最快,年平均气温在1994年发生突变。（2）陕甘宁地区年平均风速呈显著下降趋势（P< 0.01）,且以0.07 m·s^-1·（10a）^-1的速率下降,春季下降速度最快,气温突变后下降趋势更明显。（3）从空间尺度上看,年平均风速呈现以环县、延安、西吉、河曲为中心向四周逐渐增加的趋势,且区域平均风速呈整体下降趋势。四季平均风速在气温突变后以陕甘宁中部地区为减少中心。（4）气候变化背景下陕甘宁地区风速变化与气温存在负相关关系。     

全球平均气温未来情景的降尺度分析

如何提高全球气候模拟数据的分辨率,以满足全球、区域乃至局地陆地生态系统全球变化响应的定量分析,是当今全球气候变化研究的核心内容之一。在全球尺度上,本文利用全球气象观测站点的气候数据和DEM 数据,对全球年平均气温与纬度和海拔高程之间相关性进行回归分析,建立全球气候降尺度空间模拟的统计转移函数,并与高精度曲面建模(HASM)方法进行集成,从而实现IPCC GCM HadCM3 的模拟数据从3.75° × 2.5°到 0.125° × 0.125°的降尺度处理。研究结果表明,在3 种气候情景的T1-T4 时段内,格陵兰岛平均气温在0℃以下的区域和南极洲平均气温在-35℃以下的区域均呈逐渐缩减趋势,赤道至南北回归线之间的平均气温大于40℃以上的区域呈逐渐增加趋势。其中,A1Fi 情景的平均气温上升速度最快,A2 情景次之,B2 情景的平均气温上升速度最慢。构建降尺度方法有效地将IPCC GCMs的粗分辨率的气候情景数据降尺度转换成高分辨率的气候数据,并克服和弥补了目前IPCC GCMs的模拟数据因分辨率低而不能对区域乃至局地气候变化的细节及趋势进行刻画的缺陷。     

昆仑山提孜那甫河流域2012-2016年近地表气温时空分布特征

基于典型高寒内陆河——提孜那甫河流域的6个不同海拔自设气象站的2012—2016年气温数据,分析了该地区不同海拔区域近地表气温的时间变化特征和空间变异特征。结果表明：（1） 低、中、高山区均温均可被sine函数高度拟合（R²>87%）,且随海拔增高气温波动减弱,时间变化延迟,气温变幅差异减小。（2） 日均温与月均温最低值出现月份不同步,且这一情况在海拔相对较高区更易出现。（3） 年内尺度不同区域气温空间差异：D1区（麻扎—库地）在秋、冬季最大;D3区（库地达坂—西合休）在春、夏、秋最小;D4区（西合休/库地达坂—莫木克）在夏季最大,冬季最小;D5区（莫木克—江卡）在春季最大,相关分析结果表明：气温空间分异受海拔影响大。研究结果将对提高高寒山区气候特征认知及改善冰雪水循环模拟具有重要促进意义。     

基于数字相机图像的长白山森林物候模拟

植被物候作为全球植被和陆面过程模型的重要参数,对其状态的准确描述在很大程度上决定着模型的模拟精度。温带森林作为北半球中高纬度地区主要植被类型及全球重要碳源,研究其物候期的变化将提高对区域碳通量的估算精度。本文以长白山阔叶红松林为研究对象,探讨了数字相机图像在物种尺度物候模拟及群落尺度物候模型改进方面的作用,结果如下：（1）物种尺度上,利用数字相机能获取两种植被（红松,蒙古栎）较为准确的物候期（与人工观测数据比较,绝对误差〈3d）;（2）群落尺度上,基于数字相机图像获取的冠层状态数据提高了基于气象数据的物候模型（GSI：growingseasonindex）的模拟精度（R2=0．9）,尤其是秋季物候模拟,为进一步分析群落物候的环境控制因子提供了有力手段。研究表明：数字相机不仅能够提供精确地基于物种尺度的物候数据,还可为遥感物候数据的校正提供参考,同时为生态模型中物候模块的改进及降低区域尺度碳通量模拟不确定性提供了新的思路。     

基于统计降尺度模型的博斯腾湖流域未来最高和最低气温变化趋势分析

SDSM统计降尺度模型是解决空间尺度不匹配问题的有效工具,它使气候变化响应研究得以在区域尺度上展开。本文将SDSM模型应用于博斯腾湖流域分析它的适用性,并对流域未来最高和最低气温的变化趋势进行了预测。以日最高气温和最低气温为预报量,选取合适的NCEP大气环流因子为预报因子,建立预报量与预报因子间的回归关系。使用1961-1990、1991-2001年的实测数据和NCEP大气变量分别对SDSM模型进行率定和验证,效果较好。把HadCM3输出的A2、B2情景下的大气环流变量作为模型输入变量,模拟流域未来3个时期(21世纪20、50和90年代)的气温变化。结果显示,流域未来日最高气温和日最低气温都呈现明显上升趋势,升高幅度依次为:日最高气温日平均气温日最低气温,且A2情景下气温增幅略大于B2情景下的增幅;冬季气温增幅最小,夏季增幅最大。分析结果可为博斯腾湖流域开展气候变化的水文响应研究以及气候变化的适应性研究提供科学依据。     

IPCCSRES情景下新疆未来气候变化格局分析

全球气候模型（GCM）提供了有效的方法来评估全球气候变化的过程,并可预估包括人类活动因素驱动在内的未来气候变化情景。然而其较低的分辨率并不能捕捉到那些地表特性复杂区域的气候变化特性。因此,使用包括区域气候模型（RcM）、偏差校正法和统计方法等方法在内的降尺度方法来处理GCM的原始数据以达到评估区域的气候变化的目的。本研究应用使用偏差校正法中的delta方法将24个GCM在IPCC三种气候变化情景下的月尺度数据水平分辨率降尺度到0．5℃,进而用于分析新疆未来气候变化格局。基于降尺度后的计算结果与GCM模型原始数据比较表明：降尺度方法可以改善复杂地表和地形的区域气候变化预估特征,并降低GCM生成的气候数据在新疆地区的不确定性。结果表明：AIB、A2和B1三种情景模式下年均气温和年降水量在21世纪早期具有相似的空间格局与变化趋势,到21世纪中期会产生波动变化。年平均气温在A1B,A2和B1三种情景下到21世纪末将分别达到10℃,11．1℃和8．5℃;与此同时,年降水量将会有波动性的增加趋势。在2020—2070年间,AIB情景下区域年平均气温大于其他两个情景。A1B情景下的年降水量在2020-2040年间也大于其他两个情景。然而,在不同的情境下年平均气温与年降水存在很大的不确定性。不同情景下年平均气温的差异达6℃,而年平均降水差异大约200mm。在区域气候变化格局方面,到21世纪末,在天山中部、伊犁河流域、天山南部和塔里木河下游的年平均气温的增长要比准噶尔盆地、帕米尔高原和昆仑上北坡的小。年降水量在南疆西部呈现出轻微的下降趋势,但是在昌吉,吐鲁番,哈密和阿尔金山北部呈现出增长趋势。     

塔里木河流域未来最高和最低气温变化趋势

利用统计降尺度模型SDSM(Statistical Downscaling Model)对塔里木河流域未来最高气温和最低气温变化趋势进行分析.首先选取最高气温和最低气温作为预报量,并根据NCEP再分析数据与流域实测数据分别建立大气环流因子与流域最高气温、最低气温之间的相关关系,选择合适的大气环流因子作为预报因子.然后将所选预报量和预报因子的数据序列分为1961-1990和1991-2001两个时段,分别输入SDSM,用于模型率定和验证.模拟结果表明SDSM模型在模拟塔里木河流域最高和最低气温时能取得较好的效果.最后,将HadCM3输出的A2、B2两种情景输入率定的SDSM,来模拟流域未来最高和最低气温日序列,以分析两种情景下流域未来气温的变化趋势.其结果表明:塔里木河流域未来最高和最低气温总体变化趋势是升高的,两者在A2情景下升高幅度普遍比B2情景下高;两种情景下,最高气温增幅普遍较最低气温要大,夏季变化幅度最大,而冬季变化幅度最小,这些与中国总体变化趋势不同;最高和最低气温在大多数月份都呈增温趋势,只在1、2、11和12月份的部分时期呈降温趋势,且增温幅度明显要大于降温幅度,最高气温变化幅度极值出现在7月和12月,最低气温则为2月与6月.     

RCP4.5情景下淮河流域气候变化的高分辨率模拟

利用CCLM高分辨率区域气候模式RCP4.5情景预估数据与淮河流域1960-2005年日尺度气象观测资料,对比分析模式在试验期（1960-2005年）和预估期（2006-2040年）的模拟能力。结果表明：①试验期模式数据能较准确地模拟流域逐月平均温度时间变化特征,相关系数达0.99（通过95%置信度检验）;日均温空间分布特征相关系数达0.72;但在南部高海拔地区（安徽省霍山县和金寨县）精度不高;极端最高（低）气温的空间相关性达0.77（0.88）。②模式在试验期模拟的逐月平均降水量总体趋势与实测值变化一致,相关系数达0.63（通过95%置信度检验）;对干旱的模拟与观测数据存在一定误差,但整体趋势与其一致;年均降水量和极端强降水空间分布相关系数分别达0.90和0.93,模拟效果较好;整体上,模式对温度的模拟效果要好于降水模拟。③RCP4.5情景下,空间尺度上淮河流域未来温度和降水与观测期相比变幅小,时间尺度上年均降水量无显著变化,平均气温年际变化率约0.21℃/10a,极端高温持续增长,低温持续下降。     

中国东北主要生态系统气温变化趋势比较

全球变暖是当前人类社会面临的主要环境问题,对同一区域不同生态系统气温变化差异的认知,是服务于当地生态环境评价和经济建设规划的基础。以1961-2012年的气温数据为基础,用Mann-Kendall(M-K)秩次相关法对中国东北地区纬度相差极小的农业(海伦站)、森林(博克图站)、草甸草原(海拉尔站)、干草原(满洲里站)4类生态系统的气温变化进行了比较分析。结果表明:(1)1961-2012年东北地区主要生态系统年最高气温变化趋势最显著,其次是年平均气温,年最低气温变化趋势不显著。(2)不同生态系统年平均气温、年最高气温、年最低气温的变化趋势具有一致性,同一生态系统年平均气温、年最高气温和年最低气温的变化趋势存在差异。(3)从年平均气温来看,草甸草原生态系统变化趋势最显著,气温变化率最大(0.44℃/10a),发生气温突变的时间最早;从年最高气温来看,农业生态系统一直呈上升趋势,20世纪90年代后期上升趋势显著,气温突变点出现的时间最早。     

气候变化背景下极地海洋和陆地生态系统中持久性有机污染物的迁移和分布

近年来,气候变化对极地环境产生深远的影响,进一步影响到持久性有机污染物(persistent organic pollutants,POPs)在极地同环境介质之间的分布和迁移。对极地海洋生态系统而言,气候变化导致的海冰消融和开放性海域面积增加,使得表层海水和海冰中的POPs物质再次释放进入大气;同时气候变化导致的极地海洋初级生产力降低会对海洋生物泵产生影响,而使得极地海洋中的POPs物质难以进入深海,增加极地生态系统对POPs的暴露。对极地陆地生态系统而言,POPs的地球化学循环受到温度增加,及其导致的土壤有机质含量增加共同作用的影响。     

Northward-shift of temperature zones in China’s eco-geographical study under future climate scenario

Despite the well-documented effects of global climate change on terrestrial species’ ranges, eco-geographical regions as the regional scale of ecosystems have been poorly studied especially in China with diverse climate and ecosystems. Here we analyse the shift of temperature zones in eco-geographical study over China using projected future climate scenario. Projected climate data with high resolution during 1961–2080 were simulated using regional climate model of PRECIS. The number of days with mean daily temperature above 10℃ and the mean temperature of January are usually regarded as the principal criteria to indicate temperature zones, which are sensitive to climate change. Shifts due to future climate change were calculated by comparing the latitude of grid cells for the future borderline of one temperature zone with that for baseline period (1961–1990). Results indicated that the ranges of Tropical, Subtropical, Warm Temperate and Plateau Temperate Zones would be enlarged and the ranges of Cold Temperate, Temperate and Plateau Sub-cold Zones would be reduced. Cold Temperate Zone would probably disappear at late this century. North borderlines of temperature zones would shift northward under projected future climate change, especially in East China. Farthest shifts of the north boundaries of Plateau Temperate, Subtropical and Warm Temperate Zones would be 3.1°, 5.3° and 6.6° latitude respectively. Moreover, northward shift would be more notably in northern China as future temperature increased.     

基于HASM的省级尺度气候与植被生态系统模拟分析

区域气候要素的空间模拟精度直接关系到区域气候-植被生态系统的模拟精度。针对这一问题,运用HASM方法对江西省气候要素进行空间模拟,而且与IDW、Kriging、Spline等传统经典方法模拟结果的对比分析表明,HASM方法的模拟精度最高。因此,在10年和30年时间尺度上,运用HASM方法分别完成江西过去60年的平均气温、平均降水和潜在蒸散的空间模拟,并采用Holdridge生命地带(HLZ)模型分别实现了江西不同时间尺度的HLZ生态系统时空变化模拟。模拟结果显示,在1961-2010年期间,20%左右的HLZ生态系统发生了变化,平均气温上升是HLZ生态系统发生变化的主要驱动因子。另外,在江西省出现的7种HLZ生态系统类型中,暖温带湿润森林类型受平均气温上升的影响最大。     

未来气候情景下中国生态地理区域系统温度带的北移(英文)

Despite the well-documented effects of global climate change on terrestrial species' ranges,eco-geographical regions as the regional scale of ecosystems have been poorly studied especially in China with diverse climate and ecosystems.Here we analyse the shift of temperature zones in eco-geographical study over China using projected future climate scenario.Projected climate data with high resolution during 1961-2080 were simulated using regional climate model of PRECIS.The number of days with mean daily temperature above 10℃ and the mean temperature of January are usually regarded as the principal criteria to indicate temperature zones,which are sensitive to climate change.Shifts due to future climate change were calculated by comparing the latitude of grid cells for the future borderline of one temperature zone with that for baseline period(1961-1990).Results indicated that the ranges of Tropical,Subtropical,Warm Temperate and Plateau Temperate Zones would be enlarged and the ranges of Cold Temperate,Temperate and Plateau Sub-cold Zones would be reduced.Cold Temperate Zone would probably disappear at late this century.North borderlines of temperature zones would shift northward under projected future climate change,especially in East China.Farthest shifts of the north boundaries of Plateau Temperate,Subtropical and Warm Temperate Zones would be 3.1°,5.3° and 6.6° latitude respectively.Moreover,northward shift would be more notably in northern China as future temperature increased.     

20世纪80年代以来西南喀斯特地区植被变化对气候变化的响应

气候变化与植被变化的关系已经在全球和区域尺度上得到了研究证明。在前人研究的基础上,基于AVHRR GIMMS NDVI和AVHRR GloPEM NPP数据集,通过对逐个像元信息的提取和分析,研究了20世纪80年代以来,我国西南喀斯特地区植被变化对气候变化的响应。研究结果显示:(1)20世纪80年代以来,西南喀斯特地区植被覆盖度和净初级生产量总体均呈增加的趋势,但不显著。植被指数的年际变化存在着明显的区域差异;(2)植被指数年际变化与气候因子年际变化的相关系数区域分异比较明显;(3)不同的植被类型对气候变化有着不同的响应特征;在该研究区气温变化对植被变化的影响要高于降水量变化对其影响;(4)植被指数年际变化与气候因子年际变化的相关系数在不同气候条件下分布的规律性比较明显。本研究将会增进对影响喀斯特生态系统稳定性的自然过程的认识,同时也会为喀斯特生态系统的管理提供科学依据。     

不同森林生态系统对全球气候变化和经济活动响应的比较分析（英文）

本文对俄罗斯、蒙古和中国范围气候变化对不同生态系统(寒带、热带)空气记录分布的影响进行研究,并将这些生态系统对全球气候变化的响应进行比较分析,其中空气记录来自研究范围的关键区域。研究发现,森林生态系统对气候变化具有一定的响应。伴随着气候变化,社会经济活动对生态系统的影响显著。研究结果表明,气候驱动力和人类直接影响对森林和草原生态系统如何施加影响有待进一步研究。     

昼夜增温对南四湖湿地植被NDVI的影响差异

利用近40 a的Landsat系列卫星的MSS、TM和ETM+遥感数据,计算了南四湖湿地植被平均归一化植被指数（NDVI）,并以此为湿地植被活动的指标,结合南四湖流域内气象站点的逐年、逐月及逐日气温数据,揭示昼夜温度变化对湿地植被活动的影响差异。结果表明：1）近40 a来研究区日最高温（T_max）、夜间最低温（T_min）和日均温（T_ave）都存在显著的上升趋势;其中T_max与T_min增温具有不对称性,R²值分别为0.13和0.26,平均每10 a分别增温0.174℃和0.235℃,T_min的增温趋势更明显。2）在人为活动影响较弱的时段（1973―1999年）,偏相关分析显示,去除Tmin影响,T_max与NDVI呈现极显著的偏相关关系（R＝0.412,P＝0.008）;去除T_max的影响,T_min与NDVI的偏相关关系在任何时期内均不显著。这可能与湿地充足的水份条件以及昼夜增温对湿地植被的生态效应不同有关。     

1982-2006 年欧亚大陆植被生长季开始时间遥感监测分析

植被物候是环境条件季节和年际变化最直观、最敏感的生物指示器,物候变化可以反映陆地生态系统对气候变化的快速响应.论文基于1982-2006 年连续25 年的GIMMS AVHRR NDVI数据,采用动态阈值法、延迟滑动平均法,双Logistic 和Savitzky-Golay 方法提取欧亚大陆植被的生长季开始时间,并对不同方法的提取结果进行比较和分析.然后以动态阈值法的物候提取结果,研究了1982-2006 年期间植被物候变化趋势以及物候对温度变化的响应情况.结果表明：动态阈值法在欧亚大陆地区生长季开始时间提取率高,在纬度上的变化趋势稳定;北方森林/针叶林和苔原地区的生长季开始时间提取结果最稳定,低纬度区域的变率最大.1982-2006 年,大部分植被类型的生长季开始时间表现出提早趋势,其中森林覆盖区域提早趋势明显,变化幅度为11.45~15.61 d/25a;除了郁闭式至开放式( > 15%) 灌木丛( < 5 m)植被类型外,植被物候和温度表现出负相关关系,变化幅度为1.32~3.47d/℃,这也验证了近几十年气候变暖的趋势.