大气CO2浓度变化与生物群系气候异常之间的关联分析

自工业革命以来全球化石燃料燃烧释放到大气中的CO2持续升高,但大气中CO2的增长速率却并没有相应地增加。造成这种差异的原因,尤其是造成大气CO2浓度年际变化的驱动因素以及其空间位置,目前还存在很大的争议。基于全球气候数据及相关的遥感数据,对1986-1995年大气CO2浓度增长速率（CGR）与生物群系气候异常之间的关联进行了分析。结果表明：常绿阔叶林、C4森林草地、C4草地以及针叶林与林地这4种生物群系是主要的气候异常敏感区域,其碳源,碳汇的年际变化影响着大气CO2浓度的增长速率。虽然这些影响在特征和数量上存在差异,但它们有时也会对大气CO2浓度增长速率表现出共同的作用。如厄尔尼诺年（1987年）大气CO2浓度的增长速率非常大,而造成这种现象的原因是热带生物群系（常绿阔叶林、C4森林草地、C4草地）对于厄尔尼诺年温度变化的响应。     

基于中国大气反演系统的卫星CO2数据同化对全球碳收支的评估

卫星CO₂浓度观测可以对地表碳通量反演提供重要约束,尤其在地面观测覆盖不佳的区域.文章使用自主研发的中国大气反演系统,利用OCO-2(Orbiting Carbon Observatory-2)卫星CO₂柱浓度观测估算了2015～2019年全球CO₂源汇分布,并与其他五个先进反演系统的结果进行了对比.通过同化卫星CO₂观测,反演得到的全球净陆地碳汇(净生物群系生产力, net biome productivity, NBP)为(1.03±0.39)PgC a^-1,低于地面观测反演得到的结果(1.46～2.52PgC a^-1).文章估算的北半球陆地碳汇为1.30PgC a^-1,热带陆地为碳源,碳释放量为0.26PgC a^-1,结果与其他独立证据相符.相较之下,其他系统反演出的北半球陆地碳汇较强(1.44～2.78PgC a^-1),而对热带碳通量的估算存在较大分歧,估算范围为0.77～-1.26...     

我国4个国家级本底站大气CO_2浓度变化特征

CO2是影响全球温度的主要温室气体,其浓度变化状况能反映出不同区域大气受自然和人为活动影响的程度.以中国气象局青海瓦里关、北京上甸子、浙江临安和黑龙江龙凤山4个国家级大气本底站为研究基地,每周一次进行Flask瓶采样/实验室非色散红外吸收法CO2浓度分析.根据2006年9月~2007年8月期间观测资料,并结合瓦里关长期在线观测数据处理经验,对大气CO2采样分析数据本底浓度筛选方法进行了初步探讨,并对我国4个典型区域大气CO2本底浓度特征进行了探索性分析,可以为深入了解我国典型区域温室气体浓度现状奠定基础.结果表明:观测期间瓦里关、上甸子、临安和龙凤山站大气CO2浓度水平分别为383.5,385.9,387.8和384.3ppm.瓦里关站大气CO2浓度变化较为平稳;而上甸子和临安两个区域本底站分别受到京津塘经济圈和长三角经济圈人类活动的显著影响,浓度波动较大;龙凤山站由于受到植被光合作用和人类活动的综合影响,大气CO2浓度季节变化规律最为明显.     

基于GOSAT卫星观测的大气CO_2浓度与模型模拟的比较

卫星从空间对大气CO2的实时观测可以客观地获取全球和区域大气CO2浓度的变化信息;另一方面,利用全球大气输送模型的数值模式模拟得到时空连续的全球大气CO2浓度是目前科学家们定性和定量地研究大气CO2全球输送过程及时空变化规律的主要途径之一.卫星观测和模型模拟以两种不同的方式为我们提供大气CO2浓度信息,但对于这两种方式所揭示的全球以及区域大气CO2浓度特征的差异还没有一个综合的对比分析与评价.本文收集2009年6月到2010年5月的GOSAT卫星观测数据,利用GEOS-Chem模型模拟了同时期全球大气CO2浓度,对比分析两种方式揭示的大气CO2时空变化特征差异,通过比较中国陆地与同纬度美国陆地区域的差异,评价分析卫星观测和模型模拟各自的合理性和不确定性.结果指出卫星GOSAT观测反演的大气CO2浓度总体低于模型模拟2 ppm左右,与地面观测验证的结果相近.但是两者的差异在不同的区域上明显不同,在中国陆地区域显示了从0.6~5.6 ppm很大的差值变化,而在全球陆地区域为1.6~3.7 ppm、美国陆地区域为1.4~2.7 ppm.卫星GOSAT观测与模型模拟在美国陆地显示了0.81的拟合优度,高于全球陆地区域的0.67和中国区域的0.68.综合分析结果指出在中国区域卫星观测与模型模拟的不一致性高于美国和全球,其原因与卫星观测反演算法中输入参数的不整合所引起的CO2浓度反演误差以及模型模拟中驱动参数数据的准确性有关.     

天津近海大气中CH_4,N_2O和CO_2季节变化分析

为研究渤海天津近海海域温室气体污染状况,分别于2006年8月、12月和2007年4月、11月在渤海天津近海对CH4,N2O和CO2三种主要温室气体进行了观测,并采用后轨迹模型对其来源进行了分析,得到结果认为采样期间区域大气受到天津沿海地区影响较大,表现出城市温室气体分布特征,同时可能受到海洋自身的影响.样品分析结果发现渤海天津近海大气中CH4浓度最大值出现在夏季为2.61μL/L,最小值在冬季为1.87μL/L.N2O的浓度范围为319.33～347.67nL/L,且各点位浓度值的分布为冬季>秋季>夏季>春季.CO2浓度的变化范围是375.4～648.4μL/L,采暖期高出非采暖期.渤海天津近海海域3种主要温室气体的浓度都已超过2005年全球平均本底浓度,应引起足够重视.三者在一定程度上受共同的源影响,尤其是CO2和N2O,自相关性显著且与气象因子的相关性一致.     

两小型浅水湖泊水体叶绿素a浓度的季节变化及与理化因子和生物因子的关系

为探讨非生物因子和生物因子对水体叶绿素a(Chl.a)浓度变动的相对重要性,对芜湖市内的汀棠湖(每半月1次)和镜湖(每4天或7天1次)进行高频采样,分析理化因子及浮游动物密度与Chl.a浓度间的关系.结果表明,从全年来看,2个湖泊的Chl.a浓度均与水温和透明度间分别呈现显著的正相关性和负相关性,与浮游动物密度均无显著相关性;镜湖Chl.a浓度随着总磷浓度和氮磷比的增加分别呈上升和降低趋势.从季节来看,冬季两湖中的Chl.a浓度最低,轮虫密度与此阶段镜湖中藻类Chl.a总浓度和小型藻类的Chl.a浓度间均呈显著负相关,且其对上述两类Chl.a浓度变动的影响程度最大,表明轮虫对藻类的牧食效应降低了冬季镜湖中的Chl.a浓度.从各环境因子对Chl.a浓度变动影响的相对权重来看,除了冬季的镜湖外,2个湖泊中的两类Chl.a浓度均与透明度的关系最密切,且均随着透明度的上升而降低,暗示了透明度可作为预测小型封闭性浅水湖泊中Chl.a浓度的简便指标.     

西藏高原低大气压下冬小麦表观光合量子产额及其对温度和胞间CO_2浓度变化的响应

西藏高原海拔高,大气压低,气温低且日较差变幅大,植物的光合作用受到显著的影响.单叶表观光合量子产额(αA)是反映植物光能利用和光合物质生产效率的基本参数,准确确定西藏高原的αA在研究高原C3植物光合作用和全球变化建模中具有重要意义.在海拔3688m,大气压为654×102Pa的拉萨高原生态试验站,利用Li-Cor6400光合仪测定了冬小麦旗叶在不同温度和胞间CO2浓度下的光响应曲线.利用0~150μmolm?2·s?1光量子通量密度下与净光合速率的初始斜率为αA指标,分析了高原稀薄大气环境下C3作物冬小麦的αA随叶温和胞间CO2浓度的变化规律.在30℃下,西藏高原冬小麦旗叶αA为0.0476±0.0038,与低海拔地区C3植物相比相差不大.αA主要受到温度和[CO2]/[O2]分压比的综合影响,以往测得αA可能由于仪器和数据处理方法的系统误差而低估了西藏高原真实值.αA随温度升高呈线性降低,温度每升高1℃,αA降低0.0007,随温度降低的梯度与低海拔地区相似.αA受到[O2]的显著影响,在一定[O2]下,随胞间CO2浓度增加而升高,呈双曲线关系.与低海拔地区相比,高原αA对CO2升高反应更敏感.     

气温气压与断层气氡浓度短期变化的相关性分析

以嘉峪关断层气氡为研究对象, 利用气氡和气温、 气压的日值, 通过计算气温气压与气氡浓度的相关系数, 分析了气温和气压对断层气氡浓度短期变化的影响. 结果显示, 气温和气压对气氡浓度的短期影响显著, 其表现为既具有相似性特征, 又存在明显的差别: ① 在对气氡浓度的影响程度上, 气压明显大于气温. ② 气温和气压对气氡浓度的影响均具有明显的滞后效应, 如离取样时间最近的0—8时, 它们对气氡浓度的影响均逐渐减弱, 但气温对气氡浓度的影响于7时达到最低, 8时仍在低位变化; 而气压对气氡浓度的影响则在8时达到最低值. 9时气温和气压的影响都出现快速上升, 之后气压对气氡浓度的影响表现为波动缓慢上升变化, 18—19时达到最高值; 9时之后气温对气氡浓度的影响则表现为波动缓慢下降变化. ③ 不同月份气压和气温对气氡浓度的影响也存在明显的差异. 气压的影响具有很好的规律性, 1—4月为高影响状态, 5月份开始出现快速下降变化, 8月份达到最低值, 9月份略有回返, 10—12月又达到了全年的最高值; 而气温对气氡浓度的影响除3月份和4月份比较高之外, 其它月份都在低值变化, 并且差别不大. ④ 对震例的分析结果表明, 嘉峪关气氡浓度大幅正突跳变化不具备预报地震的能力.      

海洋沉积磷的减少与冰期大气CO2降低的联系

从南海北部陆坡沉积物中提取的有关磷的环境与生物地球化学信息显示, 陆源磷对海洋的供应量是基本恒定的, 不同深度磷含量的变化是受气候和环境变化影响的结果. 根据沉积物中磷与碳酸钙、Cd含量随深度变化的趋势相反, 以及通过化学平衡计算得到的海水中CO₂与PO₄^3−的消长关系, 表明了海洋沉积磷的积累与大气CO₂的变化相关联, 沉积磷的积累量减少和碳酸钙含量增加, 可能是导致冰期大气CO₂浓度降低的一个关键性因素.     

西南极企鹅栖息地粪土层生物标志物记录和实测群落结构变化与ENSO的响应

采用210Pb进行年代测定,建立了西南极阿德雷岛AD2企鹅粪土地层的类脂生物标志物时间序列,应用粪土层记录的环境冷暖指标脂肪酸分子nC18:2/nC18:0比值变化,反映1931~2006年以来西南极地区几次短期气候冷暖变化事件,它们在年代和形式上与ENSO事件相互对应,且低值出现在2~3和6~7cm处的2个ENSO年结束年(1958和1983年),反映了记录在南极沉积地层中的ENSO信号可能有一个时间滞后效应.研究结果还显示,AD2粪土层正构烷烃主峰碳(MH)C23的相对丰度、C23/C17、轻组分与重组分比值(C21/C22+)、碳优势指数CPI等的变化不仅反映了土壤菌藻微生物与低等植被的相对变化,而且也与气候变化具有密不可分的联系.细菌脂肪酸很好地记录了近75年来该地区经历了两次明显的细菌变化,细菌脂肪酸iC15:0/aC15:0比值敏锐地反映了这一地区在这两个时期微生物作用明显增大,且均发生在ENSO结束年,同时段的脂肪酸组分CPIA值降低,C21/C22+增高,表明微生物为粪土层贡献低碳数的脂肪酸分子,与Pr/Ph没有太大相关性,这种变化反映了微生物及细菌在南极这个相对简单的生态系统中扮演了重要角色,无疑微生物的活动与气候冷暖条件密切关联.另外结合企鹅群落实测研究表明,鸟类数量变化在一定程度上是可以反映全球气候变化对群落生态系统的影响.     

格点大气环流模式GAMIL2参数不确定性的量化分析与优化

物理过程参数化方案的不确定性是目前气候系统模式不确定性的重要来源之一.随着模式内在复杂度攀升,模拟场景多样化,参数化方案中基于先验的和人工的物理参数选取方法已经逐步成为限制模式模拟能力的瓶颈之一.为此,本文设计并提出了初选与寻优相结合的两步法参数优化方案.初选阶段用全因子采样方法对不确定参数空间进行初始敏感性分析,估计最优解所在区域;寻优步采用单纯型下山法,基于初选阶段确定的参数组合快速寻优.将两步法应用于中国科学院大气物理研究所(英文缩写:IAP)大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(英文缩写:LASG)格点大气模式第2版:GAMIL2,选取其深对流方案和云量方案中的3个重要参数开展寻优,优化以综合减小模式降水、风场、温度、湿度、位势高度以及辐射通量的误差为目标.这些变量用GAMIL2标准版本标准化后形成单一的目标. 结果显示,优化后的目标函数值比GAMIL2 标准版本改进了7.5%.机理分析表明,调优后的参数优化了大气中的水汽凝结作用,进而减少模式的湿度偏差,改进云量的模拟效果;同时水汽凝结作用的变化通过大气内部动力和热力相互作用及响应影响温度、位势高度和风场的模拟.     

上海-南极洋面大气N2O的δ^15N与δ^18O时空变化特征

在中国第22次南极科学考察期间,采用Tedlar气袋采集了“雪龙号”考察船航线上洋面大气样品以及东南极米洛半岛近地面大气样品（采样时间分别为地方时上午10：00和夜间22：00）,在室内通过带有全自动预GC浓缩接口（PreCon）的Thermo Finnigan MAT-253同位素质谱仪,对这些大气样品中N20的同位素组成进行了高精度地测量;并分析了其δ^15N与δ^18O空间变化规律．上海-南极洋面大气N2O的δ^15N与δ^18O平均分别为（7．21±0．50）‰和（44．52±0．52）‰．由30°N往南极随着纬度的变化,δ^15N（6．05‰～7．88‰）呈线性增加趋势,增加率为0．01‰/纬度,δ^18O（43．05‰～48．78‰）则呈现较大的波动;且δ^15N气温、N2O浓度呈负相关,而与δ^18O呈弱的正相关．东南极米洛半岛近地面大气N2O的δ^15N与δ^18O夏季变化趋势相一致,且二者呈显著正相关,而与N2O浓度呈显著负相关;不同地点大气N2O的δ^15N与δ^18O平均分别为（7．46±0.39）％。和（44．6±0．45）‰,略高于洋面大气N2O的δ^15N与δ^18O;而显著高于北半球低纬度大气N2O的δ^15N与δ^18O值．分析讨论了引起地面大气N2O的δ^15N与δ^18O空间变化的主导因素．提供了全球大区域洋面大气N2O的同位素资料,有助于定量评估全球与区域大气N2O的净收支．     

地震活动对大气与海洋环境变化的影响分析——以美国加州与日本3·11地震为例

通过美国加州林火期间的地震、CO气体监测等数据的统计分析,认为地震对气候干燥、林火的发生以及CO气体浓度变化存在重要影响;对比分析日本3·11地震前后的海洋表面温度变化,认为海底地震的热能释放是导致海水温度升高及海洋热膨胀的重要因素,并进而通过海气交换对大气圈等产生影响;综上分析认为,地震活动伴随有大量的热能及气体释放,并对地球系统的多个方面产生影响,在全球变化中具有重要作用。     

过去2．5百万年间黄土与深海古气候变化周期的对比分析

过去２．５Ｍａ间宝鸡黄土粒度记录和深海氧同位素曲线的Ｆｏｕｒｉｅｒ功率谱分析结果表明：在１．６Ｍａ以上部分，两者的周期性相当一致；但在２．５-１．６Ｍａ时段，两者的周期记录差异很大．深海氧同位素曲线记录的全球大陆冰量变化周期以与地轴倾斜度有关的０．０４１Ｍａ为主，而黄土粒度曲线记录的内陆风力强度变化周期则以与偏心率有关的０．４Ｍａ和０．１Ｍａ为主．造成这种异同的原因是：在２．５-１．６Ｍａ时段，内陆风力强度变化主要受地球轨道变化驱动，而从１．６Ｍａ前开始，转而主要受全球大陆冰量变化驱动．     

过去2．5百万年间黄土与深海古气候变化周期的对比分析

过去２．５Ｍａ间宝鸡黄土粒度记录和深海氧同位素曲线的Ｆｏｕｒｉｅｒ功率谱分析结果表明：在１．６Ｍａ以上部分,两者的周期性相当一致;但在２．５—１．６Ｍａ时段,两者的周期记录差异很大．深海氧同位素曲线记录的全球大陆冰量变化周期以与地轴倾斜度有关的０．０４１Ｍａ为主,而黄土粒度曲线记录的内陆风力强度变化周期则以与偏心率有关的０．４Ｍａ和０．１Ｍａ为主．造成这种异同的原因是：在２．５—１．６Ｍａ时段,内陆风力强度变化主要受地球轨道变化驱动,而从１．６Ｍａ前开始,转而主要受全球大陆冰量变化驱动．     

上海-南极洋面大气N_2O的δ~(15)N与δ~(18)O时空变化特征

在中国第22次南极科学考察期间,采用Tedlar气袋采集了"雪龙号"考察船航线上洋面大气样品以及东南极米洛半岛近地面大气样品(采样时间分别为地方时上午10:00和夜间22:00),在室内通过带有全自动预GC浓缩接口(PreCon)的Thermo Finnigan MAT-253同位素质谱仪,对这些大气样品中N2O的同位素组成进行了高精度地测量;并分析了其δ15N与δ18O空间变化规律.上海-南极洋面大气N2O的δ15N与δ18O平均分别为(7.21±0.50)‰和(44.52±0.52)‰.由30°N往南极随着纬度的变化,δ15N(6.05‰～7.88‰)呈线性增加趋势,增加率为0.01‰/纬度,δ18O(43.05‰～48.78‰)则呈现较大的波动;且δ15N与气温、N2O浓度呈负相关,而与δ18O呈弱的正相关.东南极米洛半岛近地面大气N2O的δ15N与δ18O夏季变化趋势相一致,且二者呈显著正相关,而与N2O浓度呈显著负相关;不同地点大气N2O的δ15N与δ18O平均分别为(7.46±0.39)‰和(44.63±0.45)‰,略高于洋面大气N2O的δ15N与δ18O;而显著高于北半球低纬度大气N2O的δ15N与δ18O值.分析讨论了引起地面大气N2O的δ15N与δ18O空间变化的主导因素.提供了全球大区域洋面大气N2O的同位素资料,有助于定量评估全球与区域大气N2O的净收支.     

南海南部美济礁200余年滨珊瑚骨骼钙化率变化及其与大气CO2和海水温度的响应关系

工业革命以来的大气CO2浓度上升和全球气候变暖被认为是珊瑚生长的主要威胁.利用珊瑚骨骼X光影像方法分析了美济礁14个大型滨珊瑚的骨骼钙化率,获得了200多年来的珊瑚钙化率变化模式.结果显示珊瑚钙化率的长期变化包括3个增长阶段(1770～1830,1870～1920和1980～2000)和2个降低阶段(1830～1870和1920～1980),其中1770～1830年和1920～1980年分别有200多年来最大增幅(4.5%)和最大降幅(6.2%),最近的时段1980～2000年间珊瑚钙化率有小幅度上升.珊瑚钙化率与大气CO2和海水表层温度(SST)响应模式的分析发现,美济礁珊瑚钙化率与大气CO2的响应关系不成立,百年来的大气CO2浓度增加对珊瑚生长的影响不显著;珊瑚钙化率则与SST具有非线性响应关系,最大钙化率温度为27.2℃,低于和高于该温度,钙化率降低.20世纪早中期的SST上升有利于珊瑚生长,而近20年的SST持续上升则不利于珊瑚生长.