北极地区快速升温的驱动机制研究进展

受全球持续暖化影响,北极地区近地表气温正在以超过全球平均两倍以上的速度急剧升高,称为"北极放大"效应.北极的快速升温与地气系统的能量收支异常直接相关,学术界基于模式模拟、卫星观测等多种手段开展了大量研究工作,并提出了一系列的理论和证据,尝试从能量收支的角度对"北极放大"效应的驱动机制进行解释.对驱动"北极放大"的各种潜在机制的理论基础进行了阐释,并回顾了各种驱动机制的研究进展.综合现有研究表明,北极的快速升温既与受北极独特的地理、大气环境影响形成的多种辐射反馈机制(如海冰反照率辐射反馈机制、边界层大气逆温引起的温度梯度正反馈机制、普朗克反馈机制等)有关,也可能是由地球大气、海洋环流异常引起的极向物质与能量传输增强所致.通过对现有研究进行综合分析指出,受研究方法存在一定缺陷、高质量且时空完整的长时序辐射产品的缺乏,以及探索不同因素之间关联机制的综合性研究的缺少等影响,目前对于北极地区快速升温的关键驱动机制仍无定论,不同理论之间存在很大的分歧.进一步指出,长时序、高质量的地表与大气辐射产品研发,研究方法的进一步优化与各种气候因子变化对地气系统能量收支扰动的更准确量化,以及针对不同气候因子之间内在关联机制的综合分析,将是未来提升北极地区气候变化研究的重要方向.     

气候变暖会使青藏高原树线一直上升吗?

树线上树木生长主要受生长季低温限制,因此气候变暖将导致高山树线向更高海拔迁移。然而,全球树线调查数据显示,近百年来约50%调查样点树线上升明显,其余则保持静止状态。以上事实揭示,除了气候因素,非气候因素(如竞争等种间关系)也在一定程度上调控着树线的位置变化。青藏高原拥有全球海拔最高的天然树线,是探讨气候和非气候因素对树线变化影响的理想区域。研究发现:树线之上低矮稀疏的灌丛或草丛成为幼苗萌发或生长的"避难所",从而有利于树线大幅度爬升;而高大茂密的灌丛则会形成一道宽厚的"封锁墙",从而抑制树线的上升。因此,变暖背景下树线位置倾向于向更高海拔爬升,但爬升速率受到树线之上种间关系的调控。变暖并不一定会造成树线位置的显著上升。     

西北地区气候暖湿化的研究进展与展望

西北地区地理位置特殊,气候变化独特,形成机理复杂,对社会和自然环境的影响突出.尤其,自21世纪初有研究提出西北气候从暖干向暖湿转型的科学认识后,其气候变化问题引起了社会各界的普遍关注,也兴起了对西北气候变化趋势、驱动机制及影响的广泛研究,多年来已积累了大量的研究成果.然而,由于以往不同研究所用资料的类型、序列长度和时空分辨率不同,所关注的时段和区域不同,认识问题的视角和维度不同,使得存在一些分歧认识或者相悖结论.鉴于此,本研究通过系统梳理西北地区气候变化研究的历史经纬,归纳已有的研究成果,综合考虑不同视角和维度,划分了西北地区增暖与干湿变化科学认识的6个阶段;概括了西北暖湿化的驱动机制;评估了暖湿化对生态、农业及水资源等的影响;预估了未来暖湿变化趋势及其存在的可能风险;提出未来研究需要从大气、水文及生态等多学科相互作用角度探讨气候暖湿化的驱动机制、暖湿化背景下极端天气气候事件的变化特征、地表水分循环对暖湿化的响应特征、暖湿化与水文和生态的耦合机制、暖湿化对水安全、生态安全及粮食安全带来的机遇和风险,以及“双碳”(碳达峰、碳中和)目标下西北地区未来气候变化趋势等重点科学问题上取得突破.     

青藏高原生态系统对气候变化的响应及其反馈

近几十年来,青藏高原正经历快速的气候变化,高原生态系统因此发生了深刻变化,并对周边地区产生了深远影响.本文围绕青藏高原生态系统结构和功能对气候变化的响应与反馈这一主线,系统总结了气候变化对物候、高山树线、生物多样性、植被生产力和生态系统碳汇功能的影响,阐述了青藏高原植被变化对区域气候的反馈及对亚洲季风的远程影响的研究进展.主要结论如下:气候变暖导致植被返青期总体提前,高原树线位置上升,高寒草原植物物种丰富度和多样性下降;气候变暖总体促进了高原植被生产力、增强了生态系统碳汇功能,但受限于土壤极大的空间异质性和对深层土壤碳动态理解的匮乏,目前对高原土壤碳库及土壤碳汇功能大小的估算仍具有较大不确定性.同时,青藏高原植被变化对近地表气温产生"负反馈"作用;植被活动增强还对东亚季风产生远程影响,导致我国东部夏季降水变化呈现"华南增加-长江黄河中间区域减少"的空间分异格局.未来的研究需要在完善观测体系基础上,加强对高寒生态系统对气候变暖的适应机理及生物地球物理反馈等过程的认知,为优化生态系统管理和保障青藏高原的生态安全提供理论基础.     

纵向岭谷区人口密度的空间分布规律及其影响因素

将GIS手段和统计方法相结合,选择地貌因子和气候因子,研究各类因子对人口分布的影响强度和函数形式,并通过人口分布影响因子法模拟西南纵向岭谷区的人口密度分布状况.研究结果表明:(1)各类自然地理要素对纵向岭谷区人口的空间格局均具有影响,但影响程度、影响形式存在差异.地貌因子和交通网密度对人口分布影响较为强烈,而温度和降水因子对研究区人口分布影响甚微;人口分布与海拔和交通网密度分别呈现负线性和正线性相关趋势,水网密度和坡度对人口分布分别表现为指数和对数的函数关系;(2)受自然条件影响,人口在纵向岭谷区的分布不均匀,具有整体零散,局部集中的特点,在纵向岭谷区中部形成人口高密度分布带,在东南部形成人口高密度片区;(3)西南纵向岭谷区的人口密度与土地利用的人为活动指数(HAI)具有很好的线性回归关系,人口密度可以反映人为活动对区域自然生态系统的干扰强度;(4)人口密度提高导致植被指数NDVI降低.     

中国气候变化影响与适应:态势和展望

2015年出版的《第三次气候变化国家评估报告》总结了第二次评估报告发布以来中国学者对气候变化影响与适应的最新研究结果.科学界对中国气候变化影响与适应研究的主要认识进展有:不同领域(农业、水资源、生态系统、冰冻圈、海岸带等)和区域已经显现出来气候变化影响的事实,总体判断弊大于利,特别是未来进一步增温将主要造成负面影响.影响评估的特点包括,气候变化对重点领域影响评估更加全面,重点领域对气候变化响应过程研究深入,评估方法与数据更加规范,辨识气候变化对不同领域和区域影响的利弊.本文分析了气候变化影响与适应研究差距.未来的研究将集中在降低气候变化影响认识的不确定性、提高定量化风险评估水平、增强气候变化影响与风险的综合交叉、趋利避害适应原则、有序适应机制、定量适应措施.     

基于模型模拟气候变化对农业影响评估的不确定性及处理方法

模型模拟是研究气候波动对作物影响的重要手段, 也是评估未来气候变化对农业可能影 响的主要途径. 由于科学认识和模拟技术上的不确定性, 当前的气候变化对农业潜在影响评估结 果一致性很差, 为农业应对气候变化的决策制定带来了极大困难. 基于不同层次的影响评估中不 确定性, 本文从气候预估、影响评估建模过程及气候模式与作物模型的连接3 个方面, 系统总结 了气候变化对农业影响评估中不确定性的来源及传播过程; 并介绍了针对多层次、多样化的不确 定性源及不确定性传播的处理技术与方法, 指出了当前不确定性处理中的缺陷与不足. 最后对如 何准确地实施气候变化对农业影响的评估, 进一步减小气候变化对农业影响评估潜在的不确定 性也提出了改进的建议.     

利用花粉资料重建加拿大1 ka来气温变化序列

植物花粉资料用来恢复千年-万年尺度的气候变化是一种比较成熟的方法，并取得了大量的成果，但应用于十年至百年尺度的气候序列重建仍属探讨性研究，本文采用花粉资料，以50a为时间尺度单元，对加拿大过去1ka的温度进行了历史重建，近千年来北美地区气候环境受人为干扰甚少，1～0.1ka尺度的气侯变化主要受自然因子控制，因此可为认识和鉴定中国千年来气候变化序列中人为影响程度提供有价值的参照系，此外，本文所采用的花粉-气候转换法可以为中国的千年尺度的气候重建提供实用技术。     

纵向岭谷区生态承载力的时空动态及驱动因子研究

纵向岭谷区(LRGR)是中国生物多样性保护的关键地区,该区资源富集、环境复杂、生态脆弱,区域生态系统的安全水平和生态承载能力差异较大,生态系统受到的扰动和变化显著,分析生态承载力时空动态及其驱动因子对区域生态管理具有重要意义.以纵向岭谷区核心区各县(市)为研究对象,在GIS的支持下,从市级和县域两个尺度上研究区域生态承载力的时空动态变化;进而利用主成分分析法(PCA),辨识区域生态承载力空间分异的驱动因子.结果表明:纵向岭谷区各地州人均生态足迹、人均生态承载力与生态安全水平地区差异显著;区域生态承载力随时间呈下降趋势,空间分布格局由北部、南部向中部递减;驱动力分析表明,人均生态承载力受社会经济发展和人口增长因素影响较大,主要驱动力为国内生产总值、人口等指标,驱动力的空间变异决定了生态承载力时空动态.     

用外部强迫因子对近百年陆地降水变化的统计建模试验

利用多元线性回归模型拟合历史气候变化经常会遇到残差自相关以及影响因子之间存在多重相关性的问题,从而导致模型出现病态.本研究利用多个自然强迫、人为活动因子的辐射强迫(有效辐射强迫)作为自变量,采用较为简单的组合统计模型将近百年陆地降水变化分解为自然强迫、人为活动的影响和内部变率(噪声),取得了较为合理的结论.首先采用多元线性回归(MLR)+差分滑动平均自回归(ARIMA)组合模型对全球及各纬度带陆地降水距平变化序列中人类活动和自然强迫因子的重要性进行了分析,发现全球和北半球中、高纬度陆地降水的模型解释方差较高(超过40%),且方程中人类活动因子的拟合系数具有高显著性,说明人类活动对这些区域降水变化具有显著贡献.进一步,利用偏最小二乘回归(PLSR)模型,量化了人为强迫多个分量对上述降水变化的各自影响(贡献),结果表明:火山爆发和多数人为因子对全球陆地降水的距平变化非常重要;只有人为气溶胶、尾迹卷云对于北半球中纬度、高纬度陆地降水距平变化一致性地表现为正贡献,而其他人为因子对不同纬度带的贡献是相反的,体现出一定的不确定性.     

草地多功能提升的多样化家畜放牧理论及应用

草原是我国最大的陆地生态系统,草原生态保护对于我国生态环境建设及社会可持续发展至关重要.当前草地退化现象严重,全球气候变化压力增加,如何科学地管理草原、提升和维持草原正常的生产生态功能是亟待解决的重大科学问题.本文首先创新性地提出多样化家畜放牧的概念,以及草地多功能提升的多样化家畜放牧理论,即多样化家畜放牧能够直接或间接通过提高草地资源异质性、增加草地的随机性干扰过程以及物种扩散过程,维持和提高草地生物多样性和生态系统复杂性,进而促进草地生态系统多功能的发挥.其次,详细阐述了多样化家畜放牧维持和提高草地生物多样性及生态系统复杂性的生态学机理,以及多样化家畜放牧效应的野外试验验证.最后,对多样化家畜放牧的应用前景给予了分析讨论,并建议在适度强度下的多样化家畜放牧可以作为维持天然草原健康、实现草原可持续生态服务功能的重要管理工具.     

过去2000年全球典型暖期的形成机制及其影响

通过对中国不同地区气候序列重建与暖期气候特征、气候驱动因子变化分析与典型暖期成因机制模拟诊断、暖期气候对中国社会经济的影响与人类适应、北半球温度变化及典型暖期协同特征等问题的研究,发现:(1)20世纪气候增暖在过去2000年中并非空前,但20世纪气候增暖在北半球几乎同步,而中世纪增暖在空间上则存在幅度和位相差异;这主要是因为20世纪全球增暖主要受温室气体增加驱动的"大气稳定机制"、而中世纪增暖主要受太阳短波辐射变化驱动的"海洋恒温机制"所致.(2)与2008年初中国南方"雨雪冰冻"相似的极端寒冷事件可能对温度年代际变化有早期预警意义,当前的"增暖停滞"可能是自然变率导致的气候由暖转冷的一个早期信号.(3)中国历史上的社会经济波动与气候变化之间存在"冷抑暖扬"的对应特征;但与暖期相伴的社会经济发展与人口膨胀也增加了对资源与环境的压力,使得在出现温度下降、降水减少等重大气候转折时,容易导致人地关系失衡、甚至触发社会危机.这些结果增进了对年代至百年尺度气候变化特征与机制的理解,也对我国适应未来气候变化具有参考价值.     

水合物降压分解过程中沉积物孔隙结构动态演化规律

选取两种不同粒径分布的天然海砂样品,在相同实验温度及压力条件下合成甲烷水合物.开展水合物降压分解X-CT微观实验,获取不同时刻的沉积物内部构成图像.对X-CT扫描图像进行阈值分割、三维重建及拓扑等效等处理,建立不同粒径含水合物沉积介质不同分解阶段的三维孔隙网络模型,研究水合物降压分解过程中沉积物孔隙结构动态演化规律及其控制机理.研究表明,甲烷水合物微观分布非均质特征显著,分解过程开始于气-水合物接触的位置,分解初期水合物具有孔隙填充、颗粒胶结等多种赋存模式,而分解后期孔隙中主要赋存颗粒胶结型水合物.随着水合物饱和度的减小,不同粒径含水合物沉积物的平均孔喉半径、孔隙度、绝对渗透率以及两相共渗区宽度均不断增大,配位数、形状因子及束缚水饱和度逐渐减小.受水合物分解动力学行为影响,分解前期沉积物平均孔隙半径缓慢降低,水合物饱和度下降至某一临界值(小于0.1)后,平均孔隙半径和绝对渗透率急剧增大.粒径分布越窄,相同水合物饱和度下沉积物平均孔隙及孔喉半径、孔隙度和绝对渗透率越高,但不同粒径沉积介质配位数和形状因子的变化存在交叉点,表明含水合物沉积物微观孔隙结构特征受粒径分布、水合物微观赋存状态及空间分布的协同影响.     

气候变化耦合海洋污染的生态毒理学研究进展

工业化以来,海洋污染已成为全球性环境问题;CO_2浓度持续增加下,气候变化也给海洋环境带来了显著改变.目前,大量的研究集中在气候变化或者环境污染各自单独对海洋生物及生态系统的影响,并已取得一些广泛认可的结论.然而,现实环境中,生物实际处在气候变化与海洋污染的双重胁迫下,生物与生态系统受到的影响极有可能更加复杂和严峻.因此,气候变化耦合海洋污染的生态毒理学研究越来越受到关注.本文在概述气候变化与海洋污染的基础上,总结了气候变化下海洋环境的改变,特别是海水升温、酸化、低氧等对典型海洋污染物如重金属和持久性有机污染物(persistent organic pollutants,POPs)等的生物毒性的影响,分析了气候变化与海洋污染的交互作用,提出当前研究所面临的问题并展望未来的研究前景,为准确评估全球气候变化下的海洋生态风险以及促进我国全球气候变化应对提供基础.     

整合分析(Meta-analysis)方法及其在全球变化中的应用研究

整合分析是一种专门对单个研究进行统计综合、找出普遍结论并发现差异的定量研究方法. 自20世纪90年代初引入生态和进化生物学以来, 得到了迅速的发展. 随着对全球变化问题的日益关注, 近年来该方法在全球气候变化研究中也开始得到广泛的应用. 介绍了整合分析方法的原理、步骤和优缺点, 并综述了其在气候变化研究中的应用, 包括生态系统对CO₂ 浓度升高和全球变暖的响应、生态系统对O₃的响应、土地利用和管理对气候变化的影响及干扰对生态系统生物地球化学循环的影响等方面. 尽管整合分析存在一些不足和风险, 但仍然优于传统的文献综述方法. 整合分析中的一些方法如累计整合分析、敏感性分析等仍未在全球气候变化中得到应用; 需要定期对某一主题的整合分析进行更新; 全球气候变化研究中尤其要重视交互作用的影响和长期实验. 因此, 整合分析在全球气候变化研究中仍有很大潜力, 它能在更大的时空尺度上回答单个研究无法完全回答的问题. 中国科研工作者在气候变化方面进行了大量的实验, 建立了研究和观测网络, 积累了大量的原始数据和实验结果, 迫切需要应用整合分析将这些研究进行集成, 从而为政府部门应对气候变化的决策提供科学依据. 可以预料整合分析将在中国的全球气候变化研究中得到更多的应用和发展.     

青藏高原多年冻土特征、变化及影响

青藏高原是全球中纬度面积最大的多年冻土分布区,青藏高原多年冻土对东亚季风乃至全球气候系统都有重要影响.本文在前人研究成果的基础上,系统地梳理了青藏高原多年冻土基本特征的现状,主要包括活动层厚度,多年冻土面积、温度和厚度的空间分布,以及多年冻土区地下冰和土壤碳储量等方面的研究进展.通过补充最近监测资料,阐述了高原尺度活动层和多年冻土热状况的动态变化过程及趋势,并分析了这种变化的水文效应.随后,概述了多年冻土与生态系统、多年冻土与碳循环相互作用关系方面的研究进展.青藏高原多年冻土在过去数十年来发生了不同程度的退化,对多年冻土区地表的水、土、气、生间的相互作用关系产生了显著影响,进而影响着区域水文、生态乃至全球气候系统.本研究可为冻土与气候变化相互作用关系的机理研究提供思路,为寒区环境保护、工程设计和施工提供参考经验.     

生态气象:起源、概念和展望

生态气象是应人类面临的生存环境危机而兴起的地球系统科学新兴学科,已经成为大气科学的二级学科.本文阐述了生态气象的学科起源、概念、主要研究内容与特征,指出生态气象是研究生态系统与气象条件之间相互关系的科学,是地球系统多圈层相互作用的核心,服务于人与自然和谐发展;探讨了生态气象观测的主要指标与可能的业务服务产品;阐释了生态气象研究与生态文明气象保障、气象防灾减灾和应对气候变化的关系;指出当前生态气象迫切需要开展的重点研究任务:(1)生态气象长期观测联网研究;(2)基于大数据与人工智能的生态气象信息提取与分析技术;(3)生态系统对气候变化的适应性及其变化归因;(4)生态系统主要气象灾变机制及其致灾临界气象条件;(5)陆地生态系统关键物候期对多环境要素响应的生理生态机制与模拟模型研究;(6)耦合生物-物理-化学-管理过程的生态气象数值模式研发;(7)陆地生态系统变化对气候系统的反馈作用与可持续发展对策研究.     

纵向岭谷区河流生态水文时空分异及驱动力分析

以纵向岭谷区两条典型高山峡谷河流为例,对河流生态水文的时空异质性及变化驱动力进行相应的分析.通过对河岸带植被物种环境二元数据矩阵进行典型对应分析,识别影响河岸带植被分布的环境因子;借用生物多样性指数的变化来反映研究区生态状况的时空变异性;利用河流水文气象要素的多元相关性分析,界定河流水文情势变迁的主导性因素;对比分析澜沧江干流及元江水系水环境状态的时空变异性规律及影响要素.通过对纵向岭谷区典型河流的生态水文时空分异及驱动力分析,可知:南北纵向上,澜沧江与元江流域的生态水文时空分布呈现规律性变化;东西横向上,纵向岭谷区生态状况时空变异性显著;自然驱动力主要是海拔、坡向以及水分要素,而人为驱动力主要是水电开发、河岸带边坡公路建设以及流域土地利用等.     

纵向岭谷区土地利用时空变化与岭谷格局及通道效应的关系研究

以中国西南纵向岭谷区整体为研究对象,基于研究区1980和2001年两个时期的遥感影像与土地利用解译数据以及该区1:50000DEM数据,通过GIS地图代数手段,分析土地利用和海拔因子与水系因子之间的相互关系,以及人为干扰的空间格局,将人为干扰与纵向岭谷区通道的空间分布相结合,进行综合分析得出如下结论:(1)在低海拔、水资源丰富的河谷内,各种土地利用类型的空间格局和时间动态具有以河流为中心规律性分布的特点,土地系统的活跃程度具有一定的空间递变性;(2)以海拔因子为基础,从土地利用动态和人为干扰强度变化的角度,将纵向岭谷区分为4个海拔层,不同海拔层内,土地利用和人为干扰作用存在差异;(3)纵向岭谷区人为干扰空间分布不均匀,会对河谷的通道效应产生阻隔作用,形成4个具有阻隔作用的潜在区段．     

纵向岭谷区道路网络特征和生态系统变异统计规律

作为景观干扰因子,道路网络对区域生态系统变化和格局特征具有重要的作用,定量分析几者之间的规律性对区域生态系统管理具有重要意义.借助GIS软件,在分析了纵向岭谷区道路廊道、网络特征和生态系统分异的基础上,探讨了道路网络对生态系统格局变化的影响;进一步分析了区域生态干扰和网络特征之间的规律性.结果表明:研究区道路廊道密度和地形、海拔、村落数及其区域生态系统破碎化程度相关显著,显著性在不同道路类型之间也存在差异.随着道路网络的形成和道路密度的增加,道路网络的环度(α指数)、线点率(β指数)和连接度(γ指数)的特征指数增加;区域生态系统总斑块数、斑块密度增加,景观格局指数均匀度、分维数等增加,而最小和平均斑块面积、蔓延度等降低,低等级道路对区域景观具有较大的影响.道路网络的α,β,γ特征指数和区域综合的生态干扰水平(Hd)存在正相关,相关系数在不同时期(1980年,2000年)都达到了显著性水平,说明随着道路网络的发展,生态干扰也随之增加.