中国极端天气气候研究——“地球系统与全球变化”重点专项项目简介及最新进展

全球变暖背景下,极端天气气候事件频发,并表现出群发性、持续性、复合性等特点,不可预测性增加;持续性强降水、极端低温、复合型极端高温干旱、群发性热浪和台风等极端天气气候事件对我国经济社会和可持续发展影响巨大。然而,上述极端天气气候事件的新特征、关键过程和机理尚不完全清楚,重大极端事件的预报预测水平亟待提升。文章首先简要介绍“地球系统与全球变化”重点专项项目“中国极端天气气候事件的形成机理及其预测和归因”的基本情况。项目拟在分析全球变化背景下对我国造成重大影响的极端天气气候事件新特征的基础上,深入研究多尺度海-陆-气耦合过程影响极端天气气候事件的机理,挖掘极端天气气候事件次季节-季节预测的前兆信号;发展动力与物理统计相结合的极端事件预测新方法,研制针对中国极端事件的新一代高分辨率数值预报与检测归因系统。文章重点总结了自2022年12月项目立项至今取得的最新研究成果和进展。

大地幔楔的两个深部碳循环圈:差异及宜居效应

本文总结评述了西太平洋板块深俯冲及在东亚地幔过渡带滞留和与之相关的晚白垩世和新生代东亚板内玄武岩共同构成的大地幔楔板内深部碳循环圈存在的证据;探讨了大地幔楔板内碳循环圈与岛弧系统碳循环圈在地幔碳酸盐化交代介质、碳酸盐种属、氧化还原反应及碳酸盐化地幔部分熔融发生机制等方面的差异和对显生宙大气氧含量保持稳定及温室效应周期性变化的影响;并指出了定量估计深俯冲碳酸盐歧化反应还原成金刚石而留在地幔过渡带和通过板内玄武质火山返还大气的碳各自所占有比例应是未来需研究的重要课题。

全球气候指标、气候影响驱动因子与全球变暖

在地球系统气候变化研究中,经常考虑全球气候指标,在研究气候影响时,经常用到气候影响驱动因子[1-2],本文简述全球气候指标和气候影响驱动因子,并给出它们与全球变暖和人类强迫的关系。1全球气候指标在气候研究中,使用了许多指标来表征和量化由于自然变化或由于系统的长期变化而发生的气候现象的一个或多个方面。

1991~2020年中国地面气候值数据集研制

基于国家气象信息中心归档的中国地面观测数据,研制了1991~2020年中国地面气候值数据集。数据集研制期间,对1991年以来的地面台站观测数据集元数据进行了系统的质量检查和核实订正。在基于站址迁移信息对所有要素进行了分段处理基础上,基于非均一性检验结果完成了气温序列的分段处理。依据人工、自动观测调整信息完成了能见度观测数据的分段处理,提供了一套与当前能见度观测方式一致、代表性更好的气候背景场。采用傅里叶级数理论对气温、降水累年日值序列进行了谐波处理,在体现气象变量季节性转换的同时,避免了日与日之间的异常突变特征,具有更好的气候代表性。最终建立的1991~2020年中国地面气候值数据集提供了中国2438个站点的气温、降水、气压、风向风速、相对湿度、水汽压、云、天气现象、能见度、蒸发、积雪、地温、冻土、日照共14个要素的气候背景信息,为天气气候业务提供了数据支撑。

咸海变迁——危机和现状

咸海曾是世界第4大湖。20世纪60年代开始,由于农业灌溉需求,咸海流域各地区大量从阿姆河和锡尔河调水,从而导致咸海快速缩小、水面降低、水质恶化。到21世纪初,湖面已缩减到原来的1/8,干涸的湖底成为盐碱度很高的盐漠,生物物种大量减少,生态环境恶化造成生态危机。中亚国家独立后,阿姆河与锡尔河上下游地区由于缺水产生了矛盾,进而严重影响了国家之间的关系。虽进行了多次协商,但最终中亚国家未能对咸海水资源危机提出一致的解决方案。随后,哈萨克斯坦独自开展针对咸海的保护措施,挽救了咸海北部的部分水体;乌兹别克斯坦近年来也开始在咸海危机治理方面采取积极态度。目前,学术界主流意见是,咸海危机是人为的,不宜将其与全球气候变化相联系。咸海危机由于治理和地下水的补给有所缓和,虽不会像预测中的那样完全消失,但最终能够恢复到什么程度还有很大的不确定性。本文通过对咸海危机的历史、现状和前景做了较完整的论述,以期为我国西北干旱环境治理提供科学参考。

气候行动最前线的高标准农田生产气象保障

以变暖为主要特征的全球气候变化已经严重威胁到全球粮食安全,高标准农田建设作为农业适应气候变化的重要措施已经在中国推广实施。为助力气候变暖影响下的高标准农田生产,文章梳理了国际土地整理与我国高标准农田建设历程,并从高标准农田适宜性评价、土地要素配置的粮食效应、高标准农田监督管理和高标准农田建设效益评价四个方面综述了高标准农田的最新研究进展,指出目前缺乏高标准农田生产气象保障相关研究。在此基础上,针对高标准农田旱涝保收、抗灾能力强和生态良好“三位一体”的要求,提出气象助力高标准农田生产应加强三个方面研究:农田生态系统气候水资源相互作用与农田节水灌溉;主要粮食作物气象灾变精准监测模拟与快速解析归因;农田生态气象风险敏感因子检测及其气象监测评价,以实现气象为农服务提质增效,助力高标准农田高产增效。

气候变暖背景下汉江流域降水和气温时空变化特征

为探究气候变暖背景下汉江流域降水和气温的时空发展规律,基于汉江流域及其周边地区29个气象站点逐日降水(P_(re))、最高气温(T_(max))、最低气温(T_(min))和平均气温(T_(ave))的观测资料,利用线性拟合、Mann-Kendall突变检验和空间插值等方法,分析1960~2019年汉江流域降水和气温的时空变化特征,以及对变暖停滞现象(Hiatus)的响应。结果表明:①在全球变暖背景下,汉江流域气候表现出降水不显著减少(p>0.05)、气温显著上升(p<0.05)的暖干化趋势。1960~2019年汉江流域P_(re)变化幅度夏季(0.582 mm/a)>秋季(-0.477 mm/a)>春季(-0.403 mm/a)>全年(-0.184 mm/a)>冬季(0.125 mm/a);全年升温幅度呈T_(min)(0.028℃/a)>T_(max)(0.025℃/a)>T_(ave)(0.022℃/a),四季T_(max)、T_(min)和T_(ave)一致呈上升趋势,多数升温趋势通过了显著性检验(p<0.05),但升温幅度存在明显差异。②汉江流域全年和夏季P_(re)均未发生突变,春、秋季P_(re)在1970年代中后期发生突变下降,冬季P_(re)在1984年突变增加;除夏季T_(max)和T_(ave)外,其余时序气温集中在1990年代中后期至2000年代前期发生了突变上升。③汉江流域全年P_(re)自东南向北递减,四季P_(re)空间分布规律各异,全年和四季T_(max)、T_(min)和T_(ave)皆自南向北递减;全年及四季P_(re)、T_(max)、T_(min)和T_(ave)变化趋势具有较强的空间异质性。④1998~2012年汉江流域出现Hiatus现象,尤其以冬季最为明显;停滞后春夏季快速增温,秋冬季依旧呈降温趋势。研究成果对于制定汉江流域防灾减灾、供水保障应对策略具有重要的科学意义。

气候变化与碳中和

工业化以来化石燃料的广泛使用使大气中的二氧化碳浓度急剧升高,造成全球气候变暖、极端天气气候事件频发。为有效应对和减缓气候变化,国际社会通过《巴黎协定》设定了2℃和1.5℃温控目标,由此提出了碳中和的概念。文章介绍了全球变暖的基本事实、人类碳排放对工业化以来全球变暖的作用,归纳了关于未来气候变化的主要结果,阐释了1.5/2℃温升阈值与碳中和的关系,概述了国际社会为有效应对全球变暖而在减少碳排放方面的努力。

CMIP6耦合模式对青藏高原积雪的未来预估

基于第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)的历史模拟试验以及情景预估试验数据,分析了21世纪中(2035—2064年)、后期(2070—2099年)青藏高原积雪相对于参考期(1985—2014年)的变化。结果表明:相对于参考期,21世纪中、后期青藏高原平均年积雪日数、平均积雪期均表现为减少,减少幅度总体随着人为辐射强迫的增加而加大;除低强迫情景外,21世纪后期的减少幅度均大于21世纪中期;空间上总体表现为青藏高原东南部的减少幅度大于西北部。21世纪中、后期青藏高原积雪初日均表现为推迟、积雪终日均表现为提前,积雪初日推迟天数是积雪终日提前天数的1.5~2.0倍;人为辐射强迫越高,积雪初(终)日推迟(提前)天数越多;相同情景下21世纪后期积雪初(终)日推迟(提前)天数均多于21世纪中期。降雪(气温)与年积雪日数呈正(负)相关;随着人为辐射强迫的增加,降雪对年积雪日数的相对贡献率总体呈增加趋势;空间特征表现为降雪(气温)对青藏高原南部和北部(东部和西部)的年积雪日数的相对贡献更大。7—12月降雪的减少幅度大于1—6月,这可能是积雪初日推迟天数多于积雪终日提前天数的重要原因。不同情景下青藏高原未来积雪变化差异明显,由此可见,控制温室气体排放对减缓未来青藏高原积雪的减少速率至关重要。

大西洋多年代际振荡对东亚气候影响的综述

本文综述了近年来有关大西洋多年代际振荡(AMO)及其对东亚气候影响的研究进展,主要包括AMO的形成机制与指数定义、AMO对东亚夏季和冬季气候的影响、AMO与其他大洋的协同作用。目前,关于AMO的形成机制仍有不同意见,传统观点认为AMO是气候系统内部过程尤其是大西洋经向翻转流造成的,但近期有工作指出AMO是气溶胶、火山喷发等外强迫驱动产生或是海洋对大气随机强迫的一种响应。AMO可以通过三种途径调制东亚夏季气候,当AMO处于正位相时,东亚夏季风加强、降水增多、气温升高,反之亦然。同时,AMO正位相有利于东亚冬季风偏强,欧亚大陆中纬度及中国北方偏冷;负位相时则大体相反。鉴于AMO的重要作用,加深理解AMO形成机制及其对东亚气候影响有益于提升东亚气候的年代际预测水平。

基于“生态-气候适应性-游憩”多功能耦合的复合绿地生态网络格局优化

城市生态环境问题日益突出,如何构建多功能耦合的绿地生态网络格局是促进人居环境可持续发展的重要议题。以成都市为研究区,基于“源-汇”理论,综合运用形态学空间格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis,MSPA)、景观连通性指数、电路理论等方法对生物多样性保护、热环境改善、游憩服务构建单因子网络,分析源地、廊道、生态战略点等空间要素特征,形成基于“生态-气候适应性-游憩”多层级、多功能复合生态网络优化格局。结果表明:(1)筛选出“源”-“汇”景观(生态159—29个,气候适应性30—14个,游憩208—40个)。生物迁徙廊道在研究区中部、西南部呈团簇状分布;气候适应性廊道呈中部集聚、东西稀疏的分布特征;游憩廊道相对密集,以中心城区为核心向四周扩散。(2)多层级“源-汇”景观网络中,总长度上,游憩廊道>生物迁徙廊道>气候适应性廊道;总面积上,生物迁徙廊道>游憩廊道>气候适应性廊道。一、二级廊道的适宜宽度为生态廊道200、100m,气候适应性廊道100、60m;游憩廊道60、30m。(3)叠加多目标廊道获得生态关键点753个,干扰点2371个。游憩源地中8.18%的面积应退让给生态廊道和气候适应性廊道。多功能耦合的生态网络优化格局可激活不同景观资源的潜在价值,对协调生态保护与城市发展的双向需求,实现绿地资源在城市空间中的最优配置具有重要意义。

张掖盆地晚更新世至中全新世气候变化:孢粉学和重矿物学证据

为确定张掖盆地晚第四纪沉积地层时代和探讨其蕴含的古气候信息,笔者利用孢粉分析、重矿物分析、光释光测年等方法对研究区晚更新世以来气候变化特征进行了重建,并确认了当地全新世和晚更新世地层界限。结果表明:地层自下而上划分为4个孢粉组合带和植被类型及气候特征:①深度为56.8~26.4 m,年龄为112.7~63.3 ka,属末次间冰期,粉组合为松–板栗–藜–菊–蒿,针阔叶混交林草原植被,为晚更新世温暖较湿润气候。②深度为26.4~2.6 m,年龄为63.3~11.8 ka,与末次冰期相当,孢粉组合为松–麻黄–藜–蒿,植被类型为针阔叶混交林草原植被,为晚更新世干燥寒冷气候。③深度为2.6~0.8 m,年龄为11.8~8.9 ka,全新世早期,孢粉组合为松–藜–蒿,稀树针阔叶混交林草原植被,较凉较干气候。④深度为0.8~0.15 m,年龄为8.9~7.8 ka,全新世早期向中期过渡期,孢粉组合为松–藜–菊–蒿,稀树针阔叶混交林草原植被,为温暖较干气候。孢粉组合所揭示的晚更新世—中全新世气候变化特征,对于揭示张掖盆地甚至西北干旱区的古气候变化具有重要意义。

FGOALS高分辨率气候模式系统模式研制与应用综述

当今气候系统模式发展的重要趋势之一,是通过提高模式的空间分辨率,改进对气候系统中多尺度相互作用过程和极端事件的模拟能力。过去5年里,中国科学院大气物理研究所发展并完善了25 km分辨率大气环流分量模式FAMIL2.2、1/10°分辨率海洋环流分量模式LICOM3.0,并以此为基础建立了高分辨率气候系统模式FGOALS-f3-H。利用上述高分辨率模式,开展了大量的数值模拟试验和预报/预测研究,其中包括国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)的高分辨率模式比较子计划(HighResMIP),建立了海洋环流预测系统(LFS)等。初步评估分析表明,相对于低分辨率模式,高分辨率模式对气候平均态和气候变率的模拟能力均有明显改进。其中高分辨率大气环流模式可以更好地模拟台风、极端降水事件,高分辨率海洋模式可以更好地模拟海洋中尺度涡旋和西边界流,而高分辨率耦合模式则可以更好重现中尺度海气相互作用过程、热带不稳定波动(TIW)等事件。

中国近30年短时极端降水特征分析

由于观测资料的限制,以往对于日尺度以下的短时极端降水特征和短时极端降水阈值的研究较少。本文基于中国气象局最新研制的1991~2021年中国2464个台站逐小时降水资料,分析了全国1 h、3 h降水频率特征,采用百分位法分别统计1 h和3 h极端降水阈值,探究了中国短时极端降水气候特征。分析结果表明四川、贵州、湖南、江西、福建和浙江等省的部分台站1 h降水频率较大,可达12%,西北地区1 h降水频率普遍偏低,大部分台站低于3%。1991~2021年期间,1 h、3 h极端降水频率呈减少趋势。共有64.7%的站3 h极端降水频率线性趋势与1 h极端降水频率线性趋势一致。我国降水极值和极端降水阈值空间特征明显,1 h降水极端降水阈值基本呈东南大、西北小的空间特征,广东、广西、海南阈值相比我国其他地区偏大。海南、广东、广西和江苏省1 h降水历史平均极值超过80 mm h^(-1),其中海南省平均极值最高,达102.7 mm h^(-1)。

心存质疑、追求证据、秉持客观--面对北极气候变化

气候变化是地球发生的重大环境事件。最近几十年来,科学家目睹了气候变化对全球环境产生的影响,得到世界各国政府的密切关注。在北极,情况也变得越来越严峻,冰雪在不断减少,而失去冰雪的北极就等于失去了灵魂。其实,在全球变暖过程中以北极变暖最为显著,这是科学界早就认识到的。尽管如此,真相仍超出人们预料:数据表明,北极地区的升温速度至少是全球平均值的2倍,这一剧烈的增暖现象被称为“北极放大效应”。

“基于海洋解决方案倡议”在应对气候变化领域的应用思考

海洋在减缓和适应全球气候变化中发挥着重要作用,“基于海洋解决方案倡议”,旨在通过采取海洋相关的措施来应对气候变化和减少气候变化对海洋生态系统及其服务功能产生的影响。国内外对于海洋在应对气候变化方面的作用开展了大量研究和实践,结果证明海洋可再生能源利用、海洋生态保护修复和海洋保护地建设等均可有效缓解气候变化造成的负面影响。基于海洋解决方案可进一步用于国家减缓和适应气候变化,考虑纳入国家履行自主贡献目标之一,并通过进一步强化基于海洋解决方案的相关技术研究,建立跨部门协调机制,积极开展国际合作,推动基于海洋解决方案应用本土化和主流化。

2002~2022年北京大气气溶胶光学特性的地基遥感连续观测

长时间序列的气溶胶光学特性观测资料是定量研究气溶胶辐射和气候效应的重要基础,也是空气质量和环境健康研究的重要数据来源。本文系统评述了全球AERONET(Aerosol Robotic Network)观测网,并介绍了我国最长观测时间的AEROENT北京站发展状况和一些研究成果;使用北京站长达20余年的观测数据,针对AERONET观测网的光学辐射产品的多时间尺度变化特征进行系统分析,讨论了长期观测的重要性和迫切性。

雄安新区植被指数变化及其与气候条件的关系

建设雄安新区是国家大事、千年大计。系统分析雄安新区植被指数变化及其与气候条件的关系,可以为雄安新区未来规划、生态修复和重建等提供科学依据。利用雄安新区及其所辖三县2001—2020年月、季、年不同时间尺度植被指数与气温、降水数据,通过算术平均法、最小二乘法和Pearson相关分析法,分析了雄安新区植被指数的变化规律及其与气温、降水等气候条件的相关关系。结果表明:2001—2020年,雄安新区植被指数总体呈上升趋势,且年代际变化特征明显,前10年平均植被指数相对较小但年际波动大,后10年平均植被指数较大但年际波动相对较小。雄安新区植被指数除夏季有下降趋势外,其余三个季节均有上升趋势,其中春季上升趋势相对最为明显。雄安新区植被指数与年平均气温呈正相关,但区域性差异明显,其中雄县相关性较差,安新相关性较好。春季和秋、冬季,植被指数与气温均呈正相关,其中春季相关系数相对最大;夏季平均气温与植被指数呈负相关,但与秋季植被指数呈正相关。雄安新区植被指数与年降水量有明显的正相关关系,其中夏季降水与夏季、秋季和冬季植被指数均呈较明显的正相关,影响的滞后效应可达半年以上,但春季和秋、冬季降水量与植被指数的相关系数相对较小。

变暖背景下砾石换填对多年冻土区机场跑道下地温场的影响

受气候变暖影响,东北北部地区冻融灾害频发,对寒区工程设施造成了重要影响。地基温度场的研究是分析与解决工程基础冻融灾害的重要手段。文中我们以漠河机场跑道为对象,通过有限单元法研究了洁净砾石换填对机场道基温度场的影响,并对运行30年内道基温度场进行预测。结果表明,换填使季节最大冻结深度(MSF)增加,且换填对道基下MSF的水平影响范围在道面中心线两侧30 m左右。之后,通过比较不同换填深度(1.5(顶)~3.5(底)、1.5~4.5、1.5~5.5和1.5~6.5 m)的道基温度场变化,发现:换填底部深度达到4.5 m时,MSF变化的速率开始减小。最后,根据IPCC第六次评估报告(AR6)未来100年间不同气候变暖速率模型模拟研究了无换填与不同换填深度下的MSF可能变化。结果发现,到2100年,在SSP2-4.5情景下,未换填及不同换填深度的道基下MSF分别为1.63、1.86、1.84、1.84和1.84 m。因此,利用换填法来减少跑道冻融灾害时换填深度应至少达到4.5 m。同时,应加强漠河机场道基地表水与该跑道区地下水的防排水设施建设与维运。研究结果有助于进一步认识换填对多年冻土和活动层水热状态的影响,可为解决道基冻胀和融沉问题提供重要科学依据。

碳移除下全球地表气温峰值出现时间的主要影响因子:能量平衡模型研究

碳移除是21世纪末实现巴黎气候协定温度目标的关键手段。在其开展后,全球地表气温将在随后的若干年达峰。目前,耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)开展碳移除试验的数值模式较少,限制了科学界对碳移除下全球地表气温峰值出现时间的理解。本文发现,基于强迫—响应能量框架的两层能量平衡模型能够很好地重现出:1)大气CO_(2)浓度变化对全球地表气温的影响;2)碳移除过程中全球地表气温的峰值出现时间。因此,该模型可作为CMIP6碳移除试验的补充,能够胜任峰值出现时间的影响因子研究。该能量平衡模型的结果显示,在碳移除过程中,不考虑深层海洋的情况下,对全球平均地表气温的峰值出现时间影响最大的因子为平衡气候敏感度,其次为地表热容量;当深层海洋存在时,影响最大的因子为深层海洋热容量,其次为平衡气候敏感度,之后为地表热容量。这些因子主要通过改变碳移除开始时地表净能量收入的大小来影响全球地表气温峰值的出现时间。相比不考虑深层海洋的情况,深层海洋的存在可以略微提前全球温度峰值出现的时间,并使得碳移除后CO_(2)强迫对地表净能量的下降幅度的贡献较大。