2004-2010年上海崇明东滩湿地生态系统CO_(2)通量数据集

作为微气象学的经典方法之一,涡度相关技术已成为观测陆地生态系统与大气间CO_(2)、水热通量交换的主要手段。本数据集为上海长江河口湿地生态系统国家野外科学观测研究站在上海崇明东滩湿地于2004年9月至2010年12月期间观测累积的通量数据,时间分辨率为半小时,数据项包括气温(T_air)、相对湿度(RH)、土温(T_soil)、光合有效辐射(PAR)、总辐射(Solar)、净辐射(Rn)、降雨量(Precip)、感热通量(Hs)、潜热通量(LE)和二氧化碳净交换量(NEECO_(2))等。本研究观测的生态系统为典型亚热带滨海盐沼类型,优势植物为芦苇和互花米草。本数据集的观测系统架设、设备维护和数据质量控制及处理等均按照FLUXNET规范,数据可靠性高,可为中国滨海盐沼的碳收支、蓝碳估算及生物入侵影响评估等相关研究提供扎实的数据支持。

原油与柴油泄露影响海洋飞沫气溶胶中重金属与多环芳烃分布的实验室模拟研究

海洋泄漏原油中的重金属和多环芳烃等污染物会因为破碎波进入到海洋飞沫气溶胶中,造成更大范围的环境生态风险,而目前其具体机制和影响因素尚未充分探究。本研究以从长庆油田、新疆油田和渤海油田采集的原油以及中国石化的成品油为研究对象,设计了一套模拟产生海洋飞沫气溶胶的实验室装置,模拟了海洋表面浪花裹挟原油后再释放到大气的过程,并进行海洋飞沫气溶胶的粒径分布、多环芳烃和重金属的浓度及富集因子(EF)分析。研究发现,轻质油中的部分低分子量多环芳烃更易于从覆油海面迁移到海洋飞沫气溶胶中并发生富集(EF≥10);尽管油品本底值中的重金属浓度很低,但无论是柴油泄漏还是原油泄漏,重金属均会富集到在海洋飞沫气溶胶中,且浓度水平与多环芳烃相差较小,在300~1800μg/m^(3);油膜厚度对海洋飞沫气溶胶中的重金属有十分显著的影响,随着油膜厚度的降低,海洋飞沫气溶胶中的重金属呈现“减少增多减少”的变化趋势。

华东地区主要地形因子对极端小时降水峰型的影响研究

在全球持续增温的背景下,极端降水事件频发,给人民的生产生活和社会的经济发展造成了严重威胁。本文利用华东315个气象台站2011—2018年的小时观测数据,按照降水日峰值特征将华东地区极端小时降水分为单峰型和多峰型,基于多尺度地理加权回归模型,探讨了两种峰型极端小时降水空间分布与地形因子的关系。研究表明两种峰型极端降水分别对应常规年份和厄尔尼诺年,地形起伏度在两类峰型的降水中都为最重要的地形因子,主导区域主要为浙江北部及浙闽山脉北部;其他地形因子在两类峰型的降水中作用存在显著差异。单峰型降水中,第二重要的地形因子为地形坡度,主导区域位于浙闽山脉东南侧;而在多峰型降水中,第二重要的地形因子为离海岸线距离,且主导区域位于沿海地区。对二者差异的机理分析发现,单峰型降水以午后对流为主,浙闽山脉东南侧地形坡度较大处的对流有效位能值较大,容易促发对流;而在多峰型降水中清晨降水以平流为主,水汽输送明显较单峰型降水大,因此,离海岸线距离对该类型降水有重要影响。

黄河三角洲盐沼湿地蟹类对芦苇种群动态的下行控制作用及空间变异

盐沼湿地植物种群动态通常受生物和非生物因素调控。以往研究主要关注盐度、水分等上行因子对滨海湿地植物种群动态的影响。有关动物植食等下行因子的研究相对较少;特别是,植食性动物对滨海湿地植物种群动态影响的空间变异及机制仍不明确。以黄河三角洲盐沼湿地为研究系统,通过开展2年的野外去除实验,研究了天津厚蟹(Helice tientsinensis)植食对芦苇(Phragmites australis)种群动态的下行控制作用及其空间变异。研究结果表明:(1)蟹类强烈抑制芦苇的密度增长(P<0.05),但其抑制强度在3个不同盐沼湿地间存在显著差异;(2)与土壤盐度相比,蟹类对芦苇密度增长的抑制作用较弱;蟹类和盐度对芦苇密度增长的抑制作用均受土壤水分的调节,分别与土壤水分呈正相关和负相关。因此,蟹类植食作用是影响黄河三角洲盐沼湿地芦苇种群动态的关键因素,其作用强度随土壤水分的增加而增强。研究结果有助于深入理解动物植食等下行因子的作用及变异机制,对提升滨海湿地植被保护修复的成效亦有借鉴意义。

海三棱藨草及其近缘种基因组大小的测定

基因组大小是物种基因组的重要特征,通常用DNA C值来衡量,能够用于快速判断基因组倍性,并为分类学与进化生物学提供重要依据。海三棱藨草(Scirpus mariqueter)是长江口和杭州湾具有重要生态意义的标志性物种,被认为是扁秆藨草(S.planiculmis)和藨草(S.triqueter)的杂交种,因染色体小而难以准确确定倍性。近年来,部分研究者指出该物种的分类和命名存在疑点。该研究通过基因组Survey分析检测海三棱藨草样本CJ1的基因组特征,测序深度约为120×,并以绿豆(Vigna radiata)为参考标准,利用流式细胞术测定了海三棱藨草及其同域近缘种扁秆藨草和藨草以及海三棱藨草和扁秆藨草的杂交F1共13个样本的DNA C值和相对倍性。结果表明:(1)基因组Survey分析测得CJ1的基因组大小为244.12 Mbp,杂合率为0.68%,重复序列比例为42.38%,GC含量为37.25%。(2)流式细胞术测得来自不同区域的海三棱藨草各样本的基因组倍性相同,1C值在234.87~242.5 Mbp之间,其中CJ1的基因组大小与基因组Survey检测结果高度一致。(3)扁秆藨草的1C值在251.77~264.13 Mbp之间,藨草1C值为537.33 Mbp。根据上述基因组大小,认为海三棱藨草不可能是这两者的杂交种。该研究补充了海三棱藨草及其近缘种的基因组特征,为后续全基因组测序奠定基础,同时也否定了海三棱藨草起源于扁杆藨草和藨草杂交的假说。

中国冬季大范围极端冷、暖日的时空变化特征

利用1961—2020年中国逐日地表气温观测资料,综合考虑其概率密度分布与空间范围,定义了全国一致冷日、一致暖日与全国反位相型冷暖日3种全国性极端冷、暖日,并分析了各自的变化特征。结果表明,中国冬季全国性极端冷、暖日共960 d。其中一致冷日358 d,一致暖日271 d,反位相型冷暖日331 d。在21世纪前,一致冷日数与累计强度随时间逐渐下降,冬季与2月的一致冷日数均在20世纪80年代出现显著突变减少;一致暖日则随时间呈上升趋势,其中只有12月的一致暖日数在70年代末突变增加。21世纪前冬季一致冷(暖)日的下降(上升)受2月的影响最大。进入21世纪后,1月一致冷日的增加使冬季一致冷日出现小幅度上升,而2月一致暖日迅速减少导致冬季一致暖日在21世纪初有小幅度下降,之后1月一致暖日的迅速增加使得冬季一致暖日继续上升。冬季、1月、2月的反位相型冷暖日的天数均在20世纪70—80年代突变减少,21世纪10年代前,冬季反位相型冷暖日主要受到2月变化的影响,之后1月的贡献更大。

近十年植物入侵生态学重要研究进展

外来植物入侵对本地生物多样性、生态安全、社会经济发展和人类健康造成了严重威胁。因此,探究植物入侵机制及其生态效应对我国生态可持续发展具有重要意义,也是植物入侵生态学的主要研究内容。过去10年,生态学家开展了大量研究,取得了丰硕成果,为推动入侵植物防控与生物多样性保护提供了理论指导。为深入解析外来植物入侵机制,为其防控管理提供依据,本文从以下3个方面综述了植物入侵生态学重要进展:首先是外来植物生物学特性、生物和非生物环境对植物入侵的调控作用;其次是外来植物入侵对本地生态系统的影响;最后介绍了外来植物入侵的类比研究范式——本地植物入侵,以及多组学技术在入侵生态学研究中的应用。基于这些研究进展,本文展望了该领域的未来发展趋势,包括:(1)研究对象从单一物种扩展到多物种比较;(2)研究地理范围从局域尺度扩大到纬度梯度格局;(3)入侵机制从单一理论验证到综合阐释多个假说。

CMIP6陆面、雪和土壤湿度模式比较计划(LS3MIP)评述

土壤湿度、积雪等陆面要素通过改变陆面热力状况,进而对大气环流、区域乃至全球气候产生重要影响。研究表明,土壤湿度是影响陆-气耦合的重要地表变量,它可以影响地表蒸发、调控地表热通量,从而对气候产生局地及非局地影响[1-3]。积雪通过积雪-反照率效应和积雪-水文效应调节陆面热力状况,是大气环流和气候的重要影响因素[4-6]。在海-陆-气耦合的全球气候模式中,陆面过程不仅非常重要,而且十分复杂。

巴伦支-喀拉海海温和青藏高原冬季地表气温的年代际联系

基于1961—2017年中国气象局地表气温数据、JRA-55大气再分析数据以及美国国家海洋和大气管理局延伸重建的海温资料,研究了青藏高原冬季地表气温的年代际变化特征及其与海温的可能联系。结果表明:巴伦支-喀拉海冬季海温年代际变化可以激发出向东传播的Rossby波,在西伯利亚对流层高层产生异常的气旋或反气旋性环流,通过影响副极地以及副热带西风急流强度,在青藏高原的南侧产生异常的反气旋或气旋性环流,从而使得青藏高原上空的垂直运动发生变化,导致青藏高原冬季地表气温异常。

地形因子对华东地区降水影响的尺度效应研究

降水是地表淡水资源的主要来源,降水分布强烈的时空异质性给陆地水循环研究带来了较大不确定性,因此降水的空间异质性及其影响因子研究一直是水循环研究的重点。选取观测资料丰富的华东地区,采用351个气象台站降水观测数据,通过一般线性回归模型、地理加权回归模型和多尺度地理加权回归模型的拟合结果,研究了典型地形因子对降水空间分布的影响及其影响尺度。结果表明,传统的一般线性回归模型不能表征降水分布的空间异质性,而地理加权回归模型和多尺度地理加权回归模型均较好地拟合出了降水在空间上的非均匀分布(R2>0.7)。此外,多尺度地理加权回归模型的带宽数还反映了各地形因子对降水空间分布的影响尺度。一般说来,带宽数较小的局地影响因子对降水的空间异质性影响较强。对于年降水量,地形高程和地形起伏度是影响降水空间异质性的主要地形因子,而地形坡度和主风向系数对降水的影响不显著。在不同季节,各地形因子对降水空间分布的影响程度不同。地形高程对夏季降水影响较大;离海岸线距离对春、秋季南部山区降水影响较大;地形起伏度对冬季降水有重要影响。厘清我国不同季节降水与地形因子间的关系,有助于理解各季节复杂地形因子对降水的贡献,为地形复杂地区的模式模拟及改进提供支撑。

海三棱藨草基因型多样性对种群营养生长和繁殖策略的影响

遗传多样性可提高种群生产力,然而遗传多样性如何综合影响植物的营养生长、有性繁殖和无性繁殖特性及分配策略缺乏充分关注,而植物生长繁殖的响应往往会决定一个种群未来的发展动态。本研究以中国滨海湿地植物海三棱藨草(Scirpus mariqueter)为材料,通过建立1、2、4和8个基因型多样性梯度的同密度实验,测定植物生物量以及营养生长、有性繁殖和无性繁殖相关特性,探究了基因型多样性对种群营养生长和繁殖策略的影响。结果表明,基因型多样性的增加显著提升了海三棱藨草种群的地上、地下生物量和株高。基因型多样性不影响有性繁殖,但显著提高了无性繁殖能力。球茎数、球茎生物量和无性系分株数均随基因型多样性的增加呈显著增加趋势。可见随着基因型多样性的增加,海三棱藨草种群将更多的能量分配给无性繁殖。据此预测,基因型多样性高的海三棱藨草种群在维持种子库规模以进行长距离扩散的同时,可形成更高大且密集的种群斑块,具备更强的原地拓殖能力,继而影响盐沼生态系统过程。本研究结果强调了植物基因型多样性在种群动态中的重要作用,尤其在盐沼湿地等以单优势物种为主的生态系统中,对生态系统的稳定性具有重要作用。

全球陆地饱和水汽压差的年代际突变

饱和水汽压差(Vapor Pressure Deficit,VPD)是表征大气干旱的一个重要变量.基于英国气候研究中心月尺度数据,本文主要分析了1980年后全球陆地VPD年代际突变的时空变化特征.结果表明:全球60.5%的陆地VPD存在显著的年代际突变增长,欧亚大陆中低纬、非洲和南美部分区域的VPD持续突变增长明显,而北美中部和西西伯利亚区域未出现显著变化.在1980~2020年期间,大多数区域发生的持续突变增长不超过两次,两次以上的显著增长主要发生在地中海周边和南美东部.持续性突变增长在欧亚大陆中低纬、非洲和南美东部地区出现较早,而高纬、东欧和青藏高原附近等地区则多发生在2000年后,持续超过10年的区域主要集中在北非、西亚、南美东部和东亚部分地区,说明这些区域大气干旱持续加剧的现象明显.总体而言,1993~2000年开始发生的持续突变增长明显多于其他时期,且持续时间相对1990年前更长,表明20世纪90年代后全球陆地同时处于突变增长状态的区域增加,水分限制在中亚和中国大部分地区此次持续突变增长中作用变强.此外,2009年VPD在全球陆地再次出现大范围的持续突变增长,说明全球大气干旱在近10年进一步加剧.全球也有少部分区域的VPD存在持续时间短于2年的突变降低.

大西洋经向翻转环流的演变特征及其对北半球地表气温的热动力影响

综合现代观测、历史代用资料和气候模式模拟,本文综述了大西洋经向翻转环流(AMOC)的过去、现在和未来的演变特征,以及AMOC对区域和半球尺度地表气温(SAT)的影响.代用资料重建结果表明,AMOC从19世纪末开始减弱,20世纪整体减弱,但信度较低.直接观测结果显示,2004~2016年间AMOC减弱,但无法区分出其年代际变化和长期趋势.气候模式预测可知,若温室气体排放持续增加,AMOC未来将会减弱,但在2100年前不会出现突然的崩溃.AMOC的热力作用表现为,强AMOC导致北大西洋海表面热通量释放和经向热输送增强,造成半球尺度SAT增加,千年尺度的气候冷(暖)期对应AMOC减弱(增强).强AMOC的经向热输送能够影响北极增暖,并通过北极海冰和AMOC之间的互反馈作用影响区域SAT异常和极端温度.在动力方面,强AMOC调制源自北大西洋沿北半球中高纬度地区传播的罗斯贝波活动,引起乌拉尔和西伯利亚地区的环流异常变率增加,对欧亚大陆中高纬地区极端冷、暖事件发生频率均有显著影响.此外,AMOC也可以通过对行星尺度环流的动力调整影响区域和全球地表气温异常.多年代际AMOC变率与大西洋多年代际振荡(AMO)也密切相关,AMO和AMOC正位相阶段,增强的北大西洋海表面热通量导致北半球的地表异常变暖,反之亦然.未来高排放的情景下,淡水通量强迫使AMOC崩溃的可能性增大,但大多数先进的气候模式低估了AMOC的强度和对AMO的作用及其气候影响,这给未来理解和预测AMOC及其气候效应带来了重大挑战.

青藏高原气候动力降尺度——从1/4度到公里尺度

青藏高原拥有全球除南北极外最大的冰冻圈,是亚洲九大河流的发源地.全球变暖背景下青藏高原地表环境发生了很大变化.据预测,在未来气候变化情景下,到21世纪末,大部分冰川和冻土将消失,淡水资源大幅减少,而全球22%人口的生活和生产依赖于来自青藏高原的淡水资源.这些环境变化引起了全球社会的极大关注.然而,全球气候模拟结果在青藏高原存在较大不确定性,为准确认知水安全危机造成干扰.基于大气动力学和物理学过程,动力降尺度可以比全球模拟更准确精细刻画地表状况,从而更准确模拟和预估区域或局地天气和气候信息.随着超级计算性能的提升,动力降尺度模拟的水平分辨率不断提高,目前已经达到公里尺度.本文首先介绍了青藏高原动力降尺度研究的起源和从1/4度到公里尺度的发展历程,论述了青藏高原公里尺度的动力降尺度模拟的优劣.其次,评述了青藏高原气候动力降尺度的主要陆面影响因素和高原特色陆面模式的研发进展,指出改进陆面模式,提高陆气相互作用的模拟是提高动力降尺度模拟性能的有效途径.最后,对青藏高原超高分辨率气候动力降尺度存在的问题和未来发展方向提出了展望.