2023年 第28卷 第1期
2023, 28(1): 1-16.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.21042
摘要:
解析气候变化的主要特征可为认识气候变化如何影响生态系统过程提供基础数据，也可为气候变化应对提供科技支撑。近几十年来，中国区域内的气温快速升高，对生态系统造成了极大的影响。但关于温度和降水时间变化趋势是否存在转折以及区域上是否存在差异的研究还较少。并且过去几十年的气温和降水变化已引起了水分盈亏的显著改变，而关于我国水分盈亏变化趋势的研究仍显不足，充分了解不同地区水分盈亏的变化，可以帮助我们更好地理解该地区的干湿变化，提升水资源的管理和利用效率。本文基于中国2479个气象站点的观测数据，利用分段回归方法分析了1981～2015年间年平均温度、年降水量以及水分盈亏的时间变化趋势及其转折点的时空格局，主要结果如下：（1）1981～2015年全国平均温度显著增加，且具有明显的阶段变化特征和地区差异：1991～1995年云南、东北北部温度变化发生转折，云南1991年之后开始显著增温。东北南部、华北大部分地区温度发生转折的时间为1996～2000年，南部沿海地区温度发生转折的时间为2001～2005年，转折点之前温度显著增加，转折点之后温度增加停滞。（2）1981～2015年中国降水量的时间变化趋势在不同地区之间具有显著差异，西部干旱地区及山东半岛等地区，年降水量显著增加，而西南地区降水量显著减少。在陕西、山西等地降水量时间变化趋势发生转折，降水量在转折点之前显著降低，转折点之后显著增加。全国大部分地区降水日数减少，降水强度增加，极端降水事件的频率增加。（3）1981～2015年中国大部分地区的水分盈亏量、标准化降水蒸散指数显著下降，中国整体上呈现干旱化的趋势。水分盈亏量的时间变化趋势在山西、陕西、云南等地发生转折，陕西、山西等地水分盈亏转折点之前减少，转折点之后增加；云南等地水分盈亏转折点之前增加，转折点之后减少。
解析气候变化的主要特征可为认识气候变化如何影响生态系统过程提供基础数据，也可为气候变化应对提供科技支撑。近几十年来，中国区域内的气温快速升高，对生态系统造成了极大的影响。但关于温度和降水时间变化趋势是否存在转折以及区域上是否存在差异的研究还较少。并且过去几十年的气温和降水变化已引起了水分盈亏的显著改变，而关于我国水分盈亏变化趋势的研究仍显不足，充分了解不同地区水分盈亏的变化，可以帮助我们更好地理解该地区的干湿变化，提升水资源的管理和利用效率。本文基于中国2479个气象站点的观测数据，利用分段回归方法分析了1981～2015年间年平均温度、年降水量以及水分盈亏的时间变化趋势及其转折点的时空格局，主要结果如下：（1）1981～2015年全国平均温度显著增加，且具有明显的阶段变化特征和地区差异：1991～1995年云南、东北北部温度变化发生转折，云南1991年之后开始显著增温。东北南部、华北大部分地区温度发生转折的时间为1996～2000年，南部沿海地区温度发生转折的时间为2001～2005年，转折点之前温度显著增加，转折点之后温度增加停滞。（2）1981～2015年中国降水量的时间变化趋势在不同地区之间具有显著差异，西部干旱地区及山东半岛等地区，年降水量显著增加，而西南地区降水量显著减少。在陕西、山西等地降水量时间变化趋势发生转折，降水量在转折点之前显著降低，转折点之后显著增加。全国大部分地区降水日数减少，降水强度增加，极端降水事件的频率增加。（3）1981～2015年中国大部分地区的水分盈亏量、标准化降水蒸散指数显著下降，中国整体上呈现干旱化的趋势。水分盈亏量的时间变化趋势在山西、陕西、云南等地发生转折，陕西、山西等地水分盈亏转折点之前减少，转折点之后增加；云南等地水分盈亏转折点之前增加，转折点之后减少。
2023, 28(1): 17-29.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2021.21086
摘要:
基于1979～2019年日本气象厅提供的地表感热与大气环流再分析资料，美国国家海洋和大气管理局提供的月均海表温度数据和国家气象信息中心提供的月降水数据，分析了夏季伊朗高原感热和热带印度洋海温与同期塔里木盆地降水的可能联系。奇异值分解分析表明，两个地区热力异常均与塔里木盆地夏季降水联系紧密，可以通过影响500 hPa风场和水汽输送来调制塔里木盆地夏季降水的变化。当伊朗高原感热和热带印度洋海温均偏强（弱）时，对应中亚上空受异常气旋（反气旋）控制，蒙古高原上空为反气旋（气旋）控制，二者共同作用塔里木盆地上空盛行异常偏南（北）风，形成有利（不利）的动力条件；同时印度半岛上空受异常反气旋（气旋）环流控制，中亚上空为异常气旋（反气旋），阿拉伯海水汽可（不可）由以上两个系统两步输送至新疆上空，导致盆地夏季降水整体偏多（少）。当伊朗高原和热带印度洋热力异常反相变化时，盆地降水空间差异性较大，部分区域降水偏多，部分地区降水偏少。
基于1979～2019年日本气象厅提供的地表感热与大气环流再分析资料，美国国家海洋和大气管理局提供的月均海表温度数据和国家气象信息中心提供的月降水数据，分析了夏季伊朗高原感热和热带印度洋海温与同期塔里木盆地降水的可能联系。奇异值分解分析表明，两个地区热力异常均与塔里木盆地夏季降水联系紧密，可以通过影响500 hPa风场和水汽输送来调制塔里木盆地夏季降水的变化。当伊朗高原感热和热带印度洋海温均偏强（弱）时，对应中亚上空受异常气旋（反气旋）控制，蒙古高原上空为反气旋（气旋）控制，二者共同作用塔里木盆地上空盛行异常偏南（北）风，形成有利（不利）的动力条件；同时印度半岛上空受异常反气旋（气旋）环流控制，中亚上空为异常气旋（反气旋），阿拉伯海水汽可（不可）由以上两个系统两步输送至新疆上空，导致盆地夏季降水整体偏多（少）。当伊朗高原和热带印度洋热力异常反相变化时，盆地降水空间差异性较大，部分区域降水偏多，部分地区降水偏少。
2023, 28(1): 30-44.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.21178
摘要:
基于全球土地利用类型和覆盖度，利用生长季多年平均（1982～2015年）归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）和气候平均态（气温、降水量）数据，讨论了全球植被格局与气候因子之间的关系，建立了两者之间的多元回归模型，并分析了植被对气温和降水气候态敏感性的特征。植被与气候因子在气候梯度上存在明显的对应关系，回归模型可较好拟合气候态NDVI的全球分布格局，拟合与观测NDVI的相关系数达0.90。其中，常绿阔叶林、混交林、常绿针叶林、落叶阔叶林、农田和木本稀树草原空间分布的拟合能力较好（r＞0.8）。不同土地覆盖类型的NDVI对气温、降水气候态的空间敏感性特征不同。整体而言，植被对气温和降水的敏感性呈现反相关关系（r=−0.6）。不同土地覆盖类型对气温表现出正/负敏感性，寒带灌木对气温的敏感性最强，而农作物、草原、裸地对气温负敏感性较大；植被对降水的敏感性均表现出正敏感性，其中落叶针叶林、草原和稀树草原对降水的空间敏感性较强。
基于全球土地利用类型和覆盖度，利用生长季多年平均（1982～2015年）归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）和气候平均态（气温、降水量）数据，讨论了全球植被格局与气候因子之间的关系，建立了两者之间的多元回归模型，并分析了植被对气温和降水气候态敏感性的特征。植被与气候因子在气候梯度上存在明显的对应关系，回归模型可较好拟合气候态NDVI的全球分布格局，拟合与观测NDVI的相关系数达0.90。其中，常绿阔叶林、混交林、常绿针叶林、落叶阔叶林、农田和木本稀树草原空间分布的拟合能力较好（r＞0.8）。不同土地覆盖类型的NDVI对气温、降水气候态的空间敏感性特征不同。整体而言，植被对气温和降水的敏感性呈现反相关关系（r=−0.6）。不同土地覆盖类型对气温表现出正/负敏感性，寒带灌木对气温的敏感性最强，而农作物、草原、裸地对气温负敏感性较大；植被对降水的敏感性均表现出正敏感性，其中落叶针叶林、草原和稀树草原对降水的空间敏感性较强。
2023, 28(1): 45-60.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.21140
摘要:
使用基于动力降尺度和统计降尺度方法得到的RCP4.5情景下的6.25 km高分辨率联合降尺度预估数据集，对长江经济带未来极端气候事件及其造成的风险展开评估和预估。结果表明：降尺度预估数据能较好的再现各极端温度指数和大部分极端降水指数的空间分布，但一些极端降水指数的偏差略大。未来长江经济带极端热事件将增加，冷事件减少；长江中游东部和下游的极端降水事件将增加，上游地区东南部发生干旱事件的可能性大。长江经济带以及上游、中游和下游3个分区的高温事件和强降水事件的国内生产总值（GDP）暴露度都将增加；人口暴露度呈先增后降的变化趋势。高温事件的GDP暴露度的分布因子和非线性因子的贡献同样重要，人口暴露度中分布因子的影响更大；强降水事件的暴露度主要取决于GDP或人口分布因子。
使用基于动力降尺度和统计降尺度方法得到的RCP4.5情景下的6.25 km高分辨率联合降尺度预估数据集，对长江经济带未来极端气候事件及其造成的风险展开评估和预估。结果表明：降尺度预估数据能较好的再现各极端温度指数和大部分极端降水指数的空间分布，但一些极端降水指数的偏差略大。未来长江经济带极端热事件将增加，冷事件减少；长江中游东部和下游的极端降水事件将增加，上游地区东南部发生干旱事件的可能性大。长江经济带以及上游、中游和下游3个分区的高温事件和强降水事件的国内生产总值（GDP）暴露度都将增加；人口暴露度呈先增后降的变化趋势。高温事件的GDP暴露度的分布因子和非线性因子的贡献同样重要，人口暴露度中分布因子的影响更大；强降水事件的暴露度主要取决于GDP或人口分布因子。
2023, 28(1): 61-73.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.21199
摘要:
在嵌套网格空气质量预报模式系统（NAQPMS）的基础上，采用污染源反演方法优化以中国多尺度排放清单（MEIC）为主的先验排放清单中臭氧（O3）前体物排放量估计。分析时段为2019年6～8月，重点评估了污染源反演对我国“2+26”城市、长三角、珠三角、成渝4个重点城市群O3模拟的改进效果。评估结果表明，污染源反演获得的“2+26”城市、长三角、珠三角的氮氧化物（NOx）排放速率整体低于先验清单的排放速率约0.6 μg m−2 s−1，但反演的挥发性有机物（VOCs）排放速率在“2+26”城市整体上高于先验清单的排放速率约0.5 μg m−2 s−1。利用反演的NOx和VOCs排放量和NAQPMS模式对4个城市群O3进行模拟，发现反演排放数据可以显著改进夏季O3模拟性能，使得O3日最大8小时平均值（MDA8-O3）模拟的均方根误差（RMSE）从40～60 μg/m³降低至20～30 μg/m³，模拟值与观测值的相关系数从0.6～0.7提升至0.8以上，模拟和观测O3浓度日变化峰值差异从2～50 μg/m³缩小到2～20 μg/m³。本文结果表明基于地面观测数据的污染源反演可以有效改进重点城市群的O3模拟性能，反演的O3前体物排放量与先验清单的排放量差异可为先验清单效验和评估提供参考。
在嵌套网格空气质量预报模式系统（NAQPMS）的基础上，采用污染源反演方法优化以中国多尺度排放清单（MEIC）为主的先验排放清单中臭氧（O3）前体物排放量估计。分析时段为2019年6～8月，重点评估了污染源反演对我国“2+26”城市、长三角、珠三角、成渝4个重点城市群O3模拟的改进效果。评估结果表明，污染源反演获得的“2+26”城市、长三角、珠三角的氮氧化物（NOx）排放速率整体低于先验清单的排放速率约0.6 μg m−2 s−1，但反演的挥发性有机物（VOCs）排放速率在“2+26”城市整体上高于先验清单的排放速率约0.5 μg m−2 s−1。利用反演的NOx和VOCs排放量和NAQPMS模式对4个城市群O3进行模拟，发现反演排放数据可以显著改进夏季O3模拟性能，使得O3日最大8小时平均值（MDA8-O3）模拟的均方根误差（RMSE）从40～60 μg/m³降低至20～30 μg/m³，模拟值与观测值的相关系数从0.6～0.7提升至0.8以上，模拟和观测O3浓度日变化峰值差异从2～50 μg/m³缩小到2～20 μg/m³。本文结果表明基于地面观测数据的污染源反演可以有效改进重点城市群的O3模拟性能，反演的O3前体物排放量与先验清单的排放量差异可为先验清单效验和评估提供参考。
2023, 28(1): 74-88.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.22017
摘要:
使用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG/IAP）开发的第三代气候海洋模式（LASG/IAP Climate system Ocean Model version 3, LICOM3.0）低分辨率版本在海洋模式比较计划（Ocean Model Intercomparison Project, OMIP）试验中的模拟数据，描述了南极绕极流（Antarctic Circumpolar Current, ACC）和南大洋经向翻转环流（Meridional Overturning Circulation, MOC）在1958～2009年的平均状态及其变化，并与已有的模式模拟结果和观测结果对比以评估LICOM模式的模拟效果。通过对比已有模式模拟数据发现，LICOM3.0模式模拟的ACC和南大洋MOC在两组OMIP试验中平均状态相仿、结果在合理范围内，但OMIP1试验中海表强迫的变化趋势较OMIP2试验中的变化更大，得到的环流输送在OMIP1试验中增长趋势也更大。
使用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG/IAP）开发的第三代气候海洋模式（LASG/IAP Climate system Ocean Model version 3, LICOM3.0）低分辨率版本在海洋模式比较计划（Ocean Model Intercomparison Project, OMIP）试验中的模拟数据，描述了南极绕极流（Antarctic Circumpolar Current, ACC）和南大洋经向翻转环流（Meridional Overturning Circulation, MOC）在1958～2009年的平均状态及其变化，并与已有的模式模拟结果和观测结果对比以评估LICOM模式的模拟效果。通过对比已有模式模拟数据发现，LICOM3.0模式模拟的ACC和南大洋MOC在两组OMIP试验中平均状态相仿、结果在合理范围内，但OMIP1试验中海表强迫的变化趋势较OMIP2试验中的变化更大，得到的环流输送在OMIP1试验中增长趋势也更大。
2023, 28(1): 89-102.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.22009
摘要:
运用基于Penman-Monteith公式改进得到的模型PML-V2，结合12个FLUXNET站点及其对应的叶面积指数数据，进行蒸散发分离，进而计算并分析内禀水利用率（intrinsic water use efficiency, iWUE）和冠层水利用率（canopy water use efficiency, tWUE）的趋势差异。结果表明，在站点尺度上，两种植被水利用率的变化均存在不一致性。对于落叶阔叶林（deciduous broadleaf forests, DBF），iWUE的增幅比tWUE的增幅大，而在常绿针叶林（evergreen needleleaf forests, ENF）中则相反。在DBF中，冠层导度和蒸腾作用趋势的差异可在一定程度上解释两种植被水利用率的趋势差异。通过回归分析发现森林（包括DBF和ENF）的气温和大气CO2浓度的趋势对tWUE趋势的影响更大。研究结果表明，两种植被水利用率及其趋势存在差异。基于iWUE的研究结果并不能完全反映植被的实际水利用率变化程度，因此也不能全面反映植被与大气的相互作用。本文在站点尺度明确了全球气候变化背景下两种植被水利用率的趋势差异，有助于理解陆地生态系统与大气之间的相互作用，为合理有效地预测未来气候变化及陆地植被的演变提供有用的参考依据。
运用基于Penman-Monteith公式改进得到的模型PML-V2，结合12个FLUXNET站点及其对应的叶面积指数数据，进行蒸散发分离，进而计算并分析内禀水利用率（intrinsic water use efficiency, iWUE）和冠层水利用率（canopy water use efficiency, tWUE）的趋势差异。结果表明，在站点尺度上，两种植被水利用率的变化均存在不一致性。对于落叶阔叶林（deciduous broadleaf forests, DBF），iWUE的增幅比tWUE的增幅大，而在常绿针叶林（evergreen needleleaf forests, ENF）中则相反。在DBF中，冠层导度和蒸腾作用趋势的差异可在一定程度上解释两种植被水利用率的趋势差异。通过回归分析发现森林（包括DBF和ENF）的气温和大气CO2浓度的趋势对tWUE趋势的影响更大。研究结果表明，两种植被水利用率及其趋势存在差异。基于iWUE的研究结果并不能完全反映植被的实际水利用率变化程度，因此也不能全面反映植被与大气的相互作用。本文在站点尺度明确了全球气候变化背景下两种植被水利用率的趋势差异，有助于理解陆地生态系统与大气之间的相互作用，为合理有效地预测未来气候变化及陆地植被的演变提供有用的参考依据。
2023, 28(1): 103-116.
doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2022.22023
摘要:
自2020年新冠疫情（COVID-19）爆发以来，各地进行了不同程度的人员流动限制或封控，致使全球范围内氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、一氧化氮（CO）、细颗粒物（PM2.5）等大气污染物浓度均大幅度降低，而作为二次污染物的臭氧（O3）在各地区却表现出复杂的变化特征，成为研究热点。本研究总结了近两年该方向的研究成果，阐明了COVID-19期间对流层O3及其前体物的变化特征、变化机制及其可能存在的潜在环境效应。COVID-19严控期，全球人为NOx排放下量降了至少15%，特别是高人为活动影响区，下降了18%～25%，部分高污染地区（挥发性有机物敏感区）近地层NOx的减少量达50%以上。NOx的减少导致NO对O3的滴定作用减弱，使得该类高污染地区O3增加（10%～50%）。而偏远地区及自由对流层O3主要受NOx控制，NOx的减少以及区域传输作用使得偏远地区及自由对流层O3呈现减少状态。其中，2020年4月和5月，由于NOx排放量的减少导致自由对流层O3体积混合比减少量高达10×10−9；2020年5月和6月，全球对流层O3总量下降了约6 Tg（O3）（～2%），亚洲和美洲NOx排放量的减少对全球对流层O3减少具有重要贡献。疫情严控期，NOx浓度大幅度下降的情况下，我国大部分城市近地面O3仍处于增加状态，这表明控制我国城市地区近地面O3浓度的有效手段是根据O3化学生成敏感区来控制前体物，但O3前体物的剧烈变化也可改变O3化学生成敏感区，导致O3生成效率（OPE）的变化，但由于相对欠缺VOCs排放量及其大气浓度的观测，各地区O3的变化趋势和主控因素还存在很大的不确定性。此外，未来COVID-19疫情和全球变暖叠加背景下，不同地区O3的变化特征和对应的O3调控策略亦值得进一步深入探究。
自2020年新冠疫情（COVID-19）爆发以来，各地进行了不同程度的人员流动限制或封控，致使全球范围内氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）、一氧化氮（CO）、细颗粒物（PM2.5）等大气污染物浓度均大幅度降低，而作为二次污染物的臭氧（O3）在各地区却表现出复杂的变化特征，成为研究热点。本研究总结了近两年该方向的研究成果，阐明了COVID-19期间对流层O3及其前体物的变化特征、变化机制及其可能存在的潜在环境效应。COVID-19严控期，全球人为NOx排放下量降了至少15%，特别是高人为活动影响区，下降了18%～25%，部分高污染地区（挥发性有机物敏感区）近地层NOx的减少量达50%以上。NOx的减少导致NO对O3的滴定作用减弱，使得该类高污染地区O3增加（10%～50%）。而偏远地区及自由对流层O3主要受NOx控制，NOx的减少以及区域传输作用使得偏远地区及自由对流层O3呈现减少状态。其中，2020年4月和5月，由于NOx排放量的减少导致自由对流层O3体积混合比减少量高达10×10−9；2020年5月和6月，全球对流层O3总量下降了约6 Tg（O3）（～2%），亚洲和美洲NOx排放量的减少对全球对流层O3减少具有重要贡献。疫情严控期，NOx浓度大幅度下降的情况下，我国大部分城市近地面O3仍处于增加状态，这表明控制我国城市地区近地面O3浓度的有效手段是根据O3化学生成敏感区来控制前体物，但O3前体物的剧烈变化也可改变O3化学生成敏感区，导致O3生成效率（OPE）的变化，但由于相对欠缺VOCs排放量及其大气浓度的观测，各地区O3的变化趋势和主控因素还存在很大的不确定性。此外，未来COVID-19疫情和全球变暖叠加背景下，不同地区O3的变化特征和对应的O3调控策略亦值得进一步深入探究。
