• 2022年第0卷第3期文章目次
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      2022, 45(3):0-0.

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      2022, 45(3):0-0.

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      摘要:

    • >双碳研究
    • 陆地生态系统固碳速率立体监测方法:进展与挑战

      2022, 45(3):321-331. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20220303002

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      摘要:全球CO2浓度增加造成的全球变暖已成为人类亟需解决的问题,陆地生态系统在过去几十年一直扮演着重要的碳汇角色,吸收了30%左右的人类活动排放CO2。本文调研分析了陆地生态系统固碳速率空间估算方法,包括样地调查、通量监测、模型模拟、遥感估算等,梳理了各种估算方法的研究现状与进展。样地调查、通量观测等方法可以提供点尺度的固碳速率直接测量信息,但存在观测样本有限、空间代表性不足等问题。模型模拟方法可以从机理的角度描述陆地碳、水、能量循环,模拟预测陆地生态系统固碳速率的状态和变化。然而,在模型建立过程中,抽象和简化会引入结构与假设的不确定性,以及模型驱动数据引入的不确定性等问题是碳循环模型模拟方法面临的重大挑战。卫星遥感具有全球覆盖、分辨率精细、时间序列观测等优点,结合机器学习方法,为地球大数据驱动的全球碳源汇估算提供了新的研究范式。但是,当前各种固碳速率的监测方法还没有满足高度时空异质性的陆地生态系统固碳量监测需求,未来需要整合地面观测、模型模拟和卫星遥感等多种技术手段,提供区域和全球尺度的陆地生态系统碳汇精确估算方法体系和科学数据产品。

    • 1981—2019年全球陆地生态系统碳通量变化特征及其驱动因子

      2022, 45(3):332-344. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20220403007

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      摘要:陆地生态系统碳汇显著降低大气CO2浓度上升和全球变暖的速率,受人类活动和气候变化的影响,陆地生态系统碳通量具有强烈的时空变化,其估算结果仍存在较大的不确定性,不同因子的贡献尚不清晰。为此,利用遥感驱动的陆地生态系统过程模型BEPS模拟分析了1981—2019年全球陆地生态系统碳通量的时空变化特征,评价了大气CO2浓度、叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)、氮沉降、气候变化对全球陆地生态系统碳收支变化的贡献。1981—2019年全球陆地生态系统总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)、净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)和净生态系统生产力(Net Ecosystem Productivity,NEP)的平均值分别为115.3、51.3和2.7 Pg·a-1(以碳质量计,下同),上升速率分别为0.47、0.21和0.06 Pg·a-1。全球大部分区域GPP和NPP显著增加,NEP显著上升(p<0.05)的区域明显少于GPP和NPP。1981—2019年,全球NEP累积为105.2 Pg,森林、稀树草原及灌木、农田和草地的贡献分别为76.4、15.8、9.4和3.6 Pg。CO2浓度、LAI、氮沉降和气候变化各自对NEP的累积贡献分别为58.4、20.6、0.7和-43.6 Pg,全部4个因子变化对NEP的累积贡献为39.8 Pg,其中CO2浓度上升是近40 a全球陆地生态系统NEP上升的主要贡献因子,其次为LAI。

    • 成熟森林生态系统土壤有机碳积累:实现碳中和目标的一条重要途径

      2022, 45(3):345-356. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20220313007

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      摘要:为了应对全球气候变化带来的挑战,2020年9月中国提出努力争取在2060年前实现碳中和。对此,生态系统固碳被寄予厚望;然而,生态学理论认为,成熟生态系统的碳输入输出趋于平衡,没有碳的净积累,也就没有碳汇功能,而未成熟的生态系统虽有碳的净积累并具有碳汇功能,但自然界任何未成熟生态系统从它建立的时候开始都在不断地向成熟生态系统演替,即任一生态系统演替的最终结果必然是碳输入输出达到平衡状态。由于森林生态系统碳库是陆地生态系统中最大的碳库,所以人们对其在碳中和上的贡献充满期待。本文以森林生态系统为例,分别考虑森林生态系统碳库的生物量碳库和土壤有机碳库,并基于全球最新研究成果,论证了森林生态系统土壤碳库积累过程具有长久的固碳功能,且不违背成熟生态系统碳输入输出趋于平衡的生态学理论,它能为实现碳中和目标做出贡献。

    • 弱光层异养过程对海洋储碳的影响:进展、挑战和展望

      2022, 45(3):357-363. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20220228004

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      摘要:海洋是地表系统最大的碳库和重要碳汇区。海洋生物泵通过一系列复杂的生物地球化学过程将CO2转化成颗粒有机碳(Particulate Organic Carbon,POC)并输送到深海,是海洋储碳的重要途径。弱光层(真光层底部到1 000 m)的生物异养过程消耗了超过70%从真光层输出的POC通量,决定了生物泵的储碳效率,因此准确定量弱光层的再矿化速率对评估海洋碳汇有重要意义。本文针对海洋生物泵储碳问题,聚焦弱光层异养过程对海洋储碳的影响机制,对全球弱光层再矿化定量工作进行评述,综合分析弱光层POC的衰减、再矿化等问题,并展望了相关新技术的应用。

    • 不同情景达到碳中和下中国区域气候变化的预估

      2022, 45(3):364-375. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20220323015

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      摘要:利用第6次耦合模式比较计划(CMIP6)中的9个全球气候模式的模拟结果,通过CO2浓度达峰时间确定SSP1-1.9和SSP1-2.6两种情景下的全球碳中和时间,预估了全球碳中和下中国区域气候较历史参考期(1995—2014年)的未来变化,分析不同时间达到碳中和下气候响应差异,并与未实现碳中和的SSP2-4.5情景下的气候变化对比。结果表明,SSP1-1.9和SSP1-2.6情景下全球达到碳中和的时间分别为2041年和2063年,相较于历史参考期,SSP1-1.9/SSP1-2.6下中国区域平均年气温上升1.22/1.58℃,平均年降水量增加7.1%/9.9%。SSP1-2.6(晚碳中和)较SSP1-1.9(早碳中和)情景下年均温增高约0.36℃,最大升温区位于西南及高原地区。对降水而言,晚碳中和较早碳中和全国平均年降水量增加约2.7%。全年及夏季降水量显著增加区主要在西北,新疆地区出现降水增加超过8%的大值区,冬季则集中于黄河中下游,增幅也超过8%。未碳中和的SSP2-4.5情景下中国区域的升温显著强于SSP1-2.6(碳中和)情景,年平均气温高约0.61℃,西北地区是升温差别大值区,其中新疆部分地区增加升温超过0.8℃。SSP2-4.5较SSP1-2.6情景年降水量在西北地区增加显著,内蒙古西北部最大增加超过10%。有无碳中和对冬季降水影响更大,SSP2-4.5情景下新疆部分地区降水增加比SSP1-2.6下多20%左右,云南部分地区则少15%左右,表明有无碳中和对气候的影响远大于早晚碳中和。

    • 近地层臭氧对我国树木生产力和作物产量的影响:进展与展望

      2022, 45(3):376-386. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20220402013

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      摘要:大气污染严重威胁了我国陆地生态系统的固碳能力,但随着减污降碳协同治理的快速推进,减缓大气污染将有利于提升陆地碳汇,并切实推动碳达峰碳中和目标的实现。为了更好地理解大气污染与生态系统固碳的关系,本文以主要空气污染物臭氧(O3)为例,基于田间控制实验的整合分析、剂量响应关系及机理模型三种评估方法综述了近地层O3污染对植被碳固定影响的最新进展。尽管不同作物种类以及品种、不同功能型木本植物对O3的响应有着显著的差异,且各种方法的评估结果也不尽相同,但目前O3浓度造成我国粮食作物减产、森林生产力降低已是不争的事实。持续升高的O3浓度将严重威胁我国陆地生态系统的固碳能力。利用我国作物和树木的O3剂量响应方程进行评估的结果表明,在CO2减排和O3污染协同治理下,预计2060年我国树木生物量和作物产量将比当前显著提高,增加陆地生态系统碳汇,助力碳中和目标。最后,对如何提高O3污染环境下植物固碳能力也进行了展望。

    • 基于WRF模式的京津冀地区地表大气CO2浓度的模拟研究

      2022, 45(3):387-396. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20220228018

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      摘要:在“双碳”目标背景下,从国家层面到地方层面,区域、城市、行业企业都在制定和实施双碳目标行动计划。CO2模拟因其客观性和高时空分辨率等优势,在城市碳排放研究中深受重视。本研究以京津冀地区为研究区域,采用Picarro仪器高精度观测的2019—2020年CO2数据,利用WRF模式进行CO2传输模拟,分析了CO2浓度变化的季节特征,评估了模式在城区中心、城郊及背景3个观测站点的模拟效果,并对边界层高度及化石燃料碳排放等可能影响CO2浓度的因素进行了研究。3个观测站点分别为北京中国科学院大气物理研究所325 m气象塔观测站(北京站)、河北香河观测站(香河站)和上甸子区域本底观测站(上甸子站)。模拟结果表明:上甸子站优于香河站,香河站优于北京站,在冬季尤其明显;CO2浓度的高值区主要分布在城区、电厂和工业区,尤其是唐山、石家庄和邯郸地区,大量交通、工业排放导致CO2浓度明显上升,且高值区的范围在冬季最大;就日平均变化和日变化而言,边界层高度与CO2浓度存在相反变化趋势;3个站点的化石燃料碳排放(FFECO2)与近地面总CO2浓度存在正相关关系,冬春季的相关性高于夏秋季,且FFECO2的占比从大到小依次为北京站、香河站、上甸子站;CO2传输模拟的不确定性存在空间差异和季节变化。

    • 共享社会经济路径在土地利用、能源与碳排放研究的应用

      2022, 45(3):397-413. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20220405009

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      摘要:情景是气候变化研究的重要工具。为了科学支撑气候变化科学评估和研究,2010年政府间气候变化专门委员会(IPCC)提出了共享社会经济路径(Shared Socioeconomic Pathways,SSPs)。作为从社会经济变化视角构建的气候情景,SSPs促进了气候变化科学基础、影响、脆弱性、风险、适应和减缓等学科的综合研究。本文介绍了SSPs情景研发与应用过程;阐述了全球和中国的人口经济、土地利用、能源和碳排放的模拟和预估主要成果;探讨了全球和中国碳排放路径及其与“双碳”目标的关系;并展望了SSPs应用前景。

    • 我国甲烷排放情景分析:IPAC模型结果

      2022, 45(3):414-427. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20220524008

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      摘要:近期发布的IPCC第六次评估报告再次强调了短寿命期温室气体减排对温升减缓的作用。甲烷是最重要的短寿命期非CO2温室气体。在各国提出各自新的减排目标之后,针对甲烷减排的行动方案也越来越多。甲烷减排正在成为下一阶段各国和全球合作的重点领域之一。本文在我国碳减排目标下的能源转型基础上,结合其他非能源活动的减排排放源的减排技术选择基础上,利用IPAC模型对未来甲烷的排放情景进行了分析。在模型设定的两个情景分析基础之上,研究发现,到2050年的能源转型可明显减少能源活动的甲烷排放,和2015年相比能源活动的排放可减少67%。和其他行业相比,能源部门的甲烷减排具有更好的协同性。如果考虑进一步减排甲烷,则需要在考虑其他大气污染物减排的基础上,可通过实现天然气的进一步减排来实现。同时其他部门的甲烷减排也具有很大潜力,低甲烷排放情景可以实现到2050年将甲烷排放减少到1 494万吨,和2015年相比全范围排放可减排58%。

    • >降水研究
    • 基于随机物理过程扰动的BMJ积云参数化方案对降水集合预报的影响

      2022, 45(3):428-443. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200830001

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      摘要:基于ARPS模式和随机物理过程参数化扰动(stochastically perturbed parameterization)方法,通过10个2018年6—7月间的降水个例,讨论了针对BMJ积云降水参数化方案下不同参数化扰动方式对降水预报的影响。扰动方式包括扰动BMJ方案的温湿倾向和扰动BMJ方案的温湿参考廓线。试验的结果表明BMJ方案在华东区域的降水预报中存在湿偏差,即预报的降水事件多于相应的观测事件。这一偏差在系统性增加参考廓线湿度后仍然存在。BMJ方案对不同扰动方式的响应存在较大差异。扰动BMJ方案的温湿倾向对降水预报的影响较小,且集合离散度低。扰动BMJ方案的温湿参考廓线对降水预报影响显著,能够大幅增加集合离散度,其中对称的BMJ参考廓线扰动对预报技巧评分改进有限,原因是小雨的湿偏差有所增加,而非对称的BMJ参考廓线扰动(扰动均值大于1.0)能够有效提高预报技巧评分并降低湿偏差。此外,非对称扰动大幅改善了BMJ降水预报初期(0~3 h)的空间分布形态,并且改进了夜间降水预报的强度。非对称扰动评分较高的原因是减少了原BMJ方案在降水预报初期的的大范围虚假预报,避免了大气湿度的大范围下降,保障了预报后期的强降水预报能力。而BMJ方案温湿倾向量级较小则是造成倾向扰动方法效果不明显的重要原因。

    • 双低空急流影响下华南初夏降水日变化的时空分布特征

      2022, 45(3):444-455. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20210119001

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      摘要:利用2010—2016年5—6月ERA5逐小时再分析数据集和国家气象信息中心逐小时降水量融合产品,对影响华南地区的低空急流事件进行筛选和分类,并分析天气系统相关的低空急流(Synoptic-system-related Low-Level Jet,SLLJ)和边界层急流(Boundary Layer Jet,BLJ)的日变化及其影响下的华南降水日变化的时空分布特征。结果表明,BLJ和SLLJ在白天减弱、夜间增强,并在凌晨达到峰值,其日变化主要与边界层惯性振荡引起的非地转风的顺时针旋转有关。双急流日华南地区降水量显著增加,且降水日变化有明显的区域差异,这与双急流的演变和配置密切相关。广西中北部主要为SLLJ左前方发生的夜间山区降水,且降水量仅有凌晨的单峰。广西沿海和广东地区存在早晨和午后两个峰值,BLJ出口区辐合和SLLJ入口区辐散的维持有利于降水频率的增大,从而导致午后峰值的出现,而早晨的峰值除了受双急流有利配置的影响外,主要归因于早晨降水强度的增加。

    • 一次初春东北冷涡的结构特征及其降水成因

      2022, 45(3):456-468. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200727001

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      摘要:利用ERA-Interim逐日再分析资料及中国753站逐日降水资料,对2008年3月23—28日的东北冷涡天气过程进行诊断分析,并探讨了冷涡降水的主要影响因子。结果表明:1)与夏季冷涡过程不同,此次初春冷涡过程高层环流场由经向环流向纬向环流转变;冷涡发展初期,经向环流的建立使得冷涡向南移动,而成熟阶段冷涡后部的低槽引导冷空气向冷涡输送,导致了冷涡环流的维持。2)亚欧大陆上空强阻塞形势的发展是初春东北冷涡形成的关键因子;乌拉尔山和鄂霍次克海阻塞高压分别受到前期北大西洋和热带太平洋海温异常的调控,为冷涡向南发展维持提供了有利的环流背景,并影响了高低空急流的配置,有利于冷涡降水的形成。3)涡度场和温度场的高低空配置使得东北冷涡发展成深厚的环流系统,干侵入对冷涡的形成和维持同样有重要作用。冷涡环流的发展为东北地区降水提供了有利的水汽和垂直运动条件,冷暖平流交汇引起的锋面过程则促进大范围降水的形成。

    • 雅鲁藏布江河谷盛夏降水年际变化及其与环流的联系

      2022, 45(3):469-479. DOI: 10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201010005

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      摘要:基于近57 a (1961—2017年)西藏雅鲁藏布江中游河谷地区(简称雅江河谷)4个站(拉萨、日喀则、泽当和江孜)盛夏(7—8月)月平均降水和同期NCEP/NCAR再分析资料,采用合成、相关分析等统计诊断方法,分析了雅江河谷盛夏降水的年际变化特征及其与大气环流的联系。结果表明:1)近57 a雅江河谷盛夏降水无显著线性趋势,降水主要以3~4 a显著周期的年际振荡为主。2)雅江河谷盛夏降水年际波动与区域内水汽收支的变化直接相关,其中印度半岛-东南亚异常反气旋引起的水汽输送通量和水汽在高原腹地辐合上升的动力过程是盛夏降水年际变化的主要原因。3)对流层中低层印度半岛-东南亚异常反气旋环流是该地区盛夏降水年际异常的重要水汽输送通道,该通道将西太平洋、南海和孟加拉湾等地水汽不断输送到高原,期间西太副高和伊朗高压等大尺度系统异常对水汽输送过程起到了重要作用,同时高原盛夏季风低压和南亚高压异常给水汽在高原腹地辐合抬升提供了动力条件。

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