《气候变化动态》2024年第32期信息概览

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《气候变化动态》2024年第32期信息概览

发布时间:2024-12-09 打印

  研究揭示北极变暖与北极沙尘间的复杂关系
 
  北极变暖速度是全球变暖平均速度的2~4倍。日本研究人员的一项最新研究发现,北极无雪和无冰区域的沙尘可能是导致该地区气候变化的重要因素。研究成果以“由于变暖,北极沙尘的增加抑制了北极对流层下层冰核的减少”(Increasing Arctic dust suppresses the reduction of ice nucleation in the Arctic lower troposphere by warming)为题发表在《npj气候与大气科学》期刊上。
  此前研究指出,北极温度升高会导致云层中液态水滴增加、冰晶减少。云层变得更厚,云生命周期更长,更容易反射阳光,从而可能在夏季对北极地区产生降温效应(温度反馈)。
  然而,这项新研究表明,随着北极变暖,无雪和无冰区域扩大,沙尘排放随之增加。这些沙尘促进云中形成冰晶,可能使云层变得更薄、寿命更短,从而减少对阳光的反射,反而在夏季导致北极升温(排放反馈)。
  论文第一作者、名古屋大学副教授Hitoshi Matsui表示,“北极变暖导致的沙尘增加,可能引发与传统冰晶变化认知相反的现象。之前的研究发现,在夏季和初秋,北极大量沙尘分布在该地区对流层低层(约3公里以下),这些沙尘在该季节内云层中冰晶形成的核心角色。”
  为了评估北极沙尘对云层的影响,研究人员利用CAM-ATRAS全球气溶胶-气候模式,首先分析了1981—2020年北极陆地表面沙尘排放量的变化。模拟显示,随着北极变暖,这一时期沙尘排放量增加了20%。这种增加促进了对流层下层云层中冰核的形成,削弱了随着北极变暖云层中液态水滴增多、冰晶减少的效应。沙尘水平的上升促进了冰晶的形成,在全年30%的区域以及夏季70%的区域中,排放反馈效应超过了温度反馈效应导致的冰晶减少。
  研究人员表示,“大多数气候模式尚未考虑北极陆地沙尘的影响。我们的研究表明,应该同时考虑相互平衡的温度反馈和排放反馈,以提高北极气候变化预测的准确性。”
  

 

  

青藏高原土壤湿度强迫欧洲-东亚同步极端热浪的发生
 
  随着全球增暖的加剧,北半球同步极端热浪事件频繁发生。例如,2022年夏季,欧洲和中国南方同时遭遇极端热浪,严重影响了人民生活、社会经济发展和生态环境等。因此,开展对欧洲-东亚极端热浪同步性及其形成机理的研究是十分有必要的。中国科学院大气物理所博士后姜继兰博士及其所在团队利用事件同步气候网络方法,从非线性角度揭示了欧洲-东亚极端热浪的同步性,并通过气候动力诊断和数值试验阐明了青藏高原土壤湿度异常影响欧洲-东亚同步极端热浪形成的物理机理。
  通过构建基于欧亚地区不同格点之间极端热浪同步关系的复杂气候网络,研究揭示了欧洲和东亚极端热浪之间的强同步性。基于强同步年的合成分析以及欧亚极端热浪和青藏高原土壤湿度之间的多变量气候网络分析,研究进一步揭示了欧洲-东亚同步极端热浪与青藏高原土壤湿度异常之间的统计联系,并通过气候动力诊断和多模式数值试验,阐释了相关物理机理:青藏高原土壤湿度偏干导致强的向上感热通量,进而通过陆气耦合影响其上空大气环流。由于该加热过程的水平非均匀性,准正压反气旋式环流在高原北侧形成,并与高空西风急流相耦合,有利于定常罗斯贝波列的传播,进而导致欧洲地区准正压反气旋式环流的形成。线性斜压模式试验的结果也表明了高原上罗斯贝波的西传特征。如此一来,欧洲和东亚关键区均受高空反气旋环流的控制,增加的向下太阳短波辐射和下沉增温过程促进了热浪的发生。此外,热浪区域局地土壤湿度、温度和大气环流之间的正反馈过程也进一步加剧了热浪的强度和持续时间。
  该研究促进了复杂网络方法与气候动力学理论的交叉融合,弥补了传统统计方法(比如皮尔逊线性相关、线性回归方法等)在捕捉不同地区极端事件之间复杂非线性关系方面的不足。两者的结合不仅有效揭示了不同地区极端事件之间的非线性联系,还能够很好地阐释其中相关的物理机理。这为极端天气气候事件的研究提供了新思路。研究结果将有助于提升对欧亚大陆同步极端热浪的理解与预测能力,为应对气候变化和制定防灾减灾策略提供了科学依据。该研究成果于近期发表在期刊《npj气候与大气科学》上。
  

 

  

  亚洲人为气溶胶可能是北非夏季降水恢复驱动因素

 

  近日,中国科学院地球环境所气候变化集成-模拟-同化-预测团队联合挪威国际气候研究中心、布鲁克海文国家实验室等,利用降水驱动响应模式比较计划(PDRMIP)的全球气候模型,研究了欧洲硫酸盐减少(EASD)和亚洲硫酸盐增多(AASI)对撒哈拉以南非洲夏季降水的影响及其物理机制。相关研究成果发表在《地球的未来》上。
  自20世纪80年代以来,北非萨赫勒地区的夏季降水大幅增加,这与亚洲硫酸盐气溶胶排放增加和欧洲排放减少的显著分化趋势相吻合。大量的研究工作表明,欧洲和北美人为气溶胶减少会引起的半球间温度梯度增加,以及与之相关的热带辐合带(ITCZ)纬向移动,对萨赫勒地区的夏季降水有着显著影响,而目前尚不清楚亚洲硫酸盐气溶胶的增加是否对该地区夏季降水有着远程的影响。
  研究结果表明,AASI和EASD都增强了萨赫勒地区的夏季降水。欧洲上空硫酸盐气溶胶的减少引起欧洲和撒哈拉沙漠对流层低层的变暖以及ITCZ向北移动,增强了西非季风,从而增加了萨赫勒地区的降水。而亚洲硫酸盐气溶胶的增加引起中纬度西风急流南移,增加了低纬度西风及北大西洋向西的水汽传输,进而引起萨赫勒地区降水的显著增加。研究进一步分析第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)在不同排放情景下的历史模拟和未来预测,强化了亚洲人为气溶胶气候影响的结果。我们的结果建议在政府干预的中等排放情景下,亚洲气溶胶排放的减少会加剧萨赫勒地区的干旱,将可能会主导该地区的降水变化。
  研究结果表明,亚洲人为气溶胶急剧增加可能是近期萨赫勒地区夏季降水恢复的一个重要的驱动因素,同时亚洲人为气溶胶的动态变化可能会影响该地区降水的未来趋势。
  

 

 

  我国还可种植447亿棵树,将带来约59亿吨森林碳汇增量
 
  近日,中国科学院地理科学与资源所周成虎院士课题组和朴世龙院士在《自然·通讯》合作发表了“中国植树造林的固碳潜力”(Carbon sequestration potential of tree planting in China)研究文章。研究发现,在中国紧张的人地矛盾和耕林博弈背景下,相较于新增林地,加密现有林地是一种更经济有效的策略。通过优化管理,可以最大限度地发挥我国植树造林的固碳潜力。
  研究中,研究团队提出了造林主要包括两种场景——新增造林与加密造林,其中,新增造林是指在生境条件适合树木生长但目前尚未被任何树木覆盖的区域植树;加密造林是指在已经存在树木的区域进一步增加树木的株数。
  据介绍,团队成员基于近20年(2001—2021年)遥感大数据显示的森林变化情况,结合与树木生长相关的环境、土壤和地形因子,定量化评估了我国树木生长的网格适宜性。
  “我们通过建立其与树木数量之间的统计关系,以1公里的空间分辨率绘制了我国精细的植树潜力空间格局,并估算了其可能导致的碳增益与碳流失。”团队成员介绍,“结果表明,与在空地上新增造林相比,对现有森林进行加密可以种植更多的树木,从而提供更高的碳收益。”
  研究结合我国现行生态功能区划方案设计了一种可操作的植树场景,结果显示,我国共还可以种植447亿棵树,会带来40亿立方米森林蓄积量增量,捕获5.9±0.5 PgC的碳,约是中国2020年工业CO2排放量的两倍。
  “其中,新增造林可种植树木183亿株,占地面积约为5580万公顷,长成之后蓄积量约为31亿立方米,可带来1.95±0.16 PgC的生物质碳增量。其中,横断山区和川渝地区潜力较大,三北地区增量有限(约为15亿株);加密造林共可种植树木264亿株,蓄积量可增加约67亿立方米,平均每公顷森林的蓄积量可至少增加44.7立方米,可带来3.98±0.30 PgC的生物质碳增量。其中,秦巴山区和云贵高原地区的潜力较大,华北东北地区也有可观的潜力。”团队成员表示,森林定义的差异可能会影响二者比例的变化,但对总体估算结果不会产生影响。
  森林是陆地生态系统中最大碳库,提升森林碳汇增量是实现我国“双碳”目标的重要路径。“当前,能够用来大规模造林增汇的剩余空间极其有限。我国乔木林整体较为稀疏,低密度与低郁闭度稀疏森林占比过高影响了森林实际碳汇规模。现有的造林潜力评估方法主要强调规模化造林的潜力,忽略了提升现有森林质量的可能性。因此,如何定位这些森林并评估其加密潜力是进一步提升森林碳汇能力的关键。”研究成员表示。
  “若能尽快落实该方案与计划,到2060年中国将至少拥有1.35亿公顷的幼龄和中龄林,且这些新种植树木的碳汇能力可以达到峰值(约0.2 PgC/yr),使得中国森林碳汇能力仍可以维持在高于其当前能力的水平,从而延长森林碳汇的寿命,为工业部门提供更长的时间窗口。”研究成员坦言。
  提及方案实施所花费的成本问题,研究团队给出了数据对比,“参考过去中国在各项造林工程的投入,研究设计的植树方案封存1吨CO2的平均成本仅约为5美元,在自然条件优越的地区(川渝地区、长江中下游地区和华南地区)植树或者加密森林的固碳经济成本比在西北地区植树低8倍以上,从固碳角度考虑是更加经济有效的选择。”
  面对当今气候变化和土地资源稀缺带来的挑战,研究团队深入探究了通过现有森林加密提升森林碳汇能力的潜力,丰富了现有研究对如何通过提高森林质量应对“双碳”目标的理解,并提出了基于生态功能区划的可操作植树方案。
  研究不仅揭示了现有森林加密相比新增造林在固碳方面的更大效益,还为未来生态恢复与碳汇管理提供了重要参考,对实现中国碳中和目标提供了坚实的科学支撑。
  

 

  

 研究揭示印度季风区干旱与太平洋及    大西洋海温遥相关

 

  印度夏季风(西南季风)是亚洲季风系统的重要组成部分。每年6月左右季风爆发,通过大规模水汽输送为印度半岛贡献超过70%的年降水,影响整个东亚地区的水文状况。然而,季风环流的异常波动会引起旱灾、洪涝及其他极端气候事件,影响数亿人的生活和生计。
  有研究揭示了厄尔尼诺现象与现代印度夏季风(ISM)干旱的关系。也有研究和观测显示,即使在非厄尔尼诺年份,ISM的随机变率可能导致印度次大陆遭遇干旱。而受限于观测资料的时间长度,非厄尔尼诺年导致ISM衰退的具体机制不甚清楚。特别是,历史记录显示过去千年中曾出现多个持续十年至数十年的严重ISM干旱事件,这在仪器测量记录中前所未见。这些大规模干旱是否是ISM的固有特征以及它们背后的物理机制及与厄尔尼诺-南方涛动关系的稳健性,有待进一步探究。
  近期,中国科学院地球环境所联合国内外的研究人员,利用古水文动力同化数据集,探究了过去千年ISM干旱的演变特征及其与全球海温模式的遥相关。数据同化结果识别了若干“黑天鹅”干旱事件(持续三年及以上,罕见但社会影响深远的干旱),并发现了这些事件集中在十年到数十年的间隔内,造成了严重的饥荒和社会经济危机,且与历史记录吻合。
  进一步的多锥度-奇异值分解分析显示,这些干旱发生在厄尔尼诺和非厄尔尼诺条件下,其中厄尔尼诺干旱约占所有事件的49%。而约42%的非厄尔尼诺干旱与北大西洋海面温度的冷异常相关,表明高纬地区气候因素在影响印度夏季风变异中起到关键作用。同时,研究揭示了过去千年厄尔尼诺与干旱的关系不稳定,其影响在15%~80%之间波动。这挑战了现有的以厄尔尼诺为中心的干旱成因模式,揭示了气候系统中更复杂的多维交互作用,如北大西洋涛动及其他海温模态的影响。
  为了提高预测能力并应对气候变化带来的挑战,该研究强调了将高纬地区海表温度的影响纳入未来印度夏季风变异模拟的必要性。相关研究成果在线发表在《创新-地球科学》(The Innovation Geoscience)上。
  

 

  

  气候变化威胁法国美食
 
  随着全球变暖加剧,法国引以为傲的美食文化正面临前所未有的威胁。据法国《回声报》报道,法国“后果”环境协会发布报告称,气候变化对鹅肝、罗克福奶酪、佩里戈尔核桃、科西嘉小柑橘、羊乳干酪、芒通柠檬等8种标志性地方特产造成严重影响。
  报告显示,极端天气不仅会破坏农作物,还会引发病害、降低水果品质,并改变牧草的营养成分。近年来,这些标志性美食的产量普遍下降15%~40%,具体影响因产品和地区而异。生产者普遍认为,气候的不可预测性是主因。以科西嘉小柑橘为例,气温上升导致柑橘树的开花时间推迟、成熟期延长,果实酸度因此降低,同时高温也加速了害虫的繁殖。而巴斯克地区的埃斯普莱特辣椒因降雨不足而产量受限,种植者尝试调整种植时间以避开高温期。作为法国年终宴席上的“明星”,鹅肝生产者也在积极寻找应对高温之策。而著名的法国奶酪也未能幸免,有的因缺水问题而面临生产困境。干旱导致高山牧场饲料供应减少,部分罗克福奶酪生产者已采用“裹包”技术(用塑料薄膜保存饲料湿度),但只能解决短期问题。
  

 

  

 极端高温事件频发将减弱陆地生态系统  固碳能力
 
  据中国科学院新疆生态与地理所土地变化与生态模拟科研团队发表的一项最新研究成果表明,全球极端高温事件不仅变得更频繁,强度也在增加,以0.82天/年和0.023℃/年的频率及强度增长,这显著减弱了全球陆地生态系统的固碳能力。相较于极端高温事件的频率,极端高温事件的强度对陆地生态系统固碳能力的减弱作用更强。
  论文第一作者、中国科学院新疆生态与地理所研究员袁秀亮解释说,陆地生态系统通过光合作用吸收CO2,但在极端高温条件下,植物呼吸作用减弱,净吸收CO2减少,再加上极端高温条件下缺水导致植物或微生物呼吸减弱,向大气中排放的CO2减少,并且吸碳能力下降幅度远大于陆地生态系统呼吸作用排碳能力的下降幅度,因此总体上会削弱陆地生态系统固碳能力。
  我国宣布力争在2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。要达到这两个目标,仅靠产业结构的改革来减排是不够的,如何吸收CO2也是重中之重。
  此前的研究表明,我国陆地生态系统存在巨大碳汇。数据表明,在2001—2010年期间,陆地生态系统年均固碳2.01亿吨,相当于抵消了同期中国化石燃料碳排放量的14.1%。其中,森林生态系统是固碳主体,贡献约80%的固碳量,而农田和灌丛生态系统分别贡献约12%和8%的固碳量,草地生态系统的碳收支基本处于平衡状态。
  但目前的研究大多集中在持续时间较长的单一极端事件或单一地区的定量评估工作,缺乏对全球范围内极端高温事件的长期趋势对陆地生态系统吸碳与排碳等环节,以及高温极端条件下水热条件转变对陆地生态系统碳汇能力影响的全面揭示。
  针对上述问题,研究团队通过科学方法,系统评估了近40年全球极端高温事件的演变规律,解析了极端高温事件对陆地生态系统碳汇能力的影响,探讨了吸碳与排碳环节以及水热条件变化对陆地生态系统固碳能力的影响机制。
  “随着未来极端高温事件频率与强度的持续增强,陆地生态系统对人类活动排放CO2的吸收比例可能进一步失衡,这将给未来实现‘双碳’目标带来更大挑战。”袁秀亮说,要更加关注陆地生态系统削弱的这部分碳有多少、谁来吸收、怎么吸收,这就必须加强地球系统模式在植被-极端高温互馈关系方面的模拟能力研究,从而有针对性地为“双碳”战略实施提供科学参考。
  

 

  

  (《气候变化动态》编辑组)
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