发布时间:2025-01-20 打印
野火活动增加可能是过去气候突变时期的特征
一项调查南极冰层中古代CH4的新研究表明,在末次冰期的气候突变期间,全球范围内的野火活动可能有所增加。该研究以“末次冰期生物质燃烧的突变”(Abrupt changes in biomass burning during the last glacial period)为题刊载在《自然》上,揭示了野火活动的增加是气候突变时期的一个潜在特征,同时热带降雨格局和全球范围的温度波动也发生了重大变化。
研究人员表示,这些发现对于理解现代气候突变具有重要意义。我们可能没有恰当地考虑到随着气候变暖和降雨格局的变化,野火活动可能会如何变化。
先前的研究表明,在大约11000年前结束的末次冰期,大气中CH4的含量在气候突变期间急剧上升。这些突然的气候变化事件,被称为丹斯加德-厄施格事件和海因里希事件,与区域温度的快速变化、降雨格局的变化以及大气中CH4的峰值有关。该研究的目的是试图确定导致这些峰值的原因。
研究人员使用了来自两英里长的南极西部冰盖分水岭冰芯的样本和用专门钻头采集的复制冰芯的样本,该钻头可以重新进入岩芯和钻孔并收集更多的冰。这些岩芯中的记录可以追溯到67000年前。研究人员使用自己设计的系统从冰样本中提取空气,然后利用质谱仪测量CH4的同位素组成,这可以表明大气中CH4的来源。
同位素分析表明,在气候急剧变化期间,甲烷的峰值是由于野火增加导致的甲烷排放造成的。
研究人员表示,这些火灾事件可能是引发气候突变事件的连锁反应之一。事情可能是这样的:洋流迅速减慢或加速,北半球迅速变冷或变暖,然后导致热带降雨量突然变化,从而导致干旱和火灾加剧。
过去的研究表明,温度和热带降雨的变化与这些气候突变时期有关,但这项新研究首次提供了确凿证据,证明火灾也是这些时期的特征之一。
研究人员表示,要想更好地了解这些燃烧期对气候模式可能产生的作用,还需要进行更多的研究。例如,燃烧会产生CO2,也会导致气候变暖。了解这种燃烧对碳循环的真正意义是下一步研究的方向之一。
农业气候政策对不发达国家和发达国家粮食价格的影响不同
一项研究表明,在美国或德国等高收入国家,农民获得的收入不到食品价格的四分之一。而在撒哈拉以南非洲地区,这一比例超过70%,那里的农业成本占食品价格的很大一部分,这种差距凸显了粮食系统在不同地区运作方式的不同。研究人员预测,随着经济的发展和粮食系统的工业化,农民获得的收入在人们消费支出中所占的份额将越来越小,这一衡量标准被称为粮食美元的“农业份额”。该研究以“未来的粮食价格对农产品市场价格和减缓成本的敏感度将降低”(Future food prices will become less sensitive to agricultural market prices and mitigation costs)为题刊载在《自然·食品》(Nature Food)上。
在发达国家,人们越来越多地购买面包、奶酪或糖果等加工产品,其中原材料只占成本的一小部分。大部分价格花在加工、零售、营销和运输上。这也意味着消费者在很大程度上不会受到污染税或土地扩张限制等气候政策引起的农产品价格波动的影响,但这也凸显了农民的实际收入有多低。
科学家团队结合统计和基于过程的模拟对136个国家和11个食品类别的价格构成进行了评估,研究了在家和外出消费的食品价格。大多数模式都只追踪到农场成本,但该研究一直深入到杂货店,甚至餐馆或食堂。通过分析整个食品价值链,研究人员发现,旨在减少农业排放的气候政策常常引起人们对食品价格上涨的担忧,特别是对消费者而言。该研究表明,现代食品系统的长供应链缓冲了消费者价格的急剧上涨,特别是在较为发达的国家。
研究人员表明,即使制定了非常雄心勃勃的气候政策,对农业活动实行严格的温室气体定价,到2050年,对发达国家消费者价格的影响也会小得多。到2050年,即使生产者价格将上涨2.73倍,发达国家的消费者食品价格将因气候政策上涨1.25倍。相比之下,低收入国家的消费者食品价格将上涨2.45倍,而生产者价格将上涨3.3倍。尽管低收入国家的消费者价格上涨幅度不如农民那么明显,但这仍然会让低收入国家的人们更难买得起充足和健康的食物。
尽管食品价格上涨,贫困消费者并不一定需要遭受气候减缓政策的影响。之前的一项研究表明,如果将碳定价收入用于支持低收入家庭,尽管食品价格上涨,但由于这些家庭的收入较高,他们的生活仍会得到改善。
研究人员表示,短期内,气候政策可能对消费者、农民和粮食生产者构成威胁,但从长远来看,它们对于保护农业和粮食系统至关重要。如果没有雄心勃勃的气候政策和减排,气候变化带来的如农作物歉收和供应链中断等更大影响,可能会推高粮食价格。气候政策的设计应包括帮助生产者和消费者平稳过渡的机制,例如公平的碳定价、对脆弱地区和人口群体的财政支持以及对可持续农业实践的投资。
南极科考数据发现海冰边缘区可“吸收”甲烷
近日,中山大学/南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)教授杨清华团队基于我国第37次南极科考雪龙2号船载走航式涡动相关系统观测数据,揭示了海冰如何影响南大洋海冰边缘区海域与大气之间的CH4交换。相关成果发表于《地球物理研究通讯》。
全球海洋每年向大气排放9~22TgCH4,但这个数量很难精确计算,尤其是在极区海洋。目前,极区海洋CH4排放估算主要依据在中纬度开阔海洋中开发的整体法,该方法在极地海冰边缘区(MIZ)具有不确定性。
“海冰通常被当作阻碍气体交换的屏障,过去的研究认为气体传输速度与海冰密集度(SIC)呈负线性关系,即海冰越密集、气体交换速度就越慢,但是,越来越多的现场观测和模拟研究表明,这种关系并不总是成立的,有时候表现为促进作用。”杨清华说。
因此,团队建立并优化发展了一种海-气湍流交换算法体系,为研究海-气湍流交换提供了一种直接测量的技术手段。基于此,研究进一步分析了海冰密集度对与海-气CH4交换的影响,并评估观测区域对全球海洋CH4排放的贡献。
他们发现,南大洋的海冰边缘区实际上是在吸收大气中的CH4,而不是释放CH4,特别是在海冰密集度低于60%的区域,这种吸收作用尤为明显,可以抵消全球海洋CH4年排放量的1.21%~2.58%。
进一步的分析表明,当海冰密集度在10%~40%之间时,海洋对CH4的吸收能力最强。杨清华表示,这是因为海冰融化后形成的淡水温度低、盐度小、溶解度大,从而促进了CH4的吸收。
此外,杨清华教授团队之前还在南海北部海域进行过类似的观测研究,发现宪北海山附近海域由于上升流的影响,会增强该区域的CO2排放。上升流将富含溶解无机碳的深层海水输运到上层海洋,补充并增强了海表CO2分压。此外,上升流将富含营养的深层水带入透光带,增加了叶绿素a的浓度,刺激了生物活动,进一步增强了该区域CO2的排放。
“以上观测研究表明,目前我们对海洋碳汇的基本特征以及相关影响机制还存在许多认识空白,船载走航式涡动相关系统对海气通量观测的直接测量为精确厘清海洋碳汇时空分布格局提供了可能,因此在未来海气相互作用研究领域具有广阔的应用前景。”杨清华指出。
骤冷新指标揭示2023年12月天气鞭打事件
2023年12月中旬,一场强寒潮席卷中国大部分地区,标志着一次“天气鞭打事件”的发生。天气鞭打事件指气温从极端暖(冷)到极端冷(暖)的快速剧烈变化。然而,传统识别指标(如温度方差)难以充分反映这些事件中气温演变的特征。
为了更准确地捕捉温度的骤变,中国科学院大气物理所地球系统数值模拟与应用重点实验室的硕士研究生陈华玉、姜继兰博士和刘屹岷研究员提出了一种全新的识别指标——“骤冷”指标,用于监测地表气温的急剧下降。该指标不仅能够有效揭示近年来天气鞭打事件的变化趋势,还能实现对气温骤变的逐日追踪。
基于该骤冷指标,可将此次天气鞭打事件划分为四个阶段:第一轮暖期、第一次骤冷、第二轮暖期以及第二次骤冷(对应强寒潮事件)。进一步通过拉格朗日温度收支分析,研究发现高纬阻塞形势在两次骤冷阶段均通过冷平流过程发挥了关键作用。相比之下,副热带系统则主要在第一次骤冷阶段通过非绝热加热过程缓解了气温下降的幅度。此外,基于阻塞环流的多尺度相互作用理论,研究指出,2023年12月阻塞系统的发展得益于背景场中极其微弱的经向位涡梯度——自1979年以来的最低值。
该研究为理解中高纬度地区气温的瞬变率提供了新视角,并将其与缓变的气候背景态(经向位涡梯度)相联系,为应对气候变化背景下的极端天气事件提供了科学依据。
青藏高原地表冻融异常能提前多早、在多大程度上影响梅雨年际变化?
梅雨是东亚夏季风向北阶段性推进的独特产物,也是东亚地区特有的天气气候现象,构成了东亚副热带季风降水中最显著的雨季特征。如何提高对梅雨年际变化的预测能力,是一个长期存在且亟需解决的科学难题。这一问题不仅关乎生命财产安全的保障,也对社会经济的可持续发展具有重要意义。青藏高原以其复杂的地形和独特的地表特征,展现出比同纬度其他地区更显著的陆气相互作用特性。其季节性冻融过程不仅对高原局地的环流产生重要影响,还能显著作用于东亚地区的大尺度大气环流。然而,青藏高原冻融异常能提前多早、在多大程度上影响梅雨年际变化?其作用机理又是如何实现的?这些关键科学问题尚未被完全厘清,亟待深入研究。
近日,复旦大学吴志伟教授团队在最新研究中发现,青藏高原地表冻融变化可以解释梅雨约20%的年际变率,这种联系最早可追溯到前期冬季。研究表明,当前冬青藏高原地表偏向冻结状态时,与冻融过程密切相关的青藏高原土壤湿度呈现显著的负异常。这种负异常的土壤湿度可持续至梅雨季节,并通过水汽-长波辐射反馈机制导致地表气温负距平。地表气温的负异常成为连接青藏高原地表冻融状态与东亚夏季风的关键纽带,在梅雨季节引发西北太平洋反气旋异常,从而导致江淮流域降水正异常。线性斜压模式(LBM)模拟进一步表明,东亚对青藏高原东南部区域非绝热加热的线性响应表现为西北太平洋正位势高度异常,这有助于低纬地区的水汽输送至东亚,进而增加江淮流域的降水。此外,耦合模式(CLM5.0+CAM6.0)的结果同样验证了青藏高原土壤湿度异常对东亚梅雨期降水异常的显著影响。更重要的是,在经验预报模型中加入青藏高原冻融指数能够显著提升对东亚夏季风的预测能力。因此,前冬青藏高原地表冻融状态是梅雨年际变化的重要可预报性来源。
上述研究揭示了青藏高原前期冬季的地表冻融状态与东亚副热带季风降水之间的跨季节相关关系,并深入阐明了其背后的物理机制和调制过程。这些研究成果不仅加深了对前冬青藏高原冻融状态对东亚夏季风年际变率潜在影响的理解,还为季节气候预测提供了重要的理论支持和实际应用价值。
2000年以来北极海冰融化触发了两次截然不同的年代际转换
近三十年来,北极海冰持续融化是气候系统变化过程中最显著的特征之一。早在20世纪70年代,有研究认为,北极海冰在大气环流年代际变化中起重要作用。但北极海冰持续融化如何在年代际时间尺度上调节大气环流并不清楚,特别是自本世纪初以来,在暖北极-冷欧亚和暖北极-暖欧亚格局阶段性地交替出现的背景下,探究这个问题就显得尤为迫切。
复旦大学最新研究利用CAM5大气环流模式,在观测的北极海冰强迫下,探究了冬季北极和欧亚大陆大气环流响应的演变特征,并紧密结合再分析资料,阐述了北极海冰持续消融对冬季大气环流阶段性(年代际)变化的影响,得到以下主要结论:
(1)自2004年以来,秋、冬季节巴伦支-喀拉海海冰呈现一致性的年代际减少。在北极,这种变化直接改变了对流层低层的热、湿结构,加强了北极冬季水文循环过程。在欧亚大陆,这种变化不仅加强了冬季西伯利亚高压的短期“脉动”过程,而且减弱(加强)了欧亚大陆高纬度(东亚中、低纬度和西北太平洋)大气环流的斜压性。
(2)北极海冰持续融化引起冬季气温在2010年代初期发生了年代际转变,即从2004—2012年间盛行的暖北极-冷欧亚空间分布转变成暖北极-暖欧亚格局。伴随着北极海冰的持续融化,秋季巴伦支-喀拉海海冰的变化周期明显在缩短,更加接近大气环流固有的变化周期,海冰和大气的耦合过程更加充分,它们之间的相互作用过程产生年代际变化。这很可能是引起2010年代初期年代际变化的原因。
深度学习助力动力模式提升季节性降水预测
随着全球气候变暖,洪水、干旱等极端天气事件日益频繁,严重影响社会生活与经济发展。为了更有效地应对这些挑战,精准的气候预测显得尤为重要。尽管众多动力气候预测模式迅速发展,并成为季节性气候预测的主要工具,但这些模式在全面准确描述大气运动的物理过程方面仍存在不足,面临参数化问题、初始场误差及计算过程中的舍入误差等挑战,导致系统性误差的产生。因此,开发高效且准确的后处理算法,以提升动力模式的预测精度,并为其改进提供潜在方向,显得尤为必要。
复旦大学最新研究利用北美多模式集合预报数据(NMME),结合当前广泛应用的两种深度学习模型——ResNet34和Unet,提出了ResUnet融合算法。该算法通过将ResNet集成到Unet的编码器部分,显著增强了Unet在编码器中的特征提取能力。在NMME夏季降水预报的后处理研究中,Res34-Unet后处理方法显著提升了NMME的预测效果。测试结果表明,该新模型在全球不同纬度地区的预测准确度均有显著提高。此外,与传统的分位点映射方法相比,ResUnet订正后的预报结果在全球各区域的均方根误差(RMSE)均低于分位点映射方法的结果。这为更精准的全球气候预测提供了一种新方法,有助于减少极端气候事件带来的损失。
在此基础上,针对中国东部夏季降水不确定性高、环流条件复杂的地区,本研究采用相似结构构建了专门针对中国东部的ResUnet后处理模型。订正后,模型的均方根误差显著降低,预测精度提升约39%。此外,利用多种因子重要性分析方法(包括Ablation分析、Shapley值、Integrated Gradients),发现模型认为中低层环流场与海表温度变化对中国东部降水具有重要影响。基于这一发现,进一步分析了NMME在模拟西太平洋副热带高压及海表温度对中国东部降水调制能力方面的表现。评估结果表明,NMME各模式在这些关键要素及其调制作用的模拟上仍存在不足。如果能够提升这些模拟能力,NMME的整体预测能力有望得到显著增强。本研究提出的ResUnet后处理方法,有望提高全球及区域气候预测的准确性和可靠性,为应对和减缓极端气候事件方面提供支持。
气候变化下中国地区复合低风-低光极端事件的时空演变
由北京大学环境科学与工程学院研究人员领导的一项研究,通过将多模式气候模拟与最先进的统计和诊断分析相耦合,全面分析了中国地区复合低风-低光(LSLW)极端事件的时空格局和驱动因素,为这一新兴挑战提供了至关重要的见解。该研究以“Unraveling climate change-induced compound low-solar-low-wind extremes in China”(揭示气候变化导致的中国地区复合低风-低光极端事件)为题刊载在《国家科学评论》(National Science Review)上。
该研究表明,在复合LSLW极端事件下,可再生能源发电可能会受到严重影响。更令人担忧的是,气候变化可能会加剧此类事件的发生频率以及对中国可再生能源供应的威胁,并阻碍实现碳中和的进程。
中国已承诺在2060年前实现碳中和,需要加速向太阳能和风能的深度转型。与化石燃料不同,风光资源受气象条件影响,具有多变性和间歇性,这给电力供应的稳定性带来了巨大的风险。
虽然人们已经对单一可再生能源进行了广泛研究,但对同时出现的风、光资源供应不足所带来的复合影响知之甚少。尽管人们逐渐认识到干旱-热浪或大风-降水等复合事件及其影响,但对可再生能源系统在这些复合极端事件中的脆弱性研究仍然不足,尤其是在风能和太阳能投资方面全球领先的中国。
研究发现,LSLW极端事件的频率具有很强的地形依赖性,全国平均频率为16.4天/年。中国东部的可再生能源供应受到的影响尤其严重,与平均气候条件相比,这些极端事件期间的电力输出下降了约80%。研究人员还预估了未来不同气候情景下复合LSLW极端事件的变化。在所有情景中,LSLW频率均增加,青藏高原和中国西北部LSLW出现频率较高,且预计在未来频率将显著增加。
研究人员表示,特别是在SSP370情景下,即宽松的空气质量政策伴随着气溶胶排放增加,复合LSLW极端事件的频率显著增加。值得注意的是,在SSP370情景下气溶胶的显著增加可能对于全国范围内LSLW频率的增加起到了关键作用。气溶胶的增加会导致更加稳定的边界层引起地表风速减弱,并通过吸收和散射来削弱到达地表的太阳辐射。
通过揭示气候变化下复合LSLW极端事件的地理空间和时间演变及其潜在的物理机制,研究强调了这些事件不是随机发生,而是可以预测的。同时,这也突出了积极准备和减缓气候变化对解决这一紧迫问题的重要性。
“陈年老冰”融化导致北极冰脊减少
在北极,“陈年老冰”正逐渐融化。近日一项发表于《自然·气候变化》的研究指出,这些海冰的融化大幅降低了北极冰脊产生的频率和规模。
冰脊由浮冰相互挤压堆积形成,部分像一两米高的帆一样露出海面,海面以下还有绵延30米深的“龙骨”,这对于航运来说是个障碍。但冰脊是生态系统的重要组成部分。
冰脊不仅影响海冰的能量和质量平衡,还影响生物地球化学循环和生态系统——当风吹动冰脊的“帆”时,浮冰可以在整个北极地区移动。北极熊将冰脊作为越冬或诞育幼崽的保护来源。
此外,这些结构为冰川环境中不同营养级的生物提供了保护,促进了湍流混合,从而增加养分有效性。
过去30年的卫星数据记录显示,北极海冰因气候变化而发生了巨大变化,主要体现在夏季冰层覆盖面积一直在下降,浮冰变得越来越薄并且移动速度也越来越快。但作为北极海冰重要特征的冰脊受到何种影响,研究人员并不清楚。因为过去几年研究人员才有可能从太空中对其开展可靠监测。
德国阿尔弗雷德-魏格纳极地和海洋研究所(AWI)的研究人员重新整理分析了30年来北极上空勘测飞行收集的数据,勘测飞行总里程约为7.6万公里。
该研究首次发现,格陵兰岛北部和弗拉姆海峡冰脊产生的频率每10年下降12.2%、冰脊的高度每10年降低5%。
作为北冰洋的一部分,古老海冰堆积的林肯海的数据显示出相同趋势:这里冰脊每10年产生的频率下降了14.9%、冰脊的高度下降了10.4%。
“北极越来越多的地区由夏季融化且冻结不超过一年的冰组成。这种又薄又新的冰更容易变形,从而更快地形成新的冰脊。但由于“老冰”损失过于严重,以至于我们观察到的冰脊产生的频率整体呈下降趋势。”论文作者、AWI海冰专家Thomas Krumpen说。
研究人员利用卫星数据发现,“老冰”少的地区,冰脊下降率最高。比如波弗特海和北极中部地区发生的变化最大,这些地方有些部分夏天甚至无冰。
研究人员指出,随着相关研究的开展,有更多的谜题亟待解开,比如冰脊年龄的作用具体是什么、在冰脊减少的情况下为何北极冰层的漂移速度总体上反而有所加快等。
(《气候变化动态》编辑组)
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