第一章 绪论
1.1 引言
1.1.1 北半球中高纬气候变暖的研究意义
工业革命以来，人为排放的温室气体引起的全球变暖，受到了各国政府、学者和公众的广泛关注，逐渐成为人类有史以来最大的挑战，是对人类生存环境、经济发展具有深刻影响的世界性环境问题（王绍武等，2002；Hansen 等，2010；IPCC，2013）。然而，全球变暖在世界各地并不均匀，主要以北半球中高纬度为主，特别是对气候变化非常敏感的干旱半干旱地区（张秀年等，2004；Ji 等，2014；苏京志等，2016）。因此，本论文将以北半球中高纬度的干旱半干旱地区为主要研究区域。干旱半干旱地区约占全球陆地总面积的 41%，年降水量一般少于400mm，水资源相对匮乏，植被稀疏，生态环境极其脆弱，既受到大尺度环流的影响，同时受到区域尺度地-气相互作用的影响，在自然和人类活动共同的影响下，该地区对气候变化和人类活动更为敏感和脆弱（赵宗慈和罗勇，1998；廉毅和高枞亭，2001；符淙斌等，2003；符淙斌和马柱国，2008；Huang 等，2008）。研究表明干旱半干旱地区是近百年来全球陆地表面增温最显著的地区，对全球陆地变暖的贡献达到了 44%，尤其是在北半球冬季，增温达到 1.72℃，是夏季的两倍（Huang 等，2012；黄建平等，2013；Ji 等，2014；赵天保等，2014）。尽管国际耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）未来情景预测结果严重低估了干旱半干旱区的扩张速度，但干旱半干旱区仍是面积扩张最迅速的地区，预计在温室气体高排放情景下，21 世纪末干旱半干旱地区面积相比 1961-1990 年气候平均态将扩张 23%（Huang 等，2016）。因此，干旱半干旱区的气候变化在全球气候变化研究领域有很重要的地位。尽管在 IPCC 的努力下，各国政府达成一致，共同签署巴黎协议，旨在限制全球变暖不超过工业革命前的 2℃。然而最新研究表明这个目标下只对湿润地区有效，干旱半干旱地区仍然存在很大的增温风险（Huang 等，2017）。在 20 世纪，全球干旱半干旱区增温（1.2-1.3℃）比湿润地区（0.8-1.0℃）高 20%-40%，而人为排放的 CO2在干旱半干旱区（~230Gt）仅为湿润地区（~750Gt）的~30%。对于 21 世纪，当全球变暖达到 2℃时，干旱半干旱区增温将达到 3.2-4.0℃，湿润区增温将达到 2.4-2.6℃，意味着干旱半干旱区增温比湿润区高~44%。即使全球增温限制在 1.5℃，干旱半干旱地区的增温也将超过 3.0℃。因此，为了防止干旱半干旱区发生灾难性的突变，需要努力把全球增温限制在 1.5℃之内。针对增温最敏感的北半球中高纬度地区，特别是干旱半干旱区，研究其强化增温和季节增温差异的动力机制，为准确预测未来气候变化和提供制定应对减缓政策的理论依据有重要意义。
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1.2 中高纬度季节非对称增温现象和机制的研究进展
冬季显著增温是季节非对称增温现象的主要特征。随着全球变暖的证据越来越多，温度变化的时空特征受到了越来越多的关注。Fu 等（2006）通过分析卫星资料首次发现平流层变冷速度和对流层增暖速度在中纬度地区最快。Wallace等（2012）在模式模拟结果和观测数据中证实北半球中纬度冬季的显著增温现象。Huang 等（2012）按照不同降水量划分气候区，发现年降水量为 200-600mm 的半干旱区增温速度远远高于其他气候分区，而这些半干旱区主要分布在北半球中高纬度。后来，Feng 和 Fu（2013）利用新定义的干旱指数（AI）重新划分半干旱区，这种半干旱区强化增温现象仍然存在。对比干旱指数与降水量划分的气候分区，最主要的区别是，西伯利亚地区因为气温很低，蒸发量较小，未划入半干旱区。而西伯利亚地区覆盖大面积寒带森林，与其他半干旱区稀疏的植被完全不同，其增温机制与其他半干旱区的增温机制也可能大不相同。Ji 等（2014）利用全新的非线性趋势定义方法（EEMD）分析全球地表气温长期变化趋势的演变特征时发现，自 1900 年至今累积变暖最剧烈的区域，是位于北半球中高纬度地区的干旱半干旱区，达到了每 10 年增温 0.4 摄氏度。研究表明，全球变暖背景下，半干旱区正在经历强化增温，加速扩张，并被预测扩张速度远远高于模式模拟结果，引起广泛关注（Huang 等，2016）。半干旱区气候变化及其机制相关的研究越来越多（Huang 等，2015；Guan 等，2015a，b），而西伯利亚地区气候未来如何变化，有关的机制如何，仍缺乏认识。
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第二章 数据、方法与模型
2.1 地面观测数据介绍
（1）英国气象局哈德莱气候预测与研究中心（Hadley Center for ClimatePrediction and Research of UK Met office）的月平均海表温度（HadISST）资料，空间分辨率为 1.0°x1.0°，时间范围为 1870 年至今（Rayner 等，2003）。（2）英国英吉利大学气候研究中心（Climate Research Unit，CRU）的月平均温度和降水资料，空间分辨率为 0.5°x0.5°，版本为 TS3.21，时间范围为 1901年至 2014 年（Mitchell 和 Jones，2005；Harris 等，2014）。（3）美国戈达德空间研究所（Goddard Institute for Space Studies, GISS）的月平均温度资料，空间分辨率为 2.0°x2.0°，时间范围为 1880 年至今（Hansen 等，2010）。
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2.2 卫星观测数据介绍
中分辨率成像光谱仪（moderate resolution imaging spectroradiometer, MODIS）是搭载在 Terra 和 Aqua 卫星上的重要传感器，其最大分辨率可达 250 米，有 36个离散光谱波段，从 0.4 微米（可见光）到 14.4 微米（热红外）全光谱覆盖。在对西伯利亚地区的常绿针叶林扩张情况进行验证分析时，使用了大量卫星观测数据及其反演产品，如下：（1）MODIS 观测的植被覆盖类型（Land Cover Type）产品 MCD12Q1，版本为 051，空间分辨率为 500m，时间分辨率为年，采用监督决策树分类算法识别重要植被覆盖类型。分类标准有 5 种，包括国际地圈生物圈计划（InternationalGeosphere-Biosphere Program, IGBP）提出的全球植被分类方案，马里兰大学（UMD）植被分类方案，MODIS提取叶面积指数/光合有效辐射分量（LAI/fPAR）方案，MODIS 提取净第一生产力（NPP）方案和植被功能型（PFT）分类方案。本论文采用 IGBP 植被分类方案，共包括 17 种分类类型，其中 11 种自然植被分类，3 种镶嵌土地类型，3 种非植被覆盖类型，详细分类见表 6-2 （Friedl 等，2010）。（2）MODIS 提供的月平均燃烧面积产品 MCD45A1，版本为 051，通过分析 MODIS 观测的地面反射率信号变化，探测火灾的发生时间及范围，空间分辨率 为 500 米 。（3）MODIS 提供的植被连续区域产品 MOD44B，版本为 051，描述每个像素范围内植被覆盖的百分比，包括 percent tree cover，percent non-tree cover 和percent bare三个变量，（Townshend 等，2011）。（4）全球火灾排放数据集（Global Fire Emission Database, GFED）第四版，空间分辨率为 0.25°x0.25°，时间范围为 1997-2014 年（Van Der Werf 等，2010）。（5）欧洲空间局（European SpacingAgency，ESA）提供的全球陆地覆盖类型数据集 GlobCover，空间分辨率为 300 米，原始观测数据来自 Envisat 卫星，
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第三章 全球变暖过程中的季节非对称性增温现象....23
3.1 引言.........23
3.2 数据和方法.....24
3.3 未来增温的空间分布和时间特征.........25
3.4 未来季节增温中非对称性的时间变化特征.........27
3.5 未来季节增温中非对称性或加速增大..........31
3.6 小结..........32
参考文献........34
第四章 冬季海陆热力差异的变化及其对阻塞的影响........37
4.1 引言..........3
4.2 数据及方法介绍.....38
4.3 多平衡态理论模型.........39
4.4 海陆热力差异指数及其变化..........41
4.5 大气环流响应与阻塞事件的变化..........42
4.6 正反馈机制的验证..........49
4.7 本章小结..........53
参考文献........55
第五章 夏季海陆热力差异的变化及其对阻塞的影响........57
5.1 引言..........57
5.2 数据和方法.....59
5.3 观测的冬季与夏季海陆热力差异的变化.....60
5.4 夏季海陆热力差异变化引起的环流响应.....62
5.5 海陆热力差异变化对夏季阻塞的影响.........66
5.6 夏季海陆热力差异影响阻塞的物理机制.....705
5.7 总结与讨论.....76
第七章 常绿针叶林扩张对气候振荡的敏感性研究
7.1 引言
西伯利亚森林占据了北半球很大的面积，对全球气候有很重要的调节作用。然而，这个地区也是过去几十年里气候变化最强烈的地区（Huang 等，2012；Ji等，2014；Li 等，2015；Xie 等，2016），森林系统对气候变化的响应会对全球气候造成显著的影响（Bonan 等，1992；Betts，2000；Bonan，2008）。尽管上一章证明了全球变暖已经导致西伯利亚森林逐渐由落叶针叶林向常绿针叶林转变，但是这一过程并不是线性变化的，正如全球变暖过程中的非均匀，非线性的特征（Ji 等，2014）。Fu 等（2006）用卫星观测数据发现对流层中纬度增温是最显著的。Huang 等（2012，2015，2016b）发现冬季增温速度远远大于夏季，对全球变暖的贡献更大，尤其在干旱半干旱地区。西伯利亚地区是欧亚大陆的增温中心，通过影响碳固定速率，水分利用效率，生长季长度和干扰机制（火灾或干旱，虫害等）的发生频率等方式显著改变森林的树种组成及分布（Flannigan 等，2000；Schwartz 等，2006；Piao 等，2007；Tautenhahn 等，2015；Helbig 等，2016）。Kharuk 等（2005b; 2007）在 2001-2004年野外观测实验中首次发现常绿针叶林（Pinus，Picea 和 Abies）的扩张已经在中西伯利亚地区发生。上一章节利用 MODIS 土地覆盖类型数据集在大尺度范围上证实了这种现象。模拟的敏感性实验表明在一个更暖的气候下，落叶针叶林（Larix）很可能转变为常绿针叶林，进而降低地表反照率，在区域甚至全球尺度上加剧增温（Shuman 和 Shugart，2009；Shuman 等，2011）。最新研究发现尽管 CMIP5 能成功模拟出中纬度的显著增温，但是其增温幅度被低估，而北极地区的增温幅度被高估（Huang 等，2015，2016b；Xie 等，2016）。这可能是由于模式中与气候变化相关的植被覆盖变化与实际观测之间的差异所致。目前的模式中关于动态植被模型是基于 PFT 类型的，而属于相同 PFT 类型的各个物种，尤其是树种之间，物理化学属性差异很大，但树种的变化却不能被陆面模型所描述。不仅植被的分布及演变的模拟能力很差，不同气候类型的气候分区的演变也很难模拟出来（Zhang 和 Yan，2014；Chan 等，2016）。因此，弗吉尼亚大学森林模型（UVAFME，University of Virginia Forest Model Enhanced），一个森林林窗模型，能模拟出每棵树木的生长死亡，被用来研究西伯利亚森林在个体水平或者树种水平对气候变化的响应（Shuman 等，2013；Shuman 等，2015）。
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结果
非线性，非均匀是气候系统中很重要的一个特征，如冬季增温显著大于夏季增温，中纬度陆地增温快于其他地区，尤其在干旱半干旱地区增温更强烈。弄清楚造成这些现象的物理机制对准确模拟预测未来气候变化有重要意义。尽管人类活动在全球变暖中起到至关重要的作用，但是不可否认，人类排放的温室气体的直接辐射强迫并不足以引起这么强烈的增温，很大一部分增温趋势是由于气候系统内部的反馈机制受到温室气体强迫而不断放大增温趋势。因此，本论文着重分析了海陆热力差异与冬季阻塞和夏季阻塞之间的正反馈增温机制。另一方面，生态系统反馈也是造成局地气候变暖的重要因素，因此，本论文通过卫星数据研究了大尺度范围内西伯利亚森林中常绿针叶林和落叶针叶林的面积变化，并利用森林林窗模型研究了常绿针叶林扩张对气候振荡的敏感性。本论文的框架如图 8-1所示，主要研究结果概括如下：
（1）未来季节非对称性增温或将加速历史观测数据已经证明增温趋势在季节尺度存在很强的非对称性，冷季增温远远快于暖季。本论文利用 CMIP5 模式的集合平均结果研究了未来不同排放情景 RCP4.5 和 RCP8.5 下，季节非对称性增温的变化情况。发现未来的全球变暖仍然以冬季显著增温为主要形式，而且空间分布上以北半球中高纬度陆地最强烈。历史情景模拟的季节非对称性与观测对比发现，模式中严重低估了季节非对称性增温的程度。随着未来增温速度加快，冬季对全球陆地增温的贡献逐渐减小，但仍高于夏季，而且两者之差逐渐加大。因为在冬季和夏季存在某些正反馈机制造成季节非对称增温，而反馈机制在未来更强的温室气体强迫作用下，可能会显著加强，导致季节非对称增温加速变化。
（2）冬季海陆热力差异与阻塞之间的反馈机制伴随着全球变暖，冬季显著增温已经改变了原有的海陆热力差异，在 1980s海陆热力差异指数（LSI）从负距平变成正距平。合成分析发现，在 LSI 正位相下，500hPa 位势高度在极地为负距平，在中纬度为正距平，导致经向位势高度梯度加大。同时，海陆热力差异减小后导致行星波活动减弱，通过 EP 通量辐合作用在纬向西风的东风强迫减弱，西风加强。这些环流场的变化也会造成阻塞减少。在大西洋地区，LSI 处于正位相时阻塞减少了 38%，在欧洲地区，持续时间在 10 天以上的长阻塞事件仅为负位相时的一半。观测的地表温度距平分布符合“冷海洋/暖陆地”分布，这提供了一个减弱地形强迫和热力强迫产生的行星波共振的环境，不利于阻塞事件的发生和维持。西风和阻塞的变化进一步加剧内陆地区的增温，加强“冷海洋/暖陆地”分布型，形成正反馈，加速冬季增温进程。
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参考文献（略）