全球气候变暖对中国东部生物物候和生态的影响,大气科学论文.docx
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1、全球气候变暖对中国东部生物物候和生态的影响,大气科学论文摘 要: 鉴于我们国家东部地区对全球气候变化的高度敏感性, 本文应用19602020年的CRU和Had ISST等全球地表 (地球外表的简称, 包括陆地和海洋外表, 下同) 温度再分析资料, 采用地理等温线和春、秋季 (代表月地表温度) 时间的变迁速度等指标, 分析了全球和中国东部地区的气候变化速度以及春、秋季物候的变化。结果显示: (1) 自1960年以来, 全球地表温度呈现特别清楚明晰的上升趋势, 华而不实, 北半球 (陆地) 比南半球 (海洋) 变暖更显着, 地理等温线向两极方向迁移; (2) 南、北半球的春 (秋) 季明显提早 (
2、滞后) ; (3) 中国东部地表温度呈快速上升趋势, 陆地升温虽普遍快于海洋, 但东部海域升温快于相邻的陆地, 地理等温线总体向北迁移, 海域的春、秋季物候变化较陆地显着; (4) 中国东部生物物候受气候变化影响明显, 海域地理等温线的北移遭到沿岸地形的抑制, 海洋生物适应气候变化的能力遭到限制, 海洋生态系统及生物多样性将面临气候变化带来的显着风险。 本文关键词语: 中国东部地区; 气候变化; 物候; Abstract: Due to the high sensitivity and vulnerability to climate change in eastern China, base
3、d on the CRU (Climatic Research Unit) and Had ISST (Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature dataset) global surface temperature reanalysis data from 1960 to 2020, two measurement indexes, i.e. the geographic isotherm shift over time and the seasonal timing of surface temperature, are appli
4、ed to analyze the velocity of climate change and phenology change across the globe and in eastern China. Results show that the global has experienced a significant warming trend during 1960 2020. The warming is faster in the Northern Hemisphere than in the Southern Hemisphere and on land than in the
5、 ocean. Meanwhile, the geographic isotherms basically move to the poles and spring arrives early and fall begins late in both hemispheres. East China exhibits a prominent warming trend over the decades, the surface temperature on land generallyrises faster than in the ocean, and geographic isotherms
6、 basically move northward. However, the surface temperatures in the East China seas rise much more rapid than on the adjacent lands, and the shift timing of surface temperature in the ocean is more remarkable than on land. Finally, the biological phenology in eastern China is obviously affected by t
7、he pace of climate change, and the movement of geographic isotherms is inhibited by land/sea boundaries, the ability of marine organisms to adapt to climate change is limited, and the marine ecosystem and biodiversity are facing a significant risk induced by climate change. Keyword: Eastern China; C
8、limate change; Phenology; 1、 引言 近百年来全球气候正在经历显着的变暖, 陆地和海洋区域的气候与环境对此产生了显着的响应 (IPCC, 2020) , 并威胁到生态系统及生物多样性 (Sala et al., 2000) 。气候敏感物种的生存很大程度上可能主要取决于适应气候变化的速度 (Loarie et al., 2018) , 对于没有能较好地适应气候变化速度的物种而言, 它们将面临更大的威胁 (Colwell et al., 2008) 。地球上生物与非生物的物候正在随着气候的变化而变化。详细而言, 全球气候变化背景下动植物的繁育、迁徙或开花、结果等生物生长发
9、育经过, 以及初霜、结冰和解冻等非生物周期出现了异常。研究表示清楚, 物种正在通过改变其地理分布和季节性演替规律以适应气候变化带来的影响 (Parmesan and Yohe, 2003;Thackeray et al., 2018) 。由于地球外表 (下面简称地表, 包括陆地和海洋外表) 存在较大的地形地貌等差异, 因此不同地区对气候变化的响应有较大的区别。华而不实, 海洋的升温速度固然普遍比陆地的升温慢, 但是在大部分热带地区海洋的气候变化速度和暖和期 (即春、秋季) 的变化比陆地更为显着 (Burrows et al., 2018;Hoegh-Guldberg et al., 2020)
10、 。因而, 全球不同地区气候变化的速度及其对物候的影响是一个值得关注的问题。 中国东部地区是中国经济最发达的区域, 位于东亚大陆东缘和北太平洋西岸, 包括中国东部和南部的海域, 是中国东部沿海地区以及中国近海区域 (渤海、黄海、东海和南海) 的总称。十分是, 中国近海区域为西北太平洋的边缘海, 有丰富的生物多样性和很高的生产力, 对中国东部沿海地区的可持续发展有重要作用, 该海域环境与生态对全球气候变化高度敏感 (蔡榕硕等, 2006;蔡榕硕等, 2018;Cai et al., 2021) 。近几十年来, 中国东部陆地和相邻的近海区域对全球气候变化的响应尤为突出, 近海区域的升温速度是全球平
11、均的5倍 (谭红建等, 2021;Cai et al., 2021) , 海洋生物栖息环境和生态系统对海洋变暖的响应明显, 包括热带物种北移和优势物种季节性演替发生的变化等现象 (蔡榕硕等, 2018) 。随着全球气候变暖的加剧, 估计中国东部地区和邻近海域的生态系统及生物多样性将有更为明显的变化, 海洋生物生态也将面临更显着的气候变化影响和风险 (Hoegh-Guldberg et al., 2020;Cai et al., 2021) , 这将影响到中国东部沿海地区经济社会的可持续发展。 鉴于此, 我们有必要深切进入认识全球变暖背景下我们国家东部地区的气候变化及其对环境与生态的影响, 为该
12、地区应对气候变化和可持续发展的环境管理与决策提供科学基础。气候变化包括温度、湿度和降水等要素的长期变化及其互相作用。相对于降水等要素的变化而言, 温度变化的速度和量级的不确定性较小, 因而, 以温度的变化来衡量气候变化的速度 (如, 地理等温线的迁移变化速度) 不失为一种较为有效的方式方法 (Loarie et al., 2018) 。 基于此, 本文采用年平均地表温度的气候变化速度单位:km (10 a) -1 (Loarie et al., 2018) 、季节代表月平均地表温度出现时间的变迁速度单位:d (10 a) -1等指标 (Loarie et al., 2018;Burrows e
13、t al., 2018) , 以及全球地表温度的再分析数据资料, 分析了近几十年全球尺度范围内年平均地表温度的气候变化速度及春、秋季物候的变化, 研究了全球变暖背景下中国东部地区陆域及相邻海域平均地 (海) 表温度的气候变化速度以及春、秋季物候的演变, 讨论了中国东部地区的气候变化速度对生物物候和生态的可能影响, 以期加深我们对中国东部地区环境与生物生态对全球气候变化的响应认识, 进而希望为环境管理与适应对策提供科学参考。 2、 数据和方式方法 2.1、 数据 本文采用的资料: (1) 1960年1月至2020年12月的CRU (Climatic Research Unit, V3.23) 全
14、球陆地外表温度, 分辨率0.5 0.5 (2) 1960年1月至2020年12月的Had ISST (Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature data set, V1.1) 全球海洋外表温度, 分辨率1 1 () 。全球地表温度数据的融合处理及季节变率 (单位: C d-1) 等计算方式方法见Burrow et al. (2018) 。 2.2、 方式方法 本文以年平均地表温度的长期变化趋势单位: C (10 a) -1与其二维空间梯度 (单位: C km-1) 的比值来代表气候变化速度单位:km (10 a) -1 (以地理等温线的
15、移动速度代表气候变化速度) (Loarie et al., 2018) , 以季节代表月平均地表温度的长期变化趋势单位: C (10 a) -1与其季节变率 (单位: C d-1) 的比值来表示代表性季节 (如春、秋季) 出现时间的变迁速度单位:d (10 a) -1 (Burrows et al., 2018) , 并用来研究中国东部地区年平均地 (海) 表温度的气候变化速度及春、秋季物候时间的变化。华而不实, 中国东部地区和全球年平均地 (海) 表温度的长期变化趋势主要采用最小二乘法进行线性拟合。例如, 对于一个变量Y, 它的线性趋势k能够通过对i时刻的时间序列Yi的线性拟合获得, 详细方
16、式方法如下所示:Yi=Y0+k Xi+εi, 斜率k为平均单位时间间隔内Y的线性变化量、变化趋势或者速率 (单位: C a-1, 正数时表示地 (海) 表温度上升, 负数时表示下降) , Xi为Yi在时间区间19602020年内每年的值对应的时间, εi为引入的不确定误差项。由此, 时间的线性变化量 Y就可由 Y=k (Xi-X0) 获得。 本文的研究区域主要分为两部分: (1) 全球尺度的范围: (90 S90 N, 0 180 0 (2) 中国东部地区的陆域及相邻海域范围: (0 45 N, 100 140 E) 。但由于研究范围中的南北极区域地表温度的数据
17、有所缺失, 且该区域变暖的特征主要为无冰期变长或冰层变薄, 因而, 本文缺省对该区域的研究。 3、 结果分析 3.1 全球地表温度的气候变化速度 图1为19602020年的全球地区 (不含极区) 年平均外表温度变化趋势单位: C (10 a) -1的空间分布。由图可见, 全球外表温度的上升趋势特别明显, 北半球的升温趋势比南半球显着。一般地, 陆地的升温高于海洋, 华而不实, 欧亚大陆、美洲大陆的中高纬地区和非洲大陆北部的升温颇为显着, 南美大陆的东部地区升温也较明显。海洋中的大西洋、印度洋至西太平洋的升温较为显着, 华而不实, 副热带的大洋西边界流及其延伸体, 如黑潮和湾流的升温尤其明显,
18、而北太平洋的中、东部和南太平洋的东部及南部的局部海区, 如南半球大洋东部的上升流区有降温的现象。简言之, 近期60多年来, 全球地表显着变暖, 北半球尤为明显, 陆地比海洋升温快, 北印度洋、西北太平洋和北大西洋的变暖也较明显。 在中国东部地区的陆域及相邻海域 (0 45 N, 100 140 E, 图1中蓝色方框所示) 范围内, 从大陆东部的西北延伸至东部沿海地区升温趋势也较为明显, 中国近海 (渤海、黄海、东海和南海) 及相邻海域均有明显的升温趋势, 华而不实以台湾海峡以北和琉球群岛以西的中国渤海、黄海和东海 (本文简称为东中国海) 地区较为显着。 图2为全球地表年平均温度的二维空间梯度
19、(单位: C km-1) 分布。由图可见, 全球范围内陆地外表温度的空间梯度一般要大于海洋, 海洋中热带海域外表温度 (SST) 的空间梯度最小。地球外表温度空间梯度较突出的区域有:欧亚大陆的青藏高原地区、格陵兰地区、南美大陆西部和大洋西边界流域, 如西北太平洋黑潮和大西洋湾流海域及其延伸区, 这些区域的外表温度梯度也比同纬度其他地区要大得多。由于陆域地表的地形地貌较为复杂, 地面的高程变化较大, 高海拔地区比平原地区的温度空间梯度较大, 如青藏高原地区及其邻近区域, 这些地区高程的变化导致地表温度的空间梯度也较大, 而海洋区域的外表较为均匀, 因此其外表温度的空间梯度也较小。在中国东部地区的
20、陆域及相邻海域范围中, 陆域地表温度的空间梯度固然一般要高于同纬度海域, 但局部如长江流域, 外表温度空间梯度较小, 因而, 其空间分布总体起伏较大。中国近海区域的SST空间梯度呈现自南向北逐步升高的现象, 华而不实, 热带海域SST的空间梯度最小, 而东中国海的SST空间梯度则最为显着。 图3为全球地表年平均温度的气候变化速度单位:km (10 a) -1空间分布。如前所述, 气候变化速度是以年平均地表温度的变化趋势单位: C (10 a) -1与其空间梯度 (单位: C km-1) 的比值来表示的。换言之, 这是以地球外表地理等温线的迁移速度来衡量并代表气候变化的速度 (Loarie et
21、 al., 2018) 。 图1 19602020年全球年平均地表温度的变化趋势单位: C (10 a) 1。数据来源为CRU和Had ISST全球地表温度再分析资料, 下同Fig.1 Changing trendunits: C (10 a) -1of annual average global surface temperature during 1960 2020.Data are from CRU (Climatic Research Unit) and Had ISST (Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature datase
22、t) global surface temperature reanalysis data, the same below 图2 19602020年全球年平均地表温度的二维空间梯度 (单位: C km-1) 分布Fig.2 Spatial distribution of annual average global surface temperature gradient (units: C km-1) during 1960 2020 由图3可见, 全球海洋中地理等温线 (白色等值线) 有向两极方向迁移的显着现象, 箭矢代表地理等温线移动的方向, 颜色表示移动速度的大小, 能够看出, 全球热带
23、海洋地区的气候变化速度较大。但是, 太平洋地区中部和西南部地区局部海区有相反的现象。全球的各大陆也有类似现象, 北美大陆和欧亚大陆 (除了青藏高原及相邻地区外) 的地理等温线基本向北漂移;非洲大陆地理等温线大体以赤道为分界限有向两极方向迁移的明显现象;澳洲大陆的地理等温线基本向南极方向移动, 而南美大陆的变化则较不一致, 地理等温线向南、北等不同的方向迁移, 这可能与陆域地表高程不一相关。 图4为北 (南) 半球的春 (秋) 季代表月 (本文以4月份作为北 (南) 半球春 (秋) 季的代表月份) 地表温度 (代表性温度) 出现时间的变迁速度单位:d (10 a) -1。由图4可见:北 (南)
24、半球地区春 (秋) 季出现时间的变化, 正值表示清楚季节代表月平均地表温度出现时间提早的速度单位:d (10 a) -1, 负值表示季节代表月平均地表温度出现时间推延的速度单位:d (10 a) -1;赤道以北大部分地区, 春季提早到来, 而赤道以南大部分地区的秋季推延结束, 华而不实, 热带地区的变化最为显着。值得注意的是北太平洋地区中部和南太平洋西南部局部海域以及大西洋的局部海区有相反的现象出现, 即春 (秋) 季推延到来 (提早结束) 。 图3 1 9 6 02020年全球地表年平均温度的气候变化速度单位:km (10 a) -1空间分布。白色实线代表地表年平均温度的地理等温线;箭矢代表
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