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中国科学（地球科学）
中国科学（地球科学）

孙枢

月刊

1674-7240

geo@scichina.org

010-64015883

100717

北京东黄城根北街16号

中国科学（地球科学）/Journal Scientia Sinica（Terrae）CSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>《中国科学》是中国科学院主办、中国科学杂志社出版的自然科学专业性学术刊物。《中国科学》任务是反映中国自然科学各学科中的最新科研成果，以促进国内外的学术交流。《中国科学》以论文形式报道中国基础研究和应用研究方面具有创造性的、高水平的和有重要意义的科研成果。在国际学术界，《中国科学》作为代表中国最高水平的学术刊物也受到高度重视。国际上最具有权威的检索刊物SCI，多年来一直收录《中国科学》的论文。1999年《中国科学》夺得国家期刊奖的第一名。
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    塔克拉玛干沙漠热浪-沙尘暴复合事件

    刘玉芝黄建平谭子渊周成龙...
    2103-2113页
    查看更多>>摘要：塔克拉玛干沙漠(Taklamakan Desert,TD)热浪和沙尘暴频发,对区域和全球社会生态系统危害巨大.然而,目前对该地区热浪和沙尘暴两种极端天气之间的关联却知之甚少.本研究通过全面分析塔克拉玛干地区热浪和沙尘暴之间的关联,探究了该地区热浪-沙尘暴复合事件的发生机制.研究表明,1993～2022年TD的热浪频次以0.21day a-1的速率增加,并以0.02℃ a-1的速率增强.其中,超过40％的热浪期间出现沙尘暴,且沙尘暴的发生明显滞后于热浪事件.从复合事件的机制而言,气温越高,土壤温度越高、越干燥,更易于沙尘暴的产生.在热浪多发年份,大气中存在一个自西北至东南方向"气旋-反气旋-气旋"的大尺度波列,其中反气旋控制TD上空,有利于热浪的形成和维持;随后而来的异常气旋可引发TD地区的强沙尘事件.随着气候变暖,热浪-沙尘暴复合事件对TD及周边地区的社会经济和生态安全将带来更大威胁,深入开展这方面研究对于区域极端天气预报至关重要.

    热浪沙尘暴复合事件塔克拉玛干沙漠

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    中国西南超级干旱的变化特征和多尺度异常叠加效应分析

    王林陈文黄刚王婷...
    2114-2132页
    查看更多>>摘要：最近十几年来,中国西南地区超级干旱频发,导致了严重的经济损失和生态环境破坏.本文分析了1961～2022年中国西南超级干旱的变化特征,揭示了多尺度干旱的叠加效应,并探讨了驱动多尺度干旱异常的大气环流机制.超级干旱的本质是由多时间尺度极端干旱事件叠加引起的复合型干旱,通过对比2006年和2022年典型干旱个例,证实了多尺度干旱叠加的决定性作用.基于多尺度综合指数(CMI)识别,2006～2014年间中国西南集中出现多次超级干旱事件.其中,长时间尺度的蒸发增强和降水亏缺的年代际背景是必要条件,决定了超级干旱的整体格局;短时间尺度的降水异常和蒸发异常激发了超级干旱的爆发,决定了超级干旱的确切发生时间,包括2006年8～9月、2009年11月至2010年5月、2011年7～10月、2012年4～5月以及2013年1～4月等.统计分析表明,降水异常叠加对超级干旱的贡献是蒸发作用的2.4倍.在影响多尺度降水的环流机制上,短期和长期尺度的异常空间模态相似,均为南海地区的气旋式环流和西南地区的东北风异常,以及西南地区的下沉异常中心.2006～2014年期间,西南地区跨季节持续性降水减少的可能原因是北太平洋PDO极端负位相和西太平洋暖池异常增温.具体的动力过程为:PDO负位相在北太平洋激发反气旋式环流异常,西南侧的东北风延伸至亚洲东南部,不利于水汽输送;暖池增温在西北侧激发出气旋式环流异常,也在西南地区上空形成东北风异常,同时暖池地区的上升运动在高层辐散至西南地区上空辐合形成补偿下沉运动.上述两种遥强迫的共同作用,在长时间尺度上形成了气候背景状态中不利于西南地区降水的关键因素,为短时间尺度降水异常叠加形成超级干旱提供了重要的先决条件.

    超级干旱多尺度叠加效应机理分析中国西南地区

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    北半球高强度-长持续时间型极端热浪事件1980年以来频率快速增加的机制分析

    王雨晴周文王春在
    2133-2151页
    查看更多>>摘要：1980年以来,北半球中高纬度地区夏季热浪事件的强度和持续时间同时显著增加,导致该地区成为高强度-长持续时间型极端热浪事件频率显著增加的关键区域.通过天气尺度分析发现,在西欧和北美洲中高纬度地区,较强和持续时间较长的大气高压系统以及事件发生前较低的背景土壤湿度是这类极端热浪事件发生的主要驱动因素.而在东欧和西伯利亚地区,除上述因素外,事件发生前较低的背景云量也是这类极端热浪事件发生的重要驱动因素.这些动力和热力要素之间相互耦合协同作用,可通过影响事件期间地表的辐射过程,同时影响热浪事件的强度和持续时间.通过自组织神经网络(SOM)方法,本研究发现6种天气模态强度的增强、持续时间的增长和出现频率的增加是导致1980年以来北半球中高纬度高强度-长持续时间型极端热浪事件频率增加的主要动力原因.另外,中高纬度大部分区域夏季平均土壤湿度的降低,以及东欧和西伯利亚地区夏季平均云量的减少是导致1980年以来北半球中高纬度该类极端热浪事件增多的主要热力原因.

    高强度长持续时间极端热浪高压系统土壤湿度云量

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    2022年夏季青藏高原高温干旱复合事件的双变量归因

    周佰铨翟盘茂廖圳
    2152-2166页
    查看更多>>摘要：相对其气候态而言,青藏高原2022年夏季的温度之高不可忽视.尤其是高温伴随着少雨,使得2022年夏季成为青藏高原至少自1961年以来最热且降雨量最少的一个夏季.鉴于青藏高原气候变化的敏感性,本文利用Had-GEM3-A-N216模式大样本模拟和基于Copula函数的联合概率分布,从双变量极端事件归因的角度研究了以全球温室气体排放为主的人为强迫对此次青藏高原高温干旱复合事件的贡献.结果表明,根据基于1961～2022年期间观测数据拟合的联合概率分布,青藏高原2022年夏季高温干旱复合事件的发生概率达到4000多年一遇.显然,相当正压结构高压异常的控制以及北移的副热带西风急流等大尺度环流异常与青藏高原此次高温干旱复合事件有着直接联系.而从外强迫的影响来看,全球人为强迫促进了青藏高原夏季的地表增暖和降水变率的增大,为2022年夏季高温干旱复合事件的发生创造了有利的条件.青藏高原2022年夏季高温干旱复合事件在人类活动和自然因子共同强迫的大样本集合中发生概率约为283年(142～613年)一遇,而在仅有自然强迫的集合试验中发生概率几乎为0.这表明青藏高原2022年夏季高温干旱复合事件的发生概率中可归因于人为强迫的贡献为100％,也就是说如果没有人类活动导致的全球变暖,青藏高原类似于2022年夏季这种前所未见的高温干旱复合事件不可能发生.

    高温干旱复合事件青藏高原双变量事件归因人类活动强迫

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    长江中下游极端高温日数的季节预测

    潘石凤尹志聪段明铿韩婷婷...
    2167-2177页
    查看更多>>摘要：夏季中国人口密集的长江中下游地区极端高温频发,严重影响了当地经济发展和生态系统.然而,当前对该地区极端高温日数的准确预测仍然是一个挑战.例如,美国国家海洋和大气管理局第二代气候预测系统(CFSv2)在这方面表现不佳.因此,基于年际增量方法,本文建立了长江中下游地区混合季节性预测模型(HMYRB),以提高对夏季极端高温日数的预测能力.该模型基于以下4个预测因子:观测的前期4到5月欧洲西北部融雪;3月中西伯利亚高原积雪深度;CFSv2预测夏季海洋性大陆周围海温及青藏高原上空200hPa位势高度.结果显示,HMYRB在预测极端高温日数的年际变化和趋势方面显示出良好的能力,在1983～2015年留一法交叉验证中,相关系数达到0.58,同号率为76％.此外,HMYRB在独立预测期间(2016～2022年)也保持了较高的同号率(86％)预测技巧和稳健性.此外,HMYRB对于极端高温日数高频发的年份表现良好,命中率为40％.虽然在强度上存在偏差,但HMYRB中使用的预测因子对于预测长江中下游地区夏季平均日最高气温具有较好的预测技巧.因此,本研究为预测类似2022年的极端高温事件提供了新思路.

    极端高温长江中下游CFSv2季节预测留一法交叉验证

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    第四纪孢粉学面临的主要挑战与机遇

    许清海吕厚远郑卓
    2178-2192页
    查看更多>>摘要：第四纪孢粉学在全球气候变化等诸多研究领域发挥着重要作用,已经成为古环境定量研究不可替代的重要手段.然而,鉴于地表生态系统和植物类型的多样性,以及植物、气候、人类活动等信息间的复杂关系,第四纪孢粉学研究仍然存在一些有待改进和提高的方面,主要包括:(1)孢粉形态学及其相关的化石鉴定统计方面,需要提高鉴定水平,特别是实现植物种间鉴定能力是第四纪孢粉学面临的困境和挑战,计算机智能识别可能是实现植物种间孢粉形态鉴定的有效途径;(2)古植被重建方面,基于孢粉重建古植被模型大多忽略了无植被覆盖区的重要性,古植被和古气候模拟如果不考虑裸地面积,会产生较大误差;(3)古气候重建方面,孢粉学可以提供较为可信的古气候变化信息,但古气候重建模型依赖现代孢粉和气候数据,使用人类活动干扰或破坏下植被产生的孢粉数据和气候参数,可能是产生古气候重建不确定性的关键;(4)人类活动响应方面,孢粉虽然可以指示人类活动的存在,但难以精确量化人类活动影响的强度;实现农作物花粉的精确鉴定,重建可靠土地覆被/土地利用数据,多学科数据结合,可能会有助于识别和量化孢粉记录中的人类活动信号.

    第四纪孢粉学古气候古植被人类活动

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    青藏高原东部若尔盖盆地800ka以来冰期-间冰期黏土矿物变化特征及其意义

    张晓燕张春霞赵艳胡彬...
    2193-2209页
    查看更多>>摘要：黏土矿物指标已被广泛用于重建古气候和物源的变化.然而,对于高海拔地区黏土矿物在长时间和轨道尺度的变化特征及其意义仍然知之甚少.我们以青藏高原东部若尔盖盆地800ka以来的湖相沉积钻孔(ZB13-C2)样品为研究对象,利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对冰期-间冰期尺度的黏土组分进行了矿物组合及其微观形态特征分析.结果显示:ZB13-C2钻芯样品中的黏土矿物以伊利石为主,含有少量的绿泥石、高岭石和蒙脱石(包括伊蒙混层和绿蒙混层矿物);黏土矿物组分呈现出三阶段变化特征,其主要受控于不同气候条件下若尔盖盆地流域范围的变化.在距今800～621ka期间,气候相对温暖湿润,该流域局限于海拔3500～4200m的东南部地区,冰期-间冰期的水力侵蚀强度控制了流域地表碎屑的剥蚀和输入;在距今621～100ka期间,由于气候变冷变干,季节性冻融作用增强,流域扩展到了更高海拔区域(4200～4700m),黏土矿物在冰期-间冰期的变化特征不显著;距今100ka之后,流域进一步向西北部海拔约为4700～5200m的区域扩张,且在MIS 3间冰阶相对温和的气候条件下,青藏高原水力侵蚀作用明显增强.在不同的气候条件下,若尔盖盆地流域在距今621ka和100ka经历了两次大的扩张,气候干湿交替变化在约621ka以来变强.上述研究表明,高海拔地区长时间温度变化以及冰期-间冰期尺度的干湿交替变化控制了流域范围和物理侵蚀程度,对沉积区黏土矿物特征具有重要的影响.因此,在利用高海拔地区(尤其是青藏高原)沉积序列的黏土矿物指标进行古气候重建时,应首先厘清其指示意义.

    第四纪若尔盖盆地湖相沉积古环境流域变化

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    气候变化下东北地区农业绿水安全风险评估

    孙敬轩章光新吴燕锋陈立文...
    2210-2226页
    查看更多>>摘要：东北地区是国家重要粮食生产基地,以依赖绿水的雨养农业为主.然而,在全球气候变化背景下,区域气温升高、降水模式改变和干旱频率增加对农业绿水安全带来威胁和挑战.在此背景下,本研究基于栅格尺度作物空间分布数据、Delta降尺度偏差矫正后的ERA5数据和CMIP6多模式数据,采用绿水亏缺指数(GWS)精细化评估东北地区基准期(2001～2020年)及未来2031～2090年气候变化情景(SSP245和SSP585)下绿水安全风险时空特征及发展趋势.研究结果表明,基准期东北地区旱作物绿水安全无风险区主要分布在中部和东部,占总面积72.4％;低风险区主要分布在中部,占14.0％;中、高风险区主要分布在西部,分别占8.3％和5.3％;未来气候变化SSP245和SSP585情景下,绿水安全风险整体上由西部向中、东部扩张,低风险区分别增至21.6％和23.8％,中风险区分别增至16.0％和17.9％,高风险区分别增至6.9％和6.8％.以旱作物GWS大于0.1需要灌溉,则灌溉面积由基准期的27.6％增至气候变化SSP245和SSP585情景下的44.5％和48.6％,灌溉需水量相应增加46.4和59.2亿m3,进一步加剧农业水资源供需矛盾,进而提出了旱作物基于蒸散(ET)的水资源管理和亏缺灌溉等绿水安全风险应对策略.研究结果可为东北地区灌溉农业发展及国家水网建设的规划提供科学依据和决策支持.

    气候变化粮食安全绿水安全风险灌溉需水量绿水亏缺指数

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    间隙水交换重塑区域和全球盐沼的碳和温室气体收支

    陈小刚Isaac R.SANTOS詹泸成邱渝茵...
    2227-2242页
    查看更多>>摘要：盐沼是一种富含碳的生态系统,通过有效地固定大气中的CO2,在气候调节中发挥着重要的作用.然而,气候变化对盐沼造成了严重威胁,可能会影响盐沼的碳汇过程.在此背景下,间隙水交换(PEX)碳排放作为一项重要但一直被忽视的碳循环过程应受到重视.本文系统评估了盐沼中碳和温室气体排放的驱动因素,揭示了 PEX作为主要过程对碳和温室气体动态变化的调控作用.通过综合分析全球33个盐沼PEX案例后发现,全球盐沼PEX碳通量约占全球盐沼初级生产力的48％,超过全球盐沼有机碳埋藏量的2.2倍.这一发现突显了PEX在盐沼碳收支中的主导作用.尽管PEX排放的部分无机碳以CO2形式返回大气中,但剩余的碳酸盐会在海洋中长期稳定储存.因此,这项研究对于加强全球蓝碳评估,并为利用盐沼作为基于自然的解决方案来应对全球气候变化提供了科学依据.

    岸碳全球碳收支碳中和基于自然的解决方案滨海湿地海底地下水排放

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    黄河流域水库温室气体排放特征及影响因素——Meta分析

    黄姝睿张佩嘉郑文秀张佳佳...
    2243-2258页
    查看更多>>摘要：水库建设与运行深刻改变河流的水文水动力及碳氮循环过程,然而当前研究仍缺乏对干旱/半干旱区域水库温室气体排放特征的系统揭示.本文通过对现有监测数据进行系统整合,探讨了黄河流域水库温室气体的总体排放特征,明晰了水库温室气体排放的控制因子及影响机制.研究表明,黄河流域水库CO2排放通量低于河道,但CH4和N2O的排放通量却分别是河道的1.9倍和10倍,表明辐射效应更强的温室气体在水库的排放显著加强.与三峡等湿润地区水库相比,黄河流域水库的低有机质浓度导致CO2和CH4排放相对较低,但高氮负荷造成N2O排放显著高于湿润地区水库.针对237座黄河流域水库的蒙特卡罗模拟结果显示,三种温室气体排放当量总量为3.05Tg CO2-eqa-1,约占全球水库总排放当量的0.39％,低于流域陆地面积占比(0.53％).本研究对揭示全球干旱/半干旱区域水库温室气体的排放特征及控制机制具有重要引导意义.

    黄河流域水库温室气体排放通量水质

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