陸表自然和人文要素相互作用

王開存 王燦 李龍輝 汪濤 吳國燦 付永碩 馬倩 張井勇 蔡聞佳 曹靜 喻朝慶 朱華晟 南卓銅 陳旻 張晶 紀多穎 沈妙根 唐文君 何斌 占文鳳

摘要 在國家重點研發(fā)計劃支持下，項目提出了陸表不均一性檢測和訂正的新方法，解決了漸變型不均一性檢測和訂正的難題，構(gòu)建了中國地表太陽輻射、氣溫、地溫、風(fēng)速和降水等參數(shù)均一化站點和格點數(shù)據(jù)集，修訂了關(guān)于中國地表風(fēng)速變化趨勢、增溫格局及其形成機制的結(jié)論。融合多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建并驗證了千米級、流域級或縣域級的電廠、人口、生物質(zhì)能、取水量、氮排放、二氧化碳排放等影響自然系統(tǒng)的關(guān)鍵人文要素歷史和未來預(yù)估數(shù)據(jù)集。構(gòu)建了未來關(guān)鍵人文要素情景，研制了碳中和目標下甲烷和氧化亞氮排放情景和用于驅(qū)動全球模式的未來情景，預(yù)估了中國碳中和戰(zhàn)略的實施對全球變暖的減緩作用，發(fā)現(xiàn)中國碳中和對遠期和中期全球變暖的減緩作用顯著。給出了中國各省份水體氮排放安全閾值及超越時間，闡明了中國糧食產(chǎn)量與氮施肥的關(guān)系，提出了在保障糧食安全的前提下減少水體氮排放的有效途徑，指出重構(gòu)城鄉(xiāng)養(yǎng)分循環(huán)體系是同時保障糧食安全和恢復(fù)水質(zhì)的必要途徑。發(fā)現(xiàn)全球飽和水汽壓差的年際變化與大氣二氧化碳濃度上升速率的年際變化顯著相關(guān)，闡明了飽和水汽壓差變化在調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力中的重要角色以及多因素耦合作用在生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力變化中的復(fù)雜影響。建議更全面細致地評估中國各種碳中和實現(xiàn)路徑的社會經(jīng)濟和自然生態(tài)影響，以保證碳中和目標與其他可持續(xù)發(fā)展目標的協(xié)同實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞氣候變化;未來情景;碳中和;陸面過程;生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力;糧食安全

全球變化是自然與人文要素共同作用的結(jié)果，也會改變陸表關(guān)鍵要素的變化趨勢、周期及空間格局。評價和預(yù)估陸表關(guān)鍵要素的相互作用及其對全球變化的響應(yīng)和反饋，對認識和應(yīng)對氣候變化具有重要意義。但現(xiàn)有研究多針對單一人文與自然要素的相互作用機制，對于多個人文要素與自然要素之間的共同作用機理缺乏系統(tǒng)性認識，且對其空間疊加效應(yīng)的揭示亟待加強。

為此，國家重點研發(fā)計劃“全球變化及應(yīng)對”專項批準了“全球變化驅(qū)動下陸表自然和人文要素相互作用及區(qū)域表現(xiàn)”項目。項目執(zhí)行期為2017—2022年。項目的目標是：發(fā)展氣候、水文觀測結(jié)果的成因分析及精度校準方法，構(gòu)建高質(zhì)量陸表氣候水文數(shù)據(jù)集;構(gòu)建高分辨率人文要素的歷史數(shù)據(jù)集和未來社會經(jīng)濟情景;闡明陸表關(guān)鍵要素的相互作用機制及其空間分異規(guī)律，揭示其對全球變化的響應(yīng)機理，預(yù)估陸表系統(tǒng)格局的轉(zhuǎn)折點，評估中國典型區(qū)域空間質(zhì)量變化，為國家經(jīng)濟、人口與自然要素的協(xié)調(diào)發(fā)展和應(yīng)對氣候變化提供科學(xué)決策服務(wù)。

項目擬解決三個關(guān)鍵科學(xué)問題：1）陸表關(guān)鍵自然與人文要素的變化特征及其相互作用;2）陸表關(guān)鍵要素對全球變化的響應(yīng)機理;3）全球變化背景下陸表系統(tǒng)格局和典型區(qū)域空間質(zhì)量的演變特征。擬解決兩個關(guān)鍵技術(shù)問題：1）如何區(qū)分局地環(huán)境變化和大尺度氣候變化對氣候、水文觀測結(jié)果的影響，構(gòu)建高質(zhì)量的陸表自然要素數(shù)據(jù)集;2）如何實現(xiàn)有限信息下人文要素網(wǎng)格化及其準確度校驗，構(gòu)建高分辨率的陸表人文歷史數(shù)據(jù)集和未來社會經(jīng)濟發(fā)展情景。

目前項目已經(jīng)結(jié)題并已經(jīng)完成績效評估。本文主要介紹項目的主要研究進展。

1 陸表自然和人文數(shù)據(jù)集構(gòu)建

1.1 陸表氣候要素均一化數(shù)據(jù)集

1）地表太陽輻射

地表太陽輻射是地表能量平衡的重要參量，對天氣、氣候變化和植被生長具有重要影響。20世紀50年代末，在世界氣象組織的指導(dǎo)下，全球開始地表太陽輻射大規(guī)模觀測，形成了全球能量平衡檔案（GEBA）數(shù)據(jù)庫（Wild et al.，2017）。20世紀90年代，為了提高觀測質(zhì)量，建立了地表輻射本底觀測網(wǎng)絡(luò)（BSRN）（Ohmura et al.，1998）。與世界同步，中國于1957年開始引進先進蘇式儀器，在全國88個氣象站進行地表太陽輻射觀測，數(shù)據(jù)完整度好，時空覆蓋度高;但后來出現(xiàn)了儀器老化、仿制儀器質(zhì)量不高、缺乏嚴格的國際標準追蹤和儀器校準等問題（Wang et al.，2015）。前期研究發(fā)現(xiàn)1990年之前中國地表太陽輻射觀測結(jié)果受到儀器靈敏度漂移的影響。1990—1993年間，中國大范圍地更換了太陽輻射觀測儀器，并對太陽輻射觀測站網(wǎng)進行了重構(gòu)，致使觀測結(jié)果在這一時間段存在突變（Wang，2014）。

利用日照時數(shù)觀測對地表太陽輻射進行了重建。日照時數(shù)記錄了一天中太陽直接輻射大于120 W·m-2的時間。日照時數(shù)是基本氣象觀測項目，積累了自1950年以來2 400多個臺站的觀測數(shù)據(jù)。日照時數(shù)記錄介質(zhì)（光敏紙）每天更換，不受靈敏度漂移的影響，具有較好的長期穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)日照時數(shù)重建的太陽輻射可以較好地表現(xiàn)其年代際變化（圖1），降低了全球暗化和亮化的不確定性并對其做出了重要的修訂（He et al.，2018）。發(fā)展了利用日照時數(shù)計算地表太陽直接輻射和散射輻射的方法，構(gòu)建了中國地區(qū)約2 400個氣象站的地表太陽總輻射、直接輻射和散射輻射（He and Wang，2020）。通過對比發(fā)現(xiàn)，1960—1990年間，太陽輻射觀測高估太陽輻射的降低趨勢，其重要原因是直接太陽輻射計靈敏度漂移的問題（He and Wang，2020）。

大氣再分析通過同化臺站和衛(wèi)星溫度、水汽等觀測計算云量，然后根據(jù)輻射方案計算地表太陽輻射。由于其云和氣溶膠等輸入數(shù)據(jù)的誤差，使其地表太陽輻射產(chǎn)品可能具有較大偏差。ERA-Interim、JRA55、CFSR、MERRA和MERRA2等5種再分析數(shù)據(jù)，由于其對云量的低估導(dǎo)致中國地區(qū)地表太陽輻射被高估24.10～40.00 W·m-2，特別是在中國南方地區(qū)（Feng and Wang，2019b）。再分析云量模擬偏差能解釋太陽輻射偏差的55％～41％，而晴空太陽輻射的偏差能解釋地表太陽輻射偏差的32％～9％，晴空太陽輻射的偏差主要由氣溶膠模擬偏差導(dǎo)致。云量趨勢的偏差能解釋太陽輻射偏差趨勢的73％～12％，而晴空太陽輻射能解釋43％～30％的地表太陽輻射趨勢的偏差（Feng and Wang，2019b）。

目前的再分析數(shù)據(jù)中，只有MERRA2同化了衛(wèi)星氣溶膠光學(xué)厚度反演。利用1980—2014年日照時數(shù)估算太陽輻射數(shù)據(jù)，評估了同化氣溶膠對地表太陽輻射模擬能力的改進情況（Feng and Wang，2019a）。發(fā)現(xiàn)同化氣溶膠光學(xué)厚度后，地表太陽輻射的月均和年均變率以及全國平均趨勢的精度均有所提高，特別是在華北地區(qū)。然而，在中國南部高估了氣溶膠對地表太陽輻射趨勢的影響，這可能與高估該地區(qū)大氣氣溶膠和氣溶膠-云相互作用有關(guān)（Feng and Wang，2019a）。

歐洲中尺度天氣預(yù)報中心最近發(fā)布了第五代大氣再分析ERA5，其具有較高的時空分辨率，并且相較于上一代（ERA-Interim）進行了重大升級。發(fā)現(xiàn)ERA-Interim高估了15.9 W·m-2，ERA5把這一誤差降低到10.1 W·m-2，核心原因是ERA5對云量的模擬精度提高了（He et al.，2021b）。由于ERA5對總云量模擬能力的增強，其總云量趨勢偏差導(dǎo)致的輻射趨勢偏差明顯小于上一代。但ERA5忽視了氣溶膠的年際變化，仍然高估1993年以來的太陽輻射增加趨勢。

相比大氣再分析數(shù)據(jù)，衛(wèi)星反演質(zhì)量相對較高，但是時間跨度沒有再分析和日照時數(shù)重建長。日照時數(shù)重建可以較好地反映地表太陽輻射的長期變化趨勢，但只是站點數(shù)據(jù)。因此要得到高分辨率網(wǎng)格點數(shù)據(jù)，同時保證其在長期變化方面的精度，需要融合多種地表太陽輻射相關(guān)數(shù)據(jù)。已有研究基于改進的物理參數(shù)化方案和衛(wèi)星云產(chǎn)品生成了一套1983—2017年的全球高分辨率地表太陽輻射數(shù)據(jù)集，其時間分辨率為3 h，空間分辨率為10 km（Tang et al.，2019）。該數(shù)據(jù)集精度比現(xiàn)有衛(wèi)星地表太陽輻射產(chǎn)品的精度要高。但因為衛(wèi)星軌道漂移、儀器靈敏度衰減、不同衛(wèi)星儀器銜接的問題，該數(shù)據(jù)集在估計長期變化方面存在較大的不均一性。我們利用地理加權(quán)回歸方法，把基于云產(chǎn)品計算太陽輻射與日照時數(shù)估計地表太陽輻射進行融合，很好地解決了該數(shù)據(jù)集在估計地表太陽輻射年際、年代際和長期趨勢方面的誤差（Feng and Wang，2021）。

2）地表風(fēng)速

觀測表明全球陸表風(fēng)速最近60年有降低的趨勢，被稱為全球靜化（McVicar et al.，2012），進入新世紀后，地表風(fēng)速有所恢復(fù)，特別是中國地區(qū)（Lin et al.，2013）。但目前大氣再分析系統(tǒng)都不能很好地再現(xiàn)風(fēng)速降低的趨勢。可能的原因是大氣再分析系統(tǒng)沒有考慮地表特征的年際變化，并且在大氣環(huán)流的模擬方面可能存在誤差;地表特征改變（城市化及綠化）可能對風(fēng)速觀測結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。現(xiàn)有研究對造成地表風(fēng)速降低的主要原因還沒有統(tǒng)一的結(jié)論。

地轉(zhuǎn)風(fēng)可能是解開這一死結(jié)的重要手段。地轉(zhuǎn)風(fēng)忽略地表摩擦的影響，是假定地轉(zhuǎn)偏向力與氣壓梯度力平衡條件下，計算得到的地表風(fēng)速。地轉(zhuǎn)風(fēng)不受地表特征影響，可以用來檢驗大氣再分析的模擬結(jié)果，也可以對比分析地表特征改變對觀測地表風(fēng)速的影響。地轉(zhuǎn)風(fēng)理論是一個成熟的理論，在天氣形勢分析時，常用來指導(dǎo)地表風(fēng)速的估計。地轉(zhuǎn)風(fēng)可以利用氣象站之間的氣壓差計算得到，但核心問題是這一壓力差比大氣壓本身小2～3個數(shù)量級，信噪比極低。因此地轉(zhuǎn)風(fēng)計算結(jié)果受觀測誤差的影響很大，限制了該方法的大規(guī)模應(yīng)用。使用300 km范圍內(nèi)站點隨機配對的方法，對每個氣象站最多計算1 000個地轉(zhuǎn)風(fēng)，從中挑選最小的10％作為最優(yōu)估計，降低了計算方法對觀測誤差的敏感度，解決了該方法的大規(guī)模應(yīng)用問題（Zhang Z T et al.，2019）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)1990年以前中國地區(qū)地轉(zhuǎn)風(fēng)和觀測風(fēng)速一致降低，2000年以后二者一致增加。1990年代地轉(zhuǎn)風(fēng)開始明顯增加，但觀測風(fēng)速持續(xù)降低，這是造成二者1960—2017年長期趨勢差異的核心原因。去趨勢后，二者呈現(xiàn)相似的年代際振蕩。但現(xiàn)有大氣再分析無法重現(xiàn)這一年代際振蕩（Zhang and Wang，2020）。

發(fā)現(xiàn)天氣形勢和大氣環(huán)流可以很好地解釋地表風(fēng)速從天氣尺度到年代際的震蕩，但是無法解釋最近幾十年觀測地表風(fēng)速降低的長期趨勢（Zhang et al.，2019b）。因此推測城市化可能是觀測地表（10 m）風(fēng)速降低的原因。站點周邊城市化，可以增加觀測站點的零平面位移高度和粗糙度，進而影響10 m高度處的風(fēng)速。根據(jù)莫寧-奧布霍夫相似理論，Zhang and Wang（2021）計算了1985—2017年每個臺站周邊城市化對10 m觀測風(fēng)速的影響因子，然后利用這一影響因子對觀測風(fēng)速進行了訂正。圖2顯示訂正后，1985—2017年的地表風(fēng)速降低趨勢基本消失，地表風(fēng)速從20世紀90年代已經(jīng)開始增加，這一結(jié)果與計算得到的地轉(zhuǎn)風(fēng)一致（Zhang and Wang，2021）。

1.2 高精度人文要素歷史和未來預(yù)估數(shù)據(jù)集

1）人口要素

人口的總量、結(jié)構(gòu)和時空分布是表征人類活動的關(guān)鍵要素。開展了中國人口總量及次國家尺度人口空間演化過程的歷史數(shù)據(jù)分析，識別并總結(jié)了中國人口和勞動力結(jié)構(gòu)發(fā)展變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)國際上廣泛使用的人口預(yù)估數(shù)據(jù)（比如IIASA數(shù)據(jù)庫）并未考慮現(xiàn)有中國最新生育政策的影響，且對預(yù)期壽命的假設(shè)不合理。由于缺乏網(wǎng)格化未來人口預(yù)估數(shù)據(jù)，所以難以對氣候變化和氣候政策的影響進行高空間分辨率的評估，無法滿足精細化應(yīng)對氣候變化的實際需要。因此，在識別中國人口和勞動力結(jié)構(gòu)發(fā)展變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，糾正了國際研究團隊的關(guān)鍵假設(shè)偏差，突破了傳統(tǒng)方法依賴簡單規(guī)則進行總量預(yù)估和時空分配的局限，得到中國到2100年1 km級的人口總量預(yù)估和時空分布數(shù)據(jù)庫（Chen et al.，2020），為科學(xué)評估我國未來各地區(qū)溫室氣體排放走勢、開展氣候變化影響評估、制定科學(xué)減排和適應(yīng)策略提供了支撐。

2）生物質(zhì)能要素

在能源安全和氣候變化日益受到重視之際，生物質(zhì)能在能源供應(yīng)和碳減排方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。整合了包括作物生長模型、遙感方法和統(tǒng)計降尺度在內(nèi)的方法，提出了一個新的評估框架，構(gòu)建了中國可用生物質(zhì)原料的高分辨率分布數(shù)據(jù)集，以彌補已有生物質(zhì)能研究分辨率不高和能源作物潛力未知的缺陷（Nie et al.，2019）。基于中國2015年的相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制出11種可用生物質(zhì)原料和3種能源作物潛力的1 km分辨率分布圖（Nie et al.，2019，2020）。發(fā)現(xiàn)在省級層面，河南和內(nèi)蒙古有潛力通過農(nóng)林業(yè)剩余物替代煤炭來開發(fā)清潔供暖替代方案。1 km分辨率下生物質(zhì)原料類型的空間分布和生物能源潛力密度的研究結(jié)果為支持在中國地方層面實施和利用生物能源、技術(shù)生物能源的能量分配提供了清晰的認識，同時為國家和省級政府及時有效地制定生物能源發(fā)展規(guī)劃提供了決策支撐。

3）燃煤電廠機組級要素及其取水要素

在很多國家和地區(qū)，煤電廠的二氧化碳排放和冷卻取水量遠比其他工業(yè)行業(yè)要高。因此，理清燃煤電廠的碳排放和取水總量及其時空分布格局對于刻畫人類活動對自然系統(tǒng)的影響至關(guān)重要。基于省級電力數(shù)據(jù)、燃煤電廠機組數(shù)據(jù)集和集水區(qū)水資源數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一套帶有空間地理及取水信息的中國煤電機組數(shù)據(jù)集（Li et al.，2021a），為后續(xù)制定多情景目標下中國省級尺度煤電轉(zhuǎn)型路徑、識別煤電發(fā)展在水資源流域尺度的水壓力風(fēng)險等方面的研究奠定了基礎(chǔ)。

4）氮排放和水質(zhì)要素

現(xiàn)有研究主要基于相關(guān)簡化氮平衡模型衡量人類從大氣中固氮的全球“安全邊界”，卻忽略了不同地區(qū)之間氮排放、淡水體中的氮濃度和生物對水體中氮反應(yīng)的異質(zhì)性。因此，現(xiàn)有研究一方面對生物地球化學(xué)和水文過程的時空異質(zhì)性了解不足，另一方面基于簡化的氮平衡模型得到的人類活動釋放的“安全”氮排放閾值仍然存在很大的不確定性。基于全國尺度的農(nóng)業(yè)模擬系統(tǒng)在高性能計算機平臺上對全國2 403個縣級區(qū)域的主要作物進行了60 a（1955—2014年）逐日生長過程模擬，輸出了全國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生物量積累、氮去向和水分平衡等結(jié)果，以討論中國向水體排放氮的空間格局。研究收集了全國典型河流總氮濃度的觀測數(shù)據(jù)，重建了全國水體近60 a的質(zhì)量演變與氮排放的時空關(guān)系，將不同區(qū)域首次達到國家地表水質(zhì)量Ⅳ類標準的年份所對應(yīng)的氮排放總量定為該區(qū)域的氮排放安全閾值（Yu et al.，2019）。圖3顯示了目前人為向淡水排放氮的速率（每年（14.5±3.1）Mt氮）大約是估計的“安全”氮排放閾值的2.7倍（每年（5.2±0.7）Mt氮）（Yu et al.，2019）。

5）二氧化碳排放要素

在碳排放方面，雖然2013年以來中國二氧化碳排放量的回落被普遍認為是2030年碳達峰目標可以實現(xiàn)的重要標志，但是由于2016年以來的全國二氧化碳排放量出現(xiàn)反彈，所以中國2030年實現(xiàn)碳達峰目標仍存在諸多挑戰(zhàn)。現(xiàn)有研究雖然從社會經(jīng)濟角度分析了中國的排放趨勢和驅(qū)動因素，但是對于2016年以來的碳排放反彈原因沒有進行深入的探究。因此，為了彌補碳排放反彈關(guān)鍵驅(qū)動因素的研究空白，本項目使用投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)分解分析（IO-SDA）模型和歷史數(shù)據(jù)，追蹤并分析了2002—2017年中國的二氧化碳排放量及其驅(qū)動因素。結(jié)果表明：行業(yè)間的投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)（部分反映了生產(chǎn)結(jié)構(gòu)）和需求格局分別貢獻了2015年以來碳排放量增加的5.2％和0.1％，這主要受到新一輪基建投資刺激的影響，導(dǎo)致大量的化石能源消耗。基于對碳排放因素數(shù)據(jù)集的整理和運用，研究對未來實現(xiàn)碳達峰目標所需的行動提供了啟示（Yang et al.，2018）。

2 關(guān)鍵人文要素與自然要素的空間聯(lián)動與相互作用

2.1 地表太陽輻射變化對中國增溫格局的影響

陸氣相互作用決定了地表氣溫的日變化，日出后地表吸收太陽輻射，地表凈輻射轉(zhuǎn)為正。地表凈輻射被分配成感熱、潛熱和土壤熱通量。感熱通量直接加熱大氣，地表氣溫在午后達到最高，然后逐漸降低，直到第二天日出后氣溫達到最低值。地表太陽輻射的變化與氣溫日較差相關(guān)性很好，相關(guān)系數(shù)在濕潤區(qū)更為顯著，但干旱半干旱區(qū)氣溫日較差對太陽輻射的敏感度更高（Wang and Dickinson，2013）。已有研究發(fā)現(xiàn)20世紀40—70年代的全球地表太陽輻射的降低對全球陸表氣溫有0.16 ℃的降溫作用，部分解釋了這一時期的增溫停滯現(xiàn)象（Wang and Dickinson，2013）。

已有研究發(fā)現(xiàn)1961—2003年間，日最高地溫在中國南方和華北平原有明顯降低趨勢。日最高地溫的這種增溫格局在日最高氣溫上也有所表現(xiàn)，但是沒有那么明顯。結(jié)合日照時數(shù)反演得到地表太陽輻射數(shù)據(jù)，進一步研究發(fā)現(xiàn)，日最高地溫出現(xiàn)降溫的最主要原因是地表太陽輻射在中國的南方和華北平原有明顯的降低（Du et al.，2017）。進一步利用現(xiàn)有觀測資料對現(xiàn)有再分析數(shù)據(jù)進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有再分析數(shù)據(jù)嚴重高估了我國南方和華北平原的增溫趨勢（Zhou et al.，2017）。主要原因是這些再分析產(chǎn)品嚴重高估這些區(qū)域的太陽輻射的變化趨勢，從而導(dǎo)致地表溫度的變化趨勢被高估（Zhou et al.，2017）。

2.2 城市化進程對中國增溫格局的影響

前期研究發(fā)現(xiàn)，城市冠層白天對地表太陽輻射的存儲和吸收及其夜間釋放是城市熱島產(chǎn)生的重要原因之一（Wang et al.，2017）。對比分析了北京、上海和廣州三個特大城市高溫?zé)崂颂炫c普通天的城市熱島差異（Jiang et al.，2019）。熱浪天一般伴隨著晴朗無云的天氣，三個城市的地表太陽輻射在熱浪天都有明顯增強，城市建筑在白天吸收儲存和晚上釋放的能量也更多。在熱浪期間，北京和廣州的氣溫城市熱島和日總太陽輻射在晚上呈顯著正相關(guān)，而上海則是在白天呈顯著正相關(guān)。因此熱浪和城市熱島效應(yīng)具有協(xié)同增強的效應(yīng)。

利用最新發(fā)布的1985—2017年30 m空間分辨率和年度時間分辨率的土地覆蓋數(shù)據(jù)，量化了氣象站周圍的城市化率，分析了城市化對增溫速率日不對稱性的影響。發(fā)現(xiàn)雖然城市區(qū)域僅占中國陸地面積的2.25％，但1985—2017年期間，城市化率超過20％的臺站比例已從22.1％上升到68.2％（Jiang et al.，2020）。圖4顯示站點周邊城市化帶來的城市熱島效應(yīng)，放大了日最低氣溫的增溫速度，這導(dǎo)致城市觀測站增溫具有更顯著的日不對稱性。但是，這種不對稱性在農(nóng)村觀測站并不顯著（Jiang et al.，2020）。造成這種差異的主要原因是氣象站周邊城市化，而非大尺度的氣候變化。城市化影響了觀測結(jié)果的空間代表性，導(dǎo)致了觀測到的升溫速率日不對稱性。這也解釋了1990年以后，當(dāng)我國地表太陽輻射不再下降時，最低溫的增溫速率仍高于最高溫的現(xiàn)象。

2.3 關(guān)鍵人文要素與自然要素的關(guān)聯(lián)機制

1）可持續(xù)氮管理政策

近40 a來，中國的糧食安全水平得到了巨大提升，然而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式和物資循環(huán)模式不但消耗了水資源儲備，而且對我國水環(huán)境產(chǎn)生了重大影響，例如使得水體含氮量急劇增加，造成富營養(yǎng)化等水環(huán)境問題。如何科學(xué)可持續(xù)地管理農(nóng)業(yè)系統(tǒng)氮排放成為一項重要的議題。尤其是在考慮到不同地區(qū)的排放情況、環(huán)境安全閾值、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)的差異性后，糧食和水系統(tǒng)的可持續(xù)氮管理將更為復(fù)雜。

結(jié)合模擬和觀測的結(jié)果，從農(nóng)田管理、污水處理和養(yǎng)分循環(huán)體系等方面研究了中國氮管理策略（圖5）。研究結(jié)果表明，從農(nóng)田管理方面提高氮肥的利用效率可以在糧食不減產(chǎn)的條件下大幅度減少農(nóng)田的氮排放，從當(dāng)前的5.1×106 t減少至2.7×106～2.9×106 t，農(nóng)田減排潛力減少了42％～47％。但相對于整體9.3×106 t左右的氮超排量，僅僅從農(nóng)田系統(tǒng)出發(fā)無論在全國尺度還是在省級尺度都無法將氮排放拉回到安全閾值之內(nèi)。此外，當(dāng)前正在推行的污水處理全覆蓋政策同樣無法解決當(dāng)前的氮污染問題（Yu et al.，2019;喻朝慶，2019）。

若要在保持糧食產(chǎn)量不變的前提下將中國水體環(huán)境質(zhì)量恢復(fù)到安全水平，唯一有效途徑是在新的社會經(jīng)濟形勢下全面重構(gòu)傳統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)體系（喻朝慶，2019;Zhang et al.，2022）。需要在優(yōu)化農(nóng)田氮管理的前提下將全國城鄉(xiāng)所有的有機廢物還田率從當(dāng)前40％以下提高到86％～88％。其中9個省份需要達到95％以上，主要集中在北方地區(qū)。而當(dāng)前各部門有關(guān)氮管理的規(guī)劃與措施遠遠達不到回歸閾值的整體要求。該結(jié)果解釋了為什么各行業(yè)部門盡管在各自領(lǐng)域都做出了巨大努力，但環(huán)境惡化的趨勢并不能得到扭轉(zhuǎn)的根本原因。若要實現(xiàn)2035年糧食安全和“美麗中國”兼顧的遠景目標，需要建立前述的城鄉(xiāng)養(yǎng)分循環(huán)體系，進而從根本上改變目前的肥料解構(gòu)。通過提高農(nóng)田管理水平和氮利用效率，將氮肥的直接施用量從當(dāng)前的3.7×107 t左右減少至2.4×107～2.7×107 t。通過增加養(yǎng)殖糞肥、城鄉(xiāng)生活有機廢物和秸稈還田比例，將有機肥的比例從當(dāng)前的20％左右提高到50％以上。

2）能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的政策支撐

在國家提出雙碳目標的大背景下，以煤電為主的中國能源系統(tǒng)需要實現(xiàn)大規(guī)模的低碳轉(zhuǎn)型。由于人口、國民生產(chǎn)總值、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、發(fā)電技術(shù)、可再生資源等多人文和自然要素存在空間布局的異質(zhì)性，所以在能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型政策的制定時需要因地制宜考慮。過去的大量研究圍繞中國能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型所產(chǎn)生的多維影響，很少研究通過考慮自然和人文要素的時空分布異質(zhì)性去模擬能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的優(yōu)化路徑。研究從高分辨率機組角度定量分析了燃煤電廠人文要素和農(nóng)林生物質(zhì)自然要素的關(guān)聯(lián)耦合，為現(xiàn)有燃煤電廠實現(xiàn)生物質(zhì)混燃改造提出了差異化的轉(zhuǎn)型策略。

在電力部門脫碳路徑中，煤-生物質(zhì)混燃是一種過渡性路徑，一方面能夠只需要較小的改造成本即可實現(xiàn)，避免煤電迅速退役造成的擱淺資產(chǎn)問題;另一方面通過生物質(zhì)替代煤炭，能夠降低碳和空氣污染物的排放，并能夠作為大規(guī)模推動生物質(zhì)能源應(yīng)用的初期行動。然而，目前針對煤電進行生物質(zhì)混燃改造的成本效益研究，大多僅針對數(shù)個燃煤電廠進行案例分析，難以為全國層面的轉(zhuǎn)型策略提供見解。本項目結(jié)合上述搭建的高分辨燃煤電廠數(shù)據(jù)庫和農(nóng)林剩余物生物質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫，基于全生命周期分析方法和地理信息系統(tǒng)，搭建了能夠動態(tài)耦合電廠-生物質(zhì)的綜合評估框架，并逐機組評估了每個機組進行生物質(zhì)摻燒改造的經(jīng)濟成本、二氧化碳減排效益和二氧化硫減排效益（Wang R et al.，2022）。

研究結(jié)果表明煤-生物質(zhì)改造在25％的摻燒率情況下，每減排1 t二氧化碳需要付出18.3～73美元的經(jīng)濟成本，每減排1 t二氧化硫需要付出21.6～806.5美元的經(jīng)濟成本。機組規(guī)模、運行年份和運輸距離是決定成本效益分析結(jié)果的重要影響條件。構(gòu)建了生物質(zhì)混燃改造的適宜性指標，并通過模擬結(jié)果識別了一批優(yōu)先進行混燃改造的電廠，從而提出了生物質(zhì)資源在近期發(fā)揮能源系統(tǒng)脫碳的作用。例如從生物質(zhì)資源豐富地區(qū)開展生物質(zhì)收集網(wǎng)絡(luò)試點，逐步構(gòu)建從原料收集、儲運、預(yù)處理到成型燃料生產(chǎn)、配送和應(yīng)用的成熟技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)模式。本研究能夠為生物質(zhì)能源近期在電力系統(tǒng)發(fā)揮脫碳作用提供轉(zhuǎn)型策略。

3）交通部門轉(zhuǎn)型政策支撐

客運交通行業(yè)是中國溫室氣體排放的重要來源，且具有很大的排放增長潛力，在中國未來深度脫碳中起著至關(guān)重要的作用。各省之間在私家車保有量、公共交通基礎(chǔ)設(shè)施充足性、清潔燃料汽車的可負擔(dān)性等方面存在巨大差異，凸顯了符合區(qū)域特點、因地制宜的減排戰(zhàn)略對充分挖掘碳減排潛力的重要性。根據(jù)中國大陸31個省區(qū)的客運交通發(fā)展水平，將其劃分為3個區(qū)域組別，建立省級自下向上的模型，預(yù)測2050年中國客運交通行業(yè)的能源需求和二氧化碳排放。Bu et al.（2021）比較了提高車輛能源效率、推廣清潔燃料和促進公共交通這三類碳減排的效果，然后提出了適合不同區(qū)域的碳減排政策重點。結(jié)果表明，在當(dāng)前的政策情景下，中國客運交通行業(yè)的二氧化碳排放將在2045年前后達到6.47×108 t的排放峰值，并在2050年小幅下降至6.42×108 t。

如果全面實施上述三種減排政策，最大限度地發(fā)揮各區(qū)域碳減排的技術(shù)經(jīng)濟潛力，可以在2050年將二氧化碳排放量大幅減少到凈零。不同政策的碳減排效果因時間和區(qū)域而異。在短期內(nèi)，提高車輛燃油效率對減少碳排放的貢獻較大，特別是在私家車保有量預(yù)計將在近期快速增長的較不發(fā)達的省份;而完善的交通基礎(chǔ)設(shè)施和優(yōu)化設(shè)計的公共交通系統(tǒng)可以在富裕省份發(fā)揮更大的作用。研究進一步建議：在綜合大氣污染防治與氣候變化減緩、兼顧地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平的視角下，提升四川、重慶和湖北在《充電基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃》中的優(yōu)先級;對于煤電比例較高的省份，應(yīng)關(guān)注中小型電動汽車的減排潛力，鼓勵發(fā)展A00／A0級電動汽車，從而有針對性地助力中國各省市新能源汽車的發(fā)展。

3 中國碳中和愿景對減緩全球變暖趨勢的貢獻

3.1 未來社會經(jīng)濟和政策干預(yù)情景下的碳中和影響評估

運用“自下而上”的能源技術(shù)優(yōu)化模型和“自上而下”的能源經(jīng)濟均衡模型，模擬了中國深度脫碳目標下未來社會經(jīng)濟和能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型路徑，深入探討了不同社會經(jīng)濟和減排政策情景下的經(jīng)濟、環(huán)境和社會影響。在模擬的時間尺度上，本項目所開發(fā)的模型能夠?qū)鹘y(tǒng)研究中的中短期模擬拓展到中長期，可以對當(dāng)前到2060年的中國社會經(jīng)濟發(fā)展和深度脫碳路徑進行模擬，包括全行業(yè)的生產(chǎn)活動、能源消費的變化、消費者的福利水平以及碳排放等關(guān)鍵要素。在模擬的空間尺度上，本項目所開發(fā)的模型耦合了重點排放部門（如煤電）的廠級技術(shù)數(shù)據(jù)，并將水資源和土地利用的模擬精度分別拓展到流域尺度和1 km網(wǎng)格尺度，大大提高了影響模擬的空間分辨率。

為識別煤電發(fā)展在水資源流域尺度的水壓力風(fēng)險，項目將中國電力系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟模型（MESEIC）計算得到的省級煤電裝機容量作為發(fā)展路徑輸入，采用蒙特卡洛方法對未來中國煤電的省級發(fā)展路徑進行降尺度分析，給出了中國煤電廠的地理空間分布概率及其流域尺度的水需求情況。研究引用風(fēng)險評估中“超越概率”（Exceedance Probability）的概念作為風(fēng)險衡量標準，評估典型濃度路徑（RCPs）下2050年中國各流域的水資源變化情況，最終得出多情景下中國煤電面臨的水壓力風(fēng)險評估結(jié)論（Li et al.，2021b）。

研究結(jié)果表明，不同條件下中國煤電廠的取水情況存在較大差異。在無碳排放約束的條件下，全國煤電廠的取水總量將達到122×108～1 762×108 m3，而在2 ℃和1.5 ℃目標下，這一總量將分別下降為107×108～592×108 m3和1.1×108～355×108 m3（Li et al.，2021b）。盡管1.5 ℃目標帶來了煤電取水總量的顯著下降，但考慮到煤電機組分布的集中效應(yīng)，部分流域仍然難以免受煤電的水壓力影響，因此局部區(qū)域的水資源影響仍然值得研究者和政策制定者關(guān)注。2015年煤電水壓力的來源主要集中在西北和華北地區(qū)，在1.5 ℃目標下，這些地區(qū)大部分流域的煤電水壓力將得到緩解。但在內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)的部分流域，煤電引發(fā)水壓力的風(fēng)險仍然較高。研究在方法上綜合運用了宏觀經(jīng)濟模型和地理空間數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，綜合考慮宏觀政策在自然地理空間的影響，為相關(guān)研究者和政策制定者提供了參考。

將生物質(zhì)能源技術(shù)細節(jié)納入宏觀經(jīng)濟模型框架，拓展了一個包含關(guān)鍵低碳技術(shù)和負排放技術(shù)的中國混合可計算一般均衡（CGE）模型，稱為CHEER-BE。在此基礎(chǔ)上，評估了中國2060年碳中和目標下生物質(zhì)能耦合碳捕獲與封存技術(shù)（BECCS）和植樹造林的發(fā)展規(guī)模，以及由此產(chǎn)生的宏觀經(jīng)濟和土地利用影響（Weng et al.，2021）。研究結(jié)果表明，應(yīng)用負排放技術(shù)是實現(xiàn)中國碳中和目標的必要條件。生物質(zhì)能耦合碳捕獲與封存技術(shù)將在2030年左右進入市場，其提供的負排放份額將在2060年達到約79％，其余來自植樹造林。

3.2 中國碳中和情景下二氧化碳、甲烷和氧化亞氮排放數(shù)據(jù)研制

中國碳中和情景主要基于與IPCC 1.5 ℃目標一致的碳排放，但需要進一步降低全國能源消費總量、大幅提高非化石能源在一次能源消費中的比例。中國碳中和情景還要求顯著減少非二氧化碳溫室氣體排放、增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯、大規(guī)模實施碳捕獲與封存和二氧化碳清除技術(shù)。與集合評估模型不同，中國碳中和情景無法生成明確的空間化的人為地表二氧化碳排放量，但給出了現(xiàn)在至2050年預(yù)估的國內(nèi)二氧化碳排放總量路線圖。

根據(jù)清華大學(xué)發(fā)布的中國碳中和路線圖報告，中國的人為碳排放量將在2030年達到每年10.5 Gt二氧化碳的峰值，并在2050年降至每年1.2 Gt二氧化碳。這意味著中國將在2050年減少89％的二氧化碳排放量，與基于多個綜合評估模型對1.5 ℃目標的減排量大致相當(dāng)。與國際第六次耦合模式比較計劃默認情景相比，中國碳中和人為地表二氧化碳差異范圍為-3.70～18.03 Gt·a-1，表明中國碳中和目標對全球人為地表二氧化碳具有顯著影響。

由于甲烷和氧化亞氮這兩種溫室氣體均隨著化石燃料的生產(chǎn)、運輸或燃燒以及其他人為活動而排放，所以考慮伴隨中國碳中和的甲烷和氧化亞氮的變化，進一步用來驅(qū)動通用地球系統(tǒng)模式（Li et al.，2022）。圖6顯示在中國碳中和情景下，與基準共享社會經(jīng)濟路徑情景（SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景）相比，中國在2015—2100年期間的甲烷累積排放量分別為-785、810、3 552和661 Mt；與4個基準SSP情景相比，中國碳中和情景導(dǎo)致氧化亞氮累積排放量的變化分別為-19.4、8.2、24.1和30.4 Mt。

在國際第六次耦合模式比較計劃的基準情景下，2015—2100年對流層甲烷和氧化亞氮地表濃度與其累積排放通量之間的關(guān)系可以很好地通過一元三次函數(shù)進行經(jīng)驗擬合，盡管它們的擬合方程對于不同變量和SSP基準情景存在很大差異。因此，根據(jù)2015—2100年甲烷和氧化亞氮累積排放量可推算出甲烷和氧化亞氮相應(yīng)的地表濃度。我們使用全球變化評估模型（GCAM，版本5.4）來預(yù)測中國碳中和情景下2015—2100年甲烷和氧化亞氮排放量。利用甲烷和氧化亞氮累積排放量，根據(jù)擬合方程得到甲烷和氧化亞氮的濃度（Li et al.，2022）。

3.3 中國碳中和政策對全球變暖的影響

量化單一國家承諾的碳中和愿景對未來全球變暖減緩貢獻與量化歷史碳排放對氣候變暖的責(zé)任具有同等重要性，可以為全球氣候減緩戰(zhàn)略實施和各國平等發(fā)展提供重要科學(xué)支撐。作為全球二氧化碳排放大國，中國政府已承諾在2030年前實現(xiàn)“碳達峰”，并力爭在2060年前實現(xiàn)“碳中和”。如此雄心勃勃的二氧化碳減排目標有望緩解全球變暖。一項基于極簡氣候模型的研究報告稱，中國碳中和將有助于在21世紀末避免0.16～0.21 °C的全球變暖（Chen et al.，2021）。然而，基于包含氣候系統(tǒng)所有關(guān)鍵組分的完全耦合地球系統(tǒng)模式來預(yù)測中國碳中和愿景對全球變暖減緩的貢獻研究仍然缺乏。

沿用IPCC第六次評估報告方法，我們將通用地球系統(tǒng)模式模擬的全球平均地表溫度相對于1850—1900年平均值（工業(yè)革命前）的未來時間分為近期（2021—2040年）、中期（2041—2060年）和遠期（2081—2100年）3個時段。與工業(yè)革命前相比，在低溫室氣體排放情景（SSP1-2.6）下，2081—2100年的全球變暖預(yù)計將增加1.7 ℃;在兩種中間情景（SSP2-4.5和SSP3-7.0）下，全球變暖分別為2.7 ℃和3.4 ℃;較高的溫室氣體排放情景（SSP5-8.5）下，全球增溫為4.7 ℃。

在中國碳中和目標情景下，通用地球系統(tǒng)模式模擬的全球平均溫度在近期階段與相應(yīng)SSP之間沒有顯著差異（P>0.01）（圖7）。近期階段，所有SSPs的碳中和情景與第六次模式比較計劃默認情景之間沒有顯著的響應(yīng)，主要是由于受模式的內(nèi)部變率控制的。在中期階段，除SSP5-8.5外，其余3個SSP情景下模式模擬的全球平均地表溫度在中國碳中和與第六次模式比較計劃默認排放路徑之間也均無顯著差異（P>0.01）。而在遠期階段，除SSP1-2.6外，其余3個SSP情景下模式模擬的全球平均地表溫度在中國碳中和與第六次模式比較計劃默認排放路徑之間均存在顯著差異（P<0.01）。在SSP2-4.5情景下，中國碳中和對遠期全球平均地表溫度的減緩貢獻為0.14 ℃（±0.07 ℃）。在SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下，中國碳中和對遠期全球平均地表溫度的減緩貢獻分別為0.48 ℃（±0.07 ℃）和0.40 ℃（±0.07 ℃），相當(dāng)于21世紀末最后20 a間全球平均增溫的14％和9％（Li et al.，2022）。

中國碳中和情景下3種溫室氣體（二氧化碳、甲烷和氧化亞氮）排放減少在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5下分別導(dǎo)致全球平均地表溫度在遠期階段顯著降低0.21（±0.17）、0.32（±0.13）、0.50（±0.21）和0.39（±0.17） ℃。相對于第六次國際耦合模式比較計劃默認的SSP情景，同時考慮二氧化碳、甲烷和氧化亞氮3種溫室氣體對全球平均地表溫度增長的減緩作用在中期階段對SSP2-4.5和SSP5-8.5也是顯著的（P<0.01），分別為0.18（±0.09）和0.13（±0.07） ℃（Li et al.，2022）。

4 陸表系統(tǒng)格局和典型區(qū)域空間質(zhì)量評估

4.1 陸表系統(tǒng)格局變化與預(yù)估

1）全球陸地干濕變化

氣候變暖加速全球水循環(huán)，可能導(dǎo)致地表干濕格局發(fā)生顯著變化，即干的地區(qū)更干、濕的地區(qū)更濕。但是很多模型和觀測研究并不支持這個假說。造成這種爭議的原因之一在于不同研究所使用的干旱指數(shù)并不一致。水循環(huán)的變化是一個復(fù)雜的過程，不僅關(guān)系到降水、蒸散的動態(tài)變化，還與土壤濕度以及地表徑流等參數(shù)密切相關(guān)。而單個干旱指數(shù)常常側(cè)重考慮水循環(huán)的某一方面，從而導(dǎo)致不同研究呈現(xiàn)有差異的甚至矛盾的結(jié)果。通過綜合考慮3類（包括降水驅(qū)動、蒸散驅(qū)動以及降水-蒸散共同驅(qū)動）常用干旱指數(shù)，評估了過去30 a全球干濕變化趨勢，發(fā)現(xiàn)全球變干的區(qū)域遠高于變濕的區(qū)域。全球僅20％的陸表呈干變干、濕變濕的變化趨勢，即支持干變干、濕變濕假說，而29％的陸表干濕變化與這一假說相反。全球干旱區(qū)溫度顯著升高，降水增加，但土壤水分并無顯著變化，意味著綜合考慮大氣和土壤環(huán)境則干旱區(qū)總體上無明顯干濕變化。但過去30 a干旱區(qū)植被顯著變綠，這一變綠趨勢主要是由降水增加和農(nóng)業(yè)活動增強導(dǎo)致（He et al.，2019）。

地表干濕格局的變化直接影響生態(tài)系統(tǒng)功能。在青藏高原地區(qū)氣候暖濕化顯著促進植被生長，使得生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力增加，高原生態(tài)系統(tǒng)整體表現(xiàn)為碳匯。但高原碳匯的估算存在極大不確定性，不同研究估算數(shù)值相差十倍以上。通過整合多期地面清查與實測資料以及多源遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)前主要生態(tài)系統(tǒng)模型和大氣反演模擬結(jié)果，構(gòu)建了“自上而下”和“自下而上”的高原碳匯評估體系，盤點了高原生態(tài)系統(tǒng)碳匯現(xiàn)狀以及重要過程碳源匯大小（Ding et al.，2018）。研究結(jié)果表明，21世紀初以來，高原生態(tài)系統(tǒng)碳匯為33.13～37.84 Tg·a-1，占中國陸地碳匯的10％～16％。高原碳匯83％分布在土壤碳庫中［（27.55±9.72） Tg·a-1］，而12％和5％分別分布在林灌木［（4.02±0.81） Tg·a-1］和草地植被碳庫中。多模型歸因分析表明，氣候變暖和降水增加是高原生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為碳匯功能的主要驅(qū)動機制。相比于氣候變化，人類活動對高原碳源匯功能的影響有限。例如，放牧是高原草地生態(tài)系統(tǒng)主要人類活動，每年向大氣中排放碳0.38 Tg，只抵消了四分之一的草地植被碳匯。

氣候變暖顯著提前了溫帶植被的春季物候，進而影響陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。但是，由于傳統(tǒng)遙感指數(shù)不適用于常綠林且地面觀測數(shù)據(jù)不足，目前關(guān)于中國亞熱帶常綠闊葉林物候研究相對較少。基于遙感日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)和通量數(shù)據(jù)，利用遙感物候提取算法、偏相關(guān)分析、線性相關(guān)分析等，研究了近年來亞熱帶春季物候變化規(guī)律及其對氣候變化的響應(yīng)機制。發(fā)現(xiàn)亞熱帶春季物候呈現(xiàn)大面積提前趨勢，該趨勢隨緯度降低而增強，降水對低緯度地區(qū)植被物候的控制作用大于高緯度地區(qū)，但溫度作用則相反。在氣候持續(xù)變化條件下，未來溫度升高和降水格局的變化可能在很大程度上影響春季物候，進而影響亞熱帶森林的碳、水和能量平衡（Liu et al.，2018;Wang et al.，2019）。

變暖是全球氣候變化最顯著的信號，以往大量研究表明變暖顯著促進北半球植被生長，使北半球呈現(xiàn)顯著的變綠趨勢。變暖及其對植被生長的影響不僅表現(xiàn)為時間上的變化，而且體現(xiàn)在氣候-生態(tài)質(zhì)量在地表空間中的遷移。具體而言，快速升溫使得高海拔地區(qū)等溫線呈現(xiàn)向高海拔地區(qū)攀升趨勢，而植被生長響應(yīng)于氣候變化，也追蹤等溫線上移而呈現(xiàn)出等綠度線上移趨勢（An et al.，2018）。然而，在青藏高原植被等綠度線上移速率總體落后于等溫線上移速率，這種響應(yīng)的滯后主要原因在于植被生長受到水分、營養(yǎng)條件等因素限制，以及植被生長對溫度變化的適應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)初步揭示了氣候變暖背景下，青藏高原植被等綠度線沿海拔移動的空間特征及其與等溫線移動的復(fù)雜關(guān)系，為研究植被生長對氣候變暖的適應(yīng)提供了新的視角。

變暖總體促進植被生長從而增強生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能，但溫度變化呈現(xiàn)極大的季節(jié)性差異。例如2004—2018年北半球高緯度地區(qū)經(jīng)歷了大范圍的秋季降溫。秋季陸地生態(tài)系統(tǒng)以呼吸作用為主導(dǎo)，表現(xiàn)為對大氣釋放二氧化碳。然而大范圍秋季降溫并未減緩陸地生態(tài)系統(tǒng)碳釋放。通過對比秋季降溫區(qū)和升溫區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳交換的變化，發(fā)現(xiàn)秋季溫度變化對光合作用（碳吸收）和呼吸作用（碳釋放）的影響呈現(xiàn)非對稱性：在降溫區(qū)，溫度下降對植被光合的抑制作用大于對植被呼吸的抑制作用，導(dǎo)致秋季凈碳釋放增加;在升溫區(qū)，溫度升高對呼吸的促進作用強于對光合的促進作用，也導(dǎo)致秋季凈碳釋放增加（圖8）。秋季溫度變化對光合和呼吸作用影響的非對稱性這一發(fā)現(xiàn)深化了溫度變化對中高緯度碳循環(huán)影響的認識，強調(diào)了研究氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)影響的重要意義（Tang et al.，2022）。

2）大氣水分虧缺的影響

氣溫快速升高使得大氣飽和水汽壓增大，即大氣可容納的飽和水汽含量增大。當(dāng)大氣中實際水汽含量小于可容納的飽和水汽含量時，大氣呈水分虧缺狀態(tài)，通常用大氣飽和水汽壓差表示，其值越大表示大氣水分虧缺越嚴重，陸地生態(tài)系統(tǒng)的大氣環(huán)境趨于干旱化。當(dāng)大氣水分嚴重虧缺時，植物往往通過降低葉片氣孔導(dǎo)度減少水分散失，但同時也抑制光合作用，從而對植被生長產(chǎn)生抑制作用。青藏高原地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)在氣候變暖背景下，青藏高原大氣飽和水汽壓差持續(xù)增加，這種大氣水分脅迫會顯著降低青藏高原草地生產(chǎn)力。大氣水分脅迫削弱植被生產(chǎn)力的同時，也嚴重制約陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能。圖9顯示全球飽和水汽壓差的年際變化與大氣二氧化碳濃度上升速率的年際變化顯著相關(guān)，表明飽和水汽壓差變化對陸地碳匯年際變化起到?jīng)Q定性作用（He et al.，2022）。這一研究澄清了以往研究中關(guān)于陸地碳匯年際波動的主要氣候驅(qū)動機制認識上的分歧，也為理解陸地碳匯調(diào)控大氣二氧化碳上升速率提供了新的重要證據(jù)。

盡管大氣飽和水汽壓差增加總體上抑制植被生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)碳匯，但其影響存在空間差異。北半球飽和水汽壓差年際變化對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力普遍存在負面影響，但在一些高緯度地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)飽和水汽壓差增加有利于植被生產(chǎn)力增長。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，存在一個生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力對飽和水汽壓差的響應(yīng)閾值，其數(shù)值為1.54～1.67 hPa（Zhong et al.，2023）。圖10顯示，當(dāng)年均飽和水汽壓差超過這一閾值時，其對生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力的影響由正到負急劇轉(zhuǎn)變。研究進一步探討了溫度變化、土壤水分變化與飽和水汽壓差變化對植被生長的協(xié)同影響。在北半球超過一半（面積占比為51.7％）的植被覆蓋區(qū)，氣溫的增加會促進生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，但這種促進作用會被氣溫增加導(dǎo)致的飽和水汽壓差增加對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的抑制作用所抵消，總體上這種抵消作用的程度約為73％。然而，土壤濕度變化對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響和由土壤濕度變化引起的飽和水汽壓差變化對生產(chǎn)力的影響存在著疊加效應(yīng)，即土壤水分的增加一方面會促進生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的提升，另一方面會通過減少飽和水汽壓差對生產(chǎn)力產(chǎn)生間接的正面影響。本研究系統(tǒng)闡明了飽和水汽壓差變化在調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力中的重要作用，也強調(diào)了多因素耦合作用在生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力變化中的復(fù)雜影響。

3）積雪的影響

積雪是陸表系統(tǒng)的重要組成部分。在全球變暖的背景下，積雪呈現(xiàn)大面積減少，對植被生長產(chǎn)生深刻影響。一方面，春季積雪融化使土壤水分增加，有利于春夏植被生長;但另一方面，積雪融化吸收熱量，使春季植被物候期推遲，從而抑制植被生長。積雪變化對植被變化的兩方面的影響在空間上呈現(xiàn)顯著的分異，在半干旱地區(qū)，積雪變化的土壤水分效應(yīng)起到主導(dǎo)作用，表現(xiàn)為積雪變化促進植被生長;但在濕潤地區(qū)，積雪變化對物候期的影響起著決定作用，表現(xiàn)為積雪變化抑制植被生長（Wang et al.，2018b）。

積雪變化影響植被生長的同時，還對氣候系統(tǒng)產(chǎn)生重要的反饋作用。由于其高反照率、低熱傳導(dǎo)率等特性，積雪變化可顯著影響地表能量平衡，進而影響局地甚至全球氣候。以往的研究均表明歐亞大陸冬春季積雪與印度夏季風(fēng)顯著相關(guān)。當(dāng)歐亞大陸冬春季積雪異常偏多（偏少）時，后期印度夏季風(fēng)降水異常減少（增加），即積雪與印度夏季風(fēng)降水之間存在負相關(guān)關(guān)系。然而，本研究發(fā)現(xiàn)這一積雪-季風(fēng)降水之間的負相關(guān)關(guān)系在20世紀90年代以后逐漸消失，其原因在于1990年之后歐亞大陸中部春季積雪減少且融化顯著提前，積雪水文效應(yīng)只延續(xù)到7月，較1990年之前縮短了近2個月。這使得春季積雪變化不再激發(fā)夏季環(huán)流異常以影響夏季伊朗高原及周圍的對流層中部溫度，從而與印度夏季風(fēng)降水的負相關(guān)關(guān)系消失。該研究表明，氣候變暖背景下積雪與季風(fēng)關(guān)系發(fā)生了轉(zhuǎn)變，對基于歐亞大陸春季積雪預(yù)報印度夏季降水提出了挑戰(zhàn)（Zhang T T et al.，2019）。

4）青藏高原多年凍土響應(yīng)及預(yù)估

1980—2009年，青藏高原冬季氣溫以0.66 ℃／（10 a）的速度升高，是夏季增溫0.27 ℃／（10 a）的兩倍多。自2000年以來，夏季變暖有所減緩而冬季變暖不斷增強。多年凍土的活動層厚度主要受夏季變暖的影響，而季節(jié)性凍土的最大凍結(jié)深度主要受冬季變暖的影響。多年凍土的活動層厚度卻呈輕微的下降趨勢，為0.07 m／（10 a）。雖然多年凍土的面積總體上保持相對穩(wěn)定，但過去30 a，多年凍土的年平均地溫以0.13 ℃／（10 a）的速度升高（Zhang G F et al.，2019）。2000年以前夏季變暖主導(dǎo)著多年凍土熱狀況的變化，2000年以后冬季變暖對多年凍土熱狀況的影響逐漸增大并超過了夏季變暖，冬季變暖加劇了多年凍土的熱退化。由于2000年以來冬季快速變暖，青藏高原北部羌塘高原的高寒連續(xù)多年凍土發(fā)生了顯著的區(qū)域性變暖。

由于2000年以來冬季的快速變暖，三江源和羌塘高原地區(qū)的多年凍土發(fā)生了顯著的區(qū)域性熱退化。夏季變暖對多年凍土熱指標（活動層厚度和年平均地溫）的貢獻大于冬季變暖。青藏高原多年凍土區(qū)夏季平均氣溫升高1 ℃，導(dǎo)致活動層厚度增加0.35 m，年平均地溫升高0.20 ℃;而冬季平均氣溫升高1 ℃，導(dǎo)致活動層厚度增加0.16 m，年平均地溫升高0.13 ℃。相對于高波動的變暖，多年凍土更容易受到穩(wěn)定變暖的影響，即使高波動的變暖具有較高的升溫速率。已有研究認為夏季溫度的變化影響活動層厚度的變化，但我們的研究表明，冬季溫度的變化可能會對活動層厚度的長期變化產(chǎn)生重大影響。雖然大多數(shù)地區(qū)的多年凍土保持穩(wěn)定，但青藏高原西南部多年凍土退化成季節(jié)性凍土的風(fēng)險較高（Zhang et al.，2021a）。

20世紀90年代中期以來，青藏高原經(jīng)歷了明顯的變暖和變濕。氣候變濕改變了多年凍土區(qū)的水熱特性，將不可避免地影響多年凍土區(qū)的熱狀況。以往的研究主要集中在氣候變暖對多年凍土的影響上，對變濕的影響研究較少。由于增溫和增濕過程的共存及其相互作用對青藏高原多年凍土具有重要影響，我們通過數(shù)值控制實驗定量研究了青藏高原暖濕化對多年凍土的影響（Zhang et al.，2021b）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：1）青藏高原多年凍土對氣候變暖和變濕的響應(yīng)是相反的，在氣候變暖導(dǎo)致青藏高原多年凍土熱退化的同時，變濕抑制了多年凍土的熱退化，這種抑制效應(yīng)在廣大的干旱和半干旱地區(qū)尤其明顯;2）多年凍土對濕潤的響應(yīng)存在顯著的區(qū)域差異，即夏季降水的增加對干旱和半干旱地區(qū)的多年凍土熱狀況產(chǎn)生了強烈的降溫作用，而在濕潤地區(qū)則影響很小。

基于最新的耦合模式比較計劃第六階段多模式和多情景的氣候輸出結(jié)果，使用區(qū)域再分析資料和統(tǒng)計降尺度方法對GCM輸出結(jié)果進行約束和尺度轉(zhuǎn)換，研究不同共享社會經(jīng)濟路徑情景下青藏高原的氣候變化，利用改進的Noah 陸面模式預(yù)估不同共享社會經(jīng)濟情景下（SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5）21世紀多年凍土分布及其熱狀況的時空變化，探討多年凍土對氣候變化的敏感性。預(yù)估表明，在SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下，到2100年，相對于2006—2015年的情況，青藏高原多年凍土面積將分別減少44％（±4％）、59％（±5％）和71％（±7％）（Zhang et al.，2022）。

4.2 典型區(qū)域空間質(zhì)量變化評估

4.2.1 中國典型極端天氣事件歸因和預(yù)估

1）2017年長江三角洲的高溫?zé)崂?/p>

2017年7月11—28日，長江三角洲地區(qū)發(fā)生了破紀錄的高溫?zé)崂恕?017年7月21日上海市徐家匯氣象站日最高氣溫達到40.9 ℃，為該站有氣象記錄145 a以來歷史最高溫度（Zhou et al.，2018）。長江三角洲高溫?zé)崂税l(fā)生的直接原因是副熱帶高壓西抬，造成該地區(qū)晴空少云，到達地表太陽輻射增加，從而使溫度進一步增加。但是我們的研究也表明，隨著城市化進程的加劇，長江三角洲地區(qū)很多氣象站點附近逐漸城市化，帶來的城市熱島效應(yīng)使觀測到的高溫?zé)崂丝雌饋砀鼮閲乐亍Ｐ旒覅R氣象站位于上海市中心區(qū)，熱島效應(yīng)強，徐家匯氣象站的高溫?zé)崂说幕貧w周期為104 a。如果使用長江三角洲其他城市附近的臺站記錄，則這次高溫?zé)崂说幕貧w周期為53年一遇。但是如果使用三角洲內(nèi)鄉(xiāng)村站點資料，則此次高溫?zé)崂说幕貧w周期為28年一遇，且2017年并不是最熱的一年，2013年才是最熱的一年（Zhou et al.，2018）。

2）2018年中國東北地區(qū)極端高溫事件

地表觀測和大氣再分析表明，2018年夏季東北地區(qū)的溫度和環(huán)流異常創(chuàng)下了歷史紀錄（Zhou et al.，2020）。基于第五次耦合模式比較計劃模式的分析表明，中國東北部存在異常反氣旋，2018年夏季高溫發(fā)生的概率是沒有這種異常反氣旋的6.16倍。研究發(fā)現(xiàn)大都市地區(qū)的城市化可能會使2018年夏季炎熱的可能性增加約17％。在排除城市化效應(yīng)后，基于第五次耦合模式比較計劃模式的分析表明，全球變暖可能使2018年中國東北夏季炎熱的概率增加了約78％；全球變暖使反氣旋環(huán)流增強了約11％，這增加了2018年中國東北夏季高溫的可能性（約27％）。總之，中國東北部的異常反氣旋環(huán)流是2018年夏季高溫的主要原因。全球變暖和變暖引起的環(huán)流強度變化增加了可能性，而城市化則進一步加劇了2018年中國東北夏季的高溫（Zhou et al.，2020）。

3）2016年武漢地區(qū)極端降水事件

2016年6月30日到7月6日，武漢地區(qū)遭遇破紀錄的連續(xù)多日大暴雨，造成嚴重的人身和財產(chǎn)損失，包括237人死亡和220億元經(jīng)濟損失，成為中國有記錄以來第二嚴重損失的天氣災(zāi)害事件（Zhou et al.，2018）。研究表明，2016年武漢地區(qū)極端降水事件是梅雨的一部分，一般情況下El Nio事件后梅雨變得更為嚴重。利用廣義極值擬合模型發(fā)現(xiàn)此事件為106年重現(xiàn)周期事件，但考慮2016年氣候變暖背景則為28年重現(xiàn)周期事件。為了進一步量化El Nio事件和人類活動引起的全球變暖在其中的影響，結(jié)合第五次耦合模式比較計劃中模式，發(fā)現(xiàn)2016年武漢地區(qū)極端降水事件有64％風(fēng)險可歸因于人類活動引起的增暖，El Nio事件增加了144％的事件發(fā)生概率。但是，采用基于觀測海冰和海溫數(shù)據(jù)、最先進預(yù)報動力核心和陸面模式的英國氣象局HadGEM3-A歸因系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)有26％可歸因于人為引發(fā)增暖，El Nio事件增加了216％的發(fā)生概率。兩組模式歸因差異的主要原因是第五次耦合模式比較計劃地球系統(tǒng)模式模擬自然內(nèi)部變率存在較大的不確定性，更偏向于高估人類活動的作用（Zhou et al.，2018）。

4）2019年長江中下游地區(qū)極端低日照事件

結(jié)合重建的地表太陽輻射和第六次耦合模式比較計劃模式模擬等多源數(shù)據(jù)，以2019年1—2月長江中下游地區(qū)極端低日照事件為例，從氣候動力學(xué)角度出發(fā)著重探討自然強迫和人為強迫對極端太陽輻射事件的調(diào)節(jié)作用（He et al.，2021a）。2019年1—2月長江中下游地區(qū)的日照時數(shù)記錄創(chuàng)下1961—2019年的最低紀錄，根據(jù)廣義帕累托分布擬合，其回歸期估計為265 a。大氣再分析顯示，2019年1—2月的500 hPa位勢高度也相應(yīng)地是自1961年以來的最高紀錄，而且1961—2019年的地表太陽輻射（作為日照時數(shù)的代替值）和500 hPa位勢高度呈現(xiàn)了顯著負相關(guān)關(guān)系（R=-0.38，P<0.01）。西北太平洋副熱帶高壓自2018年年末一直偏強，并偏近中國大陸地區(qū)，致使在日本海及其以東區(qū)域形成了異常反氣旋環(huán)流，因而在長江中下游形成水汽輻合區(qū)，從而導(dǎo)致了此次持續(xù)并罕見的陰雨寡照天氣。

基于第六次耦合模式比較計劃模式和再分析產(chǎn)品數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)異常反氣旋環(huán)流使此次極端低日照事件發(fā)生的可能性提高到4.8倍，使其成為此極端事件的主要驅(qū)動因素。此外，在大氣污染逐漸嚴重以及全球變暖的背景下，人為氣溶膠和溫室氣體排放可能使此次極端事件發(fā)生概率分別增加了3.1倍和1.3倍，而溫室氣體排放可能對大氣環(huán)流異常的發(fā)生存在潛在的影響（He et al.，2021a）。

4.2.2 中國秋冬季節(jié)空氣污染的氣象和地形影響評估

高強度的污染物排放是中國地區(qū)空氣污染爆發(fā)的元兇，而不利的氣象條件則稱為激發(fā)空氣污染不可或缺的外部條件。該研究評估了大氣對污染物的水平和垂直擴散以及濕清除能力，提出了衡量靜穩(wěn)天氣的定量指標，該指標充分考慮了我國西高東低地形特征對近地面風(fēng)場的影響，解釋了美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）的靜穩(wěn)天氣指標在我國不適用的原因（Wang et al.，2018a）。

研究發(fā)現(xiàn)中國秋冬季節(jié)靜穩(wěn)事件發(fā)生概率明顯高于歐美地區(qū)，京津冀地區(qū)秋冬季靜穩(wěn)天氣發(fā)生的概率為35％～42％，四川盆地全年靜穩(wěn)天氣時間高達50％，而歐美為20％～24％，不利的大氣擴散條件加之高強度的污染排放是我國秋冬季嚴重空氣污染過程頻發(fā)的主要原因。即使目前的污染物排放強度保持不變，若能達到歐美地區(qū)同樣的大氣擴散條件，則我國冬季82％的地區(qū)PM2.5平均濃度會明顯降低，其中京津冀和四川地區(qū)平均可降低12％。研究進一步指出，由于我國目前的PM2.5年均濃度處于較高水平，要實現(xiàn)優(yōu)良天數(shù)達標的目標需綜合考慮經(jīng)濟的穩(wěn)定增長以及更為嚴格有效的減排措施，在制定未來減排措施的過程中不可忽視氣象氣候條件對空氣質(zhì)量的影響（Wang et al.，2018a）。

4.2.3 中國城市熱環(huán)境和居民生活熱舒適度評估

1）城市熱環(huán)境的時空動態(tài)變化

開展城市熱環(huán)境時空動態(tài)變化研究是理解城市居民熱暴露環(huán)境特征的重要方面。在日變化時間尺度上，基于局地氣候分區(qū)系統(tǒng)分析了南京地表熱島強度日變化特征及其季節(jié)性差異（Dong et al.，2022）。主要發(fā)現(xiàn)包括：1）對于年均日內(nèi)逐時地表熱島而言，多種局地氣候分區(qū)類型的日內(nèi)變化形態(tài)相似（均為“單谷單峰”型）;但日內(nèi)特征值存在一定差異;中層、高層以及重工業(yè)建筑類型日內(nèi)累計熱島時間最持久（大于20 h），大型低層建筑類型熱島強度日內(nèi)最大值最高、日內(nèi)最小值較小，離散建筑類型日內(nèi)熱島強度均最低;2）對于月均日內(nèi)逐時地表熱島而言，4—9月多種建筑類型月均和年均的日變化形態(tài)相似;3—10月，盡管地表熱島強度觸及日內(nèi)最高值后下降速度加快，但月均日內(nèi)變化形態(tài)仍與年均形態(tài)基本相似;就其余月份（特別是冬季）而言，不同建筑類型月均日內(nèi)變化形態(tài)大多呈現(xiàn)較大的分異，部分建筑類型甚至呈現(xiàn)完全相反的形態(tài)特征。

在城市熱島日變化模態(tài)上，研究識別了5種模態(tài)及其發(fā)生機制。基于我國354座大城市情況和地表溫度日內(nèi)變化模型，率先在區(qū)域尺度上識別了地表熱島強度變化的主要模態(tài)（Lai et al.，2018b）。研究發(fā)現(xiàn)：1）多數(shù)城市熱島強度的日內(nèi)最高（最低）點出現(xiàn)在上午及中午（下午）時段;2）強熱島及冷島出現(xiàn)的持續(xù)時長分別為5.6（±4.0）和7.6（±6.1） h;3）地表熱島主要具有5種主要模態(tài)：“勺狀模態(tài)”“弱勺狀模態(tài)”“準勺狀模態(tài)”“反勺狀模態(tài)”和“直線型模態(tài)”。在對地表城市熱島強度估算的影響方面，研究表明地表溫度產(chǎn)品質(zhì)量控制對其具有系統(tǒng)性影響。根據(jù)對中國86座城市的分析（Lai et al.，2018a）可知：1）MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量控制對晝夜熱島強度的影響分別為24.3％和29.9％;2）地表熱島具有鮮明的季節(jié)性和南北差異，春季和秋季與地表熱島強度與云量顯著負相關(guān)。

2）居民生活熱舒適度的時空變化

當(dāng)前高精度城市熱舒適度數(shù)據(jù)的缺乏阻礙了公眾對城市人居環(huán)境健康的進一步認知。基于區(qū)域尺度（1 km）城市熱舒適度數(shù)據(jù)估算了長江三角洲地區(qū)通用熱氣候指數(shù)（universal thermal climate index），評估了典型城市熱島強度類型之間的差異（Wang et al. 2020）。主要結(jié)論包括：1）通用熱氣候指數(shù)在城鎮(zhèn)地區(qū)整體高于其他地表覆蓋類型，雖然其與空氣溫度的空間分布特征相似，但其明顯高于空氣溫度;2）2002—2018年長江三角洲地區(qū)受極強熱應(yīng)力或強熱應(yīng)力影響的地域不斷增多，城鎮(zhèn)周圍是通用熱氣候指數(shù)升高較為明顯的區(qū)域;3）基于陸地地表溫度、平均輻射溫度、通用熱氣候指數(shù)、近地面空氣溫度和露點溫度估算的熱島強度在白天依次下降，且長江三角洲不同典型城市之間熱島強度的差異相對較小;然而，在夜晚不同熱島強度之間差異明顯增強，其中熱島效應(yīng)對杭州通用熱氣候指數(shù)的影響顯著高于其他兩個典型城市。該研究為增進遙感技術(shù)與城市熱舒適度的融合研究提供了范例。

3）影響城市熱環(huán)境的主要因素

開展城市熱島-熱浪之間的協(xié)同作用機制研究是理解城市熱環(huán)境時空演變規(guī)律的有效途徑。對于廣泛氣候背景對城市熱島-熱浪之間的協(xié)同作用機制的影響，以往研究尚未顧及這一點，特別是熱浪強度增強下熱島如何變化仍存有爭議。為此針對中國354個城市的熱浪-地表熱島強度響應(yīng)及其影響因素，量化了熱浪-熱島協(xié)同程度，結(jié)果（Miao et al.，2022）表明：1）與非熱浪期比較，熱浪期地表熱島強度變化幅度具有顯著的干濕和緯向差異，即中國東部地區(qū)濕潤帶熱島增強而西北地區(qū)干旱帶冷島增強;2）郊區(qū)植被覆蓋的氣候區(qū)差異主導(dǎo)了熱浪-熱島協(xié)同效應(yīng)的空間格局，郊區(qū)植被指數(shù)與晝、夜熱島強度變化的相關(guān)系數(shù)分別為0.407和0.446;3）熱浪-熱島協(xié)同程度在大多數(shù)氣候區(qū)隨熱浪強度增加而增強，包括白天的熱帶區(qū)、暖溫帶區(qū)及干旱溫帶區(qū)，以及夜晚除中溫帶外的所有氣候區(qū)。

在時空尺度及采樣效應(yīng)對地表城市熱島各類控制因子相對貢獻度的影響上，研究基于中國896個城市的調(diào)查（Lai et al.，2021）發(fā)現(xiàn)：1）隨著時間尺度的擴大，氣候因子對熱島的控制逐漸減弱，而城市地表屬性及發(fā)展規(guī)模的作用逐漸增加；日內(nèi)尺度氣象因子主導(dǎo)了熱島，日間和月尺度氣候或氣象因子仍有較大影響，但地表屬性對北方溫帶氣候區(qū)熱島控制較強;2）從空間尺度來看，局地尺度下城市發(fā)展規(guī)模對熱島的影響小于城市地表屬性及背景氣候因子，區(qū)域尺度下地表屬性和背景氣候因子分別控制了白天和夜間熱島，全國尺度下背景氣候因子控制了晝夜熱島;3）就篩選城市樣本的采樣標準而言，城區(qū)面積標準下熱島因子貢獻排序分別是背景氣候因子、地表屬性、城市發(fā)展規(guī)模，氣候區(qū)采樣標準下熱島最大影響因子在晝、夜分別為地表屬性和城市發(fā)展規(guī)模。

在地表和冠層熱島兩者時空格局及其主導(dǎo)因素上，全球典型城市的研究結(jié)果（Du et al.，2021）表明：1）從所有城市平均來看，年均地表熱島強度在白天和夜晚分別比冠層熱島強度高約1.1 ℃和0.3 ℃；無論晝夜，兩類熱島差異皆呈現(xiàn)夏季最大、冬季最小;2）對于氣候區(qū)，兩類熱島總體差異規(guī)律與兩者在熱帶、暖溫帶和寒帶的差異規(guī)律較為相似，即地表熱島大于冠層熱島，但干旱區(qū)城市白天冠層熱島反而高于地表熱島約0.8 ℃;3）就熱島強度晝夜差異而言，全球城市平均地表城市熱島為正（0.6 ℃），但冠層熱島強度的白天與夜間的差異為負（-0.2 ℃），表明城市化因素總體會增大地表溫度日較差和縮小空氣溫度日較差;4）兩類熱島差異受到城市地表屬性、氣候因子及城市發(fā)展強度的聯(lián)合控制。

4）未來熱舒適度預(yù)估

隨著中國城市化進入增效提質(zhì)階段，未來人為排放強度加劇情景下我國城市熱舒適度的時空格局如何演變是個亟需回答的問題。據(jù)此，研究基于通用熱舒適度指數(shù)，探究了未來（2021—2080年）4種排放情景（SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0及SSP5-8.5）下352個城市的熱舒適度相似性和轉(zhuǎn)移特征。研究（Wang S S et al.，2022）發(fā)現(xiàn)：1）我國城市的熱舒適度指數(shù)相似性具有明顯的空間特征；絕大部分西部、東北和南部沿海等城市的熱舒適性指數(shù)相似性較低；隨著未來人為排放強度增加，熱舒適度指數(shù)呈現(xiàn)增長趨勢，最顯著的為中部和南部沿海城市;2）城市熱舒適度的轉(zhuǎn)移特征呈現(xiàn)顯著空間分異性；以中部和南部城市的熱舒適度向低緯度城市轉(zhuǎn)移為典型，在21世紀中后期高排放情景下（SSP5-8.5），58.2％的城市將呈現(xiàn)超過5°的低緯度轉(zhuǎn)移，北部城市呈現(xiàn)向鄰近緯度（-5°～5°）城市轉(zhuǎn)移趨勢，西部城市主要向高緯度城市轉(zhuǎn)移;3）在未來人為排放強度加劇的情景下，熱舒適度的轉(zhuǎn)移將更加集中且向低緯度城市的轉(zhuǎn)移趨勢逐步增強。

5 結(jié)論

項目提出了陸表氣候觀測數(shù)據(jù)漸變型不均一性檢測和訂正的方法體系，對中國地區(qū)地表太陽輻射、氣溫、地溫、風(fēng)速和降水等觀測數(shù)據(jù)進行了均一性檢測和訂正，生成了高質(zhì)量陸表氣候觀測站點和格點數(shù)據(jù)集，計算得到中國陸表蒸散長期變化數(shù)據(jù)集。完善并構(gòu)建了均一化高分辨率的中國高精度人文要素歷史數(shù)據(jù)集，構(gòu)建了未來關(guān)鍵人文要素情景，包括人口、國民生產(chǎn)總值、城市化、土地利用、排放和用水等要素，并構(gòu)建了非二氧化碳（甲烷、氧化亞氮）在碳中和情景下的數(shù)據(jù)集，提出了碳中和技術(shù)路徑優(yōu)選和電力行業(yè)碳中和路線圖。構(gòu)建了青藏高原地區(qū)過去30 a高分辨率樹線分布、植被物候、森林碳儲量、土壤碳儲量、植被生產(chǎn)力、凍土面積和凍土活動層厚度時空動態(tài)數(shù)據(jù)集，構(gòu)建了中國中東部地區(qū)居民生活熱舒適度動態(tài)數(shù)據(jù)集。部分數(shù)據(jù)通過發(fā)表數(shù)據(jù)論文和公開發(fā)布的形式進行共享。

量化了地表太陽輻射變化和城市化對中國增溫格局的影響。研究發(fā)現(xiàn)1960—1990年地表太陽輻射總輻射降低，對日最高溫具有冷卻效應(yīng)，因此減緩了日最高溫的增溫趨勢。這在日最高地溫方面表現(xiàn)得更為明顯，地表太陽輻射的降低趨勢是夏季大于冬季，冷卻效應(yīng)也是夏季大于冬季。1990年以后地表太陽輻射降低趨勢停止，站點周邊城市化帶來的城市熱島效應(yīng)放大了日最低氣溫的增溫速度，導(dǎo)致城市觀測站增溫具有更顯著的日不對稱性，但這種日不對稱性在農(nóng)村觀測站并不顯著。氣象站點周邊城市化使局地地表粗糙度增加，致使觀測得到的地表風(fēng)速降低。我們采用兩種獨立的方法對地表風(fēng)速觀測進行了均一化，結(jié)果一致表明：中國地區(qū)地表風(fēng)速在1990年以前具有降低的趨勢，此后降低趨勢逆轉(zhuǎn)并持續(xù)增加，這一變化特征與地轉(zhuǎn)風(fēng)一致。站點周邊城市化影響了增溫格局觀測結(jié)果的空間代表性，為局地觀測誤差，而非大尺度的氣候變化。

在識別關(guān)鍵人文要素與自然要素關(guān)聯(lián)機制的基礎(chǔ)上，評估了社會經(jīng)濟和政策干預(yù)對碳排放、氮排放和其他溫室氣體排放的影響，以及中國全國或多個行業(yè)實現(xiàn)碳中和目標所帶來的對全球溫升、局地污染物排放、土地利用、水資源等的多重影響。發(fā)現(xiàn)碳中和目標總體上會帶動局地污染物排放和濃度的下降以及水資源需求的下降，但一些具體的技術(shù)路徑仍可能會加劇土地資源競爭和水壓力的加劇。從農(nóng)田管理方面提高氮肥的利用效率可以在糧食不減產(chǎn)的條件下大幅度減少農(nóng)田的氮排放，從當(dāng)前的510萬t排放減少至270～290萬t，減少了42％～47％，但仍需要重構(gòu)傳統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)體系，以使中國水體環(huán)境質(zhì)量恢復(fù)到安全水平。建議更全面細致地評估中國各種碳中和實現(xiàn)路徑的社會經(jīng)濟和自然生態(tài)影響，以保證碳中和目標與其他可持續(xù)發(fā)展目標的協(xié)同實現(xiàn)。

利用全耦合地球系統(tǒng)模式，基于4種共享社會經(jīng)濟路徑情景，預(yù)估了我國碳中和戰(zhàn)略的實施對全球變暖的減緩貢獻。發(fā)現(xiàn)我國碳中和目標下二氧化碳減排在區(qū)域競爭路徑（SSP3-7.0）和化石燃料為主發(fā)展路徑（SSP5-8.5）情景下對遠期（2081—2100年）全球變暖減緩的單獨貢獻分別為0.48和0.40 ℃，占同期全球變暖的14％和9％。進一步考慮伴隨二氧化碳減排的甲烷和氧化亞氮減排，在SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下我國碳中和可使遠期階段全球變暖減緩0.50和0.39 ℃，即使在可持續(xù)路徑（SSP1-2.6）和中間路徑（SSP2-4.5）情景下，也將使遠期階段變暖減緩0.21和0.32 ℃。在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，二氧化碳、甲烷和氧化亞氮的共同作用也顯著減緩了中期（2041—2060年）全球變暖，對避免未來氣候災(zāi)害做出巨大貢獻。

闡明了全球陸表干濕變化格局，證實了干旱區(qū)植被持續(xù)變綠，發(fā)現(xiàn)變暖總體上促進植被生長，變暖對植被生長的促進作用不僅體現(xiàn)在時間上的變化趨勢，還體現(xiàn)在氣候-生態(tài)質(zhì)量在空間上的遷移，發(fā)現(xiàn)大氣飽和水汽壓差對全球陸地碳匯年際變化起到?jīng)Q定性作用。揭示了過去幾十年青藏高原大氣飽和水汽壓差增加顯著降低了高原草地生產(chǎn)力，發(fā)現(xiàn)青藏高原干旱半干旱區(qū)積雪對植被生長有促進作用，濕潤區(qū)積雪對植被生長有抑制作用。揭示了青藏高原增暖放大現(xiàn)象與地表反照率反饋之間的關(guān)系，模擬和預(yù)估了增暖背景下青藏高原凍土的時空變化規(guī)律。構(gòu)建了以熱舒適度為核心的空間質(zhì)量綜合評價指標體系，發(fā)現(xiàn)到21世紀末，中國南部沿海和長江中下游地區(qū)城市熱環(huán)境將超過熱舒適度閾值。

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·ARTICLE·

Interactions of natural and anthropogenic parameters over the land：progress of the National Key R&D Program of China for Global Change and Response

WANG Kaicun1，WANG Can2，LI Longhui3，WANG Tao4，WU Guocan5，F(xiàn)U Yongshuo6，MA Qian5，ZHANG Jingyong7，CAI Wenjia8，CAO Jing9，YU Chaoqing10，ZHU Huasheng5，NAN Zhuotong3，CHEN Min3，ZHANG Jing5，JI Duoying5，SHEN Miaogen5，TANG Wenjun4，HE Bin5，ZHAN Wenfeng11

1College of Urban and Environmental Sciences，Peking University，Beijing 100871，China;

2School of Environment，Tsinghua University，Beijing 100084，China;

3College of Geographical Sciences，Nanjing Normal University，Nanjing 210023，China;

4Institute of Tibetan Plateau Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China;

5Faculty of Geographical Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China;

6Institute of Water Science，Beijing Normal University，Beijing 100875，China;

7Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China;

8Department of Earth System Science，Tsinghua University，Beijing 100084，China;

9School of Economics and Management，Tsinghua University，Beijing 100084，China;

10College of Ecology and Environment，Hainan University，Haikou 570228，China;

11International Institute of Earth System Science，Nanjing University，Nanjing 210023，China

Abstract With the support of the National Key Research and Development program，the project proposed a new method for the detection and correction of inhomogeneity of the observed land surface climate data，solved the problem of the detection and correction of the gradual inhomogeneity，and constructed the station and grid data set for the homogenized surface solar radiation，air temperature，ground temperature，wind speed and precipitation in China.The conclusions on the trend of surface wind speed，warming pattern in China and its formation mechanism have been revised.Multi-source data were integrated to construct and validate historical and future datasets of key anthropogenic factors affecting natural systems such as power plants，population，biomass energy，water withdrawal，nitrogen emissions，and carbon dioxide emissions at the km，watershed，or county level.Scenarios of future key anthropogenic factors were constructed，methane and nitrous oxide emission scenarios under carbon neutrality targets and future scenarios used to drive global models were developed，and the mitigation effects of Chinas carbon neutrality on global warming were estimated，and it was found that Chinas carbon neutrality had significant mitigation effects on long-term and medium-term global warming.The safety threshold and overshoot time of water nitrogen emission in each province of China are given，the relationship between grain yield and nitrogen fertilization in China is expounded，and effective ways to reduce water nitrogen emission under the premise of ensuring food security are proposed.It is pointed out that the reconstruction of urban and rural nutrient cycling system is a necessary way to ensure food security and restore water quality at the same time.It is found that the interannual change of global water vapor deficit is significantly related to the interannual change of atmospheric carbon dioxide concentration rising rate，which illustrates the important role of water vapor deficit change in regulating ecosystem productivity and the complex influence of multi-factor coupling on ecosystem productivity change.A more comprehensive and detailed assessment of the socio-economic and natural ecological impacts of Chinas various pathways to carbon neutrality is recommended to ensure that the goal of carbon neutrality is achieved in synergy with other sustainable development goals.

Keywords climate change;future scenarios;Carbon Neutral;land surface process;ecosystem productivity;food security

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20240103001

（責(zé)任編輯：張福穎）