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全球气候变暖对中国东部生物物候和生态的影响

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发布日期:2018-10-31 10:42

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, 2014) , 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., 2009) , 对于未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。具体而言, 全球气候变化背景下动植物的繁育、迁徙或开花、结果等生物生长发育过程, 以及初霜、结冰和解冻等非生物周期出现了异常。研究表明, 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., 2010) 。由于地球表面 (以下简称地表, 包括陆地和海洋表面) 存在较大的地形地貌等差异, 因而不同地区对气候变化的响应有较大的区别。其中, 海洋的升温速度虽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温暖期 (即春、秋季) 的变化比陆地更为显着 (Burrows et al., 2011;Hoegh-Guldberg et al., 2014) 。因此, 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。特别是, 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, 2010;Cai et al., 2016) 。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均的5倍 (谭红建等, 2016;Cai et al., 2017) , 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, 2010) 。随着全球气候变暖的加剧, 预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., 2014;Cai et al., 2016) , 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, 我们有必要深入认识全球变暖背景下我国东部地区的气候变化及其对环境与生态的影响, 为该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相互作用。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, 因此, 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法 (Loarie et al., 2009) 。
  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., 2009) 、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., 2009;Burrows et al., 2011) , 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, 探讨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、 数据和方法
  2.1、 数据
  本文采用的资料: (1) 1960年1月至2014年12月的CRU (Climatic Research Unit, V3.23) 全球陆地表面温度, 分辨率0.5°×0.5°; (2) 1960年1月至2014年12月的Had ISST (Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature data set, V1.1) 全球海洋表面温度, 分辨率1°×1° (http://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadisst/data/download.Html[2017-09-01]) 。全球地表温度数据的融合处理及季节变率 (单位:°C d-1) 等计算方法见Burrow et al. (2011) 。
  2.2、 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] (以地理等温线的移动速度代表气候变化速度) (Loarie et al., 2009) , 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., 2011) , 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。其中, 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可以通过对i时刻的时间序列Yi的线性拟合获得, 具体方法如下所示: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1960~2014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ΔY就可由ΔY=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°S~90°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, 因此, 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1960~2014年的全球地区 (不含极区) 年平均表面温度变化趋势[单位:°C (10 a) -1]的空间分布。由图可见, 全球表面温度的上升趋势十分明显, 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, 其中, 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, 其中, 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, 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, 最近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, 其中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 (单位:°C km-1) 分布。由图可见, 全球范围内陆地表面温度的空间梯度一般要大于海洋, 海洋中热带海域表面温度 (SST) 的空间梯度最小。地球表面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, 这些区域的表面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, 而海洋区域的表面较为均匀, 因而其表面温度的空间梯度也较小。在中国东部地区的陆域及相邻海域范围中, 陆域地表温度的空间梯度虽然一般要高于同纬度海域, 但局部如长江流域, 表面温度空间梯度较小, 因此, 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, 其中, 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。

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