科研進展

GPC/JAMES: 气候变化与人为扰动对全球河流温度及无机氮输送的影响

  氣候變化背景下,以河岸熱排放、陸地氮排放以及取用水調節爲主的人類活動改變土壤與河流的水熱條件和氮遷移過程,進而影響全球氮循環與水環境。定量評估氣候變化與這些人類活動對全球河流溫度及氮輸送的影響,不但能加深我們對人類活動幹擾下的物質能量循環過程的認識,也有助于對河流生態環境的有效保護。

  近日,中科院大氣物理研究所LASG國家重點實驗室謝正輝研究員、王妍博士、中科院成都山地所劉雙博士及其合作者同時將河流無機氮輸送、河流水溫計算、以及人類活動參數化方案與陸面過程模式進行耦合,發展了包含人爲擾動與河流無機氮輸送的陸面過程模式CAS-LSM,由此進行了一系列數值模擬試驗,在全球尺度上揭示了氣候變化與人爲擾動對全球河流溫度及無機氮輸送的影響。

  模式能合理地模擬大尺度河流溫度變化及河口無機氮輸出量。進一步分析表明:1981-2010年全球河流處于升溫狀態,其中熱帶地區河流隨著氣候變化正以每十年約0.5oC的速率增長;熱電站直流冷卻系統排放的熱量進一步了加劇河流水溫的上升,這30年內亞洲地區由此導致的升溫幅度高達60%。

  氣候變化決定了陸-海無機氮輸出量的年內變化,而取用水活動則通過影響水循環和河流熱過程,控制著河流無機氮的陸地滯留量。在人爲氮排放影響方面,美國河流無機氮增加主要受施肥影響,歐洲河流受點源汙染影響較大,而中國河流則由施肥與點源排放共同影響。

  此项研究成果可为陆-海-气全耦合氮循环模拟提供了关键的陆面模拟平台基础。此系列研究已经先后发表于《Global Change Biology》、《Global and Planetary Change》、《Journal of Advances in Modeling Earth Systems》等杂志,其中“人为热排放影响河流温度”的研究并被《Nature Climate Change》作为research highlights报道。

  參考文獻:

  1)Shuang Liu, Zhenghui Xie, Bin Liu, Yan Wang,Junqiang Gao, Yujin Zeng, Jinbo Xie, Zhipeng Xie, Binghao Jia, Peihua Qin, Ruichao Li, Longhuan Wang, Si Chen. Global river water warming due to climate change and anthropogenic heat emission. Global and Planetary Change, 2020, 193: 103289. (https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2020.103289)

  2)Yan Wang, Zhenghui Xie, Shuang Liu, Longhuan Wang, Ruichao Li, Si Chen, Binghao Jia, Peihua Qin, Jinbo Xie. Effects of anthropogenic disturbances and climate change on riverine dissolved inorganic nitrogen transport. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 2020, 12, e2020MS002234. (https://doi.org/10.1029/2020MS002234)

  3)Shuang Liu, Zhenghui Xie, Yujin Zeng, Bin Liu, Ruichao Li, Yan Wang, Longhuan Wang, Peihua Qin, Binghao Jia, Jinbo Xie,. Effects of anthropogenic nitrogen discharge on dissolved inorganic nitrogen transport in global rivers. Global Change Biology, 2019,00: 1–21. (https://doi.org/10.1111/gcb.14570)  

  4)Langenbrunner, B. Power plants warm rivers. Nature Climate Change, 2020, 10, 888. (https://doi.org/10.1038/s41558-020-00928-0)

 

图1 地球系统模式框架下包含地表地下取用水调节、人为氮排放、河流温度变化以及无机氮输送的陆面模式耦合与计算流程示意图;部分模式验证结果;气候变化和人为扰动对全球河流温度及无机氮的影响。BGC表示生物地球化学,BGP代表生物地球物理,RT表示河流温度。

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