地球三极:全球变化的前哨

第1章 地球三极研究意义与发展态势 地球三极素材提供：车涛 本章作者名单 首席作者 车涛，中国科学院西北生态环境资源研究院 李新，中国科学院青藏高原研究所 主要作者 安培浚，中国科学院西北生态环境资源研究院 方苗，中国科学院西北生态环境资源研究院 潘小多，中国科学院青藏高原研究所 南极、北极和以青藏高原为主体的第三极是地球的“三极”，不仅蕴藏着全球主要的淡水资源，且油气资源丰富，是全球资源、能源开发潜在的战略性储备区域，也对我国未来发展、国家利益和安全战略具有十分特殊的重要意义。在全球变化背景下，三极地区异常的生态与环境现象不断出现，三极地区生态与环境的快速变化已引起国际社会的高度关注。掌握三极地区的资源分布状况，冰冻圈变化及影响，集成三极研究的成果形成系统性平台，科学评估三极地区应对气候变化的脆弱性和预测极地环境时空变化，不仅有助于确保我国极地权益、为国际谈判提供话语权，也能够为极地治理等国家决策提供基础支撑。 目前，国内外在三极地区已经开展了大量的观测和科学研究工作，积累了一大批基于空-天-地平台的观测数据、“水-土-气-生-人”等各类模型输出的数据、数据同化系统生成的数据以及丰富的科考记录。近年来，国际极地年（IPY，2004年）、气候和冰冻圈（CliC）、冰桥（IceBridge）计划、第三极环境计划（TPE）、全球高山生态环境观测研究计划（GLORIA）和环北极生物多样性监测计划（CBMP）、北极气候研究多学科漂流观测计划（MOSAiC）等国际计划相继实施，使得相关区域形成了联网研究（Frey et al.，2020）。特别是近十年来，国际上对于冰川、冰盖、冻土的研究在方法体系和技术手段及科学认识方面均已有长足的发展（Siegert，2017）。Sentinel系列卫星数据的发布和 CMIP6数据的公开，正在推动三极环境变化研究进入大数据时代。 长期以来，我国在第三极地区开展了系统、多学科的研究，积累了丰富的研究成果，为青藏高原生态保护、重大工程建设、农牧民发展致富、政府科学决策等起到了重要作用，也得到了国际社会的广泛认可。然而，相对于第三极研究，我国目前在南北极地区科学研究的水平较低，尤其存在研究基础薄弱、研究方向分散且不系统、水平有待进一步提高等问题。从全球范围来看，冰川、冰盖、冻土等冰冻圈要素在气候系统的作用目前还处于较简单的认识层面，缺乏对三极地区水循环、生态过程、气候系统变化，特别是极地多圈层过程相互作用机制的系统性、整体性的认识。 2018年中国科学院启动了战略性先导科技专项（A类）“地球大数据科学工程”，并专门设置了面向三极研究的项目“时空三极环境”。该项目以服务国家的“极地治理”为目标，集成“三极”多源信息资源，形成极地综合观测数据和信息服务能力，为我国极地活动能力和治理能力（北极航道、全球变化、水安全、生态安全、极地资源）提供科技支撑。该项目还将建立三极大数据共享和服务平台，形成先进的三极大数据挖掘分析能力，制备一系列高质量、高分辨率三极遥感产品和数据同化产品并开放共享。该项目旨在将地球三极作为一个整体，开展系统性、关联性的全局性多要素协同分析，提升对三极地球系统科学深度认知，并在三极全球变化的遥相关特征、三极气候系统多圈层相互作用及其影响、三极千年古环境重建、极地冰冻圈和生态水文变化等领域取得原创性成果（Li et al.，2020；Guo et al.，2020）。 本书对“时空三极环境”项目执行以来取得的成果进行总结，同时结合国内外三极环境变化研究已有成果，形成一份较为完整、系统的三极环境变化综合评估报告。本书作为**份以地球三极为对象的环境变化评估报告，可为三极研究科学家和管理者提供地球三极环境的过去、现状和未来变化的科学参考与决策依据。 1.1 地球三极范围 北极地区：北极范围有多种定义，本书采用北极监测和评估计划（AMAP）确定的范围，该范围以北极圈（66°34′N）和 60°N线为参考，同时考虑气候、植被、海洋以及不同国家的政治与主权等边界条件，从高北极延伸到加拿大、丹麦（格陵兰岛和法罗群岛）、芬兰、冰岛、挪威、俄罗斯、瑞典和美国的亚北极地区，且包括相关的海洋地区 [图 1.1（a）]。 图1.1 地球三极的范围 南极地区：定义为南极圈 66°34′S以内的区域，同时包括南极大陆、南极冰盖和南极半岛等南极圈以外的部分 [图 1.1（b）]。南极研究科学委员会（SCAR）将其感兴趣的区域定义为南极洲、其近海岛屿和周围南大洋（包括南极环极洋流，其北部边界是亚南极锋）。 第三极地区：以青藏高原为主体的亚洲高山区（High Mountain Asia），其中包括横断山脉、喜马拉雅山脉、帕米尔高原、兴都库什山脉、苏莱曼山脉、天山山脉，经纬度范围为 23°12′～45°45′N、61°29′～105°44′E[图 1.1（c）]。范围西起兴都库什山脉，东至祁连山脉东南缘—邛崃山东麓—横断山脉，南自喜马拉雅山脉南缘，北迄天山山脉北侧。该区域界线以海拔高度 2000 m为基准，在地形、坡度、河谷等地理要素基础上，综合参考行政边界、山体、生态系统等完整性构成。 1.2 三极环境变化研究的科学与国家战略意义 三极在全球气候和环境变化中占据着重要地位。近几十年，三极是全球气候变暖*为剧烈的地区，随着气候变化叠加效应的不断积累，三极地区的生态与环境不断出现异常，特别是近几十年来三极地区出现了前所未有的变化，如全球变暖背景下的北极地区的“极地放大效应”以及第三极的“海拔依赖升温（EDW）”现象（Pithan and Mauritsen，2014；Pepin et al.，2015；Gao et al.，2019；Dai et al.， 2019）、北极海冰快速减少（Parkinson and Cavalieri，2012）、南极海冰增加（Liu and Curry，2010）、海平面上升（Gardner et al.，2013；Li et al.，2019）、南极的绿化趋势（Amesbury et al.，2017）、北极植被覆盖率增加（Pearson et al.，2013）、冻土退化（Cheng and Wu，2007；Li et al.，2008；Li et al.，2012； Ran et al.，2018）、南极和格陵兰冰盖以及山地冰川退缩（Meier et al.，2007；Yao et al.，2012；Cogley， 2017；Kraaijenbrink et al.，2017）、南极冰架崩解（Paolo et al.，2015）、热盐循环减慢（Chen et al.，2017）、北极径流的持续增加（Peterson et al.，2002），以及三极地区的冰冻圈退缩及水循环加强（Yao et al.，2019）等。 三极地区的环境变化还对极地地区的生物和人类活动产生深刻的影响，如北美驯鹿及企鹅数目的减少。此外，三极气候变暖对中国气候同样具有深远影响。青藏高原气候变暖以及与之相联系的大气热源变化是亚洲季风和中国气候年代际变化的重要驱动力之一（An et al.，2015）。北极海冰加速融化会进一步引起中国冬季寒潮等极端气候事件频发（Liu et al.，2012）。耦合模式预估结果表明，在未来高排放情景下，南极海冰融化速度可能在 2050年前后加倍，进而通过大气和海