袁 潮,楊文艷,孫 卓,易希延,王楠楠

(遼寧省盤(pán)錦市氣象局，遼寧 盤(pán)錦 124010)

1 引言

氣候變化是全球環(huán)境問(wèn)題之一，它對(duì)世界的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、食物供應(yīng)和可持續(xù)發(fā)展(聯(lián)合國(guó)氣候變化框架條約的第二章)有著潛在的影響。大氣二氧化碳是影響氣候變化的重要因素，工業(yè)革命以來(lái)，大氣二氧化碳濃度一直呈上升趨勢(shì)，其帶來(lái)的全球變暖也愈發(fā)得到大家的共識(shí)，從20 世紀(jì)初至今, 全球地面氣溫已經(jīng)上升了0.3～0.6 ℃,最近10 a已成為自1860 年以來(lái)最暖的時(shí)期[1],從1959年到2008年，大氣二氧化碳濃度從315.98 mg·L-1增加到385.34 mg·L-1，增加了21.9%，平均每年增加1.39 mg·L-1，并在2019年突破415 mg·L-1，創(chuàng)造有史以來(lái)最高紀(jì)錄。如果二氧化碳濃度按照此速度持續(xù)增加，到21世紀(jì)中葉(2030-2050年)二氧化碳濃度將是工業(yè)革命前(280 mg·L-1)的兩倍(560～600 mg·L-1)，這無(wú)疑對(duì)整個(gè)地球氣候系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響。

大氣二氧化碳的長(zhǎng)期觀測(cè)可以看出，除了長(zhǎng)期上升的趨勢(shì)外，其隨時(shí)間的變化表現(xiàn)出季節(jié)、年際和年代際變化[2]，強(qiáng)烈的季節(jié)變化信號(hào)在很大程度上會(huì)掩蓋大氣二氧化碳的年際變化，所以如果想得到大氣二氧化碳的年際變化，就必須應(yīng)用某種方法來(lái)首先濾去大氣二氧化碳的季節(jié)變化信號(hào)[3,4]。人為排放的年際變化與大氣CO2濃度年際變化( Interannual Fluctuations of Atmospheric CO2，IFAC) 并不一致，IFAC 反映了陸地生態(tài)系統(tǒng)、海洋與大氣間 CO2的非平衡交換，主要受某些氣候變率引起的大氣和海洋熱力、動(dòng)力學(xué)變化的復(fù)雜影響[5]。

國(guó)內(nèi)外在大氣CO2濃度對(duì)農(nóng)業(yè)影響方面進(jìn)行了廣泛的研究，Rosenberg[6]指出由于大氣CO2濃度增加導(dǎo)致對(duì)農(nóng)業(yè)的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面全球溫度升高使得植物平均凈光合作用增加，從而改變植物的葉面積和葉面結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變光合作用的內(nèi)在形式，增加水分利用率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出：CO2濃度增加一倍，植物蒸騰作用減少34%，產(chǎn)品得到明顯增加。另一方面，氣溫升高也導(dǎo)致干旱化進(jìn)程的加快，使得地表徑流大幅減少，可耕作土地面積下降，從而對(duì)農(nóng)業(yè)生成產(chǎn)生嚴(yán)重影響。張廣珠[7]研究表明大氣CO2濃度升高不但影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育,而且還改變植物體內(nèi)的化學(xué)成分的組成與含量,從而間接地影響到植食性昆蟲(chóng),進(jìn)而通過(guò)食物鏈影響到以之為食的天敵。筆者擬通過(guò)不同擬合方法，濾去CO2強(qiáng)季節(jié)變化，得到全球大氣CO2濃度年際變化規(guī)律，同時(shí)簡(jiǎn)單討論大氣CO2濃度變化對(duì)可能造成的影響。

2 大氣二氧化碳季節(jié)及年際變化研究

2.1 大氣CO2歷史變化概況

伴隨著科技的發(fā)展，Scripps海洋研究所(SIO)自二十世紀(jì)50年代末開(kāi)始相繼建立了多個(gè)固定的日、月尺度的大氣CO2直接觀測(cè)站(圖1)，為研究大氣CO2對(duì)氣候變化的影響提供了必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。圖2是根據(jù)格林蘭和南極冰芯測(cè)得的過(guò)去約300 a間的CO2濃度以及在美國(guó)夏威夷Mauna loa直接進(jìn)行大氣觀測(cè)得到的35 a間CO2濃度的變化[6]，可以直觀看出18世紀(jì)以來(lái)，大氣二氧化碳濃度有一持續(xù)上漲的趨勢(shì)，而在此前幾千年的歷史時(shí)期內(nèi)，其濃度基本保持在(280±10) mg·L-1范圍內(nèi)波動(dòng)。大氣CO2濃度監(jiān)測(cè)始于1957年，由Keeling領(lǐng)導(dǎo)的研究組在美國(guó)夏威夷Mauna loa和南極分別進(jìn)行，夏威夷Mauna loa島觀測(cè)站(19.5°N)已連續(xù)進(jìn)行了約60 a的大氣二氧化碳測(cè)量，是世界上最長(zhǎng)最可靠的大氣二氧化碳濃度記錄。

2.2 大氣CO2季節(jié)變化及其影響因素

由圖3可以直觀的看出，觀測(cè)期間內(nèi)大氣CO2濃度在持續(xù)上升的同時(shí)，還表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的季節(jié)性震蕩。這種季節(jié)性震蕩北半球比南半球大，并且在北半球南向北有增大趨勢(shì)，北半球從4月開(kāi)始大氣CO2濃度顯著減小，8月開(kāi)始逐漸增大，南半球表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。大氣CO2濃度的季節(jié)性變化與區(qū)域內(nèi)溫度和光照強(qiáng)度的季節(jié)性變化相反，一般是認(rèn)為由植物的光合作用或固碳能力的季節(jié)變化引起的，即陸地生態(tài)系統(tǒng)可能起了主要作用[8]。

2.3 大氣CO2的年際變化

大氣CO2季節(jié)變化過(guò)于顯著，在考慮其年際變化時(shí)，我們要濾去季節(jié)變化信號(hào)。在這里，筆者采用三種不同的方法濾去季節(jié)變化信號(hào)。

方法一：通過(guò)月均值的年增加量來(lái)分析大氣CO2的長(zhǎng)序列年際變化(陳中笑等[3])，自20世紀(jì)70年代中期以來(lái)化石燃料的年排放為5～8GtC,與大氣CO2總量相比，排放量的變化對(duì)大氣CO2年際變化影響幾乎相同，尤其考慮對(duì)月均值的影響時(shí)。因此，大氣CO2的年增加量表示為：

CA(i,j) =C1(i,j) -C1(i-1,j);

(1)

其中CA代表大氣CO2月均值的年增加量，C1代表觀測(cè)值，i為年份，j為月份。筆者采用該方法，認(rèn)為是以前一年的變化為基礎(chǔ)，而不分離該變化中的各種尺度，用后一年的月均值減去前一年的月均值，單純得到其月均值的年增加量。該種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以清楚的看出二氧化碳的年遞增量，對(duì)于相鄰兩年的變化有比較直觀的表現(xiàn)。由圖(4)可以看出SIO不同緯度測(cè)站在同一歷史時(shí)期，大氣二氧化碳的年增長(zhǎng)有著很高的一致性，例如在各個(gè)站點(diǎn)，1988-1989年以及1998-1999年這兩個(gè)時(shí)間段都有大氣CO2的顯著增加，這也間接證明了大氣CO2的年際變化在全球空間尺度上是基本一致的。

方法二：WDCGG-treat methods[9]在分析溫室氣體濃度的數(shù)據(jù)中指出，溫室氣體濃度變化的時(shí)間序列，通常包含不同時(shí)間尺度的變化，CO2濃度變化主要包括季節(jié)性變化和一個(gè)長(zhǎng)期趨勢(shì)，其采用數(shù)字濾波的方式，分離兩種時(shí)間尺度的波動(dòng)。主要過(guò)程可以表述為：

(1)在原始觀測(cè)數(shù)據(jù)中去掉線性趨勢(shì)。

(2)去趨勢(shì)后的數(shù)據(jù)可用下面傅里葉函數(shù)進(jìn)行擬合：

(2)

為了濾去季節(jié)變化信號(hào)，公式中t代表時(shí)間，k通常取值為4

(3)原始數(shù)據(jù)可以通過(guò)減去(2)中的S(t)從而達(dá)到濾去季節(jié)信號(hào)的目的，缺測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)線性?xún)?nèi)插得到，得到的年際變化趨勢(shì)通過(guò)適當(dāng)?shù)钠交幚?這里采用Lanczos濾波)，0.48年為步長(zhǎng)，得到新的年際變化。

(4)再利用原始數(shù)據(jù)減去(3)中所得濾波后的年趨勢(shì)，得到新的數(shù)據(jù)，利用(2)中的函數(shù)再次擬合季節(jié)變化趨勢(shì)。

(5)重復(fù)上面(3)(4)步驟，直到季節(jié)與年際變化趨勢(shì)趨于不變。

大氣二氧化碳月均值的時(shí)間序列，用多項(xiàng)式來(lái)表現(xiàn)出濃度的線性變化，擬合出其長(zhǎng)時(shí)間的變化趨勢(shì)，從而可以大致看出其年增長(zhǎng)速率。

筆者用二次多項(xiàng)式擬合二氧化碳濃度變化的趨勢(shì)線，擬合出大氣二氧化碳濃度的增長(zhǎng)趨勢(shì)，去趨勢(shì)后的濃度變化時(shí)間序列及擬合曲線，其可以清楚的反應(yīng)出濾上年增長(zhǎng)后的季節(jié)循環(huán)，每年濃度的極大極小值定義為季節(jié)循環(huán)的振幅。

兩者相減可得到濾去季節(jié)信號(hào)后的數(shù)據(jù)。根據(jù)WDCGG-treat method，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，在這里，筆者并未采用采用Lanczos濾波方法，而是采用簡(jiǎn)單的四點(diǎn)滑動(dòng)平均對(duì)所得大氣二氧化碳年際變化時(shí)間序列進(jìn)行處理，這樣可以比較好的濾去波動(dòng)較大的季節(jié)性變化。

利用方法二中步驟(3)(4)，最后大氣二氧化碳濃度的季節(jié)和年際變化時(shí)間序列都趨于平穩(wěn)，得到最后站點(diǎn)大氣二氧化碳年際變化的時(shí)間序列如圖6。

方法三：該方法是基于Keeling[4]研究基礎(chǔ)之上的改進(jìn)方法。觀測(cè)所得的大氣二氧化碳濃度資料可以反應(yīng)其從幾分鐘到十幾年不等的時(shí)間尺度的變化。我們大致將其分為三種時(shí)間尺度。

天氣尺度：大氣二氧化碳濃度在很大范圍內(nèi)微小的變化可以對(duì)天氣現(xiàn)象產(chǎn)生影響。因?yàn)樵摮叨鹊难芯啃枰獦O其精細(xì)的大氣二氧化碳濃度變化數(shù)據(jù)(日數(shù)據(jù))，目前對(duì)其研究較少，筆者暫不考慮大氣二氧化碳濃度的天氣尺度的變化。

在濾去天氣尺度的變化后得到大氣二氧化碳濃度的季節(jié)變化，該變化體現(xiàn)在大氣二氧化碳濃度平穩(wěn)的月變化，該尺度的變化不會(huì)再對(duì)局地的天氣現(xiàn)象產(chǎn)生影響。濾去季節(jié)變化后得帶后得到大氣二氧化碳濃度的年際變化，該尺度的變化緩慢，但在全球范圍內(nèi)體現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，因?yàn)榇髿舛趸嫉幕旌纤俾逝c該時(shí)間尺度相似，或低于該時(shí)間尺度。

幾乎在全球范圍的每個(gè)SIO觀測(cè)站，大氣二氧化碳濃度記錄都可以清晰的展現(xiàn)出季節(jié)性的循環(huán)，但是這些循環(huán)并是年復(fù)一年的不完全重復(fù)，這使得我們可以更加容易分離季節(jié)和年際變化。在Keeling的方法中，其用如下公式定義二氧化碳濃度的季節(jié)性循環(huán)：

(3)

這里的γ是一個(gè)增益因子，ak和bk是需要通過(guò)數(shù)據(jù)擬合出來(lái)的常數(shù)，t代表時(shí)間，ω代表角頻率當(dāng)t表示為年份時(shí)，其值可以用2πk表示，m為諧波數(shù)，通常取值為4。

在濾去上面的調(diào)和函數(shù)后，可以得到大氣二氧化碳濃度的剩余變化趨勢(shì)，Keeling用兩種方式來(lái)進(jìn)行描述：

一個(gè)離散的時(shí)間變化序列，該時(shí)間序列包含了減去公式(2.3)的調(diào)和函數(shù)后的所有變化。

一個(gè)連續(xù)的包含指數(shù)項(xiàng)方程這個(gè)方程包含了由于工業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳排放到大氣中而引起的二氧化碳的年變化。再加上提供剩余變化平穩(wěn)趨勢(shì)的樣條函數(shù)。

Cobsrem(t)=C1+C2exp(C3t)+R

(4)

C1，C2和C3是通過(guò)非線性擬合出的常數(shù)，R代表樣條函數(shù)，它的系數(shù)也通過(guò)擬合確定。

在Keeling的方法基礎(chǔ)上，針對(duì)季節(jié)循環(huán)公式(3)，將其拆分成兩項(xiàng)，調(diào)整為：

(5)

該公式可以理解為：第一項(xiàng)為單純的大氣二氧化碳的季節(jié)性變化，第二項(xiàng)為由于人類(lèi)活動(dòng)影響或是火山爆發(fā)等因素所產(chǎn)生的大氣二氧化碳的增長(zhǎng)，所以第二項(xiàng)中t前的系數(shù)可以表示為正弦余弦函數(shù)型的增長(zhǎng)型，并且長(zhǎng)期增長(zhǎng)的波動(dòng)趨勢(shì)可以與季節(jié)性不同，兩者應(yīng)該有不同的角頻率。綜上所訴，上式(5)第二項(xiàng)可以化為：

μt(sinω1t+cosω1t)

因所引用數(shù)據(jù)未進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和平滑處理，這里擬合時(shí)引入常數(shù)a，使CO2在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上變動(dòng)，最后所應(yīng)用的擬合函數(shù)為：

μt+k(sinω1t+bcosω1t)+a

(6)

采用SPO和MLO兩個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，這里我們采用大氣CO2月均值，所以ωk=2πk/12應(yīng)用上式進(jìn)行擬合所得擬合圖像如圖(7)：

為得到其年際變化的時(shí)間序列，用原數(shù)據(jù)減去通過(guò)擬合出的函數(shù)計(jì)算出的大氣二氧化碳的季節(jié)變化的月均值，濾去CO2的年際變化，從而得到了年際變化的時(shí)間序列圖(圖8)。

上述三種方法都可以一定程度上濾去大氣二氧化碳季節(jié)變化信號(hào)，從而得到其年際變化，擬合出的結(jié)果基本上可以表現(xiàn)出大氣CO2年際變化趨勢(shì)，尤其在大氣CO2的高值年(1988年,1998年)，都可以很好的擬合出來(lái)。方法一著重研究大氣CO2的年際增長(zhǎng)率，而未將二氧化碳本身的季節(jié)變化和影響其年際變化的其他因素分離,可能導(dǎo)致前后AO指數(shù)較強(qiáng)兩年相減而使后一年無(wú)法真實(shí)表達(dá)出其影響；方法二在先濾去大氣CO2的長(zhǎng)期趨勢(shì)后，著重研究大氣CO2的季節(jié)變化規(guī)律，在了解其季節(jié)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，得到其年際變化；方法三中認(rèn)為大氣CO2長(zhǎng)期的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為人類(lèi)活動(dòng)等引起的穩(wěn)定三角函數(shù)增長(zhǎng)，增益因子γ來(lái)表示，由于沒(méi)有很好的擬合出大氣CO2的長(zhǎng)期增長(zhǎng)趨勢(shì)，尤其在所選取時(shí)間序列的早期時(shí)段誤差較大，所以對(duì)其年際變化的擬合不理想。筆者在對(duì)AO指數(shù)大氣二氧化碳年際變化相關(guān)研究中，趨向于運(yùn)用方法二得到的大氣CO2年際變化時(shí)間序列。

3 大氣CO2濃度對(duì)農(nóng)業(yè)影響

大氣CO2濃度增加對(duì)農(nóng)業(yè)的影響愈發(fā)受到人們的關(guān)注[11～13]，主要可分為兩個(gè)方面：首先是CO2的直接效應(yīng)，主要通過(guò)改變綠色植物的光合作用和新陳代謝來(lái)實(shí)現(xiàn)。CO2作為光合作用原料，其濃度增加有利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)，但同時(shí)雜草也會(huì)增長(zhǎng)，這種增長(zhǎng)對(duì)C3作物的貢獻(xiàn)大于C4作物，同時(shí)作物生長(zhǎng)過(guò)程中的反饋?zhàn)饔靡部赡茉黾踊蛳魅踹@些影響。其次是大氣CO2作為溫室氣體，同樣可以表現(xiàn)出對(duì)農(nóng)業(yè)的間接效應(yīng)，大氣CO2濃度增加所導(dǎo)致的氣候變化再影響作物生長(zhǎng)，最直接的表現(xiàn)即為農(nóng)業(yè)氣候帶的向北推移，有研究指出平均氣溫升高1℃，農(nóng)業(yè)氣候帶平均北移100 km[14]，且各作物的熟級(jí)增加1級(jí)[15]。高緯度地區(qū)作物生長(zhǎng)季將延長(zhǎng)，越冬作物的種植臨界緯度北推。但同時(shí)也使得作物遭受病蟲(chóng)害的可能性增加。綜上，大氣CO2濃度增加對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有利有弊，一方面使得氣溫升高，作物生長(zhǎng)有效積溫及生長(zhǎng)期增加，從而增加農(nóng)作物的生產(chǎn)力；另一方面隨著氣溫的升高，田間雜草及病蟲(chóng)害也將隨之增加，并且由于升溫加速微生物對(duì)肥料的分解，這就需要加大對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的投入，并且氣溫升高可能使得部分地區(qū)土壤墑情變差，從而對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。

4 小結(jié)與討論

選取長(zhǎng)時(shí)間序列的大氣CO2觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比使用三種方法濾去大氣CO2季節(jié)變化信號(hào)和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)大氣CO2濃度的影響，并簡(jiǎn)要探討大氣CO2濃度變化對(duì)農(nóng)業(yè)的影響，得到以下結(jié)論。

(1)18世紀(jì)以前幾千年的歷史時(shí)期內(nèi)，大氣CO2濃度基本保持在(280±10) ppm范圍內(nèi)波動(dòng)，而18世紀(jì)以來(lái)，其濃度明顯呈快速上漲的趨勢(shì)。這說(shuō)明工業(yè)革命以后，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)大氣CO2濃度影響愈發(fā)明顯。

(2)運(yùn)用三種不同方法濾去季節(jié)變化信號(hào)和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)大氣CO2濃度影響，均能較好擬合出1988-1989年以及1998-1999年這兩時(shí)段大氣CO2的顯著增加趨勢(shì),方法一著重研究大氣CO2的年際增長(zhǎng)率，但未將大氣CO2本身的季節(jié)變化和影響其年際變化的其他因素分離；方法二在先濾去大氣CO2的長(zhǎng)期趨勢(shì)后，著重研究大氣CO2的季節(jié)變化規(guī)律，在季節(jié)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，得到其年際變化；方法三中認(rèn)為大氣CO2長(zhǎng)期的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為人類(lèi)活動(dòng)等引起的穩(wěn)定三角函數(shù)增長(zhǎng)，但對(duì)于大氣CO2的長(zhǎng)期增長(zhǎng)趨勢(shì)，擬合效果較差。

(3)大氣CO2濃度增加對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響主要包括通過(guò)改變綠色植物的光合作用和新陳代謝所導(dǎo)致的直接效應(yīng)和導(dǎo)致的氣候變化所帶來(lái)的間接效應(yīng)，一方面大氣CO2濃度增加使得氣溫升高，導(dǎo)致作物生長(zhǎng)有效積溫及生長(zhǎng)期增加，從而增加農(nóng)作物的生產(chǎn)力；另一方面氣溫的升高，也將導(dǎo)致田間雜草及病蟲(chóng)害增加，并且加速肥料的分解，從而對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。