中国区域土地利用变化和农业活动对区域气候影响的数值模拟研究

中国区域土地利用变化和农业活动对区域气候影响的数值模拟

研究

陆地与大气在各种时空尺度发生着复杂的相互作用,调节着界面上的能量、

物质和动量交换,从而对气候产生重要影响。在人类活动和气候变化的双重胁迫

下,中国近30年来的土地利用在不同时空尺度上都发生了很大变化。

中国是世界上灌溉面积最大的国家,而华北平原是中国灌溉面积最大的区域。中国西北降水稀少,水资源短缺,严重制约了当地农业的发展,而地膜覆盖可以有效抑制土壤的蒸发,保持土壤湿度,在西北的应用前景较好。

中国区域这些典型的下垫面变化,通过陆气相互作用,必将对区域气候产生

不可忽略的影响。目前土地利用变化对区域气候影响的数值模拟多关注的是单一

土地利用类型的变化,且没有考虑次网格尺度的信息;模式中的灌溉方案还不够

完善;有关地膜覆盖农田对区域气候影响的研究还没有。

本论文首先分别利用历史三期(1990年、2000年、2010年)土地利用数据和植被覆盖度数据来驱动区域气候模式WRF(陆面模块选用Noah),系统模拟研究了中国土地利用和植被覆盖度变化对区域气候的影响。进而在WRF耦合的Noah-MP 陆面模块中引入新的动态灌溉方案,并以此模拟研究了华北平原灌溉对区域气候

的影响,所引入的新方案考虑了灌溉与地下水的耦合过程以及灌溉对植被的影响

作用。

最后在耦合模式WRF/Noah中引入动态灌溉方案的基础上,将地膜参数化方

案引入该模式,分别设计考虑和不考虑地膜覆盖的试验,研究了西北干旱半干旱

区地膜覆盖农田对区域气候的影响。主要研究结果和结论如下:(1)在土地利用试验中,地表反照率、叶面积指数、城市地表的不透水性、低空云量等影响地表能

量及分配,导致土地利用变化对中国部分区域的夏季潜热、感热和地面气温等陆

面物理量的影响显著,其中,反照率和低空云量主要影响地表净辐射,叶面积指数和城市地表的不透水性主要影响潜热,进而触发气温的变化。

土地利用变化对冬季地表能量的影响主要通过反照率的变化实现,反照率受冰雪影响较大,如西藏南部。在植被覆盖度试验中,植被覆盖度与叶面积指数是一致的,植被覆盖度变化通过影响土壤蒸发、冠层截留水分蒸发和植被蒸腾(即模式中潜热的三分量)来影响夏季潜热,进而引起地表能量分配的变化。

尽管受植被覆盖度直接影响的土壤蒸发的变化一般与总蒸散的变化相反,但是在潜热的三分量中,受叶面积指数直接影响的植被蒸腾对潜热影响最大,因此,潜热的变化与植被覆盖度的变化具有较好的空间一致性。感热和气温基本上与潜热变化相反。

土地利用和植被覆盖度变化通过影响低空风场来引起部分区域夏季降水的

变化。以东北为例,土地利用和植被覆盖度变化通过改变低层大气温度,影响位势高度,进而引起风场的异常。

(2)新的灌溉方案模拟的华北平原灌溉率与实际接近,受旱涝年影响的灌溉率年变化明显。受灌溉影响的地下水位有升有降,但总体下降,在河北省下降尤其明显。

灌溉所引起的土壤湿度增加不仅对土壤蒸发有直接影响,还会通过植被覆盖度的增加导致植被蒸腾增强,因此,灌溉对潜热的影响同时包含了土壤蒸发和植

被蒸腾的变化。潜热的增加导致分配给感热的地表能量减少,地面气温降低,在灌溉率较大的区域,春季气温显著下降0.8-1.6℃,夏季气温显著下降 1.2-2.6℃。

考虑灌溉的试验对一些关键变量(如总初级生产力、植被覆盖度、感热和夏

季气温)的模拟有明显的改善。在华北平原,灌溉对边界层大气有增湿和冷却的作用,这两种作用对夏季降水分别产生正反馈和负反馈,导致夏季降水不均匀的变

化(有增有减)。

在非灌溉区,降水的变化与灌溉对低空风场的影响有关。在灌溉和动态植被

对地面气温的综合影响中,灌溉的直接影响在春季占70.9%,在夏季占63.8%。

(3)在西北的灌溉农田,铺地膜之后,灌溉量在农作物生长初期(4月22日-7月1日)减少明显,尤其是5月份,地膜覆盖有效节约了农业用水。在灌溉农田,由于有和无地膜农田都考虑了灌溉,除了农作物生长初期无地膜农田第一层土壤

湿度较低之外,有和无地膜农田的土壤湿度差别不大;在非灌溉梯田,有地膜农田的土壤湿度明显高于无地膜农田,地膜的保墒作用明显。

地膜对陆面过程的影响主要体现在农作物生长初期,农田的地膜覆盖对向上的短波辐射和潜热影响明显,使向上短波辐射增加,潜热减少。从农作物生长初期的平均结果来看,地膜覆盖使得潜热在农田区域减少12-30 W/m~2,感热增加8-16 W/m~2,地面气温增加0.2-0.8℃。

农田的地膜覆盖减少了大气中的水汽含量,使得西北地区降水以减少为主。