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土地利用/覆盖变化在不同空间尺度上,对全球、区域以及局地产生影响。这种影响日益引起人们的重视。IPCC AR4指出土地利用变化是人类活动影响气候系统的重要途径之一。大量的观测和模式模拟实验也表明,土地利用覆盖变化在不同空间时间尺度上已成为人类对气候的重要影响因素。
尽管国内外已经有很多关于土地利用/覆盖变化对气候影响的研究,但是相对于中国土地利用/覆盖变化格局的多样性来说,针对中国土地利用/覆盖变化对气候影响的系统研究仍然十分缺乏。因此,需要进行更多中国土地利用/覆盖的气候效应模拟研究。本文在对RIEMS2.0模拟能力改进实验的基础上,基于更符合实际观测的土地利用/覆盖数据等多种资料进行高分辨率、长时间区域气候数值模拟,有利于更全面认识以农田扩张为主的土地利用/覆盖对中国区域气候的影响及其作用机理。
1)采用现实地表发射率后,RIEMS2.0气温模拟效果较黑体实验有了很大提高,中国大部分区域模拟气温升高,这样减少原有模式气温模拟与观测的冷偏差,北方的模拟效果改进比南方明显,冬季模拟效果的改进比夏季更明显。采用现实地表发射率参数,无论是年均温还是各季节气温,中国及分区中东北、华北、西北东部、西南、华中偏差都减小,并且都通过了显著性检验(P<0.05)。中国区域以及绝大多数分区内气温季节演变的曲线更符合观测值。但同时也发现,在西北地区原有暖偏差增加。
2)从多年平均和年际变率角度来看,无论60km水平分辨率还是30km水平分辨率,RIEMS2.0都能够很好模拟出中国多年平均气温和降水的空间分布以及年际变率。提高模拟分辨率后,地形细节反映的更多,气温和降水空间分布模拟更精细,也更有利于改善陡峭地形附近的气温分布形态的模拟,进而有助于改善多数分区模拟状况。
3)采用LUC90土地利用/覆盖资料后,相对于USGS土地利用/覆盖资料来说,使得西北东部夏季气温年际变化模拟能力显著提高,西北东部、华北和华中冬季气温年际变化模拟能力显著提高,东北夏季降水年际变化模拟能力有显著提高,华北冬季降水年际变化模拟能力有显著提高,土地利用/覆盖变化大的地区,其对气候年际变率的影响也大。
4)北方历史农田扩张不仅影响总降水量变化,而且也影响不同强度降水频度的变化。小雨、中雨日数变化的空间变化与总降水变化空间分布基本一致,干旱日数变化与总降水变化空间分布相反。小雨、中雨降水频度的变化是总降水空间分布变化的最主要因素。东北北部地区和华北部分地区的年干旱日数增加,这些地区农田面积较大,不同强度降水的频度减少,会使干旱增加,会导致这些地区水资源的进一步缺乏,东北和华北部分地区灌溉需求的进一步加剧。因此,在未来北方土地利用/覆盖管理上,应该重视土地利用/覆盖对中国降水的这种效应。
5)土地利用/覆盖变化中不同类型间的转换对气温的影响和作用机制不一样,相同类型的转换在不同的位置也会有不同的影响。农田转变为草地,使得潜热通量减少,气温增加。在中国区域内,农田转变为森林,不同纬度的毁林农田扩张对区域气候的影响不同。对东北来说,毁林农田扩张造成的地表反照率增加,再加上冬季积雪的正反馈效应,使得地表反照率对气温的影响作用大于蒸散发减少对气温的影响,因此无论冬季气温还是夏季气温都降低;对华北和华中来说,夏季蒸散发对气温的影响作用大于地表反射率的对气温的影响,农田扩张产生增温效应。而冬季蒸散发的作用较小,地表反照率效应起主导作用,气温降低;对华南来说,农田扩张使得蒸散发减少,不同季节气温都升高。
6)土地利用/覆盖变化不仅影响地面气候也会到大气环流,进而影响东亚季风的模拟。采用LUC90土地利用/覆盖资料后,相对于USGS资料来说,华南、华中农田变为森林,华北灌溉农田变为雨养农田,这使得南部区域的夏季风减弱,而华北一带夏季风增强,冬季在西南有弱气旋式环流变化,有利于这一地区的水汽辐合;北方历史农田扩张,西南沿西北一带方向850hPa风场风速增加,使得这一区域夏季风增强,有助于携带更多东部沿海的水汽到西北,同时东北出现反气旋变化,在冬季东部季风增强;东北现代农田扩张,由于变化范围相对小,因此对大气环流的影响也较前两个实验模拟变化强度和范围都小了很多,但是这种变化仍会对东北局地降水产生重要影响。