近30年土地利用土地覆盖变化对中国区域气候的影响：基于RegCM模式结果分析

论文总字数：20958字

目 录

1 引 言4

2 资料与模式6

3 结果分析8

3.1 LUCC对温度的影响8

3.2 LUCC对降水的影响8

3.3 LUCC对地表能量平衡的影响10

3.3 LUCC对低层环流场的影响13

4 LUCC的影响机理分析15

5 结论和讨论16

参考文献17

致 谢19

近30年土地利用/覆盖变化对中国区域气候的影响：

基于RegCM模式结果分析

朱泽文

，China

Abstract Land use/land cover change (LUCC), which is affected by human activities, has become an important factor affecting regional and global climate.The Regional Climate Model (RegCM4.5) was used to investigate the climate effects of LUCC over China during the last 25 years by performing two integral experiments（1980-2005）on different land conditions.The results showed that there were obvious local and seasonal differences in the impact of LUCC on climate.In spring and winter, LUCC caused the temperature in northeastern China to decrease, and the precipitation in the Sichuan Basin increased. In the spring and summer, the temperature in the northwest China increased and the precipitation decreased.The mechanisms involved vary significantly between regions. In North China, LUCC mainly affects the climate through alteration of albedo, while in the southwest, LUCC mainly affects the local climate through evapotranspiration.In general, LUCC has changed the surface energy balance in the past 30 years, and strengthened the monsoon circulation in winter and summer in China, which has a significant impact on the climatic factors.

Key words: Land use/land cover change; Regional climate; Numerical simulation

1 引言

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）在缓解缓解气候变化方案中提出设想：世界正越来越依赖陆地生物圈作为食物、物质和能量的来源^[1]。人类对于陆地生态系统的干预直接改变了陆面植被覆盖，结构等生物物理特性。而干预的方式主要为使土地从一种土地利用类型转变为另一种，即土地覆盖变化（LCC），例如森林到农田的转化，或者是使土地在一种特定利用类型下进行管理措施的转变即土地管理方式变化（LMC），例如从硬木林到软木林，从无灌溉到有灌溉的农田等。LCC和LMC（在接下来便称为土地利用和覆盖变化即LUCC），通过改变地表太阳能，热红外辐射的收支和大气湍流，从而进一步改变陆面与大气中进行交换的热通量，水汽、动量、二氧化碳等其他微量气体和气溶胶（包括有机和无机）的变化^[2-5]。

下垫面的状态对全球和区域气候的影响十分显著，而受人类活动影响的LUCC已然成为影响区域乃至全球气候的重要因素^[6]。有研究表明，在近几百年间，全球42%~68%的陆地表面已经被人类活动影响^[7]，这说明LUCC的改变足够引起人们重视其气候影响。LUCC可以通过改变陆面与大气中进行交换的热通量，水汽、动量和温室气体来影响陆面的能量和水循环^[8]，也会对大气环流以及季风产生影响^[9]。有研究指出，LUCC对气候的影响是十分复杂的，不同区域，不同类型的LUCC对气候有着不同的影响^[10]。LUCC 不仅可以对区域的气候造成影响，还会影响全球性的气候，如：中纬度的LUCC会使得亚洲夏季风减弱^[11]，LUCC还可以通过遥相关影响到其他地区的气候^[12]。

虽然已有很多研究说明LUCC对气候有显著的影响，但在这方面的研究依旧薄弱。目前对LUCC的研究手段主要集中在利用数值模式模拟的办法，其对气候的影响机制通常以其生物物理和生物化学作用为特征，从而进行划分。

生物化学机制包括通过改变大气化学成分从而对短波和长波辐射平衡产生影响。在这些生物化学机制中，受到最广泛认可也是最重要的机制便是通过对二氧化碳的储存与排放从而直接影响地球的长波辐射平衡^[13]。在陆地生态系统中，主要是森林排放生物源挥发性有机化合物（BVOCs），例如可在大气中快速氧化产生臭氧和二次有机气溶胶（SOAs）的萜烯和异戊二烯[7]。这些生物化学机制通过改变大气散射、短波辐射的吸收以及促进云层形成来直接和间接地对局地气候产生作用^[14,15]。

陆地生态系统还通过生物物理机制来影响气候。例如植被通过调节在行星边界层内交换的热量，动量和水分通量，从而来缓和云的形成，对流锋面降水，以及影响大气环流^[4,5,16]。

相对于草原或农田，由于有较低的反照率，森林通常会吸收更多的太阳能短波辐射^[17,18]。同时，树木能够获得更深层土壤中储存的水分，因此通过蒸腾，森林可以将更多的水分传输给大气^[19]，并且由于其在空气动力学中较高的粗糙度，森林在大气边界层中产生更多的湍流^[20]。尽管与LUCC相关联的生物物理机制引起的气候直接效应往往存在局地性^[21,22]，但也可能具有全球效应。例如，地表反射的太阳辐射能（反照率）可以通过影响土地吸收能量的多少来有效地影响局地温度。与此同时，地表反照率的变化也改变了行星反照率，因此地球总共吸收的太阳辐射能也随之改变，从而影响全球平均气温。

LUCC通过生物化学和生物物理机制的气候强迫所造成的相对影响，不仅取决于植被本身的物理属性，还包括局地的环境条件，两者同等重要^[23,24]。例如，如果从常青森林转为农田的这种转变分别发生在加拿大北部和美国的温带地区，那么所造成的生物物理机制的气候强迫将会有所不同。在冬季，常青森林的冠层会遮盖雪面，当变为农田后，雪将暴露在外面，由于雪的反照率高于植被，因此该地区反照率会增大。相对于美国温带地区，加拿大的积雪季节时间更长，因此对于相同的这种转变，加拿大地区的反照率变化将更加明显^[17,25,26]。然而，从另一方面讲，由于温带森林相对于北方森林储存的碳少^[27]，所以LUCC引起的生物化学机制的气候强迫的强度（即大气中二氧化碳浓度的变化）也比较低。同时，局地的环境因素也决定了其他生物物理因子是否对当地气候比较重要，如蒸发和蒸腾（E T）是否应与考虑。通过研究表明，温度和降水是蒸发和蒸腾的强烈预测因子，较高的蒸发和蒸腾通常对应于较低的表面温度^[17,18]。假设上一个例子中的温带森林不受水分的影响，由于温带森林的生长季节更长（相对暖和的年平均气温），蒸发和蒸腾的变化所引起的生物物理机制影响相对于北方森林将更大。

除上文提到的反照率外，LUCC对全球气候的直接影响主要是由生物化学机制所引起的。相对于生物气溶胶方面，LUCC通过生物物理机制所引起的气候强迫现如今已得到相对科学的分析与解释，但是关于这方面的具体机理仍存在不明确的地方和问题^[28,29]。具体表现在LCA中的局限性以及在IPCC的最新评估报告中没有给予应有的关注与重视。举个例子，在IPCC采用的代表性浓度途径（RCPs）中，LUCC对气候的影响仅限于温室气体浓度的扰动^[1]。只到最近，才在LCA的研究中进一步考虑生物物理机制的影响。对于全球生物燃料途径，在考虑LUCC生物化学反馈机制方面的影响（GHGs）的同时，将反照率的变化加入到一起考虑，Caiazzo等人发现，反照率的变化决定了一些途径的净生命周期气候影响^[30]。最近其他有关LCA生物能源系统方面的研究也得出了类似的结论^[31]。尽管这些努力可以看作是一种进步，但其他重要的非辐射性生物物理机制所引起的局地气候强迫尚未被纳入考虑范围。然而，这些因素机制却同等重要。例如，区域气候模式（RegCM）模拟表明，美国西南部一年熟作物被替代为多年熟作物后，反照率与蒸散量均得到增加，从而导致了明显的局地冷却效应^[32]。这也是区域气候中较为主流的生物物理反馈机制。在巴西克里拉大农业区域将大豆转化为甘蔗作物对局地气候的影响研究中，得出了相同的结论，即增强的蒸散作用与增大的反照率将产生大规模局地冷却效应^[33]。

在中国，地形复杂，下垫面存在多样性，以及在近几十年来，土地利用与覆盖变化的空间格局发生了巨大的改变^[34]，我国气候和LUCC的关系也得到了很多学者的关注和研究^[35-37]。近年来，我国经济迅速发展，城市化也随之加剧，由于城市与自然下垫面的差异，城市的“热岛效应”会造成局地气温升高^[35]。国家还实施退耕还林、还草，退耕还湖，鼓励植树造林等措施，对当地的土地覆盖都有积极的影响。陈海山的研究表明在不同时期，不同数据源的LUCC对我国的气候有着十分重要的影响^[36]。基于我国近几十年来的土地利用变化特别活跃，造成LUCC前所未有的变化，对我国甚至东亚的气候造成十分深远的影响^[37]，本文使用高分辨率的区域气候模式即RegCM4.5，边界场选用全球模式IPSL-CM5A-LR-CMIP5历史实验的结果，主要通过以1980年和2005年两个代表年不同的土地利用/土地覆盖类型作为强迫，分别进行在中国区域各25年时间长度（1980-2005）的积分实验。结合两组实验各个季节的平均气象要素差值空间分布，以探讨中国土地利用状态对气候的影响。

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