近20年中國土地利用變化影響區(qū)域氣候的數(shù)值模擬

陳海山 李興 華文劍

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近20年中國土地利用變化影響區(qū)域氣候的數(shù)值模擬

陳海山1, 2李興1, 2華文劍1, 2

1南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044;2南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京210044

區(qū)域尺度土地利用/土地覆蓋變化（LUCC）的氣候效應(yīng)以及土地覆蓋數(shù)據(jù)的不確定性，一直是LUCC研究不可忽視的關(guān)鍵問題。本研究基于最新的遙感資料，采用新的區(qū)域氣候模式RegCM4.0，探討了1990年至2010年中國LUCC對(duì)區(qū)域氣候的影響。結(jié)果表明，中國區(qū)域LUCC使得局地氣溫和日較差發(fā)生了顯著改變，而降水及低層環(huán)流場(chǎng)變化不顯著；LUCC的影響存在季節(jié)性差異，其中，夏秋季響應(yīng)程度較大且主要體現(xiàn)在邊界層內(nèi)。就LUCC對(duì)氣候影響的機(jī)理各地區(qū)有所不同，華北地區(qū)LUCC的氣候效應(yīng)主要受蒸散發(fā)作用主導(dǎo)，而長(zhǎng)江流域則由反照率與蒸散發(fā)共同作用。這些結(jié)果均說明，較短時(shí)間尺度的LUCC氣候效應(yīng)主要體現(xiàn)在其局地范圍，且在不同的季節(jié)有所差異。

土地利用/土地覆蓋變化 區(qū)域氣候 數(shù)值模擬

1 引言

全球變化已經(jīng)成為近幾十年的熱點(diǎn)話題。根據(jù)IPCC第五次評(píng)估報(bào)告（IPCC，2013），自工業(yè)革命以來，人類活動(dòng)的凈影響已成為全球變暖的原因之一，且與近半個(gè)世紀(jì)以來的海平面上升、極端天氣氣候事件的逐漸增多存在一定的聯(lián)系。除溫室氣體和氣溶膠以外，人類活動(dòng)影響氣候的另一個(gè)重要方面是土地利用/土地覆蓋的變化。早在1995年，國際上就提出了“土地利用/土地覆蓋變化”（Land Use and Land Cover Change，LUCC）研究計(jì)劃（Turner et al.，1995）。人類活動(dòng)引起的地表覆蓋的變化對(duì)氣候和生物地球化學(xué)圈的影響得到普遍關(guān)注（Foley et al.，2005；Pielke Sr，2005），LUCC與全球變化的關(guān)系已經(jīng)成為全球變化研究的核心內(nèi)容之一（傅伯杰等，2005）。

LUCC是人類改造自然生態(tài)系統(tǒng)的最直接的體現(xiàn)。其不僅會(huì)影響局地或者區(qū)域尺度的氣候，也 會(huì)對(duì)季風(fēng)以及大氣環(huán)流產(chǎn)生影響（符淙斌和袁慧玲，2001）。同時(shí)，LUCC還會(huì)引起CO2（二氧化碳）、CH4（甲烷）等溫室氣體的過量排放，改變大氣化學(xué)成分。LUCC對(duì)氣候影響體現(xiàn)在多個(gè)方面，其可以通過改變輻射、云、地表反照率和粗糙度等進(jìn)而影響到陸—?dú)庵g的能量、水分交換。例如，熱帶地區(qū)的森林砍伐會(huì)降低地表粗糙度，導(dǎo)致蒸散發(fā)作用減弱，引起增溫（Henderson-Sellers et al.，1993；Hahmann and Dickinson，1997）；LUCC的一個(gè)極端體現(xiàn)就是“城市熱島”效應(yīng)，城市與自然下墊面性質(zhì)的極大差異造成了能量、水循環(huán)的不同，導(dǎo)致局地地表溫度升高（Zhang et al.，2005；陳海山和張葉，2013）；LUCC不僅可以影響局地的氣候，還會(huì)對(duì)大尺度全球氣候產(chǎn)生影響，如：中緯度的LUCC會(huì)使得亞洲夏季風(fēng)減弱（Chase et al.，2000）、LUCC也會(huì)通過遙相關(guān)影響其他地區(qū)的氣候（Chase et al.，2001；Werth and Avissar，2002）等。雖然大量研究表明LUCC對(duì)氣候有明顯影響（Gao et al.，2003；張耀存和傅小鋒，1998；Shi and Wang，2003；Wang et al., 2003；陳星等，2006；高學(xué)杰等，2007；于燕和謝正輝，2012；華文劍和陳海山，2013；Hua and Chen, 2013；李婧華等，2013），但是正如IPCC指出，人類活動(dòng)造成的LUCC對(duì)氣候影響的研究仍然薄弱。其中，LUCC導(dǎo)致的輻射強(qiáng)迫的不確定性仍然很大，主要問題之一是對(duì)于歷史資料、衛(wèi)星遙感等手段反演或者利用不同信息來源構(gòu)建的土地覆蓋數(shù)據(jù)存在差異，數(shù)值模擬采用不同數(shù)據(jù)源的土地利用/土地覆蓋數(shù)據(jù)可能會(huì)使得模擬結(jié)果存在不確定性（Benítez et al.，2004；陳鋒和謝正輝，2008）。

最近幾十年，由于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，中國城市化進(jìn)程加快，區(qū)域農(nóng)作物面積增加，伴隨的是自然資源的過度使用以及生態(tài)系統(tǒng)的破壞。隨著衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，觀測(cè)到的LUCC空間信息表明，20世紀(jì)90年代以來中國土地空間格局發(fā)生了重大的調(diào)整與結(jié)構(gòu)性變化（劉紀(jì)遠(yuǎn)等，2002；2009），尤其是雨養(yǎng)農(nóng)田、灌溉農(nóng)田的改變。中國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)田占有很大的國土面積，且增長(zhǎng)迅速，農(nóng)業(yè)上土地利用管理的變化（如農(nóng)田灌溉、農(nóng)田免耕和作物輪作等）也會(huì)對(duì)區(qū)域甚至更大尺度的氣候產(chǎn)生影響，例如，農(nóng)田灌溉的降溫作用以及局地水文效應(yīng)（Kueppers et al.，2007；陳鋒和謝正輝，2008；Zhang et al.，2010；毛慧琴等，2011b）。因此，深入探究近代土地利用格局改變所引起的氣候效應(yīng)變得尤為重要。

大量研究已經(jīng)證實(shí)了LUCC對(duì)區(qū)域氣候的影響（毛慧琴等，2011a；邵璞和曾曉東，2012），但是目前很多工作都是采用理想的土地覆蓋試驗(yàn)（例如大范圍的植被替換，不考慮人類活動(dòng)影響下的理想植被），不能反映較短時(shí)間尺度（幾十年）LUCC氣候效應(yīng)。此外，相比于全球模式，區(qū)域氣候模式在分辨率、中小尺度物理過程和局地氣候的描述上要更加詳細(xì)、精確，其在東亞區(qū)域的應(yīng)用比其他地區(qū)更為重要（Gao et al.，2006），可以更好地模擬出中國LUCC的區(qū)域氣候效應(yīng)。針對(duì)近20年來中國區(qū)域真實(shí)的LUCC，本文基于最新的遙感資料，采用高分辨率的區(qū)域氣候模式，探討21世紀(jì)初中國LUCC對(duì)區(qū)域氣候的影響。

2 資料與模式

本研究所用到的模式為意大利國際理論物理中心（The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics，ICTP）所開發(fā)的RegCM4.0模式（Giorgi et al.，2012）。與第三代相比，RegCM4.0在行星邊界層、積云參數(shù)化、陸面過程和海洋通量等方案都進(jìn)行了較大改進(jìn)。因其對(duì)中國區(qū)域的模擬能力較好（劉向培等，2011；鄒靖和謝正輝，2012），該模式也被廣泛應(yīng)用到中國區(qū)域的古今及未來氣候變化、LUCC氣候效應(yīng)等研究當(dāng)中（高學(xué)杰等，2007；Zhang et al.，2008；Shi and Gao，2012）。

本研究試驗(yàn)區(qū)域中心格點(diǎn)為（34°N，105°E），水平分辨率為50 km，東西方向102個(gè)格點(diǎn)，南北方向144個(gè)格點(diǎn)，垂直分辨率為非均勻的18層，投影方式為蘭伯特投影，頂層氣壓為50 hPa，積分步長(zhǎng)為60 s。初始場(chǎng)采用美國大氣研究中心/美國環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCAR/NCEP）的2.5°×2.5°的NCEP/DOE Reanalysis II數(shù)據(jù)，側(cè)邊界每6 h更新一次，采用 指數(shù)松弛方案。海溫資料采用美國海洋大氣局（NOAA）的OISST（Optimum Interpolation Sea Surface Temperature）月平均資料。輻射傳輸方案采用NCAR CCM3方案（Kiehl et al.，1996），積云參數(shù)化方案采用MIT-Emanuel方案（Emanuel and Zivkovic-Rothman，1999），海洋通量參數(shù)化方案采用Zeng方案（Zeng et al.，1998），陸面參數(shù)化方案采用生物圈—大氣圈傳輸方案BATS1e（Dickinson et al.，1993）。模式中默認(rèn)使用的土地利用數(shù)據(jù)為美國USGS（U.S. Geological Survey）基于衛(wèi)星反演的GLCC（Global Land Cover Characterization）資料，時(shí)間為1992年4月～1993年3月；其在中國區(qū)域的分布類型如圖1所示。不同土地利用資料對(duì)中國地區(qū)土地覆蓋描述的區(qū)域性差異很大；其中，與其他資料相比，模式自帶資料對(duì)中國區(qū)域土地利用類型的描述存在諸多問題，如：準(zhǔn)確度較低，甚至與通量站觀測(cè)數(shù)據(jù)完全相反（宮鵬，2009）；時(shí)效性較差，仍使用90年代的土地利用/土地覆蓋類型（冉有華等，2009）；數(shù)據(jù)存在較大的不確定性（Herold et al.，2008），尤其是在我國南方作物/混合耕作地和灌溉農(nóng)田的分布上。本研究基于遙感數(shù)據(jù)反演獲得中國土地覆蓋分類產(chǎn)品，數(shù)據(jù)源為1990年3～10月逐日AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer）反射率數(shù)據(jù)和每三天的AVHRR NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）數(shù)據(jù)，以及2010年3～10月逐日的MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）反射率數(shù)據(jù)和每三天的MODIS NDVI數(shù)據(jù)，均由LTDR（Land Long Term Data Record）數(shù)據(jù)集提供，具體產(chǎn)品的提取與分類參見Li et al.（2015）。楊永可等（2014）以Google Earth（谷歌地球軟件）高分辨率遙感影像選取729個(gè)驗(yàn)證樣本作為真實(shí)地表信息，評(píng)價(jià)了國際上現(xiàn)有的五種大尺度土地覆蓋產(chǎn)品在中國區(qū)域的精度，結(jié)果表明這兩組產(chǎn)品在中國區(qū)域的總體精度均高于國際上現(xiàn)有的五種大尺度土地覆蓋產(chǎn)品在中國區(qū)域的精度。

采用1990年與2010年的土地利用/土地覆蓋類型資料，目的在于更真實(shí)地描述兩個(gè)典型年代的土地覆蓋變化，進(jìn)而研究21世紀(jì)初LUCC對(duì)中國區(qū)域氣候的影響。本研究共設(shè)計(jì)2組試驗(yàn)（E90和E10試驗(yàn)）。E90試驗(yàn)：采用1990年土地覆蓋遙感資料，將模式自帶資料中中國區(qū)域的土地覆蓋分布替換為遙感資料中相應(yīng)區(qū)域的分布，而中國外地區(qū)仍使用模式自帶GLCC資料；E10試驗(yàn)：采用2010年土地覆蓋遙感資料，由于LUCC的分類和變化情況十分復(fù)雜，基于Li et al.（2014）的研究，發(fā)現(xiàn)中國區(qū)域主要的LUCC是農(nóng)作物的改變，所以在E10試驗(yàn)中，對(duì)于每個(gè)格點(diǎn)，將農(nóng)作物所占的百分比由1990年的值修改為2010年的值（模式里的農(nóng)作物為：作物/混合耕作地和灌溉農(nóng)田），相應(yīng)地，其他植被類型的百分比也做了線性調(diào)整，其他設(shè)置同E90試驗(yàn)。兩組試驗(yàn)積分時(shí)間均為1989年1月1日～2011年1月1日，其中1989年認(rèn)為是模式初始化調(diào)整（spin-up）時(shí)段，不做分析，取1990年～2010年共21年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖2a、b分別給出了1990年和2010年土地覆蓋資料的作物/混合耕作地與灌溉農(nóng)田分布。對(duì)比模式自帶GLCC資料，不難發(fā)現(xiàn)，GLCC資料對(duì)于中國南方土地利用類型（尤其是農(nóng)作物）的描述準(zhǔn)確度較低。1990年和2010年土地覆蓋資料農(nóng)作物的差別主要集中于圖2方框內(nèi)所示地區(qū)，分別代表（I）作物/混合耕作地減少區(qū)、（II）作物/混合耕作地?cái)U(kuò)張區(qū)、（III）灌溉農(nóng)田變化區(qū)。以E10與E90試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的差值作為2010年與1990年LUCC對(duì)氣候的影響。除風(fēng)場(chǎng)差異采用矢量檢驗(yàn)外（施能等，2004），其他變量的差異顯著性檢驗(yàn)均采用檢驗(yàn)，信度水平均取為90%。

圖1 模式模擬區(qū)域范圍以及模式自帶GLCC（Global Land Cover Characterization）數(shù)據(jù)中中國區(qū)域土地利用類型分布（1作物/混合耕作地；2短草；3常綠針葉林；4落葉針葉林；5落葉闊葉林；6常綠闊葉林；7高草；8沙漠；9苔原；10灌溉農(nóng)田；11半沙漠；12冰蓋/冰川；13泥沼/沼澤；14內(nèi)陸水；15海洋；16常綠灌木；17落葉灌木；18混交林地；19混合森林/田地；20水陸混合體）

圖2 1990年與2010年灌溉農(nóng)田和農(nóng)田/混合耕作地空間分布，藍(lán)色代表灌溉農(nóng)田，紅色代表作物/混合耕作地。圖中方框表示1990年與2010年土地利用類型差異較大區(qū)域，從北到南分別為（I）作物/混合耕作地減少區(qū)、（II）作物/混合耕作地?cái)U(kuò)張區(qū)、（III）灌溉農(nóng)田變化區(qū)

3 結(jié)果分析

3.1 LUCC對(duì)溫度和降水的影響

圖3給出了兩組實(shí)驗(yàn)各個(gè)季節(jié)的平均氣溫差值空間分布。不難看出，LUCC主要影響夏秋季氣溫，而對(duì)春冬季影響很弱。夏季時(shí)，華北和長(zhǎng)江流域大部分地區(qū)平均氣溫升高0～0.5°C；其中，內(nèi)蒙古中部升高較明顯，河北、山西北部稍有降低，而長(zhǎng)江流域氣溫變化最為明顯，升高幅度在0.5°C以上（通過0.1統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)）。為進(jìn)一步研究這種局地信號(hào)是否能延伸至高層，從而影響高層大氣的熱力狀況，圖3e給出了LUCC主要改變區(qū)域的經(jīng)向平均（112°E～117°E）夏季溫度差值的緯度—高度剖面圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江流域氣溫的變化可以延伸至邊界層頂，信號(hào)較強(qiáng)，南北跨度較大；而華北區(qū)域無論增溫還是降溫信號(hào)均較弱，對(duì)高層大氣影響并不明顯；可見LUCC的影響主要體現(xiàn)在邊界層內(nèi)。秋季的地面氣溫變化在長(zhǎng)江流域和夏季較類似，但在華北區(qū)域響應(yīng)較弱。相比氣溫而言，LUCC對(duì)日較差的顯著影響在各個(gè)季節(jié)均得到了體現(xiàn)（圖4），這與華文劍和陳海山（2013）的結(jié)論一致。具體來說，內(nèi)蒙古中部以及河北、山西等地從春季到冬季的日較差均有顯著的升高或降低，其變化受最高氣溫和最低氣溫共同調(diào)制（圖略）；而對(duì)于長(zhǎng)江流域來說，過渡季節(jié)日較差變化主要是因?yàn)樽罡邭鉁氐纳邔?dǎo)致的，最低氣溫貢獻(xiàn)較弱，但在冷暖季受到最高和最低氣溫的共同影響，可見LUCC在不同區(qū)域、不同季節(jié)造成的影響也不同。

圖3 LUCC引起的多年平均地面氣溫的差值分布（E10減E90，單位：°C）：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季；（e）112°E～117°E平均的緯度—高度剖面。打點(diǎn)區(qū)域表示通過0.1顯著性檢驗(yàn)

圖4 同圖3a–d，但為日較差（單位：°C）

圖5給出了LUCC引起降水變化的空間分布。總體來看，LUCC對(duì)各季節(jié)降水的影響均不顯著；相對(duì)而言，夏秋季的降水量變化較其他季節(jié)明顯。夏季，中國中東部大部分地區(qū)降水減少5%～10%，其中河北北部、安徽南部以及江西大部減少較明顯，而在甘肅東部，四川以及陜西南部地區(qū)降水有所增加，幅度約為10%～15%。秋季降水的變化較夏季相比較類似，但在甘肅東南部部分地區(qū)和長(zhǎng)江中游地區(qū)有比夏季更顯著的增加或減少。上述分析中值得關(guān)注的是，LUCC不僅顯著影響了夏季的氣候，而且對(duì)于秋季來說響應(yīng)幅度也是不可忽略的，但春冬兩季的變化程度較微弱，由此可見LUCC的影響可能具有較明顯的季節(jié)性差異，且這種差異也在許多研究中被發(fā)現(xiàn)（丁一匯等，2005；Yamashima et al.，2011）。

圖5 同圖3a–d，但為降水差值百分率

3.2 LUCC對(duì)低層環(huán)流場(chǎng)的影響

圖6給出了兩組試驗(yàn)各個(gè)季節(jié)的地面10 m風(fēng)場(chǎng)差值。在LUCC的影響下，各季地面風(fēng)場(chǎng)均存在變化顯著區(qū)域，但這種風(fēng)場(chǎng)的變化無論在程度以及范圍上，夏、秋季均要強(qiáng)于冬春季，說明地面風(fēng)場(chǎng)對(duì)LUCC的響應(yīng)也存在季節(jié)性差異，在不同環(huán)流背景下響應(yīng)是有區(qū)別的。春、秋、冬三季時(shí)，LUCC可使中東部大部分地區(qū)近地面出現(xiàn)異常的西北風(fēng)；其中，秋季的長(zhǎng)江中下游和冬季的華北北部，異常西北風(fēng)最為明顯，這很可能是由于這些地區(qū)LUCC比較明顯造成的。另外，個(gè)別地區(qū)的風(fēng)向和風(fēng)速變化明顯強(qiáng)于四周，這或許與局地地表粗糙度的改變有關(guān)，但在秋季如此呈規(guī)模的西北風(fēng)增強(qiáng)也有可能是因?yàn)長(zhǎng)UCC通過改變地表熱力異常而導(dǎo)致了季風(fēng)的變化。夏季時(shí)，大范圍的異常偏北風(fēng)消失，華南和華北地區(qū)均存在一個(gè)反氣旋，近地面氣流輻散，不利于上升運(yùn)動(dòng)和成云致雨。在兩個(gè)反氣旋的中間地帶，即江南北部地區(qū)，為氣流異常輻合區(qū)，將導(dǎo)致該地降水有所增加。850 hPa風(fēng)場(chǎng)的變化（圖7）與地面基本一致，但仍存在一些差異：春季和冬季的850 hPa風(fēng)場(chǎng)的變化不如地面顯著；秋季東部海面上存在一個(gè)異常氣旋，我國上空的異常西北氣流仍然十分清晰，降水場(chǎng)上也可以看出南方大部分地區(qū)降水稀少，表明這種影響是系統(tǒng)性的，可能與夏季風(fēng)提前撤退，冬季風(fēng)提早建立有關(guān)，說明LUCC可能使由夏向冬的季節(jié)進(jìn)程有所提前；在夏季，850 hPa上能更清晰地看出我國上空受反氣旋環(huán)流控制，表明夏季風(fēng)強(qiáng)度總體偏弱，但在季風(fēng)邊緣區(qū)有所增強(qiáng)。綜上，可以初步認(rèn)為，LUCC使得東亞夏季風(fēng)略微減弱，同時(shí)使夏季風(fēng)向冬季風(fēng)的季節(jié)過渡提前；但在冬春季，風(fēng)場(chǎng)的改變僅局限于地面，且冬季風(fēng)的強(qiáng)度變化不明顯。

圖6 LUCC引起的多年平均地面10 m風(fēng)場(chǎng)差值分布（E10減E90，單位：m s?1）：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季。紅色區(qū)域表示通過0.1顯著性檢驗(yàn)

圖7 同圖6，但為850 hPa（單位：m s?1）

4 不同區(qū)域LUCC的影響機(jī)理分析

以上分析表明，在LUCC明顯的區(qū)域，氣候響應(yīng)較大，且尤以夏季最為突出，說明LUCC的影響具有局地性和季節(jié)性差異。不同區(qū)域LUCC造成的氣候效應(yīng)迥異，這可能與其具體轉(zhuǎn)變類型有關(guān)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，下面將以夏季為例，對(duì)不同LUCC影響氣候的機(jī)理進(jìn)行比較分析。

相比于1990年，2010年中國區(qū)域土地覆蓋類型的變化主要表現(xiàn)為作物/混合耕作地和灌溉農(nóng)田的改變。區(qū)域I的LUCC體現(xiàn)為作物/混合耕作地改變?yōu)槎滩?，可能增加了地表粗糙度，減弱了地面風(fēng)速（圖略），伴隨土壤濕度的降低，促使蒸散發(fā)作用減弱（見表1），導(dǎo)致氣溫升高約0.13°C且降水減少。盡管反照率小幅增加造成凈輻射減少（見表1）將會(huì)產(chǎn)生弱的降溫作用，但這不足以抵消蒸散發(fā)減少引起的升溫。區(qū)域II的情形則相反，作物/混合耕作地的擴(kuò)張使得土壤濕度增加，蒸散發(fā)作用增強(qiáng)，引起降溫（見表1）；同時(shí)，地表反照率的增加對(duì)降溫也有一定的貢獻(xiàn)。區(qū)域I和區(qū)域II的日較差變化相反，其原因可能是LUCC對(duì)日較差具有一定的調(diào)節(jié)作用，其可通過改變?cè)屏俊⑼寥罎穸?、降水、相?duì)濕度等影響日最高和最低氣溫，尤其是最高氣溫（Dai et al.，1999；華文劍和陳海山，2013）。

表1 不同區(qū)域LUCC引起的多年夏季平均氣候變量的差異（E10減E90）

江淮一帶灌溉農(nóng)田的變化（區(qū)域III）同樣引起降水的減少，其原因是由于灌溉農(nóng)田減少導(dǎo)致土壤濕度減小，進(jìn)而使得蒸散發(fā)減弱（見表1），區(qū)域大氣中水汽含量降低，最終導(dǎo)致降水減少，這與Pielke Sr（2001）、毛慧琴等（2011b）的結(jié)論一致。與前兩個(gè)區(qū)域相比，區(qū)域III的LUCC造成的升溫幅度均高了近0.1°C（見表1）。主要是由于區(qū)域III的LUCC主要表現(xiàn)為灌溉農(nóng)田改變?yōu)槠渌N類的植被（大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌仙?田地和作物/混合耕作地），而這將通過兩種途徑影響地面氣溫：其一，LUCC造成地表反照率減少，地面吸收更多太陽輻射，進(jìn)而引起氣溫升高；其二，LUCC引起地表粗糙度增大，地面風(fēng)速減弱，加上土壤濕度的降低抑制了蒸散發(fā)作用，引起升溫。由此可見，作物/混合耕作地與灌溉農(nóng)田的互相轉(zhuǎn)變?cè)斐傻臍夂虿町愐茸魑?混合耕作地與短草相互轉(zhuǎn)變?cè)斐傻挠绊懘蟮亩?。但?duì)于日較差來說后者的轉(zhuǎn)變?cè)斐傻挠绊懢鸵惹罢叽蟮亩啵笳咿D(zhuǎn)變主要影響了日最高氣溫，而云量的變化（見表1）也證明了這一觀點(diǎn)。而前者的轉(zhuǎn)變雖然對(duì)日最高氣溫產(chǎn)生增溫作用比后者大，但同時(shí)可能夜間的長(zhǎng)波輻射變化也使得最低氣溫也發(fā)生升高，所以日較差增加幅度較小?？傮w而言，現(xiàn)有的土地利用方式將加重生態(tài)環(huán)境的惡化。

5 結(jié)論和討論

人類活動(dòng)的影響已經(jīng)極大地改變了地球上的生態(tài)環(huán)境，LUCC是人類活動(dòng)的最直接體現(xiàn)之一。區(qū)域尺度LUCC的氣候效應(yīng)以及土地覆蓋數(shù)據(jù)的不確定性，一直是土地利用/土地覆蓋研究中不可忽視的問題。本文基于最新的遙感資料，采用的區(qū)域氣候模式RegCM4.0，探討21世紀(jì)初中國真實(shí)的 土地利用變化對(duì)區(qū)域氣候的影響，主要通過以1990年和2010年兩種不同的土地利用/土地覆蓋類型作為強(qiáng)迫，分別進(jìn)行了兩組數(shù)值模擬試驗(yàn)，得出以下主要結(jié)論：

（1）1990年代至21世紀(jì)初的LUCC造成了區(qū)域氣候的改變。氣溫方面，主要為夏秋兩季變化較顯著，在夏秋季節(jié)華北和長(zhǎng)江流域大部分地區(qū)平均氣溫升高，但信號(hào)僅局限在邊界層內(nèi)，春冬季氣溫變化不顯著。就日較差而言，各季節(jié)日較差變化較為顯著，華北區(qū)域日較差變化主要是最高、最低氣溫的共同變化的結(jié)果，而長(zhǎng)江流域主要是受最高氣溫的影響。對(duì)于降水，夏季我國中東部大部分地區(qū)降水偏少，四川盆地以和西北地區(qū)東部有所增加，但幅度不大。低層和近地面環(huán)流場(chǎng)上，LUCC使得東亞夏季風(fēng)略微減弱，且可能使夏季風(fēng)向冬季風(fēng)的季節(jié)過渡提前；而冬春季，僅地面風(fēng)場(chǎng)有所改變。總體而言，較短時(shí)間尺度的LUCC對(duì)區(qū)域氣候的影響主要表現(xiàn)在局地尺度，且影響較為有限。

（2）不同區(qū)域LUCC對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蛴绊懙臋C(jī)理不同。以夏季為例，作物/混合耕作地與短草互相轉(zhuǎn)變，LUCC對(duì)氣候的影響主要通過蒸散發(fā)作用改變，而反照率的影響相對(duì)較弱：作物/混合耕作地變?yōu)?短草，蒸散發(fā)作用減弱，導(dǎo)致氣溫升高、降水減少，反之亦然；作物/混合耕作地與灌溉農(nóng)田的互相轉(zhuǎn)變，LUCC可以同時(shí)通過改變地表反照率和蒸散發(fā)作用影響氣候：灌溉農(nóng)田變?yōu)樽魑?混合耕作地等使得蒸散發(fā)作用減弱和反照率減小，進(jìn)而使得氣溫升高，兩者作用疊加使信號(hào)放大，對(duì)區(qū)域氣候產(chǎn)生更加顯著的影響，反之亦然。

本研究所得的結(jié)果與前人的研究存在異同與不確定性；其一，由于本文旨在討論真實(shí)發(fā)生的LUCC的氣候效應(yīng)，因此50 km的分辨率在描述較小范圍變化時(shí)有些偏低，高分辨率ERA-interim再分析資料可能由于質(zhì)量高用于驅(qū)動(dòng)區(qū)域氣候模式更為合適；其二，區(qū)域氣候模式對(duì)于氣候以及LUCC過程的描述都存在一定的缺陷，例如，本文使用的模式在東亞區(qū)域的氣溫和降水模擬方面都存在一定偏差（Zhang et al.，2008；Gao et al.，2013），并且模式還不包含生化過程，可能并不能真實(shí)地反應(yīng)LUCC的氣候與生態(tài)效應(yīng)；其三，用實(shí)際的環(huán)流場(chǎng)作為背景場(chǎng)來進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，包含了較多復(fù)雜因素的影響，陸面與大氣的相互反饋可能被忽略，且已有研究表明，不同的氣候背景場(chǎng)下LUCC的氣候效應(yīng)也會(huì)存在明顯的差異（Pitman et al.，2011；Hua and Chen，2013），甚至在不同年份也會(huì)有所不同（Zhang et al.，2010）。

中國LUCC的氣候效應(yīng)近年來已經(jīng)受到了廣泛關(guān)注（Fu，2003；李巧萍等，2006；高學(xué)杰等，2007；尹永飛等，2009；陳軍明等，2010；Wang et al.，2014），然而，盡管資料及研究方法豐富多樣，人們對(duì)于中國LUCC的氣候效應(yīng)仍不能給出確切的答案。一方面，這種不確定性可能來源于試驗(yàn)設(shè)計(jì)、使用的資料等方面的差異；另一方面，模式間物理過程的差異也是LUCC的氣候效應(yīng)存在差異的一個(gè)原因。因此，還需要在統(tǒng)一框架下進(jìn)行更多的模擬試驗(yàn)，才能對(duì)LUCC的影響進(jìn)行更進(jìn)一步探討和分析。

致謝 特此感謝全球變化重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目2011CB952000第一課題組南京大學(xué)肖鵬峰副教授為本研究提供的土地利用/土地覆蓋資料。

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Numerical Simulation of the Impact of Land Use/Land Cover Change over China on Regional Climates during the Last 20 Years

CHEN Haishan1, 2, LI Xing1, 2, and HUA Wenjian1, 2

1,,210044;2,210044

The climate effects of regional-scale land use/land cover change (LUCC), along with land cover data uncertainties, have typically been the focus of LUCC studies. Based on remotely sensed LUCC data, the Regional Climate Model (RegCM4.0) was used to investigate the climate effects of LUCC over China during the last 20 years. Results show that LUCC in China during the past 20 years has changed the regional temperature and diurnal temperature range significantly, but there has been no noticeable precipitation response or low-level atmospheric general circulation changes. The variation of these climate factors due to LUCC differ among the seasons, with greater responses in summer and autumn, and are mainly reflected in the boundary layer. The mechanisms involved vary significantly between regions. LUCC has exerted stronger evapotranspiration than albedo effects in the modulating North China climate, while the effects from these two factors are of equal importance in the Yangtze River Basin. These results indicate that the impact of shorter time scale LUCC is local and limited.

Land use/land cover change, Regional climate, Numerical simulation

1006-9895(2015)02-0357-13

P461+.8

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1404.14114

2014-01-16；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期2014-05-08

全球變化重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目2011CB952000，公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)GYHY201406042，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41475083，“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”，江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目PAPD

陳海山，男，1973 年出生，博士、教授，主要從事陸面過程與氣候數(shù)值模擬研究。E-mail: haishan@nuist.edu.cn