中国大型生态工程的生物物理过程及其区域气候效应

论文摘要

过度的森林砍伐导致中国的森林面积减少,土地退化,甚至引发了干旱、洪涝和沙尘暴等自然灾害,严重地威胁到国家财产和群众的生命安全。为了解决日益突出的生态和环境问题,中国在过去40年里建设了一系列大型生态工程项目,包括“三北防护林”和“退耕还林”。得益于这些生态工程建设,中国的森林得以恢复,并在一定程度上改善了生态和环境。除了生态和环境效益外,植树造林还可以通过生物物理过程对局地和区域气候产生影响。但是,目前关于中国大规模植树造林的气候效应研究较少,人们对于该过程后果的认识仍然存在很大的不确定性。基于已有的研究结果,本文提出亟需解决的3个关键的科学问题:①中国大规模植树造林如何通过生物物理过程影响局地温度?②黄土高原大规模植被恢复对该地区的水循环和水资源的可持续利用有怎样的影响?③土地覆盖分类的不确定性是否会影响东亚地区气温和降水的模拟?通过研究,本文得到以下主要结论:①中国大规模植树造林的非辐射效应主导局地温度的变化。本文基于2001-2012年的卫星观测数据,利用“时空置换（Trading Spacefor Time）”的方法,研究了中国大规模植树造林对局地温度的影响。本文还使用了“生物物理机制（Intrisic Biophysical Mechanism）”方法和“能量再分配因子（Energy Redistribution Factor）”模型对植树造林引起的局地温度变化进行归因。植树造林可以通过降低地表反照率产生增温效应（辐射效应）,也可以通过增加地表蒸散发产生降温效应（非辐射效应）。研究结果表明,中国区域植树造林通过辐射效应使局地地表温度上升0.23（±0.21）℃,通过非辐射效应使局地地表温度下降0.74（±0.50）℃,非辐射效应解释了植树造林对局地温度影响的79（±16）%。另外,非辐射效应的大小依赖于造林方案。其中,将草地或雨养农田变成常绿型森林可以产生最大的降温效应。相反,将灌溉农田变成落叶阔叶林会产生增温效应。该研究结果再一次强调了植树造林通过生物物理过程对局地和区域气候的影响,并且为中国建设大规模生态工程提供了科学参考依据。②黄土高原大规模植被恢复可能会对该地区水资源的可持续利用产生负面影响。本文利用天气研究和预报（WRF）模式对黄土高原开展了敏感性试验,研究了大规模植被恢复对黄土高原水循环的影响。研究结果表明,自“退耕还林”实施以来黄土高原大规模植被恢复造成地表蒸散发增大,导致径流和土壤湿度下降。继续在黄土高原实施“退耕还林”会造成更大的地表蒸散发,导致径流和土壤湿度进一步下降。地表蒸散发的增大主要与植被恢复引起的地表生物物理特征的变化有关,包括人工林更深的根系对深层土壤水分的消耗。虽然植被恢复造成更大的地表蒸散发,但是对降水几乎没有显著的影响。考虑到农业和人类生活用水的减少,并且无法从降水中得到任何有效的补偿,我们认为在黄土高原继续大规模地、人为地恢复植被可能是不可持续的。③土地覆盖分类的不确定性对东亚地区气温和降水模拟的影响很小。本文利用天气研究和预报（WRF）模式,在“协同区域气候降尺度试验（CORDEX）”的框架下,研究了土地覆盖分类的不确定性是否会影响东亚地区气温和降水。我们关注东亚地区主要是因为基于卫星的土地覆盖产品在该地区的准确率较低。我们在对照组中使用了 MODIS 土地覆盖产品提供的地表覆盖类型,并且在试验组中将置信度较低的像素点的土地覆盖类型替换为最有可能备选的土地覆盖类型。研究结果表明,分类不确定性引起的土地覆盖变化会影响地表关键的生物物理参数（反照率、叶面积指数和粗糙度长度等）,并且会在区域尺度上影响感热和潜热通量的模拟。但是,分类不确定性引起的土地覆盖变化对气温和降水模拟的影响有限（除了青藏高原部分地区）。因此,MODIS 土地覆盖产品适用于东亚地区的气候模拟。我们还注意到,如果要严格地检验模拟的气温和降水变化是否与土地覆盖变化有关,必须要采用多成员的模拟。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 植树造林的生物物理过程

1.2.1.1 植树造林对地表能量平衡的影响

1.2.1.2 植树造林对地表水平衡的影响

1.2.2 造林/毁林的气候效应

1.2.2.1 造林/毁林对温度的影响

1.2.2.2 造林/毁林对降水的影响

1.2.2.3 造林/毁林的“遥相关”气候效应

1.3 科学问题的提出

1.4 研究内容

第二章数据、方法和模式介绍

2.1 数据介绍

2.1.1 卫星观测数据

2.1.1.1 中分辨率成像光谱仪（MODIS）产品

2.1.1.1.1 土地覆盖类型

2.1.1.1.2 地表温度/发射率

2.1.1.1.3 陆面蒸散发

2.1.1.1.4 叶面积指数/光合有效辐射分量

2.1.1.1.5 积雪

2.1.1.2 全球陆表特征参量（GLASS）产品

2.1.1.3 反照率查表（LUMs）产品

2.1.1.4 Shuttle Radar Topography Mission（SRTM）产品

2.1.2 再分析数据

2.1.2.1 ERA-Interim再分析数据

2.1.2.2 中国区域气象驱动数据集

2.1.3 模式验证数据

2.1.3.1 Climatic Research Unit Time Series（CRU-TS）数据

2.1.3.2 中国地面气温和降水月值0.5°×0.5°格点数据集

2.1.4 其它数据

2.1.4.1 历史灌溉数据集

2.2 方法介绍

2.2.1 时空置换

2.2.2 生物物理机制

2.2.3 高度订正

2.3 模式介绍

2.3.1 Weather Research and Forecasting（WRF）模式

2.3.2 NOAH陆面模式

第三章中国大规模植树造林对局地温度的影响

3.1 引言

3.2 方法和数据

3.2.1 配对像素点

3.2.2 能量再分配因子模型

3.2.3 “生物物理机制”方法在区域上的适用性检验

3.2.4 非辐射强迫指数的定义

3.2.5 显著性检验

3.2.6 不确定性检验

3.3 结果

3.3.1 植树造林对地表生物物理特征的影响

3.3.2 植树造林对地表能量通量的影响

3.3.3 植树造林对地表温度的影响

3.3.4 地表温度变化的不确定性分析

3.4 讨论

3.4.1 与其它研究结果的比较

3.4.2 观测和计算得到的地表温度变化的差异分析

3.4.3 研究结果的注意事项

3.4.4 研究的局限性

3.5 结论

第四章黄土高原植被恢复对水循环的影响

4.1 引言

4.2 方法和数据

4.2.1 模式的设置

4.2.2 土地覆盖类型的变化

4.2.3 地表生物物理参数的变化

4.2.4 试验设计

4.2.5 模式验证数据

4.2.6 局地的显著性检验

4.3 结果

4.3.1 模式验证

4.3.2 植被恢复对地表辐射和能量通量的影响

4.3.3 植被恢复对降水的影响

4.3.4 植被恢复对径流的影响

4.3.5 植被恢复对土壤湿度的影响

4.3.6 降水变化对模拟初值条件的敏感性

4.3.7 降水变化与模拟成员数量的关系

4.4 讨论

4.4.1 与其它研究结果的比较

4.4.2 研究的局限性

4.5 结论

第五章土地覆盖分类的不确定性对东亚地区气温和降水模拟的影响

5.1 引言

5.2 方法和数据

5.2.1 模式的设置

5.2.2 土地覆盖类型的变化

5.2.3 地表生物物理参数的变化

5.2.4 试验设计

5.2.5 模式验证数据

5.2.6 温度和降水极端指数的定义

5.2.7 局地的显著性检验

5.3 结果

5.3.1 模式验证

5.3.2 土地覆盖分类的不确定性对地表能量通量模拟的影响

5.3.3 土地覆盖分类的不确定性对气温和降水模拟的影响

5.3.4 土地覆盖分类的不确定性对极端指数模拟的影响

5.4 讨论

5.4.1 土地覆盖分类的不确定性对模拟结果影响的机理分析

5.4.2 模式内部变率的影响

5.4.3 与其它研究结果的比较

5.4.4 研究的局限性

5.5 结论

第六章总结和展望

6.1 研究总结

6.2 研究展望

6.3 创新点

数据和代码来源

参考文献

学术成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 葛骏

导师: 符淙斌,Andrew J.Pitman

关键词: 中国,生态工程,植树造林,生物物理过程,气候,模式,卫星观测数据

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 气象学,环境科学与资源利用

单位: 南京大学

分类号: P467;X171.4

DOI: 10.27235/d.cnki.gnjiu.2019.000141

总页数: 186

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