文摘
从北美地区1992年到2002年数据再分析(NARR)被用来调查水预算五个土地利用领域:城市、森林、农业、湖,位于美国佛罗里达州和湿地。数据评估基于降水的异常,蒸发和土壤水分的平均状况。异常被用来研究极端条件下对水预算的影响参数对各种土地利用在东北和南部的佛罗里达州。结果表明,极端事件如拉尼娜现象强烈影响的水预算这两个地区的土地利用区域负月降水异常观察在1999 - 2000年的事件,而厄尔尼诺和夏季雷暴引起积极的降水异常与超过70%在所有的研究领域。更高的降雨导致更高的土壤湿度异常的农业、森林和湿地研究地区从1992年到1998年5月。然而,土壤水分蒸发成为主要来源在干燥条件下,植物获取水的能力上的差异,通常由深度加油,会导致截然不同的蒸发损失在植被类型。因此,森林,更深层次的根,土壤水分较低异常,但蒸发异常高于农业地区旱灾期间的事件。
1。介绍
流域水循环,假设稳态,由降水(),放电(),蒸散()[1]。更具体地说,估计大气水循环组件包括(1)预算,由源(表面蒸发和蒸散)和汇(降雨和云)以及它们之间的传输,和(2)陆地水预算,包括土壤水分储存、表面/地下径流、降水、和蒸散2]。
陆地和大气水周期内在耦合和链接通过水分蒸发和降水3- - - - - -5]。降水和融雪影响植物在生长季节有效水分,影响水和能源循环通过植被天棚控制蒸腾,植物大气水蒸气,交流和净辐射能量的分区合理,潜热通量(6]。
人类是一个活跃的和越来越多的水文循环的重要组成部分7]。例如,土地清理废物处理和其他活动,如农业、城市化和本机草原的转换造成重大不利影响的水文中断当地的水资源。此外,人类活动极大地改变了全球环境和气候,以各种不同的方式超越人类温室气体排放的影响。在全球气候变化的背景下,土地利用变化和气候变化是相互关联的,有一个越来越需要预测流域应对这些变化(7]。因此,更好的理解陆地水预算将改善我们的知识目前的气候,全球水循环,及其动力学,从而提高我们在建模的技巧,城区,分析land-atmosphere系统。
广泛使用的方法来评估陆地水循环可以分为三类:(1)观察基于原位测量:直接观察是最传统的方法对水预算规模的估计和被认为是可靠的测量。然而,一些基本的大气水文变量,如蒸发、降水、径流、不足或/和稀疏测量(2]。在大陆区域尺度,密集的网络工具太昂贵的长期观测数据总是有限的。(2)派生的估计基于spatially-remote-sensed观察:遥感和相应的检索技术已经成熟可行的数据收集的来源,尤其是在世界部分地区,原位数据网络是稀疏的。许多水文状态变量和通量可以通过卫星遥感估算,但仍是不够的(8]。(3)基于地表模型的估计:观察可以未能提供相关所需信息提供足够的空间和时间分辨率。高分辨率气候或土地使用模型可能是一个本构工具来生成水文循环组件是很难衡量的。这些model-derived数据的一个优势是他们的自洽性,他们可以使用许多土地表面水和能量平衡模型。然而,单独模型的方法对水预算估计方法的一个缺点是,模型不是完全参数化和校准错误和偏见的存在和传播通过时间2]。
此外,水文过程强烈依赖于表面过程,地形,中尺度大气发行量。调查水预算在不同的土地利用是必要和重要。然而,在以往的研究,模型相关的土地利用的影响和区域水循环的变化(9- - - - - -15),但不相称的多数水预算研究已经在草原和森林,只有少数研究一直在评估农业、湿地和湖泊地区(16]。
改善这些情况,在这项研究中,北美地区再分析(NARR)数据,其中包括基于模型的四维数据同化过程,被用于调查水预算在不同的土地用途。数据同化技术,集成的观察和建模的优点融合在一起,几十年来一直在研究和使用在气象和海洋应用2]。NARR数据集可能为更准确的评价提供一种很大的可能性surface-atmosphere交互的土地。因此,本研究的首要目标是调查水平衡在不同土地用途(湖、湿地、农业、森林和城市)在区域范围内。此外,EI尼诺现象振荡(ENSO),这是一种最世界气候的研究模式,包含一个强大的自然年际气候信号,影响表面在许多地区气候。ENSO的影响对美国表面温度已经被记载在先前的研究[17- - - - - -23]。然而,很少有研究调查ENSO的角色的个人条款表面水平衡和描述水文循环的变化在不同的土地用途。因此,本研究的第二个目标是使用NARR数据了解干旱事件、厄尔尼诺、拉尼娜现象和季节性,年际气候变化变量影响能源和水之间的交流气氛和土地使用。
2。数据集
本研究采用NARR数据集开发的环境建模中心(EMC)的国家环境预报中心(NCEP)。这个数据集是基于2003年4月冻结版本的操作埃塔模型及其相关的埃塔数据同化系统(eda),并使用许多观测量的数据同化方案,包括网格的雨量数据分析降水在美国大陆(圆锥),墨西哥和加拿大(24]。因此,这个区域再分析产生高时空分辨率(32公里,45层,3小时)和跨越一段25年从1978年10月到2003年12月。全部细节NARR产品可以在网上找到http://www.emc.ncep.noaa.gov/mmb/rreanl/。
eda成功与下游效应,包括降水之间的双向互动和改进的陆地表面模型(25]。文献[26]证明重要的地区改善一些变量在使用圆锥降水同化。因此,预计该数据集不仅是有用的能源和水预算研究而且对atmosphere-land关系的分析。然而,NARR仍然重要,但不可避免的,模型的依赖。因此,我们还需要验证水周期是如何在NARR数据集在这项研究。
NARR变量在这项研究中基本上是一个函数模型的参数化;这些包括土壤水分、径流,实际表面蒸发和降水。研究应用NARR数据集的11年期间从1992年到2002年,而利用每月的平均数据。
3所示。研究区域
本研究调查了水平衡各种土地利用网站在佛罗里达州。佛罗里达的气候是潮湿的亚热带多雨潮湿季节延长自5月至10月。大部分地区在佛罗里达接受每年至少1270毫米雨量纪录。长期的年平均温度为22.4°C基于历史记录的一个气象站位于基佛罗里达(东南区域气候中心,http://www.sercc.com/climate/)。佛罗里达有不同的年降水量在一年内洪水可能是紧随其后的是干旱下(27]。
在佛罗里达州,EI尼诺现象振荡(ENSO)经常影响温度、降水、和上层风,进而导致干旱和森林大火(28]。这些影响在冬季和春季更强壮比夏季几个月。因此,一个强大的厄尔尼诺现象发生在1997 - 1998年的秋季和冬季降水量高于正常的状态和温度是凉爽。到1998年末,强拉尼娜事件的影响,一直持续到200129日]。佛罗里达州在1998 - 2002年经历了多个高压系统更高的温度和干燥的天气,部分期间拉尼娜现象的影响。因此,低于正常降水造成的严重干旱在佛罗里达全州。干旱是有史以来最糟的一次影响基于降水和蒸汽流数据状态。火灾统计数据显示,25137年大火烧毁了150万英亩的土地在1998年和2002年之间(30.]。最后,降雨发生在2002年底,2003年,2004年和四个飓风和热带风暴结束这干旱的时期。
在这项研究中,五个不同的土地用途在佛罗里达州的六个地区选择基于不同的气候区域和土地利用/土地覆盖数据。图1介绍了6选择32×32公里区域研究领域以及土地利用/土地覆盖数据从1992年全国土地覆盖数据集。三个不同的土地使用、城市、森林和农业,位于佛罗里达州东北部,而其他三个湖,湿地、农业位于佛罗里达州南部。图2显示了佛罗里达的地图描绘了四个区域的状态。佛罗里达州东北部有点凉爽的气候和接收丰富每年降水量1000至1500毫米。长无霜的组合超过240天的时期和充足的水历来启用专门作物的生产(31日]。例如,柑橘产业集约型橙树林生产集中在南部内陆地区,东北佛罗里达东南沿海。佛罗里达州东北部牧场也是一个重要的农业资源。因此,一个地区农业土地利用,位于西Alachua(图1)和用于饲料、干草产量和青贮玉米,被选为研究水预算。此外,松树种植园,广泛用于木材生产,是一个相对常用的森林在北佛罗里达。几乎三分之一的佛罗里达林地是商业松收获和再生速度相对较快32]。因此,研究土地利用影响森林面积上的水平衡是非常重要的。在这项研究中,卡拉国家森林,被沙子覆盖松树灌丛森林,森林土地利用提出了一种区域。此外,发生了大量的人口增长,导致城市的扩张和发展的土地。30年内,人口增加了140%以上,从420万年到1030万人。更大的佛罗里达半岛城市地区普遍存在,包括奥兰多,圣彼得堡,坦帕和杰克逊维尔。因此,杰克逊维尔,佛罗里达州最大的城市,被选为一个区域城市土地使用。
南佛罗里达州,暴露于陆上的微风,享受舒适的温度。气候通常是无霜和亚热带,年降雨量1400毫米。主要的区域特征在南佛罗里达湿地,湖泊,农业和城市地区(图1)。大沼泽地区是亚热带湿地,唯一一个在美国的33]。南佛罗里达历史上,它覆盖,包括超过4000平方英里从奥基乔比湖在北佛罗里达湾半岛的南端(南佛罗里达湿地恢复工程)。因此,一个地区32×32公里网格的南佛罗里达湿地为研究区被选中。奥基乔比湖(图1)是一个大型的、浅湖富营养化位于南佛罗里达州中部,并且经常遭受飓风。这个湖是美国的第二大淡水湖,覆盖面积1800平方公里,平均深度为2.7米。作为中央相互关联的水生生态系统的一部分在南佛罗里达的主要地表水体佛罗里达中部和南部防洪工程,奥基乔比湖提供了许多社会和环境服务功能包括农业供水、城市和环境(34]。因此,研究长期奥基乔比湖的水预算是非常重要和必要的。最后,湿地农业区域(EAA),提出了一个农业土地利用类型在这项研究中,大沼泽地区的一小部分,人工土壤丰富的有机组成。监管局建立了一个欣欣向荣的农业产业,年收益在5亿美元左右(35),在很大程度上归因于甘蔗和冬季蔬菜。
图3显示所选6 32×32公里区域研究领域以及土地利用/土地覆盖数据从2001年全国土地覆盖数据集。比较两个不同的国家土地覆盖数据集10年的间隔时期,土地利用变化监测和检测。区域农业土地利用,位于西Alachua,改变了土地利用从1992年的中耕作物牧场干草2001年,但其他土地利用领域并未改变很多在十年之内。这片土地利用变化可能会改变能量平衡,率、预算和区域气候和降雨影响水。因此,在这项研究中,土地利用变化影响也可以观察到通过检查长期水预算在不同土地使用在佛罗里达州。
4所示。结果和讨论
在这项研究中,月度数据集从1992年到2002年NARR数据,包括降水、实际的和潜在的表面蒸发,土壤水分、水和径流,是用于研究预算在不同土地用途使用水平衡方程表示为 在哪里是降水,蒸发,地表和地下径流和吗积雪的含水量,土壤水分,树冠水。
4.1。降雨量的变化
每年降雨量变化量、季节性分布和位置。数据4(一)和4 (b)显示的平均年降水量在不同土地用途在东北部和南佛罗里达州,分别。在东北部,平均年降雨量在2000年最低的土地用途,而城市和森林地区最高价值在1994年与1997年的农业地区。值最高的平均年降雨量为4.31,3.70,和3.74毫米/天,森林,城市和农业,分别,而值最低的是关于三个土地使用2.62毫米/天。在南佛罗里达州,三个土地使用经验最高的平均年降雨量在1994年,但2000年最低的值。最高的平均年降雨量的值分别为3.66,4.50,和4.10毫米/天,而最低的值分别为2.27,2.97,2.28毫米/日湖,湿地,分别和农业。
(一)
(b)
季节性降水模式在佛罗里达夏季对流雷雨和冬季之间的不同方面。数据5(一个)和5 (b)现在的东北部和南佛罗里达州,月平均降水量分别。在佛罗里达州东北部,三个土地使用6月份月平均降雨量最高,值为5.00,6.26,和5.88毫米/天和价值观表现出最低的可能,值为1.37,1.78,和1.53毫米/天的城市,森林,分别和农业。在南佛罗里达州,三个土地使用最高6月份月平均降水,值为6.26,8.37,和6.96毫米/天值最低的是去年12月,值为1.54,1.38,和1.40毫米/日湖,湿地,分别和农业。
(一)
(b)
以下4.4.1。月降水异常
确定异常模式在研究期间,11年的月度平均气候学参数发展。个人每月异常计算百分比离开11年平均每月平均使用 在哪里是各自的月度百分比异常,每月,参数如降水、土壤水分、实际蒸发,潜在蒸发和径流,然后呢参数的长期平均水平。数据6(一)和6 (b)显示时间序列东北部和南佛罗里达州,月降水异常模式。1997 - 1998年冬季代表强烈的厄尔尼诺现象与降雨异常超过95%高于正常,发生在三个土地使用1997年10月和1998年2月。到1998年末,实际上一个强拉尼娜事件,持续到2001年。三个土地用途,降水异常下降和−−30%和87%之间的负异常值从1999年10月至5月,2000年和2001年。然而,积极的异常发生在2001年3月三个不同的土地用途。飓风和雷暴的主要来源是雨在佛罗里达州。通常他们的频率和强度更高的6月和8月。例如,降水异常超过80%高于正常在三个土地利用领域在1992年8月,因为安德鲁飓风。雷暴还导致降雨异常超过70%高于正常1992年6月,1994年、2001年和2002年三个方面。在南佛罗里达,降雨异常高于8%高于正常在1997年12月至1998年2月35%高于正常的三个土地使用因为厄尔尼诺现象的影响。 During a drought period, rainfall anomalies decreased to negative anomaly values between −50% and −100% from November to May on the three areas. Moreover, hurricane Andrew and thunderstorms in June caused the rainfall anomalies more than 100% above normal on the three land use areas in 1992, 1995, 1999, and 2002, respectively.
(一)
(b)
4.2。蒸发的变化
在佛罗里达水文预算的,是第二个最重要的组件在降水(36]。受季节气候的变化,可以用不同类型的盆地内不同植被或不同比例的水表面。因此,在这项研究中,年际变化、季节变化特征和土地使用的影响会被认为在使用11年实际蒸发再分析数据。数据7(一)和7 (b)显示从1992年到2002年年均实际蒸发在东北部和南佛罗里达州,不同的土地用途。佛罗里达州东北部,在城区最高的年度平均蒸发发生在1992年一个值为3.2毫米/天,一个值的最小值是在2001年2.88毫米/天。在森林和农业地区,最高的年度平均值蒸发1996年每天3.11毫米和3.23毫米/天,而2000年值最低的是每天2.66毫米和2.54毫米/天,分别。在南佛罗里达,价值最高的年平均蒸发,是1999年的3.53毫米/日湖地区,1993年2.69毫米/天的湿地,1995年3.34毫米/天的农业。价值最低的是2001年的3.08毫米/天,2.33毫米/天,和2.48毫米/天在湖上,湿地,分别和农业领域。
(一)
(b)
季节性变化的月平均蒸发东北部和南佛罗里达州数据所示8(一个)和8 (b),分别。佛罗里达州东北部,平均值越高被认为发生在城市和森林地区的助力,值3.25毫米/天至4毫米/天。然而,在农业领域,最低月平均蒸发是今年5月,2.94毫米的价值/天,7月最高,值4.35毫米/天。在南佛罗里达湿地,位于大沼泽地,价值最高的6月份月平均蒸发,与3.43毫米/天的价值。有人建议,大部分的降雨在南佛罗里达州是基于蒸发在大沼泽地37]。文献[37)还指出,水蒸气的影响向北运动由于风从海洋蒸发诱导行动奥基乔比湖地区和周围的农业区域(图17月和8月)值较高的蒸发。这些值的范围从4.21毫米/ 3.83毫米/天湖和农业。
(一)
(b)
4.2.1。准备每月蒸发异常
年际变化月蒸发东北部和南佛罗里达州数据所示9(一个)和9 (b),分别。佛罗里达州东北部,每月蒸发异常是积极的从3月到9月之间的值高于正常的0.39%和57.37%这三个土地用途。然而,在干旱年,异常-在三个在2000年3月和2001年土地使用。不同的土地利用类型由蒸发强烈影响,也有不同的反应干旱事件。例如,在农业领域,所示的负异常是2000年4月,1999年5月到2002年,和1998年6月,但森林和城市地区在这几个月里积极的价值观。在南佛罗里达,积极的异常被显示在所有三个土地利用领域从3月到10月,但是湖地区有负值。在干旱期间,土地使用的负异常从12月到1999年5月到2002年,它和−−7.29%和86.90%之间,除了积极的价值在2000年4月和2002年湿地和农业领域。
(一)
(b)
4.3。每月的土壤水分变化
土壤水分反映过去的降水和蒸发、渗透和流失。反过来,土壤水分作为强有力的控制分区之间的显热通量和潜热通量表面调制降水在给定盆地(38]。数据10 ()和10 (b)显示范围0 - 200 mm月度土壤湿度异常农业、森林和湿地地区东北部和南佛罗里达州,分别。城市和湖地区没有评估,因为每月的土壤水分再分析数据不可用。佛罗里达州东北部,1997 - 1998年冬天,降雨导致了较高的土壤湿度越高,异常之间的20%和41%以上的正常森林和农业领域。湿润的土壤水分造成一个增强水分通量从表面到大气中导致更多特定的湿度,提高降水区域。因此,积极的土壤湿度异常显示从1992年到1998年5月,导致更高的降雨,而负异常发生在干旱地区活动。在干燥条件下,土壤水分的主要来源植物获得水的能力上的差异,通常由深度加油,会导致截然不同的蒸发损失在植被类型(39]。树木往往比草本植物(有更深层次的根源40,41),因此可以保持更高比作物或草原当供给下降(42,43]因此,森林面积较低土壤水分异常但蒸发异常高于东北地区的农业地区旱灾期间的事件。在南佛罗里达州,农业地区-土壤湿度异常干旱事件期间,从2000年2月到2001年7月,价值观和−−14.95%和35.63%之间,而湿地土壤水分较高或积极异常从2000年7月到2000年10月。这可以解释为一个湿地土壤与水分饱和永久或季节性,可以慢慢释放大量的水。因此,水资源越来越匮乏,湿地提供了股票和抗旱植物和动物栖息地的威胁(44]。
(一)
(b)
4.4。水预算平衡
表1和2目前平均水预算在不同土地用途在东北部和南佛罗里达州,分别。径流和潜在蒸发计算的数据集,而当地的土壤水分()是土壤水分变化的速率在时间和等于表面的残留水平衡(例如,)。然而,径流对城市和湖地区由于没有计算数据的非可用性。潜在蒸发()或潜在蒸散()被定义为的蒸发会发生如果足够的水源是可用的。因此,潜在蒸发之间的差异和实际蒸发被用作衡量水和能源的可用性。地区更大的值蒸发意味着丰富的能源,但没有足够的水用于蒸发,而较小的值意味着地区丰富的水足以满足蒸发的需求。
在东北,森林面积降雨较多,实际蒸发,潜在的蒸发,当地土壤水分,和低于农业径流区因为森林可以包含更多的蒸发和土壤深层导致更高的降雨和径流较低。城区位于圣琼斯河有更高的蒸发的大多数当地回到大气降雨蒸发;因此蒸发/降雨量的比值接近团结。在南佛罗里达,氢气的土壤在湿地慢慢蒸发表面大量的水。因此,湿地有当地土壤湿度越高,潜在蒸发、降雨和,但较低的蒸发和径流。在湖地区,蒸发损失超过获得的大量降雨,和大量的水被足以满足蒸发的需求;因此蒸发/降雨量的比值()是接近团结和的值更小。此外,先前的研究显示,年度湖泊蒸发奥基乔比湖地区每年约129.5厘米(3.54毫米/天)45]。韦伦,左恩46]给出了一年一度的蒸发估算地图显示的奥基乔比湖地区每年价值约126厘米(3.45毫米/天)。因此,NARR数据集可以提供有价值的分析估算蒸发奥基乔比湖。
4.5。土地利用和土地覆盖变化在佛罗里达州
佛罗里达人口已经从1290万年到2004年估计有1740万居民,和最近的数据表明,2004年近8000万游客参观了佛罗里达。新居民和游客的大量导致转换自然和佛罗里达的干扰区域景观更密集的人类使用(47]。当前土地利用模式的内部,佛罗里达半岛的中心部分,包括广泛的混合农业,城市,道路、居民区,和城市综合体,有集体取代大部分的松林为主地区的自然景观。
这个快速加速的变化格局与各种相关问题,包括生物多样性下降(48)、气候变化和粮食安全,土地退化,因为它适用于土壤、植被、水。建模研究表明夏季对流和收敛的降雨在佛罗里达州是依赖土地覆盖,特别是在湿地,降雨量减少了自1900年以来佛罗里达湿地排水(49]。因此,我们分析了北美土地的潜在蒸发数据同化系统(NLDAS-2,http://www.emc.ncep.noaa.gov/mmb/nldas/),每小时0.125度的主要强迫数据1月1日,1981年和2000年。图(11日)显示的潜在蒸发计算NLDAS在2000年1月,18点。下午,南佛罗里达的潜在蒸发较高(土地利用类型:湿地和农业区域)和佛罗里达州东北部(土地利用类型:森林和城市地区)。
(一)
(b)
图11 (b)显示的潜在蒸发计算NLDAS在1月1日,1981年,18点。在下午,潜在蒸发是更高的佛罗里达州东北部,佛罗里达州中部,南佛罗里达。比较的数据(11日)和11 (b)在佛罗里达州中部,土地利用类型改为牧场/在20年内干草。因此,土地利用变化有重要影响的水和能源平衡和改变相对能量和水汽通量。
5。摘要和结论
更好地理解陆地水预算在不同土地用途是必要和关键的改善我们的知识当前气候,全球水文循环,其动力学。然而,传统的观察,包括现场数据和卫星图像缺陷限制了许多水文变量的长期记录。此外,单独模型方法的缺点是,(1)模型不是完全参数化和校准和(2)模型在有限的土地使用像森林,草原,和农业。因此,在这项研究中,1992年到2002年从北美地区再分析数据集(NARR)来研究水预算在不同土地用途(湖、湿地、农业、森林和城市)在佛罗里达州的区域范围内。在表中1和2结果表明,奥基乔比湖和城市区域位于圣约翰河有较高的蒸发,降低的值和比例接近1,而湿地蒸发和较低和当地土壤水分高,,。此外,以往的研究表明,奥基乔比湖蒸发率测量是困难的,但是NARR数据集提供了宝贵的资源估算在水体蒸发率。森林和农业地区相比,树有更深的根源,更能保持土壤水分,维持较高的蒸发和降低地表径流。
观察到厄尔尼诺年往往是凉爽和湿润,而拉尼娜年往往是温暖和干燥比正常通过春天秋天,冬天最强大的效果。高于正常降雨观测在不同土地用途在1997/1998厄尔尼诺事件,而消极的月降水异常显示在各种土地利用在1999/2000拉尼娜事件。飓风安德鲁和雷暴在夏天还导致积极的降雨异常超过70%高于正常的研究领域。拉尼娜事件和干旱气候的年际变化和季节变化特征变量影响的个人条款在佛罗里达地表水平衡在不同的土地用途。结果表明,在干旱期间,较低的平均年降水和蒸发在佛罗里达的土地用途。东北的一部分国家经历了两个干periods-one是从11月到12月,另一个是,四月到五月,在南佛罗里达州,旱季发生不断从冬天到春天。
土壤水分反映过去的降水、蒸发、入渗、径流和有关土地surface-atmosphere与边界层的行为相互作用和沉淀过程。更高的降雨导致了更高的土壤水分和一个增强水分造成的潮湿土壤水分通量从表面到大气中,导致刨丝器在地区特定的湿度和降水。因此,较高的土壤湿度异常显示从1992年到1998年5月,导致更高的降雨和蒸发森林,农业,和湿地区域。因此,森林,更深层次的根,土壤水分较低异常,但蒸发异常高于农业地区旱灾期间的事件。此外,湿地面积越高或正异常干旱事件期间土壤水分和蒸发,因为湿地可以包含,慢慢地释放大量的水。
景观变化是改变对流降水和影响气候。区域气候模式受到土地利用和土地覆盖变化的影响。温暖的季节降雨应该将更改以来每当深积云对流是常见的一个地区地表通量的水分,明智的,和潜热变化(50]。因此,土地利用变化有重要影响的水和能源平衡和改变相对能量和水汽通量。
基于这些结果,北美地区再分析(NARR)可以提供有价值的、独立分析水的预算在不同土地用途在佛罗里达州。