文摘

气候变化引起的土地利用/覆盖变化(LUCC)是当前全球变化成为一个热门话题,尤其是草原退化所造成的变化。本文基于1993年基线底层表面数据,预测潜在的表面数据,可以通过覆盖草地退化信息基线底层表面的地图,和大气强迫数据从CMIP5 RCP 6.0,气候变化引起的未来草原更改为2010 - 2020和2040 - 2050年与天气研究预测模型(WRF)模拟。基于模型的分析表明,未来将大大导致草地退化区域气候变化。未来的草原退化可能导致大部分地区温度的增加的趋势和相应的年平均气温的变化幅度−0.1°C (0.4°C,它会导致降水减少的趋势和相应的年平均降水量的变化范围mm-50 10毫米。本研究确定的未来草地退化对区域气候的影响的证据在蒙古发展提供有意义的决策信息和战略计划在蒙古。

1。介绍

在过去的年,人类改变了自然生态系统,如林地和草地转化为农田、牧场,和裸露的土壤1]。土地利用和覆盖变化(LUCC),在人类活动中发挥主导作用,与环境和对生态系统产生重大影响在地方、区域和全球尺度,从而直接或间接地对全球气候变化造成的很大的影响(2- - - - - -5]。近年来人为气候变化逐渐引起了世界的关注。地表过程和气候条件之间的相互作用机制已经越来越多的调查和建模。这些LUCC将继续在未来对气候造成的影响。从一个土地利用/覆盖类型转换到另一个比一个更经常无常的变化。因此任何这种变化对气候的影响不会是短暂的;相反,它将是一个长期有持久影响气候的影响(6]。重大的全球变暖发生在20世纪,特别是在最近几十年。全球平均地表气温上升的速度从1906年到2005年每十年0.07°C (7]。看来LUCC的重要性在未来气候的大小只能取决于了解和理解某些土地转换区域尺度直接影响气候。

它早就知道,气候变化和LUCC互相影响。土地利用变化等人类活动所引起的森林砍伐(8- - - - - -11],草原退化[12,13)、农业实践(14,15),和城市化16- - - - - -18)都有一些影响气候19),而目前大多数以前的研究针对气候变化对LUCC的影响(20.- - - - - -22]。蒙古,最担心的是草地变化由气候变化引起的,而研究集中在LUCC对气候的影响,尤其是在蒙古草原变化对气候的影响,没有那么多,因为人类活动越来越活跃,这使得LUCC影响气候系统在不同时间和空间尺度上的(23- - - - - -25]。例如,砍伐森林会导致热带温度下降,尽管这可能导致在寒带地区温度降低(26]。这是发现人类活动可能占90%的全球变暖的原因的第四次评估报告政府间气候变化专门委员会(IPCC AR4),和1/3的全球有限公司₂增长是由1750年代以来土地利用变化引起的。我们已经了解到,草地家畜的饲料;与此同时,它可以调整生态系统和气候系统的生态系统服务功能。所以草原的变化及其对气候系统的影响越来越重要和热点问题近年来全球变化。先前的研究表明,增加草地自工业化前的时代造成总体变暖趋势意味着和极端温度检测在观察到的温度变化(27,28]。意味着和极端气温的变暖由于人为迫使除了土地使用检测到在所有情况下,而相对较弱的影响自然气候迫使并非在任何研究发现。

草原是一个重要的土地利用类型的生态系统服务供给中发挥着重要作用。具有重要意义的草地管理确定草地生产力的变化趋势及其对气候变化的反应(29日]。可以看出,以往的研究都集中在影响气候,但我们很少能找到LUCC研究草地变化对气候的影响尤其在蒙古。草原是一个重要的土地覆盖类型和草原面积的变化会显著影响区域气候变化。LUCC对气候的影响可分为两大类:生物地球化学和biogeophysical。生物地球化学过程可以很容易地通过影响区域气候改变了大气的化学成分。Biogeophysical过程影响的物理参数决定的太阳能吸收地球表面,以及如何这种能量在地球表面的分布。最重要的一个参数通常被认为是对气候反照率。地区优质的草原的反照率低于一个沙漠。改变土地利用和覆盖类型转换的反照率,吸收的能量会发生变化,反映出区域,然后是当地气候会受到影响。此外,土地利用活动也产生重大影响区域气候系统的特点,例如,温度,蒸散、降水、大气压力,尤其是气温和降水量(30.,31日]。最近的研究表明,极端的LUCC可能影响温度和降水(32]。因此,在这项研究中,我们将介绍一些证据为未来草原地区气候变化影响基于模拟的降水和温度在蒙古。结果将有助于合理利用草原,并提供一些理论和科学支持发展和战略计划在蒙古。

2。案例研究区域

蒙古位于亚洲中部与俄罗斯接壤的北部和内蒙古地区的中国南、东、西。它是全世界第二大内陆国家总面积为156万公里²。和国家领土面积世界排名18。大多数国家的面积覆盖的草原面积占70%以上的国家(图1)。蒙古位于蒙古高原;西部、北部和中部山区;它的东部丘陵和平原和南部戈壁沙漠。蒙古是远离海岸和内陆有明显的气候特征。每天有巨大差异的温度和季节。冬天又冷又长,夏季是温暖而短暂的。根据蒙古气象局的日期从1960年到2006年,在蒙古北部,温度相对较低,年平均气温−5°C或甚至更低;南部平原的年平均温度是4°C (33]。最热的月份是七月,平均温度在阿尔泰县Hangay县库苏古尔县,Hentiy Nuruu 10°C-15°C。温度在蒙古戈壁沙漠和东部平原是超过20°C (34]。在蒙古和平均年降水量200 - 300毫米(从1980年到2006年35]。全球变暖是一种“自然现象。“自1980年以来全球气温大幅上升。在最近的20年里,全球平均气温已经上升了0.74°C,而蒙古的平均温度上升了1.5°C到2.5°C,这是两到三次世界平均水平(36]。降水在蒙古没有太多在整个一年。风暴和干旱是两个主要自然灾害对农业和畜牧业生产。

蒙古国民经济的支柱产业是畜牧业。大约30%的人口是游牧或seminomadic。所以在蒙古草原是相当重要的。揭示草地变化对气候的影响是全球重要的在这样一个典型的地区。典型草原主要分为森林草原,草原、山地草原、荒漠草原和沙漠。自1960年代以来,由于过度放牧,牛群失衡,牧场的过度使用,和全球变暖的影响,物种在森林草原的精神性,典型草原、山地草原、沙漠草原和沙漠是50%,44.73%,30.3%,23.8%,和26.7%,分别。优质的牧草是逐步嵌入或取而代之的是劣质的植物(灌木,灌木,等等)。37]。许多种类的植物大大减少和饲料价值逐年下降。的利率从1961年到2006年,森林草地牧草产量递减率,典型草原、山地草原、沙漠草原和沙漠是40.54%,52.17%,39.28%,33.33%,和39.28%,分别为(33]。上述研究表明,蒙古的草原退化的情况是严重和普遍恶化的牧场可能导致二氧化碳和其他温室气体的增加,从而使蒙古和气温上升的温度上升也会引起降水再分配,使自然生态系统的平衡,更威胁人类的食物供应和居住环境。

3所示。数据和方法

3.1。下垫面和大气强迫数据

有两种类型的输入数据在WRF模式中,底层表面和大气强迫数据。一个先进的高分辨率辐射计(AVHRR)网格数据1公里×1公里的美国地质调查局(USGS)分类系统跨越12个月期间(1992年4月- 1993年3月,从今以后,1993)作为基线底层表面数据。和预测土地利用和覆盖的网格数据从2010年到2050年来自代表集中的数据库路径(RCP) 6.0。这个数据库是由亚太综合模型(AIM)建模团队在国家环境研究所(NIES),日本。探讨未来草地退化对气候的影响,我们只使用的草原退化信息数据库,尽管各类土地利用变化信息和求职是可用的。假设其他类型的土地利用和覆盖是常数,新的草原区域像素的数据库中提取出来的RCP 6.0覆盖基线底层表面的地图。因此,这两个两个主要的底层表面数据被转换为网格数据重采样的50公里×50公里。第五阶段的耦合模型相互比较项目(CMIP5)产生一种先进的multimodel数据集,用来促进我们的气候变化和气候变化的知识。它提供的预测未来气候变化对两个时间尺度,短期和长期的。后者的模型输出6.0 RCP如空气温度、含湿量,海平面气压,向东风,风,向北和位势高度从2010年到2050年的大气强迫数据集被用来WRF模式。

3.2。天气预测(WRF)模型的研究

WRF模式是一种先进的大气模拟系统的基础上,第五代宾夕法尼亚州立大学/ NCAR中尺度模式(MM5)和同化系统是由一些科学家和被用在许多不同的机构(38),如国家大气研究中心(NCAR)和空军气象局(AFWA)。他们认为WRF项目将是一个多努力开发一种先进的中尺度预报和数据同化系统,将准确、高效和可伸缩的一系列尺度和计算机的主机平台。许多先前的研究已经表明,WRF是一个很好的模型来模拟未来气候变化和它在世界各地得到了广泛的应用39,40]。两个动力核心版本WRF是开发应用程序的过程中,高级研究WRF (ARW)和WRF-NMM (NMM)。前一个是用于调查温度和降水的变化由未来的草原退化。

3.3。实验设计

WRF模式基于欧拉质量解算器被用来研究温度和降水的变化由未来的草原退化在这项研究。两组测试(控制测试和模拟测试)的设计;基线下垫面和预测潜在的表面在上面的两个测试,分别。模拟从2010年到2050年以一个恒定下垫面(草原的模式以及其他土地利用和覆盖类型的研究区域是固定的,1993年,即基线下垫面)首先,实施的结果被认为是基线。然后假设其他类型的土地利用和覆盖常数,新的草原区域像素的数据库中提取出来的RCP 6.0被覆盖的地图基线基础表面;最后,预测2010年和2040年的底层表面。因此,两个主要的底层表面数据,基线底层表面数据直接来源于AVHRR数据1993年和预测潜在的表面通过覆盖草地退化数据信息的地图基线基础表面,。未来草地退化对气候的影响可以测量不同的模拟结果与预测潜在的表面和基线下垫面。考虑以下: 在哪里是未来草地退化对气候的影响,指的是年度和月度平均温度和平均年度和月度降雨雪,和和WRF模式的模拟结果,预测潜在的表面和基线基础表面,分别。

4所示。结果

草地退化对温度和降水的影响平均每段2010 - 2020和2040 - 2050模拟。在两个时期的模拟,基线底层表面数据和预测潜在的表面数据。具体地说,每个时期的气温和降水量2010 - 2020和2040 - 2050年与基线下垫面获得第一。然后温度和降水的模拟2010 - 2020和2040 - 2050两个时期是不断实现通过使用2010年的预测潜在的表面,分别为2040。如上所述,未来草地退化对气候的影响测量不同的模拟结果与基线并预测潜在的表面,也可减少仿真模拟不连续引起的偏差。原来的模拟结果每小时和聚合为年平均数据和月平均数据。

4.1。对年平均温度的影响

草原是一个重要的土地利用类型生态系统服务供给中扮演重要的角色在中国。具有重要意义的草地管理确定草地生产力的变化趋势及其对气候变化的反应。模拟结果表明,会有一个向上的趋势,年平均温度的增量0.1°C (0.3°C 2010 - 2020(图2)。此外,模拟结果表明,年平均温度显示了波动的趋势;对温度的影响逐渐减少自西向东,然后爬上第一个下降一步一步从北到南。年平均气温变化显著的西北蒙古草原分布最;温度上升了0.3°C和高于其他地区。除此之外,在一个小区域附近的海在东北,温度显示一个下降的趋势;它大约下降了0.1°C。与此同时,我们发现哪些经验草地退化最严重的地区主要分布在阿莱县,Ada乍得的县,阿尔泰的城市。同时这些地区年平均气温的变化是最明显;它表明,草原退化有很大的影响在蒙古当地的温度变化。

这充分说明了草原温度调节中起着重要的作用。为了预测未来的趋势温度在蒙古,我们使用相同的方法来模拟草原退化的影响,从2040年到2050年的年平均气温;模拟结果显示,会有上升趋势的年平均温度的增加0.1 - -0.4°C 2040 - 2050(图3)。温度降低的影响逐渐从西到东,一步一步爬上第一个然后下降从北到南。与2010 - 2020年的模拟结果相比,它从图可以清楚的看到3年平均温度上升地区显著增加,主要集中在西北地区和中部地区的蒙古;年平均温度的上升约0.1°C。此外,温度降低约0.1°C在一些地区的西南部和东部地区的蒙古。总之,作为一个草原为主的国家,草原中扮演一个重要的角色在调节气候;未来草地变化对气候的影响应该关注高度在蒙古。

4.2。对年平均降水的影响

草原的退化导致重大变化空间格局的年平均降水在蒙古。模拟结果在2010 - 2020年表明,草原的退化将使西北和东部地区的年平均降水量蒙古减少超过40毫米(图4)。此外,年平均降水蒙古中部还将减少超过20毫米。然而,草原的退化将使整个模拟地区年平均降水量减少25毫米。

相比,模拟的结果2040 - 2050年期间表示,整体效果的草原退化年均降水量在2010 - 2020年期间那样重要。草原退化将使年平均降水减少15毫米50 mm;在蒙古的大部分地区,年平均降水量的减少趋势从东部和西部中心区域;最低年平均降雨量(图15毫米5)。最明显的减少年平均降水发生在蒙古西北部和东部地区,但在中央部分变化相对较慢。根据2010年,蒙古的草原分布地区的年平均降水量变化最碰巧草原退化地区它表明扩张和草地的退化;对当地降水产生重大影响。

4.3。对月平均气温和降水的影响

草原退化的影响在每月的月平均温度变化在2010 - 2020和2040 - 2050。模拟结果表明,月平均温度的总体趋势在上面的两个时期基本上是相同的,有明显的季节性特征。草地退化对蒙古的温度产生重大影响;月平均温度的变化范围是0.025 - -0.075°C;相比于2010年和2040年的基线数据,每月平均温度呈不断上升趋势,变化的速度先增加然后减少;月平均温度的最大变化出现在7月为0.075°C,最低平均气温的变化发生在12月和1月,之间的变化范围是0.025到0.03°C(图6)。对月平均温度模拟结果进一步证实上述结果;草原退化将导致更高的温度和更严重的退化是温升越大。

在蒙古地区的农田很大,拥有干旱;在最近的10年,大幅减少130万公顷的农田地区090万公顷在1990年代。所以退化的月平均降水的影响是更重要的比月平均温度。总的来说,月平均降水的变化趋势在2010 - 2020和2040 - 2050年基本上是相同的,有季节性变化现象;模拟结果表明,在冬季和夏季降水明显高于月平均降水变化的范围是−3毫米(图5毫米7);它可以清楚的看到,6月降水变化是显而易见的;三个月的月平均降水量比基线高3 - 5毫米,但在另一个月的月平均降水量低于基线。它说明了草地退化对降水的直接和间接影响,直接关系到当地的农业生产和收入。

5。结论和讨论

本研究分析了草地退化和气候变化之间相互影响的基础上,WRF模式在全国水平和草原退化的影响评估年度和月度平均温度和降水在蒙古。尽管一些限制由于数据的空间分辨率和仿真时间长,数据还有助于评估草地退化对气候变化的影响。结果表明,草地退化对区域气温和降水量具有明显的影响在未来40年蒙古和影响时空异质性。年平均气温和降水量显著改变从4月到9月;最大的变化是在7月份。模拟测试和控制测试之间的比较表明,草原退化的情况下,年平均温度变化明显的领域主要集中在西北地区,东南亚,和中东的蒙古,年平均温度变化大约是−0.1°C (0.4°C。在蒙古的大约70%的地区;年平均温度变化是0.1°C (0.3°C。此外,年平均降水变化在蒙古明显的区域性和季节性特征。总的来说,有下降的趋势在蒙古大部分地区平均年降水量变化; the most significant changes are in July and August, and change values are 30–50 mm. According to the analysis of the monthly average temperature and precipitation, the comparison between the simulated test and control test showed that in July and August the monthly average temperature rose most obviously; the change value is 0.06°C–0.075°C. In winter the temperature rose relatively slow, with change value of about 0.02°C-0.03°C. The most obvious change of monthly average precipitation is from April to September; the change value is 2–5 mm.

草地退化对气候变化的影响应该是全面的;在这项研究中,我们只考虑草地退化对气温和降水的影响,同时,没有报告能量平衡,循环,季风,和其他气候因素,这可能导致理解不深的影响的分析。在这项研究中,仍有一些短缺。首先,气候的影响可能是由于一些其他因素除了草原退化,如太阳活动和其他人类活动一样,只有草地退化已经考虑在这项研究中,所以更多的因素可能包括在进一步的研究中。其次,一些不确定因素存在于模拟测试。uncertainness可能来自数据、参数化和WRF模式本身。所以仍有更多的工作要做以得到更准确的结果在未来的研究。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本研究支持的重点项目由中国科学院资助(批准号KZZD-EW-08),在中国发展基础科学国家重点项目(批准号2010 cb950900),中国科学院的外部合作项目(没有。GJHZ1312)。