文摘
气候变化不可避免地导致热液循环的变化。然而,thermal-hydrologic交换引起的土地覆盖变化也经历了不合格的变化。因此,研究的全面影响气候和土地覆盖变化对陆地表面水和热交流使我们能够理解区域气候的形成机制和预测气候变化用更少的不确定性。本研究调查了地表thermal-hydrologic交换在中国南方未来40年使用地表模型(ecosystem-atmosphere仿真方案(eas))。我们的研究结果总结如下。(我)显热通量的时空变化模式(H)和蒸散(ET)土地覆盖情况下,负责或B2a)和气候变化场景(aib)是一致的。(2)两个H和等单峰值模式,和发生在6月或7月达到顶峰。(3)基于区域年际变化分析,H显示一个下降的趋势(10%)和等提出了一种增加的趋势(15%)。(iv)的年度平均水平H和外星人将分别增加和减少约10%,林地耕地转换。通过这项研究,我们认识到,土地表面水和热量交换的影响大大未来气候变化和土地覆盖的变化。
1。介绍
全球变暖全球气候变化特征的自然生态系统和人类社会带来巨大的影响1,2]。据估计,全球气候将很有可能继续成为未来100年[温暖3]。许多观察自然和生物系统的异常变化,如物种灭绝,海平面上升,和频繁的极端天气事件,以及植物和动物生物学特性的变化,与气候变暖(4,5]。因此,一个合理的估计未来的气候变化已经成为一个重要的问题对于科学家而言,公众和政策制定者和一个热门话题为改善气候系统的理解和未来的气候变化预测的准确性。
气候变暖加剧热液循环,导致水和热量资源的时空变化。它将进一步增加水文极端事件的频率和区域水和热量平衡。反过来,水循环和热传输是重要的过程中每个圆的整个气候系统。他们直接影响到当地的气候、环境和生态系统,因此在气候变化和异常扮演非常重要的角色。只有个人的物理特征进行详细的研究,我们可以认识到区域气候的形成机制。显热通量(H分别)和土壤水分蒸发蒸腾损失总量,反映出热含量和H2O蒸汽内容在大气中,是两个主要组件的土地表面水和热通量直接驱动气候变化。因此,分配的比例H等将直接影响气候变化(6]。分析他们的差异可以丰富我们的知识,陆地生态系统和大气之间的相互作用,从而促进我们更好地理解区域和全球气候变化过程。
气候变化是一个地表thermal-hydrologic周期的直接驱动力。许多研究已经评估了气候变化对能量传输的影响在历史时期(7- - - - - -10]。然而,最近一些研究人员开始调查land-atmosphere能量交换未来气候变化情景下(11]。水文循环和能量平衡组件引起的人类活动在不同时间和空间尺度上也经历了不合格的变化。人类活动主要是反映在底层表面土地利用/覆盖变化。边界层结构变化引起的土地覆盖变化确定空间变化的显热、潜热,水分通量变化,然后将改变大气边界层的物理过程。在中央和地方尺度上,土地利用转换甚至可能成为首批驱动气候变化通过改变局部表面的辐射通量(例如,反照率),热量,水分(如蒸发),和动量(如粗糙度长度)12- - - - - -14]。它表明模拟土地覆盖转换通过气候特别报告排放场景(sr)的政府间气候变化专门委员会(IPCC)可以对区域和季节性气候有显著的影响,其中一些影响的结果直接影响土地覆盖变化对当地水分和能量平衡。
大多数以前的相关研究历史时期和未来预测主要集中在水和换热的影响导致要么气候变化(15)或人类活动(16- - - - - -19]。即使少数研究实现了一个综合分析影响的气候变化和土地覆盖变化在区域范围内,他们中的大多数只是集中在定性方面。因此,需要评估的综合影响气候变化和土地覆盖变化对陆地表面水和热通量,提高预测未来气候变化的能力。
底层表面上表现为不同成分、复杂的性质,和异构分布像中国南方,land-atmosphere交互,影响气候异常的关键物理过程,更加全面。此外,中国南方经历了土地覆盖变化的过程deforestation-reforestation-reforestation在过去的30年。这样一个复杂的变化过程,只有land-atmosphere交互过程的分析机制水平可以提高我们能力的建模和预测未来气候变化在亚洲季风地区。
在这项研究中,未来的时空变化H和华南等模拟使用ecosystem-atmosphere仿真方案(eas)模型驱动的未来投影数据在气候变化的情况下,土地覆盖变化情况,以便更好地理解水平衡的演化模式和净辐射的预算。研究旨在提供科学依据正确评估未来气候动力学在全球变化的背景下。
本文组织如下。随后的部分描述研究区和方法论。部分3给一个简短的描述模型数据和验证数据。结果与讨论部分中给出4和5,分别。最后一部分总结了主要的发现。
2。研究区和方法论
2.1。研究区域
研究区,各种地貌类型,坐落在104.42°E, 21.12°N和120.59°E, 31.25°N,即涵盖了大多数的中国南部,覆盖大部分地区长江和珠江(图1)。完全,研究区域公里2。它的海拔范围从0 m高出海平面3702米。的云贵高原西部地区海拔最高和大多数其他地区少于500米高程,除了福建。是由森林面积(40.97%),主要包括常绿针叶林、常绿阔叶林森林。然后耕地占25.02%。土壤类型的分布主要是由砂质壤土(16.32%)、粘壤土(24.48%),和壤土(24.51%)有高度的碎片。盛行的亚热带气候研究区域之间的年平均气温14°C和20°C和年平均降水1100毫米和1800毫米之间。雨季主要从4月到10月。年降水量在不同地区不平衡和年际变化也很重要。除了自然灾害频繁,这个地区也经历了森林砍伐,植树造林和再造林过程在过去的30年。
2.2。模型描述
一个集成的地表模型,命名为大气生态系统模拟方案(eas), (20.)是基于单层植被林冠覆盖一个七层土壤,包括基于实物的能量和水分通量传输从植被树冠和通过。在东亚峰会被独特的热动态植被和底层地面。此外,考虑到“大叶”模型固有的局限性(21),东亚峰会分层植被树冠阳光和阴影。它被称为“两扇”树冠模型(20.]。
东亚峰会可以运行逐像素域定义,所以它可以在不同尺度上采用基于可用的输入数据。此外,东亚峰会有灵活的空间和时间分辨率,只要每个像素定义的输入数据。
典型的特征模型的简要描述如下。(我)能源、水、和碳同时模拟基于显式链接在光合作用中,蒸散和气孔导度。(2)植被都被视为一个单一层和模型层状植被树冠,阳光和阴影的叶子根据太阳天顶角和树叶聚集指数(Ω)尽量减少偏见的“大叶”的假设。Ω,除了赖,用于描述三维树冠结构对辐射的影响,水,和碳通量。(3)地球科学的关键物理参数(例如,Ω土地覆盖)是基于遥感定量参数化模型的检索,和区域模拟精度提高。(iv)积层计划对能源交流通过土壤和水转换层和/或积雪(如果存在)介绍了东亚峰会。雪的数量和土壤层,每一层的深度用户定义根据土壤物理结构、积雪深度和应用程序的目标。(v)的积雪和冻融循环的动态土壤剖面也强调在东亚峰会。东亚峰会被迫由近地表气象变量在一个参考水平大气边界层内,包括表面空气温度、相对湿度、入射太阳辐射、风速、降水。论文的详细描述是指陈et al。20.]。
2.3。方法
2.3.1。模型参数优化
对于未来的土地覆盖场景,土地覆盖分类系统主要包括耕地、林地、草地、建设土地、水域、湿地、积雪地区,沙漠,光秃秃的岩石,荒漠化土地。这是一个相对粗糙的分类,从而无法对应国际岩石圈生物圈计划(IGBP)的分类在eas模型。因此,该模型需要改进和参数优化匹配现有的土地覆盖分类系统所需的未来场景。考虑到只有一个通量观测塔(QYZ)定位在这一研究领域,我们使用FLUXNET优化eas模型参数的测量数据进行各种植物函数类型和模型验证和评估。
2.3.2。气象数据预处理
模型驱动气象数据,包括传入的短波辐射、空气温度、相对湿度、降水、风速,得到从GCM-HadCM3,哈德利气候预测和研究中心。(我)阅读数据。气象数据获取的原始格式是罕见的(加盖格式)和不规则的经纬度网格单元,数据处理工作增加很大的困难。(2)空间缩小规模。针对底层表面的非均质性强,我们考虑植被、地形等因素与气象条件密切相关。指贾的方法(22),0.5°网格细胞被缩减规模获得更精确的插值结果。(3)颞缩小规模。eas模型运行在每小时的时间步骤。每天获得的数据需要缩减规模每小时的数据。根据气象变量的动态特性,采用不同的降尺度方法不同的变量。空气温度、相对湿度和太阳辐射有一定的昼夜变化规则但缺乏等关键控制变量最大和最小值。因此,研究指的是每小时变化在一定历史。此外,历史是随机选择的,比如从2000年到2005年,以避免固定参考年实际约束的计算过程。我们降尺度进行每日气象变量的未来场景,最终获得相对准确的每小时气象数据系列。考虑到意外和不连续性降水的变化和不稳定的风速、随机方法被用来分配每日平均值每小时价值(23]。
2.3.3。验证标准和模型评估
关键参数优化模型,提高模型的能力和适用性不同地表条件。使用可用的全球电子商务通量观测网络数据,eas模型进一步验证和参数化的通量塔全球覆盖各种植物功能类型。确定系数(),均方根误差(RMSE, (1协议())和指数,(2)是用来衡量模型模拟的准确性: 在哪里是观察到的数据,是模型模拟数据,是观察到的意思。
2.3.4。实验设计
本研究用五年时间序列(2010 - 2050)每日IPCC sr aib(介质排放场景)气候情况的数据大致迫于GCM-HadCM3和两个未来的土地覆盖场景数据(A2a_version2 B2a_version2),分析了地表的时空变异性thermal-hydrologic交流在未来40年内通过两组实验:(i) aib气候情况数据和A2a_version2土地覆盖场景数据和(2)aib气候情况数据和B2a_version2土地覆盖场景数据。然后陆地表面水和热通量的变化分析了该地区遭受土地覆盖的进一步探索土地覆盖变化的影响在水和热通量。
3所示。数据准备
3.1。输入数据
3.1.1。土地覆盖数据
土地覆盖场景数据用于这项研究是由地理科学和自然资源研究所,中国科学院。结合中国735个气象站的观测数据和基于HadCM3 A1FI的气候变化数据,负责,和B2a,时空变量栅格数据的一系列中国HLZ(霍尔德生活区)生态系统。然后,边际转换模型建立和运行这些数据,然后中国未来的土地覆盖变化场景模拟时间系列数据。生产过程的详细描述可以参考曰et al。24]。图2显示了土地覆盖变化场景在未来40年,负责场景。土地覆盖变化的场景下B2a场景几乎是一致的,在负责场景(数据没有给出),除了少数耕地和林地(图的变化3)。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
3.1.2。迫使数据
大气推动东亚峰会包括空气温度、相对湿度、降水、风速、和传入的短波辐射。提供区域气候的影响研究(摘要)数据集收购GCM-HadCM3哈德利气候预测和研究中心的高分辨率公里然后缩减规模公里/我们的研究区域使用方法,贾庆林等。22]。摘要目前在中国被广泛使用,主要用于气候模拟和气候变化影响评估,和大量的工作已经进行了验证仿真能力。摘要可以更合理地模拟中国区域气候变化的时空分布格局25- - - - - -27]。年际变化的两个关键变量迫使下,负责场景如图4。百分比变化下B2a场景几乎是一致的,在负责场景(数据没有提交)。
(一)
(b)
3.1.3。其他输入数据
1:1000000年中国土壤数据库用于这项研究是由土壤科学研究所、中国科学院(28]。土壤数据库包括空间数据库、土壤属性数据库,和中国土壤参考系统。大多数基本的土壤中映射单元空间数据库是土壤属,包括12个订单,61年土壤组,235子组,926个土壤类型单位,94000多边形。土壤属性数据库包含81属性字段,即土壤深度剖面厚度、容重、有机质含量、砾石的内容,等等。有效连接的土壤剖面数据之间创建每个对应的多边形单元属性数据库和空间数据库和GIS平台。
所有的驾驶数据统一在同一规模通过理性的扩展方法,因为是基于空间分辨率的模拟实验公里网格。直到现在还没有赖未来情景预测数据。研究认为,赖昌星保持常数在接下来的40年,和2005年赖被用作参考仿真实验。
3.2。通量数据集
我们选择了测量数据在2003年QYZ (26.733°N, 115.050°W), FR-Pue (43.741°N, 3.596°W), AT-Neu (47.116°N, 11.320°W), CA-NS6 (55.917°N,−98.964°E), FI-Kaa (69.141°N, 27.295°W)和US-Bo1 (40.006°N,−88.290°W)(表1),位于不同的植物功能类型从FLUXNET ChinaFLUX网络模型验证。
气象变量为模型的输入包括传入的短波辐射,空气温度,相对湿度,测定与涡度相关(EC)系统在2003年塔,和所有记录每隔30分钟。降水在树冠与雨量计记录。与3 d三维风速测量声波风速计,同时一边表面通量测量与电子商务系统。更详细的描述在观察这些网站可以在网上找到http://www.chinaflux.org/和http://www.fluxdata.org/。
4所示。结果
4.1。模型的验证
为了验证该模型,在塔的地面实验网站上面提到的。模拟H和ET同意全年观测(表1)。确定的系数()六站位于不同典型生态系统大多高于0.7,和索引的值的协议()通常高于0.8,除了H在草原。eas模型总体表现良好,在不同的生态系统是可以接受的。更多的eas模型的评估可以指陈et al。20.)在2007年发表的论文。
4.2。下的水和热通量时空变化土地覆盖场景
我们分析了区域的变化H在接下来的40年基于2010年获得的价值。图5表明,年际变化在整个空间模式是重要的(B2a场景下的模拟结果几乎是一致的与负责的情况下(数据没有显示)。具体地说,这两个区域放大和区域扩张将在2020年大幅增长。最大的区域研究的增加发生在东南地区的最大12.78 w m−2。然而,这表明整个研究领域呈现一个下降的趋势。2025年和2040年之间的变化在空间分布是一致的,除了一个小增加2040年研究区东南。年平均的区域范围内,陡峭的上升是在2020年,但2040年变化趋势呈现突然下降。然而,年际变化通常显示一个下降的趋势在未来40年(图8)。
(一)
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(c)
同样,图6介绍了时间和空间的分布格局在未来40年内年际的变化等基于2010年的值(B2a和负责场景下的模拟结果几乎是一致的(数据没有显示)。时间和空间变化的年际等也是显而易见的。区域放大和区域扩张将会发生在2020年。的最大区域放大约0.95毫米的一天−1最大,面积扩张将会在未来的40年。大面积的增长也将发生在2040年,但增加的幅度不一样,在2020年。然而,大面积的减少发生在2015年,2025年和2030年。减少区域主要位于东部2015年和2030年,但2025年位于中间。等显示了微不足道的变化在其他大部分地区年(2035、2045和2050年),相比2010年的价值。平均每年的变化趋势相反H在区域范围内,在同一时期呈现明显的增加趋势在未来40年(图8)。
(一)
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(c)
此外,季节性的变化H并在接下来的40年里(图等7)也进行了分析。仿真结果在每个时期基于两个土地覆盖场景几乎是一致的(数据7(一),7 (c),7 (b),7 (d))。这两个H和ET约承担余弦曲线模式除了一个小峰显示11月H并在每个周期在6月或7月达到顶峰。存在非常大的波动模拟的年。这些变化规律也反映出明显的空间分布模式H和外星人,而土地覆盖变化对季节性变化的影响很小的模拟结果。
(一)
(b)
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(d)
(一)
(b)
4.3。土地覆盖变化对水和热的影响交流
为了探索土地覆盖变化对地表的影响水和热通量,我们选择一个地区发生重大改变位于贵州省(红色圆圈区域图9,,。这个区域耕地在负责土地覆盖情况下,2040年转移到林地在同年B2a土地覆盖场景。我们的日常H和ET和分析每日变化如图9。H在负责情况下基本上是高于B2a场景下的模拟结果在任何时候,和年平均数据,负责场景是9.4%高于B2a场景下的价值。反对H等在负责情况下减少大约9.4% B2a场景下的价值。由以前的研究也发现了类似的结果(28]。
(一)
(b)
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5。讨论
只是关心气候变化本身,气温和降水会增加在未来40年(图4),一般来说,冠层温度将增加,因此H会增加。然而,仿真结果并不如(图8)。主要原因可能是土地覆盖转换也会发生在接下来的40年。从图3显然,我们可以看到,林地面积不断增加,并将增加约5%和4.4%两个土地覆盖场景从2010年到2050年,分别。我们还发现,耕地面积几乎相同的比例增加林地面积减少;即增加林地面积主要是耕地面积的减少。一般来说,林地面积的增加将导致增加等29日,30.]。
我们都知道,不仅净辐射包括短波辐射平衡,也成正比的长波辐射温度的四次方。净辐射等于的总和H、潜热通量和地面热通量(G)(G值通常是小的)。为了保持能量平衡,H等增加时必然会减少。地表净辐射随林地覆盖率增加。在我们的模拟中,土地覆盖从耕地在负责土地覆盖情况下转移到林地在B2a土地覆盖情况下,H增加10%,而减少了15%。的减少H不足以增加等,这5%的缺陷可能是由于增加的净辐射。
结果也可以从植物生理学的角度来解释。森林植被具有较高的光合能力。吸收太阳能将转换为H2O蒸汽通过光合作用过程和烟消云散,气氛从植物(树冠和叶)。这个过程需要吸收热量,因此植物会减少他们的表面温度。叶片温度降低,空气温度增加,H会减少。此外,林地,恒温器,冷却效果,因此树冠通过蒸发冷却温度会降低。
6。结论
在这项研究中我们解决气候变化的综合影响和土地覆盖变化情况对未来土地表面水和热通量与物质循环和能量流动耦合的地表模型东亚峰会并得到以下初步结论通过以上两个仿真实验。
(我)两个土地覆盖场景下的仿真结果表明,空间的变化H和ET模拟两个以上运行在未来40年几乎是一致的,而且这种变化模式是更直观地反映区域年平均变化。(2)季节性变化表明,两种情况下的仿真结果几乎是一致的除外H模拟年11月出现小高峰。此外,存在巨大的波动模拟的年。(3)通过年度变化两种情况的分析,H有减少趋势10%和外星人有增加的趋势15%在接下来的40年。(iv)时空分布的陆地表面水和热量将遭受极大地从未来气候变化,而区域大小的影响从土地覆盖变化情况不容忽视。
确认
这项研究支持中国的国家基础研究计划(973计划)(没有。2010 cb950904也没有。2010 cb950902),研究资助(2012 zd010)的科学战略计划的重点项目研究组成员、中科院地理所中科院的研究计划LREIS (O88RA900KA),中科院的科研经费(41071059和41071059)由国家科学基金会资助的研究给予命名为“亚太森林对气候变化的适应”(项目号倡议/ 2010 / PPF / 001)由亚太网络可持续森林管理和康复,和“一百人才”计划由中国科学院。作者感谢FLUXNET和ChinaFLUX的数据。作者还要感谢Xiangzheng邓小平和三个评论者对他们有用的评论和建议,显著提高。