文摘

本研究适用于土地制度(DLS)的动力学模型来模拟下的土地覆盖设计方案,然后分析了影响土地覆盖转换的能量流在中国的半干旱草原地区的气象研究和预测(WRF)模型。结果表明,草地将显示一个稳步upgrowing趋势下协调环境可持续性(CES)的场景。CES场景相比,草地覆盖较低的速度增加,而增加的速度在城市土地覆盖经济快速增长下会更高(注册)的场景。虽然转换从农田到草原将会减少能量通量,城市的扩张和森林面积的减少将带来更多的能量通量。作为一个整体,靠近表面的能量流将在CES场景下显然不会改变,因此气候将不可能被土地覆盖变化影响极大。REG场景下的能通量高于在CES的场景。这些研究成果可以为土地利用规划提供有价值的信息和气候变化适应半干旱草原地区的中国。

1。介绍

气候变化是国际社会面临的一个严峻的挑战,和人类活动引起的土地覆盖变化越来越被认为是对气候系统产生重大影响(1- - - - - -3]。通过改变地表气候变化影响地表之间的能量和物质交换和整个环境4,5]。此外,土地覆盖变化转换区域水和热量平衡有很大的影响对全球生态系统(6- - - - - -8]。因此,分析时间和空间异质性土地覆盖变化造成的表面能不能只提供支持模拟区域能量通量分布,而且还弥补缺陷的遥感监测的近地表能量通量的空间异质性。此外,土地覆盖变化可以显著影响区域的生物地球化学循环(8- - - - - -10]。因此,定量估计土地覆盖变化对能量通量的影响是当前和未来几十年的热门话题之一。

自1970年代中期以来,学者们研究了影响森林砍伐,草原退化、沙漠化、灌溉、和其他土地覆盖变化通过全球和区域气候模型模式(11- - - - - -14]。皮特曼认为地表属性可以显著改变表面附近的能量转移通过改变地表能量平衡和土地覆盖分布基于观测数据的分析和数值试验(15]。郑等人发现,土地覆盖变化可以显著改变释放的有效表面通量研究土地覆盖对气候的影响使用区域气候模型(16]。根据这些研究,可以得出的结论是,土地利用/土地覆盖变化改变了粗糙度、土壤水文和热特性,进一步导致地表能量平衡的变化,向下短波辐射,显热、潜热,等等17,18]。劳伦斯和追逐发现土地覆盖的气候效应主要是由水循环的变化主要由减少土壤水分蒸发蒸腾损失总量,提高潜热,然后辐射变化(19,20.]。因此,本研究选择的潜热和短波辐射指数,分析土地覆盖变化对能量平衡的影响。

黄土高原主要位于中国的干旱和半干旱地区脆弱的生态环境(图1)。贫穷的土地利用行为导致了严重的水土流失、土地退化、沙漠化、和生态环境的恶化21]。加快中国西部生态环境的建设,政府采取的政策返回农田林业区域或草原,已取得了良好效果。它不仅有效地防止水土流失和生态环境恶化,而且还促进草业的发展,畜牧业和农业产业政策实施后全面(22]。然而,当我们关心的政策所带来的好处返回农田林业区域或草原,应该注意这种大规模的土地覆盖的变化是否会影响区域气候。它会在某种程度上缓解干旱或使它更严重吗?它有影响能量流表面附近的吗?返回农田林业区域或草原将继续在未来几十年保护生态环境;因此,土地覆盖变化的贡献近地表能量通量的成为重大问题(23,24]。

必须量化土地覆盖变化对能量通量的影响在黄土高原适应气候变化和区域生态环境建设。本研究模拟土地覆盖变化的空间分布与土地制度(DLS)的动力学模型,然后估计近地表能量通量的区域范围内基于能量平衡原理和相似理论的边界层WRF模式,最后探讨了反应机理,表面能量通量的时空变化土地覆盖变化。结果将为土地利用规划提供科学依据和减缓气候变化。

2。数据来源和处理

2.1。土地覆盖数据

不同的社区有不同类型的土地覆盖分类系统,这项研究应用美国地质调查局的分类系统,包括24的土地覆盖类型。首先,土地覆盖数据的空间分辨率1公里2010年从遥感图像中提取,和2010年作为基准年。然后两种场景中,例如,协调环境可持续性(CES)的情况下,快速的经济增长(REG)场景,等等,都是设计。2010 - 2050年期间的土地覆盖数据模拟的动态土地系统(DLS)模型的基础上,估计在两个场景的需求。最后,1公里分辨率土地覆盖数据从2010年到2050年被重新取样到10公里分辨率数据根据WRF模式的要求。

2.2。迫使数据

迫使数据需要在WRF模式,包括风场、表面空气温度,长波辐射,和短波辐射,来自第五阶段的数据集的气候模型相互比较项目(CMIP5)将主要依赖于即将到来的联合国政府间气候变化专门委员会第五次评估报告(AR5)。CMIP5由29全球气候模型,和地球物理流体动力学实验室的数据立方厘米(GFDL-CM3)模型采用在这项研究中。它包含了一个大气化学模式完全交互式框架内的大气,海洋,土地,和海冰组件和(rcp)有四个典型浓度路径场景如RCP2.6 RCP4.5, RCP6.0, RCP8.5。本研究分析了能量通量RCP6.0场景下;的有限公司₂浓度排名在中级水平,在这种情况下,这是不符合中国的实际情况。自1999年7月以来的数据集已经建立和更新,所有的数据需要在这项研究中,例如,地表观测数据和遥感数据。

3所示。方法

3.1。WRF模式

天气研究和预测(WRF)模型是一种下一代中尺度数值天气预报系统设计为大气研究和业务预测需求,它有两个动力核心,数据同化系统和软件架构允许并行计算和系统的可扩展性25,26]。此外,它是一个广泛的跨尺度气象应用程序从米到数千公里;因此,适用于任何规模的研究(27]。

WRF模式开发的两个版本,一个是业务,另一个是研究,本研究采用后者,即ARW(高级研究WRF),进行相关的仿真。模拟地表附近的能通量分布更确切地说,本研究应用三层嵌套结构包括D01 D02, D03,和三层的面积比是3:2:1。的空间分辨率的输出(图D03设置为1公里2)。空气温度、海冰和土壤水分模型所需的数据每天更新。

与土地覆盖数据进行了仿真,并迫使两个场景下的数据。土地覆盖数据集来自美国地质调查局(USGS)。长波辐射方案和短波辐射方案RRTM Dudhia,分别;边界层过程计划YSU,陆地表面过程计划诺亚地表模型(表1)。强迫的模拟实现数据在2010年1月和2050年12月之间。

3.2。DLS模型

本研究DLS模型适用于模拟空间分布的半干旱草原地区的土地覆盖中国。它可以进行仿真两个尺度,区域范围内和网格像素规模和预测土地覆盖变化的空间分布的基础上,土地分配在不同行业之间的土地利用变化和空间分配区域。仿真包括四个步骤:首先,它探讨了驱动机构的地球物理条件和社会经济环境对土地覆盖的空间分布在基线和提取的重要驱动因素明显影响土地覆盖变化的空间分布;其次,重要因素的变化趋势,影响土地覆盖的空间分布,预测是基于区域范围内的历史特点和现状;第三,确定一个合适的场景预见到土地供应和需求之间的平衡;最后,土地覆盖的空间分配在1公里×1公里网格像素级实现,然后最后生成土地覆盖的空间分布地图(28,29日]。DLS的健壮的模型已经被证明模拟土地覆盖分布,因此本研究采用(29日]。

3.3。场景设计

根据社会经济发展的特点,在过去的30年中,我们设计两种社会经济发展情况,也就是说,经济快速增长的场景(REG)和协调环境可持续性场景(CES)。这两个场景的设计是根据经济发展过程和结构特点在黄土高原的因素结合最可能的变化,如人口、资源禀赋、技术进步。是土地覆盖变化趋势的基础上,社会经济因素在过去的几十年,但同时,和未来社会经济发展趋势。REG场景下,假设提出的改革将会迅速而平稳,市场在资源配置中所扮演的角色将会明显增强,将积极推进结构调整,经济增长方式将取得进展。CES场景主要考虑以下几方面的变化:城市化进程放缓,世界经济复苏缓慢,严重的贸易保护,出口增长缓慢,国际能源价格的上涨和能源进口限制,在体制改革和技术创新缓慢进展缓慢,和效率的改进。

4所示。土地覆盖变化从2010年到2050年,中国的半干旱草原地区

据美国地质调查局2010年的土地覆盖数据,发现主要的土地覆盖中国半干旱草原地区草地和农田,约占总面积的68.4%,以下是贫瘠的土地或植被稀疏,约17.2%。基于2010年土地覆盖的分析,本研究模拟了土地覆盖中国半干旱草原地区从2010年到2050年两种场景下DLS模型。仿真结果说明,在研究区土地覆盖的空间分布没有破坏性的变化从2010年到2050年,但是变化的比例会逐渐慢下来。不同时期之间的土地覆盖变化分析表明,转换类型之间的转换主要是由农田和草地。在不同的场景下,趋势和规模的主要土地覆盖变化在不同的范围不同。

在CES场景下,草地覆盖显示了增加的趋势。虽然会增加林业领域研究区域的某些部分在某种程度上,森林总面积将显示从2010年到2050年略有下降。严酷的自然条件限制林业领域扩张,与灌木林占最大的部分新增加森林覆盖。此外,CES场景需要的政策返回农田草地或森林区域考虑在内,也促进草原地区的增长和耕地面积的减少。在2010 - 2030年期间,草原将增长4.8%,2030 - 2050年期间将增加4.4%。大部分从农田增加草地转化和分布在山西、陕西南部、甘肃东南部和宁夏的一些地区。至于农田,将减少22.6×10³公里²从2010年到2030年,约19.8×10³公里²在2030 - 2050。贫瘠的土地或植被稀疏是另一种土地覆盖,其中大部分将被转化为草地或灌丛带北部和中部的半干旱草原地区由于生态恢复建设(图3)。另一个转换从农田是城市扩张,它不能避免在城市化的过程中,和扩大区域主要位于城市的环境。

社会经济发展和快速城市化意味着更多的土地将成为城市居民。2010 - 2050年期间,将会有增加5.3×10³公里²市区REG场景下,转化为市区的主要土地覆盖中国半干旱草原地区的农田。因此,减少农田转化为草地或森林区域。相比这些场景中,只有23.3×10草原将会增加³公里²2010 - 2030年期间增长了4.2%,直到2030 - 2050年的时期。草原的扩张主要是集中在东部黄土高原(图3)。相反,大部分的农田位于研究区南部包括山西中部和南部、山西省南部,甘肃省东南部。重要的是要注意,有更多的水资源研究区域的东部和南部地区,这是有利于森林增长。REG场景下,一些地区的草地退化裸地或变成了农田的西部半干旱草原地区的中国。

5。土地覆盖转换对能量平衡的影响在中国的半干旱草原地区

本研究选择潜热通量和向下短波辐射指数那么估计的能量通量WRF模式,总结了潜热通量和向下短波辐射的每种类型的土地覆盖。结果表明,不同的土地覆盖有不同的能量通量,因此,土地覆盖转换会产生不同的影响区域环境和气候;然而,其影响的程度和敏感地区具有明显的时空差异。此外,统计数据显示,林业面积潜热通量最高为36.0 W / m²,而市区潜热通量相对低15.0 W / m²(表2)。

5.1。潜热通量

这项研究估计,每月潜热通量WRF模式,然后计算年平均潜热通量分析土地覆盖转换对潜热通量的影响中国半干旱草原面积的变化。结果表明,贫瘠的土地或植被稀疏在内蒙古自治区西部地区和陕西省北部的潜热通量较低,虽然高大多由草原的南部地区,灌丛带,农田和牧场。实际上林业领域也有更高的潜热通量;然而,它没有明显的影响能量通量由于森林面积在这项研究是非常小的。

年平均潜热通量在半干旱草原地区的中国显然不会改变从2010年到2050年,只有3.2 W / m²增量。然而,会有各种气候影响不同地区从2010年到2050年中国(图的半干旱草原地区4)。由于返回的政策的影响农田林业区域或草原,潜热通量增加山西省的中部地区,宁夏南部,南部,与甘肃东南部,增加从1.2 W / m²20.4 W / m²。草原退化可能导致潜热通量的减少中间的一部分,内蒙古自治区,宁夏北部,西北的陕西省由于转换从草原到贫瘠的土地或植被稀疏,减少为3.2 W / m²(图4)。

预测未来的能量平衡,本研究模拟两种情况下的能量流。结果说明,CES场景下的潜热通量高于REG的场景中,这是因为更多的CES场景下进行生态建设将产生更多的潜热通量。从图可以看出4两个场景有潜热通量的空间分布相似,但也有地区差异。这些场景学报》第4 - 14小区域范围内的W / m²特别是在中部地区,但更大的区域范围内的44 - 64 W / m²。

5.2。向下短波辐射

向下短波辐射是影响气候系统能量平衡的重要因素。本研究模拟了向下短波辐射REG场景和环境场景下不同时期从2010年到2050年。结果表明,向下短波辐射内蒙古自治区和软弱的陕西和宁夏回族自治区北部,虽然在黄土高原的东南部地区。这是由于黄土高原北部的地方都是主要的重叠区草原和贫瘠的土地或植被稀疏,而东南部的土地覆盖是旱地农田牧场。从这里可以看出,农田回到草原的政策将减少向下短波辐射。然而,不同的场景有不同的土地覆盖的变化,因此,向下短波辐射两个不同场景下具有显著的时空差异。

根据统计分析向下短波辐射的网格尺度,它可以发现向下短波辐射会没有明显的变化从2010年到2050年没有有关的场景,这将不断增长的从280.4 W / m²282.1 W / m²CES场景下,REG场景下会增加从276.2 W / m²280.5 W / m²(图5)。尽管农田回到草原政策的实施可以减少向下短波辐射,城市扩张将导致更大的下行短波辐射,这就是为什么有一个更高的增量REG下向下短波辐射的场景。相比向下短波辐射下两种不同的场景中,可以看出,REG场景下高于CES场景下的2010 - 2050。向下短波辐射的空间分布在2030年和2050年在REG场景显示区域,其向下短波辐射小于265 W / m²,尤其是在北部和中部地区扩大和中国西部半干旱草原地区由于生态恢复(图5)。例如,贫瘠或植被稀疏土地逐渐被改善草原。

6。讨论和结论

本研究应用DLS模型模拟土地覆盖分布从2010年到2050年在CES场景和注册情况,然后分析了影响土地覆盖变化对区域能量平衡的半干旱草原地区的中国通过实施与WRF数值模拟模型。潜热和辐射能量平衡的主要影响因素,所以本研究选择两个指标包括潜热和向下短波辐射探索研究区域的能量平衡。结论如下。

(我)不会有重大变化的空间格局在研究区土地覆盖2010 - 2050。所有土地覆盖类型的变化比率将显示一个下降的趋势随着时间的流逝。在CES场景下,草原显示了一个增加的趋势,而森林覆盖正在减少,因为恶劣的自然条件限制林业领域扩张,与灌木林占最大比例的新增森林覆盖。贫瘠的土地或植被稀疏将主要转化为草地和灌木地。2010 - 2050年期间,将会有增加城区REG场景下,和土地覆盖转换为城市区域的主要是农田。相比这些场景中,草原的增长率将降低,和草原的扩张主要是集中在西部黄土高原的一部分。

(2)仿真结果表明,将没有明显的近地表能量通量的变化在CES场景中,潜热通量和向下短波辐射都有小规模的增加。因此,土地覆盖转换可能没有很大的影响气候在未来四十年。然而,能量通量的空间差异非常显著。返回的政策农田和牧场草原或森林面积使潜热增加在某种程度上,而可能导致草地退化的减少潜热由于转换从草原到贫瘠的土地或植被稀疏。至于向下短波辐射,可以看出是REG场景下高于在CES场景在研究期间。城市化和林业面积的减少将抵消草原扩张带来的能量通量减少。

尽管我们已进行了评估土地覆盖变化的影响在能量平衡WRF模式,我们分析有一定的局限性。首先,经济与社会发展的不确定性的预测。本研究应用场景预测土地覆盖变化;然而,我们仍然不能保证社会经济发展预测的准确性。其次,有各种各样的因素影响地区能源通量,但在本文中,只使用土地覆盖变化分析其对区域能量通量的影响。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项研究受到了新教师的科学研究项目由北京林业大学(没有。BLX2012044),中国的国家基础研究计划(973计划)(没有。2010 cb950900),中央大学基础研究基金(没有。TD2011-03)。数据支持中国的国家自然科学基金项目(没有。71225005;不。41171434;不。41071343)和探索前沿项目研究组成员、中科院地理所的科学战略计划、中科院也赞赏。