京津冀地区土地利用变化对区域气温的调节机制和贡献率研究

The interaction between Land use / cover change (LUCC) and climate has always been one of the hot spots of global warming. The project selects Beijing-Tianjin-Hebei region as the study area. Firstly, based on the land use data of 2000, 2005, and 2010, a new yearly land use data from 2000 to 2010 will be constructed combining with a data of Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) land cover data (2001-2010). And we analyze the temporal and spatial characteristics of inter-annual variation of LUCC. Then, based on the new land use data and MODIS land production of albedo, emissivity, and vegetation index, we realize the localized dynamic parameterization of the regional climate model (Weather Research and Forecasting, WRF). Finally, WRF is used to simulate respectively through setting up the two different simulation schemes: (1) the yearly meteorological field and continuous LUCC, and (2) the yearly meteorological field and corresponding yearly LUCC. The accuracy and uncertainty of the simulation results will be analyze by comparison with observation air temperature of meteorological stations. And then, through analyzing the changes of LUCC and corresponding surface energy balance (net radiation, latent heat flux, sensible heat flux), LUCC and corresponding near-surface temperature, we study the biogeographical mechanism of action of LUCC on the surface heat balance and the air temperature, and clarify the contribution rate of LUCC on regional temperature changes.

土地利用/覆盖变化(LUCC)与气候的相互作用一直是以气温升高为主要特征的全球变化相关研究所关注的重点领域。本项目选择京津冀地区为研究区，首先，以三期土地利用数据(2000, 2005, 2010年)为基准，联立中分辨率成像光谱仪(MODIS)逐年(2001-2010年)的地表覆盖数据，构建新的逐年土地利用数据，并分析研究区地表覆盖年际变化的时空特征。基于此，引入MODIS反照率、比辐射率和植被指数数据实现区域气候模式(WRF)地表参数的动态本地化。然后，利用WRF设置两种方案开展模拟：(1)逐年气象场和连续LUCC模拟和(2)逐年气象场和逐年LUCC模拟；并利用气象台站观测气温评估模拟精度。最后，通过分析LUCC与地表能量平衡各收支项(净辐射、潜热通量、显热通量)及近地表气温对应的时空特征变化，研究LUCC对气温的调节机制，从生物地球物理角度厘清LUCC对区域气温变化的贡献率。

土地利用变化(LUCC)与大气系统相互作用，而城市是人类活动的集中区，城市扩展及由其导致的热岛效应也是土地利用变化引起区域气候变化的典型代表。本研究以京津冀为研究区，联立多期LUCC和气象数据，首先对2000到2010年的LUCC过程及其垂直的辐射强迫和温度效应加以分析；进而利用WRF/UCM模拟不同下垫面对应的气温差异情况，并且尝试从能量平衡和下垫面角度，解释土地利用变化对区域气温的影响，藉以在机理上厘清因下垫面变化导致的能量和气温收支差异。本研究得到了以下几点基本结论：(1) 京津冀的土地利用变化以城市扩展最为明显，整体城市面积扩展比例为11.6%。其中，北京扩展率最高，达到24.8%；天津其次，为23.0%；河北省为7.9%。(2) 利用遥感反演的反照率与下行短波辐射数据，对下垫面变化的辐射强迫及其对气温的垂直影响加以分析。整体看，京津冀整体的辐射强迫均值为-0.184 w/m2；导致的温度变化均值为-0.184℃。其中，北京和天津的辐射强迫均为正，对温度的影响分别为0.03和0.05℃；河北的辐射强迫均值为-0.24 w/m2，降温效应达-0.22℃。(3) WRF模拟结果显示：下垫面变化导致的京津唐地区呈现明显的升温，升温0.065℃，增温贡献率达到11.31%。其中，城市扩展区域的增温效果最为突出，达到了城市扩展区增温0.32℃，城市扩展导致的升温幅度达到了33.52%。虽然整体处于增温态势，但下垫面转类多种多样，一些转成水体、林地等类型的部分区域内的比值小于0，即意味着该区域仍旧会在一定范围内出现降温效应。(4) 城市扩展在概念上可以分为两个相对的范畴，即升温效应（城市扩张与集约化（UEI）等）和降温效应（植被扩张和强化（VEI）等）。本研究表明对城市温度发挥缓解效应主要是蒸散发（潜热）而不是植被结构指数。更进一步，城市扩展导致不透水层面积增加，对应植被面积减少，蒸散量减弱，显热通量增强，从而使大气温度升高。