湿润区生态水文变化影响城市群热岛干化效应的过程和机制

Rapid urbanization alters terrestrial ecosystem structure and functioning permanently, inevitably leading to profound impacts on the water and energy balances, and thus causes or aggravates a series of climatic and environmental consequences, e.g., urban heat island (UHI) and urban dry island (UDI), by influencing surface evapotranspiration. These feedbacks of the ecohydrologic cycle to urbanization-associated land cover change are particularly evident in the subtropical humid area dominated by rice paddy fields. However, little is known about the interactions of ecohydrologic process and regional climate feedbacks in the highly urbanization regions, and thus the environmental effects of paddy wetland conversion have been seriously underestimated. The mechanism of UHI, UDI and other hydrometeorological phenomena are not understood. We plan to conduct our case study in the highly urbanized Yangtze River Delta region. The regional processes and mechanisms of water-energy coupling and the climatic and hydrological consequences of converting crop (rice paddy) fields to urban uses in the context of global climate change will be investigated by integrating advanced techniques including paired flux observations, remote sensing, and coupled regional hydrometeorological models. By comparing the differences of energy and water budget with different land cover types, the characteristics, processes and dominant factors of water-energy exchanges between land cover and the atmosphere will be examined and identified. Based on the mechanism of "Land cover pattern" → "Ecohydrologic process" → "Water and heat balance" → "Urbanization climate effect", the UHI and UDI effects will be coupled and collectively addressed. This study will provide a scientific basis for improving modeling and prediction ability for complex human and land systems in rapid urbanization areas across China.

快速城市化在短期内永久改变陆地生态系统的结构与功能，通过影响地表蒸散发改变区域水热平衡等水文过程，引发或加重一系列气候环境后果，如城市热岛与干岛。这在以稻田湿地为主的亚热带湿润地区尤为明显。然而，由于对快速城市化地区生态水文变化与区域气候相互作用的关键过程不明，导致以稻田湿地为主要土地类型变化的环境效应被严重低估，无法从深层次机理机制上解释城市热岛干化等区域气候反馈现象。拟选取长三角地区，综合采用通量对比观测、遥感技术与区域水文气象耦合模型，探讨城市群水文气象对土地覆被变化反馈的主要过程及物理机制。通过比较不同覆被类型的能量与水量收支差异，细化不同覆被与大气之间能量和水分交换特征、过程及主导因子，定量刻画“土地覆被格局→生态水文过程→水热耦合平衡→城市化气候效应”的连锁反应机制，从水热耦合角度统一认识城市群热岛与干岛的关系，为提升我国快速城市化地区复杂人地系统的模拟和预测能力提供科学基础。

针对我国快速城市化进程中突出的气候环境问题，基于地面对比与平行观测、机理研究和现有模式基础，利用优化改进的SWAT、MIKESHE分布式水文模型、SEBAL能量平衡模型以及WRF/Noah/UCM耦合模式，对流域和区域尺度水热过程进行了详细分析和模拟，系统研究了与土地覆被变化相关的生态水文过程对城市气候调节的深层次机理和关键科学问题。有以下新发现：1）不同气候梯度的五大城市群都存在变干趋势，城市化加重了全球变暖对城市大气湿度的影响。由于植被和气候的差异，湿润地区城市干岛的强度和发生频率比干旱地区更为明显。半湿润区长三角城市热岛和干岛效应通过潜热/蒸散过程紧密耦合。2）从生态水文学的角度，阐释了亚热带地区自然与人工湿地（稻田）的“生物排水”功能对城市气候效应的作用机制，提出无论是热岛效应还是干岛效应，都与大范围湿地和森林转为城市用地导致蒸散变化有关。城市化通过减少地表蒸散量和可利用水汽含量，加剧了全球气候变暖和城市热岛效应对干岛的影响。3）提出了基于内在生物物理机制和双阻抗机制的贡献率拆分方法，并利用模型拆分了不同生物物理因子对城乡湿度差异的贡献率，发现与植被冠层相关的地表蒸发阻抗项是影响湿润地区城郊大气湿度差异的主控因子。4）发现城市化和农业两种土地利用的白天增温效应是由蒸散量变化引起的，而夜间降温效应主要是由于地表反照率和粗糙度的变化，提出在评估区域气候变化时，应考虑中小尺度卫星城市的城市化和农村地区更广泛农业活动的重要性。5）使用碳水耦合模型检测了长江流域植被和气候变化对产水量的影响，发现长江流域植被绿化显著，蒸散量显著增加，但降水变化掩盖了蒸散增加对产水量的影响，提出流域水资源管理必须考虑水文对植被绿化和气候变化的响应。本研究提供了解释土地覆被变化对城市热岛、干岛效应以及产水量影响机制的新见解，强调了湿润地区植被在影响城市气候方面的重要性，提出缓解湿润地区城市热岛和干岛的负面影响应着重恢复城市生态系统的蒸散能力。