西北农牧交错带土地利用/覆盖变化对地表水热过程的影响

Land use/cover change (LUCC) –land surface process interaction is one of the research frontiers of the earth system science. This project aims to understand the mechanism of LUCC – impacting land surface processes in the agricultural-pastoral transitional zone, Northwest China. Through acquisition of multiple databases and relevant documents, remote sensing images, and in-situ observations, the proposed project will derive dynamic LUCC maps and relevant vegetation indices such as LAI for the period of 1985-2015. In-situ observation system will be set up to monitor surface temperature, surface soil moisture, and evapotranspiration for the main land cover patterns. Subsequently, the in-situ observations and annual LUCC will be used to initialize CLM4 (Community Land Model 4) and coupled WRF-CLM4 (Weather Research and Forecasting Model – CLM4) and in turn to simulate the effects of LUCC over multiple scales on land surface water-energy exchange processes in the study region. Finally, different LUCC scenarios will be explored in the WRF-CLM4 to analyze the impacts of different green infrastructures on land surface processes and climate variability over the regional scale. Results will provide partial basis in decision/policy making for expanding green infrastructure to ensure water security and ecosystem services in the agricultural-pastoral transitional zone, Northwest China.

土地利用/覆盖变化与地表水热过程的相互关系是当前地球系统科学研究的前沿性热点问题。本项目立足于国际地表水热过程研究前沿和西北农牧交错带生态屏障建设的重大需求，以土地利用变化对地表水热过程的影响机理和生态屏障建设的区域水热效应为关键科学问题，通过资料收集、定位监测、遥感解译、尺度拓展、陆面过程模型和区域气候-陆面过程双向耦合模型模拟等手段，揭示西北农牧交错带过去30年间不同尺度土地利用动态变化对地表水热过程的影响机理；基于土地利用变化趋势和国家生态屏障建设政策，设定不同土地利用变化情景，利用WRF-CLM4模拟分析西北农牧交错带土地利用格局变化与区域地表水热格局变化的耦合关系，为我国西北农牧交错带生态屏障建设提供理论依据和技术支撑。

土地利用/覆盖变化与地表水热过程的相互关系是当前地球系统科学研究的前沿性热点问题。本项目立足于西北农牧交错带生态屏障建设的重大需求，以土地利用变化对地表水热过程的影响机理和生态屏障建设的区域水热效应为关键科学问题，通过定位观测，遥感反演，结合陆面过程模型与区域气候模型等多手段多尺度，探明了西北农牧交错带水热要素的变化规律，分析了土地利用与各因子之间的相互作用方式，揭示了土地利用变化对地表水热过程的影响机理，提出了推动本地区生态环境建设的具体方案。结果显示：1）站点参数观测：评估了点尺度土壤水分和土壤温度动态变化特征、土壤粒径含量和有机碳含量变化及土壤水分变化与降水的响应关系，并对宇宙射线中子法（CRNS）进行校准和参数本地化，使其能够适用于西北农牧交错带中尺度土壤水分估算。观测表明植被退化使土壤粗粒化，加快了土壤沙化的进程。2）水热参数趋势分析：本地区经历了沙地缩减，草地林地显著扩张的过程，受气候与土地利用变化的双重作用使研究区的NDVI、GPP、ET和WUE水热因子呈现显著增加趋势，但主导因子及贡献率因地区状况而异；3）模型模拟：基于WRF模拟揭示了农牧交错带土地利用变化对陆-气反馈的作用机制，结果显示研究区植被恢复增加了区域蒸散发，进而加剧了大气边界层的扰动，增加的水汽一部分通过水汽再循环机制增加了当地降雨，但其余大部分经水汽输送由南向北离开研究区，导致研究区在夏季会出现土壤干旱现象；此外，通过比较分析WRF-CLM4.0, WRF-Noah及CR蒸散发模型结构与机制，明晰了本地区的蒸散发作用方式，指出WF_CLM4.0和CR模型更适用于研究区蒸散发估算；基于观测资料对CLM4.5进行本地化改进厘清了土壤水分的相互作用机制；4）未来情景模拟：基于FLUS模型和DSSAT模型，得到未来土地利用优化配置以及农业适应未来气候变化的最佳措施。