干旱半干旱区大面积地膜覆盖对陆面过程及其区域气候影响的模拟研究

Plastic mulches are often used to improve agricultural production by suppressing soil evaporation in the vast arid and semi-arid regions. As a special anthropogenic land surface cover, plastic mulch evidently affects the surface albedo and prevents vapour exchange between the land surface and the atmosphere, and influences the land surface process, and then affects the regional chlimate. But these physical processes were not contained in the present land surface models. Therefore, simulations remarkably deviate from observations when land surface models are applied to areas with underlying plastic mulch covering, respectively the climate model simulations also generate large deviation. This program will anylsis the surface layer data observed on plastic mulch-coverd underlying to develop the parameterisation schemes and a common plastic mulch layer model, and then construct for land surface models contained plastic mulch layer to simulate the land surface process characteristics. And then the land surface model contained plastic mulch layer will coupled into the climate models, by numerial simulation and comparison method to study the effect of large area plastic mulch-cover on regional climate. The results will benefit for improving the land surface process simulation and evaluating the effect of the anthropogenic impacts on regional climate.

在干旱半干旱区通常使用地膜覆盖地表，用于抑制蒸发，增加农业产量。作为一种特殊的人为地表覆盖方式，大面积地膜覆盖显著地改变了地表反照率，阻断了陆气间水分交换，影响了地表陆面过程，进而会对区域气候产生一定影响。但是现有的陆面过程模式和区域气候模式中并没有包含地膜覆盖的影响，导致陆面过程模式模拟的这类特殊下垫面的陆面过程特征偏差较大，相应的气候模式模拟也会产生较大偏差。本项目通过分析地膜覆盖下垫面上的近地层综合观测资料，发展适用于地膜覆盖下垫面的陆面参数化方案及通用的地膜层子模型，形成包含地膜层的陆面过程模式，用于模拟地膜覆盖下垫面的陆面过程特征；在此基础上，将包含地膜层的陆面过程模式耦合到区域气候模式中，通过数值模拟和对比分析的方法研究大面积地膜覆盖对于区域气候的影响。相关的研究结果对于提高陆面过程模式的模拟性能以及科学评估大面积地膜覆盖这种人类活动对区域气候的影响具有一定的科学意义。

本项目开展了如下四项研究：(1) 分析了地膜覆盖下垫面的陆面过程特征。研究发现：地膜明显地改变了地表反照率，抑制了土壤蒸发，进而会影响陆气间能量和水分交换。(2) 改进了陆面过程模式对半干旱区陆面过程的模拟性能。由于现有的陆面过程模式对干旱半干旱区湍流通量，土壤湿度的模拟存在较大的偏差，利用半干旱区典型下垫面观测资料，结合SHAW模式和人工智能粒子群(PSO)算法，改进了模式中的蒸发、热力粗糙度方案，并校准了边界层和土壤、植被等相关参数，显著地提高陆面过程模式对半干旱区湍流通量和土壤湿度的模拟性能。(3) 利用观测资料，发展了新的地表反照率参数化方案；根据地表能量平衡方程，建立了通用的地膜层子模型--MULCH模型，并实现了与陆面过程模式NOAH耦合，形成了NOAH_MULCH模式。与此同时，利用PSO算法，校准了NOAH_MULCH模式中的边界层、土壤、植被、地膜相关参数。在此基础上，模拟了地膜覆盖下垫面的陆面过程特征，深入研究了地膜覆盖对陆面过程的影响。模拟研究发现：地膜覆盖对辐射和能量平衡均有显著影响，并且能够增加土壤温度和保持土壤水分。(4) 模拟研究了大面积地膜覆盖对区域气候的影响。将经过参数校准的NOAH_MULCH模式与WRF模式实现了耦合，初步模拟研究了干旱区大面积地膜覆盖对区域气候的可能影响。模拟结果表明：地膜覆盖对区域气候有一定影响，但并不显著。进一步，通过设计高分辨率，长时间的数值模拟试验以及敏感性试验探究地膜覆盖对区域气候影响的机理。