基于WRF-Mosaic近似不同下垫面类型改变对区域能量和水分循环影响的集合模拟

Land use and cover changes have effect on local, regional climate and environment through altering energy and water exchanges between the land and the atmosphere. Due to the rapid development of economy in the last thirty years over East Asia, especially in China, there exist significant land use changes, including deforestation, returning cropland to forest and grassland, degradation of the grassland, afforestation, and urbanization and so on. It is necessary to objectively evaluate the contribution to regional climate change from changes in different land use categories. With the satellite derived four land use images in the last 30 years over East Asia, data showing individual land use category changes are to be reconstructed. Then ensemble numerical experiments with regional climate model WRF3.8 are to be performed, in which the mosaic approach considering sub-grid land use characteristics and N number of categories in a grid box (here N equals 8, instead of using dominant category before) is adopted. Based on the evaluation to the synthetically climatic effect from changes in different land use categories, the distribution characteristics in spatial and temporal, the changes in surface physical parameters, as well as the climatic effect from individual land use category changes for the forest, cropland, grassland, barren or sparsely vegetation, and urban, are to be explored to detect the signal intensity and the scope of the affection. Furthermore, the physical mechanism of the affection on the energy and water exchanges for the East Asian Monsoon system, as well as the contributions to local and regional climate changes from individual land use category changes, are to be detected. As a result, on the basis of the evaluation to the climatic effect from different land use category changes in the last 30 years over East Asia, the project will provide scientific evidence for the research on regional climate change and the ecological environment construction in the future.

土地利用变化通过改变地气之间的能量水分交换，对局地、区域气候和环境产生影响，东亚地区尤其中国过去三十多年来经济发展迅速，森林砍伐、退耕还林还草、草场退化和城市化等导致了显著的下垫面变化，如何定量分析不同下垫面类型改变对区域气候变化的贡献，需要开展深入研究。本项目拟基于卫星遥感的四期土地利用资料构建不同下垫面变化的数据，利用考虑次网格下垫面特征（Mosaic近似）的WRF3.8开展集合数值试验，在评估三十多年来土地利用变化综合区域气候效应基础上，着重研究森林、农田、草地、荒漠和城市等单一下垫面类型改变和综合地表物理参数的时空变化特征，系统检测不同下垫面类型变化影响的信号强度和范围，揭示其影响东亚季风系统局地和区域能量水分交换的机理，定量分析其对区域气候变化的贡献。本项目基于对过去三十多年不同下垫面类型改变对区域气候变化影响的系统评估，为区域气候变化研究及未来生态环境建设提供科学依据。

全球尺度上，土地利用变化对气候的总体影响可能较小，但在区域和局域尺度上，土地利用变化的影响不可忽略。同时，不同下垫面类型改变对气候变化的贡献存在差异，有的甚至相反而部分抵消。因此，针对不同下垫面类型改变的区域气候效应进行系统评估，有助于制定有序人类活动方案。本项目基于包含次网格尺度作用的WRF-Mosaic近似开展集合数值试验，综合考虑模式格点前八类下垫面类型的分布及其变化，使得模式格点综合物理参数与“实际”更为接近，研究了不同下垫面类型改变对东亚季风系统能量和水分循环过程的影响。首先，利用高分辨率的土地利用数据构建了反映森林、草地、农田、裸地及低植被覆盖和城市等不同下垫面类型变化的模式输入数据，基于Mosaic近似分析了不同下垫面类型及其综合地表物理参数变化的时空特征。其次，在模式物理过程参数化方案优选基础上，检验了模式对东亚区域降水和气温及季风环流的模拟性能。基于卫星遥感土地利用数据，考虑次网格尺度过程细致刻画下垫面变化，开展集合模拟，揭示了下垫面变化的总体气候效应。最后，利用构建的反映不同下垫面类型改变的土地利用数据，基于WRF-Mosaic近似开展集合数值试验，分析了不同下垫面改变对东亚季风系统能量和水分循环及区域气候的影响，尤其是不同下垫面类型改变对气温和降水影响的区域和强度差异，揭示了不同下垫面类型改变对陆-气能量和水分交换的影响机理和相对贡献。深入认识不同下垫面类型变化对区域气候的影响机理和对区域气候变化的相对贡献，可以为宏观土地资源规划和合理利用土地资源提供科学依据和决策参考，为未来情景预测提供理论依据，可以更好地实现我国经济社会可持续发展的目标。