基于气候系统模式的我国大规模城市化及其影响研究

The world-scale urbanization is one of the severe challenges faced by all human beings. To date, using global climate models to investigate the effects of urbanization are still very limited. This project attempts to quantify the influence of the large-scale urbanization over China during 1981-2000 by using the Community Earth System Model (CESM). Two aspects of urbanization are discussed, i.e., the expansion of urban land and the change of the underlying surface. The overall goal of this project is to provide reference for exploring the large-scale effects of urbanization upon climate change. Firstly, two land cover datasets are developed, with one reflecting the detailed spatial distribution of urban land in 2000 (U2000 data) and the other depicting the tempo-spatial variation of urban land during 1981-2000 (U8020 data). Then, one numerical experiment using the U2000 data is conducted to analyze the impact and possible mechanism of land cover dataset upon atmospheric circulation and climate change; another numerical experiment using the U8020 data is implemented to demonstrate the improvement of model performance, as well as to simulate the impact/contribution of China's large-scale urbanization on/to climate change.

当今世界城市化是人类正在面临的一个严峻挑战，但目前利用气候系统模式考察城市化及其影响的研究还非常有限。本项目利用公用地球系统模式CESM，以城市化进程的一个重要方面- - 城市用地的增加及城市下垫面性质的改变为切入点，研究1981-2000年我国大规模城市化进程及其影响，以期为探讨城市化大尺度气候效应提供依据。 首先，构建两套陆面覆盖数据，一套为反映了2000年我国城市下垫面信息的U2000数据，另一套为可反映我国城市下垫面分布逐年变化的U8020数据；然后，选择U2000数据进行气候模拟试验，剖析我国城市土地覆盖数据引入对气候、大气环流等的影响及可能机制；最后，选择U8020数据进行气候模拟试验，阐述实测城市下垫面信息数据对改善模式性能的作用，并给出我国大规模城市化进程对气候增暖的影响与贡献。

利用地球系统模式CESM，以城市化进程中城市建设用地扩张与城市下垫面性质改变为切入点，研究了1981-2005年我国大规模城市化进程及其影响。基于中国区域多年高分辨率土地利用数据，发展了一套反映了近25年我国城市建设用地扩张的陆面覆盖数据，表明大部分地区城市化速率呈现正趋势，3个明显的正趋势中心分别对应于我国的京津冀、长三角与珠三角城市群。.分析了我国城市土地覆盖数据引入（U2000试验）对气温、陆面能量水分循环过程及大气环流等的影响及可能机制。表明：全国夏季气温整体有所降低，华北黄淮一带降低较明显，华南地区气温有所升高。华南地区地表气温升高，对应地表感热释放增多而潜热减少，利于城区出现干、暖化的趋势，降水减少。华北黄淮一带地表温度降低，使得地表感热释放减少但潜热增多，城区易出现湿、冷化的趋势，降水增多。同时华南地区上空位势高度场抬升，南海区域出现反气旋性环流异常，华北黄淮一带中低层位势高度场下降，在渤海湾区域形成气旋性环流异常，总体上导致了东亚夏季风的增强。.探讨了我国大规模城市化进程（URBDYN试验）及其热岛效应对气候的影响与贡献。总体而言，城市化进程一定程度地加强了气温增暖趋势，其中春季贡献较大（+0.16 oC/10a），夏秋季贡献偏小。从各城市群而言，京津冀城市化进程在春夏秋三季均为气温增暖正贡献，春季影响最明显（+0.46 oC/10a），秋季次之，夏季相对不明显；长三角城市化进程在夏秋季表现为气温增暖正贡献（+0.19 oC/10a、+0.20 oC/10a），春季为负贡献，主要与日最高气温增暖负贡献有关； 珠三角城市化进程仅在秋季表现为气温增暖正贡献（+0.11 oC/10a），而春夏季为负贡献，主要与日最高气温增暖负贡献有关。此外，考虑了城市动态发展过程后，模拟的城市典型点气温增温/风速减弱趋势普遍强于郊区典型点，表明城市热岛效应对气温增暖/风速减弱为正影响，其中夜间热岛影响强于日间热岛，长三角城市热岛效应对气温增暖/风速减弱影响较明显（夏季较显著），京津冀次之，珠三角相对偏弱。