东北粮食主产区地表过程与干旱机理的研究

东北地区是我国重要的粮食主产区和最大的商品粮生产基地。在全球变暖的背景下，特别是20世纪90年代以来，干旱化趋势明显，干旱发生频率加快，使农业、生态环境面临严峻的挑战和冲击。科学地认识干旱化形成机理及其发展趋势，具有十分重要的科学和现实意义。在现有观测条件缺乏、数据积累不足的条件下，通过多源观测数据融合建立高时空分辨率、区域或流域尺度的大气驱动场，驱动陆面或水文模式，获得长序列的时空上连续、物理上一致的地表状态及地表通量数据集，应用于地表能量、水分过程的相关研究已成为行之有效的研究手段。本申请拟量化反演研究区地表过程的长期变化特征及其对区域气候变化和人类活动的响应规律；同时从区域地气系统的整体特征出发，依据地表过程对能量、水分的再分配原理探讨干旱的形成、发展机理，综合考虑各类干旱间的联系及人类活动的影响，为深化干旱化机理的科学认识水平、保障国家粮食安全、为相关决策部门提供科学建议奠定基础。

东北地区是我国变暖最显著的区域，是我国最大的商品粮基地，90年代中期以来干旱化趋势尤为明显，直接影响着粮食生产，研究东北粮食主产区干旱发生规律，以便实施有效的干旱监测、评估，对保障国家粮食安全，具有现实意义。干旱是水、土、气、生和人所组成的区域环境系统的综合异常表现，地表植被、土壤、地形等的差异影响着地表水热交换，干旱的出现、持续与下垫面关系非常密切。本项目从观测资料出发，揭示气象、农业、水文干旱发生的规律及其联系，并以陆面过程模拟为基础，探讨区域地表能量、水分过程的长期变化特征，寻找地表过程对降水再分配的规律，通过数值试验探讨农田/植被变化对陆面过程的影响。主要成果：①进入1990’s中后期，东北地区生长季降水距平百分率年际波动大，连续无有效降水超过16天的过程显著增加，干旱发生几率增加；各区比较而言，辽宁西部、吉林中西部，玉米干旱次数增加、全生育期干旱强度增强；②采用负轮、游程理论，辽河、松嫩流域以少水集团频率出现最多；单独出现多水比单独出现少水概率高，但连续3、4、5年及大于5年枯水发生的概率大于丰水，易发生异常水文干旱，辽河流域更为明显；③利用标准化降水指数和旱灾灾损指数，构建了在不同时间尺度下干旱强度与旱灾受灾率/成灾率（气象干旱与农业干旱）脆弱性关系，通过概率风险分析得到，平均状况下，吉林的旱灾受灾/成灾风险最大，辽宁次之，黑龙江最小。④陆面模式NCAR CESM1.2.1/CLM4.5离线模拟，生成东北地区陆面状况数据集，与GLDAS2的Noah资料相比，土壤温、湿度模拟较好但偏小，分布形势与MODIS土地利用/覆被一致性好于GLDAS2；结果显示蒸发存在显著下降趋势，径流有增加趋势，0-10cm土壤湿度无显著变化趋势；2000年前后蒸发、土壤湿度均进入相对较低的时段，径流也显示出连续少水期。全区平均生长季地表过程对降水的分配比例，蒸发大于径流，土壤几乎占到降水的40-50%左右。⑤卫星反演1980’s、1990’s 20 km分辨率的LUCC数据集，显示东北地区LUCC变化比较显著的是农田增加；数值试验结果：农田增加，一方面导致感热减小，潜热增加，0-10cm土壤温度增高，0-10cm土壤湿度减小，夏季气温增加，冬季气温减小；另一方面，从全区生长季平均来看，蒸发分配比例、径流分配比例均减少，同期的表层土壤湿度也在减小，地表水资源减少，干旱的概率加大。