中国1661年以来农业垦殖的区域气候效应模拟

历史土地利用/覆盖变化对气候变化产生了重要影响。本项目在收集、整理关于中国历史自然植被的研究成果和历史文献记载的基础上，建立中国历史自然植被数据库，然后结合1661年以来农田面积变化，揭示1661年以来农业垦殖导致的土地覆盖变化；在对现代遥感或野外观测资料计算分析的基础上，建立中国"本土化"的地表参数估算方案，据此改进WRF模式原有的估算地表参数方法，促进WRF模式在中国的"本土化"；最后，以"本土化"的WRF模式为工具，估算1661-1820、1820-1957、1957-2000年三个阶段农业垦殖导致的地表反照率变化及其辐射强迫，模拟三个阶段农业垦殖产生的气候效应。以期为定量评估中国过去300年土地覆盖变化对气候变化的影响及其关键机制提供新的科学证据，为客观评价中国过去300年人类活动对气候变化的影响提供新的科学依据。

项目从31本（卷）清代—民国地方志等文献中摘录了197条自然植被记录，重建了中国东北17世纪中期的自然植被格局，分析了1661年以来农业垦殖造成的土地覆盖变化，评估了全球历史土地利用数据库中中国区域数据的精度；通过引入双向反射分布函数（BRDF）和像元二分模型，在WRF模式中创建了新的地表反照率和植被覆盖度参数化方案，并设计了与之配套的利用遥感数据为模式提供本地和实时的地表参数的算法，促进了WRF模式在中国的“本土化”；利用历史土地覆盖数据和“本土化”的WRF模式，通过敏感性试验，模拟了1661–2000年农业垦殖的辐射强迫与区域气候效应，以及1980–2000年华北平原农业种植制度调整对区域气候的影响。主要认识包括：（1）近代大规模农业垦殖前，东北平原和周边山地的主要自然植被分别是草地和森林，现今的耕地中约60%源于对草地的开垦，约33%源于对平原周边低山地区森林的开垦；（2）全球历史土地利用数据库中中国区域的数据精度较低，主要表现为耕地总面积与历史不一致，及耕地空间分布与历史不符；（3）在新的参数化方案的支持下，采用本地和实时的地表参数能明显削减模拟误差，提升模拟能力，其中植被覆盖度的敏感度最大，其次是地表反照率，再次是叶面积指数，1980s以来春季植被覆盖度的增加减缓了区域气候变暖；（4）1661年以来东北平原草地被开垦为农田导致地表反照率降低，地表净辐射增加，春、冬、秋季节地表感热通量增加，温度升高约0.5℃；（5）中国东部的农业垦殖削弱了夏季地表潜热通量，增强了感热通量，温度升高，进而，对流旺盛，并受此激发产生气旋，中心位于长江三角洲以东，黄河和长江流域偏北风异常，因而减弱了夏季风，大尺度的季风系统降水减少；（6）1980s–2000s黄淮海平原夏玉米由套种改为连播，5月末–6月地表绿度降低，削减了地表潜热通量，增强了地表感热通量，局地温度升高，加剧区域变暖。综合上述结果，可以看出，1661年以来的农业垦殖对中国气候产生了深刻影响，起主导作用的地球物理机制（辐射收支和感热/潜热分配比例）因地区和季节而异；但是，这仅是源于敏感性试验的初步结果，将来有必要利用本项目的数据积累和本土化的模式开展更加深入的模拟实验研究。