RegCM4/CLM对华北冬小麦灌溉引起的气候变化模拟研究

North China is the major region where winter wheat grows in China. Harvested in early summer, irrigation of winter wheat and the associated changes of soil moisture during its growing season may lead to important climate effects in the local and regional scale, through changes of surface albedo, soil heat capacity, sensible heat and latent heat, which led to local and regional climate change. Studies and investigation of the effects and the mechanisms are important issues in better understanding the observed climate changes, and are usually conducted by high resolution regional climate model experiments. However, only a few studies have been reported so far concerning the topic. Of the limited studies, the regional climate model used is RegCM coupled with the previous version of land surface model, BATS, with a relatively coarse resolution of tens of kilometers, and lack of long-term experiments to address the long-term climate effects, and almost no high resolution simulation used of non-hydrostatic model. This project will firstly try to improve the capabilities of RegCM4/CLM in better reproducing the climate over the region of focus, North China. Then the improved model will be used to conduct two experiments, with and without irrigation, respectively, in multi-decadal scale (30 years) and at a horizontal resolution of 8 km. Finally irrigation impacts on seasonal and inter-annual scale climate variability and extreme events, and the mechanism will be analyzed. The results will help to provide a scientific basis for the more comprehensive assessments of the impact of human activities on climate change over the North China.

华北地区为我国主要的冬小麦种植区，冬小麦初夏收割，其生长期灌溉引起的土壤湿度异常，通过改变地表反照率、土壤热容量、感热、潜热通量等，对局地和区域气候产生重要影响，对其效应及机理的研究非常有必要。此类研究一般需要通过使用高分辨率区域气候模式进行数值模拟试验的方法进行，但目前相关研究开展仍较少，已有模拟中使用的也是耦合早期陆面模式BATS的RegCM模式版本，水平分辨率为几十公里，对于长期气候效应的分析方面也存在一定不足，对于非静力版的高分辨率模拟几乎没有。因此，本研究将首先调试和改进区域模式RegCM4/CLM非静力版对华北地区气候的模拟能力，在此基础上使用改进的模式进行有、无冬小麦灌溉对气候变化影响的高分辨率（8 km）、长期（30年）数值模拟研究，探讨灌溉引起的土壤湿度异常对年内、年际气候和极端气候事件的可能影响及机制，为综合评估人类活动对华北地区气候变化的影响提供科学依据。

本项目首先对RegCM4/CLM进行不同对流参数化方案的测试以及对模式中地表粗糙度、反照率等进行优化，并引入更理想植被覆盖等，实现了华北地区气候模拟效果的改进，使模式在华北冬季气温的冷偏差明显减小，夏季气温的暖偏差也有显著改善，对华北地区夏季降水偏少的误差也有一定改进。随后选取陆面过程方案CLM4.5，以往的BATS方案在处理灌溉时存在缺陷，即只要是灌溉土地土壤湿度便一直维持饱和，不符合华北冬小麦的实际灌溉特征，实际上只有南方稻田在某些生长阶段才是饱和状态。而CLM4.5在灌溉的农田，每天判断是否需要灌溉，并且模式还会计算当前土壤含水量和目标土壤含水量之间的差额，然后根据各个土壤层需水量进行灌溉。同时，本项目还引入了华北地区25m高精度的实际冬小麦分布数据，实现了灌溉在区域气候模式中的更合理表征。随后进行了四组高分辨（8km）非静力的长期模拟积分，包括不灌溉、灌溉、不同灌时长和灌溉率，结果表明不同灌溉率对模拟结果有一定影响，但影响程度较小，此外尽管灌溉时长不同，但模式在检查是否灌溉时判断所需要的水量是固定的，因此结果差别不大。对比有无灌溉的长期模拟结果指出，灌溉引起地表能量的改变，使灌溉区感热减少、潜热增加，灌区最高、最低气温明显降低，湿度增加，P-E增加，降水也有所增多，但对整个区域的总体影响并不显著。此外，极端事件方面，灌溉后极端高温日数明显减少，高温高湿日数则有所增加，但影响仅限于较小范围，降水日数以及中大雨日数增加，但影响的范围更小，且具有年际差异。总体来说，灌溉对各气候变量年内变化的影响较小。灌溉后春夏季850hpa风场在华北的西南部出现反气旋的增强，而整个区域内湿度增加，反气旋减弱夏季风，抵消了湿度增加对华北地区降水带来的影响，这也在一定程度上解释了灌溉后华北地区平均降水和极端降水增加幅度不大的原因。