基于系統(tǒng)動力學(xué)模型的土地利用變化對區(qū)域氣候的影響

基于系統(tǒng)動力學(xué)模型的土地利用變化對區(qū)域氣候的影響

1對陸氣相互作用的研究由于世界各國的變化，導(dǎo)致一系列極端天氣和氣候變化事件引起了人們的廣泛關(guān)注。土地利用變化是全球氣候變化的主要驅(qū)動力之一,也是全球變化研究的中心內(nèi)容。研究土地利用變化對氣候的反饋作用,除了作為基礎(chǔ)性工作的野外觀測研究之外,主要是借助于氣候模式開展的數(shù)值模擬研究。相關(guān)的數(shù)值試驗研究結(jié)果初步證實了土地利用變化可以在多種時間和空間尺度上對地氣之間的水分、熱量以及動量交換產(chǎn)生重要的影響。我國人口密度大,人類活動強度高,產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型所帶來的大規(guī)模土地利用變化必將對區(qū)域氣候環(huán)境產(chǎn)生影響。同時,我國獨特的地形地理特征以及季風(fēng)氣候特性,使得氣候變化具有空間上的復(fù)雜性和對外界變化響應(yīng)的時間敏感性的特點。認(rèn)識人類活動導(dǎo)致的土地利用變化對區(qū)域氣候變化的影響和作用機理,對指導(dǎo)我國生態(tài)工程建設(shè)、工農(nóng)業(yè)布局等都具有重要的意義。近年來,我國學(xué)者利用不同的數(shù)值模式,在陸氣相互作用過程方面進行了大量的數(shù)值試驗。研究工作主要是針對中國土地利用變化的敏感區(qū)展開的,其中包括西北荒漠半荒漠地區(qū)、青藏高原地區(qū)、中國北方草原區(qū)與南方長綠闊葉林區(qū)以及內(nèi)蒙古農(nóng)牧過渡帶區(qū)域等。數(shù)值試驗的設(shè)計主要是改變模式區(qū)域內(nèi)局部區(qū)域的土地利用狀況的理想性敏感性試驗。一系列的研究工作主要取得了兩方面的初步成果,一是論證了土地利用變化對區(qū)域氣候環(huán)境有著顯著的影響,二是對數(shù)值模式中陸氣相互作用的計算進行了大量的改進。但是,該兩方面的成果又有其各自的局限性。一方面,敏感性試驗中土地利用變化集中于模式的局部區(qū)域,并不能對模式區(qū)域整體的土地利用變化狀況進行客觀的刻畫,而且在土地利用變化的程度上往往會大大夸大其變化的幅度。因而,研究工作在反映土地利用變化所引起的氣候變化的時空尺度及影響程度方面有一定的不足,關(guān)于土地利用變化對氣候影響的時空尺度以及它在氣候變化中的作用究竟有多大的問題,仍然是一個科學(xué)難題。另一方面,土地利用的變化受自然因素和社會因素的共同影響,有研究表明,人類對地球陸地表面、生物多樣性、生物地球化學(xué)循環(huán)和水循環(huán)等的改變已超過了自然變化的影響。所以,研究人類活動所引起的氣候效應(yīng)應(yīng)該成為全球變化的重要研究內(nèi)容。葉篤正等提出了“有序人類活動”的概念,同時強調(diào)指出,把區(qū)域氣候模式運用于討論虛擬植被變化引起的區(qū)域氣候和水文環(huán)境變化的研究工作只是初步的,深入研究有序人類活動的數(shù)值模式應(yīng)該是在氣候模式基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,包括了經(jīng)濟問題、社會問題和環(huán)境問題的“人類活動-氣候環(huán)境模式”。為了能全面、真實和細(xì)致地考慮模式模擬區(qū)域的土地利用變化,彌補數(shù)值模式中對土地利用變化描述的不足,時間和空間上連續(xù)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)被大量地用于土地利用變化與氣候相互作用機理方面的研究。此外,在氣候模式中耦合社會經(jīng)濟學(xué)模式,為進一步完善數(shù)值模式,研究有序人類活動所帶來的氣候效應(yīng)提供了新思路。社會經(jīng)濟發(fā)展模式可以通過人類活動引起的土地利用變化和溫室氣體排放兩個方面與氣候模式耦合。本文從土地利用變化的角度,基于社會經(jīng)濟學(xué)模式提供的數(shù)據(jù)庫資料,利用區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)集成模式RIEMS對中國未來50年氣候變化的年代際特征進行了模擬研究,利用預(yù)測結(jié)果,對有序人類活動可能引起的區(qū)域氣候效應(yīng)進行初步探討的同時,對土地利用變化影響區(qū)域氣候的機理進行進一步的研究。2土地利用變化以衛(wèi)星反演的中國北方13省近20年的歷史土地利用變化資料為基礎(chǔ),結(jié)合詳細(xì)的調(diào)查統(tǒng)計工作,何春陽等、黃慶旭等建立了即基于現(xiàn)階段中國北方干旱化趨勢的影響又充分考慮未來社會經(jīng)濟發(fā)展趨勢的土地利用變化系統(tǒng)動力學(xué)模型(SystemDynamicsModel,以下簡稱SD模型)。利用該模型,綜合考慮中國北方13省實際地域情況和中國未來整體發(fā)展政策規(guī)劃,通過人口、GDP、市場調(diào)節(jié)和技術(shù)進步等情景組合設(shè)定一系列不同的系統(tǒng)狀態(tài),以1999年的遙感及統(tǒng)計資料為模型的系統(tǒng)初值,模擬得出了中國北方13省未來50年不同氣候背景和社會經(jīng)濟發(fā)展情景共同影響下的土地利用結(jié)構(gòu)變化資料。相關(guān)檢驗結(jié)果表明,SD模型能在一定程度上反映土地利用系統(tǒng)的復(fù)雜驅(qū)動行為。SD模型共給出了54種中國未來不同社會經(jīng)濟驅(qū)動情景下的土地利用資料,該數(shù)據(jù)庫資料把中國北方13省區(qū)域的地表覆蓋狀況劃分為7種類型,分別為耕地(農(nóng)田)、林地(北方森林)、草地、水體(湖泊)、難利用地(沙漠戈壁)、城鎮(zhèn)用地(城區(qū))和濕地。其中,水體和濕地基本保持不變,其他地表覆蓋類型變化較為明顯。數(shù)據(jù)庫資料的空間分辨率為60km,時間序列依次為1999、2010、2020、2030、2040和2050年。本文選用了具有實際意義的2種土地利用資料進行模擬分析,即在封閉平衡系統(tǒng)狀態(tài)前提下的經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展情景(以下簡稱穩(wěn)定發(fā)展型)和經(jīng)濟高速發(fā)展情景(以下簡稱高速發(fā)展型)。表1給出了此兩種情景驅(qū)動下SD模型所選定的具體社會經(jīng)濟指標(biāo)。圖1給出了該兩種經(jīng)濟發(fā)展情景下,SD模型輸出的5種主要地表覆蓋類型的時間演變趨勢。從圖中可以看出,兩種情景下土地利用變化是大致符合基本社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)律的。圖中所顯示的兩種情景下我國森林面積逐漸增加及草地面積在2020年之前較快增長的規(guī)律,與我國現(xiàn)行的退耕還林(還草)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)政策是一致的。兩種情景下城區(qū)面積變化的比例雖然不高但都具有增長的趨勢,其對應(yīng)我國社會經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的客觀事實。在高速發(fā)展型情景下未來我國農(nóng)田的面積是大幅度減少的,而經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展型情景下農(nóng)田的面積基本保持不變。農(nóng)田是土地利用變化中最易發(fā)生變化的土地利用形式,穩(wěn)定發(fā)展情形下保持農(nóng)田的比例不變也符合我國的基本政策方針。因此,盡管SD模型所給出的僅是對未來某種社會發(fā)展情形下一種可能情況的預(yù)測,本身存在較大的不確定性,但是其所描述的土地利用變化規(guī)律是大致符合我國現(xiàn)有政策及規(guī)劃的,其基于遙感和社會調(diào)查的初始態(tài)較好地描述了我國土地利用分布現(xiàn)狀,而且預(yù)測產(chǎn)品中各土地利用類型變化的比例不是很大,在此基礎(chǔ)上組建的土地利用資料可以作為合理構(gòu)建我國土地利用實際狀況的重要參考。以SD模型數(shù)據(jù)庫資料給出的土地利用變化特征為依據(jù),將上述兩種驅(qū)動情景下不同時段的土地利用資料分別進行模擬分析。這里需要說明的是,由于數(shù)據(jù)庫的預(yù)測結(jié)果只給出了中國北方13省的土地利用變化資料,而對氣候變化的預(yù)測需要考慮整個模式區(qū)域的土地利用變化的影響,所以,文章基于中國北方13省主要地表覆蓋類型(耕地、林地、城鎮(zhèn)用地、草地和難利用地)變化比例將其變化規(guī)律推廣到了整個模擬區(qū)域。在此處理過程中,主要考慮了中國區(qū)域的政策一致性以及周邊國家(地區(qū))的社會經(jīng)濟發(fā)展類型。假定SD模型數(shù)據(jù)庫所給出的土地利用變化比率適用于整個中國區(qū)域以及35°N以南的模式區(qū)域中的發(fā)展中國家區(qū)域,同時假定35°N以北中國北方13省區(qū)域之外的其他區(qū)域(主要是蒙古的草原地區(qū),為發(fā)展中國家)的土地利用不發(fā)生變化?；谏鲜鲑Y料和假定,對模式區(qū)域原有下墊面的地表覆蓋類型進行了修正。如表2所示,以PSU/NCAR中尺度模式MM5中的24種地表覆蓋類型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),考慮SD模型數(shù)據(jù)庫資料給出的7類地表覆蓋類型及其分布,保留SD模型數(shù)據(jù)庫資料地域范圍以外區(qū)域的特有地表覆蓋類型(常綠闊葉林、常綠針葉林、海洋、凍土和冰雪區(qū)),將MM5中的24種地表覆蓋類型數(shù)據(jù)重新界定為12類不同的地表覆蓋類型。然后,利用SD模型數(shù)據(jù)庫資料所給出的1999年地表覆蓋類型直接替代中國北方13省區(qū)域原有的地表覆蓋類型,從而實現(xiàn)對1999年模式下墊面資料的修正。2010～2050年模式下墊面資料的修正分為兩步,對中國北方13省區(qū)域的地表覆蓋類型的修正方法和1999年修正方法相同,通過把原格點位置的地表覆蓋類型用其周圍最近的SD模型數(shù)據(jù)庫資料來替換的方法予以實現(xiàn)。對35°N以南和中國北方13省以外的模式區(qū)域地表覆蓋類型的修正是基于修正后的1999年下墊面資料逐格點進行的。首先利用USGS的30″地表覆蓋類型資料給出該模式區(qū)域每個格點處的全部地表覆蓋類型及其各自所占比例。然后依據(jù)圖1所示的2010～2050年SD模型數(shù)據(jù)庫資料中5種主要地表覆蓋類型相對于1999年資料的變化比率,對每個格點處所有與SD模型數(shù)據(jù)庫資料中的5類地表覆蓋類型相關(guān)的原有地表覆蓋類型都變更相應(yīng)的比率,按照單網(wǎng)格范圍內(nèi)地表覆蓋類型所占比率最高的原則重新定義該格點處的地表覆蓋類型。最后依據(jù)表2所示的地表覆蓋類型合并規(guī)律,將經(jīng)過該調(diào)整后的模式區(qū)域地表覆蓋類型合并成12類地表覆蓋類型。對各類地表覆蓋類型的物理參數(shù)作相應(yīng)的均值調(diào)整(表2)。3物理參數(shù)化方案及資料選取研究工作采用了區(qū)域環(huán)境系統(tǒng)集成模式RIEMS2.0,該模式依據(jù)Fu等提出的廣義季風(fēng)系統(tǒng)的概念,綜合考慮了物理-化學(xué)-生物-社會等諸多要素對東亞季風(fēng)這一復(fù)雜系統(tǒng)的影響?；谠撃Ｊ降拇罅磕M研究認(rèn)為其可以較好地用于東亞區(qū)域的氣候、氣候變化以及陸面生態(tài)系統(tǒng)等多領(lǐng)域的研究。研究區(qū)域中心位于(40°N,105°E),經(jīng)向和緯向網(wǎng)格數(shù)分別為65和90,緩沖區(qū)取10個網(wǎng)格。模式水平分辨率60km,采用Lambert投影,標(biāo)準(zhǔn)緯度分別定位55°N和15°N,垂直方向分為23層,頂層氣壓設(shè)為100hPa。物理參數(shù)化方案分別為Kuo積云對流參數(shù)化、簡單冰相微物理方案、MRF行星邊界層方案以及CCM3輻射方案。陸面過程處理采用BATS參數(shù)化方案,對訂正處理后的模式區(qū)域的地表覆蓋類型分別與BATS方案的地表覆蓋類型相對應(yīng),分不同的驅(qū)動情景和不同的時間序列依次進行了模擬計算。對于模式積分需要的氣象場初邊值資料,選用了氣候正常年份2002年的NCEP資料(2.5°×2.5°),模式積分14個月,從2002年1月1日0時到2003年2月28日0時,將前兩個月作為模式的Spin-up時間,分析后12個月的數(shù)值計算結(jié)果。在此需要說明的是,數(shù)值方案設(shè)計中應(yīng)該分別使用1999年的歷史資料和2010～2050年的預(yù)測氣候場資料來驅(qū)動區(qū)域氣候模式,但是,未來大氣環(huán)流形式存在著多種變化的可能,現(xiàn)階段全球模式預(yù)測的氣候預(yù)測產(chǎn)品都有一定的不確定性,而且對未來氣候變化的預(yù)測本身也是本文所要研究的內(nèi)容。同時,考慮到1999年是繼1997和1998年之后的氣候異常年,所以本文統(tǒng)一選取了氣候正常年份2002年的NCEP資料作為常規(guī)氣候態(tài)驅(qū)動場來驅(qū)動區(qū)域氣候模式,以期使得數(shù)值預(yù)測的結(jié)果主要體現(xiàn)有序人類活動引起的土地利用變化的影響。數(shù)值模擬結(jié)果分析過程中,將1999年土地利用資料的模擬結(jié)果作為控制實驗,通過對比不同地表覆蓋類型變化情況下模擬結(jié)果的差值變化,來揭示有序人類活動引起的土地利用變化對未來氣候的可能影響。4數(shù)值計算和分析4.1降水強度的區(qū)域分布為了檢驗?zāi)Ｊ椒桨冈O(shè)計是否合理,初步驗證RIEMS模式對我國年降水量的模擬能力,首先對2002年的氣候特征進行了模擬。得出年降水量的模擬結(jié)果及其與實況的比較如圖2所示,觀測站點包括中國及周邊區(qū)域共803個。為便于說明,以32°N為界,把中國32°N以北的區(qū)域稱為北方地區(qū),32°N以南(100°E以東)的區(qū)域稱為華南地區(qū)。同時,以105°E為界,以西為西部干旱半干旱區(qū),以東為東部季風(fēng)區(qū)。由東北地區(qū)西部及內(nèi)蒙古中東部起,向西南方向延伸至河北、山西、陜西一帶的區(qū)域稱為農(nóng)牧過渡帶。比較模擬的年降水量的強度,可以看出,控制實驗對我國北方地區(qū)降水的模擬結(jié)果相對于觀測結(jié)果存在降水量偏高的不足,200～800mm之間的等值線相對于觀測結(jié)果略微偏南。但模式對西部干旱半干旱區(qū)以及華南地區(qū)年降水量的模擬結(jié)果與觀測較為接近。此外,從降水的區(qū)域分布上看,控制試驗對我國降水區(qū)域分布差異有較好的描述,模擬結(jié)果顯示的雨區(qū)分布與觀測結(jié)果基本一致?？刂圃囼灲Y(jié)果不但再現(xiàn)了我國南北降水分布的梯度差異,同時,對我國北方地區(qū)的新疆西北部、甘肅南部以及東北東南部等區(qū)域相對于北方地區(qū)其他區(qū)域降水偏高的趨勢也有一定的反映。模擬結(jié)果主要分析氣候變化的相對趨勢,因此,RIEMS模式及本文的方案設(shè)計對我國的區(qū)域降水具有一定的模擬能力。4.2土地利用變化對降水量的影響下面利用數(shù)值模式的計算結(jié)果,分析兩種不同社會經(jīng)濟情景驅(qū)動下SD模型數(shù)據(jù)庫的土地利用變化特征,從模擬的年降水量空間分布變化的角度,分區(qū)域討論不同區(qū)域年降水變化的年代際特征。如圖3所示,在穩(wěn)定發(fā)展型驅(qū)動情景下,2010年土地利用變化的主要特征是:西部干旱半干旱區(qū)沙漠和農(nóng)田綠化為草地,華北地區(qū)部分的區(qū)域由森林退化為草地,華南地區(qū)有少量比例的區(qū)域由農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?圖3a)。由此引起的氣候變化表現(xiàn)在降水場上顯示為北方地區(qū)降水量增加,其中包括新疆地區(qū)、黃河上游區(qū)域以及華北、東北中東部地區(qū)和山東半島等區(qū)域。華南地區(qū)以及東北東部區(qū)域降水量則有所減少(圖3b)?？傮w上看,2010年北方地區(qū)降水將會增加。2020年,模式區(qū)域的主要陸地地表覆蓋類型變化較少。西部干旱半干旱區(qū)依然是沙漠化治理和退耕還草,但相對2010年退耕還草的力度有所下降。在山西、河南等地區(qū)城鎮(zhèn)用地增加,河北地區(qū)少量森林被開墾為農(nóng)田。東北和華南地區(qū)地表覆蓋類型沒有發(fā)生改變(圖3c)。與土地利用變化相對應(yīng),2020年北方地區(qū)總體降水量基本保持總量的平衡,具體的區(qū)域分布狀況為:西部地區(qū)的寧夏、陜西等綠化區(qū)域的降水量增加,其他區(qū)域降水量變化不大。在華南地區(qū)和東部季風(fēng)區(qū),降水量呈現(xiàn)減少的趨勢,但降水減少顯著的區(qū)域位于內(nèi)蒙古中東部和東北地區(qū)南部(圖3d)。對比分析2010年的預(yù)測結(jié)果,不難看出,如果西部地區(qū)不能更好地退耕還草和進行有效的沙漠化治理,北方地區(qū)的氣候變化將繼續(xù)向干旱化趨勢發(fā)展。2030年,西部干旱半干旱區(qū)土地利用沒有發(fā)生變化,土地利用的主要變化出現(xiàn)在東部季風(fēng)區(qū)。以華北地區(qū)部分的農(nóng)田變成城鎮(zhèn)用地為主要特征。同時,在內(nèi)蒙古中部地區(qū)有少量草地被開墾為農(nóng)田。東北地區(qū)土地利用變化比較復(fù)雜,有少量比例的區(qū)域由草地轉(zhuǎn)化為森林或農(nóng)田,也有少量的森林轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)(圖3e)。對應(yīng)復(fù)雜的地表覆蓋類型變化,在東北地區(qū)的北部和南部降水有所增加,中部降水則有所減少(圖3f)。西部干旱半干旱區(qū)除新疆地區(qū)降水量變化不大以外,其周邊區(qū)域包括東部季風(fēng)區(qū)的降水大面積減少,華北地區(qū)城鎮(zhèn)化用地增加的地區(qū)年降水量減少尤為明顯,這說明在中國大部分區(qū)域尤其西部干旱半干旱區(qū)土地利用基本不發(fā)生變化的情形下,華北地區(qū)城鎮(zhèn)用地的增加會使北方地區(qū)降水量減少,加劇北方地區(qū)的干旱化程度。此外,整個模式區(qū)域土地利用變化比例相對比較小,但是其對區(qū)域降水分布仍然有一定的影響,體現(xiàn)了區(qū)域氣候環(huán)境尤其是區(qū)域降水對土地利用變化響應(yīng)的敏感性。2040年,SD模型所反映的中國土地利用變化比較顯著,以草地轉(zhuǎn)化成森林為主要特征(圖3g)。從區(qū)域分布上看,在新疆西部地區(qū)有少量草地轉(zhuǎn)變?yōu)樯?內(nèi)蒙古西部地區(qū)部分地表覆蓋類型由草地退化為沙漠,東北地區(qū)部分草地轉(zhuǎn)變?yōu)樯?林地面積增加,以(35°N,110°E)為中心的中國中部地區(qū)草地轉(zhuǎn)變?yōu)樯?農(nóng)田被開發(fā)為城鎮(zhèn)。相應(yīng)的年累積降水量的變化情況為,在新疆綠化地區(qū)的降水量有所增加,內(nèi)蒙古沙漠化的區(qū)域降水量減少,東北地區(qū)森林的增加使內(nèi)蒙古東部和農(nóng)牧過渡帶的年降水有所增加(圖3h)。與2030年不同,對應(yīng)華北城鎮(zhèn)化區(qū)域的年降水量是有所增加的,這說明在華北地區(qū),城市化用地增加的同時人為灌溉引起森林面積的增加,兩者綜合的區(qū)域效應(yīng)可以增加該區(qū)域的降水量,對北方地區(qū)環(huán)境的改善是有益的。2050年,中國土地利用變化的總體趨勢和2040年類似,以大面積草地轉(zhuǎn)換成森林為主要特征,但林業(yè)化的比例較2040年明顯提高(圖3i)。在東北中西部地區(qū)和華南地區(qū)大面積的草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?其余農(nóng)牧過渡帶的西側(cè)林地增加,東側(cè)城鎮(zhèn)增加。沿著新疆和內(nèi)蒙古地區(qū)的國境線附近,草地退化,沙漠面積有所擴大,雖然在新疆北部地區(qū)有少量的草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?但西部地區(qū)總體呈現(xiàn)沙漠化擴大趨勢。由此引起的年降水量的變化情景為:東北北部地區(qū)降水量增加,中國其他區(qū)域降水量大面積減少,以華北和中國中部地區(qū)降水減少最為明顯(圖3j)。與2040年比較分析可以看出,華南地區(qū)林地面積的增加,尤其是西部地區(qū)荒漠化加劇會引起中國北方以及中部地區(qū)降水量的大面積減少。4.3土地利用變化圖4給出了在高速發(fā)展型驅(qū)動情景下,未來50年中國陸地主要區(qū)域土地利用變化以及對應(yīng)情形所預(yù)測的年累積降水量分布的差異。在該驅(qū)動情景下,2010年中國土地利用變化以西部干旱半干旱區(qū)的沙漠和農(nóng)田綠化為草地為主要特征,華北地區(qū)部分區(qū)域由農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樯趾统擎?zhèn),華南地區(qū)部分農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樯只虿莸?東北地區(qū)120°E以東的區(qū)域土地利用沒有發(fā)生改變(圖4a)。對應(yīng)的氣候變化反映在降水上表現(xiàn)為:新疆、甘肅東部以及寧夏等西北地區(qū)降水增加,河套地區(qū)南部、東北地區(qū)北部以及內(nèi)蒙古東部地區(qū)降水也有增加,東北北部地區(qū)降水增加但其東南部區(qū)域降水減少,華南地區(qū)降水減少(圖4b)。與穩(wěn)定發(fā)展型同時期土地利用變化的主要差異在于河北、山西一帶的農(nóng)牧過渡帶森林退化為草地的比例稍低,由此導(dǎo)致了相應(yīng)區(qū)域年累積降水的增加,這說明農(nóng)牧過渡帶森林退化為草地會增加農(nóng)牧過渡帶的年降水量。2020年,北方地區(qū)的河北、山西和陜西等中西部地區(qū)以及華南地區(qū)大面積農(nóng)田綠化為草地,西部干旱半干旱區(qū)土地利用基本沒有發(fā)生改變,東北北部少量比例的區(qū)域由農(nóng)田或森林轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?圖4c)。在此情形下,上述北方地區(qū)的綠化區(qū)域的降水量明顯增加,東北北部及東部農(nóng)田減少區(qū)域的降水量略有增加。在西北、東北和華南區(qū)域降水則均不同程度的減少,以華南地區(qū)年降水量減少最顯著,其次是東北中部區(qū)域(圖4d)。從總的土地利用變化程度分析,2020年中國草地面積增加最多,但由于其區(qū)域分布比較集中,因此氣候變化的區(qū)域性效應(yīng)比較明顯。由此引起的年降水變化雖然使北方地區(qū)的中西部地區(qū)降水量增加,但同時也使西北干旱半干旱區(qū)域和東北區(qū)域降水量減少,其總體效應(yīng)并沒有使北方地區(qū)干旱化得到緩解。這顯示了在以往土地利用變化的敏感性試驗中,對土地利用變化敏感區(qū)域采用人為給定的地表覆蓋類型替換原有的多種地表覆蓋類型,夸大了土地利用變化的方案在設(shè)計上的不足。同時也說明要改善北方干旱化環(huán)境,從土地利用的角度看,必須要在華北退耕還草的基礎(chǔ)上,對西部荒漠化地區(qū)進行有效的治理,同時要增加?xùn)|北地區(qū)的林地面積。2030年,模式主要區(qū)域地表覆蓋類型變化與2010年相似,其降水分布差異也不大。不同之處在于整個模式區(qū)域退耕還林(草)的面積有所增加,東北西部有少量農(nóng)田和草地轉(zhuǎn)變?yōu)樯?華北地區(qū)和東北中部城市用地增加(圖4e)。與2010年相比,降水分布變化主要是東北的西部和東部地區(qū)降水有所增加,華北地區(qū)降水量略有增加,其他區(qū)域降水變化較小(圖4f)。這說明東北林地面積的增加以及該區(qū)域城市面積的增加對年降水量的增加是有益的。在西部地區(qū)以及華北退耕還草的背景下,華北城鎮(zhèn)面積的增加可以增加該地區(qū)的降水量。2040年,對應(yīng)西部小范圍區(qū)域由草地退化為沙漠,沙漠面積的擴大使該區(qū)域降水減少區(qū)域的面積擴大。由于過渡帶附近區(qū)域的部分草地或農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樯?地處農(nóng)牧過渡帶的河套南部地區(qū)、山西以及東北地區(qū)的降水增加。華北地區(qū)有少量農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫?華南地區(qū)則有大部分農(nóng)田綠化為草地,南方地區(qū)的東南部又有少量農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樯?圖4g),總體效應(yīng)使華北地區(qū)和華南地區(qū)降水減少(圖4h)。與2030年相反,在西部地區(qū)荒漠化面積擴大以及華南地區(qū)部分區(qū)域森林面積增加的背景下,華北地區(qū)城鎮(zhèn)用地的增加會減少該區(qū)域的年總降水量。2050年,SD模型所給出的中國土地利用變化較為復(fù)雜(圖4i)。新疆北部部分地區(qū)由草地轉(zhuǎn)變?yōu)樯?內(nèi)蒙古西部地區(qū)少部分區(qū)域由草地退化為沙漠,東北地區(qū)森林和城市面積增加,農(nóng)牧過渡帶的森林面積增加,農(nóng)牧過渡帶以東的河北、山西等地的城市面積增加的同時也有部分的農(nóng)田轉(zhuǎn)換為草地,華南地區(qū)大量農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸亍?yīng)的降水變化分布狀況為:甘肅北部內(nèi)蒙古西部地區(qū)降水減少,華北以及東北地區(qū)降水增加,華南地區(qū)降水減少(圖4j)。這反映了區(qū)域降水對土地利用的變化的敏感性,對應(yīng)著土地利用變化的復(fù)雜性,年降水量也表現(xiàn)出明顯的局地性特征。4.4基于土地利用變化的區(qū)域年降水量的時間演變對比圖3和4的結(jié)果不難看出,區(qū)域氣候變化尤其是區(qū)域降水對土地利用變化的響應(yīng)比較敏感,模式區(qū)域內(nèi)所占比例不多的土地利用變化即能引起該區(qū)域年降水量的分布產(chǎn)生一定比例的改變,如圖3中2020～2030年的模擬結(jié)果。在東北地區(qū)、內(nèi)蒙古荒漠地區(qū)以及農(nóng)牧過渡帶區(qū)域,土地利用變化的區(qū)域性氣候效應(yīng)尤為顯著,如圖3中2020年華北地區(qū)的城市面積增加的氣候效應(yīng),2040年內(nèi)蒙古西部地區(qū)荒漠化的氣候效應(yīng),以及圖4中2030～2040年東北地區(qū)森林面積改變的氣候效應(yīng)等等。此外,土地利用變化的氣候效應(yīng)不僅局限于土地利用發(fā)生改變的區(qū)域,土地利用沒有發(fā)生改變區(qū)域的氣候條件也會有所響應(yīng),如圖3中2010～2020年、圖4中2010年的東北地區(qū),圖3中2030年與圖4中2020年的西部干旱、半干旱區(qū)等。所以,研究土地利用變化對區(qū)域環(huán)境的影響,要綜合考慮土地利用變化的區(qū)域分布以及各個區(qū)域的變化程度,這是以前開展的針對土地利用變化引起的區(qū)域氣候變化的敏感性試驗所忽略的。圖5給出了高速發(fā)展型與穩(wěn)定發(fā)展型預(yù)測結(jié)果在北方地區(qū)和華南地區(qū)的區(qū)域平均年降水量的時間演變。圖中顯示,僅考慮土地利用的變化,未來50年華南地區(qū)年降水量將呈現(xiàn)減少的趨勢,北方地區(qū)的年降水量則會由于不同的社會經(jīng)濟發(fā)展情景而有所差異。在社會經(jīng)濟高速發(fā)展情景下,北方地區(qū)的年降水量在2010年左右將呈現(xiàn)增長的趨勢,雖然在2020年左右出現(xiàn)年降水量異常減少,但年降水量增長的趨勢會持續(xù)到2050年(圖5a)。在社會經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展情形下,北方地區(qū)年降水量增加的趨勢并不明顯,僅在2020年和2040年該區(qū)域的年降水量可能會有所增加。該發(fā)展情景下預(yù)測的北方地區(qū)年降水量變化的波動幅度比較大,呈現(xiàn)增長和減少交替的規(guī)律(圖5b)。由于水資源短缺是制約北方地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要因素,所以高速發(fā)展型情景對中國的經(jīng)濟發(fā)展和氣候環(huán)境是有利的。圖1對土地利用變化的分析顯示,兩種經(jīng)濟發(fā)展情景下森林面積都是先部分減少后逐步增加的,主要差異在于穩(wěn)定發(fā)展型情景下農(nóng)田比例基本不變化,森林和草地面積的轉(zhuǎn)換是土地利用變化的主要特征,而高速發(fā)展型情景下森林面積的增加還部分地來源于農(nóng)田的退耕。由此不難看出,森林面積的增加對改善北方地區(qū)的氣候環(huán)境有益,但維持農(nóng)田面積不變,以大范圍的犧牲草地面積來保持森林增長的舉措是不恰當(dāng)?shù)?在保持森林增長的同時,退耕還林(草)的措施值得繼續(xù)倡導(dǎo)。綜合分析圖3～5可以看出,穩(wěn)定發(fā)展型的2010年和2050年的預(yù)測結(jié)果分別是中國未來氣候變化較優(yōu)和較劣的兩種土地利用變化的配置。下面通過詳細(xì)分析該兩種情形下的土地利用變化配置及其引起的區(qū)域溫度、流場、感熱通量和潛熱通量的變化,來探討土地利用變化影響區(qū)域氣候的機理特征。4.5降水量分布穩(wěn)定發(fā)展型情景下2010年的預(yù)測結(jié)果顯示:華南地區(qū)降水減少,區(qū)域面積平均的降水量減少22mm左右,北方地區(qū)年降水量大面積增加,區(qū)域面積平均的降水量增加12mm左右,該情形下北方地區(qū)降水量增加,干旱化趨勢得到明顯改善。從前面對土地利用變化的趨勢分析看,在該情景下,首先是西部干旱半干旱區(qū)在退耕還草的同時沙漠化區(qū)域得到治理,沙漠面積減少,使該區(qū)域的地表反照率減少,粗糙度增大,覆蓋度增加,葉面積指數(shù)增加。其次是華北地區(qū)草地面積增加,其中包括森林退化和農(nóng)田綠化,華南地區(qū)的部分農(nóng)田綠化為草地,使這兩個區(qū)域粗糙度減少,地表反射率增加。再者,過渡帶東側(cè)的東北地區(qū)附近森林略有增加,粗糙度增加,地表反射率減少。這種西部干旱半干旱區(qū)沙漠化治理和退耕還草,東北及過渡帶東部地區(qū)林地增加,華北以及華南地區(qū)退耕還草的土地利用變化的配置促使北方降水增加,南方地區(qū)降水減少。季風(fēng)性氣候的特征決定了中國大部分區(qū)域降水集中于夏半年(6～11月),圖6表明,伴隨地面降水北增南減的趨勢,相應(yīng)的低層大氣溫度是南增北減。南方地區(qū)溫度升高尤為明顯,強度達(dá)到0.45℃,而且垂直方向上從近地層一致延伸到300hPa附近的高空,北方地區(qū)近地層降溫為0.25℃左右,垂直方向上近延伸到600hPa(圖6a)。地表粗糙度的改變會使地表面摩擦改變,進而影響大氣的環(huán)流場。從夏半年850hPa平均流場的變化(圖6b)看出,西北及華北過渡帶地區(qū)存在兩個明顯的氣旋式環(huán)流,華南地區(qū)則出現(xiàn)明顯的反氣旋式環(huán)流,東部季風(fēng)區(qū)的兩個偏差環(huán)流在35°N附近交匯,從而100°E以東的偏南風(fēng)把西南暖濕氣流不斷向北方地區(qū)輸送,為降水的增加提供了大量的水汽保障。從圖6c夏半年平均的感熱通量偏差和圖6d夏半年平均的潛熱通量偏差也可以看出,北方地區(qū)近地面感熱通量是減少的,潛熱通量是增加的,華南地區(qū)則相反。也主要是由于以上因素構(gòu)成了該情景下2010年區(qū)域降水分布的差異。穩(wěn)定發(fā)展型情景下2050年的預(yù)測結(jié)果顯示:西部干旱半干旱區(qū)的年降水量減少,東部季風(fēng)區(qū)東北北部地區(qū)以外區(qū)域的年降水量也是減少的,中國陸地主要區(qū)域尤其是華北地區(qū)及河南、山東等華東地區(qū)降水量減少更加明顯,部分地區(qū)年降水量減少超過150mm,雖然從總降水量上看北方地區(qū)和華南地區(qū)變化不大,但北方地區(qū)呈現(xiàn)明顯的干旱化趨勢。從前面土地利用的變化上看,降水減少的原因主要有3個,一是西部干旱、半干旱區(qū)北部大量草地退化為沙漠,使該地區(qū)地表反照率增加,粗糙度減少。二是華南地區(qū)草地變化為森林,使華南地區(qū)粗糙度增加,地表反射率減小。三是華北地區(qū)森林增加,粗糙度增加,蒸發(fā)加強,同時城鎮(zhèn)面積增加,粗糙度增加,土壤濕度減少。西部干旱、半干旱區(qū)沙漠化面積擴大,華北地區(qū)草地面積減少,城市和森林面積增加,華南地區(qū)森林增加的這種土地利用變化配置導(dǎo)致了中國大部分地區(qū)降水量的減少。圖7顯示,對應(yīng)北方地區(qū)的干旱化形勢,北方地區(qū)低層大氣的溫度升高,南方地區(qū)大氣溫度降低,強度總體比較弱,升降溫的變化都是0.1℃左右(圖7a)。與圖6a一致,南方地區(qū)低層溫度的變化可以影響到300hPa的高空,北方地區(qū)溫度升高的趨勢只延伸到600hPa高層。從夏半年850hPa平均流場的變化(圖7b)看出,華南地區(qū)出現(xiàn)一反氣旋式環(huán)流,其位置較圖6b偏西,而且其東側(cè)是比較強的偏北氣流。西部新疆地區(qū)也出現(xiàn)一弱的反氣旋性環(huán)流,東北地區(qū)北部為氣旋性環(huán)流。整個偏差流場的配置和降水的偏差是一致的。從夏半年平均的感熱通量偏差(圖7c)和潛熱通量偏差(圖7d)可以看出,北方地區(qū)近地面感熱通量增加,潛熱通量減少,華南地區(qū)感熱通量和潛熱通量