南水北调西线工程水源区草地退化对气候变化的影响研究

作者:张明珠等    文章来源:南水北调与水利科技    点击数:2879    更新时间:2011/5/17

张明珠 秦天玲 王凌河 胡东来 张诚

摘要:以气候变化为研究背景, 利用区域气候模式RegCM3, 通过改变研究区土地覆被类型进行模拟试验, 探讨草地退化对西线水源区大气环流、地表温度、降水和径流深等关键气候水文要素的影响。草地退化后, 水源区的气候出现暖干化趋势, 具体表现为: 青藏高原地区500 hPa 850 hPa 处的高度场出现大范围的负值区, 而研究区东部增加; 年平均温度升高, 时空变化明显; 年均降水量减少了5.08%, 夏秋季减少最多, 四川东部和西藏南端减少明显; 年均径流量减少了4. 83%, 且主要发生在夏季。

关键词: 区域气候模式; 西线工程; 草地退化

中图分类号: TV68; P461. 4  文献标识码: A  文章编号: 1672-1683(2010) 05-0011-06

Numerical Simulation of Climate Change Due to the Grassland Degradation in the Western Route of the South-to-North Water Transfer Project

ZH ANG Ming-zhu1 , QIN Tian-ling2, 3, WANG Ling-he2, 4, HU Dong-lai2, ZHANG Cheng2

Abstract: On the basis of climate change, by regional climate model RegCM3 and simulation experiments through changing land-coverage types in the research area, the paper probed in to the influences of grassland degradation on key climatic and hydrological f act ors in water source area of the western route as general circulation, surface temperature, precipitation and runoff, et c. The results indicated that the climate in water source area had a w arming and drying trend. Con cretemanifes tations were as follows. In the 500 h pa and 850hpa height field, large scale of negative value area arose. By contrast, that in east of research area increased. Influences of grassland degradation on temperature had temporaland spatial differences, and the annual average temperature rose. Annual average precipitation volume decreased by 5.08%,with maximum reduction seasonally in summer and autumn and geographically in eastern Sichuan and southern Tibet it decreased most . Annual average run off decreased by 4.83%, with maximum reduction in summer as 9.43%.

Key words: regional climate model; Wes tern Route Project ; grassland degradation

20世纪以来, 由于自然原因和人类对自然资源过度开发及不合理利用而造成的生态环境退化问题日益显著, 主要表现为森林破坏、草场退化、土地沙漠化、水土流失、草地萎缩以及由此造成的水资源、森林资源等自然资源短缺和气候变异、自然灾害增多等[1]。由于人类活动对地表覆盖和大气成分的改变, 陆面和大气相互作用过程更为复杂, 这种相互作用包括了物理、化学、生物和社会过程[2]。因此, 研究人类活动引起的温室效应和土地覆被变化对区域气候以及水资源的影响不但对于人类的生存至关重要, 而且对于人类如何适应和减缓全球气候变化具有指导意义。

土地利用和植被覆盖变化引起的气候变化的研究, 是当今全球气候变化研究中的热点之一。随着20世纪90年代以来区域气候模式得到迅速发展, 利用数值模拟来研究土地利用变化, 特别是植被变化对气候的影响是一种有效的手段。近年来, 我国学者对植被变化对区域气候的影响方面做出了有益的探索。我国在植被变化对区域气候影响的研究主要集中在以下几个气候敏感区: 内蒙古草原荒漠化、青藏高原草原退化、西北干旱区植被退化以及南方森林退化。表1 列出了20 世纪90年代以来, 我国学者在植被变化气候效应方面所做的相关工作。

1 植被变化对我国区域气候影响的相关研究进展[3-10]

Table 1  The research of plants changeable effects on regional climate

1  研究区域概况

本文研究区域范围为90°E- 105°E, 24°N- 36°N, 包含整个南水北调西线工程水源区。南水北调西线水源区包括通天河、雅砻江、大渡河, 金沙江等主要河流水系, 即宜宾以上的长江流域。西线工程水源区水能资源的蕴藏量十分丰富, 是我国西南水电开发的重要基地, 同时也是我国生物多样性保护的重点地区。该区横跨四川、青海、云南和西藏4 , 位于青藏高原的东麓, 平均海拔在3000m 以上, 属高山区域极高山区, 见图1

1  研究区域在全国的地理位置

Fig.1  Regional location in China

本区受季风气候和青藏高原地理环境诸因素影响, 由西向东分属高原寒带干旱区、高原亚寒带半干旱区、高原亚寒带半湿润区、高原亚寒带湿润区、高原寒湿带湿润区。本区域气温分布的特点是西北部低, 向东和向南逐渐升高。西北部通天河伍道梁站年平均气温仅-5, 而东南部的甘孜、壤塘一带年平均气温5左右。区域内大部分地区冬季长而寒冷, 夏季短而凉爽。夏季平均气温不高, 最大月平均气温出现在7, 一般在10左右, 部分地区达到20~ 30之间。降水分布不均, 干、湿季分明。年降水分布是西北少、东南多,西北部伍道梁站多年平均年降水量仅260mm左右, 到东部壤塘、阿坝一带多年平均年降水量达700 mm以上。全年降水主要集中在5 -10月, 占年降水量的85%~ 90%, 同期夏半季大气中平均水汽含量是冬半季的4~ 5倍。故本区保持了冬与夏, 干与湿分明的特点。全区大于0.1mm 的降水日数大多在150 d 以上, 但暴雨日数稀少,在海拔3 500m以上地区, 年降水量中20%~30%以上的降水为降雪[11]

本区气候的主要特点可概括为: 冬长严寒, 低温持续时间长, 夏短凉爽,气温不高; 昼夜温差大, 但气温年差较小, 四季不分明; 湿度低, 干、雨季分明, 雨日多, 降水强度小, 年雨量较多,蒸发量较大; 多大风、霜冻、雪灾、冰雹、雷暴等灾害性天气。

本区草地主要包含草甸草地和荒草地, 主要分布在调水工程区西部高原丘陵和东部高山上, 宜宾以上长江流域1980年草地面积约为4.067km2, 见图2, 近年来受气候变化和人类干扰影响略有退化。

2  研究区域1980 年草地分布图

Fig. 2  Distribution of regional grassland in 1980

2  试验方案介绍

本研究以西线水源区为研究靶区, 以区域气候模式RegCM3为数值模拟工具, 通过对比试验结果, 探讨草地退化对西线水源区区域气候的影响。研究结果将为正确评估人类活动对气候及生存环境的影响、解决西线水源区生态保护和建设中重大问题提供科学依据, 具有十分重要的理论意义和现实意义。为了研究土地覆被对区域气候和水文水资源的影响, 本研究设计了两组数值模拟试验。两组数值模拟试验的区域范围、水平分辨率以及参数化方案的选择均相同。第一组试验——控制试验(ExA):不改变土地覆被类型的模拟试验, 即控制试验。第二组试验——草地退化敏感试验(ExB):将水源区实际土地覆被中的矮草覆被类型代码2 改为半沙漠类型代码11, 其余参数与控制试验相同。试验采用NOAAOISST 和美国地理调查局提供的2%分辨率的地形及全球植被资料。以NCEP 资料作初始场,1997121日积分至199911, 其中1997 12 1日至19971231日作为模式的预热期, 不对其结果进行分析。模式的水平分辨率取为50 km, 模拟区域中心为90°E, 31. 5°N, 水平格点数为80×70, 模拟区域包括整个青藏高原地区。模式垂直方向分为18, 模式顶层高度为100 hPa, 大气模式的积分时间步长为150s。通过对照试验, 分析草地退化对水源区及周边地区的气候影响。

区域气候模式RegCM3中对不同下垫面的处理首先是根据地表的植被覆盖情况定义了20种土地覆盖类型, 并进一步根据土壤的质地分为12, 颜色分为8个级别, 对不同的土地覆被类型定义了各种植被参数和土壤参数。表2 给出了矮草和半沙漠这两种土地覆被类型所定义的各种植被参数和土壤参数。下垫面覆盖类型的变化将改变地表的反照率、粗糙度、土壤含水量、植被覆盖度等下垫面参数, 从而影响地-气系统的能量平衡。但由于陆- 气间多种正、负反馈过程的同时作用, 使得土地覆被变化对气候场的影响十分复杂[12]。本研究所使用的土地覆被数据为美国地质勘测局的2%分辨率的GLCC资料, 其中位于研究区范围内的植被分布根据研究区的实际分布情况作了相应的修正,见表3

2 BATS 中矮草和半沙漠对应的植被参数和土壤参数[13]

Table 2  Plant and soil variables of short grass and semi-desert in BATS

 

3 研究区土地覆被类型及百分比

Table 3  Types and percentage of regional land cover

3  模拟结果

3. 1  对大气环流的影响

通过分析两组对比试验中500hPa850hPa 高度场的变化来探讨研究区域草地退化对环流场的影响。从两组数值模拟试验对1998 1月至12500h Pa月平均高度场模拟结果来看, 草地退化对高度场的影响存在着季节差异: 冬季高度场的变化较小, 夏季(尤其在7月份) 高度场的变化比其它各季节显著。

500 hPa草地退化试验和控制试验月平均高度场差值的分布可见图3(a), 草地退化对春、秋季500 hPa月平均高度场影响范围较小, 变化的地区主要位于四川东部地区, 表现为春季减弱, 秋季加强的特点, 而其它地区则无明显变化。高度场变化范围最大和变化幅度最显著的季节是夏季, 在青藏高原以及云南地区表现为大片的负值, 仅在研究区东部的四川境内的高度场出现加强的情况。草地退化导致夏季500 hPa位势高度场在青藏高原及其周边地区出现大片的负值, 说明草地退化可能会加强高原地区夏季的热低压, 从而加剧高原中心的低温少雨状况。850 hPa 的高度场变化与500 hPa 的高度场变化类似, 3(b) 1998 7850hPa 的位势高度变化值的空间分布, 可见850 hPa 处高度场变化的范围与500hPa 处的变化范围相似, 但在强度上更强一些。

3  19987500hPa 850hPa 高度场变化(单位: 位势米)

Fig. 3  Changes of the 500hPa and 850h Pa height field in July, 1998(unit: geopotential meter)

4 为草地退化后19987月和8月的距地面10m处的西风分量的变化。可以看出草地退化后, 距地面10m处风场的变化不明显, 但西风分量有一定的增强, 增值中心高达3m/s。夏季环流场的这种变化将会使更多的暖湿气流进入研究区内, 从而使得研究区内的气温上升。产生这种现象的原因可能是草地退化使地表反照率增强, 从而增强感热输送, 促进了高原地区的局地对流。

4  草地退化后1998 7 月和8 月距地面10m处风场和西风分量变化( 单位:m/s)

Fig. 4 The wind and the westerly component changes in the place of 10 min July and August, 1998 after grassland degradation(unit:m/s)

3. 2  对近地面气温的影响

针对1998 12 个月控制试验(ExA)和草地减少试验(ExB)的数值模拟结果, 以两组试验月平均地表温度的差值(草地退化试验值- 控制试验值)为基础, 分析西线水源区内草地退化对地表温度的影响。

5  1998 年夏季和冬季地表温度变化

Fig. 5 Differences of surface temperature in the summer and autumn of 1998

由图5 可见, 西线水源区草地退化对地表平均温度的影响在区域和季节是不一致的。从冬季(12月、1 月、2 ) 两组试验的对比结果看, 草地减少对冬季地表温度影响的结果在大部分区域表现为降温, 降温区域主要位于西北部的青藏高原地区, 降温幅度为0.2~0.3, 而东部地区的地表温度变化不明显。从夏季(6 月、7 月、8 ) 两组试验的对比结果看, 草地减少对水源区夏季地表温度的影响较冬季更为复杂。在北部的青海境内出现大范围的升温现象, 升温最高值达4; 而在西藏以及四川东部气温却有所降低。同时, 夏季地表温度的变化幅度也比冬季大: 其中北部地区的夏季增温可达4以上, 其它地区降温在0.5~ 1. 5之间。

将研究区域分为两小块, 分别为研究区域西北区域(90~98°E, 28~36°N), 包括研究区域内的西藏和青海省部分、东部区域(98~105°E2 4~36°N), 主要包括四川省和云南省。图6 表示的是草地退化试验和控制试验月平均气温差值分别在研究区域西北部和东部的面积平均值随时间的变化。可见,草地退化导致了研究区域冬季(1212) 地表温度的降低,而在其它季节(春、夏、秋季) 地表温度有明显升高。其中, 对于西北部靠近青藏高原腹地区域, 温度差值在夏季变化幅度较大,且在7 月温度升高0.86, 增幅为9. 26%; 在东部四川和云南地区, 温度差值也是在夏季变化幅度最大, 8月温度升高0.73, 增幅为8.67%。总体来看, 草地退化后在西北部的地表温度变化幅度比东部要大。在西北和东部两个区域大部分月份都表现为温度上升, 升温较为显著季节为春季和夏季, 且温度升高的幅度比降低的幅度要大。

6  草地退化试验和控制试验多年月平均气温差值

Fig. 6  Differences of monthly temperature of grassland degradation and controlling experiments

草地退化对研究区域年平均地表温度的影响主要表现为以下两方面。在西北部的青藏高原腹地冬季气温降低、春夏秋季气温升高, 这意味着该地区温度的年较差会增大。②在东部的四川和云南地区, 冬季的12 月和1月气温略有降低, 其它各月气温一致升高,且夏季升温最为明显。综上, 由于研究区域春、夏、秋季的增温比冬季降温更为显著, 因此可以得到草地退化会导致研究区域的年平均地表温度升高的结论。模拟试验的结果进一步证实了由于不同的地理环境, 同样的土地覆盖变化引起的气候要素变化存在着不一致性。

3. 3  对降水和径流的影响

下垫面覆盖类型的变化将改变地表的反照率、粗糙度、土壤含水量、植被覆盖度等下垫面参数, 从而影响地—气系统的能量平衡。草地退化会增加地面反照率, 降低粗糙度, 减弱植被对水循环的调节作用, 从而增加显热交换和地面温度, 减少蒸发和降水。加上研究区域地形构造极其复杂, 西北部为平均海拔在4000 m以上的青藏高原, 东部为海拔500 m左右的四川盆地, 南部为海拔1000~2000m 的云贵高原。地形的显著起伏对降水空间分布造成很大的影响。

草地退化使研究区内的降水总体呈现减少的趋势, 区域年平均降水和径流深分别减少5.08%4.83%。对于季节而言, 降水在夏、秋季减少最多, 分别减少7.50%9.11%,春季次之, 冬季最少; 径流深变化的季节分布为夏季减少最多, 减少幅度为9.43%,秋季次之, 冬季减少最少, 而在春季径流深略有增加。图7为草地退化后区域平均各月降水和径流深的月变化曲线, 可见仅在2 月和3 月降水增加, 其余各月降水均减少, 径流深的变化与降水的变化表现出相似的规律。

7  草地退化试验和控制试验月平均降水和径流深变化率

Fig . 7  Changeable rate of monthly precipitation and runoff volume of grassland degradation and controlling experiments

8 草地退化后研究区7月、8月降水和径流深变化(单位: mm/d)

Fig. 8  Differences of regional precipitation and runoff volume in July and August af ter grassland degradation (unit:mm/d)

考虑到研究区的降水多集中在夏季, 这里主要分析草地退化对夏季降水的影响。图8为草地退化试验与控制试验模拟的1998 7月和8月降水差值和径流深差值。由图可以看出, 草地退化后, 研究区夏季降水在不同区域的变化并不均匀, 但总体表现为减少, 其中减少最多的区域出现在四川东部和西藏南端, 最高减少10mm/d; 而在四川和云南交界地区、西北端的青海省内以及西藏的部分地区, 出现了降水增多的现象。夏季径流深的变化总体上与降水的变化呈现相似的分布型式, 即在大部分地区减少, 其中最高减少值为4mm/d

以上主要分析了草地退化后降水的空间的变化情况, 为了进一步分析草地退化对研究区内降水和径流深的影响, 将两组试验模拟结果插值到位于研究区内的18 个观测站上, 以便分析。图9 为控制试验和草地退化试验模拟的各站年平均降水, 可以看出, 除宜宾、昆明、大理外, 其余15个站点的年平均降水量均呈减少的趋势。

9 两组试验模拟的各站年平均降水量

Fig. 9  Annual precipitation volume of monitoring sites of two modeling experiments (unit: mm/ d)

草地退化后区域降水空间变化不一致。18个测站中有15个站的降水出现了负增长,18个测站的平均减少幅度为5.89%。仅在宜宾、大理和昆明3个站的降水出现了增加现象, 其中宜宾站的降水增长较多, 增幅为18%。降水减少幅度最大的是玛多站, 降水变化率为19.4%, 是研究区降水变化最剧烈的测站。由于草地退化主要集中在研究区的西部,因而导致位于研究区西部的所有测站降水量均减少, 说明对草地变化所在区域的降水影响较为明显, 而对东部地区降水的影响表现出不一致性。

4  结论与讨论

本研究通过设计研究区内草地退化试验, 研究了下垫面变化对区域气候和水文水资源的影响。试验结果表明: 草地退化后, 水源区的气候将会出现暖干化的趋势, 具体表现为地表温度升高, 而降水和径流深有一定减少。草地退化对环流场的影响主要表现为使青藏高原地区500hPa850hPa处的高度场出现大范围的负值区域, 而研究区东部的高度场增加。草地退化对气温的影响在区域和季节上都存在差异, 对冬季地表温度的影响在大部分地区表现为降温, 降温中心在西北部的青藏高原地区, 东部的温度变化不明显; 草地退化对夏季地表温度的影响较为复杂, 总体表现为使区域平均温度升高。草地退化后, 研究区的降水总体表现为减少, 年平均降水减少了5.08%, 且在夏秋季减少最多,分别减少了7.50%9.11%, 其中降水减少最多的区域为四川东部和西藏南端;草地退化使研究区年平均径流深减少了4.83%, 且主要发生在夏季, 减少幅度为9.43%

由于模拟的网格相对较大, 对土地覆被的数值化处理比较粗糙, 不能反映研究区土地覆被的真实变化情况, 对于草地退化引起的气候响应的细节不能很好的描述。另外, 由于计算资源的限制, 试验模拟的时间相对较短, 草地退化引起的气候年际变化情况无法反映, 对草地退化长期气候效应的研究还需要更多的工作。在进一步的研究中应考虑植被动态变化过程的气候效应。

作者简介: 张明珠(1985-), , 安徽东至人, 硕士研究生, 主要从事生态水文学与水环境综合调控研究。

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