本文關(guān)鍵詞：氣溫和降水對全球土壤濕度變化的影響研究

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【摘要】：作為氣候系統(tǒng)中的關(guān)鍵物理量,土壤濕度通過影響地表反照率、土壤熱參量以及蒸發(fā)和蒸騰來改變陸-氣之間的水分和能量平衡,從而對邊界層結(jié)構(gòu)、云和降水等過程產(chǎn)生影響。土壤濕度變化,特別是土壤干旱,對高溫?zé)崂恕⑸硥m爆發(fā)以及植被類型和生產(chǎn)力變化有重要作用。因此研究全球土壤濕度變化及其與氣候系統(tǒng)的相互作用具有重要意義。在本文中,首先我們從氣候區(qū)角度入手,研究了不同空間尺度的土壤濕度的變化特征;其次利用數(shù)學(xué)方法和陸面模式敏感性試驗等手段定量化地計算了氣溫和降水對土壤濕度變化,特別是對土壤干旱化的貢獻;最后分析了模式結(jié)構(gòu)和初始條件差異對土壤濕度模擬結(jié)果不確定性的影響。本文的主要結(jié)論如下:(1)通過與中國地區(qū)土壤濕度觀測資料比較驗證發(fā)現(xiàn),GLDAS(全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng))數(shù)據(jù)能夠較好地反映中國地區(qū)土壤濕度的時空分布和變化特征。在此基礎(chǔ)上,利用GLDAS數(shù)據(jù)分析全球,中國和黃土高原半干旱區(qū)1948 2010年土壤濕度的變化特征。結(jié)果表明,全球土壤濕度整體以減小為主,其中干旱化最嚴重的地區(qū)為北非和東亞地區(qū),兩個地區(qū)對全球干旱化的貢獻高達60%以上。從氣候區(qū)角度分析發(fā)現(xiàn),干旱強度最嚴重的氣候區(qū)為干濕過渡區(qū),過渡區(qū)的強化土壤干旱首先從較濕潤的過渡區(qū)開始,并于1980年左右向較干的過渡區(qū)擴展。此外,過渡區(qū)也是干旱化面積最大的區(qū)域,有超過60%的區(qū)域發(fā)生了干旱化。中國地區(qū)土壤濕度總體也表現(xiàn)為減小趨勢,比全球平均干旱化現(xiàn)象嚴重,干旱化最嚴重的區(qū)域為中國東北和華北地區(qū)。近60年來黃土高原半干旱區(qū)不同深度土壤濕度的長期變化均呈減小趨勢,且年際波動明顯。(2)利用數(shù)學(xué)方法和陸面模式定量化研究了氣溫和降水對土壤濕度的影響和相對貢獻。結(jié)果表明,降水和氣溫對土壤濕度的變化有顯著影響,但是兩者的作用并不相同。對全球平均而言,降水主要影響土壤濕度的年際和年代際變化,而氣溫主要造成土壤濕度的長期變化。回歸分析和陸面模式敏感性試驗表明,干濕過渡區(qū)的強化干旱主要是由增溫作用造成的。在中國地區(qū),土壤濕度減小主要由降水減小所驅(qū)動,并被氣溫升高所放大,中國地區(qū)升溫作用大概將土壤干旱化放大了1倍左右。隨著土壤濕度減小,土壤濕度和氣溫之間的正反饋作用可能會導(dǎo)致進一步的暖干化。CMIP5(第五次耦合模式比較計劃)的RCP(典型濃度路徑)4.5和RCP8.5兩種情景下,21世紀全球和中國土壤濕度表現(xiàn)為持續(xù)顯著的干旱化特征。黃土高原地區(qū)不同深度的土壤濕度和氣溫呈負相關(guān)關(guān)系,并隨著土壤加深,兩者的相關(guān)性加強;土壤濕度和降水則呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)關(guān)系最大出現(xiàn)在表層土壤。(3)利用CMIP5氣候模式和CESM(通用地球系統(tǒng)模式)輸出產(chǎn)品,研究了歷史模擬(1920 2005)和未來情景(2006 2080)下的土壤濕度不確定性。結(jié)果表明,盡管土壤濕度多模式集合平均的氣候態(tài)和平均值的空間分布與GLDAS數(shù)據(jù)較為一致,但是模式單個成員之間的差異非常明顯。模式結(jié)構(gòu)和初始條件產(chǎn)生的不確定性的空間分布和數(shù)量級都比較相似,表現(xiàn)為較干旱的區(qū)域不確定性大,而較濕潤的區(qū)域不確定性小。此外,模式結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不確定性的長期變化趨勢在1980年之前快速減小,之后增加,但是初始條件產(chǎn)生的不確定性在1920 2080年整個時間段內(nèi)都為增加趨勢。分析發(fā)現(xiàn),初始條件和模式結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致土壤濕度變化趨勢不同,以及所有時間尺度上的不確定性。盡管存在較大的不確定性,RCP4.5和RCP8.5情景下,幾乎所有的土壤濕度模擬值都表現(xiàn)為減小趨勢,減小最嚴重的區(qū)域為地中海地區(qū)、南美洲的東北部和西南地區(qū)、非洲南部以及美國西南部地區(qū)。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S152.71

【參考文獻】

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本文編號：1294700