本文關(guān)鍵詞：氣溫和降水對(duì)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(guò)影響地表反照率、土壤熱參量以及蒸發(fā)和蒸騰來(lái)改變陸-氣之間的水分和能量平衡,從而對(duì)邊界層結(jié)構(gòu)、云和降水等過(guò)程產(chǎn)生影響。土壤濕度變化,特別是土壤干旱,對(duì)高溫?zé)崂�、沙塵爆發(fā)以及植被類(lèi)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(yàn)等手段定量化地計(jì)算了氣溫和降水對(duì)土壤濕度變化,特別是對(duì)土壤干旱化的貢獻(xiàn);最后分析了模式結(jié)構(gòu)和初始條件差異對(duì)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(guò)與中國(guó)地區(qū)土壤濕度觀測(cè)資料比較驗(yàn)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(guó)地區(qū)土壤濕度的時(shí)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(guó)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(yán)重的地區(qū)為北非和東亞地區(qū),兩個(gè)地區(qū)對(duì)全球干旱化的貢獻(xiàn)高達(dá)60%以上。從氣候區(qū)角度分析發(fā)現(xiàn),干旱強(qiáng)度最嚴(yán)重的氣候區(qū)為干濕過(guò)渡區(qū),過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)化土壤干旱首先從較濕潤(rùn)的過(guò)渡區(qū)開(kāi)始,并于1980年左右向較干的過(guò)渡區(qū)擴(kuò)展。此外,過(guò)渡區(qū)也是干旱化面積最大的區(qū)域,有超過(guò)60%的區(qū)域發(fā)生了干旱化。中國(guó)地區(qū)土壤濕度總體也表現(xiàn)為減小趨勢(shì),比全球平均干旱化現(xiàn)象嚴(yán)重,干旱化最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)橹袊?guó)東北和華北地區(qū)。近60年來(lái)黃土高原半干旱區(qū)不同深度土壤濕度的長(zhǎng)期變化均呈減小趨勢(shì),且年際波動(dòng)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(duì)土壤濕度的影響和相對(duì)貢獻(xiàn)。結(jié)果表明,降水和氣溫對(duì)土壤濕度的變化有顯著影響,但是兩者的作用并不相同。對(duì)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(zhǎng)期變化�；貧w分析和陸面模式敏感性試驗(yàn)表明,干濕過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)化干旱主要是由增溫作用造成的。在中國(guó)地區(qū),土壤濕度減小主要由降水減小所驅(qū)動(dòng),并被氣溫升高所放大,中國(guó)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?zhàn)饔每赡軙?huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的暖干化。CMIP5(第五次耦合模式比較計(jì)劃)的RCP(典型濃度路徑)4.5和RCP8.5兩種情景下,21世紀(jì)全球和中國(guó)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(fù)相關(guān)關(guān)系,并隨著土壤加深,兩者的相關(guān)性加強(qiáng);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(lái)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(gè)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(jí)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(rùn)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(zhǎng)期變化趨勢(shì)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(gè)時(shí)間段內(nèi)都為增加趨勢(shì)。分析發(fā)現(xiàn),初始條件和模式結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致土壤濕度變化趨勢(shì)不同,以及所有時(shí)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(shì),減小最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)榈刂泻５貐^(qū)、南美洲的東北部和西南地區(qū)、非洲南部以及美國(guó)西南部地區(qū)。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：S152.71

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1294700