作物生长过程对区域气候影响的数值模拟研究

作物生长过程及其相应人类耕作活动通过影响陆面和大气之间水分等物质以及能量平衡，对陆面过程与区域气候有重要影响。然而，现有的模式对农作物的描述较为笼统，且没有考虑作物的动态生长过程以及人类耕作活动的影响，导致植被-气候双向反馈机制的缺失，影响模式的模拟能力。本项目拟在以往工作及资料积累的基础上，分析中国耕地及主要农作物的时空分布规律，发展考虑作物生长过程的陆面过程分量模型，并与区域气候模式科学、正确地耦合起来，改进区域气候模式的模拟精度，研究并定量评估作物生长过程及其相应的人类耕作活动对陆面过程与区域气候的影响程度，揭示作物生长过程及人类耕作活动影响陆面过程与区域气候的规律、驱动机理，探索其可预测性。

作物生长过程通过改变叶面积指数、粗糙度等地表特性，直接影响土壤湿度、地表蒸散发、地表反照率等陆面要素的时空分布，进一步改变陆面和大气之间水分和能量的交换，对气候产生重要影响。本项目首先分析了区域气候模拟对不同陆面参数化方案的敏感性，发现：气温和雪水当量模拟比降水模拟对陆面参数化方案的选取更为敏感，且物理过程更贴近实际的新一代模式比旧模式能更好地模拟出降水、气温和雪水当量。其次，项目将作物生长模型与区域气候模式双向耦合，通过敏感性、单点、区域等数值模拟试验对比分析，评估了区域气候模式的模拟能力，分析了作物生长与区域气候的相互作用机理。主要研究结论如下：⑴耦合模式BATS_CERES和RegCM_CERES既能较好地模拟出作物生长过程以及气候条件变化对作物生长的影响，也能模拟出作物生长过程对陆面水分能量过程和区域气候的反馈；⑵耦合模式能在一定程度上改进叶面积指数、土壤湿度、地表径流等陆面变量模拟和降水、气温、雨日数、大雨日数、高温日数、低温日数等区域气候变量的模拟；⑶区域气候与作物生长相互作用主要受局地水分能量平衡和由大尺度陆气相互作用引起的水汽输送变化的共同影响；⑷取水用水调水等人类活动结合着作物生长过程会引起流域陆地水储量的改变、陆地表面降温增湿等变化，并对华北地区地下水位、中国南方地区气温的模拟有一定改善。另外，项目还进行了农作物区城市化对区域气候的影响研究，结论表明：将农作物区改变为高密度的城市后，城市冠层在白天吸收存储大量太阳辐射而在晚上将其释放出来，城市化效应最强时能使气温上升1.6℃，日平均气温也将上升0.74℃，这将扩大城市高温热浪的空间分布并加剧高温热浪的强度。