天山北坡现代绿洲演变的气候与生态效应
文献类型：学位论文
| 作者 | 蔡鹏 |
| 答辩日期 | 2020-06-30 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 罗格平 ; Philippe De Maeyer ; Piet Termonia |
| 关键词 | 山地-绿洲-荒漠系统 陆气相互作用 ALARO-SURFEX 生态系统碳水过程 AEM MODS Land Atmosphere Interaction ALARO-SURFEX Carbon and Water Cycle AEM |
| 学位专业 | 理学博士 |
| 其他题名 | The Climatic and Ecological Effects of Modern Oasis Evolution in the North Tianshan Mountains |
| 英文摘要 | 天山北坡位于欧亚大陆的内陆，远离海洋，是世界上最干旱的地区之一，属于典型的山地-绿洲-荒漠系统（MODS）。随着经济社会的发展和技术的进步，自1950s 以来，天山北坡的绿洲经历了快速的演变过程，导致自然生态系统被开垦为农田以及地表能量平衡过程发生变化。天山北坡的生态系统非常脆弱，对外部变化敏感。因此，研究绿洲的快速演变对区域生态系统和气候的影响，探索区域生态系统对未来气候变化的响应，对于天山北坡生态社会的可持续发展具有特别重要的意义。基于以上背景，本文旨在通过模型模拟来探讨绿洲演变的气候和生态效应。对于气候效应，我们主要通过区域气候模型 ALARO 耦合陆面过程模型 SURFEX来模拟分析 MODS 内的局地环流时空特征及其相互作用、 夏季降水对绿洲演变的响应。对于生态效应，我们通过运行干旱区生态系统模型（AEM）来研究区域生态系统对绿洲演变、 历史和未来气候变化的响应。论文的主要结果如下：首先，考虑到 ALARO-SURFEX 模型是首次被应用在天山北坡干旱区，我们使用课题组制作的土地覆被数据来改进 ECOCLIMAP 数据库中默认的土地覆被数据， 并利用分布在中国新疆境内的 53 个国家气象站和分布在天山北坡的 5 个自动气象站来评估 ALARO-SURFEX 的性能。验证结果表明，尽管该模型低估了日相对湿度和气温，但其可以较好地捕捉区域夏季气温和相对湿度的逐日和逐小时变化。然后，我们研究了在连续 4 日（2016 年 6 月 9 日至 12 日） 晴朗天气条件下绿洲环流（OBC）的动态变化及其与城市环流（UBC）的相互作用。观测和模拟结果均显示，在 19:00 - 21:00 时（北京时间， BJT），当山地-平原背景风系统较弱时，绿洲近地表出现了清晰的辐散系统。模型模拟结果表明，在 16:00-22:00BJT，绿洲环流与城市环流之间存在协同作用，且在 20:00BJT 时达到最大，此时绿洲上空的下沉气流（城市上空的上升气流） 速度增加 0.8（0.4） Pa/s。结果表明，绿洲扩张使乌鲁木齐市夜间城市热岛效应降低了 0.8°C，而城市扩张对绿洲冷岛的影响可以忽略不计。其次，通过实施是否有绿洲存在的两个敏感性试验，模拟 31 个夏季（1986-2016 年） 降水的时空变化， 并分析了 MODS 内绿洲扩张对区域夏季降水的影响及其机理过程。结果表明，绿洲的扩张主要影响山区的夏季降水，而不是绿洲区域。绿洲扩张在海拔低于 3100 m 的区域中对夏季降水起促进作用，而在海拔高于 4100 m 的区域中起抑制作用。绿洲扩张对山区夏季降水的促进作用可部分解释观测研究中发现的中山带变湿趋势，而其抑制作用则可能加速高山冰川萎缩。除了受影响最大的海拔范围和强度不同以外，绿洲扩张在 3 个 MODS（天山北坡、天山南坡和伊犁河流域）中对夏季降水影响的空间格局相似。这种空间格局主要是通过影响夏季午后对流性降水来实现的。 首先，山地-平原风系统中的平原风将绿洲的水汽输送到了山区。此外， 绿洲的扩张增加了低层大气的湿度，并降低了绿洲附近的地表温度， 引起下沉气流，进而降低了绿洲高空大气湿度，抑制了绿洲地区对流降水的形成。 并且，绿洲环流增强了平原风，从而促进了水汽从绿洲转移到山区， 湿气流受地形抬升后形成降水， 导致山区降水增加。但是，降水过后气流变干， 降低了高山地区的大气湿度并削弱了上升气流，导致降水减少。盛行风向的差异、绿洲规模和地形差异可解释 3 个 MODS 中绿洲扩张效应的空间格局差异。第三， 对 AEM 的灌溉模块进行了修改，以实现绿洲中不同的灌溉过程。然后，利用修改后的模型，模拟了 1971 年至 2013 年三工河流域绿洲和荒漠生态系统中 NPP 和 ET 在绿洲演变影响下的时空变化。研究结果表明，绿洲生态系统和荒漠生态系统对绿洲演变和气候变化有不同的响应。在整个研究期间，绿洲生态系统的NPP和ET均呈下降趋势，而荒漠生态系统的NPP和ET呈小幅上升趋势，且相对稳定。绿洲生态系统的 NPP 和 ET 的时间格局受绿洲演变的控制，而荒漠生态系统的 NPP 和 ET 的时间格局受气候变化的控制。气候变化对绿洲和荒漠生态系统均产生积极的影响，而绿洲演变对绿洲生态系统的年总 NPP 和耗水具有促进作用，而对荒漠生态系统具有抑制作用。绿洲演变决定了绿洲生态系统的年总 NPP 和总耗水量的变化，从第一阶段到第三阶段， 绿洲生态系统 NPP 增加169.4×109 g C，耗水量增加 127×106 m3。最后， 自 1971 年至 2013 年，在绿洲演变和气候变化的共同影响下，绿洲和荒漠生态系统的水分利用效率都增加了。最后，我们利用 AEM 模拟分析了 RCP2.6， RCP4.5 和 RCP8.5 情景下天山北坡各生态系统的 NPP 和 ET 动态变化。在各 RCP 情景下， 从 2006 年到 2055年，天山北坡的气候将经历一个暖湿化的趋势， 且在 RCP8.5 情景下暖湿化速度最快； 在空间上， 山区呈湿冷趋势， 荒漠区呈干热趋势。 在 RCP2.6， RCP4.5 和RCP8.5 情景下，随着气候和二氧化碳浓度的变化，区域年均 NPP 分别以 1.16、1.62 和 2.15 g C m-2 year-1 的速度增长。与区域年均 NPP 相似，区域年 ET 呈上升趋势，在 RCP2.6 下为 0.38 mm year-1，在 RCP4.5 下为 0.43 mm year-1，在RCP8.5 下为 0.52 mm year-1。因此，对于整个区域， 天山北坡将受益于2006-2055 年的气候变化与 CO2 浓度升高。不同 RCP 情景下区域年 NPP 差异的空间格局表明， NPP 的增加主要发生在农田广泛分布的中西部地区。在 RCP2.6情景下，区域年NPP的下降主要发生在东北部。区域ET差异的空间格局表明，ET 的增加主要发生在中西部地区，与 NPP 差异相似。但是，高山地区的 ET 下降主要是由于温度下降引起的。东北地区 ET 下降主要是由于 RCP2.6 情景下的降水下降。在各 RCP 情景下，天山北坡所有植被类型的 NPP 和 ET 均以不同的速率增加，且与其他植被类型相比， 非深根灌木， 深根灌木和草地对气候和CO2 浓度的变化更敏感，而温带落叶阔叶林和农田对这些变化的敏感性低于其他植被类型。在不同的研究时期和不同的 RCP 情景下，不同植被类型的敏感性会有所不同。但是，在所有 RCP 情景下，每种植被类型的水分利用效率都呈增加趋势。对于每种植被类型，由于暖湿化的气候变化趋势以及 CO2 浓度的增加，水分利用效率的增长率从 RCP2.6、 RCP4.5 到 RCP8.5 依次增加。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.xjlas.org/handle/365004/15404]  |
| 专题 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 新疆生态与地理研究所_研究系统 |
| 作者单位 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 蔡鹏. 天山北坡现代绿洲演变的气候与生态效应[D]. 北京. 中国科学院大学. 2020. |
入库方式： OAI收割
来源：新疆生态与地理研究所
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