评估土地利用和覆盖变化对巴基斯坦区域气候和空气污染的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | ADIL DILAWAR |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 陈报章 |
| 关键词 | 土地利用和土地覆被变化（LULCC) 区域气候 热效应贡献指数（HECI） 城市地表热岛强度（SUHII） 城市热场方差（UTFVI） 遥感 气候预报模型(WRF) 干旱 热浪 极端气候 大气污染 空气污染动力学 地理加权回归模型 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 土地利用和土地覆被变化（LULCC）和气候变化给人类大气污染治理的压力越来越大。20世纪中期以来，全球都经历了不同强度的LULCC或气候变化，导致全球空气污染加重和空气质量下降，严重影响了人类的生存发展。而这种LULCC和气候变化导致的空气污染问题还在全球很多地区加剧，人类活动剧烈和气候变化明显的巴基斯坦更是受此空气污染影响的核心区。因此，本研究以巴基斯坦为研究区来评估LULCC对区域气候的影响，分析LULCC和气候变化对空气污染的影响。同时，本研究还考察了气候模型对土地利用数据敏感性，评估各类极端气候事件发生时的LULCC情况。 首先，本研究调查和量化巴基斯坦LULCCs对城市热环境（UTE）强度strength的影响。利用陆表卫星获取的地表温度（LST）数据，开展了城市地表热岛强度（SUHII）及其影响因素进行了研究。结果显示，1992-2014期间费萨拉巴德市面积从124平方公里扩大到320平方公里，植被面积减少了230平方公里。而农村缓冲区的地表温度比城市缓冲区增长得更快，从0.68°C增长到2.57°C。特别是2007年以后，城市化进程的加快导致农村气温增加迅速，SUHII的线性趋势持续上升。热效应贡献指数（HECI）表明，城市扩张是导致地表温度增加的主要因素。LULCC指标、归一化差异植被指数（NDVI）、归一化差异建立指数（NDBI）与LST变化和SUHII有显著相关性。此外，城市热场方差指数（UTFVI）发现，所有城市缓冲区都表现出较差的生态条件。本研究为分析UTE与各种影响因素、SUHII的长期模式和主要城市的环境条件之间的关系提供了有价值的见解。 其次，本研究分析了LULCC对气候的影响。为了探索LULCC对气候影响背后的物理机制，我们使用气候模型WRF进行不同土地利用数据下的气候要素模拟。结果表明，WRF模型中的温度和能量通量模拟对土地利用数据敏感，如将更新后的MODIS土地利用数据与模型Noah-MP、Dudhia短波和RRTM长波相结合，土地利用数据的变换使模拟获得了更高的相关性（Tmax的相关性为0.84，能量通量的相关性为0.89）和较小的偏差（Tmax为0.69°C、潜热为-42 Wm-2，感热为24 Wm-2）。而更新后的土地利用数据使WRF模型内嵌陆表模式Noah-MP（LSM）更是准确地预测了未来tmax和表面热通量变化。此外，模拟表明当城市冠层和大气湿度较低，感热通量（SH）在触发热浪中起了积极作用。同时，本研究也发现厄尔尼诺-南方颤动（ENSO）事件通过对沃克环流的扩展，影响了印度洋偶极子（IOD），在延长和加强热浪事件方面发挥了重要作用。这项研究为确定合适的LSM和土地利用数据提供了有价值的支持，从而可以准确地预测巴基斯坦卡拉奇节点的气候变量。 LULCC极易导致干旱和热浪事件。巴基斯坦特易受到极端气候变化影响，因此了解巴基斯坦区干旱的变化过程很有必要性。采用标准化降水蒸散指数（SPEI）和气候指数对干旱和气候极端条件进行了调查。Mann-Kendall检验（MK）表明，每年指数序列为−0.02、−0.07、−0.08、−0.01和0.02，表明干旱加剧。在季节性方面，干旱在冬季、春季和夏季的季节更为持久，第1区、第5区和第7区更容易受到季节性干旱的影响。而在南部、中部和西南地区的大部分农业生态区(AEZs)经历了大幅度的气候变暖。研究还发现，在南部、中部和西南地区的气温呈上升趋势，而降水呈下降趋势。同时，AEZs区域的年平均最低温度（Tmin）的上升速度均快于年平均最高温度（Tmax），而它的南部、北部、中部和西南部的降水下降。随着季节的变化，巴基斯坦各AEZs地区的冬季、春季和秋季极端温度上升，而冬季、春季和夏季极端降水下降。主成分分析（PCA）显示，该地区极端温度显著增加（方差：76%），极端降水显著减少（方差为91%）。温度指数加剧了干旱事件，其贡献排序为Tmin>Tmax>SU>WSDI。另一方面，降水影响了干旱的严重程度，其影响排序为 PRCPTOT>R10>R20>Rnn。根据皮尔逊相关分析，在第1和第3区域，极端温度和干旱事件之间存在较弱的负相关; 在第2和第6区域,极端降水和干旱事件之间存在弱正相关关系。温度和极端降水指数与干旱事件有很强的皮尔逊相关性。在大多数AEZs中，干旱事件对降水比温度变化更敏感。总的来说，这项研究为气候变化对巴基斯坦不同地区干旱的影响提供了有价值的见解，并强调需要进一步的研究，以更好地理解和减轻气候变化对该国脆弱生态系统的影响。本研究还评估了生物物理和社会经济因素对巴基斯坦卡拉奇地区干旱风险的潜在影响，这里生物物理因素主要指LULCC。调查结果显示，人口密集的中部、南部和东部地区面临的干旱风险最高。相反，东北和北部地区受到干旱的影响较小。估计的平均干旱危害（EDH）为0.84，最小值（最大值）值为0.68 (1) 。同样，干旱暴露（EDE）和干旱脆弱性（EDV）为0.27（0.42），最大值为0.55（0.84），最小值为0 (0) 。干旱风险评估图（DRAM）显示，卡拉奇平均风险值为0.18，最高风险值为0.36。这项研究能更好地分析卡拉奇目前的干旱风险程度（以及暴露度、脆弱性现状）。此外，它建议应禁止无计划的城市社会，鼓励重新造林、保持土壤水分和降水率。在城市区内建设中小型水库也是提高大气湿度和土壤质量的有效途径。 最后，本研究分析LULCC 和气候变化对于空气污染的影响。LULCC和气候变化可能会加剧空气污染，因此评估LULCC和气候对空气污染变化的潜在影响，对空气污染驱动力和机制研究有重要意义。本研究调查了2004-2021年的土地利用变化、气候变化和空气污染动态。发现了几个重要的发现结论：1）空气污染增加程度最高的地区为北部和西南地区，其LULCC很大。2004年耕地面积为9.72×104平方英里，城市面积为3.51×104 平方英里，分别占总面积的38% 和1.3%。然而，2021年时耕地面积增加到了10.1×104平方英里，占总面积的40%，主要的土地转换来源为灌木丛地、草地和荒地；城市面积增加到了3.6×104平方英里，占总面积1.4%，其土地转换来源为灌木丛地、草地、耕地和荒地。2004-2021年总转换面积为0.98×104平方英里，是快速城市化造成的。此外，MK试验表明，空气质量在研究期间，污染情况进一步恶化了。2004-2021年，NO2和SO2的增长趋势分别为0.89×1015 molecules/cm2和0.54DU/年。而O3浓度变化则无明显规律，在整个巴基斯坦观察到浓度有增有减。各污染物的标准差（SDs）均有所增加，说明空气污染物浓度均有所增加。而各类LULCC产生的大气污染变化不同：当草原转化为城市、湿地和灌丛时，PM呈增加趋势；当农田转向草地时SO2浓度的上升趋势最大；当草原转化为灌丛时，O3的增加趋势大。此外，研究发现区域气候因子在空气污染停滞方面发挥了重要作用。降水量（Precp）呈显著的上升趋势，最大值为每年1 mm。陆表压力（SP）的最大上升趋势为0.01，分别下降0.0038 Kpa。风向（WD）趋势呈上升趋势，每年的变化值为0.04 m/s。在温度方面，Tmax呈上升和下降趋势，上升的最高值为0.28˚C/年，下降值为0.08˚C/年。2004-2021年，Tmin的最大下降趋势和上升趋势分别为0.16˚C/年和0.19˚C/年。降水和风速对巴基斯坦各地二氧化氮NO2浓度的增加贡献巨大，而2004-2021年，降水对巴基斯坦各地SO2浓度的增加贡献最高（0.004DU）。O3对降水影响最大的气候因素是降水，降水与PM升高呈正相关，改变单位降水值最高，为10 (AOD)。 总之，本研究涵盖了巴基斯坦区域和国家层面的各种大气环境和社会经济问题。这项研究的结果预计将有助于对联合国环境的可持续发展目标（SDGs）作出贡献，并为巴基斯坦的决策者制定可持续管理战略提供宝贵的科学指导。 |
| 语种 | 英语 |
| 页码 | 270 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199892]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | ADIL DILAWAR. 评估土地利用和覆盖变化对巴基斯坦区域气候和空气污染的影响[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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