典型人类活动对区域水文-气候互馈效应的影响机制研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 郭海 |
| 答辩日期 | 2024-05 |
| 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 | 占车生 |
| 关键词 | CIESM 模式评估 人类用水活动 水文-气候互馈 土地利用/覆盖变化 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 随着人口增长和经济的发展，农业灌溉、城市化以及森林砍伐等人类活动对自然环境的影响逐渐加剧。这些活动直接或间接地改变了地表特征，影响了地球表面的能量平衡和水文循环，对气候系统产生了深远影响。因此，深入研究人类活动对区域水文-气候互馈效应的影响机制显得尤为重要。这不仅可以加深我们对水资源和气候变化的科学理解，还可以为水资源管理和政策制定提供科学支撑。 研究基于国际耦合模式比较计划（CMIP）的模式和再分析资料，首先验证了联合地球系统模式（CIESM）中水文要素模拟的可靠性，随后构建了人类用水活动模块并耦合到CIESM中，分析了人类用水活动对水文和气候要素的影响，探究了全球及人类用水活动密集区域水文-气候互馈效应的变化情况，并评估了不同土地覆盖情景对其影响情况。本文主要的研究结论如下： （1）在CMIP模式中，CIESM对径流的模拟表现为中等水平，而对土壤蒸发的模拟则达到上等水平，能够有效地捕捉全球尺度上的年度和季节性变化特征。利用LORA、GRUN和ERA5_land等再分析数据，通过趋势分析、偏差率等方法对CIESM模拟结果进行验证。结果表明：CIESM在模拟全球年平均径流量时，其结果整体上呈现偏高的现象，特别是在南半球地区。然而，在亚马逊河流域、中非和中国南部等区域尺度，CIESM的径流模拟结果与实际观测数据非常接近，显示出较高的准确性。在土壤蒸发量的模拟方面，CIESM相较于CMIP6多模式集合展现出更优的性能，特别是在中国华北地区、印度和澳大利亚东海岸等关键区域。此外，CIESM在模拟亚马逊、勒拿河和莱茵河等流域的土壤蒸发量时，与ERA5_land数据集的高一致性，进一步验证了其在这些关键流域的模拟精度和可靠性。上述分析表明CIESM模型能较好的模拟全球水文循环。 （2）考虑人类用水活动后，CIESM模式在模拟陆地水储量方面的得到了显著提升，并对全球水循环和地表温度产生了深远影响。基于联合国粮食及农业组织的全球用水统计数据，构建一个模拟人类用水活动的方案，并将其与CIESM模式进行耦合，对1980—2014年进行模拟与验证。结果表明：考虑人类活动后，全球平均陆地水储量的模拟值和GRACE数据的相关系数从0.33增至0.89，尤其在印度北部和中国华北平原地区，两者的相关系数分别上升了0.53和0.21，但在美国中部地区，其改进效果不明显。人类用水活动通过增加了土壤水分和蒸散发，导致潜热通量上升等方式改变了全球水循环。由于灌溉的冷却效应，印度、西亚、美国中部等农业灌溉区的地表温度降低了0.1°C~1°C。 （3）研究揭示了人类用水活动对水文-气候互馈效应的影响机制。基于考虑人类用水活动的CIESM的模拟结果，采用六种陆气耦合强度指数对水文-气候互馈效应进行评估。结果表明，人类用水活动显著影响水循环变化相关的耦合强度指数，如土壤水分、潜热通量和降水，而对能量平衡相关耦合强度指数的影响较小。灌溉活动通过增加土壤水分和潜热通量，改变了灌区土壤与大气间的水汽交换关系，影响了潜热通量和感热通量的比例，进而影响降水模式。这种影响呈现显著的空间分异性，如土壤湿度-潜热通量-降水的耦合强度指数在印度北部和华北平原呈现下降趋势，而美国中部无明显变化。考虑人类用水活动的CIESM模拟结果的耦合强度指数与ERA5_land更为接近，尤其在北半球中低纬度和灌溉区域。这说明在考虑人类用水活动的情况下，CIESM能够更准确地捕捉到水文-气候互馈效应。 （4）研究揭示了土地利用/覆盖变化对水文-气候互馈的影响。利用考虑人类用水活动的联合地球系统模式CIESM，结合CMIP6的气候情景和动态全球土地利用/覆盖数据，对2030-2050年进行数值模拟。结果表明，未来土地利用/覆盖变化呈现出显著的多样性和不确定性，其对水文和气候系统产生的影响远超过简单效应的叠加。土地利用变化通过改变地表反照率和植被蒸腾作用显著影响地表能量平衡，从而改变降水模式、蒸发量和径流量。特别是在中国西部，草地覆盖的增加和裸地的减少导致了土壤水分的增加和径流量的显著增加。非洲中部地区林地的增加改善了土壤的水分保持能力并显著增加了蒸散发量和径流量。不同地区土地覆盖的变化对水文-气候互馈的影响存在显著差异，尤其是裸地的减少通常会导致水文-气候互馈效应的减弱，这一现象在多个地区均有观察到，说明在未来水文和气候系统研究中需要综合考虑气候变化与土地利用/覆盖变化情况。 研究结果揭示了人类活动对水文和气候系统影响的重要性，加深了对人类活动影响水文-气候互馈机制的理解。在全球环境变化的背景下，理解和预测土地利用变化对气候系统的影响至关重要，可以为制定未来气候变化的适应和缓解措施提供重要参考。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 177 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209311]  |
| 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 | 郭海. 典型人类活动对区域水文-气候互馈效应的影响机制研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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