基于多源土壤湿度数据的中国高敏感区探究

发布时间：2020-08-23 08:56

【摘要】：在全球增暖的背景下,近50年全球极端气候事件频发,对气候变化的响应具有区域差异。为了提升区域适应和应对气候变化的能力,中国的高敏感区亟待甄别。土壤湿度是地表综合体现水分和能量交换及循环的物理量,能直接监测干旱事件。本文首先利用观测数据定量评价了多套长时间土壤湿度产品,而后选取质量较优的一套资料,从极端干旱事件和骤发干旱事件等角度探究了中国近40年高敏感区及其时空演变特征。基于资料的可获得性,开展了1992～2013年间单点和区域尺度上的资料适用性评估。根据Brunke排序法,几套数据集的土壤湿度产品从优到劣依次为:ESACCI、ERA-Interim、NCEP/DOE-R2、NOAA/CIRES-20CR。其中,ESA CCI土壤湿度数据空间分辨率最高,能较好地体现空间分布态,其数值和实测间的偏差最小、相关性最高、月际变化模拟也最为准确。所有数据集的年际变化表现均有待改进,而偏差控制是一个值得尝试的方向。此外,ERA5土壤湿度数据与实测空间相关性好,对月际变化和年际变化的反映较优,但在ERA-Interim的基础上过度修正了数据变化幅度偏小的问题,产品精度有待改进。在数据评估的基础上,利用ESACCI土壤湿度数据和极端气候事件研究方法,定义土壤极端干旱事件。分析表明,土壤极端干旱事件体现出的高敏感区位于我国半干旱区到半湿润区,自1987年起这些地区频发极干事件,且持续性显著增长。极干事件的发展存在季节性变化,夏季高原东部的频次、时长增长尤为显著。近20年来,极干事件在各地区的频次比之前19年增长了3倍以上,时长增加了5倍以上,且比起南方和高原,东北和西北地区的极干事件更高发、持续时间更长。与温度的极端事件——热浪相比,热浪的高敏感区集中在高原和西南的部分地区,而上壤湿度极端事件的高敏感区集中在气候过渡带,尤其是半干旱地区。另外,我国处在干旱半干旱区省份的农业、经济、自然资源、自然灾害对土壤湿度有一定敏感性。骤发干旱是一种体现了干旱和热浪特征的复合极端事件,其中一类骤发干旱主要受骤增的温度驱动,另一类则主要受土壤缺水驱动。而土壤缺水可能源于二类骤发干旱发生前长期缺乏降水。个例分析表明,骤发干旱或可成为季节性干旱预警的一个信号。基于优选土壤湿度资料的研究表明,1979～2014年高温型骤发干旱发生频次增长了 145%,而土壤缺水型骤发干旱增长了 115%。两类骤发干旱都频发于7月,前一类骤发干旱易发于湿润区和半湿润区,在半湿润区增长明显,后一类骤发干旱的高敏感区在干旱和半干旱区。在各自的高发地区,二类普遍比一类更频发也更持续。本论文基于系统的资料评估遴选出较适合中国长期气候变化和区域响应研究的土壤湿度产品,从土壤极端干旱、骤发干旱,以及土壤湿度的社会经济影响评估等角度初步甄别了中国气候变化响应的高敏感区,为我国区域气候变化的响应机理和应对方案提供了部分科学根据。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P467;S152.71
【图文】：

农业气象观测,空间,范围,经度

图２．邋１中国１１５个农业气象观测站（１９９２－２０１３年）和４个研究区域（卜ＩＶ）的空间分逡逑布。底图为中国年降水量分布（１９７９－２０１４年，单位：ｍｍ／年）及其对应的传统干湿分区。逡逑表２．邋２两个研究时段内４个数据验证研究区的名称及对应经纬度范围。逡逑１９９２－２０１３邋年逦２００８－２０１３邋年逡逑＾逦＂＾／Ｊ＇逦经度范围（°邋Ｅ）炜度范围（°邋Ｎ）经度范围（°邋Ｅ）炜度范围（°邋Ｎ）逡逑Ｉ逦东北逦丨］８？１３０逦３９．５－５０．５逦１１８？１３０逦３９．５－５０．５逡逑ＩＩ逦华北逦１１０？１１７．５逦３４．５？４２逦１１０邋？１１７．５逦３４．５－４１．５逡逑ＩＩＩ逦江淮逦１１０邋？１２０逦２９．５－３４．５逦１１０－１２０逦３１．５－３４．５逡逑ＩＶ逦西北逦９９．５邋？１１０逦３２．５－４１逦９９．５－１１０逦３３．５－３９．５逡逑

空间分布,土壤湿度数据,内站,江淮

南京大学硕士学位论文逡逑由图３．１可见，４套土壤水资料均表现出以西北地区为干中心、东部和东南部为湿逡逑中心，土壤湿度由东向西北递减的特征。这与观测分布，以及孙丞虎等（２００５）；朱智等逡逑（２０１８）的研究结果一致。从各套产品的表现来看，ＥＳＡ邋ＣＣＩ的空间分辨率明显高于逡逑ＥＲＡ－Ｉｎｔｅｒｉｍ，而邋ＥＲＡ－Ｉｎｔｅｒｉｍ邋又明显高于邋ＮＣＥＰ／ＤＯＥ－Ｒ２邋和邋ＮＯＡＡ／ＣＩＲＥＳ－２０ＣＲ。对比逡逑观测资料，ＥＳＡＣＣＩ与实测的数值最为接近；ＥＲＡ－Ｉｎｔｅｒｉｍ模拟出了东北的湿中心，这逡逑在其他数据中都没有明确体现；而ＮＣＥＰ／ＤＯＥ－Ｒ２对于土壤湿度空间分布的模拟与实测逡逑相差较大。逡逑３．２多源土壤湿度资料的时间序列分析逡逑为了对各套土壤湿度产品进行时间序列分析，将格点资料双线性插值到站点上进行逡逑评估。根据站点分布的密集程度在中国划分了４个主要的研宄区域，其空间分布和经纬逡逑度范围详见图２．１和表２．２邋（１９９２？２０１３年）。在４个主要研究区域以外，还有６个单站逡逑分布在西北和西南地区

分布图,土壤湿度,站点,卫星

图３．邋３邋１９９２－２０１３年四套卫星／再分析土壤湿度产品在六个站点的Ｓ－ｂｉａｓ分布图。逡逑３．２．２多源土壤湿度资料的季节循环逡逑从土壤湿度观测的年内循环（图３．４）可以看出，东北和江淮地区的土壤湿度较高、逡逑际变化幅度较小，而肀北和西北地区的土壤湿度较低、Ｗ际变化幅度较大。整体而言，逡逑０？１０ｃｍ邋ｈ壤湿度具有明显的季节循环。春季除东北地区均出现下降，这是因为气温升逡逑高使得蒸发量增大，但降水并没有明显增加，因而导致表层土壤湿度卜？降；而东北地区逡逑的冰Ｈ融水导致表层土壤湿度在春季略微上升；夏季降水增加导致土壤湿度出现明显的逡逑增长，这点在江淮地区表现的尤为突出；秋季除西北地区土壤湿度进一步增长，这可能逡逑是由于大部分地区气温较低、蒸发量降低导致的；冬季土壤湿度有显著降低，这是因为逡逑降水量的减少导致土壤湿度降低的作用大于气温降低、蒸发量降低导致土壤湿度升高的逡逑作用。逡逑从各套数据的表现来看，ＥＳＡＣＣＩ最接近实测，能基本抓住十壤湿度的ｊ邋ｊ际变化特逡逑征，能够模拟出峰值和谷值出现的大概Ｗ份，但在东北地区和在冬季有低OT。ＥＲＡ－ｌｍｅｒｉｍ逡逑和ＮＣＥＰ／ＤＯＥ－Ｒ２能基本模拟出Ｉ：壤湿度的变化趋势

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