干旱半干旱区下垫面参数变化对东亚气候的敏感性研究

摘要

干旱区占陆地面积比例约40％，其地表特征多样、生态脆弱，受人类活动影响较大，下垫面陆气相互作用过程较复杂，对局地气候乃至全球大气环流系统的形成、发展具有较大影响。近地层能量不闭合问题，即近地层可利用能量高出测量得到的湍流通量，对下垫面和近地层之间的能量分配产生不确定影响，增加了干旱区地气相互作用过程模拟研究的复杂性，也使未考虑能量闭合度的陆面过程参数化方案不能够准确描述地气相互作用过程，受此影响，局地大气形势及大尺度环流形势的预测模拟过程与实际会不断产生偏差，使气候中长期模拟累积误差增大。为研究干旱区不同能量闭合度情形对中长期气候数值模拟所产生的影响，基于前人对能量闭合的研究基础，在区域气候模式中分别引入闭合和未闭合情形下干旱区下垫面湍流输送参数化方案，展开不同能量闭合度情形下地气相互作用的气候敏感性研究，揭示干旱区地气相互作用过程对东亚季风环流形势发展的推动作用，探究干旱区陆面过程变化对气候变化的贡献情况。
　　地气相互作用过程受人类活动影响较大，例如干旱区农业种植大面积推广地膜覆盖栽培，而地膜覆盖农田会抑制土壤水分蒸发，改变下垫面向大气的水热传输过程。本文结合地膜农田下垫面陆气相互作用过程的研究资料，在RegCM4数值模型中构建简易地膜覆盖农田数值模型计算方案，引入地膜农田下垫面土地使用类型，探究在干旱区大范围农田铺设地膜和不铺设地膜情形下，地气相互作用过程的变化，对局地气候以及东亚季风区大气环流形势所产生的影响，了解农业生产活动中地膜种植对气候变化的影响。
　　本文主要结论如下：
　　（1）干旱区不同能量闭合度气候数值试验结果显示，依据能量闭合理论修正的湍流输送方案，使近地面大气从下垫面获得的能量增多，气流上升过程增强，增加的能量随大气运动输送到整层大气。从对流层下层到中上层，干旱区上空大气位势高度增加、气流辐散增强，对东亚季风气流的北推过程产生一定的扰动作用，表明能量闭合度问题研究对改进气候模拟预测具有很大意义。
　　（2）地膜方案数值模拟结果显示，该计算方案能够较准确模拟出：地膜覆盖的农田阻挡土壤向大气潜热输送，增强了地表感热输送，使近地面大气温度升高——这一系列地气相互作用过程。基于地膜方案的这一动力机制过程，对局地对流性天气过程的发生、发展产生直接影响。首先，地膜对大气的加热效果促进了对流性天气的形成和发展；其次，地膜阻挡土壤水分向大气输送，使对流性降水过程的水汽供应减少，抑制了降水的发生。
　　（3）大面积农田覆盖地膜对下层大气的加热效果明显，使对流层下层气流上升过程增强、气旋性环流特征增强，而气流上升过程中，温度降低，降到露点温度之后发生凝结，由于下垫面的水汽输送减少，凝结潜热释放减少，气流抬升动力减弱，在对流层中上层气流开始辐散，使对流层中上层气流呈反气旋环流特征。
　　（4）由于大范围地膜覆盖农田促使局地气流抬升、加强对流层下层气旋性环流，使局地气压得到减弱，对西太平洋副热带高压向西北方向推进产生扰动作用，对我国夏季降水偏移产生一定影响。本试验为理想情况下，地膜面积比实际大很多，受地膜效应影响，干旱区850hPa高度气压降低，对副高北移产生一定影响，表明地膜覆盖农田的研究对气候环境评估有实用价值。