人类活动对半干旱区气候变化的影响
这是一篇关于人类活动,半干旱区,人为气溶胶,荒漠化的论文, 主要内容为干旱半干旱区约占全球陆地面积的41%,且承载着约38%的世界人口,是对于气候变化和人类活动影响最敏感的地区。干旱半干旱区在过去百年存在强化增温的现象,且随着干旱程度的加剧和人口的快速增长,这些地区的土地荒漠化风险会进一步加剧,严重影响当地的生态环境,粮食安全和人民生活。因此定量分析人类活动产生的各种辐射因子(温室气体、人为气溶胶等)对半干旱区气候变化的影响,评估全球土地荒漠化的脆弱性对于人类活动的有效调控和经济社会的可持续发展具有重要意义。本文基于CESM(Community Earth System Model)模式并结合地面和卫星观测资料,分析了半干旱区人类活动强度的特征,并确定了由于人类活动排放的温室气体CO2、人为气溶胶对于典型的东亚半干旱区强化增温的贡献,构建了适用于全球的土地荒漠化脆弱性指数,并对全球土地荒漠化脆弱性的时空分布特征进行了分析。主要研究结果如下:(1)利用世界人口的格点数据(GPWv3,Gridded Population of the World Version 3)和基于CALIOP(Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)识别的人为沙尘数据,分析了全球半干旱区人口密度与人为沙尘的分布特征及其两者之间的关系。我国东部和印度半干旱区人口密度最大,且就区域平均而言,印度半干旱区的人口密度增加最快。人为沙尘主要集中在北半球中高纬度地区,半干旱区人为沙尘的含量要明显大于其它地区,夏季大气中人为沙尘的柱含量最大,其次是春季、秋季和冬季。当人口密度大于100人/km2,人口密度的增长大于25人/km2时,半干旱区人为沙尘的含量随人口密度和人口密度的改变的增加而增加,且在农田下垫面最为明显。而在印度农田下垫面,可以表征人类活动对于人为沙尘最直接的影响,该地区人为沙尘的概率分布函数,随着人口密度和人口增长的改变而呈现类似于正态分布的特征。(2)基于CESM的敏感性试验结果,定量分析了在典型的干旱半干旱区——东亚地区,主要的温室气体CO2,黑炭、硫酸盐气溶胶对于该地区强化增温的贡献。结果表明,东亚干旱半干旱区温度对于CO2、黑炭和硫酸盐的响应相较湿润区都更为敏感,其中CO2对于东亚干旱半干旱区的强化增温贡献最大,其次是黑炭,硫酸盐气溶胶的贡献不大。且日最高温和日最低温对于CO2的响应呈现出明显的非对称性,会导致气温日较差在干旱半干旱区减小,而在湿润地区增大。(3)从全球的角度,根据人口密度,CO2的排放水平和GDP(Gross Domestic Product)的分布,构建了人类活动强度指数,并进一步结合气候变化和植被变化因子提出了全球土地荒漠化的脆弱性指数。结果表明,人类活动强度在中国东部、日本、印度以及欧洲西部、北美洲东部等地区较大,且随时间呈现增加趋势。全球土地荒漠化脆弱性在沙漠地区周围最大,向外呈现出递减的特征。主要是在我国的西北部地区,北美洲的西部和非洲北部,澳大利亚等地土地荒漠化的脆弱性较大。
大理河流域多尺度径流变化归因分析
这是一篇关于气候变化,人类活动,Budyko水热平衡公式,abcd模型,大理河流域的论文, 主要内容为在变化环境和日益频繁的人类活动驱动下,径流受多种因素的综合影响呈现出不同的变化规律和特征。本文以黄河流域黄土高原区大理河流域为研究对象,基于对流域干、支流多个控制断面相应水文气象要素演变特征的分析,采用Budyko水热耦合平衡方程垂直分解法和弹性系数法分别对年尺度径流变化进行归因探析及定量表征,运用abcd模型水文比拟法和季尺度Budyko水热耦合平衡方程垂直分解法对干支流季尺度径流变化开展量化解析,论文研究取得以下主要成果:(1)应用Mann-Kendall秩次相关检验法、线性趋势回归和Spearman秩次检验法对大理河流域和三个子流域的水文气象要素进行趋势分析:在年尺度下,流域气温、潜在蒸散发和降水呈现上升趋势;径流在大理河上游呈现上升趋势,在大理河流域、小理河流域和岔巴沟流域呈现下降趋势;降水在四个流域内都呈现上升趋势。在季尺度下,流域气温、潜在蒸散发和降水呈现上升趋势;径流在大理河流域冬季、青阳岔流域春季和冬季呈现上升趋势,其余季节流域径流呈现下降趋势。(2)采用降水-径流双累积曲线法、Lee-Heghinian和累积距平法对年径流序列和季尺度径流序列进行突变诊断。年尺度上,大理河流域和小理河流域径流突变年份相近,均在1970年前后;大理河上游降水和径流关系较好,突变年份在2010年;岔巴沟流域突变前后降水和径流关系均表现不好,突变年份在1996年。季尺度上,大理河流域和大理河上游各季径流突变年份与年尺度基本保持一致;小理河流域冬季和岔巴沟春季径流突变年份和年尺度不一致,其它季节径流变化与年尺度保持一致。(3)利用国家地球系统科学数据中心的土地利用资料、地理空间数据云Landsat5、Landsta8遥感资料和《榆林市水文手册》的淤地坝资料分析大理河流域的下垫面变化情况。土地利用的转变主要为耕地向林地和草地转变,从2000-2020年耕地面积下降流域总面积的3.73%;植被覆盖变化主要为中度覆盖向中高度覆盖转变,到2020年中高度覆盖程度达到21.39%,且植被覆盖变化主要发生在中、下游地区;流域淤地坝建设集中在1970-1 979年,1970-1979年间淤地坝建设主要集中在大理河中下游地区。(4)基于Budyko水热平衡公式的垂直分解法(四种公式)和弹性系数法计算得到结论基本一致,人类活动是大理河流域、小理河流域和岔巴沟流域径流变化的主要因素分别平均占比105.70%、81.42%、197.75%。气候变化是大理河上游径流变化的主要因素平均占比121%,在弹性系数的计算中降水变化为径流变化贡献了 123.62%。(5)应用abcd模型水文比拟法和季尺度Budyko水热耦合平衡方程垂直分解法定量计算气候变化和人类活动对季尺度径流变化的贡献。abcd模型和季尺度Budyko方法得到的结果大致相同,在夏季、秋季、冬季两种模型对照结果较好。大理河流域、小理河流域和岔巴沟流域夏季、秋季、冬季径流变化均以人类活动为主要因素,大理河上游海拔较高,人类活动较少,所以流域径流变化均以气候变化为主,其中在秋季以季尺度Budyko垂直分解法计算得到气候变化导致径流增加15.27mm,abcd模型计算结果为9.84mm均占比74%以上。
黄淮海地区土地覆被变化对地表能量收支的影响及其气候效应研究
这是一篇关于黄淮海地区,土地覆被变化,潜热通量,地表温度,人类活动的论文, 主要内容为土地覆被变化被认为是地表能量平衡转变的主要驱动力之一,通过不同程度的生物地球化学和物理过程对区域气候产生影响。因此,本研究旨在分析不同土地覆被类型下各地表能量因子引起的地表能量收支情况,主要运用地表能量平衡算法、Theil-Sen斜率估计与Mann-Kendall相结合以及突变检测等方法,在2000-2020年土地覆被数据差异基础上深入探讨了研究区土地覆被变化的演变机制、局地气候的时空变化情况及土地覆被变化对地表能量收支的影响。探讨了黄淮海地区2000-2020年土地覆被变化的地表能量平衡机制和气候效应,并给出了对应的土地管理措施,以期为区域生态环境保护、土地覆被空间优化调整和可持续发展等提供理论支撑。本研究主要结论如下:(1)从2000年到2020年,六种土地覆被类型中耕地转出面积最多,建设用地转入面积最多,其中有93.44%的耕地转为建设用地。说明在城镇化进程中,大量耕地流失主要转为了建设用地。对不同土地覆被类型下潜热通量的变化分析得知其趋势为:自然半自然地区>转为自然半自然地区>转为耕地>耕地>建设用地>转为建设用地。受人类活动影响较大的建设用地和转为建设用地的潜热通量始终低于其他土地覆被类型。对净辐射分析得知自然半自然地区的净辐射值远远高于建设用地和转为建设用地,且建设用地和转为建设用地区域净辐射值下降趋势最快。(2)在不同人类活动强度和自然韧性的影响下,不同土地覆被类型的能量收支差异明显。净辐射(NR)值在自然半自然地区和转为自然半自然地区数值最大,即自然半自然地区会相应增加地表能量的摄入。潜热通量(LH)值上升趋势最快的是自然半自然地区,其潜热通量远高于建设用地,即自然半自然地区在地表能量消耗中起着关键作用。而不同土地覆被类型的地表能量(LH-NR)呈上升趋势,其中建设用地和转为建设用地的上升趋势高于其他土地覆被类型。其中较明显是建设用地的增加对地表能量收支影响最大,建设用地面积的扩增直接影响LH-NR值负增长15.99%。不同土地覆被类型的LHNR呈现出来的趋势,均随着人类活动强度的增加而增加,说明人类活动有增强地表能量吸收的趋势影响。(3)不同土地覆被类型的地表温度变化趋势为:转为建设用地>建设用地>耕地>转为耕地>自然半自然地区>转为自然半自然地区。这六种土地覆被类型的地表温度值在转为建设用地和建设用地中较高,而在转为自然半自然地区则较低。除了耕地区域外,空气温度受LH-NR和LH的正向影响,且受LH-NR影响最明显。因此,在分析区域气候变化时,LH、NR和LH-NR对不同土地覆被类型下地表温度(LST)以及气候因素的影响不容忽视。本研究强调了人类活动影响下不同土地覆被类型的能量收支差异机制,探讨了黄淮海地区地表能量变化下的气候效应,分别就净辐射引起的能量摄入和潜热通量引起的能量支出结果讨论了沿黄淮海地区的气候变暖或冷却效应,为黄淮海地区的地表能量变化趋势和影响区域气候变化的相关因素分析提供了理论依据。
东北黑土区典型流域融雪期切沟发育特征及成因分析
这是一篇关于东北黑土区,融雪期,切沟,土壤,冻融作用,人类活动的论文, 主要内容为中国东北黑土区位于高纬度寒冷地区,属于季节性积雪区,不仅夏季暴雨导致侵蚀比较严重,而且冬春季土壤冻融作用严重,部分地区冻融作用同融雪径流等外营力所造成的土壤侵蚀已不亚于暴雨造成的土壤侵蚀强度,沟蚀为其主要土壤侵蚀形式之一。切沟作为沟蚀主要形式之一,是泥沙主要来源,因此本研究对该区典型流域融雪期切沟发育特征与成因展开研究。研究以暗棕壤为主的五一流域、黑土为主的光荣流域、白浆土为主的吉兴流域为研究对象,运用Differential GlobalPositioning System(DGPS)在每年5月、10月对各流域选取典型切沟进行观测,结合GIS软件空间分析功能,通过10月与翌年5月切沟参数对比,获取其融雪期切沟长度、面积、体积等参数,探究其发育特征,在此基础上以光荣流域为研究区,运用断面法将完整切沟以5m为间隔划分成若干分段切沟,提取各分段切沟宽度、深度、面积、体积等指标,探究其沿程发育特征。然后通过采集同时期积雪获取积融雪特征,查询气象局官网和地理空间数据云获取降水及地形特征,野外调查获取土壤、植被、人类活动特征,收集典型流域对应省(自治区)全国第一次水利普查侵蚀沟调查数据和人类活动强度指标,定量分析降水、地形、土壤、植被、人类活动等对切沟发育影响。研究通过同一流域降雨期和融雪期切沟发育特征对比,定量分析冻融作用对融雪期切沟发育的影响,同时对人类活动进行定量计算,研究结果表明:(1)典型流域融雪期切沟发育具有明显的地域分异性和年际差异性,地域分异性表现为:以暗棕壤为主的五一流域发育速度最快,切沟长度发育为14.23 m/a,面积发育为147.62 m2/a,体积发育336.28 m3/a。以黑土为主的光荣流域次之,长度发育为3.37 m/a,面积发育82.19 m2/a,体积发育133.51 m3/a。以白浆土为主的吉兴流域最慢,长度、面积、体积发育值分别为1.94 m/a、54.6 m2/a、18.71 m3/a;典型流域切沟发育特征呈现为从西北至东南,从暗棕壤到白浆土,切沟发育速率逐渐减小的趋势。年际差异性表现为:暗棕壤为主的五一流域年际差异性最明显,黑土区为主光荣流域次之,白浆土为主的吉兴流域最弱。(2)融雪期沟宽沿程发育特征呈现分异性,沟头至中部发育比较活跃,中部至沟尾发育相对缓慢。光荣流域G1沿程深度发育速率和面积发育速率显著负相关,(p<0.05,r=-0.500),与体积发育速率正相关(p<0.01,r=0.408),切沟沿程宽度发育和面积发育显著正相关(p<0.05,r=0.572),G1发育以沟岸扩张为主,横断面成"V"字型。光荣流域G2沿程宽度发育速率和面积发育速率显著正相关,(p<0.05,r=0.412),与体积发育也显著正相关(p<0.05,r=0.673),G2发育也以沟岸扩张为主,切沟横断面成"U"字型。这说明融雪期以沟岸扩张为主,侵蚀物质多在沟道堆积,可能是黑土区切沟发育的一种主要模式。(3)坡长、集水区面积、地形因子(LS)等地形特征和人为因素是影响融雪期切沟发育地域分异性的关键原因。切沟长度发育速率与坡长、集水区面积和地形因子均显著相关(r1=0.761,r2=0,634,r3=0.779,p<0.05);人类活动与单位面积切沟发育数量显著正相关(r=0.937,p<0.05)。降水、冻融作用是影响切沟发育年际差异性关键原因。其中,降水特征是影响五一流域切沟发育年际差异性关键因素,冻融作用为影响光荣流域切沟发育年际差异性关键因素,冻融作用至少使光荣流域切沟沟头后退0.58-5.5 m/a。
中国退耕还林（草）区植被净初级生产力及驱动力分析
这是一篇关于植被净初级生产力,退耕还林(草)工程,碳汇,气候变化,人类活动的论文, 主要内容为中国政府实施的退耕还林(草)工程是世界上最大的生态恢复工程之一,具有巨大的碳汇潜力,对实现“碳中和”目标有着重大贡献。然而,退耕地的植被动态变化特征及退耕地碳汇的驱动力尚不清楚。因此,深入了解退耕地的植被时空变化特征,分析气候变化和人类活动对植被动态的影响及作用机制,对促进退耕还林(草)工程可持续发展有着重要意义。本研究基于三期Globe Land30地表覆盖数据以确定2010年与2020年的退耕还林(草)工程退耕地范围,并通过CASA(Carnegie-Ames-Stanford approach)模型模拟确定2011-2020年间退耕地植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)。结合气象、植被类型、农村人口密度等数据,采用Sen’s趋势检验法、相关性分析、约束线方法和残差趋势分析等方法,分析了2011-2020年间植被NPP时空变化特征,探究了气候变化和人类活动对植被NPP变化的影响及相对贡献率。主要结论如下:(1)2001-2020年间退耕还林(草)工程退耕地面积达到了261523.08 km2,其中2001-2010年退耕地面积为131297.76 km2,2011-2020年退耕地面积为130225.32 km2。退耕地集中在中国东北、西南及长江中下游地区,其中还林地集中在中南大区、西南大区等山地丘陵较多地区,还草地集中在华北大区、西北大区及西南大区。(2)2011-2020年间退耕地植被NPP呈现东南高、西北低的空间分布特点,具有明显空间异质性,年均值在477.77-976.22 g C·m-2·year-1间,十年总量达到了2014.41Tg C。植被NPP年均值与总量最高的两个大区为西南大区与中南大区,华北大区年均值最低,西北大区总量最低。2011-2020年间退耕还林(草)工程植被NPP整体呈现增加趋势,极显著增加地区分布在长白山脉、黄土高原及云贵高原地区,极显著减少地区分布在华北平原、淮河流域及云南省南部地区。(3)2011-2020年间NPP受温度、降水量年均值影响,温度、降水呈现自东南向西北减少的空间分布格局,温度整体呈现上升趋势,降水变化不显著。2011-2020年间农村人口密度整体呈极显著下降趋势,牧区畜牧业产值整体呈现极显著上升趋势。退耕地植被NPP与温度、降水间以正相关为主,与农村人口密度、牧区畜牧业产值相关性不高。农村人口密度、牧区畜牧业产值与退耕地NPP间的约束关系拟合效果较好,约束线皆为单峰二次曲线型。(4)2011-2020年间退耕还林(草)工程实施区大部分地市植被NPP人为相对贡献率为0,表明大部分工程实施区由气候主导植被变化。人类活动对植被NPP贡献率为正的地市较人类活动对植被NPP贡献率为负的地市占比多。贡献率为正的地市分布在中国北方、横断山脉和武夷山脉地区,贡献率为负的地市分布在青藏高原南部及长江中下游地区。本研究分析并比较了退耕还林(草)工程植被NPP时空变化格局及驱动因素,并对该工程提出了相应建议。论文研究结果表明,自退耕还林(草)工程实施以来,工程区植被恢复效果明显,且植被生长与气候与人类活动有显著关系。该研究为进一步实施退耕还林(草)工程和其他生态恢复项目,提高生态系统服务功能和可持续发展的能力提供了理论支持。
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