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农业对小冰期和现代我国七月气候的影响模拟

文:admin 发表时间2005-8-10

    1 引言

　　陆面作为接收太阳辐射和地气能量交换的界面，其状况对区域气候有重要影响。这方面已有较多研究[1、2]。但在不同气候背景下，陆面过程的作用可能并不相同，这一点目前考虑不多。农业相当于以种植物替换了自然植被，也就改变了相应的陆面能量变换过程，从而引起区域气候变化。我国是农业大国，数千年来的农业发展极大地破坏了自然植被。其对于区域气候产生了何种影响，目前还缺乏专门研究。进一步地，在历史上不同的全球气候背景下，农业影响可能有所不同。搞清这一点，有益于全面认识土地覆盖与气候的联系。

　　小冰期是数千年来引人注目的一个冷期，也是近百年变暖的直接历史背景，其气候变化成因分析，比之更久远的历史问题具有更现实的参考意义。小冰期在 17 世纪达到极盛，该时期我国农业扩展范围已与现代相差无几[3、4]。除了全球偏冷而外，一般地理环境条件与现代差别不大。因此，选择该冷期与现代暖期做比较，可以恰当地判断在全球冷、暖背景下农业对区域气候的不同影响。本文利用全球和区域模式，模拟小冰期和现代暖期背景下不同陆面植被状况对应的我国七月份夏季风盛期的气候差异，从中初步探讨不同全球背景下农业对区域气候的影响。

2 模拟方案

　　本文采用的全球和区域气候模式分别为 NCAR 发展的 CCM2 和 RegCM2。由于目前实现高分辨率的全球模式尚存在技术上的困难，利用嵌套的高分辨率区域模式来研究区域气候问题，是较为现实的途径。CCM2 是由地球大气运动原始方程组导出的垂直分层 18 层、球面 15 波菱型截断的谱模式[5]。CCM2 由观测到的具有季节变化的海表面温度气候场驱动，积分 11 年，取后 10 年平均气候场，从中导出运行区域模式所必需的各种要素场。RegCM2 水平分辨率为 60km，在东亚区域气候模拟研究中效果良好[6、7]。模式考虑的植被类型在东亚范围包括：农业植被、矮草、高草、常绿针叶林、落叶阔叶林、常绿阔叶林、混交林和半荒漠。我们仅在区域模式内考虑农业植被和自然植被的互替。

　　首先设计两套全球气候背景的 CCM2 数值试验。其一代表现代，大气二氧化碳含量为 330μmol·mol-1。另一代表小冰期盛期，大气二氧化碳含量为 250μmol·mol-1，同时大气顶太阳辐射减少 0．5%。这些数据是根据南极冰芯中提取的过去大气成分资料以及有关太阳活动的研究而取定的，在以往模拟小冰期的研究中也有类似应用[8]。在两套全球背景下，嵌入区域模式，并分别考虑自然植被和农业植被，对七月份气候作数值模拟。

3 模式能力简评

　　首先需要考察现有模式对实际气候的模拟能力。当然应认识到：目前设计的模拟气候与观测到的气候并没有一一对应的联系，因为我们并没有也不可能在观测到的所有背景条件下积分气候模式，决定气候的很多因素在不同年份可以大为不同。模式气候可以被视为某种平均状态。我们考虑用欧洲中期预报中心整理的多年平均大气环流资料和我国近几十年平均站点气候资料作为观测依据，来考察现有模式能否抓住东亚区域气候和大气环流的一些基本特征。

　　对我国大部分地区来说，夏季风系统是决定夏季气候的最重要因素。季风模拟的好坏，决定了东亚区域气候模拟的好坏。图 1 给出观测和模拟的七月份 850hpa 风场。可见，来自西太平洋的东南季风和来自印度洋的西南季风，在我国东南部汇合，形成较强的气流。内陆地区则有一个相对较弱的风区。看来现有模式还是把握住了这一基本的风场特征。

图 1 东亚区域七月 850hpa 风场（上图为欧洲中期天气预报中心分析的 1981～1989 年观测平均，下图为现代背景下的模拟结果）
Fig.1 Monsoon currents in July at 850hpa in East Asia (Up: mean observation during 1981～1989 from ECMWF; Down: model output under modern global conditions)

　　地面气候要素场如温度和降水的模拟，是现有气候模式能力的薄弱环节。主要是因为近地面要素场受更多局地因素的影响，现有模式无法考虑。另外，也正由于局地性较强，近地面气候要素的观测很难像大气环流观测那样被处理成网格化的资料场。这就限制了观测和模拟结果的可比性。以图 2 给出的七月平均温度场为例，观测表明，青藏高原地区为一较低温度中心，东南部温度增高，西北干旱地区也有较高温度。模拟的温度场也大致体现了这一格局，但显然夸大了地区间的温度差异。

图 2 我国区域七月平均温度分布（(a) 为台站点观测的 1981～1989 年平均，(b) 为现代背景下模拟结果）br> Fig.2 Temperature field in July in East Asia((a) mean observation during 1981～1989; (b)model output under modern global conditions)

　　总之，现有模式可以模拟出东亚区域大气环流和气候的大致分布形势。模拟与观测气候场的差异不应从根本上阻碍本文主题的研究。严格地说，本文将描述的是：不同全球背景下现有模式气候对农业的不同响应。而我们则将从中推断农业与气候的复杂关系。

4 不同全球背景下农业发展的气候效应

　　小冰期和现代气候的详细差异另文分析。这里仅给出图 3，即 CCM2 在现代和小冰期条件下模拟的 850hpa 环流场和温度场差异，从中可见所谓的不同全球背景之差异所在。

图 3 小冰期和现代东亚区域七月温度差异 (a) 和 850hpa 风场差异 (b)
Fig.3 Differences in July temperature (a) and wind field at 850hpa (b) between the Little Ice Age and modern times

　　由图 3 可见，小冰期相对于现代而言，中高纬地区（40°N 以北）降温 1℃以上。地处副热带的我国大部分地区温度变化不大。这和近来一些历史气候研究结果一致[9]。当然这里仅仅是七月情况，和历史研究通常所指的年平均情况还不是完全可比的。值得注意的是，小冰期我国中高纬一带出现东风异常分量，表明西风带强度减弱；南面则出现西风异常分量，表明东南季风减弱，来自印度季风系统的西南季风有所东移；西北太平洋 30°N 以北出现一个气旋性距平环流，表明副热带高压西伸和北上的趋向减弱。这种风场变化格局可能不利于华北地区降水。从图中还可见，我国东部大部分地区风场变化不大（见图中空白区）。区域性的因子（如农业发展等）可能在这种地区起重要作用。

　　为讨论方便起见，考虑到农业发展主要在我国东部，我们根据我国东部季风区气候特点把该区域划分为 3 个带，分别称为华南、华中和华北。具体区划兼顾模式网格分布，如下：华南（28°N 以南）；华中（28°N 与 35°N 之间）；华北（35°N 以北）。表 1 列出农业发展造成的各地带平均温度和降水的差异。

表 1　小冰期和现代背景下农业造成的各地温度和降水之差异
Table1 Differences in temperature and precipitation in July due to agriculture under the Little Ice Age and modern condition

时期现代小冰期
地带华南华中华北华南华中华北
温度（℃) -0.12 -0.38 -0.15 -0.29 -0.09 0.33
降水 (mm/d) 1.20 -0.62 0.02 -1.61 -4.53 -2.63

　　先看对温度的影响。在华北地区，农业在现代背景下导致降温（－0．15℃），在小冰期背景下却导致增温 (0．33℃）。前面提到，小冰期大尺度的偏冷气候主要发生在华北及东北地区，华北地区的农业发展似乎缓和了大尺度的背景影响。在华南和华中地区，不论现代和小冰期背景下，农业都导致一定降温。对降水而言，在现代背景下，农业对华北和华中地区的降水量影响不大，对华南地区降水稍有促进作用。但在小冰期背景下，农业导致各地降水都减少，在华中和华北地区尤甚。为什么会出现上述不同的农业气候效应呢？我们来考察一下因农业植被替换了自然植被而导致的陆面能量平衡过程的改变。表 2 列出因农业造成的各地陆面过程中主要能量平衡项的变化。

表 2　小冰期和现代背景下农业造成的各地陆面能量平衡项之差异
Table2 Differences in the terms of land-surface energy balance due to agriculture under the Little Ice Age and modern conditions

时期现代小冰期
地带华南华中华北华南华中华北
地表净辐射 (W/m2) -6.06 -6.83 -3.05 -7.53 -10.74 -4.22
感热通量 (W/m2) -12.09 -9.55 -5.27 0.18 3.60 -1.77
蒸发 (mm/d) 0.22 0.11 0.08 -0.26 -0.51 -0.11

　　从表 2 可见，农业造成各地陆面净辐射通量普遍减少。为平衡这一能量亏损，必然有其它形式能量的亏损。我们注意到：在现代背景下，农业导致各地感热通量一致亏损。相反，在小冰期背景下，农业导致各地一致出现潜热通量减少，也即地表蒸发减少。关于全球水平衡的研究表明，陆面蒸发是影响降水量大小的一个重要
因子[10]。尤其对于我国区域夏季风时期，局部大气对流较强，陆面蒸发的多少必然直接影响局部降雨量的多少。因此，小冰期背景下农业导致陆面潜热通量减少，可能是其导致降水减少的物理原因。

5 小结

　　本文利用全球和区域气候模式，探讨不同全球背景下，农业发展对我国夏季风区域的气候影响。主要结果如下：

　　(1) 小冰期夏季偏冷（1℃以上）地区主要在北方，区域农业发展导致现代气候稍偏冷而小冰期气候稍偏暖，从而减缓了小冰期大尺度的降温效应；而在较温暖且温度变化较小的华南和华中地区，农业发展则起一定的降温效应。

　　(2) 农业发展在现代气候下造成的降水变化不大，但在小冰期期间却导致较明显的降水减少。细致分析表明：农业导致地面净辐射通量减少，为保持能量平衡，现代气候条件下主要体现在地表感热通量减少，而小冰期条件下则主要体现在蒸发潜热的减少，这是小冰期条件下农业发展导致降水减少的物理内涵。

　　作为一个初步分析的结果，还需要更多数值试验来确认。诸如农业发展为什么在不同全球冷暖背景下造成不同的陆面能量平衡响应等问题，则需要相应的理论研究来说明。但不论如何，在土地覆盖和气候变化关系的研究中，本文展示的不同气候背景下土地覆盖变化之不同气候效应问题，是一个值得重视的研究课题。
  

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