西伯利亚积雪与中国东北气候及作物生长的遥相关研究

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极端天气事件频发、国际局势动荡,引起了全球粮食生产的不稳定性,粮食安全问题面临着前所未有的压力。为提高粮食供给率、确保粮食安全,耕地保护成为我国土地资源管理中的重中之重。“藏粮于地、藏粮于技”的战略实施,要求更广泛地关注耕地的区域影响因素。耕地生产力高低是由水热组合条件决定的,气候因素是影响耕地利用的最重要的自然因素之一。欧亚大陆积雪对中国气候影响的问题已获得较为系统的认识,而欧亚大陆东部(西伯利亚)积雪的变化对于中国东北气候影响的研究相对匮乏。中国东北地区是我国的粮食主产区,是全球气候变化最为敏感的区域之一,干旱、洪涝、低温灾害是影响东北地区粮食生产的主要气象灾害,极端气候事件频繁发生也增加了东北耕地利用系统的不稳定性,如果能提前预报监测东北地区土壤墒情、气温,抓住有利时机进行春耕生产和春播春种,则能有效缓解旱情,降低低温灾害的影响,提高粮食产量,保证粮食增产增收。本文针对全球变暖背景下,土地利用土地覆被变化引起的区域气候变化问题,将中国中纬度对全球变暖最敏感的东北地区作为研究区,综合利用了多种数据,研究了西伯利亚春季雪盖面积与中国东北地区气候和作物生长的相关性;分析了西伯利亚春季雪水当量与东北气温的相关性;利用中尺度数值模式WRF模拟了西伯利亚春季雪水当量变化对东北气温的影响。本论文主要的结论包括以下几点:(1)在不同生长期,西伯利亚雪盖面积对东北不同地区的最高气温和最低气温有不同的影响。在生长季初期(5月和6月),东北地区北部的最低气温与西伯利亚春季雪盖面积之间呈显著负相关。生长旺季(7月和8月),几乎整个东北地区的最高气温与西伯利亚雪盖面积呈显著负相关,而对于最低气温,只有东北地区北部与西伯利亚雪盖面积呈显著负相关。在生长季初期,对东北农田生态系统而言,最低气温与西伯利亚春季雪盖面积呈负相关,而在生长旺季,最高气温和最低气温均与西伯利亚春季雪盖面积呈负相关。生长季初期最低气温与西伯利亚春季雪盖面积的显著负相关关系对于东北春季备耕、耕种和农田管理具有重要的指示意义。(2)在不同的气候区和生长期,西伯利亚春季雪盖面积对东北降水有不同的影响。在东北的主要粮食产区—东北平原,5-6月降水量与西伯利亚春季雪盖面积呈负相关。在生长旺季,东北地区除大兴安岭北部外的降水量与西伯利亚春季雪盖面积呈正相关,即西伯利亚春季雪盖面积越大,东北地区7-8月降水量越大。对东北农田生态系统而言,在生长季初期,降水量与西伯利亚春季雪盖面积呈负相关,在生长旺季,降水量表现出相反的响应,与西伯利亚春季雪盖面积呈正相关。(3)生长季初期,东北北部的归一化植被指数NDVI与西伯利亚春季雪盖面积呈负相关。在生长旺季,东北大部分地区的NDVI和西伯利亚春季雪盖面积呈负相关,东北农田生态系统的NDVI与西伯利亚春季雪盖面积也呈负相关。西伯利亚春季雪盖面积的变化是通过改变东北地区气候而影响作物生长的重要驱动因子。(4)生长季初期,东北地区与西伯利亚整体、赤塔州、布里亚特共和国春季雪水当量相关都比较显著的站点主要位于东北中部地区,从中挑选出位于东北粮食主产区的29个站点,相关分析的结论可服务于这些粮食主产区,这些区域包括吉林省的四平市、松原市、白城市、长春市、黑龙江省的哈尔滨市、大庆市、绥化市、黑河市以及齐齐哈尔市,覆盖范围达到65个市县,利用赤塔州、布里亚特共和国的春季雪水当量与粮食主产区29个气象站点气温的相关性预测温度,可以有效地减小计算的工作量,更加高效、快捷地为这些粮食主产区生长季初期的气温进行趋势预测,为春耕生产服务。(5)选择优化的参数化方案,采用精度较高的ERA5资料作为气候场数据,利用WRF模式(V4.2)模拟了西伯利亚选定研究区雪水当量变化的对东北气温的影响。在控制实验情境下,WRF可以较准确地模拟出东北地区3月到8月气温的空间分布,最高气温、最低气温站点分布情况与实际情况比较吻合,精度验证结果表明,3月到8月,各个月的模拟气温与实测站气温都较为一致。控制实验、敏感实验的对比结果表明,研究区雪水当量增加时,3月、4月,几乎东北所有气象站点的模拟温差都为正值,与实测站的相关分析结果一致。5月、6月,东北中部、西部大部分气象站点的模拟温差与实测站的相关分析结果一致。WRF模拟选定研究区雪水当量变化对东北气温影响时,对春季气温模拟的效果要好于夏季。本文采用WRF模式模拟气温的方法可以服务于东北地区春耕生产。
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