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基于CLM4.5模拟中国区域土壤湿度及其时空变化规律的研究

王迪  
【摘要】:土壤湿度作为全球水循环的重要组成部分,在天气、气候、生态系统等领域起着举足轻重的作用,但是由于其很高的时间和空间变异性,大范围地观测土壤湿度数据是极度不易的。这使得中国区域长时间尺度土壤湿度的变化规律的研究变得具有更加特殊的研究意义。在本文中,通过研究CLM4.5对中国土壤湿度的数值模拟,同时将中国农业气象土壤水分数据集当做验证数据,对二者在时间和空间上的差异进行比较分析。同时,分析中国区域土壤湿度在1951-2010年间的时空变化规律,并探究土壤湿度与SPEI的相关关系。本文得到的主要结论如下:1.据中国区域0-10cm土壤水分的CLM4.5模拟结果显示,站点尺度实测值与模拟值的全年、春季、夏季、秋季、冬季的R方分别为0.755、0.783、0.763、0.712和0.716,且其分布特征都表现为了“两湿一千”的特点,也就是说,东北地区为土壤湿润半湿润区,南方和江淮流域是主要的土壤湿中心,而华北则较为干旱,尤其西北地区如内蒙古西部和新疆塔里木盆地沙漠地区是土壤湿度的干中心,总体上呈从西北向东南逐渐增加的趋势。此外,模拟平均值在全国范围均有不同程度的偏湿现象。2.分析了1951-2010年中国区域土壤湿度的时空变化特征及其变化周期规律,并从区域尺度上定量地检测土壤湿度的具体突变时间。从空间域的角度分析,长江中下游地区为土壤湿度异常现象的气候敏感区。华北地区、以及西北和东北大部分地区,且华北地区存在土壤湿度显著减小现象。从时域的角度来看,土壤水分的年际变化的第一主周期为18年左右,并以10年为第二个主要周期,上述两周期的波动变化特征控制着在整个时间域的土壤水分变化。从区域角度看,东北地区在80年代初土壤湿度变大,90年代中期土壤湿度急剧减小。华北地区自90年代后土壤湿度骤降。华东、华中地区土壤干湿变化快,土壤湿度变化年际周期短,振荡现象明显。华南地区土壤在1955年变湿,又在1960和2002年变干和变湿。青藏高原地区土壤湿度状态相对稳定,突变现象不明显。西南地区土壤湿度在1954年变干,而后在2000年后也有显著变干的趋势。西北地区土壤湿度小,在2008年以后土壤湿度有变大的趋势。3.气象干旱对土壤水分缺失,进而对农业干旱产生极重要影响。因此,分析气象干旱与土壤熵情的相互影响、考虑降水和蒸散等气象因子与土壤水分的相互关系是非常必要的。本文利用中国区域60年间(1951-2010年)的土壤湿度CLM4.5模拟值和SPEI产品资料,基于SVD法探究了它们在中国区域60年间的时空变化和相互耦合关系。土壤湿度与SPEI四个季节SVD分析第一模态的模态相关系数分别为0.85、0.86、0.90、0.77,表明二者的时空相关性特征显著,在各个季节都是高度正相关。可见,中国区域土壤墒情均与当季的大气水分盈缺相关密切,当季的气象干旱条件也与土壤湿度情况密不可分。


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