基于GIS的LUCC对地表水热分配影响研究

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陆地生态系统与大气相互作用和反馈,并通过水、热、动量和多种大气物质的交换,维持着这个动态系统的平衡状态。人类生产活动对陆地生态系统乃至全球环境的影响日益明显;土地利用与覆被变化(LUCC)对人类活动影响陆地生态系统,特别是区域生态环境的作用不可忽视,土地利用与覆被变化通过改变反照率等地表的生物物理特性,而对地表水热通量的分配产生一定的影响。从区域尺度研究土地利用变化与地表水热分配的关系是认清土地利用变化对生态系统影响的基础,也是进行区域水土资源可持续利用决策和优化配置的关键所在。本文以1980年代开展了大规模“山江湖”工程的江西省为研究区,利用地表过程模型结合遥感和GIS技术,模拟分析江西省的地表净辐射、蒸散和波文比等水热参数;研究不同土地利用类型的地表水热分布的差异,分析土地利用变化对陆—气水热通量的影响因素,进而初步揭示和探讨地覆被利用变化(LUCC)对区域水热分配的影响机制。主要进行了以下研究工作,并得出了结论:(1)对研究所需的数据进行了收集和处理,其中主要的数据准备工作是土地利用覆被数据的获取和模型所需气象数据的空间化。研究中通过多源数据融合的方法,利用地理所土地利用数据和MODIS的植被类型数据得到江西省土地利用覆被数据。应用ANUSPLIN气象数据专用插值软件对江西省的80多个气象站数据进行插值,得到江西省每8天的气温、降水、风速、日照时数等模型输入数据的空间化。(2)运用GLOPEM-CEVSA模型计算了江西省日和年地表净辐射、蒸散量,并进行了利用千烟洲通量站观测数据的模型结果检验。通过能量平衡法计算了感热(H)、潜热(LE)和波文比(β),为分析不同土地利用类型的水热通量提供了基础数据。(3)对土地利用变化影响地表水热的主要生物物理参数(地表反照率),分别从站点和区域尺度进行了模型敏感性分析。检验了反照率分别变化±20%和±10%时净辐射和蒸散的敏感性。发现,当反照率(Albedo)减少和增加10%的情况下,净辐射变化量为79.9MJ m-2(2.42%)和-81.1MJ m-2(-2.46%),站点蒸散年变化量分别为+15.8mm(2%)和-16.8mm(-2.12%);反照率减少和增加20%时,净辐射年变化量为189.4MJ m-2(5.74%)和-195.0MJ m-2(-5.91%),蒸散量年变化总量分别为25.5mm(3.21%)和-16.3mm(-3.36%)。区域尺度的敏感性检验发现,增减20%时,净辐射和蒸散的变化在不同地区有所差异,但二者之间的变化趋势却是一致的。(4)研究了不同地表覆被下水热分配,对同一地区模拟了不同植被覆被下的蒸散量,大小顺序为:常绿阔叶林(838.0mm/a)>常绿针叶林(830.8mm/a)>针阔混交林(805.3mm/a)>灌丛(802.7mm/a)>农田(750.9mm/a)>草地(720.6mm/a),与全省范围统计结果一致。根据不同降水区间的差异分别统计分析不同土地覆被下的干燥度(蒸散与降水之比)发现,在降水条件一致的情况下不同土地覆被下干燥度的大小顺序为:常绿阔叶林>常绿针叶林>针阔混交林>灌丛>农田>草地。另外研究不同土地覆被下潜热、感热和波文比,得出潜热通量和感热通量的大小顺序为:常绿阔叶>常绿针叶>针阔混交林>灌丛>农田>草地。波文比的大小顺序为林地>农田>草地。林地更有利于陆-气之间的水热循环,但就本研究角度,草地比农田比林地更有利于地表“降温”。(5)根据两期土地覆盖与利用遥感数据,选择了江西省造林明显的地区,模拟了1980年和2000年的两时段地表水热的变化,研究表明,造林后地表吸收的太阳辐射量明显增加,造林使地表蒸散增加。
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