紀(jì)玲玲,郭安紅,申雙和,王蘭寧,劉文泉

(1.吉林省氣象局，吉林 長春 130061； 2.中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081； 3.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044)

濕地與氣候變化之間的關(guān)系是相互影響、相互作用的。保護(hù)好濕地的健康，確保淡水資源和大量食物來源的安全，這是保持全球可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。研究濕地的冷濕效應(yīng)有助于從水熱角度來進(jìn)一步揭示沼澤濕地的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，為濕地的保護(hù)及合理利用提供依據(jù)。中國地處東亞季風(fēng)區(qū)，地形復(fù)雜，氣候多變。全球模式對這里的氣候模擬經(jīng)常出現(xiàn)偏差，近年來，區(qū)域氣候模式(RegCM3)已經(jīng)成為區(qū)域氣候研究的一個重要手段，與大氣環(huán)流模式相比，高分辨率的區(qū)域氣候模式能夠更好地描述復(fù)雜地形下的主要?dú)夂蛱卣?，對于濕地變化引起的氣候變化的物理機(jī)理的解釋方面，利用RegCM3進(jìn)行模擬不失為一種有效的手段[1]。RegCM3模式在中國也得到了應(yīng)用，先后有人[2-4]利用RegCM3模式對中國氣溫和降水進(jìn)行模擬，模擬效果比較理想。本研究利用RegCM3模式，通過改變?nèi)吹貐^(qū)下墊面來定量地模擬濕地變化與氣候變化的關(guān)系，以期更準(zhǔn)確系統(tǒng)地分析濕地變化的區(qū)域氣候效應(yīng)，對濕地和區(qū)域氣候變化的相互作用和相互影響進(jìn)行綜合分析研究,以期對濕地在減緩氣候變化方面的物理作用的機(jī)理分析，和對RegCM3的應(yīng)用研究，以及濕地生態(tài)功能的評價等方面起一定的參考作用和理論意義。

1 RegCM3模擬三江源地區(qū)氣候的可行性分析

利用RegCM3模擬三江源地區(qū)1990-2004年氣溫、降水量、最高氣溫、最低氣溫等氣象要素，將模擬結(jié)果插值到18個測站上從而進(jìn)行分析。將得出的模擬值跟實測值進(jìn)行對比，結(jié)果表明，模式對各站的氣溫模擬較好，氣溫的年變化趨勢與實況一致(圖1)。 18個站的觀測和模擬兩者的距平相關(guān)系數(shù)均在0.98以上，達(dá)到0.001的顯著性水平，屬于高度相關(guān)。其中距平相關(guān)系數(shù)最高的為位于源區(qū)東北部的興海，其值達(dá)到0.997。RegCM3對瑪多站月平均氣溫的變化趨勢、極值點(diǎn)位置以及具體數(shù)值模擬均比較理想，具備模擬該地區(qū)氣溫的能力。

相對氣溫而言，模式對降水的模擬能力要差一些，除了位于源區(qū)西北部的五道梁外，其他站模擬值與實測值的距平相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.8以上。其中，大武站的模擬效果最好，相關(guān)系數(shù)為0.91。模式對大武站降水的變化趨勢模擬也比較理想，基本模擬出了月降水量的時空分布特征以及主要峰值，但對降水分布的一些細(xì)節(jié)分布特征描述不好?？傮w來說，RegCM3具備模擬該地區(qū)氣溫和降水的能力。

2 RegCM3模擬三江源地區(qū)氣候的敏感性試驗

本試驗改變了地表特征參數(shù)，將原來的地表覆蓋類型用沙漠、草地、沼澤和湖泊4種類型代替。結(jié)果表明，改變地表特征后，模式對18個氣象站模擬的月平均氣溫、降水量、最高、最低氣溫等氣象要素均發(fā)生較明顯的變化。其中，瑪多站月平均氣溫模擬值差值變化范圍為(-5.1～-1.6℃)，總體月平均值降低了3.5℃(圖2)。由此說明RegCM3對下墊面的變化是敏感的。

圖1 瑪多站模式模擬月平均氣溫值及月降水量值與實測值對比

圖2 瑪多站改變地表特征后月平均氣溫及月降水量模擬值的變化

3 兩種下墊面情況下模式模擬值對照分析

3.1試驗設(shè)計 本試驗中模式的積分時間為1989年1月1日0：00至2004年12月31日18：00，模式的中心點(diǎn)取為34° N，94° E，東西方向格點(diǎn)數(shù)為72個，南北方向格點(diǎn)數(shù)為40個(模式用8個格點(diǎn)的緩沖區(qū))，模式的水平分辨率取30 km(RegCM3中采用的陸面過程為次網(wǎng)格的BATS方案，模式中的陸面分辨率可以遠(yuǎn)高于模式分辨率本身，本研究在陸面過程采用高于三倍模式分辨率的網(wǎng)格，為10 km×10 km)，模式垂直方向分18層，頂層高度為100 hPa，時間積分步長為30 s。地形資料為模式自帶數(shù)據(jù)。在1980年和2000年兩種下墊面情況下分別進(jìn)行長達(dá)16年的數(shù)值積分模擬試驗。

3.2下墊面說明 本模擬試驗所采用的下墊面分別為1980年和2000年的近實況下墊面。其中1980年的濕地資料是根據(jù)1980年的土地利用調(diào)查結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格化提取，將其提取結(jié)果進(jìn)行10 km×10 km網(wǎng)格化處理，并將其對應(yīng)到相應(yīng)的遙感地物類型，再轉(zhuǎn)化為遙感解譯代碼，進(jìn)而根據(jù)表1轉(zhuǎn)化成模式代碼。濕地類型主要包括河流、湖泊、沼澤3種。而2000年的濕地資料是將遙感解譯結(jié)果進(jìn)行10 km×10 km網(wǎng)格化提取，將遙感解譯代碼轉(zhuǎn)化成模式代碼。

表1 兩種下墊面濕地面積對照分析 km2

4 濕地退化對三江源地區(qū)各站主要?dú)庀笠氐挠绊?/h2>

根據(jù)模式模擬的兩種下墊面情況下三江源地區(qū)18個站的氣溫、降水量等氣象要素值，求出各站15年算術(shù)平均值，將R1和R2的模擬值進(jìn)行對比，得到其變化量以及變化率，進(jìn)而分析濕地變化對氣候變化的影響。

濕地面積減少后，三江源大部分地區(qū)月平均氣溫呈現(xiàn)增加趨勢，尤其是濕地面積減少幅度較大的西部地區(qū)，其15年月平均氣溫值明顯升高。西部的五道梁和沱沱河兩站15年月平均氣溫分別升高了0.57和0.52℃，是18個站中氣溫變化幅度最大的兩站。除了班瑪、甘德、達(dá)日、玉樹、囊謙、雜多6個站的月平均氣溫略有降低外，其余11個站的氣溫均呈上升趨勢(圖3a)。五道梁和沱沱河兩站是三江源地區(qū)濕地退化最嚴(yán)重的兩個地區(qū)，其氣溫升高也最為明顯，說明氣溫和濕地面積的負(fù)相關(guān)性，體現(xiàn)出濕地具有一定的冷效應(yīng)。

對降水而言，濕地退化后整個地區(qū)呈現(xiàn)出降水量減少趨勢。18個測站中有12個站出現(xiàn)了降水量的負(fù)增長，只有6個站的降水量有微小的增加趨勢(圖3b)。降水量的增加峰值同樣出現(xiàn)在西部濕地面積變化最大的沱沱河和五道梁兩站，月降水量的15年分別減少了12.5和2.9 mm，其中沱沱河站的降水變化率達(dá)到22.4%，是整個三江源地區(qū)降水變化最劇烈的測站。西部地區(qū)的所有測站降水量均減少，這體現(xiàn)出濕地變化對降水量的影響，因為就模式的下墊面而言，濕地的改變主要集中在西部地區(qū)，東部地區(qū)的濕地面積變化較小，說明降水量隨著濕地的退化而減少。

5 面積加權(quán)平均法計算三江源地區(qū)主要?dú)庀笠?5年的平均值

5.1面積權(quán)重法 設(shè)已知某自然區(qū)域總面積為Q，它由各子區(qū)域(市、地區(qū))構(gòu)成，每個子區(qū)域面積為Qr(r=1，2，…，R)。一般在每個子區(qū)域所選站數(shù)并不相等，設(shè)為mr，則全區(qū)域內(nèi)總共有站點(diǎn)數(shù)m，即：

第r個子區(qū)域的面積權(quán)重(ar)可定義為:

上述定義中假定了各個子區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)為均勻分布，這是一種近似，其誤差與區(qū)域面積大小有關(guān)。區(qū)域劃分愈小，其誤差愈小。在一定程度上，它對于修正站點(diǎn)分布的非均勻性是有效的[5-7]。對某子區(qū)域記錄xir，面積加權(quán)后寫為:

yir=arxir；

式中，下標(biāo)r表示第r個區(qū)域。不同子區(qū)域ar不同，而同一子區(qū)域中ar為相同。將三江源地區(qū)(總面積363 094 km2)劃分為17個子區(qū)域，并用上述方法計算各子區(qū)域的面積權(quán)重。

按面積權(quán)重的計算方法，首先計算每一個子區(qū)域的面積權(quán)重ar(r=1，2，…，R)。18個測站(m=18)分成17個子區(qū)域，然后將月平均氣溫、月降水量以及氣溫月較差值乘以面積權(quán)重，得到面積權(quán)重值。再求出18個站月平均氣溫、月降水量以及氣溫月較差的面積權(quán)重值的算術(shù)平均值，即面積加權(quán)平均值(表2)。以下所提到的氣溫等資料均經(jīng)過面積權(quán)重平均處理。

圖3 18個氣象站兩種下墊面情況下氣溫、降水量模擬值對比

5.2濕地退化后各主要?dú)庀笠啬?、月值的變?R2模擬15年平均氣溫比R1的模擬值有顯著的增加(圖4a)。15年各年平均氣溫均呈上升趨勢，15年平均增加了0.16℃。對年降水量而言，各年則一致出現(xiàn)降低趨勢(圖4b)。15年平均降低了40 mm。說明濕地的退化加劇了三江源地區(qū)氣候朝“暖干化”發(fā)展，進(jìn)一步證實了濕地具有較強(qiáng)的冷濕效應(yīng)。

R2模擬的15年月平均氣溫值與R1模擬值之差大部分在0線以上，其變化范圍為(-0.2～0.5℃)(圖5a)。說明濕地大面積退化后三江源地區(qū)絕大多數(shù)月平均氣溫呈現(xiàn)上升趨勢，只有極個別月份平均氣溫略有降低。R2模擬月降水量值較R1模擬值發(fā)生了顯著的變化。其中，大部分月份降水明顯減少，月降水量的增加值總體上明顯小于減少值，其變化范圍為(-41～14 mm)，降水量變化最大的月份其值減少了41 mm(圖5b)。說明濕地的改變對降水量有較大的影響。

表2 三江源地區(qū)各子區(qū)域面積、面積權(quán)重及站點(diǎn)數(shù)

圖4 R1和R2模擬值(年值)對比

圖5 18個站R1和R2模擬各要素差值(R2-R1)變化趨勢

5.3R1和R2模擬主要?dú)庀笠夭钪底兓厔?R2與R1模擬的年平均氣溫18個站面積加權(quán)值之差均為正值，差值(R2-R1)總體上呈增大趨勢(圖6a)。即濕地面積減少后，年平均氣溫增加值是隨著時間變大的，表明隨著濕地的退化氣溫的升高在加劇。R2和R1模擬的年降水量18個站加權(quán)平均值之差(R2-R1)均為負(fù)值，降水量的模擬差值絕對值則隨著時間的推移而減少(圖6b)，其差值的總體變化趨勢為增加，即濕地退化后降水量的減少呈減緩趨勢。

圖6 18個站氣溫和降水量模擬值差值(R2-R1)變化趨勢

6 討論與結(jié)論

冷濕效應(yīng)是濕地的累積環(huán)境效應(yīng)之一。由于濕地長期或季節(jié)性積水，水熱容量大，消耗太陽能多，地表增溫緩慢。濕地強(qiáng)烈蒸發(fā)導(dǎo)致近地層空氣濕度增加，氣候較周邊地區(qū)冷濕[9]。三江源西部濕地面積減少迅速，區(qū)域氣候環(huán)境變化劇烈，超過全球氣候變化速度[9-12]。濕地在維護(hù)區(qū)域濕地“冷濕”效應(yīng)中作用突出[13-14]。本研究表明濕地面積消長與氣溫、降水等氣候因子的變化有一定聯(lián)系：1)溫度變化與濕地面積變化的方向是相反的：濕地面積下降，區(qū)域氣溫升高，濕地的“冷濕”效應(yīng)減弱；反之，濕地面積增加，區(qū)域氣溫下降，濕地的“冷濕”效應(yīng)加強(qiáng)。2)降水量變化與濕地面積消長變化的趨勢相近：濕地面積減少后，降水量有遞減的趨勢;反過來如果降水量減少，濕地水源補(bǔ)給變少，將導(dǎo)致濕地面積遞減。3)對四季而言，濕地大面積退化后，冬季氣溫增加最多，夏季增溫最少。季降水量的減少主要表現(xiàn)在夏季，冬季降水量變化不明顯。

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