气候变化与影响翻译.docx

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气候变化与影响翻译

全球与行星变化

80-81卷，2012年1月，页123-135

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未来的气候变化，CO2浓度升高，植被对水文过程的结构变化在中国的影响

QiuanZhua,b,

HongJianga,c,

ChanghuiPengb,d,

JinxunLiue,

XiuqinFangf,

XiaohuaWeig,

ShirongLiuh,

GuomoZhouc

a,为国际地球系统科学研究所，南京大学，汉口路22号，南京210093，中国

b，“H3C3P8，加拿大蒙特利尔，在蒙特利尔，魁北克大学生物科学系环境科学研究所

C状态的亚热带森林科学与浙江省森林生态系统碳汇中的碳循环重点实验室，浙江农业和林业大学，杭州，311300浙江，中国重点实验室

D实验室生态预测和全球变化，林学院，西北农林科技大学，杨凌712100，中国

é毒刺Ghaffarian科技（新加坡公司），47914第252街，苏福尔斯，SD57198，美国

f国家重点实验室，水文水资源与水利工程，河海大学，南京，210098，中国

Ğ地球和环境科学，英属哥伦比亚大学（那根），3333大学路，基洛纳，不列颠哥伦比亚省，加拿大V1V1V7

Ĥ森林生态环境研究所，中国林业科学研究院，北京100091，中国

2011年4月19日。

2011年10月17日接受。

2011年10月22日。

http:

//dx.doi.org/10.1016/j.gloplacha.2011.10.010，如何来引用或链接使用分类号

权限和重印

抽象

重要的是了解和预测，水圈和生物圈之间的相互作用调查因素气候变化，大气中的二氧化碳浓度富集，植被结构和水文过程之间的关系。

综合生物圈模拟器（IBIS）是用来评估气候变化的影响，二氧化碳上升，并在中国植被对水文过程的结构，在21世纪末。

七模拟实施了使用IPCC气候和二氧化碳浓度的情况下，A2情景和SRESB1的组合。

分析结果表明：

（1）气候变化将有径流，蒸发量（ET），蒸腾（T）的，和蒸腾比（蒸腾/蒸发蒸腾量，T/E）在中国最水文地区，除最南端的地区增加的影响;

（2）二氧化碳浓度升高将在全国范围内增加对径流的影响，但在水文区域规模，CO2浓度升高引起的生理效应将取决于植被类型，气候条件和地理背景资料显示明显降低效果（4）在中国干旱的内陆地区;（3）叶面积指数（LAI）的补偿效应和气孔关闭的效应是在干旱的内陆地区和南方湿润地区的水文，分别对径流的主导因素;幅度气候变化（特别是降水格局的变化）对水循环的影响远远比那些CO2浓度升高的影响较大，但增加二氧化碳的浓度将是一个最重要的修饰符水循环;（5）水资源状况将在中国北方的改善，但根据IPCC气候变化情景，情景A2和SRESB1在最南端中国郁闷。

亮点

►全球气候变化对水文过程的影响，在中国通过的IBIS升高。

►气候变化施加对径流的积极作用，在最南端的地区除外。

►二氧化碳浓度升高，在全国范围内产生了积极影响径流。

►赖补偿效应占主导地位，在干旱内陆地区的径流。

►气孔关闭效应占主导地位，在南方湿润地区径流。

关键词

气候变化;

水文过程;

径流;

黎;

的IBIS;

DGVM;

中国

1．介绍

气候变化预计有显着的影响，世界水资源（Falloon和贝茨，2006年]，[Gerten等，2007]和[IPCC，2007）。

蒸发和降水的影响，由于气候变化将加速水的循环（德尔GENIO等，1991]，[Arnell，2001年，亨廷顿，2006年]和[刘等，2008。

]）;因此，率可提高可再生淡水资源（冲电气和佳苗，2006年）。

河水流量的放电是一个有用的指标，淡水供应（Falloon和贝茨，2006年）。

欧亚六大河流流入北冰洋的淡水平均每年排放是由于北大西洋涛动和（Peterson等，2002年）全球平均地表气温的变化在上个世纪增加了7％。

分析还表明，河流排放已经比气候变化自然气候变化较为敏感，在过去的9000年（Aerts，2006年）等。

据气孔导度优化的假设，植物气孔，同时最大限度地提高碳的收益率，同时最大限度地减少水损失（Katul等，2009），植物率倾向于降低气孔导度和高二氧化碳浓度下抑制蒸腾（[科拉茨等。

，1992]和[字段等。

，1995]）。

目前的实验和建模的证据表明，增加二氧化碳的浓度将提高植物水分利用效率（[Gerten等，2007]和[朱等，2011B]）。

在树冠蒸腾的二氧化碳引起的变化，影响蒸散量（ET）和潜热通量的气氛，如减少水的损失，并可能对水文循环（[卖家，1996年][罗伯克和李，2006]和产生深远的影响，[曹等，2009]）。

改变CO2浓度对径流的影响是一个主要关注的气候变化研究领域（Field等人，1995年）。

然而，CO2诱导对径流影响的严重性和重要性存在争议。

一些研究认为，二氧化碳是很可能是在比较潮湿的地区，特别是次区域的空间尺度和季节时间尺度（Kruijt等，2008）的水平衡的一个重要因素，生态系统的限制较少的水比预期的，因为生理植被对CO2浓度升高的响应（Gerten等，2007）。

格德尼等人。

（2006）指出，大陆径流通过20世纪的趋势增加主要是由于二氧化碳诱导的气孔关闭的后果，以抑制植物蒸腾。

同时，许多研究的挑战格德尼的角度（果皮和麦克马洪，2006年]，[Chaplot2007]，[朴等人，2007年]和[亨廷顿，2008]）。

亨廷顿（2008）反对期间径流生理CO2effect，20世纪。

经过调查相互作用的二氧化碳，温度，降水对径流，罗等。

（2008）发现只有一小径流增加二氧化碳浓度的生理效应带动。

因此，径流和二氧化碳浓度之间的关系进行调查了解气候变化影响水文循环（阿伦和Ingram，2002年）是非常重要的。

预测生态系统和景观过程（Hungate，2002年），确定CO2浓度升高的陆地生态系统的水文响应也是关键。

较高的二氧化碳浓度也可以提高光合速率，CO2施肥效果（球等，1986），从而导致更大的叶面积指数（LAI），并改变了植被分布（[贝茨等人，1997年称为[李维斯等人，2000年和[Felzer等人。

，2009]）。

CO2浓度升高增加了在黎可以减少到达土壤表面的辐射，从而减少土壤水分蒸发（Hungate，2002年），和植被的反馈，可以进一步加快水文循环（ALO和王，2008）。

因为水结余在本地和全球尺度上，由于CO2浓度升高的生理和结构的植被净效应的程度仍然在辩论（Leipprand和Gerten，2006年），二氧化碳浓度升高对水循环的影响，需要双方的生理量化和结构的植被动态（朴等，2007）。

植被结构的变化意味着在土地表面特性，如反照率，气孔阻力，黎（Foley等，2000）的修改。

植物群落的组成和分布，ET和径流（Gerten等，2004）的根本重要性，所以径流的变化不能只被解释为改变降水，但也可以通过植被的组成与分布动态驱动（Cramer等，2001）。

一方面，它在很大程度上仍然是未知的，如果植被结构到气候变化反应可能会改变水文过程（ALO和王，2008）。

还长期和大规模的净CO2浓度升高对陆地水平衡仍然不明朗（Gerten等，2007）。

另一方面，它是相对昂贵的动手实验（罗等人，2008年）的生态系统过程，探讨全球多个因素的交互影响。

此外，虽然独立的水文模型，可以模拟水文过程的细节，他们缺乏机械生物圈（例如，植物蒸腾到大气中的二氧化碳）和水圈之间的联系（例如，土壤湿度和径流代）（Gerten等。

2004年）。

例如，一些早期的研究与独立水文模型可能的高估CO2effects（Leipprand和Gerten，2006年），并根据观测数据的一些研究缺乏评估河流流量的敏感度长期气候变化因为放电测量覆盖有限时间跨度（Aerts等，2006）。

leipprand和Gerten（2006）指出，应在一个动态的方式考虑植物在二氧化碳浓度变化的生理和结构响应。

动态全球植被模型（DGVM）是一个强大的工具来模拟大量的时间和空间尺度的陆地碳和水循环的耦合过程。

气候变化和对水资源的影响已成为一支重要力量，中国将不得不应对（朴等，2010）。

DGVM，综合生物圈模拟器（IBIS（Foley等，1996）），用于在这项研究中，调查结束的气候变化，二氧化碳浓度升高和中国水文过程对植被结构的直接和间接影响在这项研究中的21世纪。

主要目标是1）水文参数（径流，蒸散，蒸腾作用，蒸腾比（蒸腾/蒸发蒸腾量，T/E）），以评估的气候变化和二氧化碳浓度升高的影响;2）植被结构的变化下气候变化研究造成气候变化，二氧化碳浓度升高，在21世纪末和植被结构的变化和CO2浓度升高条件和它们如何影响径流;3）探索的差异和对​​中国水文过程的影响的重要性。

2。

材料与方法

2.1。

型号说明

IBIS是一个单一的，身体一致的建模框架内整合各种陆地生态系统的现象。

它代表了陆面过程，冠层生理，植被物候，长期的植被动态，碳循环（Foley等人，1996]，[Kucharik等，2000]和[安科等，2002]）。

IBIS水文模块构建土地表面转移计划（LSX系列）（汤普森和波拉德，1995]和[汤普森和波拉德，1995]）。

林冠层两个，三个雪层，6个土层被认为是在每个网格单元。

总径流，降水和蒸散量和蓄水的总和（绳索等，2004）之间的差异表达。

总额从地表蒸散的水汽通量的总和被定义为：

从土壤表层（包括冰和雪），水分蒸发植被檐篷，篷蒸腾蒸发截获。

蒸腾速率取决于树冠导和植物冠层内的每个类型（Foley等人，1996]和[Kucharik等，2000]）独立计算。

蒸发率计算标准的传质方程有关的表面，蒸汽压亏缺，电导温度（[坎贝尔和诺曼，1998年]和[绳索等，2004]）。

的IBIS指利用植物功能型（PFT）的特点是量和LAI的天然植被。

对于每个肺功能，IBIS采用冠层光合作用的机理治疗基础上[法夸尔等，1980年和法夸尔和夏基[1982]，和气孔导度的半机理模型（球等人，1986]Foley等，1996]和[Kucharik等，2000），以量化的总初级生产力（GPP）。

黎表示，在叶片和比叶面积碳上限和下限的树冠（每个肺功能指定）（Kucharik等，2000）。

植被的动态机制，通过模拟上的通过肺功能竞争光，水从共同资源池的年度时间步长的植被结构的变化。

（Kucharik等，2006）。

PFTS之间的竞争是依赖资源的可用性，碳分配，物候，叶形式和光合途径的差异（Foley等人，1996年]和[Kucharik等，2000]）。

物候过程是模拟使用之间的关系，积累了越来越多度天budburst（Kucharik等，2006）。

2.2。

研究区域和模型迫使数据

用一个0.085度（约10公里）的决议，中国土地面具地图在IBIS仿真。

生理盐水结壳，缺乏土壤信息与排除水体和西北​​地区的地图。

航天飞机雷达地形测绘使命（SRTM）数字高程模型（DEM）数据集（贾维斯等人，2006年）为中国的一个洞填充版本被重新采样0.085度分辨率地形数据作为输入（图1）。

1:

100万中国土壤图提供分数砂，粘土，淤泥每个土层，每个单元（施雅风等，2004）。

1:

4,000,000中国植被图被重新归类成模拟初始化（侯等，1979）的IBIS特定的植被类型。

2000年中国的土地覆盖图（1公里分辨率）（数据资源中心和中国环境科学科学研究院（RESDC），2001年）被用来构建一个植被覆盖每个网格单元的分数层，让更详细的当前土地利用和土地覆盖状况，在模拟的代表性。

图1。

DEM的中国和中国的水文地区的地图：

1：

2：

黑龙江，辽河，3：

海河，黄河，淮河，长江，7，8郑哲敏：

珠江，9：

10西南，：

内陆。

查看缩略图图像

警监SRES情景下的两个预测未来气候数据集（A2和B1），其中开发的第三次评估报告（Nakicenovic和斯沃特，2000年）和IPCC（2007）第四次评估报告（AR4）的使用，从加拿大气候模拟和分析（CCCMA）耦合的全球气候模型（CGCM3.1）中心的第三个版本。

排放情景SRESA2和SRESB1分别代表高和低排放水平，在这项研究中。

平均观测气象数据（降水，气温，相对湿度，云量分数），从1950年到2006年作为基准气候条件下使用。

建于每年的二氧化碳浓度情景SRES的A2和SRESB1。

预计在2100年，二氧化碳的浓度增加至836ppmv的情景A2情景下，到540ppmv的下情景情景B1（见表1）（IPCC，2001）。

朱等人迫使数据和二氧化碳浓度建设的详细信息描述。

（2011B）。

表1。

名单进行模拟情景;NOCC：

从1950年至2006年平均气候数据;CCO2：

固定CO2;DCO2：

CO2浓度升高;385ppmv的：

2008年的二氧化碳浓度。

Scenarios

Climaticdata

CO2concentration（2009–2099）

NOCCandCCO2

NOCC

385 ppmv

NOCCandDCO2（A2）

NOCC

SRESA2（385–835 ppmv）

NOCCandDCO2（B1）

NOCC

SRESB1（385–540 ppmv）

A2andCCO2

SRESA2（CGCM3）

385 ppmv

A2andDCO2（A2）

SRESA2（CGCM3）

SRESA2（385–835 ppmv）

B1andCCO2

SRESB1（CGCM3）

385 ppmv

B1andDCO2（B1）

SRESB1（CGCM3）

SRESB1（385–540 ppmv）

全尺寸表

2.3。

模拟和模型验证

七可比模拟下进行的不同气候变化和二氧化碳浓度的方案（见表1）。

模拟进行预测的气候数据，土壤质地，初始植被条件。

被选定为当前和今后一个时期分析从1950年到2099年的模拟结果。

IBIS得到了广泛的测试，在不同的空间尺度和不同生态系统的碳和水的循环调查（Foley等人，1996]，[Foley等人，2000年，[Kucharik等人。

，2000]和[Kucharik等人，2006年]）。

从我们以往的研究，在中国使用的IBIS：

模拟径流捕获85％，空间变异性和时空变异为中国各地的85个水文计（39年的观测数据）的80％;纳什萨特克利夫系数表示的数量模式径流被抓获颇佳;模拟ET合理匹配与观测到的降水和径流（朱等，2010B）。

剩余计算估计的ET。

比较每月从1981年至1999年的观测数据（约40站）的观测和模拟土壤水分表明，平均误差在10％以内的所有月和根平均平方误差是在10％以内（朱等季节人，2009年）。

650站观测到的数据（从1955年至2000年）根据土壤温度仿真验证表明，IBIS模型，表现出良好的捕获土壤温度的时空格局（朱等，2010A）。

验证和比较表明林业库存数据（净初级生产力和生物验证）的碳交换过程有关的变量的合理协议，通量的现场数据（总初级生产力验证），和文献报道的数据（净初级生产力和生物验证）在区域（朱等，2011a）和国家（朱等，2011B）尺度。

2.4。

数据分析方法

径流，东部的百分比变化，蒸腾，T/E，黎计算公式为：

增加的百分比=（七-VI）/第六×100％

其中V代表径流，经济变量，蒸腾，T/E的，与LAI，标二，代表21世纪的结束（二○八○年至2099年）期间的平均值;下标i代表的平均值历史时期1950-2008。

不同进行了比较不同的场景之间，以评估对中国的水预算的气候变化，CO2浓度升高的影响，植被结构。

赖被用来作为在这项研究中的植被结构指标。

在这些变量中，T/E很少大规模研究（刘，2009）。

在这项研究中，大多数分析的基础上根据中国水文年鉴“（图1）（中国人民共和国的水资源部，2000年）分为水文地区规模

3结果

基线模拟结果表明，径流，经济，T/最高水平与区域平均约500-700毫米，900-1000毫米，500-650毫米和0.6，分别是在南部地区ê。

内陆地区发现的最低水平径流，ET，T，和T/E的平均值约7毫米，170毫米，43毫米和0.25分别。

（地区1至4，图1）中国北方部分地区的平均水平是400-450毫米，约50-100毫米，150-250毫米，并0.4-0.47径流，ET，T，和T/E的分别。

3.1。

评价的气候变化的影响

要突出气候变化的影响，进行了比较与气候变化场景和场景之间的无气候变化（图2，图3和图4）。

图2。

由气候变化相对变化引起的二○八○年至2099年）径流，B相比，1950年至2008年的基线）蒸散（ET），C）蒸腾（T）D）/E。

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图3。

1）低黎，B，C）上黎）总赖一九五〇年至2008年的基线相比的相对变化，由2080年至2099年植被结构气候变化引起。

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图4。

计算与没有气候变化的场景之间的差异气候变化径流相关的变量的影响大小。

一个。

A2和DCO2（A2）和NOCC与DCO2的（A2）的，B。

B1和DCO2（B1）和NOCC和DCO2（B1），C。

A2和CCO2NOCC和CCO2，D。

B1和CCO2和NOCC和CCO2。

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3.1.1。

径流

全国的平均径流呈无气候变化轻微的增加，大幅度增加但根据气候变化条件（图2a）。

鉴于水文地区，径流将显着增强气候变化条件下（图4，表2）在北部和中部的中国北方。

对径流的影响最显着的增加，显示在内陆地区，同时根据SRESA2和SRESB1气候情景（图4，表2）。

气候变化径流减少影响，发现在中国南部（浙闽地区和珠江三角洲地区，图4，表2）。

表2。

21世纪末径流相对变化引起气候变化在中国的水文地区

Regions

Effectsof气候变化（%）

SRESA2（elevatedCO2）

SRESB1（elevatedCO2）

SRESA2（constantCO2）

SRESB1（constantCO2）

Heilongjiang

+ 68.3

+ 28.1

+ 67.2

+ 27.1

Liaohe

+ 72.7

+ 22.3

+ 71.5

+ 22.0

Haihe

+ 94.3

+ 51.0

+ 89.4

+ 49.3

YellowRiver

+ 41.4

+ 40.1

+ 40.0

+ 39.1

Huaihe

+ 66.2

+ 49.6

+ 65.9

+ 49.7

YangtzeRiver

+ 13.4

+ 10.1

+ 13.7

+ 10.4

Zhemin

− 18.9

− 10.5

− 18.1

− 10.1

Zhujiang

− 24.6

− 3.0

− 23.0

− 2.6

Southwest

+ 27.9

+ 19.1

+ 28.6

+ 19.3

Inland

+ 124.9

+ 74.4

+ 123.4

+ 78.1

Wholecountry

+ 14.3

+ 11.6

+ 14.7

+ 11.8

全尺寸表

在北部地区，径流略有下降趋势，显示没有气候变化。

然而，气候变化s将导致径流减少赔偿，在北部地区的显着增强（图2a）。

这种模式，尤其是可观的，在内陆地区（图2a）。

相比之下，在东南部地区，径流略有增加显示在没有气候变化条件下，，而气候变化将消除这些不断增加的影响和结果，减少对径流的影响（图2a，表2）。

气候变化在国家一级，将增加约14％和11％，相对下SRESA2和情景B1情景，分别（见表2）1950至2008年期间径流，在21世纪末。

Falloon和贝茨（2006）预测，全球平均为2071-2100河水流量将增加约4％和8％的相对到1961-1990A1B和A2的情景下，分别。

长江平均河川流量预计A1B和A2的情景下，分别增加约19％和16.3％。

我们的研究结果表明，将提高约13％和10％A2情景和SRESB1气候情景下，分别由长江径流。

3.1.2。

蒸发量（ET）

气候变化结果，在每个水文地区和全国各地（图4）增加对ET的影响。

在中国北方地区日益增加的影响是大于，特别是在海河，黄河地区，那些在中国南部（图2b）。

根据SRESA2和SRESB1的气候情景，分别为（图2b），这两个地区的提高率分别为25％和15％以上。

下没有气候变化情景（NOCC与DCO2（A2）的，NOCC和DCO2（B1），NOCC和CCO2），东部主要集中在南部地区下降的趋势，郑哲敏（长江，珠江）随在全国规模以上（图2B）。

3.1.3。

蒸腾

气候变化显示增加蒸腾作用，为全国在21世纪末，以及为每个水文地区（图4）。

在北部地区的平均增长率是高于在南部地区（图4）。

内陆地区的蒸腾SRESA2和情景B1情景，分别为（图2c）下增加60％以上，30％气候变化比其他地区更为敏感。

在气候变化是不是一个因素的情形下，蒸腾显示，在北部地区，并在最南部地区略有下降（图2c）略有增加。

3.1.4。

蒸腾/蒸发蒸腾量（T/E）

日益增加的影响，对T/E的气候变化蒸腾模式类似。

T/E预计将在国家的规模，由于在中国北方的增加速度比在中国南部气候变化effects增强。

在T/E将是最敏感的气候变化在内陆地区（图2d）。

作为一个整体，图。

4表示，气候变化会增加对ET，蒸腾作用，蒸腾比率（T/E）在该国的规模和在不同的水文地区的影响。

所有这些变量都比较敏感，在中国北方气候变化比在中国南部。

3.2。

CO2浓度升高的影响评价

为了探讨CO2浓度升高的影响，径流，东部进行了比较，蒸腾，T/E，黎之间的情景下CO2浓度升高和不断的二氧化碳浓度（图5，图6和图7）。

图5。

相对变化，造成二氧化碳浓度增加，由2080至99年相比，1950年至2008年）径流，B）蒸散（ET）C）蒸腾（T）的，D）/E的基准

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图6。

植被结构由2080至2099年二氧化碳浓度增加引起的相对变化相比，1950至2008年）低黎，B），C）上黎总赖的基线。

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图7。

规模效应：

二氧化碳浓度增加径流相关变量计算与没有气候变化的场景之间的差异。

A2）的A2和DCO2（A2和CCO2的，B。

B1和DCO2（B1）和B1和CCO2，C。

NOCC与DCO2（A2）的和NOCC和CCO2，D。

NOCC与DCO2的（B1）和NOCC和CCO2。

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3.2.1。

径流

CO2浓度升高表明在国家规模（图5A，7）增加对径流的影响。

CO2浓度升高，预计增加约7％和3％，相对1950-2008年期间根据SRESA2和SRESB1情景，分别在21世纪末的径流。

（图7，表3）。

表3。

径流水文在中国地区（CC：

气候变化的）中的二氧化碳浓度增加引起的21世纪结束的相对变化。

Regions

EffectsofelevatedCO2concentration（%）

SRESA2（withCC）

SRESB1（withCC）

SRESA2（withoutCC）

SRESB1（withoutCC）

1.Heilongjiang

+ 8.1

+ 3.0

+ 7.0

+ 2.0

2.Liaohe

+ 1.3

− 0.6

+ 0.2

− 1.0

3.Haihe

+ 2.8

− 0.6

− 2.1

− 2.3

4.YellowRiver

+ 5