國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃.doc

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）課題任務書項目名稱：大尺度土地利用變化對全球氣候的影響課題編號：2010CB950903課題名稱：LUCC對區(qū)域氣候的影響機制與多時空尺度LUCC氣候效應研究中華人民共和國科學技術(shù)部制二一年九月一、研究內(nèi)容1、研究內(nèi)容（1）中國及國際典型區(qū)域城市化過程的氣候效應分析及其機理研究選擇典型城市化區(qū)域，使用微氣象系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對不透水層以及城市擴展前同類土地覆被地表參數(shù)開展對比觀測，結(jié)合生態(tài)/氣象臺站長期觀測數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)和文獻數(shù)據(jù)，分析區(qū)域城市化過程因地表覆蓋改變對城市熱環(huán)境的影響機理以及熱島效應，建立針對不同生態(tài)地理分區(qū)的參數(shù)化體系。識別中國城市擴展造成的氣象站點被動“進城”現(xiàn)象，估算“進城”氣象站對區(qū)域氣溫高估的貢獻，并分析其不確定性。選擇中國東部城市群及國際典型都市群，比較分析大尺度城市化過程對區(qū)域增溫以及全球變暖的貢獻程度，揭示區(qū)域城市化過程對地表覆蓋、水熱調(diào)節(jié)以及區(qū)域增溫的交互過程與耦合機理，建立模型參數(shù)化體系。 （2） 典型區(qū)域人類重大土地利用活動的氣候效應及機理研究選擇我國北方農(nóng)牧過渡帶開墾/退耕、南方紅壤丘陵區(qū)毀林/造林/再造林典型、內(nèi)蒙古草原區(qū)過度放牧/草地恢復等人類重大LUCC活動典型區(qū)，測定不同土地利用/土地覆蓋情況下地表熱通量和水分通量等水熱過程相關(guān)參數(shù)，結(jié)合生態(tài)/氣象臺站長期觀測數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)和文獻數(shù)據(jù)，分析人類重大LUCC活動通過改變地表覆蓋對區(qū)域氣候的影響及機理，為區(qū)域氣候模式提供地表參數(shù)方案；對比分析我國相關(guān)典型區(qū)，以及美國中西部、俄羅斯或哈薩克斯坦干草原區(qū)、巴西亞馬孫、印度中部等區(qū)域因人類重大土地利用活動所導致的氣候變化效應。 （3） LUCC氣候效應數(shù)值模擬平臺的構(gòu)建、模擬與驗證基于本項目相關(guān)參數(shù)觀測數(shù)據(jù)、遙感反演生態(tài)參數(shù)、生態(tài)模擬數(shù)據(jù)、區(qū)域高分辨率多期LUCC數(shù)據(jù)集，以及全球LUCC再分析數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)分析和融合方法庫，建立針對全球不同生態(tài)地理分區(qū)、區(qū)域氣候模式的參數(shù)化方案；采用WRF、RegCM3、RIEMS，GOALS等全球和區(qū)域氣候模式，構(gòu)建嵌入LUCC信息的氣候數(shù)值模擬平臺。在全球和對比國/區(qū)域尺度，通過多模式集合模擬，模擬全球不同下墊面條件下的全球氣候，并進行比對分析與驗證，分析LUCC的氣候效應。 （4） LUCC對區(qū)域氣候影響的分析 利用上述模擬獲得的全球人類LUCC重大活動區(qū)域/國別的區(qū)域氣候時空數(shù)據(jù)集，采用空間分析方法，定量估計土地利用/土地覆蓋變化對區(qū)域氣候變化的貢獻率及其不確定性，并對提出LUCC活動調(diào)控、適應與減緩氣候變化和環(huán)境外交對策建議提供模式模擬支撐。2、本課題擬解決的關(guān)鍵科學問題 （1）區(qū)域氣候模式對相對小量下墊面變化的區(qū)域氣候響應模擬噪聲的消解；（2）LUCC的空間分布復雜性如何在區(qū)域氣候模式模擬中得到體現(xiàn)？3、本課題研究特色和創(chuàng)新點（1） 采用高分辨率區(qū)域氣候模式模擬區(qū)域氣候及其對LUCC的響應，可以充分體現(xiàn)LUCC的空間分布的復雜性； （2） 采用多個區(qū)域氣候模式的長積分時間集合模擬,消減區(qū)域氣候模式的模擬噪聲；（3） 采用典型區(qū)域氣候模式模擬、遙感和臺站觀測數(shù)據(jù)分析、區(qū)域間比對和國別比對綜合分析方法探索LUCC對區(qū)域氣候的影響機理；（4） 提出采用不同未來LUCC情景驅(qū)動區(qū)域氣候模式集合模擬預估區(qū)域氣候響應，以優(yōu)化選擇LUCC規(guī)劃。（5） 本課題的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在，厘定大尺度LUCC過程導致的溫室氣體收支變化與陸氣界面過程變化對氣候變暖的貢獻率。當前，國際政府間氣候變化談判存在一種傾向，即：把全球和區(qū)域生態(tài)、氣候變化完全歸結(jié)到人類活動所導致的溫室氣體排放，忽略土地利用變化導致的生物物理過程對氣候變暖的影響。通過厘定大尺度LUCC導致溫室氣體收支變化與陸氣界面過程變化對氣候變暖的貢獻率，可完善和深化對全球氣候變化成因的科學認識，同時也為人類社會通過調(diào)控自身土地利用行為，達到減緩氣候變暖的目的提供重要的科學基礎(chǔ)。二、預期目標1、科學目標（1） 發(fā)展基于集合模擬的消除LUCC氣候效應數(shù)值模擬噪音的方法，搭建起LUCC氣候效應多尺度數(shù)值模擬平臺；（2） 通過對比國別、區(qū)域間LUCC對過去和現(xiàn)在氣候影響的數(shù)值模擬，同時綜合典型區(qū)域臺站觀測數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)分析，闡明大尺度LUCC對區(qū)域氣候變化機理（3） 厘定大尺度LUCC對區(qū)域氣候變化的貢獻，闡明典型區(qū)域和主要重大LUCC對區(qū)域和全球氣候變化的貢獻。（4） 建立應用LUCC對區(qū)域氣候影響的模擬實驗為人類土地利用活動優(yōu)化調(diào)控和氣候外交談判提供科學支撐的數(shù)值模擬實驗工作流程和方法。2、能力建設(shè)目標 （1）構(gòu)建成數(shù)據(jù)基礎(chǔ)完善、由具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)全球和區(qū)域模式為主體的，擁有較好區(qū)域氣候分析和集合模擬能力LUCC氣候效應數(shù)值模擬平臺；（2）構(gòu)建一個未來LUCC情景驅(qū)動下的區(qū)域氣候變化情景多模式集合模擬數(shù)據(jù)庫；（3） 在已有RIEMS模式基礎(chǔ)上，發(fā)展構(gòu)建更為完善的適合于進行LUCC氣候效應模擬實驗的高空間分辨率區(qū)域氣候模式RIEMS 3.0.其主要技術(shù)指標力爭在亞洲區(qū)域模擬中顯著優(yōu)于國外模式。3、人才培養(yǎng)目標通過本課題的實施，形成一支綜合應用區(qū)域氣候模式模擬技術(shù)、遙感數(shù)據(jù)和臺站觀測數(shù)據(jù)，進行LUCC對區(qū)域氣候影響及其調(diào)控的多學科交叉研究團隊。培養(yǎng)12名青年學術(shù)帶頭人，35名科研骨干，培養(yǎng)博士研究生1015名；培養(yǎng)碩士研究生35名；培養(yǎng)博士后24名。4、科學成果目標：發(fā)表相關(guān)科學論文2538篇，其中具有重要影響的（SCI）論文2030篇；力爭申請獲得兩項軟件著作權(quán)，即區(qū)域氣候模式RIEMS3.0(中國科學院東亞區(qū)域氣候環(huán)境重點實驗室符淙斌等擁有著作權(quán))和LUCC氣候效應數(shù)值模擬平臺（本項目擁有著作權(quán)）；專著1本。三、研究方案及技術(shù)路線1、 總體思路本課題研究的基本技術(shù)路線是，采用更精確的項目研究的LUCC數(shù)據(jù)集和觀測數(shù)據(jù)集為基礎(chǔ)，通過不同尺度的氣候效應分析和模式模擬，探索LUCC對不同尺度氣候影響的機制，在此基礎(chǔ)上，預估未來LUCC的氣候效應及優(yōu)選LUCC規(guī)劃。2、 研究方案選擇人類重大LUCC活動典型區(qū)，采用本項目課題2開展的對不同覆被地表的水熱交換、反照率、粗糙度等參數(shù)的觀測資料，并利用生態(tài)長期觀測數(shù)據(jù)和氣象臺站觀測數(shù)據(jù)，本項目的遙感反演數(shù)據(jù)和歷史文獻數(shù)據(jù)等，開展典型區(qū)LUCC氣候效應及機理研究，進行區(qū)域氣候模式的參數(shù)化改進，進而開展LUCC區(qū)域氣候效應的數(shù)值模擬，綜合分析LUCC對區(qū)域氣候乃至全球氣候的影響，厘定土地利用變化對氣候變化的貢獻率。采用多個區(qū)域氣候模式（RegCM3、RIEMS、WRF等）集合模擬，降低模式模擬的不確定性，從而可以對區(qū)域氣候主要變量及極端事件進行評估，并有助于歸因不同區(qū)域氣候變化的特征對應的LUCC變化特征。采用本項目研究所得的較精確的LUCC過去資料，集合模擬區(qū)域氣候，獲取LUCC對區(qū)域氣候的影響信號；采用未來可能LUCC變化情景，集合模擬未來區(qū)域氣候變化情景，預估LUCC對未來氣候變化的可能貢獻；同時也可以通過虛擬LUCC的氣候效應實驗，為人類土地利用活動調(diào)控和氣候外交談判提供科學支撐。采用區(qū)域間、國家間LUCC氣候效應對比，重大LUCC的區(qū)域氣候效應模擬分析，臺站觀測氣候要素與遙感觀測下墊面要素和微氣象和地氣通量的綜合分析、探索LUCC對氣候影響的多尺度機制；3、技術(shù)路線（1）數(shù)據(jù)來源：不同時間和不同區(qū)域或國別的LUCC數(shù)據(jù)由本項目其它課題提供；過去和現(xiàn)在的臺站氣象、生態(tài)、下墊面生物物理參數(shù)、微氣象和通量資料和遙感資料由項目其它課題提供；過去與現(xiàn)在的全球氣候背景資料/區(qū)域模式側(cè)邊界資料采用NCEP資料和ERA資料用于模式模擬和分析的初始場和檢驗場的觀測格點資料，由本課題收集中國區(qū)域觀測資料和國際典型區(qū)域的觀測資料及其格點數(shù)據(jù)集；用于未來情景模擬的的測邊界場來源于GCM情景預測模擬的輸出資料。（2）分析模擬方法：采用多區(qū)域氣候模式（RegCM3、RIEMS、WRF等）模擬輸出與觀測資料的比對分析，提出多模式模擬消減模式模擬噪音和不確定性的方法；采用重大LUCC的氣候效應、典型區(qū)域LUCC的氣候效應和不同國家或地區(qū)的LUCC的氣候效應的分析和比對提出LUCC影響氣候的多尺度效應及機制；采用臺站觀測資料（氣象要素、各類通量、與再分析資料之區(qū)別等，地表參數(shù)）、遙感、模式集合模擬綜合分析，探索LUCC對氣候影響的生物物理和邊界層過程機制；采用未來LUCC變化情景，生成全球氣候響應輸出場，用來作為側(cè)邊界驅(qū)動多個區(qū)域氣候模式的集合模擬，以此提出未來LUCC影響下的區(qū)域氣候變化情景（包括氣候極值和極端事件）；采用不同LUCC變化情景，驅(qū)動區(qū)域氣候模式的集成模擬，用于優(yōu)選最佳LUCC規(guī)劃。（3）模式工具：全球氣候模式采用中國科學院大氣物理研究所GOALS模式；區(qū)域氣候模式采用 采用中國科學院大氣物理研究所的RIEMS模式，美國的WRF模式（地理研究所應用模式）和意大利的RegCM3模式（國家氣候中心模式） （4）解決課題關(guān)鍵科學問題的途徑：采用高分辨區(qū)域氣候模式（2060公里分辨率）模擬，消減由于LUCC的空間復雜性造成的數(shù)值模擬不確定性；采用在同樣的下墊面配置、初始場和測邊界場下的多模式集合模擬，削減由于不同模式物理過程和參數(shù)化方案造成的不確定性和模擬噪音 （5）不同空間尺度和不同時段的LUCC對氣候的影響的定量估算： 采用GOALS模式等全球模式，以實際土地利用資料作為下墊面條件，開展長時間積分，獲得全球氣候?qū)θ騆UCC的響應； 采用高分辨率區(qū)域氣候模式，以項目所取得的最新LUCC為下墊面條件，以GCM輸出（未來情景）或NCEP再分析資料作為側(cè)邊界，開展長時間積分，獲得區(qū)域氣候?qū)^(qū)域LUCC的響應的集合模擬估算； （6） LUCC對氣候的影響機制： 采用項目最新LUCC資料驅(qū)動關(guān)于各空間尺度上多區(qū)域氣候模式的長期積分； 區(qū)域間LUCC對區(qū)域氣候影響的異同的分析和模擬； 重大LUCC活動對區(qū)域氣候的影響的異同的分析和模擬； LUCC對區(qū)域氣候影響的國別研究和分析； 采用臺站觀測資料（氣象要素、各類通量、與再分析資料之區(qū)別等，地表參數(shù)）、遙感、資料等觀測實驗資料的LUCC對氣候影響的生物物理和邊界層過程機制分析或模擬； 綜合以上各方面的綜合集成分析，獲得較全面的機制理解。（7）集合方法采用模擬輸出與觀測資料分析的多元回歸集合方法；采用模擬輸出與觀測資料的分析的貝葉斯集合方法；采用模擬輸出與觀測資料的常規(guī)平均或加權(quán)平均等常規(guī)方法；綜合以上選擇出最家集合方法。4、技術(shù)路線的創(chuàng)新性與可行性（1）采用本項目研究獲取的更精確的多時段高分辨率LUCC數(shù)據(jù)集，用于驅(qū)動重大LUCC氣候效應，典型區(qū)域LUCC氣候效應及不同國別LUCC氣候效應分析和模擬研究，是國內(nèi)外有關(guān)LUCC氣候效應的新嘗試；（2）采用統(tǒng)計分析和多模式集合模擬對不同空間尺度的LUCC的氣候效應的研究是當前國際上尚未完全開展的新的研究方向；（3）本研究采用典型區(qū)、分析區(qū)域?qū)Ρ取鴦e對比、數(shù)據(jù)分析和區(qū)域氣候模式集合數(shù)值模擬來集成探索LUCC的多尺度氣候效應機制，是在國際尚尚未見報道的新的研究思路；（4）本課題研究的所采用的模式和數(shù)據(jù)條件完全具備，具有開展有關(guān)分析和模擬研究的可行性。LUCC數(shù)據(jù)是本項目多年研究積累的成果；RIEMS模式和GOALS模式是大氣物理研究所自主建立的區(qū)域和全球模式，并都是領(lǐng)導國際模式比較計劃或參加IPCC報告模擬模式之一，RegCM3是國家氣候中心用于參加IPCC報告模擬研究的模式和業(yè)務模式之一，WRF模式是地理研究所及大氣物理研究所應用非常廣泛的區(qū)域氣候模式；有關(guān)側(cè)邊界和初始場和邊界場資料，已經(jīng)在應用過程中，具有很好的完整性及國際上公認的較小的不確定性。另外本研究參加人員構(gòu)成中，特別對于開發(fā)或應用區(qū)域氣候模式，并進行結(jié)果分析具有很長的研究積累。四、年度計劃年度研究內(nèi)容預期目標2010.6-2010.121、根據(jù)課題設(shè)計內(nèi)容，選定適合本課題研究的區(qū)域氣候模式及其物理過程方案，選定有關(guān)城市化與氣候變化關(guān)系統(tǒng)計分析方法；2、根據(jù)課題設(shè)計內(nèi)容，選定本課題模擬和統(tǒng)計分析各典型區(qū)域，及收集基礎(chǔ)氣候和下墊面數(shù)據(jù)資料；3、開展初步的數(shù)值模擬實驗和統(tǒng)計分析。選定所用區(qū)域氣候模式、統(tǒng)計分析方法；初步評價所選模式模擬和統(tǒng)計分析方法的適用性及不確定性范圍。2011.1-2011.121、根據(jù)不同空間尺度，構(gòu)建具有相同空間和時間分辨率的典型區(qū)域LUCC、測邊界氣象場、逐年氣象要素場、植被特征格點數(shù)據(jù)集，為多區(qū)域氣候模模式模擬提供基礎(chǔ)；2、根據(jù)多模式氣候模擬及與觀測氣象要素場的統(tǒng)計分析，降低區(qū)域模式模擬噪聲模式集合方法研究；3、中國區(qū)域重大LUCC活動（開墾與退耕，城市擴展，毀林與造林再造林，過牧與草地恢復）的氣候效應研究構(gòu)建成本課題模式模擬所需要的主要數(shù)據(jù)集（項目擬研究所得LUCC的數(shù)據(jù)除外）和用于模式驗證的觀測數(shù)據(jù)集；提出中國區(qū)域重大LUCC活動（開墾與退耕，城市擴展，毀林與造林再造林，過牧與草地恢復）對區(qū)域氣候變化的貢獻的初步估算初步提出多模式集合模擬方法；發(fā)表有關(guān)科學論文68篇，其中SCI論文35篇。2012.1-2012.121、開展不同典型區(qū)域間（長三角、珠三角、西北、東北、黃淮海）LUCC對區(qū)域氣候變化的影響的集合模擬和分析研究；2、通過對地觀測、通量和微氣象、臺站氣象的生物物理參數(shù)的分析和區(qū)域氣候模式的模擬，綜合分析LUCC對氣候的影響機制3、LUCC區(qū)域氣候效應的模擬數(shù)值平臺設(shè)計與搭建。闡明中國不同區(qū)域LUCC（長三角、珠三角、西北、東北、黃淮海）對氣候變化的影響的異同和機制；初步建成LUCC區(qū)域氣候效應的分析和模擬數(shù)值平臺；發(fā)表有關(guān)科學論文610篇，其中SCI論文58篇。2013.1-2013.121、開展LUCC對區(qū)域極端氣候和氣候極值的集合模擬和統(tǒng)計分析研究；2、開展不同國家或區(qū)域間（中國、巴西、印度、哈薩克斯坦、北非、美國等）LUCC對氣候變化的影響的集合模擬和分析研究；3、建立未來LUCC變化和未來全球氣候變化情景下下墊面和測邊界數(shù)據(jù)集的構(gòu)建研究。闡明不同國家LUCC（中國、巴西、印度、哈薩克斯坦、北非、美國等）對氣候變化的影響的異同和機制； 初步提出LUCC對區(qū)域極端氣候和氣候極值的影響的特征；構(gòu)建成適宜于開展未來LUCC影響區(qū)域氣候的情景模擬和分析的LUCC數(shù)據(jù)集和全球側(cè)邊界數(shù)據(jù)集；發(fā)表有關(guān)科學論文610篇，其中SCI論文68篇。2014.1-2014.121、 開展LUCC未來情景下未來主要區(qū)域氣候變化情景的分析和模擬研究；2、開展優(yōu)化選擇LUCC調(diào)控區(qū)域氣候的模擬研究；3、課題和項目總結(jié)。提出多尺度LUCC影響氣候的機理；提出未來LUCC情景下，主要區(qū)域氣候變化的趨勢和特征；提出LUCC情景下，未來中國區(qū)域極端氣候和氣候極值變化情景提出中國區(qū)域LUCC調(diào)控中國區(qū)域氣候的初步優(yōu)化方案設(shè)想；發(fā)表有關(guān)科學論文710篇，其中SCI論文68篇，發(fā)表有關(guān)專著1本；獲得軟件著作權(quán)2項。五、科學數(shù)據(jù)匯交計劃年度相關(guān)研究內(nèi)容科學數(shù)據(jù)匯交計劃2010.6-2010.121、根據(jù)課題設(shè)計內(nèi)容，選定適合本課題研究的區(qū)域氣候模式及其物理過程方案，選定有關(guān)城市化與氣候變化關(guān)系統(tǒng)計分析方法；2、根據(jù)課題設(shè)計內(nèi)容，選定本課題模擬和統(tǒng)計分析各典型區(qū)域，及收集基礎(chǔ)氣候和下墊面數(shù)據(jù)資料；3、開展初步的數(shù)值模擬實驗和統(tǒng)計分析。60公里分辯率區(qū)域模式下墊面氣候初始場格點數(shù)據(jù)集2011.1-2011.121、根據(jù)不同空間尺度，構(gòu)建具有相同空間和時間分辨率的典型區(qū)域LUCC、測邊界氣象場、逐年氣象要素場、植被特征格點數(shù)據(jù)集，為多區(qū)域氣候模模式模擬提供基礎(chǔ)；2、根據(jù)多模式氣候模擬及與觀測氣象要素場的統(tǒng)計分析，降低區(qū)域模式模擬噪聲模式集合方法研究；3、中國區(qū)域重大LUCC活動（開墾與退耕，城市擴展，毀林與造林再造林，過牧與草地恢復）的氣候效應研究中國區(qū)域重大LUCC活動多區(qū)域氣候模式模擬輸出場格點數(shù)據(jù)集（1050年長期積分，2060公里分辯率）2012.1-2012.121、開展不同典型區(qū)域間（長三角、珠三角、西北、東北、黃淮海）LUCC對區(qū)域氣候變化的影響的集合模擬和分析研究；2、通過對地觀測、通量和微氣象、臺站氣象的生物物理參數(shù)的分析和區(qū)域氣候模式的模擬，綜合分析LUCC對氣候的影響機制3、LUCC區(qū)域氣候效應的模擬數(shù)值平臺設(shè)計與搭建。LUCC歷史變化對不同典型區(qū)域氣候影響的模擬輸出場（1050年長期積分，2060公里分辯率）格點數(shù)據(jù)集2013.1-2013.121、開展LUCC對區(qū)域極端氣候和氣候極值的集合模擬和統(tǒng)計分析研究；2、開展不同國家或區(qū)域間（中國、巴西、印度、哈薩克斯坦、北非、美國等）LUCC對氣候變化的影響的集合模擬和分析研究；3、建立未來LUCC變化和未來全球氣候變化情景下下墊面和測邊界數(shù)據(jù)集的構(gòu)建研究。未來氣候變化情景GCM模擬側(cè)邊界場格點數(shù)據(jù)集（50100年積分時間、200公里左右分辨率）格點數(shù)據(jù)集若干不同國家或區(qū)域間LUCC氣候效應的區(qū)域氣候模式模擬輸出場格點數(shù)據(jù)集（1050年長期積分，2060公里分辯率）2014.1-2014.121、 開展LUCC未來情景下未來主要區(qū)域氣候變化情景的分析和模擬研究；2、開展優(yōu)化選擇LUCC調(diào)控區(qū)域氣候的模擬研究；3、課題和項目總結(jié)。未來氣候變化多模式集合模擬輸出場（20100年模擬，2060公里分辯率）格點數(shù)據(jù)集優(yōu)選的LUCC格點數(shù)據(jù)集和對應區(qū)域氣候模擬輸出格點