国家重点基础研究发展计划

国家重点基础研究发展计划（973计划）课题任务书项目名称：大尺度土地利用变化对全球气候的影响课题编号：2010CB950903课题名称：LUCC对区域气候的影响机制与多时空尺度LUCC气候效应研究中华人民共和国科学技术部制二一年九月一、研究内容1、研究内容（1）中国及国际典型区域城市化过程的气候效应分析及其机理研究选择典型城市化区域，使用微气象系统数据，对不透水层以及城市扩展前同类土地覆被地表参数开展对比观测，结合生态/气象台站长期观测数据、遥感数据和文献数据，分析区域城市化过程因地表覆盖改变对城市热环境的影响机理以及热岛效应，建立针对不同生态地理分区的参数化体系。识别中国城市扩展造成的气象站点被动“进城”现象，估算“进城”气象站对区域气温高估的贡献，并分析其不确定性。选择中国东部城市群及国际典型都市群，比较分析大尺度城市化过程对区域增温以及全球变暖的贡献程度，揭示区域城市化过程对地表覆盖、水热调节以及区域增温的交互过程与耦合机理，建立模型参数化体系。 （2） 典型区域人类重大土地利用活动的气候效应及机理研究选择我国北方农牧过渡带开垦/退耕、南方红壤丘陵区毁林/造林/再造林典型、内蒙古草原区过度放牧/草地恢复等人类重大LUCC活动典型区，测定不同土地利用/土地覆盖情况下地表热通量和水分通量等水热过程相关参数，结合生态/气象台站长期观测数据、遥感数据和文献数据，分析人类重大LUCC活动通过改变地表覆盖对区域气候的影响及机理，为区域气候模式提供地表参数方案；对比分析我国相关典型区，以及美国中西部、俄罗斯或哈萨克斯坦干草原区、巴西亚马孙、印度中部等区域因人类重大土地利用活动所导致的气候变化效应。 （3） LUCC气候效应数值模拟平台的构建、模拟与验证基于本项目相关参数观测数据、遥感反演生态参数、生态模拟数据、区域高分辨率多期LUCC数据集，以及全球LUCC再分析数据，建立数据分析和融合方法库，建立针对全球不同生态地理分区、区域气候模式的参数化方案；采用WRF、RegCM3、RIEMS，GOALS等全球和区域气候模式，构建嵌入LUCC信息的气候数值模拟平台。在全球和对比国/区域尺度，通过多模式集合模拟，模拟全球不同下垫面条件下的全球气候，并进行比对分析与验证，分析LUCC的气候效应。 （4） LUCC对区域气候影响的分析 利用上述模拟获得的全球人类LUCC重大活动区域/国别的区域气候时空数据集，采用空间分析方法，定量估计土地利用/土地覆盖变化对区域气候变化的贡献率及其不确定性，并对提出LUCC活动调控、适应与减缓气候变化和环境外交对策建议提供模式模拟支撑。2、本课题拟解决的关键科学问题 （1）区域气候模式对相对小量下垫面变化的区域气候响应模拟噪声的消解；（2）LUCC的空间分布复杂性如何在区域气候模式模拟中得到体现？3、本课题研究特色和创新点（1） 采用高分辨率区域气候模式模拟区域气候及其对LUCC的响应，可以充分体现LUCC的空间分布的复杂性； （2） 采用多个区域气候模式的长积分时间集合模拟,消减区域气候模式的模拟噪声；（3） 采用典型区域气候模式模拟、遥感和台站观测数据分析、区域间比对和国别比对综合分析方法探索LUCC对区域气候的影响机理；（4） 提出采用不同未来LUCC情景驱动区域气候模式集合模拟预估区域气候响应，以优化选择LUCC规划。（5） 本课题的创新点主要体现在，厘定大尺度LUCC过程导致的温室气体收支变化与陆气界面过程变化对气候变暖的贡献率。当前，国际政府间气候变化谈判存在一种倾向，即：把全球和区域生态、气候变化完全归结到人类活动所导致的温室气体排放，忽略土地利用变化导致的生物物理过程对气候变暖的影响。通过厘定大尺度LUCC导致温室气体收支变化与陆气界面过程变化对气候变暖的贡献率，可完善和深化对全球气候变化成因的科学认识，同时也为人类社会通过调控自身土地利用行为，达到减缓气候变暖的目的提供重要的科学基础。二、预期目标1、科学目标（1） 发展基于集合模拟的消除LUCC气候效应数值模拟噪音的方法，搭建起LUCC气候效应多尺度数值模拟平台；（2） 通过对比国别、区域间LUCC对过去和现在气候影响的数值模拟，同时综合典型区域台站观测数据和遥感数据分析，阐明大尺度LUCC对区域气候变化机理（3） 厘定大尺度LUCC对区域气候变化的贡献，阐明典型区域和主要重大LUCC对区域和全球气候变化的贡献。（4） 建立应用LUCC对区域气候影响的模拟实验为人类土地利用活动优化调控和气候外交谈判提供科学支撑的数值模拟实验工作流程和方法。2、能力建设目标 （1）构建成数据基础完善、由具有国内自主知识产权全球和区域模式为主体的，拥有较好区域气候分析和集合模拟能力LUCC气候效应数值模拟平台；（2）构建一个未来LUCC情景驱动下的区域气候变化情景多模式集合模拟数据库；（3） 在已有RIEMS模式基础上，发展构建更为完善的适合于进行LUCC气候效应模拟实验的高空间分辨率区域气候模式RIEMS 3.0.其主要技术指标力争在亚洲区域模拟中显著优于国外模式。3、人才培养目标通过本课题的实施，形成一支综合应用区域气候模式模拟技术、遥感数据和台站观测数据，进行LUCC对区域气候影响及其调控的多学科交叉研究团队。培养12名青年学术带头人，35名科研骨干，培养博士研究生1015名；培养硕士研究生35名；培养博士后24名。4、科学成果目标：发表相关科学论文2538篇，其中具有重要影响的（SCI）论文2030篇；力争申请获得两项软件著作权，即区域气候模式RIEMS3.0(中国科学院东亚区域气候环境重点实验室符淙斌等拥有著作权)和LUCC气候效应数值模拟平台（本项目拥有著作权）；专著1本。三、研究方案及技术路线1、 总体思路本课题研究的基本技术路线是，采用更精确的项目研究的LUCC数据集和观测数据集为基础，通过不同尺度的气候效应分析和模式模拟，探索LUCC对不同尺度气候影响的机制，在此基础上，预估未来LUCC的气候效应及优选LUCC规划。2、 研究方案选择人类重大LUCC活动典型区，采用本项目课题2开展的对不同覆被地表的水热交换、反照率、粗糙度等参数的观测资料，并利用生态长期观测数据和气象台站观测数据，本项目的遥感反演数据和历史文献数据等，开展典型区LUCC气候效应及机理研究，进行区域气候模式的参数化改进，进而开展LUCC区域气候效应的数值模拟，综合分析LUCC对区域气候乃至全球气候的影响，厘定土地利用变化对气候变化的贡献率。采用多个区域气候模式（RegCM3、RIEMS、WRF等）集合模拟，降低模式模拟的不确定性，从而可以对区域气候主要变量及极端事件进行评估，并有助于归因不同区域气候变化的特征对应的LUCC变化特征。采用本项目研究所得的较精确的LUCC过去资料，集合模拟区域气候，获取LUCC对区域气候的影响信号；采用未来可能LUCC变化情景，集合模拟未来区域气候变化情景，预估LUCC对未来气候变化的可能贡献；同时也可以通过虚拟LUCC的气候效应实验，为人类土地利用活动调控和气候外交谈判提供科学支撑。采用区域间、国家间LUCC气候效应对比，重大LUCC的区域气候效应模拟分析，台站观测气候要素与遥感观测下垫面要素和微气象和地气通量的综合分析、探索LUCC对气候影响的多尺度机制；3、技术路线（1）数据来源：不同时间和不同区域或国别的LUCC数据由本项目其它课题提供；过去和现在的台站气象、生态、下垫面生物物理参数、微气象和通量资料和遥感资料由项目其它课题提供；过去与现在的全球气候背景资料/区域模式侧边界资料采用NCEP资料和ERA资料用于模式模拟和分析的初始场和检验场的观测格点资料，由本课题收集中国区域观测资料和国际典型区域的观测资料及其格点数据集；用于未来情景模拟的的测边界场来源于GCM情景预测模拟的输出资料。（2）分析模拟方法：采用多区域气候模式（RegCM3、RIEMS、WRF等）模拟输出与观测资料的比对分析，提出多模式模拟消减模式模拟噪音和不确定性的方法；采用重大LUCC的气候效应、典型区域LUCC的气候效应和不同国家或地区的LUCC的气候效应的分析和比对提出LUCC影响气候的多尺度效应及机制；采用台站观测资料（气象要素、各类通量、与再分析资料之区别等，地表参数）、遥感、模式集合模拟综合分析，探索LUCC对气候影响的生物物理和边界层过程机制；采用未来LUCC变化情景，生成全球气候响应输出场，用来作为侧边界驱动多个区域气候模式的集合模拟，以此提出未来LUCC影响下的区域气候变化情景（包括气候极值和极端事件）；采用不同LUCC变化情景，驱动区域气候模式的集成模拟，用于优选最佳LUCC规划。（3）模式工具：全球气候模式采用中国科学院大气物理研究所GOALS模式；区域气候模式采用 采用中国科学院大气物理研究所的RIEMS模式，美国的WRF模式（地理研究所应用模式）和意大利的RegCM3模式（国家气候中心模式） （4）解决课题关键科学问题的途径：采用高分辨区域气候模式（2060公里分辨率）模拟，消减由于LUCC的空间复杂性造成的数值模拟不确定性；采用在同样的下垫面配置、初始场和测边界场下的多模式集合模拟，削减由于不同模式物理过程和参数化方案造成的不确定性和模拟噪音 （5）不同空间尺度和不同时段的LUCC对气候的影响的定量估算： 采用GOALS模式等全球模式，以实际土地利用资料作为下垫面条件，开展长时间积分，获得全球气候对全球LUCC的响应； 采用高分辨率区域气候模式，以项目所取得的最新LUCC为下垫面条件，以GCM输出（未来情景）或NCEP再分析资料作为侧边界，开展长时间积分，获得区域气候对区域LUCC的响应的集合模拟估算； （6） LUCC对气候的影响机制： 采用项目最新LUCC资料驱动关于各空间尺度上多区域气候模式的长期积分； 区域间LUCC对区域气候影响的异同的分析和模拟； 重大LUCC活动对区域气候的影响的异同的分析和模拟； LUCC对区域气候影响的国别研究和分析； 采用台站观测资料（气象要素、各类通量、与再分析资料之区别等，地表参数）、遥感、资料等观测实验资料的LUCC对气候影响的生物物理和边界层过程机制分析或模拟； 综合以上各方面的综合集成分析，获得较全面的机制理解。（7）集合方法采用模拟输出与观测资料分析的多元回归集合方法；采用模拟输出与观测资料的分析的贝叶斯集合方法；采用模拟输出与观测资料的常规平均或加权平均等常规方法；综合以上选择出最家集合方法。4、技术路线的创新性与可行性（1）采用本项目研究获取的更精确的多时段高分辨率LUCC数据集，用于驱动重大LUCC气候效应，典型区域LUCC气候效应及不同国别LUCC气候效应分析和模拟研究，是国内外有关LUCC气候效应的新尝试；（2）采用统计分析和多模式集合模拟对不同空间尺度的LUCC的气候效应的研究是当前国际上尚未完全开展的新的研究方向；（3）本研究采用典型区、分析区域对比、国别对比、数据分析和区域气候模式集合数值模拟来集成探索LUCC的多尺度气候效应机制，是在国际尚尚未见报道的新的研究思路；（4）本课题研究的所采用的模式和数据条件完全具备，具有开展有关分析和模拟研究的可行性。LUCC数据是本项目多年研究积累的成果；RIEMS模式和GOALS模式是大气物理研究所自主建立的区域和全球模式，并都是领导国际模式比较计划或参加IPCC报告模拟模式之一，RegCM3是国家气候中心用于参加IPCC报告模拟研究的模式和业务模式之一，WRF模式是地理研究所及大气物理研究所应用非常广泛的区域气候模式；有关侧边界和初始场和边界场资料，已经在应用过程中，具有很好的完整性及国际上公认的较小的不确定性。另外本研究参加人员构成中，特别对于开发或应用区域气候模式，并进行结果分析具有很长的研究积累。四、年度计划年度研究内容预期目标2010.6-2010.121、根据课题设计内容，选定适合本课题研究的区域气候模式及其物理过程方案，选定有关城市化与气候变化关系统计分析方法；2、根据课题设计内容，选定本课题模拟和统计分析各典型区域，及收集基础气候和下垫面数据资料；3、开展初步的数值模拟实验和统计分析。选定所用区域气候模式、统计分析方法；初步评价所选模式模拟和统计分析方法的适用性及不确定性范围。2011.1-2011.121、根据不同空间尺度，构建具有相同空间和时间分辨率的典型区域LUCC、测边界气象场、逐年气象要素场、植被特征格点数据集，为多区域气候模模式模拟提供基础；2、根据多模式气候模拟及与观测气象要素场的统计分析，降低区域模式模拟噪声模式集合方法研究；3、中国区域重大LUCC活动（开垦与退耕，城市扩展，毁林与造林再造林，过牧与草地恢复）的气候效应研究构建成本课题模式模拟所需要的主要数据集（项目拟研究所得LUCC的数据除外）和用于模式验证的观测数据集；提出中国区域重大LUCC活动（开垦与退耕，城市扩展，毁林与造林再造林，过牧与草地恢复）对区域气候变化的贡献的初步估算初步提出多模式集合模拟方法；发表有关科学论文68篇，其中SCI论文35篇。2012.1-2012.121、开展不同典型区域间（长三角、珠三角、西北、东北、黄淮海）LUCC对区域气候变化的影响的集合模拟和分析研究；2、通过对地观测、通量和微气象、台站气象的生物物理参数的分析和区域气候模式的模拟，综合分析LUCC对气候的影响机制3、LUCC区域气候效应的模拟数值平台设计与搭建。阐明中国不同区域LUCC（长三角、珠三角、西北、东北、黄淮海）对气候变化的影响的异同和机制；初步建成LUCC区域气候效应的分析和模拟数值平台；发表有关科学论文610篇，其中SCI论文58篇。2013.1-2013.121、开展LUCC对区域极端气候和气候极值的集合模拟和统计分析研究；2、开展不同国家或区域间（中国、巴西、印度、哈萨克斯坦、北非、美国等）LUCC对气候变化的影响的集合模拟和分析研究；3、建立未来LUCC变化和未来全球气候变化情景下下垫面和测边界数据集的构建研究。阐明不同国家LUCC（中国、巴西、印度、哈萨克斯坦、北非、美国等）对气候变化的影响的异同和机制； 初步提出LUCC对区域极端气候和气候极值的影响的特征；构建成适宜于开展未来LUCC影响区域气候的情景模拟和分析的LUCC数据集和全球侧边界数据集；发表有关科学论文610篇，其中SCI论文68篇。2014.1-2014.121、 开展LUCC未来情景下未来主要区域气候变化情景的分析和模拟研究；2、开展优化选择LUCC调控区域气候的模拟研究；3、课题和项目总结。提出多尺度LUCC影响气候的机理；提出未来LUCC情景下，主要区域气候变化的趋势和特征；提出LUCC情景下，未来中国区域极端气候和气候极值变化情景提出中国区域LUCC调控中国区域气候的初步优化方案设想；发表有关科学论文710篇，其中SCI论文68篇，发表有关专著1本；获得软件著作权2项。五、科学数据汇交计划年度相关研究内容科学数据汇交计划2010.6-2010.121、根据课题设计内容，选定适合本课题研究的区域气候模式及其物理过程方案，选定有关城市化与气候变化关系统计分析方法；2、根据课题设计内容，选定本课题模拟和统计分析各典型区域，及收集基础气候和下垫面数据资料；3、开展初步的数值模拟实验和统计分析。60公里分辩率区域模式下垫面气候初始场格点数据集2011.1-2011.121、根据不同空间尺度，构建具有相同空间和时间分辨率的典型区域LUCC、测边界气象场、逐年气象要素场、植被特征格点数据集，为多区域气候模模式模拟提供基础；2、根据多模式气候模拟及与观测气象要素场的统计分析，降低区域模式模拟噪声模式集合方法研究；3、中国区域重大LUCC活动（开垦与退耕，城市扩展，毁林与造林再造林，过牧与草地恢复）的气候效应研究中国区域重大LUCC活动多区域气候模式模拟输出场格点数据集（1050年长期积分，2060公里分辩率）2012.1-2012.121、开展不同典型区域间（长三角、珠三角、西北、东北、黄淮海）LUCC对区域气候变化的影响的集合模拟和分析研究；2、通过对地观测、通量和微气象、台站气象的生物物理参数的分析和区域气候模式的模拟，综合分析LUCC对气候的影响机制3、LUCC区域气候效应的模拟数值平台设计与搭建。LUCC历史变化对不同典型区域气候影响的模拟输出场（1050年长期积分，2060公里分辩率）格点数据集2013.1-2013.121、开展LUCC对区域极端气候和气候极值的集合模拟和统计分析研究；2、开展不同国家或区域间（中国、巴西、印度、哈萨克斯坦、北非、美国等）LUCC对气候变化的影响的集合模拟和分析研究；3、建立未来LUCC变化和未来全球气候变化情景下下垫面和测边界数据集的构建研究。未来气候变化情景GCM模拟侧边界场格点数据集（50100年积分时间、200公里左右分辨率）格点数据集若干不同国家或区域间LUCC气候效应的区域气候模式模拟输出场格点数据集（1050年长期积分，2060公里分辩率）2014.1-2014.121、 开展LUCC未来情景下未来主要区域气候变化情景的分析和模拟研究；2、开展优化选择LUCC调控区域气候的模拟研究；3、课题和项目总结。未来气候变化多模式集合模拟输出场（20100年模拟，2060公里分辩率）格点数据集优选的LUCC格点数据集和对应区域气候模拟输出格点数据集（1050年模拟，2060公里分辩率）六、课题承担人员负责人姓名性别身份证号码专业技术职务单 位每年工作时间(月)签字延晓冬男210103196211241818研究员中国科学院大气物理研究所6参加人员熊喆男422426197112182839副研究员中国科学院大气物理研究所6张丽娟女23010319650205512X教授中国科学院大气物理研究所9石英女37132819810928008x助理研究员国家气候中心8张学珍男370829198108253517助理研究员中国科学院地理科学与资源研究所6杜鑫男130430198207140154副研究员中国科学院遥感应用研究所8李银鹏男150102196810052031副研究员中国科学院大气物理研究所6研究生吴佳女博士研究生国家气候中心10吉振明男博士研究生国家气候中心10陈超男硕士研究生国家气候中心10侯美亭男博士研究生中国科学院大气物理研究所10毛慧琴女博士研究生中国科学院大气物理研究所10王筝女博士研究生中国科学院大气物理研究所10赵海燕女博士研究生中国科学院大气物理研究所10董思言男博士研究生中国科学院大气物理研究所10梁玉莲女博士研究生中国科学院大气物理研究所10王明娜女博士研究生中国科学院大气物理研究所10杨佳男博士研究生中国科学院大气物理研究所10七、签字盖章及意见课题负责人签字： 我将严格遵守973计划项目和经费管理的各项规定，根据本课题任务书，按计划组织课题组开展研究，确保完成课题研究计划，实现预期目标。课题负责人（签字）： 年 月 日课题承担单位盖章： 我单位严格遵守973计划项目和经费管理的各项规定，对参加研究的人员给予各方面的保障和支持，对课题的研究工作和经费使用进行监督，确保本课题顺利、圆满完成预期目标。负责人（签字）：（单位盖章）年 月 日项目首席科学家意见：首席科学家（签字）： 年 月 日