基于多源数据的降水季节变化及其对热带稀树草原植被的影响

发布时间：2020-08-20 12:11

【摘要】：全球温度变暖加剧,不仅引发气候条件快速变化,而且对生物圈、水圈、土壤圈、大气圈之间的物质能量循环产生重要影响,进而对人类的生存环境构成严峻的威胁。降水条件的改变对全球变化具有重要的指示作用,而认识陆地生态系统对降水的反馈作用,也将进一步加深对全球变化的认识,从而为应对全球变化可能造成的危害如陆地生态系统的失衡、人类粮食安全问题和灾害性天气事件等提供预警和预防策略。在多源长时间序列遥感数据的支持下,本研究首先探明热带雨季的时空变化特征,进一步探讨降水季节变化对热带稀树草原植被的影响。具体研究内容如下:一、利用TRMM、CHIRPS、GPCC和MSWEP日降水数据,分析全球降水季节性特征,包括定义雨季区域和提取降水季节性因子(雨季降水、雨季降水占年降水的比例、雨季个数、雨季起止时间和长度),分析雨季因子的空间分布特征以及其在不同产品间的时间序列差异,同时,探讨雨季起止时间和长度与雨季降水量的关系。二、以萨赫勒(Sahel)为研究区,在CHIRPS日降水数据和NDVI(MODIS,2001—2015年)数据支持下,基于空间尺度分析了不同降水梯度下降水季节性因子(雨季起止时间和降水天数)和雨季极端天气因子(降水强度、极端降水比例和最大持续干旱天数)对植被生物量(ANPP)的影响。三、以热带稀树草原为研究区,利用CHIRPS和GIMMS-3gNDVI长时间序列观测数据(1982—2015年),基于时间尺度探讨了降水季节性因子(雨季起止时间、雨季长度和雨季降水量)对生长季NDVI年际变化的影响及其关系随时间的变化。四、以热带稀树草原为研究对象,利用气象数据(CRU和CHIRPS)和植被数据(GIMMS-3gLAI和VOD),探讨了极端降水频次增多对热带稀树草原生态系统结构的影响。本文的主要研究结论如下:1、本研究利用GAM(Generalized additive models)模型模拟日降水观测值的变化,采用信息准则(Akaike information criterion,AIC)值对其进行拟合优度评价,发现了 AIC值适用于提取全球范围内的雨季区域,具体表现为全球雨季区主要分布在亚马逊雨林、澳大利亚北部、亚洲南部、南非和北非等大部分地区。在雨季区域,雨季降水占年降水比例均值为82±10(%),雨季降水和雨季长度均表现出由赤道向两侧递减的变化趋势,而雨季起止时间则在南北半球表现出相反的变化规律(即北半球雨季开始在上半年,雨季结束在下半年;南半球雨季开始在下半年,雨季结束在上半年)。此外,基于不同降水产品的雨季参数在各典型雨季区(巴西中部、Sahel、非洲南部和印度)表现出较高的时间序列变化一致性,但基于GPCC的雨季降水量在Sahel和非洲南部与其他三种产品表现出较大的差异性。雨季起止时间和长度与雨季降水具有显著相关性,表明雨季特征参量(雨季起止时间和长度)对降水变化具有指示作用,其中,雨季降水与雨季长度相关性最强(具有显著性的象元个数n = 35 754,均值r = 0.58),而与雨季开始时间为负相关(n = 26 521,r=-0.45)。2、基于空间尺度分析Sahel地区的生长季ANPP(由生长季NDVI之和表示)和季节降水指标(雨季起止时间、降水天数、降水强度、极端降水量和持续干旱天数)的关系,研究发现在年降水量为100—300 mm yr-1的干旱区,ANPP对季节性降水指标的变化不太敏感,而半干旱地区(年降水量为300—700 mm yr-1)的植被生物量受到多数雨季指标的影响,特别是降水天数和雨季起止时间。此外,研究分析了 Sahel地区降水指标影响植被生长变化的关键节点,研究表明生长季ANPP会受到连续干旱天数14的强烈负面影响,同时指出降水强度在13 mm day1时,最有利于作物的生长(即获取最佳ANPP)。总而言之,雨季的降水天数和雨季的起止时间等季节性降水指标对Sahel地区植被生长具有重要的调节作用,同时,暗示着在模拟此类地区植被初级生产力时需要考虑降水分布变化的影响。3、基于长时间序列的降水和植被数据探讨雨季指标对热带稀树草原植被生长季NDVI的影响,分析结果表明:降水季节指标(雨季起止时间、雨季长度和雨季降水量)均对热带稀树草原植被生长季NDVI产生重要影响,除雨季开始时间与生长季NDVI呈负相关,其他雨季指标(雨季结束、雨季长度和雨季降水量)均与生长季NDVI呈正相关,其中,雨季降水量对生长季NDVI的影响高于其他雨季指标。生长季NDVI受雨季指标影响显著的地区主要分布在雨季降水量低于约为900 mm yr-1的具有明显雨季特征的干旱地区。此外,研究表明生长季NDVI对雨季指标的敏感性在过去的30年里发生了显著的变化,其中,在Sahel地区表现出显著的下降趋势,这对未来研究具有重要的启示作用。4、基于极端降水频次增加对热带稀树草原生态系统造成影响的假设,本研究结果表明,在过去30年里同时期同区域出现极端降水频次增加和草本植被(由生长季LAI最大值表示)对年降水依赖程度显著降低的现象,表明热带稀树草原生态系统在近几十年来发生了显著变化。具体表现为,21%的热带稀树草原(面积为205 675 km2)出现了草本植被对降水敏感性的显著(p0.05)减弱,其中的35%区域出现了木本植被覆盖度和极端降水频次同时增加的现象,即共有23%的热带稀树草原(面积为218 700 km2)的木本植被覆盖度(增长率为5.5%)和极端降水的增加表现出时空一致性。这些变化表明气候变化引起了热带稀树草原生态系统中木本植被和草本植被共存关系的改变。综上所述,本研究提出一种新的识别雨季区域的客观方法,在此基础上分析了全球尺度下降水季节因子的时空变化特征,并指出季节参量变化能够指示雨季降水的变化,增强了关于全球变化对降水变化影响的认识;从空间尺度到时间尺度系统地分析了降水季节因子对热带稀树草原植被生物量和生长状况的影响,指出了除雨季降水量以外的雨季因子(如雨季起止时间和雨季长度等)对植被的影响;最后,研究指出热带稀树草原生态系统结构在过去的几十年里发生了显著变化,提出了极端降水频次增多有利于热带稀树草原上木本植被生长的观点。由此可见,在全球变化的背景下,雨季区域降水条件发生了显著变化,其不仅影响陆地植被生物量和植被生长状况,而且进一步影响着陆地生态系统的组成结构。本研究对深入理解全球气候变化及其对陆地植被圈的影响具有重大贡献和指导意义。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：Q948;P426.6
【图文】：

雨季降水,年降水,全球

当前定义全球雨季区域方法主要依据有１）根据盛行风向与风速（Ｒａｍａｇｅ，１９７１）逡逑和２）降水年内变化即夏季降水与冬季降水的比值（Ｗａｎｇ邋ａｎｄ邋Ｄｉｎｇ，邋２００８），而根据逡逑该定义得到的全球雨季区域如下图１．２所示，全球雨季区主要分布在东南亚、印度逡逑？逦尼西亚至澳大利亚、非洲南北防线沿赤道附近以及美洲南北方向沿赤道附近，其所逡逑属温度带主要为亚热带区域（图１．２ａ）。根据季风的特点即每年盛行风方向发生逡逑改变，夏季湿润的海洋空气易被季风吹向大陆而形成降水，进而导致雨季的出现。逡逑同时，运用８５０邋ｈＰａ炜向风，通过定义雨季西风指数（ＭＷＩ，Ｍｏｎｓｏｏｎ邋ｗｅｓｔｅｒｌｙ逡逑ｉｎｄｅｘ）和测量年平均纬向风速，也可以确定热带季风区为雨季区域（图Ｉ．邋２ｂ）。逡逑对中国雨季特征的探宄为了解中国气候特征奠定基础，同时也是认识中国气候逡逑季节变化和东亚季风对中国气候影响的基本问题。中国东部地区（中国雨季区，图逡逑３逡逑

技术路线图,中间变量,方框,区域提取

逦南京大学博士学位论文逦逡逑２、方法应用：主要包含研宄中构建的新方法（如雨季区域提取）和常规统计逡逑方法。值得注意的是，植被生长季由雨季的起止时间来确定，即将雨季前后加减逡逑１５天的期间定义为植被生长季。此外，部分统计方法没有在图中标出，如偏相关逡逑回归和岭回归分析以及变量趋势线的去除等。图１．３中以虚线方框标注应用方法。逡逑３、中间变量或最终结果的产生：中间变量主要为研宄实施过程中得到的中间逡逑参数（如雨季因子，包含雨季起止时间、长度、雨季降水量和持续干旱天数等），逡逑结果部分对应各章节的研宄结果，在图１．３中主要由实线方框标注。逡逑｜气象曑分析｜逦丨植被0分析｜逡逑

热带稀树草原,综合特性

划分出具有相对一致的生态综合特性的区块。Ｏｌｓｏｎ邋ｅｔａｌ．，邋（２００１）等根据全球制定的逡逑生态群落保护计划以及各类生物群落的综合特性和环境条件等，提出了以生物群落逡逑为单位的完整的全球生态地理区划图（图２．２）。逡逑Ｉ

【参考文献】