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人类对水资源的开采、利用、调配和农作物播种、生长、收割过程引起陆面与大气之间水分、能量的交换，从而对气候产生重要影响。在气候系统模式中合理表示取水用水等人类活动及其影响下的作物生长过程，对于深入理解人类活动与气候变化间的相互作用与过程具有重要意义。本博士论文的主要研究目标是发展考虑人类取水用水调水活动以及农作物生长过程影响的陆面水文过程与区域气候模式，并为研究这些人类活动的气候效应研究提供模式平台，研究并揭示其对陆面水文过程与区域气候影响规律。围绕上述研究目标，本论文基于陆面模型CLM3.5及区域气候模式RegCM4，发展了考虑人类地下水开采利用过程、水资源调配过程的方案，并与CERES农作物模型实现耦合，建成了考虑水资源开采利用和农作物生长过程的陆面模型及气候模式，针对上述过程对气候的影响展开研究。论文主要成果总结如下:
(1)评估区域气候模式RegCM4的模拟能力，探讨其不同陆面过程方案BAT1e、CLM3.5的选取对其模拟结果的影响。利用RegCM4模式，分别选取其陆面模块BAT1e与CLM3.5，针对东亚区域进行了长期的模拟试验，用以探讨RegCM4中不同陆面参数化方案对气候模拟的影响。评估结果表明，RegCM4模式对东亚气候有着良好的模拟能力。陆面过程方案选择CLM3.5的试验R-CLM的模拟结果总体优于选择BATS1e的试验R-BATS。其中，R-CLM的2m高气温平均偏暖约3.6℃，均方根误差减少近44％;降水相对偏少约0.17mm/天，均方根误差减少约6.9％;10cm土壤湿度平均偏湿约0.008m3/m3，在中国东北等中高纬度地区增湿效果最为明显。分析表明，R-CLM的土壤湿度偏湿是因为CLM3.5中考虑冻土影响的产流机制使得中高纬度地区的蒸散发及径流模拟相对偏少，过多水分滞留土壤所致。
(2)发展了考虑人类取水用水调水活动影响的陆面水文过程与区域气候模式，研究并揭示人类对陆地水资源的再分配过程对局地及区域气候的影响及机理。发展了考虑人类地下水开采利用和跨流域调水方案，将其与陆面模型CLM3.5和区域气候模式RegCM4耦合，建立了考虑人类取水用水调水活动影响的陆面水文过程与区域气候模式，并通过针对中国海河流域的长期模拟试验，探讨取水用水和调水过程对局地陆面过程及区域气候的影响。结果表明，人类地下水资源开采利用引起流域陆地水储量的迅速减少和陆地表面降温增湿的变化，流域陆面变量的改变也引起了流域周边区域的气候变化。流域东北的盛行西风带下游地区由于环流改变和夏季更多的水汽输入，也呈现降水增加;而降温的现象则主要出现在流域以西，西风带上游的地区。这些冷湿效应的变化程度与其用水需求呈正相关关系，并随着时间推移而逐渐增强。如果不考虑气候的反馈作用，开采试验中所引起的陆面变量的变化程度基本与其需水量呈近似的线性相关关系，而考虑气候反馈之后，大气非线性的反馈作用会进一步增大这一差异，使得总体变化程度与其需水量呈高度非线性的正相关关系。在此基础上，受水区若接受来自流域外的水资源输入之后，地下水位有显著的回升，并伴有微弱的降温增湿效应。来自陆面的这一差异也影响了受水区底层大气，并对陆面形成了一定的正反馈。调水引起的气候变化强烈依赖其调水量的大小，呈正相关关系。
(3)建立了考虑作物生长过程的耦合模式，并进一步考虑取水用水过程，用以探讨取水用水与作物生长过程对区域气候的影响。将作物生长模型CERES-Maize、Wheat、Rice与CLM3.5和RegCM4模式的耦合，建立了耦合模式CLM_CERES和RegCM4_CERES，并通过针对中国区域的模拟试验，对耦合模型的模拟效果进行初步的验证。与站点观测的作物生态数据相比，耦合模型均能较好地模拟玉米、小麦、水稻的播种、生长、收割过程，扩展了原模型CLM3.5及RegCM4对于农作物生理过程的模拟能力。但由于作物所占的网格比例较小，并不能产生较强的反馈影响气候，因而耦合模式结果相对原模型而言并无显著性差异。与原模型CLM3.5和RegCM4相比，耦合模型CLM CERES和RegCM4_CERES模拟的根系比例在华北、黄淮地区均有所增加，而LAI在华北地区也有所增加，南方地区有所减少。这一差异进一步导致华北地区植被蒸腾量增加，土壤湿度有所降低，产流减少，而南方地区LAI的减少也造成地面吸收太阳辐射增加，地表和土壤温度因而有所升高。在考虑取水用水过程之后，耦合模式的模拟结果虽然与原模型相比模拟效果并未发生显著改变，但在华北地区地下水位、中国南方地区气温的模拟等方面有一定改善。