近20年中國土地利用變化影響區域氣候的數值模擬

陳海山 李興 華文劍

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近20年中國土地利用變化影響區域氣候的數值模擬

陳海山1, 2李興1, 2華文劍1, 2

1南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心/氣象災害教育部重點實驗室，南京210044;2南京信息工程大學大氣科學學院，南京210044

區域尺度土地利用/土地覆蓋變化（LUCC）的氣候效應以及土地覆蓋數據的不確定性，一直是LUCC研究不可忽視的關鍵問題。本研究基于最新的遙感資料，采用新的區域氣候模式RegCM4.0，探討了1990年至2010年中國LUCC對區域氣候的影響。結果表明，中國區域LUCC使得局地氣溫和日較差發生了顯著改變，而降水及低層環流場變化不顯著；LUCC的影響存在季節性差異，其中，夏秋季響應程度較大且主要體現在邊界層內。就LUCC對氣候影響的機理各地區有所不同，華北地區LUCC的氣候效應主要受蒸散發作用主導，而長江流域則由反照率與蒸散發共同作用。這些結果均說明，較短時間尺度的LUCC氣候效應主要體現在其局地范圍，且在不同的季節有所差異。

土地利用/土地覆蓋變化 區域氣候 數值模擬

1 引言

全球變化已經成為近幾十年的熱點話題。根據IPCC第五次評估報告（IPCC，2013），自工業革命以來，人類活動的凈影響已成為全球變暖的原因之一，且與近半個世紀以來的海平面上升、極端天氣氣候事件的逐漸增多存在一定的聯系。除溫室氣體和氣溶膠以外，人類活動影響氣候的另一個重要方面是土地利用/土地覆蓋的變化。早在1995年，國際上就提出了“土地利用/土地覆蓋變化”（Land Use and Land Cover Change，LUCC）研究計劃（Turner et al.，1995）。人類活動引起的地表覆蓋的變化對氣候和生物地球化學圈的影響得到普遍關注（Foley et al.，2005；Pielke Sr，2005），LUCC與全球變化的關系已經成為全球變化研究的核心內容之一（傅伯杰等，2005）。

LUCC是人類改造自然生態系統的最直接的體現。其不僅會影響局地或者區域尺度的氣候，也 會對季風以及大氣環流產生影響（符淙斌和袁慧玲，2001）。同時，LUCC還會引起CO2（二氧化碳）、CH4（甲烷）等溫室氣體的過量排放，改變大氣化學成分。LUCC對氣候影響體現在多個方面，其可以通過改變輻射、云、地表反照率和粗糙度等進而影響到陸—氣之間的能量、水分交換。例如，熱帶地區的森林砍伐會降低地表粗糙度，導致蒸散發作用減弱，引起增溫（Henderson-Sellers et al.，1993；Hahmann and Dickinson，1997）；LUCC的一個極端體現就是“城市熱島”效應，城市與自然下墊面性質的極大差異造成了能量、水循環的不同，導致局地地表溫度升高（Zhang et al.，2005；陳海山和張葉，2013）；LUCC不僅可以影響局地的氣候，還會對大尺度全球氣候產生影響，如：中緯度的LUCC會使得亞洲夏季風減弱（Chase et al.，2000）、LUCC也會通過遙相關影響其他地區的氣候（Chase et al.，2001；Werth and Avissar，2002）等。雖然大量研究表明LUCC對氣候有明顯影響（Gao et al.，2003；張耀存和傅小鋒，1998；Shi and Wang，2003；Wang et al., 2003；陳星等，2006；高學杰等，2007；于燕和謝正輝，2012；華文劍和陳海山，2013；Hua and Chen, 2013；李婧華等，2013），但是正如IPCC指出，人類活動造成的LUCC對氣候影響的研究仍然薄弱。其中，LUCC導致的輻射強迫的不確定性仍然很大，主要問題之一是對于歷史資料、衛星遙感等手段反演或者利用不同信息來源構建的土地覆蓋數據存在差異，數值模擬采用不同數據源的土地利用/土地覆蓋數據可能會使得模擬結果存在不確定性（Benítez et al.，2004；陳鋒和謝正輝，2008）。

最近幾十年，由于社會、經濟的迅速發展，中國城市化進程加快，區域農作物面積增加，伴隨的是自然資源的過度使用以及生態系統的破壞。隨著衛星監測技術的迅速發展，觀測到的LUCC空間信息表明，20世紀90年代以來中國土地空間格局發生了重大的調整與結構性變化（劉紀遠等，2002；2009），尤其是雨養農田、灌溉農田的改變。中國作為農業大國，農田占有很大的國土面積，且增長迅速，農業上土地利用管理的變化（如農田灌溉、農田免耕和作物輪作等）也會對區域甚至更大尺度的氣候產生影響，例如，農田灌溉的降溫作用以及局地水文效應（Kueppers et al.，2007；陳鋒和謝正輝，2008；Zhang et al.，2010；毛慧琴等，2011b）。因此，深入探究近代土地利用格局改變所引起的氣候效應變得尤為重要。

大量研究已經證實了LUCC對區域氣候的影響（毛慧琴等，2011a；邵璞和曾曉東，2012），但是目前很多工作都是采用理想的土地覆蓋試驗（例如大范圍的植被替換，不考慮人類活動影響下的理想植被），不能反映較短時間尺度（幾十年）LUCC氣候效應。此外，相比于全球模式，區域氣候模式在分辨率、中小尺度物理過程和局地氣候的描述上要更加詳細、精確，其在東亞區域的應用比其他地區更為重要（Gao et al.，2006），可以更好地模擬出中國LUCC的區域氣候效應。針對近20年來中國區域真實的LUCC，本文基于最新的遙感資料，采用高分辨率的區域氣候模式，探討21世紀初中國LUCC對區域氣候的影響。

2 資料與模式

本研究所用到的模式為意大利國際理論物理中心（The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics，ICTP）所開發的RegCM4.0模式（Giorgi et al.，2012）。與第三代相比，RegCM4.0在行星邊界層、積云參數化、陸面過程和海洋通量等方案都進行了較大改進。因其對中國區域的模擬能力較好（劉向培等，2011；鄒靖和謝正輝，2012），該模式也被廣泛應用到中國區域的古今及未來氣候變化、LUCC氣候效應等研究當中（高學杰等，2007；Zhang et al.，2008；Shi and Gao，2012）。

本研究試驗區域中心格點為（34°N，105°E），水平分辨率為50 km，東西方向102個格點，南北方向144個格點，垂直分辨率為非均勻的18層，投影方式為蘭伯特投影，頂層氣壓為50 hPa，積分步長為60 s。初始場采用美國大氣研究中心/美國環境預報中心（NCAR/NCEP）的2.5°×2.5°的NCEP/DOE Reanalysis II數據，側邊界每6 h更新一次，采用 指數松弛方案。海溫資料采用美國海洋大氣局（NOAA）的OISST（Optimum Interpolation Sea Surface Temperature）月平均資料。輻射傳輸方案采用NCAR CCM3方案（Kiehl et al.，1996），積云參數化方案采用MIT-Emanuel方案（Emanuel and Zivkovic-Rothman，1999），海洋通量參數化方案采用Zeng方案（Zeng et al.，1998），陸面參數化方案采用生物圈—大氣圈傳輸方案BATS1e（Dickinson et al.，1993）。模式中默認使用的土地利用數據為美國USGS（U.S. Geological Survey）基于衛星反演的GLCC（Global Land Cover Characterization）資料，時間為1992年4月～1993年3月；其在中國區域的分布類型如圖1所示。不同土地利用資料對中國地區土地覆蓋描述的區域性差異很大；其中，與其他資料相比，模式自帶資料對中國區域土地利用類型的描述存在諸多問題，如：準確度較低，甚至與通量站觀測數據完全相反（宮鵬，2009）；時效性較差，仍使用90年代的土地利用/土地覆蓋類型（冉有華等，2009）；數據存在較大的不確定性（Herold et al.，2008），尤其是在我國南方作物/混合耕作地和灌溉農田的分布上。本研究基于遙感數據反演獲得中國土地覆蓋分類產品，數據源為1990年3～10月逐日AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer）反射率數據和每三天的AVHRR NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）數據，以及2010年3～10月逐日的MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）反射率數據和每三天的MODIS NDVI數據，均由LTDR（Land Long Term Data Record）數據集提供，具體產品的提取與分類參見Li et al.（2015）。楊永可等（2014）以Google Earth（谷歌地球軟件）高分辨率遙感影像選取729個驗證樣本作為真實地表信息，評價了國際上現有的五種大尺度土地覆蓋產品在中國區域的精度，結果表明這兩組產品在中國區域的總體精度均高于國際上現有的五種大尺度土地覆蓋產品在中國區域的精度。

采用1990年與2010年的土地利用/土地覆蓋類型資料，目的在于更真實地描述兩個典型年代的土地覆蓋變化，進而研究21世紀初LUCC對中國區域氣候的影響。本研究共設計2組試驗（E90和E10試驗）。E90試驗：采用1990年土地覆蓋遙感資料，將模式自帶資料中中國區域的土地覆蓋分布替換為遙感資料中相應區域的分布，而中國外地區仍使用模式自帶GLCC資料；E10試驗：采用2010年土地覆蓋遙感資料，由于LUCC的分類和變化情況十分復雜，基于Li et al.（2014）的研究，發現中國區域主要的LUCC是農作物的改變，所以在E10試驗中，對于每個格點，將農作物所占的百分比由1990年的值修改為2010年的值（模式里的農作物為：作物/混合耕作地和灌溉農田），相應地，其他植被類型的百分比也做了線性調整，其他設置同E90試驗。兩組試驗積分時間均為1989年1月1日～2011年1月1日，其中1989年認為是模式初始化調整（spin-up）時段，不做分析，取1990年～2010年共21年的數據進行分析。圖2a、b分別給出了1990年和2010年土地覆蓋資料的作物/混合耕作地與灌溉農田分布。對比模式自帶GLCC資料，不難發現，GLCC資料對于中國南方土地利用類型（尤其是農作物）的描述準確度較低。1990年和2010年土地覆蓋資料農作物的差別主要集中于圖2方框內所示地區，分別代表（I）作物/混合耕作地減少區、（II）作物/混合耕作地擴張區、（III）灌溉農田變化區。以E10與E90試驗模擬結果的差值作為2010年與1990年LUCC對氣候的影響。除風場差異采用矢量檢驗外（施能等，2004），其他變量的差異顯著性檢驗均采用檢驗，信度水平均取為90%。

圖1 模式模擬區域范圍以及模式自帶GLCC（Global Land Cover Characterization）數據中中國區域土地利用類型分布（1作物/混合耕作地；2短草；3常綠針葉林；4落葉針葉林；5落葉闊葉林；6常綠闊葉林；7高草；8沙漠；9苔原；10灌溉農田；11半沙漠；12冰蓋/冰川；13泥沼/沼澤；14內陸水；15海洋；16常綠灌木；17落葉灌木；18混交林地；19混合森林/田地；20水陸混合體）

圖2 1990年與2010年灌溉農田和農田/混合耕作地空間分布，藍色代表灌溉農田，紅色代表作物/混合耕作地。圖中方框表示1990年與2010年土地利用類型差異較大區域，從北到南分別為（I）作物/混合耕作地減少區、（II）作物/混合耕作地擴張區、（III）灌溉農田變化區

3 結果分析

3.1 LUCC對溫度和降水的影響

圖3給出了兩組實驗各個季節的平均氣溫差值空間分布。不難看出，LUCC主要影響夏秋季氣溫，而對春冬季影響很弱。夏季時，華北和長江流域大部分地區平均氣溫升高0～0.5°C；其中，內蒙古中部升高較明顯，河北、山西北部稍有降低，而長江流域氣溫變化最為明顯，升高幅度在0.5°C以上（通過0.1統計顯著性檢驗）。為進一步研究這種局地信號是否能延伸至高層，從而影響高層大氣的熱力狀況，圖3e給出了LUCC主要改變區域的經向平均（112°E～117°E）夏季溫度差值的緯度—高度剖面圖。可以發現，長江流域氣溫的變化可以延伸至邊界層頂，信號較強，南北跨度較大；而華北區域無論增溫還是降溫信號均較弱，對高層大氣影響并不明顯；可見LUCC的影響主要體現在邊界層內。秋季的地面氣溫變化在長江流域和夏季較類似，但在華北區域響應較弱。相比氣溫而言，LUCC對日較差的顯著影響在各個季節均得到了體現（圖4），這與華文劍和陳海山（2013）的結論一致。具體來說，內蒙古中部以及河北、山西等地從春季到冬季的日較差均有顯著的升高或降低，其變化受最高氣溫和最低氣溫共同調制（圖略）；而對于長江流域來說，過渡季節日較差變化主要是因為最高氣溫的升高導致的，最低氣溫貢獻較弱，但在冷暖季受到最高和最低氣溫的共同影響，可見LUCC在不同區域、不同季節造成的影響也不同。

圖3 LUCC引起的多年平均地面氣溫的差值分布（E10減E90，單位：°C）：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季；（e）112°E～117°E平均的緯度—高度剖面。打點區域表示通過0.1顯著性檢驗

圖4 同圖3a–d，但為日較差（單位：°C）

圖5給出了LUCC引起降水變化的空間分布。總體來看，LUCC對各季節降水的影響均不顯著；相對而言，夏秋季的降水量變化較其他季節明顯。夏季，中國中東部大部分地區降水減少5%～10%，其中河北北部、安徽南部以及江西大部減少較明顯，而在甘肅東部，四川以及陜西南部地區降水有所增加，幅度約為10%～15%。秋季降水的變化較夏季相比較類似，但在甘肅東南部部分地區和長江中游地區有比夏季更顯著的增加或減少。上述分析中值得關注的是，LUCC不僅顯著影響了夏季的氣候，而且對于秋季來說響應幅度也是不可忽略的，但春冬兩季的變化程度較微弱，由此可見LUCC的影響可能具有較明顯的季節性差異，且這種差異也在許多研究中被發現（丁一匯等，2005；Yamashima et al.，2011）。

圖5 同圖3a–d，但為降水差值百分率

3.2 LUCC對低層環流場的影響

圖6給出了兩組試驗各個季節的地面10 m風場差值。在LUCC的影響下，各季地面風場均存在變化顯著區域，但這種風場的變化無論在程度以及范圍上，夏、秋季均要強于冬春季，說明地面風場對LUCC的響應也存在季節性差異，在不同環流背景下響應是有區別的。春、秋、冬三季時，LUCC可使中東部大部分地區近地面出現異常的西北風；其中，秋季的長江中下游和冬季的華北北部，異常西北風最為明顯，這很可能是由于這些地區LUCC比較明顯造成的。另外，個別地區的風向和風速變化明顯強于四周，這或許與局地地表粗糙度的改變有關，但在秋季如此呈規模的西北風增強也有可能是因為LUCC通過改變地表熱力異常而導致了季風的變化。夏季時，大范圍的異常偏北風消失，華南和華北地區均存在一個反氣旋，近地面氣流輻散，不利于上升運動和成云致雨。在兩個反氣旋的中間地帶，即江南北部地區，為氣流異常輻合區，將導致該地降水有所增加。850 hPa風場的變化（圖7）與地面基本一致，但仍存在一些差異：春季和冬季的850 hPa風場的變化不如地面顯著；秋季東部海面上存在一個異常氣旋，我國上空的異常西北氣流仍然十分清晰，降水場上也可以看出南方大部分地區降水稀少，表明這種影響是系統性的，可能與夏季風提前撤退，冬季風提早建立有關，說明LUCC可能使由夏向冬的季節進程有所提前；在夏季，850 hPa上能更清晰地看出我國上空受反氣旋環流控制，表明夏季風強度總體偏弱，但在季風邊緣區有所增強。綜上，可以初步認為，LUCC使得東亞夏季風略微減弱，同時使夏季風向冬季風的季節過渡提前；但在冬春季，風場的改變僅局限于地面，且冬季風的強度變化不明顯。

圖6 LUCC引起的多年平均地面10 m風場差值分布（E10減E90，單位：m s?1）：（a）春季；（b）夏季；（c）秋季；（d）冬季。紅色區域表示通過0.1顯著性檢驗

圖7 同圖6，但為850 hPa（單位：m s?1）

4 不同區域LUCC的影響機理分析

以上分析表明，在LUCC明顯的區域，氣候響應較大，且尤以夏季最為突出，說明LUCC的影響具有局地性和季節性差異。不同區域LUCC造成的氣候效應迥異，這可能與其具體轉變類型有關，為了進一步驗證這一觀點，下面將以夏季為例，對不同LUCC影響氣候的機理進行比較分析。

相比于1990年，2010年中國區域土地覆蓋類型的變化主要表現為作物/混合耕作地和灌溉農田的改變。區域I的LUCC體現為作物/混合耕作地改變為短草，可能增加了地表粗糙度，減弱了地面風速（圖略），伴隨土壤濕度的降低，促使蒸散發作用減弱（見表1），導致氣溫升高約0.13°C且降水減少。盡管反照率小幅增加造成凈輻射減少（見表1）將會產生弱的降溫作用，但這不足以抵消蒸散發減少引起的升溫。區域II的情形則相反，作物/混合耕作地的擴張使得土壤濕度增加，蒸散發作用增強，引起降溫（見表1）；同時，地表反照率的增加對降溫也有一定的貢獻。區域I和區域II的日較差變化相反，其原因可能是LUCC對日較差具有一定的調節作用，其可通過改變云量、土壤濕度、降水、相對濕度等影響日最高和最低氣溫，尤其是最高氣溫（Dai et al.，1999；華文劍和陳海山，2013）。

表1 不同區域LUCC引起的多年夏季平均氣候變量的差異（E10減E90）

江淮一帶灌溉農田的變化（區域III）同樣引起降水的減少，其原因是由于灌溉農田減少導致土壤濕度減小，進而使得蒸散發減弱（見表1），區域大氣中水汽含量降低，最終導致降水減少，這與Pielke Sr（2001）、毛慧琴等（2011b）的結論一致。與前兩個區域相比，區域III的LUCC造成的升溫幅度均高了近0.1°C（見表1）。主要是由于區域III的LUCC主要表現為灌溉農田改變為其他種類的植被（大部分轉變為混合森林/田地和作物/混合耕作地），而這將通過兩種途徑影響地面氣溫：其一，LUCC造成地表反照率減少，地面吸收更多太陽輻射，進而引起氣溫升高；其二，LUCC引起地表粗糙度增大，地面風速減弱，加上土壤濕度的降低抑制了蒸散發作用，引起升溫。由此可見，作物/混合耕作地與灌溉農田的互相轉變造成的氣候差異要比作物/混合耕作地與短草相互轉變造成的影響大的多。但對于日較差來說后者的轉變造成的影響就要比前者大的多，后者轉變主要影響了日最高氣溫，而云量的變化（見表1）也證明了這一觀點。而前者的轉變雖然對日最高氣溫產生增溫作用比后者大，但同時可能夜間的長波輻射變化也使得最低氣溫也發生升高，所以日較差增加幅度較小。總體而言，現有的土地利用方式將加重生態環境的惡化。

5 結論和討論

人類活動的影響已經極大地改變了地球上的生態環境，LUCC是人類活動的最直接體現之一。區域尺度LUCC的氣候效應以及土地覆蓋數據的不確定性，一直是土地利用/土地覆蓋研究中不可忽視的問題。本文基于最新的遙感資料，采用的區域氣候模式RegCM4.0，探討21世紀初中國真實的 土地利用變化對區域氣候的影響，主要通過以1990年和2010年兩種不同的土地利用/土地覆蓋類型作為強迫，分別進行了兩組數值模擬試驗，得出以下主要結論：

（1）1990年代至21世紀初的LUCC造成了區域氣候的改變。氣溫方面，主要為夏秋兩季變化較顯著，在夏秋季節華北和長江流域大部分地區平均氣溫升高，但信號僅局限在邊界層內，春冬季氣溫變化不顯著。就日較差而言，各季節日較差變化較為顯著，華北區域日較差變化主要是最高、最低氣溫的共同變化的結果，而長江流域主要是受最高氣溫的影響。對于降水，夏季我國中東部大部分地區降水偏少，四川盆地以和西北地區東部有所增加，但幅度不大。低層和近地面環流場上，LUCC使得東亞夏季風略微減弱，且可能使夏季風向冬季風的季節過渡提前；而冬春季，僅地面風場有所改變。總體而言，較短時間尺度的LUCC對區域氣候的影響主要表現在局地尺度，且影響較為有限。

（2）不同區域LUCC對當地氣候影響的機理不同。以夏季為例，作物/混合耕作地與短草互相轉變，LUCC對氣候的影響主要通過蒸散發作用改變，而反照率的影響相對較弱：作物/混合耕作地變為 短草，蒸散發作用減弱，導致氣溫升高、降水減少，反之亦然；作物/混合耕作地與灌溉農田的互相轉變，LUCC可以同時通過改變地表反照率和蒸散發作用影響氣候：灌溉農田變為作物/混合耕作地等使得蒸散發作用減弱和反照率減小，進而使得氣溫升高，兩者作用疊加使信號放大，對區域氣候產生更加顯著的影響，反之亦然。

本研究所得的結果與前人的研究存在異同與不確定性；其一，由于本文旨在討論真實發生的LUCC的氣候效應，因此50 km的分辨率在描述較小范圍變化時有些偏低，高分辨率ERA-interim再分析資料可能由于質量高用于驅動區域氣候模式更為合適；其二，區域氣候模式對于氣候以及LUCC過程的描述都存在一定的缺陷，例如，本文使用的模式在東亞區域的氣溫和降水模擬方面都存在一定偏差（Zhang et al.，2008；Gao et al.，2013），并且模式還不包含生化過程，可能并不能真實地反應LUCC的氣候與生態效應；其三，用實際的環流場作為背景場來進行數值試驗，包含了較多復雜因素的影響，陸面與大氣的相互反饋可能被忽略，且已有研究表明，不同的氣候背景場下LUCC的氣候效應也會存在明顯的差異（Pitman et al.，2011；Hua and Chen，2013），甚至在不同年份也會有所不同（Zhang et al.，2010）。

中國LUCC的氣候效應近年來已經受到了廣泛關注（Fu，2003；李巧萍等，2006；高學杰等，2007；尹永飛等，2009；陳軍明等，2010；Wang et al.，2014），然而，盡管資料及研究方法豐富多樣，人們對于中國LUCC的氣候效應仍不能給出確切的答案。一方面，這種不確定性可能來源于試驗設計、使用的資料等方面的差異；另一方面，模式間物理過程的差異也是LUCC的氣候效應存在差異的一個原因。因此，還需要在統一框架下進行更多的模擬試驗，才能對LUCC的影響進行更進一步探討和分析。

致謝 特此感謝全球變化重大科學研究計劃項目2011CB952000第一課題組南京大學肖鵬峰副教授為本研究提供的土地利用/土地覆蓋資料。

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Numerical Simulation of the Impact of Land Use/Land Cover Change over China on Regional Climates during the Last 20 Years

CHEN Haishan1, 2, LI Xing1, 2, and HUA Wenjian1, 2

1,,210044;2,210044

The climate effects of regional-scale land use/land cover change (LUCC), along with land cover data uncertainties, have typically been the focus of LUCC studies. Based on remotely sensed LUCC data, the Regional Climate Model (RegCM4.0) was used to investigate the climate effects of LUCC over China during the last 20 years. Results show that LUCC in China during the past 20 years has changed the regional temperature and diurnal temperature range significantly, but there has been no noticeable precipitation response or low-level atmospheric general circulation changes. The variation of these climate factors due to LUCC differ among the seasons, with greater responses in summer and autumn, and are mainly reflected in the boundary layer. The mechanisms involved vary significantly between regions. LUCC has exerted stronger evapotranspiration than albedo effects in the modulating North China climate, while the effects from these two factors are of equal importance in the Yangtze River Basin. These results indicate that the impact of shorter time scale LUCC is local and limited.

Land use/land cover change, Regional climate, Numerical simulation

1006-9895(2015)02-0357-13

P461+.8

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1404.14114

2014-01-16；網絡預出版日期2014-05-08

全球變化重大科學研究計劃項目2011CB952000，公益性行業（氣象）科研專項GYHY201406042，國家自然科學基金項目41475083，“新世紀優秀人才支持計劃”，江蘇高校優勢學科建設工程項目PAPD

陳海山，男，1973 年出生，博士、教授，主要從事陸面過程與氣候數值模擬研究。E-mail: haishan@nuist.edu.cn