《Agricultural and Forest Meteorology》：Studying the impact of historical land use/land cover change (1900s–2020s) on land–atmosphere interactions in the Dongting Lake region
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本研究通过高分辨率遥感数据和WRF模型模拟，揭示洞庭湖地区百年尺度土地利用/土地覆盖变化（LULCC）对大气-地表相互作用的影响，发现湖泊萎缩和城市化导致昼夜温差不对称变化，并影响区域降水分布。
刘阳|王伦车|曹倩|于德清|于书晨|牛子庚|何秋华|杜建坤
中国地质大学地理与信息工程学院区域生态与环境变化湖北省重点实验室，武汉，中国
摘要
中国洞庭湖地区发生了前所未有的土地利用/土地覆盖变化（LULCC）。然而，在地理背景复杂的地区，这种微尺度LULCC对百年时间尺度上的陆气相互作用的影响仍不清楚。本研究收集并解释了历史记录和遥感数据，以获得过去一个世纪的高质量土地利用变化数据集。基于这些数据集，在一个典型的夏季时期（2018年7月至8月），针对三种不同的土地覆盖情景进行了高分辨率天气研究与预报（WRF）模拟：潜在自然植被（20世纪10年代）、农业干扰模式（20世纪50年代）和城市干扰模式（21世纪20年代）。结果表明，以湖泊和森林为代价的耕地扩张是最大的LULCC现象。百年间的LULCC与区域温度升高有关，湖泊萎缩和城市化是导致日温升高超过1°C的关键因素，而湖泊萎缩则引发了夜间降温，其幅度超过了日温升高，从而导致了非对称的昼夜温度变化。湖泊萎缩似乎在塑造该地区大气干燥的空间格局中起到了重要作用，夜间大气湿度减少了约1.9克/千克。它还减弱了风速，并使风向更加分散，而城市扩张则增强了从农村到城市的风流。LULCC减少了总体降水量，湖泊附近的降水量增加，而远处的山区降水量减少。我们的研究结果为理解土地利用快速转变的湖泊地区提供了重要见解，有助于在全球变暖威胁下制定缓解和适应策略。
引言
过去一个世纪以来，人类活动强烈影响，使得人为土地利用/土地覆盖变化（LULCC）成为区域气候变化的重要因素，与全球气候强迫因素并列（Davin等人，2007；Georgescu等人，2008；Jiang等人，2024；Roy等人，2022）。世界气象组织强调，包括20世纪在内的当前变暖期主要是由人类活动驱动的（Hoegh-Guldberg等人，2019；Keller，2009；Roy等人，2022；Singer，2008）。政府间气候变化专门委员会（IPCC）的第六次评估报告进一步确认，人类活动对1850–1900年至2010–2019年间观测到的温度升高贡献了约1.07°C，可能范围为0.8–1.3°C（IPCC，2023）。这些发现表明，温度变化不能仅仅归因于自然因素（Roy等人，2022；Wang等人，2023b；Yan等人，2020；Yuan等人，2023）。人类主要通过两种途径影响气候系统：温室气体的排放（生物地球化学）和地表性质的改变（生物地球物理）（Moncrieff，2004；Yamada和Pokhrel，2019）。先前的研究表明，大规模的LULCC对陆气相互作用的影响与温室气体排放相当（Pielke Sr等人，2011；Roy等人，2022；Yuan等人，2023）。目前，全球30%到50%的土地被人类活动改变，随着人类发展的推进，这一比例预计将继续增加（Theobald等人，2025；Vitousek等人，1997）。地表过程在气候系统中形成了一个动态的边界界面（Pielke和Niyogi，2010；Zhang等人，2025）。LULCC可以改变地表参数，如植被比例、粗糙度长度和每个网格单元的反照率，这些参数可以进一步影响时空尺度上的气象条件（Alkama和Cescatti，2016；Mahmood等人，2014；Pielke Sr等人，2011；Zhang等人，2025），包括温度、湿度和风场（Li和Thompson，2021；Pielke和Niyogi，2010）。此外，Feddema等人（2005）和Pielke Sr等人（2011）指出，如果在未来可能发生剧烈LULCC的地区不考虑潜在的地表强迫因素，有效应对气候变化将受到阻碍。
多项研究使用观测数据、通用环流模型和区域气候模型研究了LULCC的气候影响（He等人，2021；Yamada和Pokhrel，2019；Zhang等人，2025）。这些研究表明，LULCC的影响强烈依赖于地区特性，主要由局部地表特征、背景气候和土地覆盖转变的具体性质驱动。因此，使用区域气候模型的区域视角可以提供对这些过程的更全面见解。天气研究与预报（WRF）模型是由国家大气研究中心开发的高分辨率数值模型，已被广泛用于业务预报和气候研究（Liu等人，2023；Llorin等人，2024；Zhang等人，2025）。通过结合准确的景观表示或替换地表生物物理参数，WRF已被广泛用于研究典型的地表变化（如城市扩张、森林砍伐和湖泊萎缩）对中尺度气候的影响（Cao等人，2015；Deng等人，2023；He等人，2021；Ru等人，2024；Salazar等人，2016；Spera等人，2018）。
湖泊地区是全球对LULCC最敏感的区域之一，使其成为研究其对陆气相互作用影响的理想场所（He等人，2021；Tan等人，2020）。洞庭湖曾被称为“八百里洞庭”，是中国最大的淡水湖。由于过去一个世纪以来强烈的人类活动（即大规模的土地开垦、森林砍伐和河流筑坝），它迅速缩小，已成为第二大淡水湖（Lai等人，2013；Liang等人，2021；Wang等人，2016a）。因此，湖泊周围的土地利用类型经历了持续的变化。许多研究人员研究了洞庭湖地区的快速LULCC过程。例如，Zhang等人（2018）和Rendong等人（2004）使用遥感图像分析了土地覆盖动态，并探讨了这些变化背后的驱动力。An等人（2023）研究了土地利用冲突的时空异质性的驱动机制，并在各种情景下进行了模拟。其他研究则专注于特定的土地类型，如耕地、水体或湿地（Li等人，2020；Luo和Zhou，2024；Wang等人，2016b；Yang等人，2021a）。然而，大多数研究依赖于现场和卫星数据，遥感图像的时间限制使得大多数研究仅限于过去20-40年。因此，对于过去一个世纪洞庭湖地区发生的广泛土地利用变化仍存在显著的认识空白。
除了研究土地利用变化外，一些研究还探讨了LULCC在洞庭湖地区的更广泛影响，包括其对径流、碳储存、作物潜在生产力和生态系统服务的影响（Chen等人，2024；Qi等人，2023；Shi等人，2024；Sun等人，2017；Wang等人，2023a；Yang等人，2021b；Zhao等人，2023a）。然而，很少有研究关注LULCC对陆气相互作用的影响。例如，Tan等人（2020）从Landsat 7卫星图像中提取了地表温度，以研究LULCC对地表温度时间动态的影响。Hu等人（2015）通过改进土地利用强度指数，分析了2001年至2010年洞庭湖地区的土地利用与温度变化之间的关系。如前所述，大规模LULCC可以深刻影响区域气候。在使用WRF模型进行的广泛研究中，已经研究了经历重大全球土地利用/土地覆盖变化的地区（He等人，2021；Wang等人，2022；Zan等人，2022；Zhao等人，2023b；Zhu等人，2018）。例如，Llorin等人（2024）和G?nd?cs等人（2017）在马尼拉大都会区和布达佩斯聚集区的研究表明，城市化往往会加剧城市热岛效应。Bagley等人（2014）强调了森林砍伐在亚马逊地区加剧干旱和破坏降水方面的作用，而Yu等人（2013）展示了西北河套平原的植被恢复如何影响区域温度和降雨。He等人（2021）和Zhao等人（2023b）表明，湖泊（如乍得湖或咸海）的萎缩通过减少蒸发率、改变水分循环和增加地表温度对当地气候产生了深远影响。这些研究表明，LULCC（如城市化、湖泊萎缩、森林砍伐和植被恢复）强调了使用WRF等耦合模型的重要性，这些模型整合了大气、水文和土地利用数据，以更好地理解和预测这些复杂的相互作用。然而，目前洞庭湖地区的研究仅使用单一温度指标来量化这些影响，LULCC对陆气相互作用的全面影响尚未得到充分探索。
在这项研究中，我们整合了历史地图和遥感图像，重建了过去一个世纪的高质量土地利用变化数据集，包括20世纪10年代（潜在自然植被）、20世纪50年代（农业干扰）和21世纪20年代（城市干扰）。这些地图被重采样到1公里的分辨率，以分析2018年7月至8月的气候条件下LULCC对洞庭湖地区陆气相互作用的影响。然后，使用WRF模型结合湖泊和Noah地表模型，对三种不同的LULCC情景进行了高分辨率模拟。手稿的结构如下：第2节提供了研究区域的概述。第3节介绍了模型配置、实验设置、数值模拟设计和模型评估策略。第4节展示了关于LULCC的结果，并量化了其对陆气相互作用的影响。第5节将我们的发现与其他研究的结果进行了比较，并讨论了本研究遇到的限制。最后，第6节总结了结论。
研究区域
洞庭湖地区位于中国南部（111.12°E/27.97°N至113.57°E/30.11°N；图1），具有湿润的亚热带气候。7月至8月的平均气温为29.6°C，年降水量约为1500毫米（Yuan等人，2015）。洞庭湖位于研究区域的中心，东、西、南三面被山丘环绕，自古以来就是粮食、棉花和渔业的重要生产基地（Zhai等人，2022；Zhong等人
历史地图的重建
为了满足军事和政府管理需求，进行了广泛的制图工作。在这项研究中，我们综合利用了历史制图地图和遥感数据，重建了过去一个世纪的历史地形图。对于20世纪10年代，我们收集了清朝时期（1896年）德国传教士测绘的地形图和英国海军部1905年5月发布的古老地图（图2）。1896年的历史地图是
土地利用和土地覆盖变化
LULCC的空间分布特征显示，过去一个世纪洞庭湖地区经历了显著变化（图3）。20世纪10年代，湖泊总面积为8781.13平方公里，占整个研究区域的17.59%。如图3所示，洞庭湖周围的山丘上广泛分布的常绿阔叶林覆盖了39907.66平方公里，占总面积的79.95%。常绿阔叶林（22071.60平方公里）和水体
与以往研究的比较
由于人类活动（如湖泊开垦、森林砍伐和圩田扩张），洞庭湖地区的土地利用/土地覆盖发生了显著变化（Ma等人，2010；Tao等人，2020；Wolf等人，2008；Xie等人，2017）。这些LULCC过程影响了水分和能量的分配，进而影响了温度和降雨量的大小和模式。在洞庭湖地区，湖泊萎缩、城市化和森林与耕地之间的转换
结论
本研究揭示了洞庭湖地区20世纪10年代、50年代和21世纪20年代的土地利用/土地覆盖变化，并评估了其对陆气相互作用的影响。然后，在一个典型的夏季时期，应用了三种代表性的土地利用情景作为地表边界条件。结果表明：(a) 以湖泊和森林为代价的耕地扩张是最大的LULCC现象，在20世纪80年代达到峰值。这种转换导致湖泊面积急剧减少，这
资助
本研究由中国国家自然科学基金（项目编号4237010960和42301029）和洞庭湖生态环境遥感监测湖南省重点实验室开放基金项目（DTH Key Lab.2021-28）资助。
CRediT作者贡献声明
刘阳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法论，调查，数据管理，概念化。王伦车：可视化，监督，资金获取。曹倩：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资金获取，概念化。于德清：调查，数据管理。于书晨：软件，方法论，调查。牛子庚：方法论，数据管理。何秋华：软件，方法论，数据管理。杜建坤：
