CD：华北平原灌溉改变了降水日循环和区域水循环

灌溉是一种重要的人类活动，它直接或间接地影响着降水。一方面，灌溉增加了大气水汽含量，促进降水的形成；另一方面，灌溉冷却地表，减小边界层厚度，抑制对流和降水的发生。因此，灌溉对降水的影响具有一定的不确定性。华北平原是我国的一个主要灌溉区，其降水日循环在调节水循环中起到关键作用，也是区域天气和气候的重要特征，但灌溉对降水日循环的影响还不清楚。近期，NUIST陆气相互作用团队魏江峰教授指导的博士生宋媛媛及合作者探究了华北平原夏季灌溉对该地区降水日循环的影响及灌溉引起的水循环变化。主要结论如下：

1. 灌溉引起的日内尺度降水变化

研究利用带水汽追踪模块的WRF模式（WRF-WVT）探索夏季灌溉对降水日循环的影响，并估计灌溉对华北降水的贡献。试验包括无灌溉试验（No_IRR）和灌溉试验（IRR）；总降水记为P，被追踪的蒸散发产生的降水记为P_E。试验只对华北平原地区实施灌溉，并且对该地区的蒸散发进行追踪（图1b）。灌溉促使西部山区边缘日累积降水增加，而东南平原降水减少（图2a）；灌溉主要改变了下午时段的降水。灌溉前，更多的下午降水事件发生于西部山区（图2d-e），实施灌溉后，山区下午降水事件增加，而平原地区减少（图2f）。此类降水事件峰值大多发生于16-18 LST（图3a-c），灌溉推迟了华北地区下午降水峰值大约1-2小时（图3d-e）。

图1 （a） WRF-WVT模式的模拟区域（黑色矩形）及研究的华北地区（蓝色矩形）；（b）华北地区灌溉面积比例（填色），模式对打点区域的蒸散发进行追踪

图2 灌溉引起的（a）全天、（b）上午和（c）下午的累积降水量差异（IRR减去No_IRR）。（d）No_IRR和（e）IRR试验中下午降水事件频率占比，（f）两组试验的差值（IRR减No_IRR）。黑色曲线为海拔500米的等高线。（a-c）打点区域表示通过了90%的显著性检验

图3（a）CMA，（b）No_IRR试验和（c）IRR试验的下午降水事件的平均峰值时间，（d）IRR 与 No_IRR 试验的差异（IRR减No_IRR），（d）中打点区域通过90%的显著性检验。（e）观测和模式试验中平原地区下午降水事件的降水日循环。（a-d）中黑色曲线为海500米的等高线

2. 灌溉对降水的直接贡献和对水循环的影响

水汽追踪分析表明，灌溉显著提高了山区的 P_E和 P（图2a和图4a）。虽然灌溉对总降水的贡献只有1%-6%（图4d），但是灌溉直接贡献的降水变化（ΔP_E）占总降水变化（ΔP）约30%（图4e）。引入灌溉后，华北地区降水再循环率显著增加，其中最显著的增加发生在山区和与之邻近的平原（详见文章）。降水再循环率的提高主要源于两个因素: 灌溉增加了水汽，而地形起到抬升水汽的关键作用。当土壤干燥时，灌溉对华北地区降水的影响更为显著，导致下午降水量增加，尤其是在山区。当土壤较为湿润时，实施灌溉可以导致广大地区的总降水量减少（详见文章）。

图4（a）灌溉引起的（a）全天、（b）上午和（c）下午的累积P_E差异（IRR减去No_IRR）。打点区域通过90%的显著性检验。（d）在IRR试验中P_E变化（ΔP_E）与总降水量（P_IRR）的比值（单位：%）。只显示ΔP_E为正的格点。（e）P_E变化（ΔP_E）与总降水变化（ΔP）的比值（单位：%）。只显示ΔP_E和 ΔP都为正的格点。黑色曲线为海拔500米的等高线

3. 灌溉影响日内尺度降水变化的机制

平原地区引入灌溉，该地区蒸散发增强，温度显著降低，平原与山区之间热力差异得以加强，从而加强了山谷风环流（MPS）。西北山区上升运动加剧，同时平原地区的下沉运动加剧（图5）。因此，山区下午降水量和降水频率明显增加，平原地区则相反。虽然平原灌溉的冷却效应加强了 MPS，但它也延迟了 MPS 的建立（详见文章）。另外，从局地的角度来看，灌溉阻碍了大气边界层（PBL） 的发展，抑制了降水的发生（图5），导致下午降水峰值时间延迟。

图5（a）No_IRR 和（b）IRR 试验中，白天华北地区山谷风环流（MPS）及其影响的示意图。PBL：大气边界层顶；LCL：抬升凝结高度；ET：蒸散发

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Song, Y., Wei, J.*, Cheng, H., and Zan, B. (2024) Irrigation in the North China plain regulates the diurnal cycle of precipitation and regional water cycle.Climate Dynamics. https://doi.org/10.1007/s00382-024-07208-z