1、植被对气候的反馈效应研究进展植被对气候的反馈效应研究进展王筝1,2 延晓冬1 侯美亭1,21 中国科学院大气物理研究所全球变化东亚区域研究中心,北京,100029;2 中国科学院研究生院,北京,100039摘 要植被对气候的反馈效应体现在植被影响了陆面-大气间水分、能量、动量的交换以及大气CO2浓度等各种生物物理和生物化学过程,从而对气候产生了直接或间接的影响。目前,植被对气候反馈作用的研究,主要基于观测分析、动力理论分析和数值模拟试验等三种研究途径,且已经获取了许多有关的研究结论,提高了我们对植被-气候反馈的认识。本文回顾了植被影响气候的研究历史,综述了国内外关键研究区域植被变化的观测事实和
2、数值模拟实验研究的方法和研究结果,探讨了植被破坏和植被改善对区域气候的可能影响,并对植被变化气候效应的研究方向进行了讨论和展望。关 键 词植被变化;反馈作用;数值模拟;观测研究An overview of vegetation change impacts on climate Wang Zheng1,2 YAN Xiaodong1 Hou Meiting1,2(1.Key Laboratory of Regional Climate-Environment Research for Temperate East Asia, Institute of Atmospheric Physics,
3、Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029,China;2.Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039,ChinaAbstract Vegetation impacts climate directly through biophysical processes that exchange moisture, energy, and momentum with the atmosphere and
4、 indirectly through biochemical processes that alter atmosphere CO2 concentration. Researches of the effect of vegetation change on climate have carried out through three methods: observation analysis, theoretical analysis and numerical simulation, and have received many important conclusions. Based
5、 on reviewing the researches of the feedbacks between vegetation and climate, this paper introduced observations and simulation results in sensitive regions, and discussed the influence of vegetation damage and improvement on climate. Further research topics were also discussed.Key Words vegetation
6、change; feedback; numerical simulation; observation research1基金项目:国家重点基础研究发展计划项目“北方干旱化与人类适应”(编号:2006CB400500和国家自然科学基金项目“基于个体的陆面动态植被模式”(编号:40675048资助.通讯作者:延晓冬(1962一,男,陕西绥德人,研究员,博士,主要从事生态动力学和全球变化研究.E-mail:yxd植被对于气候具有重要的反馈作用,植被通过陆-气间水分、能量、动量的交换过程和CO2、CH4排放等各种生物物理和生物化学过程对气候产生直接或间接的影响。该领域的研究已取得了许多非常有价值的成
7、果。但是关于植被变化的气候效应的研究并不是一蹴而就的 ,全球变化研究未兴起之时,植被变化和气候变化如同白天和黑夜一样,是互不相关的两个研究领域1。传统的生态学,只把气候当作影响植被过程和植被地理格局的一个外在动力,认为植物群落构成、生物量、植被生产力和有机物分解等可以对气候变化做出响应,但是其本身并不改变气候2。气候学家则主要是基于温室气体、气溶胶、太阳辐射的变化等因素引起的行星能量和大气环流的改变来认识气候变化的,同样认为植被不具有影响气候的能力3。随着20世纪80年代全球变化研究的兴起,植被对气候的反馈逐渐受到了研究者的关注,尤其是在全球气候模型的发展过程中,由于需要对大气边界层,即陆地与
8、大气间的能量、水分和动量的交换过程进行数学描述,但其中一部分交换过程是通过植被叶片、气孔及其它并不符合流体动力学的生命形式进行调节的,这迫使科学家必须把植被对气候的反馈作用考虑进来1,同时将气候模型的地球物理学框架扩展为生物地球物理和化学框架4。大量的观测资料也表明,作为气候系统的下垫面,陆地植被覆盖的改变对局地和区域的气候可以产生显著的影响5-7。Charney8研究了沙漠边缘植被变化对气候的潜在影响,揭开了植被对气候反馈效应研究的序幕。近30来,随着观测试验的加强、气候模式的进步和卫星遥感技术的发展,该领域的研究取得了长足的进展。1 研究方法概述植被主要通过改变地表能量、水分和物质交换等方
9、式,对局地、区域乃至全球尺度的气候产生影响。目前植被对气候反馈效应的研究主要有三种方法。第一种是通过对典型地区或者典型植被展开一系列的观测试验,分析观测事实;第二种是动力理论研究,基于能量平衡方程、水分平衡方程等探讨植被变化影响气候的基本过程及可能的物理机制;第三种是利用耦合了植被过程的气候数值模式开展模拟研究。1.1观测研究研究植被和气候变化关系的一个经验方法也是最直接的方法,是对比分析某区域植被变化前后的气候要素的改变,例如温度、降水等。Meher-Homji9-10分析了印度西部高止山脉地区两类气象台站的长时间序列降水和雨日资料,一类台站附近地区的森林显著减少,而另一类台站附近的植被变化
10、不大,结果表明,大范围砍伐森林后,降水有减少趋势,而降雨强度有所增加,雨日、雨型也发生了不同程度的变化。类似的其它地区的观测分析也很多5-7。近年来,研究者还专门组织了一些陆面观测计划,例如亚马逊的LBA观测计划11、中国的黑河实验HEIFE12,中国吉林通榆的地气相互作用长期观测实验13。这些观测推动了对植被-气候相互作用的认识,获得了一系列相关的陆面参数。基于观测的植被信息的获取方法主要包括实地调查、格点推算、遥感反演等手段。实地调查适用于小范围地区的植被变化,常用于局地尺度的植被和小气候关系的经验研究。马玉堂14通过实地观测对比了19741976 年春夏季节呼伦贝尔草原开垦地和草原的近地
11、面气候变化,发现开垦后的地面白天气温增高、近地面风速增大;郭秋菊等15通过设置样地考察了科尔沁沙地杨柴沙障对小气候的影响,发现杨柴沙障降低了风速,减少了气温日较差,增加了空气相对湿度。格点推算适用于难以进行实地观测的地区或者测点稀疏地区,一般通过插值等方法将实地调查资料填入相邻近的地理格点,从而获取格点周围地区的植被和气候变化状况。程麟生等16通过对青藏高原地区地表特征的格点分类,研究了不同下垫面对辐射收支造成的影响。遥感植被观测始于20世纪70年代,目前常用的检测植被覆盖的卫星传感器有NOAA-A VHRR, SPOT VGT, Landsat TM/ETM+,ASTER, IKONOS,
12、Quick Bird,MODIS等等。Stockli等17利用19822001年的A VHRR-NDVI数据对欧洲植被物候进行了分析,指出了年际之间的差异,发现19851987年间生长季推迟并缩短,1989、1990、1994及1995年的生长季提前并延长。Heumann18基于1981年2005年A VHRR NDVI时间序列,对Sahel 地区植被物候变化进行了分析,发现除了年际变化外,不同的植被类型(例如,一年生草本、多年生草本、木本植物对气候变化的年内响应也并不相同。索玉霞等19利用19822002年间的A VHRR NDVI数据,分析了中亚5国21年来NDVI年际与季节变化特征及其与
13、气候因子的关系,发现近一半地区的年平均NDVI与春季降水量呈正相关。J.XIAO和MOODY20利用1982年1998年植被指数,对全球植被返青时间以及与气候的相关性做了分析。 Anyamba和Tucker21利用1981年2003年GIMMS A VHRR.NDVI时间序列,定量监测了非洲Sahel的荒漠化过程; Zhang等22分析1981年1994年A VHRR-NDVI数据和160个标准气象台站的气温、降水资料,对我国不通区域植被对气候影响做了滞后相关分析,发现在多数地区前期NDVI与后期降水存在正的相关,同时这种滞后相关存在明显的区域差异。彭代亮24利用20012004年MODIS-
14、EVI和52个气象站点的日平均气温和日降水量,分析耕地、林地、园林EVI季节变化与气温、降水的相关性,结果表明EVI对气温的最大响应没有时滞性,而对降水最大响应时滞为1个月左右。1.2 模式模拟利用遥感和野外观测,虽然可以在不同的空间尺度上研究植被变化对气候的影响,然而由于研究方法的局限(例如,简单的相关性分析、奇异值分析等,很难排除其他影响因子的作用(温室效应、城市化等,从而无法解释气候变化在多大程度上是由植被变化造成的。这种情形促使了数值模式模拟的发展和应用,通过模拟可以较准确地评价植被对气候变化带来的影响。目前,研究采用的模式主要包括大气环流模式,大气-陆面-海洋耦合模式、中等复杂程度地
15、球系统模式,区域气候模式。早期的研究多采用大气环流模式,用强迫-响应方法进行敏感性试验25,即用地表参数(如反照率,粗糙度,蒸散等的变化来表征土地利用的变化,改变模式中的地表参数化进行模拟,然后通过与对照试验进行对比,得到气候对土地利用变化的响应。Charney8最早采用此方法研究了地表反照率与撒哈拉沙漠干旱化的正反馈机制。之后的许多研究采用此方法研究了气候对蒸散26、地表粗糙度27、气孔导度28、叶面积指数29等地表参数的响应。随着陆面过程参数化方案(如NCAR LSM,BATS1e,SiB2的发展,大气-陆面耦合、大气-陆面-海洋耦合的气候模式逐渐应用到土地利用和植被变化对气候影响的研究之
16、中30-31。近十几年来,在植被与气候变化的研究中,很多研究者采用中等复杂程度地球系统模式进行了百年、千年时间尺度的模拟试验32-36,高分辨率的区域气候模式(如RegCM2、RegCM3、RAMS、RIEMS、RegCM-NCC和IPCR-RegCM等也有广泛应用。八十年代以来,我国也开始研究地表植被覆盖变化对气候的影响,如吕世华等37用RegCM2研究了西北植被覆盖面积变化对我国区域气候变化的影响,Wang等38模拟了我国西部退耕还林还草和沙漠化土地绿化的气候效应,符淙斌等39用区域集成环境模式(RIEMS模拟做了一个恢复自然植被对东亚夏季气候和环境影响的试验,张井勇等40利用RIEMS多
17、年积分,研究了中国北方过渡带及附近地区(中国北方和蒙古南部植被退化对区域气候的影响,曾红玲等41利用一个新的双向耦合模式R42_A VIM探讨了全球植被分布对气候和大气环流产生的潜在影响。最初,许多用于模拟植被变化对气候影响的试验仅仅用地表反照率或粗糙长度等单一参数来描述这种影响8,25,27,47;后来认识到植被的作用不仅仅表现在改变反照率或地表粗糙长度上,植被的变化也改变了冠层蒸发和地表水分平衡,为模拟这些变化,需要了解生物量特征,于是在地表状况的描述中引入了叶面积指数(LAI。随后,更多陆面参数(反照率、粗糙度、LAI、覆盖度、植被阻抗、土壤湿度、土壤热传导系数等和过程(植被冠层内动量、
18、能量和质量平衡及辐射传输过程,SA V碳循环、水文循环等过程被陆续引入,模式对于下垫面特征的描述更加真实、精细,较高分辨率的区域气候模式和耦合陆面过程的区域气候模式被用来做集成研究。不过,不同的模式采用的陆面参数化过程存在差异,模拟结果并不总是一致,甚至会出现相反的结论,怎样提高模式模拟的精确度和可信度以减少不确定性成为目前关注的热点问题。1.3 理论研究观测事实的稀疏难得,数值模拟结果的不确定性,增加了动力理论研究的困难。陆地植被对气候的反馈主要体现在从秒到小时尺度上的对大气-陆面间能量、水分、动量及化学物质交换的生物地球物理和生物地球化学过程的调节,如图11。关于植被影响气候机理的研究大多
19、基于地表能量、水分平衡方程等,提出一系列的反馈过程。Charney 8针对Sahara 沙漠提出了一个生物地球物理反馈机制,其认为在Hadley 环流下沉气流的背景下,过度的放牧使得地表反照率增大,太阳辐射的反射量增大,而晴空少云和地面高温又造成更多的红外放射,从而与四周相比形成一个辐射热汇,地表净辐射减小,该地区的空气下沉增温补充地表损失的热量,从而加强了Hadely环流的下沉支,下沉气流抑制了积云对流和降水,加强了干旱,而干旱又使地表植被覆盖、冠层蒸发和土壤湿度减少,从而形成正反馈,使干旱发展并维持。Wendler和 Eaton42研究了植被覆盖对地表温度的反馈,认为植被覆盖减少使蒸散减少
20、、感热通量净增而导致表面温度升高。Zeng43分析了热带森林砍伐对热动力学方程中对流加热、非绝热冷却和辐射平衡的影响,发现热带森林砍伐造成的反照率和蒸散的变化对区域气候变化影响显著,粗糙度对辐合的动力作用很小,但对表面通量的影响明显。周广胜等44基于地球表面的能量和水分平衡方程,从能量、水分平衡理论出发探讨土地利用和土地覆盖对于气候的反馈作用,研究表明大范围植被的存在能在一定条件下影响水在蒸发、地表径流、土壤水、地下水间的分配,有助于减少径流、增加保水能力,对于全球气候变化有减缓作用,植被对于气候变化的作用是增温还是降温须视具体地点的情况而定。Raupach45根据辐射反馈、生理学反馈、空气动
21、力学反馈、边界层对流反馈等四种短期过程,分析了植被对地表能量收支的影响。 图1.陆地生态系统影响天气和气候的生物地球物理过程和生物地球化学过程1。Figure 1. The influence of terrestrial ecosystems on climate: biophysical processes and biochemical processes 1.2. 主要研究进展2.1 植被破坏对气候影响Charney8从动力学的角度研究了撒哈拉的干旱问题,提出了植被和干旱的正反馈,Sud 27等利用气候模式模拟的结果也证实了这一点,大量的研究工作在这一地区展开,Nicholson 等4
22、6进行了综述。研究表明植被退化对气候的影响存在较大的时空差异,例如,在大多数地区地表吸收的短波辐射减少,地表温度有所下降,但部分地区(尤其是非洲Sahel地区却由于土壤水分含量及潜热通量的减少使得地表温度有所上升;撒哈拉地区的半沙漠变为沙漠后,该区湿度辐合及降水均减少,而其南部却有所增加;非洲Sahel地区是对植被退化最敏感的区域46。热带森林砍伐是植被破坏的一个典型问题。数值模拟试验表明,热带森林维持了高的蒸散率、较低的反照率,热带森林面积减少造成砍伐区反照率增加,蒸腾减少,局地水循环减弱,降水减少,地表温度升高48-51。热带森林砍伐不仅影响局地的气候,还可能导致异常Rossby波发展,通
23、过遥相关对高纬地区气候产生影响52;热带地区对流模态的变化也会影响Hadley环流和Walker环流的位置和强度,可以将热带地区的气候扰动传播到中纬度地区53-54;热带地区热源强度减弱,影响赤道地区的大尺度环流和SST,最终影响全球气候55-57。青藏高原植被变化对气候的影响也是关注热点。如果不考虑高原上的植被,大气湿度和地面潜热输送均减小,将会削弱扰动发展和高原上东西方向波的传播,可能会影响高原低涡和西南涡的东移,进而影响夏季江淮地区的降水58;植被的存在会产生和发展植被风环流与山谷风环流的相互作用,可以对流行降水活动增大59;高原植被大面积破坏将导致西风急流偏西偏北,使北方冷空气难以到达
24、我国长江流域,孟加拉湾地区经向风也会减弱,向我国内陆输送的水汽会减少,我国大部分地区降水明显下降60。针对我国北方干旱半干旱区草地荒漠化对气候的影响也开展了一系列的研究工作,有研究表明蒙古草原荒漠化导致地表温度增加,降水和蒸发减少,东亚季风环流减弱,使我国降水分布有显著的变化39,61-62。但郑益群等63-64的研究却认为内蒙古草地荒漠化导致的降水变化在植被退化区变化并不明显,降水减少主要出现在退化区的外围(南、北侧。模拟结果还发现蒙古草原荒漠化会导致华中地区温度降低,李巧萍61通过数值模拟表明蒙古地区荒漠化使冬季气温下降,其他季节气温明显升高。张井勇40认为植被退化可以造成中国北方和南方的
25、降水减少和江淮流域的降水增加,植被退化区温度升高,华中地区温度降低。我国南方森林退化问题同样是关注热点。使华南和北方地区降水减少,江淮地区降水增加,退化区冬季日平均气温明显下降,夏季变化不大,从而使气温的年较差增大63-64。Gao65使用动态植被模式的研究发现,华南森林替换为草地后,地表反照率增大,粗糙度减少,地面风速增加,7月地面感热增加潜热减少,地面温度升高,空气增温,降水减少。通过大气环流的作用,华南森林砍伐还会导致江淮流域降水减少,北方地区降水增加。2.2 植被改善对气候影响植被改善对全球尺度上和区域尺度上气候的影响大多基于数值模拟对比试验和遥感资料分析。数值模拟一般采用大气环流模式
26、、区域气候模式等进行控制实验,通过改变模式中的地表特性参数,对比分析模拟和对照试验的结果差异。遥感分析多是利用能反映植被生长状况的遥感数据(NDVI,EVI,FPAR等,与多年气候数据进行格兰杰因果检验、反馈参数计算等有关的统计手段,探寻植被改善对气候变率的贡献。数值模拟显示65-68,植被增加使得地表粗糙度增大,动量通量、感热通量有所增加,蒸散发加强,地表反照率减小,地表净辐射增加,地表温度升高;绿色地球和沙漠地球之间的温度、降水都存在明显的差异,植被的存在使得陆地表面蒸发散增大了三倍以上,降水增加两倍,温度下降8。Betts68考虑农田和牧场草地面积的变化,采用HadAM3大气环流模式模拟
27、得出土地利用变化的辐射强迫为-0.18 Wm-2,相对潜在植被为-0.24 Wm-2,研究发现温带和北方地区的人工造林缓减气候变化的措施会加剧气候变化,因为反照率辐射强迫的增温作用强于碳封存辐射强迫的降温作用。利用遥感资料分析植被对气候的反馈是近几年发展起来的研究方法69-74,Kaufmann等72年利用A VHRR NDVI数据和格兰杰因果检验方法分析了美国北部森林和欧洲森林对温度的作用,发现植被改善导致冬春季节温度升高,夏秋季节温度降低。Notaro等74使用反馈参数方法评估了美国植被变化对陆地表面温度和降水的反馈作用,发现植被对温度具有正强迫,植被增加使陆表温度升高,在春季这种作用尤为
28、显著,植被与降水的关系则相对较弱且呈现空间异质性74。Liu等73分析了全球尺度上植被与气候的交互关系,发现北半球中高纬度地区植被活动主要受温度驱动,植被对温度的正反馈可以解释月均温变率的10%-25%,正反馈作用最显著的地区位于加拿大南部、美国北部、欧洲北部和西伯利亚北部,热带亚热带地区的植被主要由降水驱动,在年际尺度上未发现植被对局地降水的明显反馈作用,植被作用只能解释当地降水变率的5%,但在巴西东北部、东非、东亚和澳大利亚北部地区植被对降水的正反馈达到每月1cm。我国从二十世纪九十年代展开植被改善对气候的影响研究,集中在数值模拟试验方法,鲜见观测证据。研究主要集中在西北干旱区沙漠化土地绿
29、化的气候效应和恢复自然植被的影响试验,不同的气候模式采用的陆面参数化过程不同,模拟结果有所差异。符淙斌等39利用区域气候模式探讨恢复自然植被的气候效应,发现大范围恢复自然植被对东亚夏季区域气候的影响相当明显,如果恢复自然植被,东部大部分地区降水量将增加,我国华北、西北等地温度将降低,对流层下部空气湿度明显增加,长江以南和西北东部地区等地的根部土壤含水量增加,夏季风增强。西北地区属于荒漠半荒漠地区,大范围的植被变化对地表温度、高度场、流场、降水强度和分布、土壤湿度和径流量都有重要的影响,范广州75和姜大膀等76研究发现西北地区绿化后绿化区地表温度升高,场景中下游降水增多,西北地面热源明显增强,并
30、通过环流使夏季风增强。吕世华等37发现西北绿化地面温度降低,夏季风加强,雨带北移。施伟来等77认为我国西部退耕还林还草和沙漠化土地绿化将主要影响中国西北和北方的区域气候,地表温度将降低,增加降水,而中国南方、西南方和青藏高原地区的区域气候调整不确定。李巧萍78的数值模拟表明西北地区绿化使当地及周边地区冬季偏暖,夏季偏冷,气温变化趋于缓和,黄河流域降水增加,而夏季长江流域和江南地区降水明显减少。3 讨论和展望人类活动正以前所未有的方式改变着自然覆被的景观格局,以植被覆盖变化为主的土地利用变化是人类活动的重要组成部分也是人类活动影响气候变化的重要因子。当前,研究者已经意识到大面积森林砍伐、垦荒种植
31、会带来生态环境的破坏和气候的恶化,并且发现通过调整土地利用方式,开展工程措施恢复植被,如人工造林、退耕还林还草等可以在一定尺度上缓解气候变化,但植被变化对气候的反馈作用至今没有确定的研究结论。例如有研究发现在热带地区植被恢复可以减缓气候变化,但是在高纬度地区却使气候变暖加剧68;有研究认为我国西北地区绿化后绿化区地表温度升高,有研究却认为绿化地面温度降低76、37。IPCC 第四次评估报告对于温室气体排放带来的气候效应已有很多明确的结论,然而,相比之下对于植被变化的气候效应仍然缺乏足够的了解,研究结论也具有很大的不确定性,因此,需加强区域和全球尺度上植被变化的气候效应的研究。在全球气候变暖的背
32、景下,充分理解植被变化对气候产生的影响及其不确定性和作用机制,对于客观地评价区域和全球尺度气候的驱动因素具有重要意义,同时对于科学规划未来土地利用变化具有现实意义和现实价值。从目前的研究状况来着,关于植被变化对气候影响的研究手段以数值模拟为主,不同模式对植被覆盖和陆面参数化过程的描述存在差异,使得模拟结果具有不确定性。为数不多的观测研究也大多集中在分析植被与气温和降水的相关关系,但相关关系的结论还不能作为植被对气候反馈作用的证据。研究植被变化对气候的反馈效应,除了继续发展耦合模式开展模拟试验外,寻找观测证据也极为重要,开展不同下垫面的长时间边界层协同观测和数据分析,利用多年遥感数据探寻新的分析方法,以准确评估植被在气候变率中的贡献量是植被-气候效应研究中的重要方向。References:1 Bonan, G. B. Ecological Climatology: Concepts and Applications
