李婧華，陳海山，華文劍

(1．氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué));2．南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044)

0 引言

IPCC第四次評(píng)估報(bào)告指出，土地利用變化是人類活動(dòng)影響氣候的重要強(qiáng)迫之一。自工業(yè)革命以來，人類活動(dòng)已經(jīng)引起了大范圍土地利用/土地覆蓋的顯著變化。研究表明，大約40%的全球陸地表面已受到人類活動(dòng)的影響，這些變化主要表現(xiàn)為自然生態(tài)系統(tǒng)向農(nóng)田或牧場(chǎng)的轉(zhuǎn)變。人類活動(dòng)所導(dǎo)致的土地利用變化不僅能夠產(chǎn)生區(qū)域尺度的影響，而且還能通過生物地球物理、生物地球化學(xué)循環(huán)等過程，產(chǎn)生更大尺度甚至是全球范圍的影響。土地利用/土地覆蓋變化及其影響的問題已成為當(dāng)今全球變化研究的熱點(diǎn)問題。

自20世紀(jì)70年代中期以來，國(guó)外學(xué)者采用全球模式和區(qū)域氣候模式對(duì)森林砍伐、草場(chǎng)退化、土地沙化、農(nóng)田灌溉等土地覆蓋變化的影響進(jìn)行了研究(Charney et al．，1975;Henderson-Sellers and Gornitz，1984;Chase et al．，1996;Costa and Foley，2000)。最近，Douglas et al．(2006)的研究表明，農(nóng)業(yè)灌溉使得印度季風(fēng)區(qū)的水汽通量增加、溫度降低。而Pielke et al．(1998)、Pielke(2001)、Foley et al．(2003)和Pitman(2003)通過觀測(cè)分析和數(shù)值試驗(yàn)研究，認(rèn)為地表屬性改變通過影響土地表面的能量平衡和分配，能顯著改變大氣和地表的能量和質(zhì)量傳輸。Werth and Avissar(2002)通過對(duì)熱帶地區(qū)土地覆蓋變化的模擬研究，發(fā)現(xiàn)土地覆蓋變化不僅能夠?qū)е聟^(qū)域尺度的降水變化，也能引起全球尺度的降水異常。但Findell et al．(2007)研究認(rèn)為，認(rèn)為土地利用變化在全球尺度上的影響較小，而在區(qū)域尺度上則有顯著影響。Brovkin et al．(1999)、Govindasamy et al．(2001)、Zhao et al．(2001)、Bounoua et al．(2002)、Matthews et al．(2004)和 Betts et al．(2007)的研究表明，就全球平均溫度而言，盡管植被退化對(duì)溫度的改變僅僅是0.1～0.2 K，但其對(duì)北半球中緯度溫度的影響卻有1 K甚至更多。Kalnay and Cai(2003)分析美國(guó)大陸地區(qū)氣溫日較差時(shí)指出，在過去50 a里，氣溫日較差的減小，一半要?dú)w因于城市化和土地利用方式的改變。Lawrence and Chase(2010)研究發(fā)現(xiàn)，土地利用變化的氣候效應(yīng)主要是水循環(huán)的變化，通過減少蒸散和增加潛熱通量，使全球溫度增加，其次才是輻射強(qiáng)迫變化。大范圍植被覆蓋變化對(duì)區(qū)域環(huán)境和氣候都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，但這種影響的程度和敏感區(qū)域存在一定的時(shí)空差異。

關(guān)于土地覆蓋和土地利用變化的影響，我國(guó)學(xué)者也已開展了廣泛研究。如:范廣洲等(1998)使用GCM模式模擬研究了西北干旱區(qū)植被退化及綠化的氣候效應(yīng)。呂世華和陳玉春(1999)研究認(rèn)為，西北植被擴(kuò)展和退化都能影響地表溫度、高度場(chǎng)和夏季風(fēng)的強(qiáng)度及季風(fēng)降水的分布。符淙斌和袁慧玲(2001)通過數(shù)值試驗(yàn)?zāi)M了東亞地區(qū)恢復(fù)自然植被對(duì)區(qū)域氣候的可能影響，指出大范圍恢復(fù)自然植被對(duì)東亞夏季氣候的影響是明顯的。鄭益群等(2002a，2002b)利用區(qū)域氣候模式對(duì)中國(guó)植被變化的氣候影響進(jìn)行了模擬研究，表明植被變化能顯著改變地表釋放的有效通量。施偉來和王漢杰(2003)通過敏感性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，西部地區(qū)綠化明顯影響東亞的季風(fēng)系統(tǒng)和中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)氣候。王蘭寧等(2002，2003)研究了青藏高原中西部地區(qū)下墊面特征對(duì)中國(guó)夏季環(huán)流、降水以及東亞地區(qū)大氣環(huán)流季節(jié)轉(zhuǎn)換的影響。丁一匯等(2005)利用區(qū)域氣候模式進(jìn)行模擬研究，認(rèn)為北方植被退化可導(dǎo)致中國(guó)北方降水減少，西北地區(qū)植樹造林則能引起夏季黃河流域降水的增加和長(zhǎng)江流域降水的減少。張井勇等(2003)通過對(duì)歸一化植被指數(shù)資料和氣溫、降水資料的滯后相關(guān)分析，指出植被覆蓋變化在年際尺度上對(duì)后期降水有一定影響，但溫度對(duì)植被的滯后響應(yīng)較弱。陳海山等(2006)通過數(shù)值模擬也證實(shí)植被覆蓋異常變化對(duì)陸面狀況具有十分重要的影響。高學(xué)杰等(2007)的研究表明，當(dāng)代土地利用/土地覆蓋變化會(huì)引起南方(北方)年平均降水增加(減少)，并導(dǎo)致南方年平均氣溫顯著降低。楊續(xù)超等(2009)基于觀測(cè)氣溫與再分析氣溫的差值，分析了近40 a中國(guó)地表氣溫變化對(duì)土地利用/覆被類型的敏感性，認(rèn)為土地利用/覆被類型對(duì)地表氣溫變化具有穩(wěn)定的影響，且對(duì)不同地利用/覆被類型的響應(yīng)存在較明顯的差異。陳軍明等(2010)研究認(rèn)為，近30 a來中國(guó)西部植被的異常變化可能是東亞夏季風(fēng)年代際變化及北方夏季降水減少的一個(gè)重要因素。

上述研究結(jié)果表明，土地利用的變化對(duì)大氣環(huán)流甚至是亞洲季風(fēng)都有明顯影響。但大多數(shù)試驗(yàn)還是通過理想化的虛擬試驗(yàn)來開展這方面的研究，在模式中考慮更真實(shí)的土地利用變化情景是十分必要的。與此同時(shí)，不同的研究采用不同的模式和土地利用情景，使得模擬結(jié)果本身還存在很大的不確定性，目前關(guān)于土地利用的影響還缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。此外，關(guān)于東亞區(qū)域和中國(guó)區(qū)域的多數(shù)研究主要強(qiáng)調(diào)了土地利用變化對(duì)冬、夏季風(fēng)環(huán)流和氣候的影響，對(duì)其他季節(jié)的情況還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，土地利用對(duì)地表能量、水分循環(huán)的影響研究關(guān)注不多。因此，本文試圖基于相對(duì)真實(shí)的土地利用情景和更為完善的氣候模式，通過數(shù)值試驗(yàn)來進(jìn)一步探討土地利用變化對(duì)東亞地區(qū)地表能量平衡、水分循環(huán)和大氣環(huán)流的影響，以期為深入理解東亞土地利用變化的影響研究提供一定的參考。

1 模式及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用美國(guó)大氣研究中心(NCAR)全球大氣環(huán)流模式CAM4.0(Community Atmosphere Model v4.0)，CAM4.0中耦合了NCAR最新一代的陸面模式CLM4.0。試驗(yàn)中模式采用 T42(約2.8°×2.8°)水平分辨率，垂直方向?yàn)?6層。

為了討論土地利用變化對(duì)地表能量平衡、水分循環(huán)和大氣環(huán)流的可能影響，設(shè)計(jì)了兩組試驗(yàn)，一組為當(dāng)代植被試驗(yàn)(CV)，另一組為潛在植被試驗(yàn)(PV)。在當(dāng)代植被試驗(yàn)中，采用了NCAR CLM4.0模式提供的地表分類資料(Lawrence and Chase，2007)，主要反映當(dāng)前土地覆蓋的基本狀況;而在潛在植被性試驗(yàn)中地表分類則假定為潛在植被(Ramankutty and Foley，1999;Goldewijk，2001)，用以反映1850年未受人類活動(dòng)顯著影響情形下的地表覆蓋情況。圖1給出了兩組試驗(yàn)所采用的當(dāng)代植被和潛在植被主要土地覆蓋類型的差值分布?？梢钥闯?與潛在植被相比，東亞地區(qū)當(dāng)代森林的覆蓋顯著減小，減小幅度普遍在10% ～20%之間;與之相對(duì)應(yīng)，由于人類活動(dòng)影響的農(nóng)田面積增加迅速，在東北和華中地區(qū)，土地覆蓋類型百分比的增幅甚至高達(dá)30%;草地覆蓋在華北地區(qū)減小，而在中國(guó)南部則有所增加，增幅約為10%;相比之下，灌木的覆蓋變化并不顯著。

兩組試驗(yàn)中，海洋下邊界條件均采用氣候態(tài)的海溫，模式從自帶的初始場(chǎng)運(yùn)行25 a，前5 a作為spin-up，取后20 a的平均進(jìn)行分析。這里重點(diǎn)通過當(dāng)代植被試驗(yàn)和潛在植被試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，來探討土地利用變化對(duì)地表能量平衡、水分循環(huán)和大氣環(huán)流的潛在影響，結(jié)果分析中主要考察上述兩個(gè)試驗(yàn)不同要素的差值場(chǎng)(當(dāng)代植被試驗(yàn)減去潛在植被試驗(yàn));此外，還采用統(tǒng)計(jì)t檢驗(yàn)來檢驗(yàn)兩組試驗(yàn)結(jié)果差異的顯著性。

2 土地利用變化對(duì)東亞地表能量平衡、水分循環(huán)影響

圖1 當(dāng)代植被試驗(yàn)與潛在植被試驗(yàn)主要土地類型覆蓋百分比的差值(單位:%)a．森林;b．灌木;c．草地;d．農(nóng)田Fig．1 Difference in percentage(%)of main land cover types between current vegetation and potential vegetation experiments a．tree;b．shrub;c．grass;d．crop

2.1 土地利用變化對(duì)地表輻射特性和能量平衡的影響

土地利用變化通常通過改變地表屬性參數(shù)，從而對(duì)地表能量平衡產(chǎn)生影響;而地表反照率是影響地表能量平衡的關(guān)鍵因素，其變化與土地利用的類型密切相關(guān)。圖2給出了東亞區(qū)域當(dāng)代植被試驗(yàn)與潛在植被試驗(yàn)不同季節(jié)地表反照率的差值分布。不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)代土地利用變化使得各個(gè)季節(jié)的地表反照率均發(fā)生了變化。由于東亞地區(qū)的當(dāng)代土地利用變化主要表現(xiàn)為森林、草地(農(nóng)田)的大幅減小(增加)，所以總體而言，東亞地區(qū)地面反照率均有不同程度的增加，其中冬季、春季地表反照率增加較顯著，東北地區(qū)反照率增幅度最大;相比之下，夏、秋季地表反照率的變化相對(duì)較小。

圖3a—d為短波凈輻射差值的分布，與地表反照率的變化相對(duì)應(yīng)，地表凈短波輻射的顯著變化也主要發(fā)生在冬、春季。從空間分布來看，除了我國(guó)東南沿海區(qū)域出現(xiàn)凈短波輻射的增加外，東亞大部分區(qū)域的地表凈短波輻射總體減少。值得指出的是，地表凈短波輻射的分布不僅僅受到地表屬性變化的影響，與大氣中云等過程也密切相關(guān)，這是輻射差值分布與地表反照率空間分布不完全一致的可能原因。圖3e—h為地表凈輻射收支的差值分布，地表凈輻射的變化呈現(xiàn)出與凈短波輻射較類似的變化特征，空間分布與地表凈短波輻射差值的分布總體一致。

除了輻射通量以外，地表能量平衡的另外兩個(gè)重要分量是感熱通量和潛熱通量，二者既與地表的有效能量有關(guān)，又受到地表屬性和地表水熱狀況的影響。從圖4可以看到，當(dāng)代土地利用變化總體上導(dǎo)致東亞大部分區(qū)域不同季節(jié)的感熱通量均出現(xiàn)了比較顯著的減小，其空間分布與地表凈輻射的差值分布基本一致，感熱通量的顯著減小與因當(dāng)代土地利用變化引起的地表凈輻射(有效能量)減少有關(guān)。相比之下，潛熱通量的顯著變化主要出現(xiàn)在冬、春季，夏季潛熱通量雖然變化較大，但并未通過顯著性檢驗(yàn)，而秋季的潛熱通量變化則很小(圖4e—h)。冬季潛熱通量變化的主要特征體現(xiàn)為華南地區(qū)的顯著減小，而春季的潛熱通量在華南、華北均為明顯的增加，江淮地區(qū)的潛熱通量則有所減小。本質(zhì)上，潛熱通量的變化與降水、土壤濕度的變化有直接的關(guān)系，這也可以從后面的分析中得到進(jìn)一步證實(shí)。

2.2 土地利用變化對(duì)地表水分循環(huán)的影響

圖2 當(dāng)代植被試驗(yàn)與潛在植被試驗(yàn)?zāi)M的地表反照率的差值分布(單位:%;陰影區(qū)表示通過90%信度檢驗(yàn)) a．冬季;b．春季;c．夏季;d．秋季Fig．2 Albedo difference between current vegetation and potential vegetation experiments(units:%;areas passing the 90%confidence level are shaded) a．DJF;b．MMA;c．JJA;d．SON

為了考察土地利用對(duì)地表水循環(huán)的影響，這里重點(diǎn)考察土壤濕度(表層10 cm)和地表蒸散兩個(gè)水循環(huán)分量的變化。圖5a—d給出了當(dāng)代土地利用變化引起的蒸散異常變化的空間分布。當(dāng)代土地利用使得春、夏季的地表蒸散均有不同程度的增加;相比之下，秋、冬季的地表蒸散變化并不明顯。地表蒸散異常變化的空間分布與潛熱通量異常的分布基本一致，正如前文所述，地表蒸散的上述變化本質(zhì)上是降水異常引起土壤濕度異常變化的直接響應(yīng)，但也應(yīng)注意到，其空間分布與降水異常和土壤濕度異常的分布并不完全一致，這可能與由于地表屬性變化引起的地表凈有效能量的多少有關(guān)。在當(dāng)代土地利用變化情形下，表層土壤濕度也發(fā)生了較顯著的變化，各個(gè)季節(jié)土壤濕度異常的總體特征是北方增加，而南方區(qū)域則有不同程度的減少，這種變化尤以冬、春、夏季明顯(圖5e—h)。上述分布特征主要由降水異常變化所決定，這可以在后面關(guān)于降水異常特征的分析中得以體現(xiàn)。

圖3 當(dāng)代植被試驗(yàn)與潛在植被試驗(yàn)?zāi)M的地表凈短波輻射(a—d)和凈輻射(e—h)差值的空間分布(單位:W/m2;陰影區(qū)表示通過 90%信度檢驗(yàn)的區(qū)域) a，e．冬季;b，f．春季;c，g．夏季;d，h．秋季Fig．3 Differences of(a—d)surface shortwave radiation and(e—h)surface net radiation between current vegetation and potential vegetation experiments(units:W/m2;areas passing the 90%confidence level are shaded) a，e．DJF;b，f．MMA;c，g．JJA;d，h．SON

圖4 當(dāng)代植被試驗(yàn)與潛在植被試驗(yàn)?zāi)M的地表感熱通量(a—d)和潛熱通量(e—h)差值的空間分布(單位:W/m2;陰影區(qū)表示通過 90%信度檢驗(yàn)的區(qū)域) a，e．冬季;b，f．春季;c，g．夏季;d，h．秋季Fig．4 Differences of(a—d)sensible heat flux and(e—h)latent heat flux between current vegetation and potential vegetation experiments(units:W/m2;areas passing the 90%confidence level are shaded) a，e．DJF;b，f．MMA;c，g．JJA;d，h．SON

3 土地利用變化對(duì)東亞大氣環(huán)流和氣溫、降水的影響

東亞地區(qū)處于季風(fēng)區(qū)，風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)出很大的季節(jié)性差異。土地利用變化不僅能夠引起地表能量平衡和水分循環(huán)的顯著變化，其影響也在大尺度環(huán)流方面有所體現(xiàn)。為了直觀反映土地利用變化對(duì)東亞大氣環(huán)流的可能影響，圖6a—d給出了當(dāng)代土地利用變化引起的850 hPa風(fēng)場(chǎng)異常的空間分布?？梢钥吹?，當(dāng)代土地利用變化總體上有利于東亞地區(qū)冬季偏北風(fēng)加強(qiáng)，東亞的冬季風(fēng)環(huán)流呈現(xiàn)顯著加強(qiáng)的特點(diǎn);夏季東亞地區(qū)則出現(xiàn)不同程度的偏南風(fēng)分量，夏季風(fēng)環(huán)流有不同程度的增強(qiáng)。另外，秋季環(huán)流的異常與冬季環(huán)流的異常具有類似的分布特征，但環(huán)流異?？傮w不明顯;而春季環(huán)流的異常與夏季的情況較類似，但明顯的南風(fēng)異常主要出現(xiàn)在我國(guó)長(zhǎng)江以北地區(qū)。東亞大氣環(huán)流對(duì)土地利用變化的上述響應(yīng)，可能與當(dāng)?shù)赝恋乩米兓鸬暮ｊ憻崃?duì)比的變化有關(guān)，當(dāng)然，其相關(guān)的機(jī)制尚有待深入探討。

圖5 當(dāng)代植被試驗(yàn)與潛在植被試驗(yàn)?zāi)M的蒸散(a—d;單位:mm/d)和表層(10 cm)土壤濕度(e—h;單位:mm)差值的空間分布(陰影區(qū)表示通過 90%信度檢驗(yàn)的區(qū)域) a，e．冬季;b，f．春季;c，g．夏季;d，h．秋季Fig．5 Differences of(a—d)evapotranspiration(units:mm/d)and(e—h)soil moisture of surface layer(units:mm)between current vegetation and potential vegetation experiments(areas passing the 90%confidence level are shaded)a，e．DJF;b，f．MMA;c，g．JJA;d，h．SON

圖7a—d為土地利用變化前后氣溫差值的空間分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，因當(dāng)代土地利用變化引起的2 m溫度變化存在明顯的季節(jié)差異。秋、冬季，當(dāng)代土地利用變化總體上有利于東亞北部區(qū)域的氣溫升高，部分地區(qū)升幅可達(dá)0.4℃，而南方地區(qū)的溫度則有所降低，降幅一般為0.2℃。春、夏季，我國(guó)北方氣溫表現(xiàn)出不同程度的降低，而南方則出現(xiàn)較小范圍的增加。但也應(yīng)注意到，上述溫度變化均未通過顯著性檢驗(yàn)。圖7e—h為降水異常的空間分布。不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)代土地利用變化導(dǎo)致的降水的顯著變化主要發(fā)生在春季，總體表現(xiàn)為北部地區(qū)降水增加，而南部地區(qū)降水減小;降水對(duì)土地利用變化的響應(yīng)在其他季節(jié)并不顯著。

4 結(jié)論及討論

利用NCAR全球大氣環(huán)流模式CAM4.0，通過設(shè)計(jì)潛在植被覆蓋和當(dāng)代植被覆蓋兩組敏感性試驗(yàn)，初步探討了土地利用變化對(duì)東亞地區(qū)地表能量平衡、水分循環(huán)和大氣環(huán)流的可能影響，主要結(jié)論如下:

1)以森林退化、農(nóng)田迅速增加為主的東亞地區(qū)當(dāng)代土地利用變化，明顯改變了地表特征參數(shù)，引起東亞地區(qū)地面反照率不同程度的增加，尤其以冬、春季地表反照率增加顯著。

2)當(dāng)代土地利用變化能夠?qū)Φ乇淼哪芰科胶夂退盅h(huán)產(chǎn)生重要影響。土地利用變化引起東亞地區(qū)冬、春季地表凈短波輻射發(fā)生顯著變化，凈短波輻射除在我國(guó)東南沿海區(qū)域增加外，在東亞大部分區(qū)域總體減少。東亞大部分區(qū)域不同季節(jié)的感熱通量均出現(xiàn)了顯著減小。潛熱通量的顯著變化主要出現(xiàn)在冬、春季;冬季總體減小，而春季則表現(xiàn)為華南、華北增加和江淮地區(qū)減小。當(dāng)代土地利用使得東亞地區(qū)不同季節(jié)的地表蒸散和土壤濕度均出現(xiàn)不同程度的增加(南方小部分區(qū)域除外)。

3)當(dāng)代土地利用變化總體上有利于東亞冬、夏季風(fēng)環(huán)流加強(qiáng)，但冬季環(huán)流的變化最顯著。秋季環(huán)流異常與冬季環(huán)流異常的空間分布特征較相似，但異?？傮w不明顯;春季的環(huán)流異常與夏季的情況類似，但明顯的南風(fēng)異常主要出現(xiàn)在我國(guó)長(zhǎng)江以北地區(qū)。

圖6 當(dāng)代植被試驗(yàn)與潛在植被試驗(yàn)?zāi)M的850 hPa風(fēng)場(chǎng)的差值分布(單位:m/s;陰影區(qū)表示通過90%信度檢驗(yàn)) a．冬季;b．春季;c．夏季;d．秋季Fig．6 The 850 hPa wind difference between current vegetation and potential vegetation experiments(units:m/s;areas passing the 90%confidence level are shaded) a．DJF;b．MMA;c．JJA;d．SON

圖7 當(dāng)代植被試驗(yàn)與潛在植被試驗(yàn)?zāi)M的2 m氣溫(a—d;單位:K)和降水(e—h;單位:mm/d)差值的空間分布(陰影區(qū)表示通過 90%信度檢驗(yàn)的區(qū)域) a，e．冬季;b，f．春季;c，g．夏季;d，h．秋季Fig．7 Differences of(a—d)2 m temperature(units:K)and(e—h)precipitation(units:mm/d)between current vegetation and potential vegetation experiments(areas passing the 90%confidence level are shaded) a，e．DJF;b，f．MMA;c，g．JJA;d，h．SON

4)當(dāng)代土地利用變化未能引起東亞地區(qū)近地面氣溫的顯著變化。春季東亞降水對(duì)當(dāng)代土地利用變化的響應(yīng)最顯著，呈現(xiàn)北(南)部地區(qū)降水增加(減小)的特點(diǎn)，但其他季節(jié)降水的響應(yīng)總體不顯著。

本文的敏感性研究表明，當(dāng)代土地利用變化確實(shí)能夠在一定程度上改變東亞地區(qū)的地表能量和水分循環(huán)，對(duì)東亞地區(qū)大氣環(huán)流和氣候也有一定影響。我們注意到，土地利用變化的顯著影響，主要出現(xiàn)在冬、春季;而對(duì)降水的顯著影響，則主要出現(xiàn)在春季。此外，我們也注意到土地利用變化的影響存在明顯的季節(jié)性差異。這些結(jié)果與以往的研究結(jié)果不完全一致，深入探究其中的原因，將有助于更進(jìn)一步理解土地利用變化的影響極其機(jī)理，上述問題有待進(jìn)一步深入研究。

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