中国北方过渡带及附近地区植被退化对区域气候的影响

中国北方过渡带及附近地区植被退化对区域气候的影响

土地使用和环境变化的气候和环境效应一直是调查世界变化的重要组成部分。在三个国际研究计划（国际地环境研究计划（igbp）、世界气候研究计划（wrcp）和国际全球变化因素研究计划（iwdp）中，这个问题被纳入了研究的重点之一。然而，到目前为止，对土地气候变化的反映作用的研究主要集中在大型热带区，而非农产业区的影响主要集中在植被变化上。例如，在植物种类较小的地区，例如，减弱森林砍伐[5.7]和荒漠化[8.11]对气候和环境的影响。近50年来,位于中纬度的中国北方植被退化呈加速发展的趋势,同时中国气候异常尤其是北方干旱化在加剧.1950s,华北降水与全国降水都是以偏多为主,但1965年左右和1970s末华北降水经历了两次明显减少,由偏多转为偏少,这种干旱的趋势一直持续至今.同时期,华南地区降水年代际变化与华北地区一致,而江淮地区和东北则与华北相反[12~15].野外观测和遥感监测分析表明,中国北方沙漠化年平均发展速率从1950s后期到1970s中期的1560km2、1970s中期到1980s后期的2100km2发展到1990s的3600km2,未发生沙漠化的地区土地退化也在加剧.中国植被退化主要发生在北方气候生态过渡带地区.最近观测上的统计分析表明中国北方过渡带地区植被覆盖变化对夏季气候有重要影响,但北方过渡带植被变化反馈作用敏感性在观测上的证据仍非常不足.模拟上,Xue1996年首次用大气环流模式模拟了蒙古和中国内蒙古草原沙漠化的气候效应,证实沙漠化对年代际尺度上中国表面气候异常有显著影响.Wei等人和郑益群等人利用区域模式模拟沙漠化的气候效应也得出了相似结果.但目前来看,对北方土地覆盖/利用变化的气候效应的模拟研究仍很少,而且积分时间较短,分辨率较粗,主要研究了沙漠化引起的表面气候变化,对可能引起的大气环流变化与近几十年观测的年代际尺度上大气环流异常的联系和雨带及大气环流的季节变化分析不足.本文首先对1981~2000年NOAA/AVHRR的NDVI资料和中国160个测站的降水资料进行SVD分析,研究了植被覆盖变化对中国降水影响的敏感区域.因NCEP/NCAR再分析资料中使用的地面观测量只有表面气压一项,因此对土地利用的变化不敏感,再分析资料与观测资料的差可以用来考察土地利用对表面温度变化的贡献,1960~1999年的NCEP/NCAR再分析资料和中国688个测站的温度资料用来探讨了中国土地利用对表面温度变化的影响.基于观测上的新事实,我们利用一个高分辨率的区域气候模式进行多年积分,模拟了中国北方过渡带及其附近地区植被退化的区域气候和环境效应.不仅研究了植被退化引起的表面气候变化,而且首次分析了植被退化对大气环流的影响与近几十年来观测的大气环流变化的联系及其在雨带和大气环流季节转换中的作用.观测和模拟的集成研究,为我们更全面地认识北方植被退化的气候效应提供了更为充分的科学依据.1中国北方过渡带NDVI资料首先经过最大值合成纠正,然后做大气校正和云监测等,分辨率为1°×1°,时间段是从1981年7月到2000年12月.考虑在热带地区云等对NDVI的影响,把1982~2000年30°~60°N,30°W~150°E的春季NDVI距平作为左场,中国160个测站夏季降水距平作为右场做SVD分析.第一对奇异向量联合解释方差为34%,左右场之间时间系数的相关值为0.85.图1给出了第一模态的NDVI距平的异性相关分布,阴影区为信度超过99.9%的区域.整个区域以正相关为主,影响中国降水的最显著区域为中国北方过渡带及其附近地区,这表明过渡带地区的植被变化,例如沙漠化不仅对本地区降水产生显著影响,而且对中国整个区域的降水都有重要影响.NCEP/NCAR的再分析资料因其对土地利用变化不敏感,可以用来考察土地利用变化对温度的影响.1960~1999年逐日的再分析资料和中国测站资料作月平均,然后去除年变化,再做年平均.考虑到地形和1970s末观测仪器的变化的影响,我们首先用1990s减去1980s分别得到100°E以东再分析和观测站资料的年代际趋势变化,然后测站趋势减去再分析资料趋势代表土地利用对表面温度变化的影响.图2表明,土地利用变化增加了中国北方和南方的温度而降低了黄河下游地区的温度,对中国北方的温度影响最大,平均在0.4℃/10a以上,这主要由于这一地区近20年来植被退化例如沙漠化和森林砍伐加剧造成的.2物理过程和边界条件RIEMS是以MM5的动力学框架为基础,耦合了CCM3的辐射包和陆面过程模式BATS1E,着重考虑了植被-大气相互作用在区域模拟中的重要作用.研究表明RIEMS具有对东亚区域气候相当好的模拟能力.设计了两组实验:一组采用现实植被,来源于国际卫星陆面气候计划(ISLSCP),其分辨率为1°×1°,将此资料中的15种植被类型转化成RIEMS中的陆面过程模式BATS所需要的18种,称为控制实验.另一组根据中国北方轻度、中度和重度沙漠化的范围,考虑到沙漠化扩展速率的不断增长,将108°~121°E,40°~48°N范围内的半沙漠、草地、农田和林地为沙漠替代,称为沙漠化实验.图3给出了模拟区域、现实植被分布和沙漠化区域.两组实验的其他条件严格相同,物理过程都采用:Kuo-Anthes积云对流参数化、Holtslag行星边界条件、修改的CCM3辐射方案、线性松弛的侧边界方案和BATS1E的陆面模式.积分时间都是从2月1日始,到11月30日止,共积分3年,3个年份分别为1992,1994和1996年.3物理和物理环境对比,模拟的降水温度表现为观测资料采用Willmott等人的0.5°×0.5°的降水与温度数据和NCEP/NCAR高空场的资料,控制实验模拟的降水和温度与观测比较表明,RIEMS可以较好地模拟出降水和温度的空间分布.图4给出了观测的1978~1999年与1956~1977年夏季平均降水差值场和模拟的降水差值场(沙漠化实验减去控制实验,为多年平均).中国北方过渡带及其附近地区植被退化以后,华北到北方过渡带再到蒙古的中部地区出现了负的异常,这与观测非常接近,同时异常的量值也大致相当,约为0.5mm/d;在江淮流域模拟的正异常也与观测大体一致,增加的量值约为0.5mm/d;而出现在华南到西南(25°N附近地区)降水的减少则比观测的小.模拟的降水变化从南到北呈“负-正-负”相间分布,这与最近50年来的观测一致,同时也与我们的SVD分析结果吻合.模拟的植被退化引起的温度变化主要是植被改变区的增加和华中地区的减少(图5),观测到的最近50年来的温度变化也有相似的结构.但沙漠化对其他区域的温度变化影响不大.植被退化以后,RIEMS模拟的位势高度的变化与NCEP1978~1999年减去1956~1977年的位势高度差值在对流层上层(200hPa)和下层(850hPa)都比较相似(图6),在对流层上层,模拟的位势高度在过渡带及其附近地区出现负的中心,且在北纬35°N以北都是减少;观测的位势高度也出现了一个过渡带地区上空的负异常,但范围没有模拟的大.比较对流层下层发现,模拟的位势高度的变化与上层相反,在过渡带及其附近地区有一个较强的正异常中心.观测也与模拟对应,在过渡带及其附近地区有一个很强的正的异常中心,比较两者还发现,模拟的位势高度变化的强度在对流层下层比观测的低得多,但对流层上层的负异常则相差不大.从图7可以看出,在对流层上层(200hPa),观测和模拟的风场变化在中国北方都主要表现为过渡带地区上空的气旋型差值环流,而且模拟和观测的风速量值差别不大,这一气旋型的差值环流与位势高度的负异常相对应.在对流层下层(850hPa),模拟和观测都在过渡带地区或附近地区上空出现了反气旋型的差值环流,同时观测上在中国东部地区出现了南风分量的减弱或北风分量的增强,因这里是主要的东亚季风区,所以结果也表示季风的减弱;但模拟的中国东部地区的南风分量的减弱不强.同时,在对流层下层模拟的风场异常的量值不如观测的大.进一步分析植被退化对雨带和大气环流的季节转换的影响还发现,RIEMS可以较好地模拟出降水的季节进程.沙漠化实验减去控制实验的结果表明,发生大的降水异常的月份是在夏季风最强的6,7和8月,主要表现为过渡带及附近地区的降水的负异常和江淮降水的正异常,而华南降水的负异常较弱一些(图8).对500hPa位势高度的分析表明,植被退化对位势高度的季节转变有重要影响.4植被退化的物理机制:大气环流的变化通过对春季NDVI与夏季降水的SVD分析得出,中国北方过渡带及其附近地区的植被覆盖变化是影响中国夏季降水的最显著地区,是陆面变化中的关键区.再分析与观测资料的比较还发现,土地利用例如沙漠化和森林砍伐造成了中国北方地区的显著增温,这种增温效应甚至可以与CO2的温室效应相当.基于新的观测事实分析,通过RIEMS多年积分模拟了这一地区植被退化对区域气候和环境的影响.中国北方过渡带及其附近地区植被退化引起了从北到南的降水的“负-正-负”的异常的相间结构,与观测的近50年来的降水异常非常一致,也得到了SVD分析结果的验证.温度的变化也与观测较为相符.进一步分析植被退化影响年代际气候的物理机制发现,植被退化使得植被覆盖度和叶面积指数减少,反照率增加,地面吸收的短波辐射减少,潜热和感热发生明显变化,蒸发减少.同时粗糙度的明显减少使地面风速增加.陆面参数变化引起了水分循环和能量收支的变化,进一步影响大气环流的结构.对流层上层位势高度在过渡带及其附近地区有一个负的异常中心,对应的风场为气旋型的差值环流,而下层则为正异常,对应的风场为反气旋型的差值环流.大气环流结构的变化进而影响表面气候,造成了降水的“负-正-负”的异常相间结构,温度在植被变化区的增加和华中地区的减少.多年模拟的大气环流变化与观测的近几十年来的年代际变化比较一致,这一发现从机制上更清楚地解释了植被退化对中国年代际气候异常的作用,更进一步表明植被退化的重要影响.另外,从长期变化来看,中国内陆干旱气候形成了中国大范围的沙漠化,但最近几十