大尺度土地利用变化对东亚地表能量、水分循环及气候影响的敏感性试验

李婧华，陈海山，华文剑

(1．气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学);2．南京信息工程大学大气科学学院，江苏南京210044)

0 引言

IPCC第四次评估报告指出，土地利用变化是人类活动影响气候的重要强迫之一。自工业革命以来，人类活动已经引起了大范围土地利用/土地覆盖的显著变化。研究表明，大约40%的全球陆地表面已受到人类活动的影响，这些变化主要表现为自然生态系统向农田或牧场的转变。人类活动所导致的土地利用变化不仅能够产生区域尺度的影响，而且还能通过生物地球物理、生物地球化学循环等过程，产生更大尺度甚至是全球范围的影响。土地利用/土地覆盖变化及其影响的问题已成为当今全球变化研究的热点问题。

自20世纪70年代中期以来，国外学者采用全球模式和区域气候模式对森林砍伐、草场退化、土地沙化、农田灌溉等土地覆盖变化的影响进行了研究(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，农业灌溉使得印度季风区的水汽通量增加、温度降低。而Pielke et al．(1998)、Pielke(2001)、Foley et al．(2003)和Pitman(2003)通过观测分析和数值试验研究，认为地表属性改变通过影响土地表面的能量平衡和分配，能显著改变大气和地表的能量和质量传输。Werth and Avissar(2002)通过对热带地区土地覆盖变化的模拟研究，发现土地覆盖变化不仅能够导致区域尺度的降水变化，也能引起全球尺度的降水异常。但Findell et al．(2007)研究认为，认为土地利用变化在全球尺度上的影响较小，而在区域尺度上则有显著影响。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，就全球平均温度而言，尽管植被退化对温度的改变仅仅是0.1～0.2 K，但其对北半球中纬度温度的影响却有1 K甚至更多。Kalnay and Cai(2003)分析美国大陆地区气温日较差时指出，在过去50 a里，气温日较差的减小，一半要归因于城市化和土地利用方式的改变。Lawrence and Chase(2010)研究发现，土地利用变化的气候效应主要是水循环的变化，通过减少蒸散和增加潜热通量，使全球温度增加，其次才是辐射强迫变化。大范围植被覆盖变化对区域环境和气候都会产生不同程度的影响，但这种影响的程度和敏感区域存在一定的时空差异。

关于土地覆盖和土地利用变化的影响，我国学者也已开展了广泛研究。如:范广洲等(1998)使用GCM模式模拟研究了西北干旱区植被退化及绿化的气候效应。吕世华和陈玉春(1999)研究认为，西北植被扩展和退化都能影响地表温度、高度场和夏季风的强度及季风降水的分布。符淙斌和袁慧玲(2001)通过数值试验模拟了东亚地区恢复自然植被对区域气候的可能影响，指出大范围恢复自然植被对东亚夏季气候的影响是明显的。郑益群等(2002a，2002b)利用区域气候模式对中国植被变化的气候影响进行了模拟研究，表明植被变化能显著改变地表释放的有效通量。施伟来和王汉杰(2003)通过敏感性试验发现，西部地区绿化明显影响东亚的季风系统和中国东部季风区气候。王兰宁等(2002，2003)研究了青藏高原中西部地区下垫面特征对中国夏季环流、降水以及东亚地区大气环流季节转换的影响。丁一汇等(2005)利用区域气候模式进行模拟研究，认为北方植被退化可导致中国北方降水减少，西北地区植树造林则能引起夏季黄河流域降水的增加和长江流域降水的减少。张井勇等(2003)通过对归一化植被指数资料和气温、降水资料的滞后相关分析，指出植被覆盖变化在年际尺度上对后期降水有一定影响，但温度对植被的滞后响应较弱。陈海山等(2006)通过数值模拟也证实植被覆盖异常变化对陆面状况具有十分重要的影响。高学杰等(2007)的研究表明，当代土地利用/土地覆盖变化会引起南方(北方)年平均降水增加(减少)，并导致南方年平均气温显著降低。杨续超等(2009)基于观测气温与再分析气温的差值，分析了近40 a中国地表气温变化对土地利用/覆被类型的敏感性，认为土地利用/覆被类型对地表气温变化具有稳定的影响，且对不同地利用/覆被类型的响应存在较明显的差异。陈军明等(2010)研究认为，近30 a来中国西部植被的异常变化可能是东亚夏季风年代际变化及北方夏季降水减少的一个重要因素。

上述研究结果表明，土地利用的变化对大气环流甚至是亚洲季风都有明显影响。但大多数试验还是通过理想化的虚拟试验来开展这方面的研究，在模式中考虑更真实的土地利用变化情景是十分必要的。与此同时，不同的研究采用不同的模式和土地利用情景，使得模拟结果本身还存在很大的不确定性，目前关于土地利用的影响还缺乏统一的认识。此外，关于东亚区域和中国区域的多数研究主要强调了土地利用变化对冬、夏季风环流和气候的影响，对其他季节的情况还缺乏足够的认识，土地利用对地表能量、水分循环的影响研究关注不多。因此，本文试图基于相对真实的土地利用情景和更为完善的气候模式，通过数值试验来进一步探讨土地利用变化对东亚地区地表能量平衡、水分循环和大气环流的影响，以期为深入理解东亚土地利用变化的影响研究提供一定的参考。

1 模式及试验方案设计

采用美国大气研究中心(NCAR)全球大气环流模式CAM4.0(Community Atmosphere Model v4.0)，CAM4.0中耦合了NCAR最新一代的陆面模式CLM4.0。试验中模式采用 T42(约2.8°×2.8°)水平分辨率，垂直方向为26层。

为了讨论土地利用变化对地表能量平衡、水分循环和大气环流的可能影响，设计了两组试验，一组为当代植被试验(CV)，另一组为潜在植被试验(PV)。在当代植被试验中，采用了NCAR CLM4.0模式提供的地表分类资料(Lawrence and Chase，2007)，主要反映当前土地覆盖的基本状况;而在潜在植被性试验中地表分类则假定为潜在植被(Ramankutty and Foley，1999;Goldewijk，2001)，用以反映1850年未受人类活动显著影响情形下的地表覆盖情况。图1给出了两组试验所采用的当代植被和潜在植被主要土地覆盖类型的差值分布。可以看出:与潜在植被相比，东亚地区当代森林的覆盖显著减小，减小幅度普遍在10% ～20%之间;与之相对应，由于人类活动影响的农田面积增加迅速，在东北和华中地区，土地覆盖类型百分比的增幅甚至高达30%;草地覆盖在华北地区减小，而在中国南部则有所增加，增幅约为10%;相比之下，灌木的覆盖变化并不显著。

两组试验中，海洋下边界条件均采用气候态的海温，模式从自带的初始场运行25 a，前5 a作为spin-up，取后20 a的平均进行分析。这里重点通过当代植被试验和潜在植被试验结果的对比，来探讨土地利用变化对地表能量平衡、水分循环和大气环流的潜在影响，结果分析中主要考察上述两个试验不同要素的差值场(当代植被试验减去潜在植被试验);此外，还采用统计t检验来检验两组试验结果差异的显著性。

2 土地利用变化对东亚地表能量平衡、水分循环影响

图1 当代植被试验与潜在植被试验主要土地类型覆盖百分比的差值(单位:%)a．森林;b．灌木;c．草地;d．农田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 土地利用变化对地表辐射特性和能量平衡的影响

土地利用变化通常通过改变地表属性参数，从而对地表能量平衡产生影响;而地表反照率是影响地表能量平衡的关键因素，其变化与土地利用的类型密切相关。图2给出了东亚区域当代植被试验与潜在植被试验不同季节地表反照率的差值分布。不难发现，当代土地利用变化使得各个季节的地表反照率均发生了变化。由于东亚地区的当代土地利用变化主要表现为森林、草地(农田)的大幅减小(增加)，所以总体而言，东亚地区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较显著，东北地区反照率增幅度最大;相比之下，夏、秋季地表反照率的变化相对较小。

图3a—d为短波净辐射差值的分布，与地表反照率的变化相对应，地表净短波辐射的显著变化也主要发生在冬、春季。从空间分布来看，除了我国东南沿海区域出现净短波辐射的增加外，东亚大部分区域的地表净短波辐射总体减少。值得指出的是，地表净短波辐射的分布不仅仅受到地表属性变化的影响，与大气中云等过程也密切相关，这是辐射差值分布与地表反照率空间分布不完全一致的可能原因。图3e—h为地表净辐射收支的差值分布，地表净辐射的变化呈现出与净短波辐射较类似的变化特征，空间分布与地表净短波辐射差值的分布总体一致。

除了辐射通量以外，地表能量平衡的另外两个重要分量是感热通量和潜热通量，二者既与地表的有效能量有关，又受到地表属性和地表水热状况的影响。从图4可以看到，当代土地利用变化总体上导致东亚大部分区域不同季节的感热通量均出现了比较显著的减小，其空间分布与地表净辐射的差值分布基本一致，感热通量的显著减小与因当代土地利用变化引起的地表净辐射(有效能量)减少有关。相比之下，潜热通量的显著变化主要出现在冬、春季，夏季潜热通量虽然变化较大，但并未通过显著性检验，而秋季的潜热通量变化则很小(图4e—h)。冬季潜热通量变化的主要特征体现为华南地区的显著减小，而春季的潜热通量在华南、华北均为明显的增加，江淮地区的潜热通量则有所减小。本质上，潜热通量的变化与降水、土壤湿度的变化有直接的关系，这也可以从后面的分析中得到进一步证实。

2.2 土地利用变化对地表水分循环的影响

图2 当代植被试验与潜在植被试验模拟的地表反照率的差值分布(单位:%;阴影区表示通过90%信度检验) 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

为了考察土地利用对地表水循环的影响，这里重点考察土壤湿度(表层10 cm)和地表蒸散两个水循环分量的变化。图5a—d给出了当代土地利用变化引起的蒸散异常变化的空间分布。当代土地利用使得春、夏季的地表蒸散均有不同程度的增加;相比之下，秋、冬季的地表蒸散变化并不明显。地表蒸散异常变化的空间分布与潜热通量异常的分布基本一致，正如前文所述，地表蒸散的上述变化本质上是降水异常引起土壤湿度异常变化的直接响应，但也应注意到，其空间分布与降水异常和土壤湿度异常的分布并不完全一致，这可能与由于地表属性变化引起的地表净有效能量的多少有关。在当代土地利用变化情形下，表层土壤湿度也发生了较显著的变化，各个季节土壤湿度异常的总体特征是北方增加，而南方区域则有不同程度的减少，这种变化尤以冬、春、夏季明显(图5e—h)。上述分布特征主要由降水异常变化所决定，这可以在后面关于降水异常特征的分析中得以体现。

图3 当代植被试验与潜在植被试验模拟的地表净短波辐射(a—d)和净辐射(e—h)差值的空间分布(单位:W/m2;阴影区表示通过 90%信度检验的区域) 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

图4 当代植被试验与潜在植被试验模拟的地表感热通量(a—d)和潜热通量(e—h)差值的空间分布(单位:W/m2;阴影区表示通过 90%信度检验的区域) 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 土地利用变化对东亚大气环流和气温、降水的影响

东亚地区处于季风区，风场表现出很大的季节性差异。土地利用变化不仅能够引起地表能量平衡和水分循环的显著变化，其影响也在大尺度环流方面有所体现。为了直观反映土地利用变化对东亚大气环流的可能影响，图6a—d给出了当代土地利用变化引起的850 hPa风场异常的空间分布。可以看到，当代土地利用变化总体上有利于东亚地区冬季偏北风加强，东亚的冬季风环流呈现显著加强的特点;夏季东亚地区则出现不同程度的偏南风分量，夏季风环流有不同程度的增强。另外，秋季环流的异常与冬季环流的异常具有类似的分布特征，但环流异常总体不明显;而春季环流的异常与夏季的情况较类似，但明显的南风异常主要出现在我国长江以北地区。东亚大气环流对土地利用变化的上述响应，可能与当地土地利用变化所引起的海陆热力对比的变化有关，当然，其相关的机制尚有待深入探讨。

图5 当代植被试验与潜在植被试验模拟的蒸散(a—d;单位:mm/d)和表层(10 cm)土壤湿度(e—h;单位:mm)差值的空间分布(阴影区表示通过 90%信度检验的区域) 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

图7a—d为土地利用变化前后气温差值的空间分布。可以发现，因当代土地利用变化引起的2 m温度变化存在明显的季节差异。秋、冬季，当代土地利用变化总体上有利于东亚北部区域的气温升高，部分地区升幅可达0.4℃，而南方地区的温度则有所降低，降幅一般为0.2℃。春、夏季，我国北方气温表现出不同程度的降低，而南方则出现较小范围的增加。但也应注意到，上述温度变化均未通过显著性检验。图7e—h为降水异常的空间分布。不难发现，当代土地利用变化导致的降水的显著变化主要发生在春季，总体表现为北部地区降水增加，而南部地区降水减小;降水对土地利用变化的响应在其他季节并不显著。

4 结论及讨论

利用NCAR全球大气环流模式CAM4.0，通过设计潜在植被覆盖和当代植被覆盖两组敏感性试验，初步探讨了土地利用变化对东亚地区地表能量平衡、水分循环和大气环流的可能影响，主要结论如下:

1)以森林退化、农田迅速增加为主的东亚地区当代土地利用变化，明显改变了地表特征参数，引起东亚地区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显著。

2)当代土地利用变化能够对地表的能量平衡和水分循环产生重要影响。土地利用变化引起东亚地区冬、春季地表净短波辐射发生显著变化，净短波辐射除在我国东南沿海区域增加外，在东亚大部分区域总体减少。东亚大部分区域不同季节的感热通量均出现了显著减小。潜热通量的显著变化主要出现在冬、春季;冬季总体减小，而春季则表现为华南、华北增加和江淮地区减小。当代土地利用使得东亚地区不同季节的地表蒸散和土壤湿度均出现不同程度的增加(南方小部分区域除外)。

3)当代土地利用变化总体上有利于东亚冬、夏季风环流加强，但冬季环流的变化最显著。秋季环流异常与冬季环流异常的空间分布特征较相似，但异常总体不明显;春季的环流异常与夏季的情况类似，但明显的南风异常主要出现在我国长江以北地区。

图6 当代植被试验与潜在植被试验模拟的850 hPa风场的差值分布(单位:m/s;阴影区表示通过90%信度检验) 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

图7 当代植被试验与潜在植被试验模拟的2 m气温(a—d;单位:K)和降水(e—h;单位:mm/d)差值的空间分布(阴影区表示通过 90%信度检验的区域) 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)当代土地利用变化未能引起东亚地区近地面气温的显著变化。春季东亚降水对当代土地利用变化的响应最显著，呈现北(南)部地区降水增加(减小)的特点，但其他季节降水的响应总体不显著。

本文的敏感性研究表明，当代土地利用变化确实能够在一定程度上改变东亚地区的地表能量和水分循环，对东亚地区大气环流和气候也有一定影响。我们注意到，土地利用变化的显著影响，主要出现在冬、春季;而对降水的显著影响，则主要出现在春季。此外，我们也注意到土地利用变化的影响存在明显的季节性差异。这些结果与以往的研究结果不完全一致，深入探究其中的原因，将有助于更进一步理解土地利用变化的影响极其机理，上述问题有待进一步深入研究。

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