地表植被改变对气候变化影响的模拟研究

地表植被改变对气候变化影响的模拟研究*

陈星，雷鸣

（南京大学大气科学系，江苏 南京 210093）

E-mail: xchen@

摘 要: 由于人类活动的影响，在过去的几百年里面全球植被发生了很大的变化，大气中的二氧化碳浓度迅速升高。地表植被的变化通过地面的能量和水汽交换而改变气候。本文使用AGCM+SSIB模式对由于植被变化而可能导致的气候变化进行了敏感性模拟试验。研究区域为欧亚大陆。模拟主要对1700，1800，1900，1950年所代表的气候特征时期植被改变所造成的气候变化响应进行平衡态试验。欧亚大陆在这些时段内植被变化是非常明显的，有大片的土地覆盖从森林变为草地或者耕地，或者从自然草地变为耕地。研究结果表明地表植被的改变对于气候的作用是非常复杂的，但中纬度地区在统计上有着比较明显的作用。从1700年到1950年由于植被的退化，东亚地区夏季变得更热而冬季变得更冷，欧洲冬夏都变冷了；中国南部的降水在夏季不断减少，亚洲夏季风被削弱。

关键词：植被变化，气候模拟，气候变化，欧亚大陆

1. 引言

陆面过程是影响气候变化的基本物理生化过程之一。近20年来，陆面的物理过程机理及模式发展研究有了快速发展。人们已经认识到：分布不均匀的复杂下垫面所构成的陆地表面是整个全球气候系统的一个重要分量；陆面和大气之间进行的各种时空尺度上的相互作用和各种动量、能量、物质及辐射的交换对于大气环流及气候状况有极大的影响，有时在某些局部，某个时段内起着关键性的决定作用。这种交换的通量强度既与下垫面本身物理化学性质及其动态变化的状况有关，也与变化的大气状况以急太阳辐射的强度有关。另一方面，人类活动对土地利用方式的改变已经改变了人类生态环境。因此，深入研究陆地上各种下垫面与大气之间相互作用的物理，生化过程，不断改进和发展一个更接近真实的陆面过程模型，更精确地模拟上述各种交换，模拟大气边界层特征、地表温度和湿度等与气候的密切相关性已成为气候研究的重要内容之一。但由于陆面观测资料的缺乏和陆面过程的复杂性，陆面过程的研究一直落后于诸如海气相互作用的研究。

最早利用GCM研究陆面过程的敏感性是Charney。Charney[1]从理论上研究非洲Sahel干旱时就注意到了植被的重要性，开创性地提出了地球生物反馈机制，部分地解释了大沙漠边缘地区的干旱重发现象。他认为Sahel地区由于过度放牧破坏了地表植被，使反射率变大，从而改变了地表能量平衡，使之成为一个辐射热汇，大气冷却造成下沉气流的加强与维持，加剧了干旱，从而造成植被进一步退化，导致沙漠边缘的扩展这一恶性正反馈过程。并于1977年用GISSGCM证实了他的假设。

近十多年来，我国科学家做了很多关于植被的气候敏感性实验。范广洲和吕世华[2]在对陆面植被类型对华北地区夏季降水影响进行了数值模拟研究后认为，华北地区以草原或沙漠代替落叶林后，该地区夏季降水略有减少，但降水总量变化不大，这主要是由于降水变化的区域分布不一致所致；华北西北部以沙漠代替草原后，华北地区的平均降水有所增加，这主要是由华北北部地区降水增加引起的；华北中部以南的降水变化主要由积云对流降水变化引

*基金项目：国家自然科学基金项目（40475035）、国家重点基础研究发展计划项目（2006CB400500）共同资助。

作者简介：陈星(1957~ )，男，江苏镇江人，教授，博士学位，主要从事全球变化和古气候模拟研究。E-mail: xchen@

起，以北主要由大尺度降水变化引起。以农田代替落叶林后，华北地区夏季降水略有增加，且主要是由于大尺度降水变化引起的。对实验结果的机制分析表明，华北地区地表植被类型对区域降水的影响主要是通过改变地表粗糙度和地表反照率，从而改变地-气能量交换，导致局地环流变化来实现的。

符淙斌和袁慧玲[3]利用一个区域环境系统集成模式(RIEMS)[4]模拟了恢复东亚地区自然植被对区域气侯和环境可能影响的程度。其结果表明，恢复自然植被将使东亚地区夏季季风增强．从而有更多的水汽输送到中国大部分地区，使大气中水汽含量明显增加，降水量增多，土壤变湿，从而明显地改变区域生态环境。南部季风低压加深，南风即夏季风增强，北部有反气旋差值环流发展且位置偏东，有利于大量暖湿空气从海洋向内陆干旱半干旱区输送，从而改善那里的气候和环境状况。高学杰等[5]用区域模式研究了植被改变对我国气候的影响。

2.资料

本文所采用的地表植被资料来源于Klein Goldewijk和Battjes[6]的工作，并于2001年升级为1700年到1900年的所有时期[7](http://www.rivm.nl/ieweb/ieweb/index.html)。自然植被的基准类型是模仿改进了的BIOME模式[8]并由Leemans 和 vanden born[9]做了一些修改，方案包括17种分类，其中农田和城市被赋予了相同的比重。在地表覆盖数据资料类型中的地表类型又根据BATS的需要被划分为18种。因此而得到了一套适用于BATS方案的地表覆盖类型分类，并且得到了可用的每隔50年(1700,1750,1800,1850,1900,1950,1970,1990)的资料[7]。本文将它们转换为SSiB模式能识别的12种地表类型（表1）。

300百年来地表覆盖的演化是非常明显的，绝大部分变化都发生在从北纬20度到北纬60度的中纬度地区。（1）中国东部和南部，森林被草地或者耕地所替代；（2）印度半岛，几乎所有的土地在1990年都变为了耕地；（3）北纬50度左右，从东经50度到东经120度，很大的一片区域从高草变为了低草；（4）东欧也有大片的自然植被变为耕地。 1700年以来，1800年到1950年之间地表类型变化最大，可以认为这是工业化的一个结果。大部分地表覆盖类型的转换可归并为四种：森林变为草地或者耕地；低草变为耕地；高草变为低草或者耕地；半沙漠地区变成耕地，其中最明显的是越来越多的地表变为耕地。

表1 SSiB的地表植被类型

类型序号类型说明类型序号类型说明

1 阔叶常绿林 7 草被覆盖

2 阔叶落叶林 8 阔叶灌木与多年生草被

3 阔叶针叶混交林 9 阔叶灌木与裸土

4 针叶常绿林 10 阔叶灌木与草被覆盖

5 针叶落叶林 11 裸土

6 阔叶林与草被覆盖 12 冬小麦与阔叶落叶林

3. 模式与模拟实验设计

全球大气环流模式AGCM是中国科学院大气物理研究所（IAP）9层谱模式的第三个版本L9R15-3，即垂直9层结构，水平径向15波展开菱形截断[10，11]。该模式起源于Simmonds[12]，