植被覆盖度和叶面积指数 对气候变化背景下北极变绿的相对影响外文翻译资料

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植被覆盖度和叶面积指数

对气候变化背景下北极变绿的相对影响

为了确定植被覆盖度和叶面积指数（LAI）对气候变化背景下北极变绿的相对影响，针对植被覆盖和/或叶面积指数增长了的60°N以北的土地进行了一组气候模式敏感性实验。模拟结果表明，植被覆盖度的增长对地表变暖有着显著贡献，而叶面积指数的增长没有。植被覆盖度的增长同时降低了地表无雪和冰雪覆盖情况下的地表反照率，并导致春季和初夏的的最大地表增温（gt;2°C）。植被覆盖度的增长也影响了土壤蒸发量与植被蒸腾量之间的分配，从而减少了地表土壤的土壤水分流失。叶面积指数的增长导致对流性降水和大尺度降水的同时增强，而植被覆盖度的增长主要是增加对流性降水和大尺度降水的比值。

1. 引言

遥感、局部场数据、航拍照片和模型模拟结果都表明“绿度”的增加正在北方高纬度地区发生。土地覆盖变化对气候的影响已得到广泛研究。这些研究表明，地表土地覆盖的能量、水分和碳通量的变化可以显著影响气候。高纬度植被对气候的反馈研究，虽然主要集中在北方森林砍伐所造成的影响，表明北极气候对植被变化十分敏感。根据北半球高纬度地区植被变化的近期表现，Zhang Jing和Walsh研究了北极变绿的总体影响，发现“绿度”的增加会加强全球变暖的急性扩增和加剧北部高纬度降水。

“绿度”的增加可以从更广泛的植被覆盖度和/或较高的叶面积指数（LAI）来表现。这两个植被覆盖变量在陆面过程中起着不同的作用。北极变绿是由植被覆盖度的增长，还是叶面积指数的增长，抑或是两者共同作用引起的是一个悬而未决的问题。从观察报告的角度来看，除了植树造林，植被覆盖度是不太可能在一个很短的时间尺度上发生变化的，而叶面积指数更可能响应气候变化而增长，特别是在生长季节的长度发生变化时。无论是哪种方式，在这些不同的情况下北极变绿，我们所能预期的气候影响从定性和定量的角度都是未知的。这就引起了一个尚未得到解决的问题：植被覆盖度和叶面积指数对气候变化背景下北极变绿的相对影响？我们将在我们原有的研究基础上，通过采用一种大气环流模式来执行一组敏感性模拟，以回答这个问题。本文第2部分介绍了这一模式和实验设计，第3部分通过一组模式敏感性实验比较了植被覆盖度和叶面积指数的不同影响，第4部分则包含对于实验结果的一个讨论与总结。

2.途径与方法

本次研究中使用的大气环流模式是arpege-climat，它最初是由法国气象局和欧洲中心开发的。Furevik等人通过将该模式与海洋模式耦合，使之进一步扩大而创建出卑尔根气候模式（BCM）。这里使用的ARPEGE模式版本与创建卑尔根气候模式时使用的相同。

ISBA（土壤圈、生物圈和大气圈之间的相互作用）陆面方案包含在了arpege-climat模式中。在ISBA方案中，植被覆盖度的变化影响了地表反照率和蒸发量，包括植被蒸腾量和土壤蒸发量。由于植被具有比土壤小的反照率，随着植被覆盖度的增加，可用植被和裸土反照率的线性加权组合来代表的无雪时的地表反照率会减小。植被通过有效地减少暴露于太阳辐射下的地表积雪覆盖率，对于积雪覆盖的地表也有一个掩蔽效应。因此，植被覆盖度的增加也降低了雪盖的地表反照率。植被覆盖度和蒸腾量之间的线性关系导致蒸腾量随着植被覆盖度的增加而增加，引起深层土壤水分流失增加。在另一方面，土壤蒸发量随着植被覆盖度的增加而减少，由于土壤减少在大气中的暴露使得地表土壤水分流失减少。

叶面积指数通过干燥冠层表面的蒸腾作用影响ISBA方案中的蒸腾量。叶面积指数的增加引起表面电阻的减少，相应提高蒸腾作用。此外，叶面积指数的增加代表更密集的树叶和通常更高的植被度，这将导致植被粗糙度的增加（Z OV）。在本次研究中，任意假定当叶面积指数增加时，植被粗糙度增加10%。增加植被粗糙度可以通过减少冠层表面的积雪覆盖率略微提高对于积雪覆盖的地表的掩蔽效应。

另外一个重要的物理模型的参数化包括Morcrette的辐射方案，Bourgeault的对流方案以及Ricard和Royer的统计云方案。关于模型的物理过程细节的详细信息由Deque等给出。

在本次研究中，ARPEGE-CLIMAT模型首先由一段30年的时间步长为30分钟的现今气候模拟集成，以提供一个控制模型（CTL）。1月1日开始的模拟受气候平均海面温度、海冰和现今从NCEP/NCAR再分析中提取的植被图的土地初始条件和边界条件所影响。通过增大60°N以北地区的植被覆盖度和/或叶面积指数进行三次相同积分时间跨度的敏感性模拟。在记为G100的第一次实验中，植被覆盖度和叶面积指数都被加倍（增加100％），以100％为植被覆盖度的上限，6为叶面积指数的上限。因此，当今植被覆盖度大于50％的地区，如大多数北美西北部、西欧和欧亚大陆中南部都有限制为小于100％的增长。在记为VG100的第二次敏感性模拟中，仅植被覆盖度增加了100％。最后，在记为IG100的第三次敏感性模拟中，只增加叶面积指数。这三次实验让我们区分出植被覆盖度和叶面积指数对北极变绿的相对影响。

3.结论

3.1地表变暖

如第2部分所说，在植被覆盖度增长的地区和周边地区年平均气温显著增长（最高可达3°C），从实验G100（图1a）和VG100（未显示）看出，最大变暖中心位于北美洲中北部、欧亚大陆中北部和欧亚大陆东部，正对应无植被覆盖度增加限制的区域。然而，仅通过增加叶面积指数来增强的“绿度”（lG100）对地表变暖无显著贡献（图1b）。在图1a中有一个有趣的结果，植被变化带来的地表变暖也可以延伸到北冰洋和低纬度地区，这意味着北极变绿的影响不仅是当地的，也是可传播的。

在60°N以北地区，区域月平均气温距平相对于CTL的季节性周期异常，显示出实验G100和VG100中全年均发生地表变暖，但实验lG100只有春天发生（图1b）。在实验G100和VG100中，较强的升温（gt;2C）在春季和夏初（3月- 6月）期间发生，而相对较弱的升温（约1°C）在夏季和秋季（7月-11月）出现。夏天和秋天的温度增加较小主要是由于更多与降水增加有关的云的抵消效应（如3.4节中介绍），而在实验G100和VG100中，春季和初夏有更强的增温是由于当有雪时背景地表反照率下降而增强了植被对于白雪覆盖面和冰雪反照率反馈的掩蔽效应。

实验G100中叶面积指数的增加有一个有趣的影响，通过实验G100和VG100之间的对比可以表明，叶面积指数的增长可以轻微的增强全年（除了夏天）的地表升温。较强的气候变暖部分归因于由叶面积指数水平的升高和相应增强的近地表湍流热通量导致的地表粗糙度的增加。实验G100中，轻微增强的植被对于白雪覆盖表面的掩蔽效应也有助于春季的气候变暖。实验G100中，夏季的气候变暖较为微弱可能是由于夏季有更多与较强降水增加有关的云量（见3.4节）。

实验G100和VG100中，地表反照率的降低归结于植被覆盖增加所导致的被地表吸收的太阳辐射的增加，这在气候变暖中扮演着重要的角色。在另一方面，叶面积指数的增长并不能改变地表反照率，因为实验IG100中，被吸收太阳辐射变化并不明显，除了在春季由于植被覆盖的轻微增长对白雪覆盖表面的掩蔽作用而造成的微小增长和在夏季（七月）由于和降水增强相关的云量的增加拦截了一些向下的太阳辐射而造成的微小下降（如3.4节）。

3.2地表湿度

植被覆盖变化也影响了地表蒸发量。从地表到大气中的总蒸发量是植被蒸腾量和土壤蒸发量的总和。在60°N以北地区，实验IG100，VG100和G100中相对于CTL的区域平均年总蒸发量、土壤蒸发量和植被蒸腾量在表1中给出。在所有敏感性实验中总蒸发量相对于CTL都有所增加，G100中为22mm ，IG100中为10mm ，VG100中则为8mm 。只增长植被覆盖度（VG100）或只增长叶面积指数（lG100）对于总蒸发量的增加有类似的贡献，但同时增强植被覆盖度和叶面积指数（G100）对总蒸发量的增长的贡献结果是大于仅增长其一所带来结果的两倍的。

重要的是，植被覆盖度的增长（实验vG100 和 G100）改变了植物蒸腾量与土壤蒸发量之间的分配。植物的蒸腾量增加了，而土壤的蒸发量减少了。因此，在植被覆盖增加的地方会有更少的水分从地表土壤中流失。另一方面，叶面积指数的减少对土壤蒸发量的影响很小。在实验G100和VG100中，60°N以北地区（图2），区域平均的月平均表层土壤水分相对于CTL的季节周期性异常显示一年中的大多时候（除冬季外），由于春季融雪速度的加快和夏季土壤蒸发的减少，表层土壤含水量有所增加。另外，实验G100 and vG100中，由于植被覆盖度的增长引起夏季总土壤水分贮藏的减少，植被的蒸腾量明显增强，而实验IG100中（未显示），叶面积指数的增长对夏季总土壤水分贮藏影响不大。

3.3大气稳定度

植被覆盖度增长诱发的变暖（图1）和润湿（图2）会降低大气稳定度，这在夏季表现尤为明显。在60°N以北地区，大气潮湿静态能量在5-7月相对于CTL的异常显示出在实验G100和VG100中低层大气湿静能的增加，但在实验IG100（图3a）中这种变化并不明显。所以，实验G100和VG100中潮静能的垂直梯度下降表明每当植被覆盖度增加时，大气稳定度下降。

大气稳定度的下降提供了一种热动态环境，这有利于对流活动和相关的对流性降水的增长。敏感性试验和CTL（未显示）之间的月平均对流性降水差异的季节周期性表明，植被覆盖度对于对流性降水最显著的影响发生在春末和夏初，大约是5-7月（MJJ）。在实验G100中，MJJ对流性降水的增长几乎均匀地发生在植被覆盖度增加的区域（图3b），由于覆盖率达不到100%，植被覆盖度最大百分比发生区域对应如下地区：北美洲东北部，欧亚大陆中北部和欧亚大陆东部。

3.4降水

表二中给出的60°N以北地区区域平均年降水量表明叶面积指数的增长（实验lG100）导致降水增强。包括对流性和大尺度降水，这一增长相对于CTL有14mm 。由于大气稳定度的下降，植被覆盖度的增长（VG100）确实会增强对流性降水，但也会导致大尺度降水的减少。因此，模拟VG100对总降水量没有实质性影响。模拟G100中，当叶面积指数和植被覆盖度同时增长，对流性降水相对于CTL会有大约10%的增长，在20 mm 左右。然而，实验G100中植被覆盖度的增长又使大尺度降水减少，这抵消了对流性降水的增加，导致总降水量比实验IG100中略低一些。

植被变化对水文的综合影响可以总结为降水量减去蒸发量（P-E）。从表1和表2可以看出，在60°N以北地区，CTL中P-E的平均值为265mm ，实验LG100中为268mm ，VG100中为255mm ，G100为255mm 。当叶面积指数增长时P-E有一个轻微的增长，而当植被覆盖指数增长时，P-E的值下降。在后一种情况下，总蒸发量的增加大于总降水量的增加（表1和表2）。因此，当叶面积指数增加时径流增加，植被覆盖度减小时径流减小。

1. 总结与讨论

通过一组在原有的检验综合变化对与北方“绿度”增长相关的植被过程的影响的工作基础上进一步扩展的敏感性实验，植被覆盖度和叶面积指数对于气候变化背景下北极变绿的相对影响得到验证。对模拟结果的比较表明，植被覆盖度和叶面积指数在北方变绿这一现象中扮演非常不同的角色，以至于对气候变化的影响是可区分的。

植被覆盖度的变化对“绿度”增加背景下的地表变暖有显著贡献。气候变暖也表现出很强的季节性，春季和初夏期间温度升高超过2℃，而夏季和秋季大约维持在1℃。增强的对白雪覆盖面的植被掩蔽效应和和放大的冰雪反照率反馈使得春季到初夏期间地表气温增长达到一个最大值。植被覆盖度的增加立即减少了地表无雪和白雪覆盖面的表面反照率，造成地表吸收太阳辐射的显著增加，放大了积雪、地表反照率和吸收的太阳辐射之间的反馈作用。温度在夏季的增幅较小可通过云量增长的抵消效应来解释，这反映在降水的增强上。相较于植被覆盖度的显著影响，叶面积指数的增长对于地表变暖的贡献较小。

无论是植被覆盖度还是叶面积指数的增长都会导致总的地表蒸发量的增长。

不同于植被覆盖度和叶面积指数的增长对于地表变暖额迥然不同的贡献，植被覆盖度和叶面积指数的增加对于总的地表蒸发量具有相似的影响。然而，植被覆盖度的增加改变了土壤蒸发量和植被蒸腾量之间的划分，使得前者降低，而后者有较大的增加。其结果是，由于土壤蒸发量的减少，表层土壤水分增加，但由于植被蒸腾量的增强，总的土壤水分下降。植被覆盖度增加导致的变暖和湿润降低了大气稳定度。

我们也就其对降水的相关影响进行了进一步分析。在60°N以北地区，叶面积指数的增加对对流性和大尺度降水都有增强作用，使得总降水量增加。而植被覆盖度的增长对总降水量的影响较为微弱。它反而是改变了降水的比例划分，使得对流性降水增加，而大尺度降水相对减少。植被覆盖度增加引起的大气稳定度降低为对流活动提供了一个更有利的热力学环境，使得对流性降水增强。

虽然这项研究集中在北部高纬度陆地地区，植被变化对其他气候系统也有着明显的影响。举例而言，植被变化引起的气候变暖向北冰洋的延伸可能导致北极海冰程度的萎缩。相似的，60°N以北发现的许多冰川的质量平衡可能被附近地区的“绿度”导致的变暖影响。植被覆盖度和叶面积指数的相对影响在这项研究中与基础物理和最近的观察性研究一致，显示出，雪与植被的相互作用能够促进北部地区春季气候的变暖，这也正如马奎尔等人讨论的那样。而这里所得到的结果应该是各种大气环流模式之间定性强大，由于不同实验中的敏感性和反馈力度不同，上述确定的影响的幅度可能在不同实验间定量变化。具体地，植被

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