人为土地利用和土地覆盖变化对区域极端气候事件的影响

期刊：  Nature Communications

中文题目：  人为土地利用和土地覆盖变化对区域极端气候事件的影响

英文题目：  The impact of anthropogenic land use and land cover change on regional climate extremes

作者：  Kirsten L. Findell, Alexis Berg, Pierre Gentine, John P. Krasting, Benjamin R. Lintner, Sergey Malyshev, Joseph A. Santanello Jr. & Elena Shevliakova

（1）人为土地利用和土地覆盖变化

图1a显示了PotVeg运行中描述的自然植被的空间覆盖率，而图1b-e显示了AllHist实验结束时四种土地利用类型的平均分数（两个AllHist模拟中每个模拟过去25年的平均值）。次生植被遍布整个欧洲，沿着欧亚大陆寒冷常绿森林的南部边界，在美国东部和西北沿海，在亚马逊河边缘，以及在非洲北部和中部的大部分地区。由于使用国家木材收获统计数据作为土地利用重建的输入，北非的自然特征和次生特征中的国家边界非常明显。农田在美国中西部地区占主导地位，并延伸至加拿大中部省份、印度，特别是恒河流域，以及整个欧洲，尤其是东欧。中美洲、西非东部和中国东南部的耕地比例较低。牧场在美国中部、整个中亚、萨赫勒、南部非洲、南美洲东南部和澳大利亚占主导地位。

（2）模型对森林砍伐的反应与观察结果进行比较

鉴于上述对中纬度森林砍伐的不同模型响应，我们首先根据参考文献（以下简称AC16）中最近的温度观测结果，评估了GFDL-ESM2G中土地利用对地表气候的影响，涵盖2003年至2012年的十年。AC16使用卫星得出的0.05°分辨率网格单元内的温度估计值，在这里分析的模拟中，该网格单元远小于2°纬度乘以2.5°经度网格分辨率。因此，我们使用同一网格单元内作物覆盖和天然森林覆盖之间的次网格比例尺特定月平均冠层空气温度差，作为AC16记录的森林覆盖损失引起的地表空气温度差的最佳建模代理。

在北半球冬季的北部地区，反照率效应占主导地位，在模型和观测中都产生了森林砍伐的冷却信号。这种情况持续到5月，模型中的平均值比观测值长一个月，尽管观测值总是在宽广的误差范围内，这表明在北冰洋网格单元和所分析的50年中存在很大的变化。在热带地区，观测结果显示，森林砍伐导致的变暖约为1°C，几乎没有季节性。模型响应的幅度与应用年度作物收获后年初的观测值相当，但模型的信号在今年晚些时候减弱，而全年的观测差异相对恒定。未来的模型开发将包括更现实的作物收割方法。总的来说，图2显示GFDLESM2G与最近关于土地覆盖差异气候影响的观测结果在纬度和季节影响方面在质量上是一致的。

图2 模型和观测中森林砍伐引起的温度变化 。红线：ESM2G结果。在同一网格单元内，作物覆盖网格和具有自然植被的网格冠层空气温度之间的平均差值[°C]。对于网格单元，至少有5%的网格单元面积转化为作物，并且自然植被为冷常绿森林；b温带落叶林；c热带阔叶林。阴影区域是各区域内所有网格单元所有年份（两次AllHist运行，1981-2005）差异的±1σ。蓝线：Alkama和Cescati（201629）对其论文中定义的a北方、b温带和c热带气候区由于森林覆盖损失（如图2a所示）导致的地表气温季节变化的观测驱动估计。y轴值是对0.05°网格单元内100%森林砍伐的温度敏感性[°C]。

（3）北中纬度对人为LULCC的响应

为了分析人为LULCC对全球地表气候的影响，对每个实验的50个模拟模型的年数据进行了比较。通过在图的90%显著性水平上应用双尾修正t检验来确定统计显著性。修改后的t检验解释了时间序列的自相关。夏季北中纬度地区对人为LULCC的响应（图3）主要表现为潜热通量的减少（特别是通过蒸腾作用）和变化区域感热通量的增加，特别是在转为农田的区域。这些地区的叶面积指数（LAI）和总初级生产力（GPP）也大幅下降。在综合湿度-温度相空间中，植被特征和功能的变化伴随着近地表大气的统计显著的中纬度变暖和干燥，即，差异通过了修正的t检验，解释了时间序列的自相关。

（4）热带对人为LULCC的响应

作物密集发展的热带陆地区域（印度、东南亚部分地区、西非部分地区；图1）表现出LAI下降，如中纬度地区（图3c）。然而，与中纬度地区不同，热带陆地地区有相当一部分原始森林或次生林，平均而言，相对于PotVeg情景，GPP增加（图3d），感热或潜热通量大多没有显著变化（图3a、b）。另一方面，孤立的像素显示三个热带阔叶林地区的LAI增加：（1）亚马逊，森林地区边缘周围约有10%的牧场，整个地区约有10%为次生牧场；（2） 中非，具有强烈的次生植被印记；（3）澳大利亚北部，约50%为牧场，约10%为次生（图1和3c）。根据重建的LULCC情景假设，轮流耕种是指每年废弃的6.7%的农田和牧场（即转换为次生），以及通过转换自然或次生土地而产生的相等面积的新农田和牧场。先前的研究强调了次生植被的重要性，并表明热带地区的耕作方式的改变会显著影响碳动态。由于其对植被特征的影响，这些做法也可以调节生物物理反馈。事实上，对该早期研究中使用的五个集合成员进行的进一步分析表明，在每个场景中，两个集合成员的不同组合可以在亚马逊产生正或负的LAI差异，这表明这些LAI变化并不稳健，尽管一些孤立像素确实通过了图3中应用的修改后的t检验。

关注具有大量LULCC的热带陆地区域，例如巴西的半干旱北欧地区，突出了向更高湿度和相应更高湿焓的转变（图5d）。这种增加与该区域LAI、GPP和潜热通量的增加一致（图3），并表明可能存在局部植被强制响应，但信号仅在少数孤立网格单元上显著。澳大利亚东北部也出现了类似的反应。此外，图6d显示，较高的ME是整个热带地区的全年信号：每个热带陆地区域的高湿度事件频率在所有季节都增加了两到三倍（图6c，d）。如上所述，尚不清楚海洋内部变化对该信号的影响有多大，LULCC情景或两者之间的相互作用对该信号有多大。这种热带范围内的温度和湿度响应（图4）可能与整个热带地区的GPP增加有关（图3d）。仅关注LULCC的温度效应的研究可能无法捕获此处强调的近地表热带气候中由湿度驱动的显著变化。考虑到湿焓或类似的湿球温度对人类和哺乳动物的生理重要性以及热带地区城市化的迅速上升，我们的结果强调了LULCC作为热带地区未来气候条件和热应激任何特征描述的必要组成部分的重要性。然而，鉴于海洋可变性的时间尺度较长，需要有更多集合成员的更长时间模拟，以减少仅采样不同低频海洋可变性模式子集的可能性，并将气候响应归因于土地利用过程。

本研究通过对LULCC的联合温湿度响应进行新的考虑，并通过使用ESM，捕捉次网格规模森林砍伐的影响，并解释诸如木材采伐、轮作种植和次生植被生长等关键过程，为人为LULCC在区域气候极端情况下的作用提供了新的视角。我们证明，GFDL-ESM2G对森林砍伐的亚脊尺度平均温度响应与北方、温带和热带生态系统的最新综合观测结果一致。与潜在植被模拟相比，将人为LULCC纳入该模型将导致中纬度大部分地区炎热、干燥夏季的频率增加两到四倍。换言之，由于人为LULCC，我们确定的中纬度HD夏季的阈值比没有这些地表变化的情况下的阈值要热得多，也更干燥。这种中纬度响应与早期对夏季平均温度变化的评估相一致，以应对人为LULCC，但在此我们证明，平均温度的这些变化延伸至极端温度和湿度的变化。考虑到温度和湿度对人类和生态系统的健康和福祉的重要性，这种双变量方法加强了对LULCC更广泛影响的理解。

该模型中的热带响应似乎受到低频海洋变率的强烈影响，因为没有充分取样，在这里可用的模拟年数有限。热带土地响应进一步取决于将次生林生长、木材采伐和轮作种植纳入许多CMIP5 ESM中未包括的GFDL-ESM2G过程。在这里，我们证明它们也可能影响热带水文循环，尽管需要更长的模拟来全面评估这种影响。尽管如此，本文提出的结果支持了进一步研究的需要，并回应了以往研究的呼声，这些研究呼吁在未来气候的地球系统模型预测中对LULCC进行高分辨率表示。