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地法学家发布青藏高原生态系统和天气变化相互

时间:2019-07-13 08:23来源:lo622.com
青藏高原幅员广袤,地势高亢,在夏季是巨大的热源,通过热力作用影响亚洲季风甚至北半球大气环流。青藏高原大气圈、水圈、冰冻圈和生物圈等多圈层相互作用非常强烈,是研究地

青藏高原幅员广袤,地势高亢,在夏季是巨大的热源,通过热力作用影响亚洲季风甚至北半球大气环流。青藏高原大气圈、水圈、冰冻圈和生物圈等多圈层相互作用非常强烈,是研究地球系统多圈层耦合机制的理想区域。青藏高原是全球对气候变化最敏感的区域之一,近50年来以0.4°C/10年的增温速率(大于全球平均增温速率的两倍)持续变暖,且夜间变暖速率高于白天变暖速率。青藏高原高寒生态系统对气候变化敏感,又会对气候系统产生反馈,是多圈层耦合过程中的关键因子。阐明青藏高原植被活动与气候的相互作用机制,对理解全球变化背景下青藏高原多圈层如何相互作用,并进一步影响青藏高原及其周边区域气候格局至关重要。在气候与植被特征都与青藏高原相似的北极地区,气候变暖已导致植被活动增强,而增强的植被活动却反作用于气候系统,加剧气候变暖,植被活动对气候变化产生了“正反馈”。青藏高原,被称为地球“第三极”,针对其植被活动对气候变化的响应,学界已开展了一些研究,但是仍有争议,结论尚不明确;而关于青藏高原植被活动会对气候产生怎样的反馈,相关研究非常少。

青藏高原植被对气候变化呈负反馈

植被生长对气候变化的响应是全球变化研究的核心内容之一。目前学界普遍认为北半球植被生长主要受温度的限制,气候变暖是近几十年北半球植被生产力增加的主要原因之一。值得注意的是,植被生长还受其他环境要素如水分的制约,同时植物生理过程(如光合作用和自养呼吸等过程)对气候变暖产生适应,因此植被对全球变暖的响应可能随时间而发生变化。然而,由于缺乏长期观测数据的印证,目前人们对植被生长与气候变化关系的动态变化了解甚少。

近日,中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心副研究员沈妙根及其合作者利用地面气象观测资料、遥感植被指数数据和蒸腾作用数据,结合区域气候模式及地表能量平衡模型,系统分析了青藏高原植被活动和气候的相互作用。研究发现:近30年来,随着青藏高原持续变暖,遥感观测显示高原生长季植被活动呈持续增强趋势。增强的植被活动降低了地表生长季白天温度,对生长季夜间温度的影响不显著,总体上降低了局地生长季平均温度。这种局地降温效应,主要是由于植被增加导致局地蒸腾作用增强,从而降低了地表能量。不同于北极植被对气候变化的“正反馈”作用,青藏高原植被活动对气候变化形成了“负反馈”;这是因为在北极,反馈过程由地表反照率下降导致的增温效应主导,而在青藏高原,强辐射导致植被蒸腾降温效应主导了反馈过程。高原植被对气候的这种“负反馈”作用,表明中国政府在青藏高原实施的“退牧还草”等植被恢复措施有助于减缓当地气候变暖。该研究揭示了青藏高原生态系统和气候变化相互作用机制,为探讨青藏高原多圈层耦合过程及其对气候变化的响应和反馈提供了新的思路,进一步丰富了青藏高原地球系统科学研究的知识体系。

近日,中科院青藏高原地球科学卓越创新中心副研究员沈妙根及其合作者,利用地面气象观测资料、遥感植被指数数据和蒸腾作用数据,结合区域气候模式及地表能量平衡模型,系统分析了青藏高原植被活动和气候的相互作用。研究成果发表于《美国国家科学院院刊》。

利用卫星遥感获取的归一化差值植被指数、10种不同的生态系统过程模型以及气象观测数据,中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心教授朴世龙及其合作研究团队系统地分析了过去30年全球气候变化背景下,北半球植被对全球变暖响应的时空变化。

该研究得到中科院先导专项B类《青藏高原多圈层相互作用及其资源环境效应》的资助。研究成果已发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)。

青藏高原高寒生态系统对气候变化敏感,又会对气候系统产生反馈,是多圈层耦合过程中的关键因子。针对其植被活动对气候变化的响应,学界已开展了一些研究,但仍有争议。

1982-2011年期间北半球植被生产力与温度的相关关系显著地降低,表现为上世纪80年代和90年代中期气候变暖显著促进北半球植被生产力,但最近15年其关系并不显著。模型模拟结果表明,气候变化是导致植被生产力与温度关系下降的主要原因,而大气CO2浓度上升等因素的贡献相对较少。干旱和降水量下降是导致温带地区植被生产力与温度相关关系下降的主要原因;而60°N以北的寒带地区的下降与极端事件的增加以及植被生长对温度变化的适应有关。进一步的分析表明,高纬地区植被生产力与温度的关系在温暖年份显著低于寒冷年份,而且温暖年份的下降趋势比寒冷年份更为显著。在地球“第三极”的青藏高原地区,过去30年来,植被生长对温度变化的响应并没有显现出明显的动态变化规律,与北半球高纬地区植被并不一致,需要进一步分析。

文章链接

科研人员发现,近30年来,随着青藏高原持续变暖,遥感观测显示高原生长季植被活动呈持续增强趋势。增强的植被活动降低了地表生长季白天温度,对生长季夜间温度的影响不显著,总体上降低了局地生长季平均温度。这种局地降温效应,主要是由于植被增加导致局地蒸腾作用增强,从而降低了地表能量。不同于北极植被对气候变化的“正反馈”作用,青藏高原植被活动对气候变化形成了“负反馈”。高原植被对气候的这种“负反馈”作用,表明我国政府在青藏高原实施的“退牧还草”等植被恢复措施有助于减缓当地气候变暖。

这一成果阐明了植被生长对温度变化的非线性响应,将有助于了解气候变化对北半球植被影响及其机制,改变了人们长期以来普遍认为的“本世纪气候持续变暖会进一步促进植被生长,并吸收更多的CO2”的观点。相关研究成果发表于Nature Communications

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本研究揭示了青藏高原生态系统和气候变化相互作用机制,为探讨青藏高原多圈层耦合过程及其对气候变化的响应和反馈提供了新的思路,进一步丰富了青藏高原地球系统科学研究的知识体系。(来源:中国科学报 陆琦 彭科峰)

论文链接

图1 1982-2010年植被变化趋势。由生长季NDVI的变化趋势表示,NDVI增加表示植被增加。左上角小图中绿色和红色部分分别表示植被显著增加和减少的区域。

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图1.过去30年北半球植被生长季NDVI和温度以及降水之间的相关系数(RNDVI-GT和RNDVI-GP)变化趋势。横轴表示研究时段的中心年份,如1989表示研究时段为1982-1996。不同植被生长季定义下的1982-1996年和1997-2011年间NDVI和温度的相关系数。

图2 植被活动变化对局地温度变化的影响。图顶端表示不同的时段和NDVI数据集。R为生长季温度(平均温度Tmean,日间温度Tmax或夜间温度Tmin)变化趋势和NDVI变化趋势之间的相关系数。第二行中RP为Tmax变化趋势和NDVI变化趋势之间的偏相关系数,控制变量为Tmin变化趋势;第三行中RP则为Tmin变化趋势和NDVI变化趋势之间的偏相关系数,控制变量为Tmax变化趋势。

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图2. 生长季温度与 遥感获取的NDVI和模型模拟的植被生产力的相关系数及其时间变化。在颜色图例中,横轴代表1982-2011年间温度与NDVI或NPP相关系数;纵轴表示NDVI或NPP与温度的相关系数的变化趋势。

图3 蒸散变化对白天温度的影响,用温度变化趋势分别和来自于三套数据(ETJ, ETG, ETM)的ET变化趋势之间的偏相关系数R为Tmax变化趋势和ET变化趋势之间的相关系数;RP为Tmax变化趋势和ET变化趋势之间的偏相关系数,控制变量为Tmin变化趋势。R为Tmin变化趋势和ET变化趋势之间的相关系数;RP为Tmin变化趋势和ET变化趋势之间的偏相关系数,控制变量为Tmax变化趋势。

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