我院郭维栋和葛骏团队深入研究黄土高原植被恢复对区域降水和水循环的影响


发布时间:2023-05-09浏览次数:1659


为了治理水土流失、土地退化等生态环境问题,我国自1999 年起以黄土高原作为试点地区,率先实施大型生态工程项目退耕还林。近二十年来,黄土高原植被恢复明显,总体呈变绿趋势。植被除了具有水土保持和固碳等环境生态效益外,还可以通过改变反照率和粗糙度等地表属性影响陆-气之间的动量、能量和水分交换,从而影响区域气候。尤其是绿化会增强地表蒸散发,加剧对陆地水资源的消耗。这也引起了关于黄土高原绿化的水文效应及其可持续性的担忧。

近年来,越来越多的研究表明,黄土高原绿化可能会通过陆-气相互作用影响降水,从而缓减或加剧绿化对陆地水资源的消耗(例如,Ge et al., 2020)。然而,这种降水响应存在很大的不确定性。近期,我院郭维栋和葛骏团队利用耦合了水汽示踪模块的区域气候模型WRF-WVT,量化了2002-2015年期间黄土高原绿化对降水和水循环的影响。结果表明,在生长季,绿化使蒸散发增加(0.31 mm·day-1),但同时降水增加更多(0.45 mm·day-1),从而使得陆地产水量在植被恢复后反而略有增加。研究发现,大部分(85%)的降水增量是黄土高原以外水汽贡献的,这与绿化引起的大尺度环流和水汽输送变化有关。仅有小部分(15%)的降水增量是黄土高原本地绿化引起的蒸散发增量贡献的。另外,绿化还增强了黄土高原大气水汽转化为降水的效率,这对降水的增加也起到了重要作用。

考虑到非局地水汽对黄土高原绿化降水效应的重要贡献,这对于采用区域模型来研究该类问题具有重要的启示意义。研究还发现,模拟区域大小的选取对降水响应的模拟结果影响很大。在区域模型边界条件的约束下,缩小模拟区域会限制大尺度环流和水汽输送对黄土高原绿化的响应。在这种情况下,黄土高原绿化对降水的影响会被抑制,降水增量难以补偿绿化引起的蒸散发增量,从而导致陆地产水量在植被恢复后下降。该结果不仅在一定程度上解释了过去基于区域模型的研究结论的差异,还为未来进一步开展黄土高原绿化气候和水文效应的模拟提供了科学依据。

该研究强调了非局地水汽对黄土高原绿化降水效应的重要影响,完善了对黄土高原水汽循环过程的认知,为未来生态工程更高效的实施提供了新的思路。研究成果以“Revisiting biophysical impacts of greening on precipitation over the Loess Plateau of China using WRF with water vapor tracers”为题,发表于美国地球物理学会(American Geophysical Union,AGU)高影响期刊Geophysical Research Letters。该工作同时被AGU会刊Eos作为“编辑亮点”(Editor’s Highlight)进行推介。编辑以“Greening of Loess Plateau Increases Water Yield”为题进行了报道(Wang, 2023)。Eos是全球地球与空间科学研究领域前沿信息来源的权威学术平台,其中的“编辑亮点”专栏主要报道相关领域内具有显著影响的最新研究成果,在AGU期刊发表的论文中仅有不到2%以该方式被报道。

我院2020级博士生刘钰为该论文第一作者,葛骏博士与郭维栋教授为该论文共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金重点项目“黄土高原生态工程的区域气候水文效应及其优化策略研究(42130602)”和青年项目“中国植树造林的非局地生物物理效应(42005096)”的联合资助。

论文链接:https://doi.org/10.1029/2023GL102809


参考文献:

Liu, Y., Ge, J.*, Guo, W. D.*, Cao, Y. P., Chen, C. R., Luo, X., Yang, L. M. and Wang, S. Y. 2023: Revisiting biophysical impacts of greening on precipitation over the Loess Plateau of China using WRF with water vapor tracers. Geophysical Research Letters, 50(8). https://doi.org/10.1029/2023GL102809

Ge, J., Pitman, A. J., Guo, W. D., Zan, B. L. and Fu, C. B*. 2020: Impact of revegetation of the Loess Plateau of China on the regional growing season water balance, Hydrology and Earth System Sciences, 24(2), 515-533. https://doi.org/10.5194/hess-24-515-2020

Wang, G. L. 2023: Greening of Loess Plateau Increases Water Yield. https://eos.org/editor-highlights/greening-of-loess-plateau-increases-water-yield

图1 黄土高原绿化对区域降水和水循环影响的示意图及其定量分析。绿色箭头为绿化试验,黄色箭头为控制试验。



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