符淙斌和郭维栋团队对我国大型生态工程的区域气候效应研究取得系列进展


发布时间:2019-10-29浏览次数:64


为了解决日益突出的生态和环境问题,我国自20世纪80年代以来开展了一系列大型生态工程建设,包括“三北防护林”和“退耕还林”等工程。大规模的植树造林可以通过生物物理过程改变地表能量和水分循环,从而对局地和区域气候产生显著的影响,深入理解该过程可以为我国的生态工程建设提供科学支撑。近期,我校大气科学学院符淙斌和郭维栋团队针对上述科学问题,在我国生态工程的区域气候效应研究方面取得一系列科研进展。

植树造林可以通过降低地表反照率产生增温效应(辐射效应),也可以通过增加地表蒸散发产生降温效应(非辐射效应)。团队基于卫星观测数据,利用“Trading space for time”(时空置换)和“Intrinsic Biophysical Mechanism”(内在生物物理机制)方法,定量地分析了中国区域植树造林的辐射和非辐射效应的相对贡献。研究表明,中国区域植树造林的辐射效应为0.23℃,非辐射效应为-0.74℃,非辐射效应解释了79%的局地温度变化。研究还表明,非辐射效应依赖于植树造林的方案。其中,将草地或者雨养农田变成常绿型森林可以产生较大的降温效应,而将灌溉农田变成落叶阔叶林反而会产生增温效应(图1)。该工作以“The non-radiative effect dominates local surface temperature change caused by afforestation in China”为题,发表在美国气象学会(AMS)的著名期刊《Journal of Climate》(影响因子4.805)上。

黄土高原地区“退耕还林”对水循环的影响及其可持续问题多年来一直备受争议。团队利用Weather Research and Forecasting(WRF)模式开展了高分辨率、多成员的模拟,系统地评估了大规模绿化对黄土高原水循环的影响。研究表明,自“退耕还林”实施以来,黄土高原植被恢复使地表蒸散发增大,导致径流和土壤湿度减小(图2)。继续在黄土高原实施“退耕还林”会造成更大的地表蒸散发,从而导致径流和土壤湿度进一步减小。虽然黄土高原大规模绿化可以显著改变地表蒸散发,但是对降水几乎没有影响。考虑到农业和生活用水的安全,并且无法从降水中得到任何有效的补偿,加之全球气候变暖引起的干旱化影响,继续在黄土高原实施“退耕还林”可能是不可持续的。该工作以“Impact of revegetation of the Loess Plateau of China on the regional growing season water balance”为题,发表在欧洲地球科学联合会(EGU)的著名期刊《Hydrology and Earth System Sciences》(影响因子4.936)上。以上研究结果也得到国内其他研究团队从大范围野外实地调研中发现的北方旱区,不合理造林导致径流减少,气候干旱事件加剧大范围森林衰退的事实所支持。近日,符淙斌院士接受了Nature新闻记者的采访,在谈到黄土高原“退耕还林”的问题时,他强调虽然数值模式的结果表明黄土高原“退耕还林”可能会对水循环产生负面影响,但是我国的生态工程建设是百年大计,其对生态、环境和气候的影响是长远的,目前对生态工程建设的气候环境效应尚需进一步深入地研究。该工作已被近日出版的Nature头条新闻“China’s tree-planting drive could falter in a warming world”引用和评述。

上述系列工作是由南京大学符淙斌院士和郭维栋教授团队与澳大利亚新南威尔士大学Andrew Pitman教授团队合作完成。论文第一作者为大气科学学院博士研究生葛骏,第一单位均为南京大学。该系列工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、江苏省气候变化协同创新中心、澳大利亚研究委员会极端气候卓越研究中心和国家留学基金委的共同资助。


参考文献:

Ge, J., Guo, W. D., Pitman, A. J., De Kauwe, M. G., Chen, X. L. and Fu, C. B. (2019). The non-radiative effect dominates local surface temperature change caused by afforestation in China. Journal of Climate, 32(14), 4445-4471. doi:10.1175/JCLI-D-18-0772.1

Ge, J., Pitman, A. J., Guo, W. D., Zan, B. L. and Fu, C. B. (2019). Impact of revegetation of the Loess Plateau of China on the regional growing season water balance. Hydrology and Earth System Sciences Discussion. doi:10.5194/hess-2019-397

Ge, J., Pitman, A. J., Guo, W. D., Wang, S. Y. and Fu, C. B. (2019). Do uncertainties in the reconstruction of land cover affect the simulation of air temperature and rainfall in the CORDEX region of East Asia? Journal of Geophysical Research-Atmospheres, 124(7), 3647-3670. doi:10.1029/2018JD029945

Zastrow, M. (2019). China’s tree-planting drive could falter in a warming world. Nature, 573(7775), 474-475. doi:10.1038/d41586-019-02789-w


 

图1. 观测得到的地表温度变化(△Ts,obs;单位:℃)、计算得到的地表温度变化(△Ts,cal;单位:℃)、与反照率变化有关的地表温度变化(△Ts,α;单位:℃)、与能量再分配因子变化有关的地表温度变化(△Ts,f;单位:℃)以及与土壤和生物质储存能量变化有关的地表温度变化(△Ts,G;单位:℃),均为森林减去空地。每一个子图表示一种造林方案对应的地表温度变化。第1、2和3列分别表示空地变成常绿针叶林(ENF)、落叶阔叶林(DBF)和常绿阔叶林(EBF)对应的地表温度变化;第1、2和3行分别表示草地(GRA)、灌溉农田(IRC)和雨养农田(RFC)变成森林对应的地表温度变化。

 

图2. 6-9月平均蒸散发(ET;单位:mm·day-1)、降水(RAIN;单位:mm·day-1)、地表径流(SFROFF;单位:mm·day-1)、地下径流(UDROFF;单位:mm·day-1)、第1层土壤湿度(SMOIS1;0-10cm;单位:m3·m-3)、第2层土壤湿度(SMOIS2;10-40cm;单位:m3·m-3)、第3层土壤湿度(SMOIS3;40-100cm;单位:m3·m-3)和第4层土壤湿度(SMOIS4;100-200cm;单位:m3·m-3)变化的盒须图。a和b:“退耕还林”实施以来的变化;c和d:继续实施“退耕还林”后的变化。a和c:南黄土高原(SLP)的区域平均值;b和d:东黄土高原(ELP)的区域平均值。第1行和第2行数字分别表示20年平均的绝对变化和相对变化。

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