PNAS:中科院沈妙根研究组揭示青藏高原生态系统和气候变化相互

近日，国际著名期刊《美国国家科学院院刊》在线发表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等人联合发表的关于青藏高原生态系统和气候变化相互作用的研究论文，沈妙根研究员为论文第一和通讯作者。

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。

沈妙根研究员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(图1)。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(图2)。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(图3)。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。

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。

图2 植被活动变化(横轴)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。

图3 蒸散(ET)变化对白天(A)和夜间(B)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(RP)表示。(A)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。(B)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。

原文链接：

Evaporative cooling over the Tibetan Plateau induced by vegetation growth

原文摘要：

In the Arctic, climate warming enhances vegetation activity by extending the length of the growing season and intensifying maximum rates of productivity. In turn, increased vegetation productivity reduces albedo, which causes a positive feedback on temperature. Over the Tibetan Plateau (TP), regional vegetation greening has also been observed in response to recent warming. Here, we show that in contrast to arctic regions, increased growing season vegetation activity over the TP may have attenuated surface warming. This negative feedback on growing season vegetation temperature is attributed to enhanced evapotranspiration (ET). The extra energy available at the surface, which results from lower albedo, is efficiently dissipated by evaporative cooling. The net effect is a decrease in daily maximum temperature and the diurnal temperature range, which is supported by statistical analyses of in situ observations and by decomposition of the surface energy budget. A daytime cooling effect from increased vegetation activity is also modeled from a set of regional weather research and forecasting (WRF) mesoscale model simulations, but with a magnitude smaller than observed, likely because the WRF model simulates a weaker ET enhancement. Our results suggest that actions to restore native grasslands in degraded areas, roughly one-third of the plateau, will both facilitate a sustainable ecological development in this region and have local climate cobenefits. More accurate simulations of the biophysical coupling between the land surface and the atmosphere are needed to help understand regional climate change over the TP, and possible larger scale feedbacks between climate in the TP and the Asian monsoon system.

doi: 10.1073/PNAS.1504418112

作者：沈妙根