气候与环境研究  2018, Vol. 23 Issue (2): 176-184   PDF    
欧洲地区不同温室气体背景下土地利用/覆盖变化的气候效应
胡祖恒1,2 , 徐忠峰1 , 马柱国1     
1 中国科学院大气物理研究所东亚区域气候-环境重点实验室, 北京 100029;
2 中国科学院大学, 北京 100049
摘要: 通过温室气体排放和土地利用/覆盖变化,人类活动对气候变化产生显著影响。为了探究在不同温室气体浓度(Greenhouse gas concentration,GHG)背景下,相同的土地利用/覆盖变化(Land Use and Land Cover Change,LULCC)对于欧洲区域气候的影响差异,采用CESM(Community Earth System Model)耦合模式进行了模拟研究。研究发现,在1850年温室气体浓度背景下,土地利用/覆盖变化导致欧洲中东部地区降水显著增加,而在2000年温室气体浓度背景下,土地利用/覆盖变化导致欧洲中东部地区降水减少。温室气体增加后,LULCC导致该地区对流层低层大气环流由辐合变为辐散,气温以及大气水汽含量降低,这些变化能较大程度的改变LULCC对区域降水的净影响力。
关键词: 温室气体浓度变化      土地利用/覆盖变化      区域气候效应     
The Impact of Land Use/Land Cover Changes under Different Greenhouse Gas Concentrations on Climate in Europe
HU Zuheng1,2, XU Zhongfeng1, MA Zhuguo1     
1 Key Laboratory of Regional Climate-Environment for Temperate East Asia, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049
Abstract: Human activities have modified the Earth's climate through emissions of greenhouse gases and land-use and land-cover changes (LULCC). To investigate the impacts of LULCC under different greenhouse gas concentrations (GHG) on regional climate, several numerical experiments are performed using the fully coupled community earth system model (CESM). Results are as follows. Under the concentrations of greenhouse gases around 1850, the LULCC lead to increases in precipitation in central and eastern Europe, while under concentrations of greenhouse gases around 2000, the LULCC lead to decreases in precipitation in central and eastern Europe. Under the increased GHG concentration, LULCC lead to changes in the atmospheric circulation from convergence to divergence and decrease the air temperature and moisture content. These changes play a dominant role in determining the net impact of LULCC on regional precipitation.
Key words: Increased greenhouse gas concentration     Land use and land cover changes     Regional climate    

1 引言

近一百多年来,温室气体浓度(Greenhouse gas concentration,GHG)的迅速上升与人类活动是密切相关的,其导致的直接结果是地面气温自1880年至2012年来平均上升了0.65~1.06 ℃ (IPCC,2013)。除影响温度之外,温室气体增加还会加速全球水循环过程和增加全球平均降水(Held and Soden, 2006)。另一方面,人类活动导致大范围的土地利用/覆盖变化(Land Use and Land Cover Change,LULCC)。土地利用/覆盖变化主要表现为大面积的自然植被转化为农田、牧场等。至今人类活动引起的土地利用/覆盖变化已经约占全球陆地面积的50%(Hurtt et al., 2006)。IPCC第五次评估报告指出,由于大范围的土地利用/土地覆盖变化,地面反照率发生变化,从而影响全球辐射强迫(IPCC,2013)。而非辐射效应例如地面蒸散发的改变,也在气候变化当中扮演着重要作用(Pitman et al., 2009Davin and de Noblet-Ducoudre,2010毛慧琴等,2011)。

在温室气体和土地利用/覆盖变化对气候变化的影响研究方面,前人已做了很多工作(Held and Soden, 2006高学杰等,2007Pitman et al., 2009Lawrence et al., 2012邵璞和曾晓东,2012Sun and Mu, 2013Xu et al., 2015王明娜等,2016)。从全球平均的角度来说,温室气体扮演着重要作用,其影响远大于土地利用/覆盖变化的影响;但在区域尺度上,LULCC导致的变化非常显著(Lawrence et al., 2012Pitman et al., 2012),植被覆盖的变化导致东亚地区地表温度、地面气温、降水量和850 hPa风场发生明显变化(符淙斌和袁慧玲,2001曹富强等,2015)。温室气体排放和土地利用/土地覆盖变化是人类影响气候变化的两种主要活动。那么在温室气体增加背景下,相同的LULCC是否会导致不同的气候效应?

最近有研究指出,在当代温室气体浓度背景和1850年温室气体浓度背景下,相同的LULCC引起的气候响应是不同的,从而导致地面气温的变化存在差异(华文剑和陈海山,2013)。Pitman et al.(2011)发现,在不同的气候背景下(CO2浓度水平分别为1850年和2000年),LULCC对欧洲地区地面气温的影响是不同的,原因在于温室气体增加导致积雪减少,继而改变地面反照率,从而改变LULCC对区域气候的影响。既然在不同气候背景场下,相同的LULCC对欧洲温度的影响有所不同,那么其对降水的影响如何?另外,前人的研究发现了在不同温室气体浓度背景下土地利用/覆盖变化的作用存在差异,然而这样的影响差异是否是显著的,却并没有进行说明(Pitman et al., 2011华文剑和陈海山,2013)。这都是值得关注的问题,但目前这两方面的认识还比较缺乏,本文利用CESM(Community Earth System Model)耦合模式,探讨在不同温室气体浓度背景下,相同的LULCC对欧洲区域降水的影响差异效应及其可能机制。

2 模式和资料 2.1 模式介绍

本文研究所用模式为地球系统模式CESM(Community Earth System Model)1.0.3版本,关于模式的详细信息参见文献Gent et al.(2011)。CESM模式由4个模式分量组成,分别是大气模式、陆面模式、海洋模式和海冰模式。大气模式为CAM5(Community Atmosphere Model)模式,相对于之前的CAM4版本,CAM5版本改进了物理过程和参数化方案。陆面模式为CLM 4.0(Community Land Model),陆面状况被分为不同的类型(包括树木、灌木、草地、农田和裸土),每种类型都有与其对应的叶面积指数(Leaf Area Index,LAI),大气和陆面模式的分辨率为2.5°(纬度)×1.875°(经度),在CLM陆面模式中,当存在次网格不一致时(Subgrid heterogeneity,如植被覆盖资料与模式分辨率不同),其允许通过将植被覆盖进行分数化配置(Fractional allocation),转变为数种以上的植被功能类型(Plant Functional Type,PFT),在CLM模式的每一个格点中,每种植被功能类型占一定的百分比,所有百分比加起来等于1(Lawrence and Chase, 2007)。海洋过程和海冰过程分别由海洋模式POP2(Parallel Ocean Program version 2)和海冰模式CICE4(Community Sea Ice Code)进行模拟,海洋模式和海冰模式分辨率相同,均为320(纬向)×384(经向)网格格点。CESM(Community Earth System Model)模式和其前身CCSM (Community Climate System Model)模式,已成为研究气候系统对于外部强迫响应(比如温室气体和土地利用/覆盖变化)的有力工具(Notaro et al., 2011Marsh et al., 2013Xu et al., 2015),研究表明CESM模式可以较好地模拟中纬度和低纬度地区地面气温和降水(Lindvall et al., 2013Xu et al., 2015)。

2.2 试验设计

为了研究在不同温室气体背景下,相同的LULCC对欧洲区域降水的影响差异。我们设计了如下几种试验方案:(1)潜在土地覆盖状况(Potential land cover,即受人类活动影响之前的植被状态)和1850年温室气体浓度水平(以下简称为P1);(2)潜在土地覆盖状况和2000年温室气体浓度水平(以下简称为P2);(3)当前土地覆盖状况(Current land cover)和1850年温室气体浓度水平(以下简称为C1);(4)以及当前土地覆盖状况和2000年温室气体(以下简称为C2)。几种模拟方案均积分140年,取前40年为模式调整(Spin-up)期。当然,40年的模式调整期也不足以让深层海洋达到平衡状态,但对于陆面和浅层海洋来言,已足够使其达到一个较好的平衡状态(Wohlfahrt et al., 2004)。

表 1所示,C1、P1代表在1850年温室气体浓度水平下,土地利用/覆盖变化的强迫作用。而C2、P2代表在2000年温室气体浓度水平下,土地利用/覆盖变化的强迫作用。如此,C2模拟方案减去P2模拟方案(C2–P2)和C1模拟方案减去P1方案(C1–P1)就分别表示在两种不同气候背景下相同的土地利用/覆盖变化的强迫作用。Pitman et al.(2009)针对欧洲地区,研究了在不同气候背景下(分别为1850年和2000年温室气体浓度水平),相同的LULCC对欧洲地区气温的影响。而我们通过对比分析C2–P2与C1–P1试验,从而探寻在1850年和2000年温室气体浓度水平下,相同的LULCC对欧洲区域降水的影响差异。本文采用考虑了数据序列自相关性的t检验(Zwiers and von Storch,1995),这种经过改进的t检验方法检测显著的阈值比普通的t检验更加严格。

表 1 试验设计介绍 Table 1 Description of experiments

当前植被覆盖资料来源于2000年的MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)卫星资料,分辨率为0.05°(纬度)×0.05°(经度),潜在植被资料为在当前植被资料的基础上消除人为活动影响所得(Ramankutty and Foley, 1999Lawrence and Chase, 2010),潜在植被资料的具体处理方法为:对于存在土地利用的地区,潜在植被是由在当前温室气体浓度条件下平衡陆面生物圈BIOM3(Equilibrium Terrestrial Biosphere Model)模式模拟所得(Haxeltine and Prentice, 1996),对于无土地利用的地区,潜在植被获取于MODIS卫星资料,与当前植被状况保持一致。即潜在植被处理时仅改变存在人类活动/土地利用的地区,因此,潜在植被可以被理解为在当前气候条件下,无人类活动/土地利用影响的自然植被状况(Haxeltine and Prentice, 1996Lawrence and Chase, 2010)。潜在植被资料经过长期的论证和完善,已被广泛应用于CLM陆面模式和一系列的研究当中(Lawrence and Chase, 20072010Oleson et al., 2010)。欧洲地区潜在植被和当前植被的叶面积指数,以及相对于潜在植被状况,当前植被状况下叶面积指数的变化如图 1所示。

图 1 欧洲地区5~9月平均(a)潜在植被和(b)当前植被状况的叶面积指数以及(c)相对于潜在植被状况变为当前植被状况后的叶面积指数 Fig. 1 Changes in the May-September mean leaf area index of (a) potential vegetation and (b) current vegetation, and (c) between experiments with potential and current vegetation

图 1可见,叶面积指数减小的大值区域主要分布在欧洲中部和东部。如表 2所示,LULCC主要表现为森林转变为农田和草地,其中温带常绿针叶林和温带阔叶落叶林减少幅度最大。这主要由人类大规模的土地利用所导致,下文即开始分析这样的LULCC在不同温室气体浓度下对欧洲区域降水的影响差异。

表 2 CLM陆面模式中当前植被覆盖相对于潜在植被覆盖的植被功能类型在欧洲地区(0°~50°E,38°N~60°N)的百分比变化 Table 2 Fractional changes of CLM (Community Land Model) plant functional types between current and potential vegetation maps over Europe (0°–50°E, 38°N–60°N)
3 模拟结果 3.1 降水变化空间特征

图 2a为在2000年温室气体浓度下,LULCC对暖季(5~9月)降水的影响。LULCC导致东欧地区降水显著减少(0.1~0.2 mm d-1)。然而,在1850年温室气体浓度水平下,相同的LULCC则导致东欧和西欧地区降水显著增加(0.1~0.2 mm d-1)(图 2b)。为了验证两者之间的差异是否显著,本文计算了在两种温室气体下LULCC对降水的影响差异的显著性。由图 2c可见,温室气体浓度从1850年水平变为2000年水平后,LULCC的影响差异表现为在东欧地区降水显著减少(≥0.2 mm d-1)。为了探寻降水变化的原因,本文进一步分析了850 hPa风场,水汽含量以及气温的改变。

图 2 在(a)2000年温室气体浓度水平和(b)1850年温室气体浓度水平下土地利用/覆盖变化对暖季(5~9月)降水的影响,以及(c)两者的差异:(a)C2-P2试验;(b)C1-P1试验;(c)C2–P2试验减去C1–P1试验。图中画斜线区域表示变化达到0.05显著性水平 Fig. 2 Under greenhouse gas concentration levels of (a) 2000 and (b) 1850 the LULCC-induced changes in precipitation (LULCC, Land Use and Land Cover Change) and (c) their differences in warm season (May-September): (a) Experiment C2–P2 (scheme C2 minus scheme P2); (b) experiment C1–P1 (scheme C1 minus scheme P1); (c) experiment C2–P2 minus experiment C1–P1. The regions with slashes are areas where the changes are significant at 0.05 level
3.2 降水变化机制分析

为了研究土地利用/覆盖变化在温室气体浓度增加的背景下为何会导致东欧降水产生显著的差异,本文首先对大气环流背景进行分析。图 3a为在2000年温室气体浓度水平下LULCC对850 hPa风场的影响。从中可以清楚看出,在中东欧地区存在一个清晰的反气旋环流,东欧地区受西北气流控制。而与之相反的是,在1850年温室气体浓度水平下LULCC的影响则是导致西欧上空形成一个气旋式环流,因而东欧地区受西南气流控制(图 3b)。从图 3c两者的差值可见,温室气体增加后,LULCC影响的差异在于欧洲上空850 hPa表现为明显的反气旋环流,东欧地区为辐散气流控制,对流层低层这样的配置不利于降水的发生。

图 3 在(a)2000年温室气体浓度水平和(b)1850年温室气体浓度水平下土地利用/覆盖变化对暖季(5~9月)850 hPa风场的影响,以及(c)两者的差异:(a)C2–P2试验;(b)C1–P1试验;(c)C2–P2试验减去C1–P1试验 Fig. 3 Under greenhouse gas concentration levels of (a) 2000 and (b) 1850 the LULCC-induced changes in 850-hPa wind field and (c) their differences in warm season (May-September): (a) Experiment C2–P2; (b) experiment C1–P1; (c) experiment C2–P2 minus experiment C1–P1

分析水汽条件可知,在2000年温室气体浓度下,土地利用/覆盖变化对欧洲区域850 hPa比湿并无显著的影响作用,但可看出土地利用/覆盖变化在东欧地区是导致比湿减少的(图 4a)。而在1850年温室气体浓度下LULCC则使东欧地区850 hPa比湿显著增加(图 4b)。从图 4c显而易见,温室气体升高后,LULCC的影响差异使东欧地区850 hPa比湿显著降低,这样的水汽条件同样不利于降水发生。

图 4 在(a)2000年温室气体浓度水平和(b)1850年温室气体浓度水平下土地利用/覆盖变化对暖季(5~9月) 850 hPa比湿的影响,以及(c)两者的差异:(a)C2–P2试验;(b)C1–P1试验;(c)C2–P2试验减去C1–P1试验。图中画斜线区域表示变化达到0.05显著性水平 Fig. 4 Under greenhouse gas concentration levels of (a) 2000 and (b) 1850 the LULCC-induced changes in specific humidity and (c) their differences in warm season (May-September): (a) Experiment C2–P2; (b) experiment C1–P1; (c) experiment C2–P2 minus experiment C1–P1. The regions with slashes are areas where the changes are significant at 0.05 level

分析LULCC对850 hPa气温的影响可知,在两种温室气体背景下,土地利用/覆盖变化均导致欧洲850 hPa气温显著降低(图 5a5b),区别在于温室气体浓度由1850年增加到2000年水平后,LULCC影响差异使东欧地区850 hPa气温显著降低,联系图 3c风场和图 4c比湿的变化可以看出,东欧地区处于西北干冷气流控制当中。对流辐合运动和充足的水汽是产生降水的必要条件,通过结合分析两种温室气体浓度背景下850 hPa风场、比湿和气温可知,在2000年温室气体的气候背景下,各气候变量不利于降水的发生发展。

图 5 在(a)2000年温室气体浓度水平和(b)1850年温室气体浓度水平下土地利用/覆盖变化对暖季(5~9月)850 hPa气温的影响,以及(c)两者的差异:(a)C2-P2试验;(b)C1-P1试验;(c)C2-P2试验减去C1-P1试验。图中画斜线区域表示变化达到0.05显著性水平 Fig. 5 Under greenhouse gas concentration levels of (a) 2000 and (b) 1850 the LULCC-induced changes in 850-hPa air temperature and (c) their differences in warm season (May-September): (a) Experiment C2–P2; (b) experiment C1–P1; (c) experiment C2–P2 minus experiment C1–P1. The regions with slashes are areas where the changes are significant at 0.05 level

在不同温室气体浓度下,LULCC对降水影响的差异主要体现在东欧地区。因此本文选取25°E~50°E做区域平均,分析LULCC在两种温室气体背景下对风场和气温影响作用的垂直剖面特征。从图 2可以看出,降水显著变化区域分布在50°N~55°N附近。在2000年温室气体浓度下LULCC的影响,几乎在整个对流层55°N处均为下沉冷气流控制(图 6a)。1850年温室气体浓度下,从地面至500 hPa,50°N~55°N为冷暖空气交界处,同时也是辐合上升区(图 6b),通常这样的配置是有利于降水产生的。两者的差值清楚的显示,温室气体增加后,50°N~55°N为辐散下沉气流控制(图 6c)。

图 6 25°E~50°E区域平均暖季(5~9月)土地利用/覆盖变化对风场和气温影响的经向垂直剖面:(a)2000年温室气体浓度水平C2–P2试验、(b)1850年温室气体浓度水平C1–P1试验以及(c)两者的差异(C2–P2试验减去C1–P1试验)。阴影代表气温的变化,斜线表示气温变化达到0.05显著性水平 Fig. 6 Longitudinal cross sections of wind field and air temperature averaged over 25°E-50°E under greenhouse gas concentration levels of (a) 2000 and (b) 1850 the LULCC-induced changes and (c) their differences in warm season (May-September): (a) Experiment C2–P2; (b) experiment C1–P1; (c) experiment C2–P2 minus experiment C1–P1. The shaded indicates changes in air temperature, the regions with slashes are areas where the changes in temperature are significant at 0.05 level

图 7为土地利用/覆盖变化在两种温室气体背景下对比湿影响作用的垂直剖面。在2000年温室气体浓度下,除在对流层底层为轻微增加之外,在55°N处LULCC使整个对流层比湿降低(图 7a)。而在1850年温室气体浓度下,从地面至700 hPa,50°N~55°N比湿显著增加(图 7b),为降水的产生提供了必要的水汽条件。两者的差值表明温室气体增加后,LULCC的影响差异表现为50°N~55°N对流层低层比湿显著降低。

图 7 25°E~50°E区域平均暖季(5~9月)土地利用/覆盖变化对比湿影响的经向垂直剖面:(a)2000年温室气体浓度水平C2–P2试验、(b)1850年温室气体浓度水平C1–P1试验以及(c)两者的差异(C2–P2试验减去C1–P1试验)。阴影代表比湿的变化,斜线表示比湿变化达到0.05显著性水平 Fig. 7 Longitudinal cross sections of specific humidity averaged over 25°E-50°E under greenhouse gas concentration levels of (a) 2000 and (b) 1850 the LULCC-induced changes and (c) their differences in warm season (May-September): (a) Experiment C2–P2; (b) experiment C1–P1; (c) experiment C2–P2 minus experiment C1–P1. The shaded indicates the changes in specific humidity, the regions with slashes are areas where the changes in specific humidity are significant at 0.05 level
4 结论和讨论

本文基于CESM模式,考虑温室气体和土地利用/覆盖变化两种气候因子强迫,分别设计4组长期积分试验,探讨不同温室气体背景下欧洲地区土地利用/覆盖变化的气候效应。研究表明,在两种温室气体浓度背景下,相同的土地利用/覆盖变化的气候相应不同,具体表现为LULCC引起降水变化符号相反,尤其在东欧地区表现为显著性的差异。

在温室气体增加的背景下,土地利用/覆盖变化对欧洲地区东部降水的影响差异表现为显著减少的特征,为了讨论这种差异的可能机制,本文通过分析了大气环流,水汽和热力条件的变化特征。通过分析850 hPa风场、比湿和气温发现,在2000年温室气体的气候背景下,LULCC的影响作用导致东欧地区850 hPa为西北气流,整个对流层低层表现为下沉辐散气流,比湿显著降低,这几种作用共同决定了LULCC在温室气体增加下引起的气候效应差异。

本文研究表明了温室气体浓度背景在土地利用/覆盖变化影响区域气候中的重要性。这说明在历史和未来气候变化模拟和预估研究中,需要同时考虑二者的变化。需要指出的是,本文的试验只是一个初步的结果, 还存在许多值得进一步研究的问题和不确定性,数值模式能否合理描述温室气体和LULCC对气候的影响需进一步检验,这也对模式的发展和改进都提出了更高的要求。

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