高纬度地区森林砍伐局部降温效应增加的观测证据外文翻译资料

 2022-11-09 16:28:07

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高纬度地区森林砍伐局部降温效应增加的观测证据

Xuhui Lee, Michael L. Goulden, David Y. Hollinger, et al.

耶鲁大学森林与环境学院，美国，康涅狄格，纽黑文

摘要：假设在中高纬度地区的森林砍伐可以通过改变生物物理过程（1-3）来冷却地球表面。在大尺度陆地清除的气候模拟中，降温由地表反照率的增加触发，同时受到陆地反照率-海冰反馈的加强（4，5）。这种反馈在模式预报中至关重要，没有它，其他生物物理过程也许会掩盖反照率效应的作用反而开始变暖（5）。正在进行的土地利用活动，例如用于减缓气候变化的土地管理，在当地的规模（公顷）可能太小而无法产生反馈，而且目前尚不明确内在的生物物理机制本身是否会以相同的方式改变地表温度（6，7）。在直接观测的大面积地区内也没有证明砍伐森林对气候的影响。在这里我们发现，地面气温在开阔地带比森林地区温度更低。45°N以北和以南的影响力分别为0.21plusmn;0.53K和 0.85plusmn;0.44K（平均值为plusmn;1标准偏差）。在35°N以下，有微弱证据表明砍伐森林会导致变暖。结果基于美国和加拿大的温度变化趋势，以及以小面积清理土地为表征，附近的地面气象站。与地表反照率变化无关的夜间温度变化是整体降温效果的重要因素。在昼夜循环的白天和夜晚阶段，观测到的纬度依赖性与纬度对流和辐射能量损失的理论变化一致，后者在气候模型中仍然不确定（8）。

在全球长期通量观测网络（FLUXNET）（www.fluxnet.ornl.gov）森林塔（9）（补充表1和补充图1）和北美地面气象站记录的地面气温比较中，土地利用影响的纬度梯度很明显（图1a）。在这里，我们使用地面站作为清除土地上的树木的代表站。根据世界气象组织的要求，这些地点位于具有生物物理特征的开放野外地区，如冬季被雪覆盖的北方高纬地区（10）。纬度占森林地区与邻近开阔土地的温度差（站点的数量n=37）变化的31％。 △T与纬度的变化率为每度-0.070plusmn;0.010K（平均值plusmn;1标准误差，s.d.，Plt;0.005）。在这些站点，年净全波辐射Rn随纬度线性减小。如果将Rn作为自变量，则为正相关（图1b，线性相关性0.55，Plt;0.005）。与热带FLUXNET数据的结合对比观察结果表明，在成对分析以南的区域中，纬度依赖性可能趋于平稳（参见图1a）。

对于45°N以北的场地对（图2a），年平均△T为-0.85plusmn;0.44K（平均值为plusmn;1标准偏差，s.d），与大尺度土地利用变化的气候模型模拟结果一致，但弱于北方地区（11，12）。 如果通过北方FLUXNET站点群数据对这些站点群的净短波辐射变化进行近似（补充表2），我们明显发现气候敏感度大约为0.027KW-1m2。△T取月平均而非季平均（图2a）；从我们的数据中可以看出从3月到5月（12，13）的最大温度变化在数据中无法辨别，这表明一些自由大气中存在强补偿信号。

对于45°N以南的地点对（图2b），年均△T为-0.21plusmn;0.53K，平均灵敏度约为0.012 KW-1m2。 由于森林面积1月份略冷（-0.52K）和6月份略暖（0.08K），出现了微弱的季节性因素。 为了进行比较，与17世纪以来的历史土地相关的冷却信号（主要发生在中纬度（13））为0.5–1.0K。

通过检查内在的生物物理机制可以理解纬度依赖性。森林的表面反照率低于灌木，草和牧场（6，7，14）。砍伐森林会减少净短波吸收量△S，△S部分取决于气候状况。当辐射是唯一涉及的能量转移过程时，局部表面温度会随着降低的表面辐射而降低。类似于全球分析（15，16），表面温度变化将是△Ts=△S，其中△Slt;0，温度灵敏度由长波辐射反馈决定（4T）asymp;0.2Km2（Ts是地表温度，是Stephan-Boltzmann常数）。实际温度变化也可以通过对流和蒸散来实现能量再分配。由于它们具有较大的空气动力学能量，森林能够更加有效地抵达大气层边界的开阔地带（6）。在潮湿的气候条件下，这些气体从更多的地方移动到了大气层（14），它们通过云层水滴凝结释放到大气层边界层上。

内在的生物物理机制可以表现为温度变化，与环境变化过程中的温度变化相对应：

其中f（gt;0）是能量再分配因子。 等式（1）揭示了生物物理效应的许多有用特性。 右边的第一项（辐射强迫项）是反照率变化的结果，它总是被能量分布所吸收。第二项（能量分布）有两个由Bowen比率和表面粗糙度变化贡献相加而成，而在昼夜周期中，当森林被转换为 开放土地。 由于这几项具有相同的符号，因此对于△S的局部气候敏感性并不能超过的上限甚至可能为负相关。方程（1）需要注意先前未被认识到的Rn的作用，即放大对低纬度的影响和降低低纬度的影响并减少这些影响。 因为随着纬度的增加，△S变得更负负相关并且Rn逐渐减小，等式（1）表明Delta;T应该与纬度负相关（图1a）。

图1| 地面气温中的年平均差(开阔地减去森林)。a,与纬度相关。b，与地面辐射有关。嵌入到a的轴与主面板的轴相同，同时也显示热带FLUXNET站点数据。线性回归中的参数界为95%的置信区间。圆圈表示气象站/森林地点。交叉表示FLUXNET站点群集。

使用等式（1）的概念分析表明，不同的森林砍伐生物物理强迫对△Ts的相对贡献应取决于所处的气候区（图3和表2）。 在北方地区，从开放地区木材采伐比燃烧木材产生更强的辐射冷却和粗糙度变暖（图3a）（图3b）。 这是因为在最近烧毁的地点（17）被冬天的雪部分覆盖以及全年的加强湍流混合。 温带场地群（图3c）显示出较弱的辐射冷却，但比北方群更强的粗糙增暖效应。 在图3所示的宽参数空间中，净温度变化的划分与气候模型中全球规模的森林砍伐试验的结果非常相似，但仅在模型中包含海冰反馈后才有效。。

令人惊讶的是，生物物理效应中存在昼夜不对称性（图2c）。昼夜温度范围（DTR，日最高和最低温度之间的差异）是表面气候变率的重要衡量指标（18，19）我们发现DTR随着森林覆盖而减少。在夜间，Delta;S消失，表面蒸发通常是不可忽略的，表面粗糙度、生物物理因子（补充方程（14），注意Rnlt;0）是影响日最低温度变化主要因素。即使更低的粗糙度有助于日平均温度的变暖（图3），南方及以南地区夜间开阔地区比森林更加凉爽。我们假设森林在夜间变暖，因为在稳定的分层中，树木的存在会引起湍流，从高处将热量带到地表。最基本的温度变化存在更复杂的机制。 在白天，由于较小的表面粗糙度而抑制混合导致开阔地的表面温度比森林的表面温度上升得更快。然而，在站点45°N北，这种粗糙度的效果几乎与反照率和Bowen比变化冷却相关的偏移相抵消，导致相应站点之间存在几乎相同的每日最大温度。 昼夜不对称性强调白天和夜间观测对于获得土地利用效应的准确评估的重要性。

图2| 地面气温的季节和日变化模式。a和b表示平均温差plusmn;1 s.d. 对于45°N以北和以南的地点对，28-45°N(蓝线)和45-56°N(红线)的森林(实线)和地面站(虚线)的日平均最高和最低温度。

森林是最广泛的土地利用类型之一，约占陆地面积（1）的30％。 如果将它们用于表示森林土地的气候状态，我们用于表明这些土地类型中的气候站观测的相应分析就会存在偏差。这些偏差会在某些方面表现出来。首先，该土地网络对这一土地类型的南北表面温度梯度估计为0.070plusmn;0.010K/°N（平均plusmn;1s.e.）（图1a）。 其次，DTR是对表面的生物物理特性敏感的变量。与FLUXNET森林指数（图4）相对比，站点的DTR平均偏置高达2.8plusmn;2.0K（在某些地区超过8K）。第三，这些平台效应可能会影响模型数据的比较。所讨论的模型既包括气候模式以及大气数据同化模式。由于模型域中规定为森林植被的网格与海床表面具有不同的生物物理特性，因此导致模型化的屏高温度与基于观测结果不一致。例如，与FLUXNET观测相比，由NARR建模的DTR（北美地区分析）（20）的数据模型与地面站数据相比更加微不足道（图4）。与观察到的模式类似（图1a），站点温度随着纬度的增加而逐渐低于NARR预测的屏高温度（植被表面上方2.0m）（图2）。模型数据的不兼容性可能是气候模型模拟的dtr趋势与观测趋势不一致的原因之一。（18，21），尽管为此需要更长时间的FLUXNET温度记录。它还提供了额外的证据，表明内在的生物物理机制能够以预测的方式改变地面气温，而在大气层边界外进行。

图3| 对四个不同气候区域的六个FLUXNET站点群的生物物理效应的划分。a,北方：采伐地区与杰克松林^25。b,北冰洋：焚烧地区与黑云杉森林^17。c, 温带：草原与松树和橡树/山核桃林^26。d,半干旱：开阔的灌木地与松柏的对比^27。e, 热带：牧场与雨林^14。f, 热带：农田与雨林^28,29。温度是24小时的平均值。对于具有多个站点年观测的地区的错误数据以1 s.d.形式给出。没有可用于b和d的表面温度测量.为了比较，还显示了观测到的地面空气温度(Delta;t)的变化。

该分析的目的是量化当前气候下土地利用空间格局产生的生物物理效应。我们假设相邻的陆地类型具有由入射太阳辐射定义的相同背景状态，即在地面上方的混合高度（22）处的长波辐射和空气温度。土地利用时间变化的空间变化的替代必须在这个背景下进行，这可能会导致辐射强迫和气候反馈的大规模变化（23，24）。从概念上讲，内在的生物物理过程可以被视为叠加在不断变化的背景上的局部扰动。我们推测，在使用频率的情况下，微扰信号远大于背景变化。例如，清除一百万公顷的森林（典型的气候模型网格的大小）将减少与反照率变化相关的全球辐射强迫3x10-4 Wm-2（2），这太弱而不能引起表面温度的可观察变化。

图4| 森林、地面站和NAR模型结果的DTR比较。

方法摘要

FLUXNET和台站数据 在该分析中使用在美国和加拿大的33个FLUXNET森林站点获得的数据。这些站点至少有三年的温度和辐射数据。选择每个森林站点的表面密集度进行配对分析。这些站点对的平均高程差为59m，线性距离为28公里，纬度距离为0.2公里。FLUXNET网络中的温度测量高度在天篷上方2到15米之间。将测量值校正到标准屏幕高度（植被上方2.0米）将使年平均温度改变不超过0.1K。

NARR数据 NARR使用NCEP（国家环境保护中心）Eta模型和众多数据源来生成网格间距为32km的输出。屏幕高度温度的地面站观测不用于约束建模场。每个林站点都与最近的NARR网格匹配。在这些网格中，NARR屏幕高度温度的计算受到表面边界的影响，具有森林景观的生物物理特性。

生物物理过程模型 方程(1)是由一个线性化的表面能量平衡方程导出的。假设在彼此附近，森林区域和一片开阔的土地接收相同数量的入射短波和长波辐射，并且空气在混合高度处充分混合。因此，任何差异都是由内在生物物理机制或其变化引起的。 反照率，表面粗糙度和Bowen比率。 对于六个FLUXNET站点簇（图3）的等式（1）的评估分别针对白天和夜晚时段进行，以避免通过昼夜循环的非线性参数相互作用。

参考文献

1. Bonan, G. B. Forests and climate change: forcings, feedbacks, and the climate benefits of forests. Science 320, 1444–1449 (2008).

2. Betts, R. A. Offset of the potential carbon sink fromboreal forestation by decreases in surface albedo. Nature 408, 187–190 (2000).

3. Bala, G. et al. Combined climate and carbon cycle effects of large-scale deforestation. Proc. Natl Acad. Sci. USA 104, 6550–6555 (2007).

4. Bonan, G. B. et al. Effects of boreal forest vegetation on global climate. Nature 359, 716–718 (1992).

5. Davin, E. L. amp; De Noblet-Ducoudreacute;, N. Climatic impact of global-scale deforestation: radiative versus nonradiative processes. J. Clim. 23, 97–112(2010).

6. Rotenberg, E. amp; Yakir, D. Contribution of semi-arid forests to the climate system. Science 327, 451–454 (2010).

7. Juang, J.-Y. et al. Separating the effects of albedo from eco-physiological changes on surface temperature along a successional chronosequence in the southeastern United States. Geophys. Res. Lett. 34, L21408 (2007).

8. Pielke, R. A. et al. Unresolved issues with the assessmen

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