北方森林覆盖变化导致欧亚冬季冷异常的物理机制研究

【作者】 蔡磊； 马骥； 张耀尹； 史雯雯； 杨若文；

【机构】 云南省气象灾害与大湄公河次区域气候资源重点实验室,云南大学； 临沧市气象台；

【摘要】 在气候变化背景下,植被覆盖变化所导致的气候效应正被越来越多的学者所关注。通常森林变化的气候影响人们更多地关注夏季的信号,因为夏季较高的气温和太阳辐射以及植被的蒸发效应都是其造成气候影响的重要因素。相对而言,尤其是对于北方森林的冬季来说,植被蒸散发和太阳辐射都减小到甚至忽略不计。在此背景下,北方森林覆盖的变化是否有可能对于北半球中高纬地区的气候造成影响?针对以上科学问题,本研究将2000以来卫星观测的森林覆盖变化导入地球系统模式CESM2。进行了陆面过程的模拟和大气-陆面耦合模拟。模拟结果表明,如果不考虑陆面和大气的双向耦合过程而仅仅考虑森林覆盖变化对于地表粗糙度和辐射平衡的影响,其在北半球冬季造成的气候影响微乎其微。而如果引入了大气的耦合过程以后,则在欧亚大陆造成了近2摄氏度的冷异常。与气候变化背景下不断受到关注的北半球冬季"暖北极-冷欧亚"地表气温模态比较,森林覆盖变化对于欧亚造成的冷异常程度相近,但对于北冰洋造成的暖异常则较弱。对于环流背景的分析结果表明,森林覆盖变化可在冬季造成海平面气压场上类似北极涛动负位相异常,而在高空造成极涡减弱的异常。对于气压场和风场的垂直异常场配置的分析也支持这样的结果。进一步对于E-P通量的诊断结果表明,森林覆盖变化在十一月可造成显著的行星波异常上传,导致平流层极涡减弱。因此,模拟结果初步表明,北方森林覆盖变化是通过减弱平流层极涡造成了欧亚冬季冷异常。进一步对于物理机制的研究发现,西欧森林覆盖的增加可使得十一月降雪更多地积累在树木冠层而不是地表。冠层雪更易受昼夜天气影响融化,从而降低了地表反照率并导致更加强烈的积雪-反照率正反馈。这样的地表扰动可造成行星波异常上传和平流层极涡减弱,进而造成欧亚地区冬季冷异常现象的发生。LUMIP模式由于只包含了森林减少情景,因此6个模式都没有反映出欧亚冬季冷异常的现象。本研究证明了北方森林覆盖的变化在冬季依然可以通过对于积雪状况的调制和行星波活动对于区域乃至全球气候造成影响,进一步证明了植被变化对于全球气候的多尺度影响的重要性。更多还原