植被變化對(duì)西北地區(qū)陸氣耦合強(qiáng)度的影響

趙靖川，劉樹華

北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系，北京 100871

1 引言

氣候變化是地球各個(gè)系統(tǒng)相互作用在大氣圈中的綜合反映，各個(gè)圈層之間是相互聯(lián)系、密不可分的，其中陸面過(guò)程與陸氣相互作用是地球系統(tǒng)科學(xué)研究的一個(gè)重要部分（曾慶存等，2008）.相較于海洋，陸地水熱容量較小與粗糙度較大的特性使得陸地與大氣之間的交換速度相更快，對(duì)大氣的反饋也更快，在某些局部或某個(gè)時(shí)間段內(nèi)對(duì)氣候的影響甚至起著關(guān)鍵性的作用.因此更加深入地研究陸面過(guò)程與陸氣相互作用，更加準(zhǔn)確地確定陸氣之間物質(zhì)、能量與水分的交換，對(duì)于提高天氣預(yù)報(bào)與氣候預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性有著重要的意義.

在陸面過(guò)程與陸氣相互作用的研究中，植被變化所帶來(lái)的氣候效應(yīng)一直是一個(gè)長(zhǎng)盛不衰的話題.氣候狀態(tài)決定了地表植被的類型和生長(zhǎng)情況，氣候的變化會(huì)引起植被生長(zhǎng)發(fā)育狀況及植被分布格局的改變；同時(shí)地表植被通過(guò)改變地表參數(shù)，例如地表反照率、波文比、地表粗糙度等來(lái)改變大氣熱力學(xué)狀況和結(jié)構(gòu)（Charney et al.，1977），地表植被還會(huì)通過(guò)生物化學(xué)和生物物理過(guò)程，影響陸地與大氣之間的二氧化碳、甲烷等物質(zhì)的交換，繼而通過(guò)輻射作用間接影響氣候過(guò)程（Melillo et al.，1993）.例 如，Notaro等（2007）研究表明北方森林減少會(huì)增加反照率導(dǎo)致地表溫度降低，從而形成更長(zhǎng)的雪季，同時(shí)蒸散作用的減少也會(huì)引起降水變少使水循環(huán)減弱.Chen等（2012）則發(fā)現(xiàn)森林覆蓋率的增加還會(huì)引起地表粗糙度上升，使得近地層輻合增強(qiáng)，進(jìn)而產(chǎn)生向上的水汽輸送并導(dǎo)致降水增加.同時(shí)，植被對(duì)氣候要素的影響會(huì)因地域的不同而產(chǎn)生不同的影響氣候過(guò)程的機(jī)制，如Thomas和Rowntree（1992）發(fā)現(xiàn)在高緯度地區(qū)植被主要通過(guò)反照率機(jī)制影響氣候過(guò)程，該地區(qū)地表森林減少之后使得冬季與春季地表積雪面積增大，進(jìn)而導(dǎo)致地表反照率上升和溫度降低；Dickinson和Kennedy（1992）對(duì)亞馬遜熱帶雨林區(qū)的研究則表明在低緯度地區(qū)植被主要通過(guò)改變下墊面蒸散來(lái)影響氣候過(guò)程，該地區(qū)熱帶雨林被砍伐后會(huì)導(dǎo)致氣溫的上升與降水的減少，這主要是由于植被蒸散蒸騰作用的減少而導(dǎo)致的；Bonan（2008）的研究則指出中緯度地區(qū)的植被影響氣候的機(jī)制還存在很大的不確定性.

近幾十年來(lái)，我國(guó)西北地區(qū)的植被退化呈加速發(fā)展的趨勢(shì)，沙漠面積不斷增大（Yu et al.，2004；Lin et al.，2009）.西北地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，降水稀少，大部分是沙漠、戈壁和稀疏植被下墊面，氣候變化十分劇烈（Sheng等，2010；虞海燕等，2011）.同時(shí)該地區(qū)位于東亞季風(fēng)區(qū)與中亞干旱區(qū)交界處，是干濕氣候與生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)渡帶，陸氣相互作用比較強(qiáng)烈（Xu et al.，2007；Liu等，2004；劉樹華等，2005，2009；繆育聰?shù)龋?012；鄭輝和劉樹華，2012，2013），也是東亞季風(fēng)系統(tǒng)的重要成員之一（Huang et al.，2005）.面對(duì)西北地區(qū)嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境形勢(shì)，我國(guó)政府投入了大量人力物力與財(cái)力，開展了“三北”防護(hù)林等生態(tài)環(huán)境工程來(lái)應(yīng)對(duì)荒漠化的發(fā)展.這些努力對(duì)于改善西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境效果如何，在哪里開展生態(tài)環(huán)境工程建設(shè)最具成效等一直是一個(gè)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題（Wang和Zhou，2003；王濤等，2006；Wang et al.，2010）.我國(guó)大氣科學(xué)界也開展了大量的工作，針對(duì)西北地區(qū)植被變化對(duì)氣候變化的影響進(jìn)行了廣泛的研究（Xue 1996；呂世華和陳玉春，1999；姜大膀等，2001，2003；Zheng et al.，2002；丁一匯等，2005；張井勇等，2005），這些結(jié)果表明植被變化對(duì)西北地區(qū)地面氣溫、降水等具有明顯影響，甚至還可影響到東亞夏季風(fēng)的強(qiáng)度變化.但是有關(guān)西北地區(qū)植被變化對(duì)于局地陸氣耦合影響以及與之相關(guān)的水文變量的研究還比較少.陸氣耦合主要指降水與土壤溫濕狀況之間的反饋關(guān)系.在陸氣耦合強(qiáng)烈的地區(qū)，其局地的陸氣相互作用對(duì)當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊懪c大尺度大氣環(huán)流的影響幾乎相等，甚至更大（Trenberth et al.，1988；Hong和Kalnay，2002）.而植被的變化則會(huì)通過(guò)改變地表參數(shù)、能量平衡等來(lái)改變局地的陸氣耦合強(qiáng)度，影響當(dāng)?shù)氐臍夂蜻^(guò)程；同時(shí)植被變化對(duì)水文過(guò)程的影響對(duì)于植被本身的生長(zhǎng)與維持起到十分重要的作用，尤其是在水資源相對(duì)缺乏與生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱的西北地區(qū)更為突出.以往植被變化對(duì)西北地區(qū)氣候影響的研究工作主要側(cè)重于對(duì)溫度、降水、地表能量、環(huán)流等氣候要素的影響，同時(shí)積分時(shí)間較短，對(duì)植被變化所引起的長(zhǎng)期氣候效應(yīng)與水文效應(yīng)的反映有限.本文擬采用通用大氣模式NCAR CAM3（NCAR Community Atmosphere Model），在西北地區(qū)分別進(jìn)行了荒漠化、正常植被和植被增多背景下的長(zhǎng)時(shí)間（30年）的數(shù)值試驗(yàn)，研究分析植被變化對(duì)西北地區(qū)水文變量與局地陸氣耦合強(qiáng)度的影響，以期為將來(lái)合理進(jìn)行資源配置以及西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)政策的制定提供一些科學(xué)性參考意見.

2 模式簡(jiǎn)介、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、資料與方法

2.1 模式簡(jiǎn)介

本文使用的模式為美國(guó)國(guó)家大氣科學(xué)研究中心（NCAR）研制的通用大氣模式NCAR CAM3，CAM3模式是通用氣候系統(tǒng)模式CCSM3（Community Climate System Model Version 3）的大氣部分（Collins et al.，2006b），也是NCAR研制的第六代全球大氣環(huán)流模式.該模式包含了大氣模式和一個(gè)完整的陸面模式以及可供選擇的海洋模式，并且提供了三種可選擇的動(dòng)力框架：歐拉動(dòng)力框架、半拉格朗日動(dòng)力框架以及有限元（Finite－volume）動(dòng)力框架.其中，歐拉譜模式包括T85、T63、T42、T31等譜分辨率.本文選用的是分辨率為T85的歐拉動(dòng)力框架，緯向分布128個(gè)格點(diǎn)，經(jīng)向分布256個(gè)格點(diǎn)，格距約為1.4°×1.4°；垂直方向采用混合坐標(biāo)，共26層，模式坐標(biāo)層頂在2.917hPa高度.CAM3模式考慮了包括了輻射（長(zhǎng)、短波輻射傳輸）、云、對(duì)流、陸面（植被、冰雪、土壤水分）及邊界層（垂直擴(kuò)散、重力波拖曳）等物理過(guò)程.其中陸面模式部分采用通用陸面模式CLM3（Community Land Model），該模式以 BATS（the Biosphere Atmosphere Transfer Scheme）、LSM（Land Surface Model）、中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所IAP94等陸面過(guò)程模式為基礎(chǔ)發(fā)展改進(jìn)，是目前世界上發(fā)展最為完善并被廣泛應(yīng)用的陸面過(guò)程模式之一.CLM3模式詳細(xì)地考慮了陸氣系統(tǒng)中的積雪、土壤水熱傳輸、植被與大氣之間的物質(zhì)能量交換以及湍流邊界層中的各種生物物理過(guò)程，將地表劃分為不同的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格下劃分為不同的地表單元（包括冰川、濕地、植被、湖泊、城市），而每個(gè)地表單元又由不同的柱單元組成（每個(gè)柱單元從上向下由最多5層積雪和10層土壤組成），每個(gè)柱單元按地表狀態(tài)可由4層可能的植被功能類型（Plant Function Type，PFT）組成，共有15種不同的植被功能類型以及裸土，表1給出了15種不同的植被功能類型及其編號(hào).

表1 植被功能類型及編號(hào)Table 1 Plant function type and number

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了研究植被變化對(duì)西北地區(qū)陸氣耦合強(qiáng)度的影響，共設(shè)計(jì)了3組試驗(yàn)：

（1）參考試驗(yàn)（CTL）：研究區(qū)域?yàn)?0.819°N—49.027°N，73.828°E—111.797°E，采用 CLM 模式中的標(biāo)準(zhǔn)地表植被分布來(lái)代表實(shí)際的植被狀況.模式積分時(shí)間從1949年2月1日到2001年12月31日，海表溫度采用英國(guó)氣象局哈德來(lái)中心提供的1949—2001年的月平均觀測(cè)資料.圖1a給出了參考試驗(yàn)研究區(qū)域及PFT最主要層分布情況.

（2）去植被試驗(yàn)（NOVEG）：將研究區(qū)域內(nèi)所有格點(diǎn)的4層PFT均改為0，即將植被下墊面改為裸土，但土壤顏色、成分保持不變，以模擬西北地區(qū)荒漠化的情況，其余配置與參考試驗(yàn)相同.圖1b給出了去植被試驗(yàn)研究區(qū)域及PFT最主要層分布情況.

（3）生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)試驗(yàn)（VEG）：將研究區(qū)域內(nèi)PFT最主要層為0的區(qū)域（即沙漠戈壁區(qū)）的植被覆蓋情況替換為與其相鄰的內(nèi)蒙古草原下墊面（其格點(diǎn)中心坐標(biāo)為38.521°N，108.281°E）的植被覆蓋情況，但土壤顏色、成分保持不變，以模擬生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)之后沙漠戈壁變?yōu)椴菰那闆r；研究區(qū)域內(nèi)其他格點(diǎn)植被葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）加倍，以模擬生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)之后植被增多的情況，其余配置與參考試驗(yàn)相同.表2給出了模式地表文件中與沙漠戈壁區(qū)相鄰內(nèi)蒙古草原下墊面植被覆蓋情況.圖1c給出了生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究區(qū)域及PFT最主要層分布情況.

圖1 試驗(yàn)研究區(qū)域（線框內(nèi)）及最主要層植被分布類型分布情況（a）參考試驗(yàn)；（b）去植被試驗(yàn)；（c）生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)試驗(yàn).Fig.1 Research regions indicated by rectangular box and the distribution of the dominant PFT of：（a）CTL；（b）NOVEG；（c）VEG

表2 模式地表文件中與沙漠戈壁區(qū)相鄰的內(nèi)蒙古草原下墊面植被功能類型、編號(hào)及覆蓋比例Table 2 Plant function type，type and percentage of grasslands in the Inner Mongolia next to the desert region in the land surface file of the model

2.3 資料

雖然CAM3模式對(duì)中國(guó)／東亞氣候有一定的模擬能力（周晶和陳海山，2012；任余龍等，2013），但模式對(duì)于西北地區(qū)的模擬還缺乏客觀的評(píng)估，因此在進(jìn)行敏感性試驗(yàn)前對(duì)模式的模擬能力進(jìn)行檢驗(yàn)是必要的.氣溫與降水?dāng)?shù)據(jù)選擇英國(guó)East Anglia大學(xué)氣候研究中心的CRU（Climatic Research Unit）數(shù)據(jù)集（Mitchell et al.，2004），該數(shù)據(jù)集由陸面實(shí)際觀測(cè)站點(diǎn)資料插值到0.5°×0.5°的經(jīng)緯度網(wǎng)格點(diǎn)而成.聞新宇等（2006）研究表明，該數(shù)據(jù)集有較高的可信度，比較完整地描述了中國(guó)20世紀(jì)氣候變化的基本特征；張存杰等（2004）利用中國(guó)北方22個(gè)站點(diǎn)降水觀測(cè)資料對(duì)該數(shù)據(jù)集進(jìn)行了檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)中國(guó)東部地區(qū)和20世紀(jì)中后期西部地區(qū)的降水資料具有較高的可信度.

2.4 方法

利用Zeng等（2010）提出的陸氣耦合強(qiáng)度系數(shù)（Coupling strength，CS）來(lái)衡量植被對(duì)于西北地區(qū)陸氣相互作用的影響.CS計(jì)算公式如下：

其中，P為年降水量（單位：mm），E為年蒸散量（單位：mm），i為年數(shù).以1949—1970年為模式起轉(zhuǎn)時(shí)間，選取1971—2000年30年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究（N＝30）.P′i與E′i為年降水量距平值（單位：mm）和年蒸散量距平值（單位：mm），具體計(jì)算步驟如下：以模式輸出的月均降水與蒸散數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算出年降水量與年蒸散量，然后對(duì)其30年數(shù)據(jù)進(jìn)行距平化處理，得到年降水量與年蒸散量距平序列.CRU降水?dāng)?shù)據(jù)處理辦法與之相同.CS通過(guò)比較降水與蒸散偏差的協(xié)方差和降水方差的大小來(lái)衡量陸氣耦合強(qiáng)度的高低，降水與蒸散變化的數(shù)量級(jí)越接近，變化的步調(diào)越一致，則陸氣耦合強(qiáng)度越高.CS物理意義較為明確，計(jì)算較為方便，不失為衡量陸氣相互作用強(qiáng)弱的一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)（Zeng et al.，2010；Myung et al.，2012）.在考慮植被變化對(duì)于西北地區(qū)水文效應(yīng)的影響時(shí)，則選取降水、蒸散、地表水分盈余量、地表徑流、滲流和地表土壤含水量作為代表性水文變量來(lái)進(jìn)行分析研究.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 模式性能檢驗(yàn)

圖2c為模擬得到的1971—2000年西北地區(qū)平均年降水量分布，和CRU資料相比（圖2d）可以看到，模式模擬的降水分布趨勢(shì)較好，模擬出了西部地區(qū)年降水量由東南向西北遞減的空間分布特征，以及沙漠戈壁地區(qū)的降水低值區(qū).這與Feng等（2011）利用一個(gè)高分辨率全球氣候模式模擬的結(jié)果相似.但在西北地區(qū)東南部的模擬值明顯偏高，這也是CAM 模式存在的系統(tǒng)性偏差（Chen et al.，2010），Li等（2011）利用高分辨率氣候模式的模擬結(jié)果也出現(xiàn)模擬偏高的現(xiàn)象，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)當(dāng)前全球氣候模式對(duì)于地形復(fù)雜而又到季風(fēng)強(qiáng)烈影響的東亞區(qū)域，降水的模擬能力仍然存在一些問(wèn)題.此外值得注意的是模式相較于CRU資料的降水高值區(qū)主要存在于東南部高山地區(qū)，觀測(cè)站點(diǎn)的相對(duì)缺乏也可能導(dǎo)致由站點(diǎn)觀測(cè)插值而成的CRU資料對(duì)真實(shí)降水有所低估.由圖2a和圖2b可以看到，對(duì)于地表氣溫而言，模式模擬情況較好，基本準(zhǔn)確地模擬出了地表氣溫的空間分布.圖2e為模擬得到的1971—2000年西北地區(qū)平均年蒸散量分布，可以看到模式模擬出了西部地區(qū)年蒸散量由東南向西北遞減的空間分布特征，以及沙漠戈壁地區(qū)的蒸散低值區(qū).這與Gao等（2007）利用水量平衡法計(jì)算得到的結(jié)果類似，但在東南部地區(qū)仍偏高100～200mm，這可能與模式在該區(qū)域模擬的降水偏多有關(guān).總體而言，CAM3模式對(duì)西北地區(qū)的氣候要素具一定的模擬能力，模擬結(jié)果可以為下一步研究植被對(duì)于西北地區(qū)氣候過(guò)程的影響提供一定的參考.

圖2 （a）1971—2000年平均地表氣溫CAM3模式模擬值；（b）CRU數(shù)據(jù)值；同期平均年降水量；（c）CAM3模式模擬值；（d）CRU數(shù)據(jù)值；（e）同期平均年蒸散量CAM3模式模擬值Fig.2 （a）Annual air surface temperature in 1971—2000derived from CAM3simulation；（b）CRU data；annual mean precipitation in the same period derived from：（c）CAM3simulation；（d）CRU data；（e）annual mean evapotranspiration in the same period simulated by CAM3

3.2 植被變化對(duì)地表水文變量的影響

圖3給出了植被改變對(duì)西北地區(qū)地表水文變量的影響分布情況.以97°E為界將西北地區(qū)分為東西兩部分，其中33°N—43°N的東部主要為東亞季風(fēng)區(qū)，地表植被覆蓋較好；35°N—45°N的西部為中亞干旱區(qū)，地表植被覆蓋較差.對(duì)于降水而言，植被的變化可以引起地氣系統(tǒng)能量和水分平衡的調(diào)整，影響大氣的上升運(yùn)動(dòng)與水汽的輸送，從而影響降水.由圖3a與圖3b可以看到，植被退化以后，西北地區(qū)年降水量普遍減少，以東部更為顯著（可達(dá)100～120mm），形成植被退化→降水減少→植被退化加劇的正反饋關(guān)系，進(jìn)而使得這種植被退化狀態(tài)在自然狀態(tài)下很難得到恢復(fù)，這與丁一匯等（2005）和Xue等（1996）的試驗(yàn)結(jié)果相似；植被增多之后，植草區(qū)年降水量增加（10～40mm），考慮到該地區(qū)本來(lái)年降水量就偏少，所以這樣的增加也有一定的實(shí)際意義.而同時(shí)植草區(qū)邊緣東南部降水減少（10～30mm），丁一匯等（2006）、Zheng等（2002）的研究也得出了相類似的結(jié)果.

對(duì)于蒸散而言，植被變化一方面會(huì)直接影響葉面的蒸騰和蒸發(fā)，另一方面也會(huì)改變地表反照率和粗糙度從而影響地表能量平衡，間接影響地表的潛熱輸送.植被改變對(duì)西北地區(qū)年蒸散量的變化分布情況的空間分布趨勢(shì)基本與對(duì)降水影響的空間分布趨勢(shì)基本一致（圖略）.可以看到，植被退化以后，西北地區(qū)東部區(qū)域蒸散量明顯減少，西部區(qū)域則變化不大，這主要是由于原本植被相對(duì)茂盛的東部區(qū)域植被退化后使得植被蒸騰作用降低，同時(shí)土壤含水量減少、地表阻抗增加，從而使得湍流輸送減弱；而生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)之后，西北地區(qū)西部植草區(qū)降水量增多的同時(shí)，蒸散量明顯增加（20～50mm），而西北地區(qū)東南部蒸散降低，這可能與當(dāng)?shù)亟邓康臏p少有關(guān).Yu等（2012）對(duì)河套地區(qū)的研究也發(fā)現(xiàn)草原擴(kuò)大之后，植草區(qū)蒸散增加而邊緣區(qū)減少的現(xiàn)象.

地表水分盈余量等于降水與蒸散的差值，是可被實(shí)際利用的水資源總量的一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn).對(duì)于水資源相對(duì)缺乏的西北地區(qū)而言，植被變化對(duì)它的影響不得不引起我們的高度重視.圖3c和圖3d給出了植被改變對(duì)西北地區(qū)年地表水分盈余量的變化分布情況.可以看到，植被退化之后，西北地區(qū)大部分地區(qū)年地表水分盈余量明顯下降（以東部更為明顯），而生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)植被增加之后，大部分地區(qū)地表水分盈余量也有所下降，但下降程度相對(duì)較小.雖然植被退化和植被增加導(dǎo)致的結(jié)果都是地表水分盈余量下降，但影響其變化的主要原因則各不相同.植被退化之后，西北地區(qū)東部年降水量的減少（60～120mm），大于年蒸散量的減少（40～90mm），使得西北地區(qū)東部年地表水分盈余量下降；而植被增多之后，西部地區(qū)西部年降水量的增加（10～50mm），小于年蒸散量的增加（20～60mm），使得西北地區(qū)西部地表水分盈余量下降.

地表水分盈余量一部分留在地表向低洼地區(qū)流動(dòng)，形成地表徑流；一部分向土壤入滲，形成滲流.對(duì)于地表徑流而言（圖3e和圖3f），植被退化之后，新疆南 部 （37°N—39°N，80°E—90°E）、青 海 大 部（32°N—37°N，90°E—100°E）及內(nèi)蒙古西部（38°N—43°N，100°E—110°E）地表徑流減少（10～30mm）；植被增加之后，上述地區(qū)地表徑流仍然減少（5～20mm），但減少幅度小于植被退化之后的減少幅度.對(duì)于滲流而言（圖略），植被退化之后，西北地區(qū)東部滲流量明顯減少（10～120mm）；植被增加之后，西北地區(qū)東部以及西部植草區(qū)滲流明顯增加（5～80mm）.值得注意的是，在植被退化以后，甘肅東南部、陜西中南部出現(xiàn)了一個(gè)地表水分盈余量的增加區(qū)域（32°N—34°N，102°E—110°E），而在植被增多之后，該區(qū)域地表水分盈余量下降.結(jié)合圖3c與圖3d可以看到，在植被退化后雖然該區(qū)域地表水分盈余量上升，但主要引起的結(jié)果是地表徑流增加和滲流的減少，且地表徑流的增加量大于滲流的減少量，這可能導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮亮魇?，引起泥石流、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，不利于植被的生長(zhǎng)與恢復(fù)；而當(dāng)植被增多時(shí)，雖然該區(qū)域地表水分盈余量下降，但主要引起的結(jié)果是地表徑流減少和滲流的增加，這對(duì)于當(dāng)?shù)厮帘３趾椭脖坏纳L(zhǎng)維持是非常有利的.

地表土壤含水量是陸氣相互作用的重要耦合因子（Koster et al.，2004，2006），它通過(guò)影響地表反照率和蒸散等來(lái)影響地表能量過(guò)程和地表水文過(guò)程，進(jìn)而對(duì)氣候過(guò)程產(chǎn)生影響.同時(shí)它對(duì)大氣信號(hào)由于有一定的“記憶性”（Beljaars et al.，1996；Dai et al.，2004），是衡量土壤—植被—大氣之間物質(zhì)與能量交換的重要因子，還可以對(duì)局地氣候的改變起到一定的緩沖作用.植被變化帶來(lái)水文過(guò)程與能量平衡的改變會(huì)對(duì)地表土壤含水量產(chǎn)生一定影響.圖3g與圖3h給出了植被改變對(duì)西北地區(qū)地表層1.8cm厚度土壤含水量的變化分布情況.可以看到，植被退化之后，西部地區(qū)東部區(qū)域地表土壤含水量普遍顯著下降（10～50mm3·mm－3），新疆東北部地區(qū)（42°N—48°N，84°E—94°E）地表土壤含水量顯著上升（10～40mm3·mm－3）；而生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)之后，西北地區(qū)東部區(qū)域（32°N—37°N，108°E—110°E）與新疆東部、內(nèi)蒙西部地區(qū)（41°N—44°N，86°E—98°E）地表土壤含水量顯著上升（10～20mm3·mm－3）.結(jié)合滲流變化可以看到（圖略），地表土壤含水量變化的分布與滲流變化的分布基本一致（但并不完全重合），這也說(shuō)明滲流變化有可能是引起地表土壤含水量變化的主要原因（其他因素例如土壤質(zhì)地、土壤水導(dǎo)率等也會(huì)對(duì)地表土壤含水量產(chǎn)生一定程度的影響）.

圖3 植被變化對(duì)水文變量的影響（a）年降水量差值（單位：mm·a－1）（去植被試驗(yàn)－參考試驗(yàn)）；（b）年降水量差值（單位：mm·a－1）（生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)試驗(yàn)－參考試驗(yàn)）；（c）年地表水分盈余量差值（單位：mm·a－1）（去植被試驗(yàn)－參考試驗(yàn)），（d）年地表水分盈余量差值（單位：mm·a－1）（生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)試驗(yàn)－參考試驗(yàn)）；（e）年地表徑流量差值（單位：mm·a－1）（去植被試驗(yàn)－參考試驗(yàn)）；（f）年地表徑流量差值（單位：mm·a－1）（生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)試驗(yàn)－參考試驗(yàn)）；（g）地表1.8cm厚度土壤含水量差值（單位：mm3·mm－3（去植被試驗(yàn)－參考試驗(yàn)）；（h）地表1.8cm厚度土壤含水量差值（單位：mm3·mm－3）（生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)試驗(yàn)－參考試驗(yàn)；黑色圓點(diǎn)表示所在格點(diǎn)區(qū)域通過(guò)95% 顯著性t檢驗(yàn)）Fig.3 Impact of vegetation change on hydrological variables（a）Annual mean precipitation difference（unit：mm·a－1）（NOVEG－CTL）；（b）Annual mean precipitation difference（unit：mm·a－1）（VEGCTL）；（c）Annual mean surface water surplus difference（unit：mm·a－1）（NOVEG－CTL）；（d）Annual mean surface water surplus difference（unit：mm·a－1）（VEG－CTL）；（e）Annual mean surface runoff difference（unit：mm·a－1）（NOVEG－CTL）；（f）Annual mean surface runoff difference（unit：mm·a－1）（VEG－CTL）；（g）Soil moisture difference in the top 1.8cm layer（unit：mm3·mm－3）（NOVEG－CTL）；（h）Soil moisture difference in the top 1.8cm layer（unit：mm3·mm－3）（VEG－CTL），grid cells with values significant atthe 95%level by Student′s t－test are marked by the solid circles.

3.3 植被變化對(duì)于陸氣耦合強(qiáng)度影響的模擬與分析

圖4a給出了模擬得到的正常植被覆蓋條件下1971—2000年西北地區(qū)CS分布，可以看到，西北地區(qū)CS由東南向西北遞增，植被覆蓋較好的東部地區(qū)，CS值較低；而植被覆蓋較差的內(nèi)陸干旱地區(qū)，CS值較高.模擬結(jié)果的空間分布形態(tài)和量級(jí)均與Zeng等（2010）利用ECMWF（European Center for Medium range Weather Forecasting）再分析資料計(jì)算到得到結(jié)果相似.這也在一定程度上與周連童（2010）及 Wang等（2010）對(duì)高感熱通量以及陸面過(guò)程參數(shù)方面的研究結(jié)果共同反應(yīng)了西北內(nèi)陸干旱區(qū)是陸氣相互作用的強(qiáng)烈地區(qū).圖4b和圖4c給出了植被改變對(duì)西北地區(qū)CS變化的分布情況.可以看到，植被退化以后，西北地區(qū)東南部區(qū)域CS值上升；生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)后，西北地區(qū)東部區(qū)域CS值有微弱的下降，考慮到該區(qū)域在正常植被覆蓋條件下的CS值本來(lái)就較小，因此這種上升與下降的變化的相對(duì)程度是很顯著的，同時(shí)位于沙漠戈壁區(qū)邊緣的內(nèi)蒙西部（37°N—42°N，98°E—110°E）與新疆南部（35°N—39°N，76°E—88°E）CS值也出現(xiàn)了下降.總體說(shuō)來(lái)，就CS而言西北地區(qū)東部相較于西部對(duì)植被的變化更敏感.

結(jié)合圖3g、圖3h可以看到，通常CS值出現(xiàn)上升的區(qū)域其滲流量與地表土壤水含量下降，CS值下降的區(qū)域其滲流量與地表土壤水含量上升，這有可能是因?yàn)橥寥浪肿鳛殛懨娴摹靶钏畮?kù)”，其對(duì)氣候的改變能起到一定的調(diào)節(jié)作用.但值得注意的是，在生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，新疆中部與北部部分地區(qū)地表土壤含水量上升的同時(shí)CS增加，這也說(shuō)明CS的變化還和當(dāng)?shù)氐耐寥李愋?、地形地貌、水汽輸送、大氣環(huán)流等其他因素有一定的關(guān)系.Schubert等（2004）和Cook等（2004）的研究表明，盡管長(zhǎng)時(shí)間的嚴(yán)重干旱是由于大尺度的大氣環(huán)流異常引起的，但是局地的陸氣相互作用會(huì)對(duì)干旱的初始信號(hào)產(chǎn)生持續(xù)并放大的效果，加劇旱情.西北地區(qū)東部位于東亞季風(fēng)區(qū)與歐亞大陸干旱區(qū)交界處，是我國(guó)重要的農(nóng)牧產(chǎn)區(qū)，結(jié)合表3和表4可以看到，植被的存在能增加當(dāng)?shù)赝寥浪颗c滲流，減小局地陸氣耦合強(qiáng)度和土壤水含量的變化程度，從而對(duì)大氣環(huán)流異常時(shí)降水減少的信號(hào)產(chǎn)生負(fù)反饋效果，降低當(dāng)?shù)氐脑馐芨珊档娘L(fēng)險(xiǎn)程度，保障我國(guó)的糧食生產(chǎn)安全，這也從一定程度上說(shuō)明了西北地區(qū)東部植被存在的重要性.同時(shí)，在沙漠戈壁邊緣區(qū)的新疆南部和內(nèi)蒙西部適當(dāng)種植灌木與青草并防止過(guò)度放牧，可能會(huì)增加當(dāng)?shù)氐臐B流量與地表土壤含水量，減小陸氣耦合強(qiáng)度，緩解西北地區(qū)沙漠化加劇的趨勢(shì).

圖4 1971—2000年正常植被覆蓋下（參考試驗(yàn)）陸氣耦合強(qiáng)度（CS）（a）及植被變化引起的差異；（b）去植被試驗(yàn)－參考試驗(yàn)；（c）生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)試驗(yàn)－參考試驗(yàn).Fig.4 Coupling strength（CS）in 1971—2000of normal vegetation distribution（CTL）（a）Vegetation change induced coupling strength difference：（b）NOVEG－CTL；（c）VEG－CTL.

但生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)后新疆南部和內(nèi)蒙西部陸氣耦合強(qiáng)度的降低與滲流量和地表土壤水含量的增加，有可能歸功于當(dāng)?shù)刂膊葜髮?duì)局地陸氣相互作用的改變，也有可能是其他地區(qū)植被增加對(duì)大氣環(huán)流的改變而導(dǎo)致的結(jié)果.為了確定二者到底哪一個(gè)是主要因素，筆者做出以下考慮：陸面的蒸散過(guò)程主要受局地陸氣相互作用控制，而水汽的輸送則主要受到大尺度大氣環(huán)流的影響，所以可以把蒸散量和水汽通量作為衡量局地陸氣相互作用與大尺度大氣環(huán)流輸送作用的判斷標(biāo)準(zhǔn)，如果植被變化而導(dǎo)致的蒸散變化更明顯，那么植被變化對(duì)局地的陸氣相互作用的影響也更大.

考慮大氣層內(nèi)的水量平衡方程（Wang和Paegle，1996）：

其中，E為蒸散量， ·Q為水汽通量散度，P為降水量，為大氣可降水量隨時(shí)間變化項(xiàng).

式（2）中，如果忽略大氣可降水量隨時(shí)間變化項(xiàng)，則可得：

即水汽通量散度等于降水與蒸發(fā)之差.

接著定義一個(gè)蒸散－水汽通量散度指數(shù)EMI（Evapotranspiration－Moisture flux divergence Index），來(lái)衡量植被變化對(duì)蒸散與水汽通量散度的影響：

其中，σVEG（E）為植被增加之后的蒸散量標(biāo)準(zhǔn)差，σCTL（E）為正常植被下的蒸散量標(biāo)準(zhǔn)差，σVEG（P－E）為植被增加之后的降水減蒸發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)差，即植被增加之后的水汽通量散度的標(biāo)準(zhǔn)差，σCTL（P－E）為正常植被下的降水減蒸發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)差，即正常植被下的水汽通量散度標(biāo)準(zhǔn)差.EMI值大于1的區(qū)域即為植被變化之后蒸散量變化大于水汽通量變化的區(qū)域，也就是植被變化對(duì)局地陸氣相互作用的影響強(qiáng)于對(duì)大氣環(huán)流作用影響的區(qū)域.

如圖5a可以看到，在沙漠戈壁邊緣區(qū)的新疆南部和內(nèi)蒙西部，其EMI指數(shù)均明顯大于1，即該區(qū)域植被的變化主要影響的是局地的陸氣相互作用，而且這是在大氣可降水量不隨時(shí)間變化的假設(shè)下的結(jié)果，如果考慮大氣可降水隨時(shí)間的變化項(xiàng)的情況下，EMI指數(shù)有可能變得更大.因此可以初步推斷，在上述區(qū)域植被的增加對(duì)與降低陸氣耦合強(qiáng)度，改善局地氣候，防止荒漠化加劇能起到一定作用.在有限的人力與財(cái)力條件下，集中力量在該地區(qū)適當(dāng)種植灌木與青草并防止過(guò)度放牧，可能會(huì)取得不錯(cuò)的成效.

進(jìn)一步分析影響陸氣耦合強(qiáng)度變化的因素.根據(jù) 計(jì)算公式，CS可分為分子項(xiàng)與分CS母項(xiàng).對(duì)分子項(xiàng)而言，它是降水蒸散耦合項(xiàng)，其變化主要有兩種因素引起：一是降水與蒸散的去耦合效應(yīng)，即變?yōu)樨?fù)相位；二是本身數(shù)量級(jí)的變化，即的變化.定義去負(fù)陸氣耦合強(qiáng)度系數(shù)（Sign－Neglected Coupling Strength，SNCS）為如下表達(dá)形式：

圖5 （a）EMI指數(shù)分布；（b）去植被實(shí)驗(yàn)－參考試驗(yàn)中1971—2000年降水量距平標(biāo)準(zhǔn)差差值的相對(duì)變化（%）；（c）同（b），但為生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)－參考試驗(yàn)；（d）去植被實(shí)驗(yàn)－參考試驗(yàn)中1971—2000年蒸散量距平標(biāo)準(zhǔn)差差值的相對(duì)變化（%）；（e）同（d），但為生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)－參考試驗(yàn)；黑色格點(diǎn)表示所在區(qū)域通過(guò)95%顯著性F檢驗(yàn)Fig.5 （a）Distribution of EMI（Evapotranspiration－Moisture flux divergence Index）；（b）Relative changes for standard deviation of annual precipiation anomaly difference（in percent）in 1970—2000（NOVEG－CTL）；（c）Same as（b），but for VEG－CTL；（d）Relative changes for standard deviation of annual evapotranspiration anomaly difference（in percent）in 1970—2000（NOVEG－CTL）；（e）Same as（d），but for VEG－CTL；grid cells with values significant at the 95%level by F test are marked by the solid circles

由表3與表4可看出，對(duì)于參考試驗(yàn)和兩個(gè)敏感試驗(yàn)而言，CS略高與SNCS，且差異不大，這可能是由于西北地區(qū)蒸散的水量主要來(lái)自降水的補(bǔ)給，類似于副熱帶海洋上降水減少之后蒸發(fā)增加，這樣降水與蒸發(fā)負(fù)位相變化的情況較少出現(xiàn)，降水與蒸散主要呈正相關(guān)變化.該結(jié)果表明，對(duì)于西北地區(qū)而言，降水蒸散耦合項(xiàng)本身數(shù)量級(jí)的變化比降水蒸散去耦合帶來(lái)的負(fù)相位變化更重要，CS對(duì)其變化也更為敏感.對(duì)于耦合項(xiàng)數(shù)量級(jí)的變化而言，降水的變化劇烈程度與蒸散的變化劇烈程度都會(huì)直接影響到其本身的變化，根據(jù)CS計(jì)算表達(dá)式，作為分母的降水項(xiàng)與降水距平的變化劇烈程度的平方有關(guān)，作為分子的降水蒸散耦合項(xiàng)則和降水距平變化劇烈程度與蒸散距平變化程度的乘積有關(guān)，因此可以大致認(rèn)為，CS值反比于降水距平變化的劇烈程度，而正比于蒸散距平變化的劇烈程度.所以，可以用降水（蒸散）距平標(biāo)準(zhǔn)差的相對(duì)變化來(lái)衡量植被變化對(duì)于耦合強(qiáng)度的影響（見圖5（b、c、d、e）、與表5、表6）.在去植被試驗(yàn)中，大片地表變成裸土，使得地表反照率增大，大氣輻射冷卻和補(bǔ)償性下沉增加，抑制了降水的形成與發(fā)展，并且對(duì)降水變化的劇烈程度也產(chǎn)生了一定的影響，其中對(duì)于原本植被覆蓋狀況較好的東部區(qū)域，降水距平標(biāo)準(zhǔn)差的下降程度（－15.3%）比西部區(qū)域（－7.2%）更大.對(duì)于蒸散距平標(biāo)準(zhǔn)差的相對(duì)變化而言，其空間分布趨勢(shì)與降水距平標(biāo)準(zhǔn)差的相對(duì)變化分布大致相同，東部（－3.5%）與西部（－4.0%）下降程度比較接近，但小于降水距平標(biāo)準(zhǔn)差的相對(duì)變化.這樣的結(jié)果導(dǎo)致CS值上升，且東部高于西部.在生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，植被增加之后西北地區(qū)東部降水與蒸散標(biāo)準(zhǔn)差的相對(duì)變化均有較明顯的降低，對(duì)蒸散的效果尤其顯著（－14.4%），超過(guò)了對(duì)降水的抑制（－9.9%），而在西部區(qū)域植被增加對(duì)蒸散的效果（－3.7%）則小于對(duì)降水的效果（－6.8%），這使得植被增加后，東部區(qū)域CS值下降，西部區(qū)域CS值上升.這也再次證明了西北地區(qū)東部植被的重要性，它的存在不僅能增加滲流量與地表土壤含水量，降低陸氣耦合強(qiáng)度，而且能有效抑制地表蒸散的劇烈變化.這也可以由三個(gè)數(shù)值實(shí)驗(yàn)中西北地區(qū)東部與西部降水和蒸發(fā)距平的年際變化得到一定程度的反映（圖略），可以看到去植被之后，西北地區(qū)東部年蒸散量距平的變化與年降水量距平的變化更接近，使得該區(qū)域的CS值上升；增加植被之后，年蒸散量距平的變化相較于降水量距平的變化更偏小，使得該區(qū)域的CS值降低.

表3 去植被試驗(yàn)與參考試驗(yàn)（去植被－參考）陸氣耦合強(qiáng)度（CS）、去負(fù)陸氣耦合強(qiáng)度（SNCS）及其差值（Diff）區(qū)域平均值Table 3 Area－Averaged CS，SNCS and their difference（Diff）between NOVEG and CTL（去植被試驗(yàn)－參考試驗(yàn)）

表4 去植被試驗(yàn)與參考試驗(yàn)（生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)－參考）陸氣耦合強(qiáng)度（CS）、去負(fù)陸氣耦合強(qiáng)度（SNCS）及其差值（Diff）區(qū)域平均值Table 4 Area－Averaged CS，SNCS and their difference（Diff）between NOVEG and CTL（生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)試驗(yàn)－參考試驗(yàn)）

表5 去植被試驗(yàn)與參考試驗(yàn)（去植被－參考）水文變量、耦合強(qiáng)度（CS）差異及其相對(duì)變化量（%）區(qū)域平均值，粗體表示通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)Table 5 Area－averaged difference and relative difference（NOVEG－CTL）for hydrological variables and coupling strength（CS），bold fonts indicate the difference between the NOVEG run and CTL run at confidence level of 95%

表6 生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)試驗(yàn)與參考試驗(yàn)（生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)－參考）水文變量、耦合強(qiáng)度（CS）差異及其相對(duì)變化量（%）區(qū)域平均值，粗體表示通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)Table 6 Area－averaged difference and relative difference（VEG－CTL）for hydrological variables，coupling strength（CS）bold fonts indicate the difference between the VEG run and CTL run at confidencelevel of 95%

4 結(jié)論和討論

本文利用CAM3模式，通過(guò)對(duì)兩組假想植被變化試驗(yàn)的模擬結(jié)果對(duì)西北地區(qū)的植被對(duì)于陸氣耦合強(qiáng)度及與之相關(guān)的水文變量的影響進(jìn)行了分析研究，得出了以下結(jié)論：

（1）植被退化以后，西北地區(qū)年降水量普遍減少，以東部更為顯著，形成植被退化－降水減少－植被退化加劇的正反饋關(guān)系.而生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)植被增加后，西北內(nèi)陸地區(qū)降水量上升，蒸散增加.

（2）植被退化和生態(tài)環(huán)境好轉(zhuǎn)植被增多之后，西北地區(qū)大部分地區(qū)年地表水分盈余量都有所下降，但原因各不相同.植被退化主要使得降水減少而導(dǎo)致地表水分盈余量下降，植被增多則主要使得蒸散量增加而導(dǎo)致地表水分盈余量下降.

（3）植被退化還導(dǎo)致西北大部分地區(qū)滲流的減少，與此同時(shí)地表土壤含水量下降；植被增多之后，滲流與地表土壤含水量增加.值得注意的是，在植被退化以后，在甘肅東南部、陜西中南部區(qū)域地表水分盈余量雖然有所增加，但同時(shí)地表徑流上升，滲流和地表土壤含水量下降，這可能導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮亮魇В鹉嗍?、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，不利于植被的生長(zhǎng)與恢復(fù)；而當(dāng)植被增多時(shí)，雖然該區(qū)域地表水分盈余量下降，但地表徑流減少，滲流與地表土壤含水量的上升，這對(duì)于當(dāng)?shù)厮帘３趾椭脖坏纳L(zhǎng)維持是非常有利的.

（4）西北地區(qū)是陸氣相互作用比較強(qiáng)烈的地區(qū)，其耦合強(qiáng)度由東南向西北遞減，植被的變化會(huì)對(duì)陸氣耦合強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響.東部地區(qū)陸氣耦合強(qiáng)度對(duì)植被的變化相較于西北地區(qū)更加敏感.植被的存在對(duì)于西北地區(qū)東南部意義明顯，它能夠增加滲流量和地表土壤含水量，降低陸氣耦合強(qiáng)度，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.同時(shí)在沙漠戈壁邊緣區(qū)的新疆南部和內(nèi)蒙西部適當(dāng)種植灌木與青草并防止過(guò)度放牧，可能會(huì)增加當(dāng)?shù)氐臐B流量與地表土壤含水量，降低陸氣耦合強(qiáng)度，緩解西北地區(qū)沙漠化加劇的趨勢(shì).

本文的研究只考慮了陸氣相互作用，使用海溫資料來(lái)驅(qū)動(dòng)模式，并未使用海洋動(dòng)力模塊；而東亞地區(qū)是一個(gè)典型的季風(fēng)型氣候區(qū)域，該區(qū)域陸地、海洋、大氣耦合度較高.Ma等（2012）發(fā)現(xiàn)，東亞地區(qū)森林覆蓋度增加會(huì)影響附近海域的海氣相互作用，使得東亞地區(qū)長(zhǎng)期降水增加.西北地區(qū)雖然深居歐亞大陸中心，但其植被的變化還是有可能會(huì)對(duì)海洋產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而對(duì)該地區(qū)的氣候變化產(chǎn)生反饋?zhàn)饔?其次，CAM3模式中的陸面模塊CLM3，其徑流參數(shù)化方案采用源于TOPMODEL（TOPography based hydrological MODEL）（Beven et al.，1979）和BATS模式的混合方案，此方案會(huì)對(duì)地表徑流產(chǎn)生高估，對(duì)滲流產(chǎn)生低估（盛黎，2010）.再次，CLM3模式陸面文件中的陸地植被覆蓋類型是主要是基于MODIS（MODerate－resolution Imaging Spectroradiometer）衛(wèi)星遙感資料而生成的，衛(wèi)星遙感反演所得的地表覆蓋資料存在著一定的不確定性，在東亞地區(qū)與實(shí)際地表植被情況之間存在一些差異（陳峰和謝正輝，2009），這些存在的問(wèn)題都可能會(huì)對(duì)本文的結(jié)果產(chǎn)生一定影響.

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周連童.2010.歐亞大陸干旱半干旱區(qū)感熱通量的時(shí)空變化特征.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，33（3）：299－306，doi：10.3969／j.issn.1674－7097.2010.03.005.