由于辐射效应和非辐射效应的共同作用，中国中纬度大兴安岭和小兴安岭生态区的森林覆盖变化加剧了该地区的变暖趋势

《Forest Ecosystems》：Enhanced warming due to afforestation and deforestation driven by both radiative and non-radiative effects in the mid-latitude Greater and Lesser Khingan Mountains ecoregion of China

森林覆盖变化对兴安岭地区气温影响及机制研究（2010-2020年基于WRF模型模拟） 摘要：通过WRF模型模拟分析中国东北地区兴安岭山脉地区（GLKM）森林与开放土地（草场、农田）及不透水土地间的覆盖转换对气温的影响，发现森林扩张导致日间升温（0.38-0.41℃）和非辐射效应主导（F-I转1.16℃），而逆转过程则降温（-0.24-0.31℃）。研究表明，辐射效应（反照率与净辐射）和非辐射效应（感热、潜热与地表热通量）共同驱动温度变化，其中不透水土地转换影响最大，日间升温显著。此外，温度通过VPD间接影响降水，而降水通过蒸散间接影响温度。该研究为温带森林生态工程提供气候风险评估依据。

　　温带森林在全球气候调节和生态安全中发挥着关键作用。尽管温带森林对中纬度地区气温的影响存在诸多争议，但近年来，科学家们通过各种方法，包括气候模型模拟、遥感技术和实地观测，试图深入理解森林覆盖变化对局部气候的具体影响。本研究聚焦于中国东北地区的大兴安岭和小兴安岭（简称GLKM），使用Weather Research and Forecasting（WRF）模型分析了2010年至2020年间森林覆盖变化对当地气温的影响，并探讨了相关驱动因素。研究发现，森林与开放土地（如耕地和草地）之间的转换是最常见的变化类型，而森林向不透水土地的转变则产生了更为显著的气候变化。这些变化对气温的影响不仅体现在温度本身的变化上，还通过水汽压差（VPD）和蒸散发（ET）间接影响降水（Pre）和气温之间的关系。因此，研究森林覆盖变化对气候的影响，不仅有助于理解生态系统的演变，也为未来的可持续发展和气候调控提供了重要参考。

### 研究背景与意义

温带森林生态系统不仅对区域气候调节具有重要作用，还在全球碳循环和生物多样性保护中占据关键地位。然而，由于自然因素（如火灾、病虫害）和人为活动（如政策调控和城市化）的影响，森林覆盖变化频繁发生。这些变化可能对局部气候产生显著影响，例如通过改变地表反照率、净辐射、感热通量、潜热通量和地面热通量等物理过程。在这些变化中，森林向耕地或草地的转变通常会导致局部气温上升，而相反的变化则可能导致降温。然而，森林向不透水土地的转变则表现出更强的升温趋势，这主要由非辐射效应（如感热通量和潜热通量）主导。研究这些变化对气候的影响，有助于评估不同土地利用方式对生态环境的潜在影响，并为制定科学的森林管理政策提供依据。

### 研究方法与数据来源

本研究采用WRF区域气候模型，结合遥感数据和气象观测数据，对GLKM地区的森林覆盖变化对气温的影响进行了系统分析。研究区域涵盖了中国东北部的大兴安岭和小兴安岭，总面积约为437,000平方公里。研究期间为2010年的生长季（5月15日至8月31日），模拟数据与实际观测数据进行了对比验证。研究中使用了多种数据源，包括全球土地覆盖动态产品（GLC_FCS30D）和中国多时期土地利用土地覆盖遥感监测数据集（CNLUCC），以确保土地覆盖数据的准确性和可靠性。此外，还结合了ERA5再分析数据和本地气象站观测数据，以增强模型的精度和适用性。

### 研究结果与分析

研究发现，GLKM地区的主要土地覆盖变化发生在森林与开放土地之间，尤其是草地向森林的转变。这一过程在生长季期间导致气温升高，而森林向草地或耕地的转变则引发降温。具体而言，草地转为森林时，气温上升幅度为0.41 ± 0.09°C，耕地转为森林时为0.38 ± 0.10°C。相反，森林向草地或耕地的转变则导致气温下降，分别为?0.24 ± 0.07°C和?0.31 ± 0.08°C。然而，森林向不透水土地的转变则产生了更显著的升温效应，升温幅度为1.16 ± 0.11°C，而不透水土地转为森林则导致降温，降温幅度为?0.88 ± 0.17°C。这些结果表明，森林覆盖变化对气温的影响主要由辐射效应（如反照率和净辐射）和非辐射效应（如感热通量、潜热通量和地面热通量）共同驱动。

进一步分析发现，森林与不透水土地之间的转换对气温的影响最为显著。森林向不透水土地的转变不仅增强了地表对太阳辐射的吸收，还减少了地表的蒸发冷却效应，从而导致明显的升温。相比之下，森林向耕地或草地的转变虽然也引起气温变化，但其影响幅度较小。研究还发现，森林覆盖变化对地表温度（LST）的影响比对空气温度（Ta）更为显著。例如，森林向不透水土地的转变导致LST升高1.78 ± 0.44°C，而空气温度升高仅为1.16 ± 0.11°C。这种差异可能与地表热通量的动态变化有关，尤其是在夜间，森林的蒸散发作用更为显著，从而降低了地表温度的变化幅度。

此外，研究还揭示了气温与降水之间的间接关系。通过水汽压差（VPD）和蒸散发（ET）的反馈机制，森林覆盖变化可能影响降水的形成。例如，在森林向不透水土地的转变过程中，水汽压差的增加可能导致植物气孔关闭，从而减少蒸散发，进而影响降水的形成。相反，在森林向耕地或草地的转变过程中，蒸散发的增加可能促进降水的形成，但其影响在夜间较为微弱。研究还发现，森林覆盖变化对气温的影响在白天更为显著，这可能与地表在白天吸收更多太阳辐射有关，而夜间由于缺乏太阳辐射，地表的热通量变化较小。

### 气候模型的应用与验证

为了评估森林覆盖变化对气候的影响，研究团队采用了WRF模型，并结合了多种数据验证方法。模型的模拟结果与实际观测数据进行了对比，发现其在气温模拟方面表现良好，相关系数达到0.97，表明模型具有较高的准确性。然而，降水模拟的准确性相对较低，相关系数仅为0.84，这可能与模型对物理参数化方案的敏感性有关。此外，降水还受到季风和大气环流的影响，因此其模拟结果可能受到更多不确定因素的干扰。研究还采用了结构方程模型（SEM）来量化森林覆盖变化对气温和降水的影响路径，发现辐射效应和非辐射效应在不同土地覆盖变化类型中扮演了不同的角色。

### 生态与气候调控的建议

研究结果表明，森林覆盖变化对气候的影响具有复杂性和区域差异性。在GLKM地区，森林向耕地或草地的转变通常导致气温升高，而森林向不透水土地的转变则引发更显著的升温效应。因此，在进行森林管理时，需要权衡不同土地利用方式对气候的潜在影响。例如，虽然森林能够吸收二氧化碳并有助于降温，但其在某些区域可能产生相反的效果，特别是在森林向不透水土地的转变过程中。因此，研究建议在制定森林管理政策时，应避免大规模的森林砍伐，并优先考虑合理的植被恢复措施，以实现气候调节和生态保护的双重目标。

此外，研究还强调了水汽压差（VPD）和蒸散发（ET）在森林覆盖变化与气候调控之间的间接作用。VPD的增加可能抑制植物的蒸散发作用，从而减少降水的形成，而ET的增加则可能促进降水的形成。因此，在考虑森林覆盖变化对气候的影响时，应综合考虑这些因素的相互作用。研究还指出，尽管森林覆盖变化对气温的影响在白天较为显著，但在夜间和某些特定区域（如大兴安岭）的影响较为有限，这可能与地表热通量的动态变化有关。

### 研究的局限性与未来方向

尽管本研究取得了重要的成果，但仍存在一些局限性。首先，研究中使用的土地覆盖数据主要基于遥感技术，其精度可能受到云层覆盖和背景气候的影响。其次，研究仅针对2010年的生长季进行了模拟，未能全面反映不同季节和年份的变化趋势。此外，研究还指出，未来的研究应采用更多样化的数据和方法，如结合实地观测和遥感数据，以更准确地评估森林覆盖变化对气候的长期影响。同时，研究还建议进一步探讨不同土地利用方式对降水和气温的协同效应，以及这些变化对区域生态系统的潜在影响。

总之，本研究通过WRF模型对GLKM地区的森林覆盖变化对气温的影响进行了深入分析，揭示了不同土地覆盖类型对气候的复杂作用机制。研究结果不仅为理解森林生态系统的气候调节功能提供了科学依据，也为未来的森林管理和生态保护策略提供了重要参考。通过优化土地覆盖数据、提高模型精度以及综合考虑多种气候因素，研究为应对气候变化和实现可持续发展提供了新的思路和方法。