寒带与亚高山森林冬季冠层表面温度动态：辐射驱动下的时空格局及其对积雪过程的调控机制

本研究针对冬季森林冠层表面温度(Tforest)的时空异质性如何影响积雪能量-质量平衡这一科学难题，通过分米级分辨率热红外成像技术(TIR)定量解析了寒带与亚高山森林中Tforest的日变化/季节动态，揭示太阳辐射暴露主导的树干升温滞后效应(1.4小时)及垂直温度梯度特征，为改进陆面模型中的冠层-积雪相互作用参数化提供关键数据支撑。

　　

冬季森林冠层与积雪的相互作用是高山和寒带生态系统研究的核心课题。随着气候变化加剧，精确量化森林冠层表面温度(T_forest)对积雪截留、升华和融化的影响变得尤为迫切。然而现有研究多聚焦林下雪面过程，对控制长波辐射发射和冠层积雪动态的三维T_forest分布缺乏系统观测。这种认知空白严重制约了陆面模型对森林-积雪能量交换的模拟精度，特别是无法解释太阳辐射如何通过异质性森林结构驱动T_forest的时空分异，进而调控关键生态水文过程。

为破解这一难题，来自瑞士和芬兰的研究团队在《Agricultural and Forest Meteorology》发表创新性研究。团队在两个冬季期间，分别于瑞士达沃斯亚高山森林和芬兰索丹屈莱寒带森林布设多站点观测网络，采用地基上视热红外成像技术(TIR)获取数千张分米级分辨率热图像。通过开发温度校准和混合像素过滤算法，首次实现全冬季冠层表面温度的时空连续量化，结合同步气象站数据揭示了太阳辐射-森林结构-温度动态的耦合机制。

关键技术包括：1) 森林间隙360°全景与郁闭林分半球形TIR图像采集方案；2) 基于雪面恒温特性的辐射校准方法；3) 消除天空背景干扰的混合像素过滤算法；4) 树干/冠层不同高度层的温度剖面提取技术。

【主要发现】

1. 日变化温度动态的总体特征
   森林间隙中T_forest空间分布严格遵循太阳方位变化，而郁闭林分则表现均一化。树干始终是最热组分，平均较气温高8.3°C，最高温出现时间较最大辐射滞后1.4小时。

2. 森林组分朝向的温度动态
   东西向树干呈现不对称升温：东侧在晨间快速升温达峰值，西侧则维持午后高温。这种差异直接导致积雪从树干两侧的非同步退缩。

3. 垂直剖面的温度变异
   发现"中心热极"现象：树体中部温度最高，向树冠顶部和基部分别递减，形成指向大气和雪面的双向冷却梯度。垂直温差在稀疏林分可达15°C，而郁闭林仅2°C。

4. 全冬季温度演变规律
   积雪期T_forest波动受云量调制，而融雪期太阳高度角成为主导因子。寒带站点因持续低温环境，树干升温幅度较亚高山站点高22%。

【理论突破与模型启示】
研究首次量化了T_forest三维动态对冠层积雪过程的级联影响：1) 太阳暴露树干的高温引发局部积雪升华速率提升3倍；2) 垂直温度梯度驱动融水在树皮裂隙的再冻结-释放循环；3) 森林间隙产生的热羽流增强林缘积雪斑块化消融。这些发现促使重新审视陆面模型中三个关键参数化方案：长波辐射的方位各向异性表征、树干热惯性的时间延迟算法、以及垂直能量传输的层叠模型架构。

该研究建立的T_forest观测范式为理解冬季森林生物物理过程提供了新视角，特别在改进春季物候模拟、寒区碳通量估算等方面具有广阔应用前景。作者团队建议未来模型开发应整合激光雷达(LiDAR)获取的森林三维结构数据，以实现能量-质量耦合过程的米级分辨率模拟。