欧洲变暖背景下造林局部冷却效应的放大现象及其生物物理机制

本研究针对森林生物物理效应在气候变化背景下的动态响应这一未解问题，通过分析欧洲地区近二十年卫星观测数据，发现森林与邻近开阔地之间的地表温度差异呈现显著的年代际变化趋势：冬季白天增温效应以每十年0.142 K的速度减弱并转向冷却，夏季白天冷却效应以每十年0.188 K的速度增强。研究揭示了积雪减少导致的反射率差异减弱和土壤干旱背景下森林生理水文韧性差异的关键机制，为气候适应性造林政策提供了重要科学依据。

　　

随着全球气候变化加剧，森林作为重要的陆地生态系统，其通过生物物理过程产生的局地气候调节功能受到广泛关注。与开阔地相比，森林通常表现出独特的冷却或增温效应，这种效应主要通过调节地表能量和水通量来实现。然而，地球系统模型预测这些温度效应会随着气候变化而演变，但迄今为止，这些时间动态模式既缺乏观测证据的约束，也未能从历史记录中被检测到。特别是在欧洲这样一个气候变化热点区域，根据欧盟绿色协议计划到203年要种植30亿棵树，了解森林生物物理效应的动态变化对于制定科学的气候政策至关重要。

发表在《Nature Communications》的这项研究通过分析过去二十年欧洲地区空间相邻森林与开阔地的卫星观测数据，首次量化了森林变化对局地地表温度（LST）影响的时间趋势。研究发现，在冬季，由于积雪减少，森林的表面变暗趋势不如开阔地明显，潜在造林的白天增温效应减弱并逆转为冷却（-0.142 K/十年）。在夏季，由于森林对土壤干旱保持更强的生理和水文韧性，白天冷却效应增强（-0.188 K/十年）。这些负趋势得到了最先进地球系统模型的广泛支持，尽管模型间存在显著差异。

研究团队主要采用了多源遥感数据融合分析、空间代时间替代法、结构方程建模和地球系统模型验证等关键技术方法。数据源包括MODIS系列产品（MYD11A1地表温度、MOD16A2GF潜热通量、MCD15A3H叶面积指数、MCD43A3反照率和MCD12Q1土地覆盖），辅以ERA5-Land再分析气象数据和CMIP6四个模型（CESM2、CNRM-ESM2-1、GFDL-ESM4和UKESM1-0-LL）的子网格输出数据。研究区域涵盖欧洲地区，时间跨度为2004-2023年，空间分辨率为1公里。

intensified local daytime cooling effects of forests

通过比较欧洲地区冬季和夏季多年平均潜在造林对局地LST的影响发现，森林在冬季表现出轻微的增温效应（0.14±0.27K），主要由夜间增温（0.25±0.24K）驱动，而白天信号可忽略不计（0.01±0.46K）。相比之下，夏季森林表现出强烈的地表冷却（-0.75±0.41K），因为白天冷却（-2.11±0.98K）被较小的夜间增温（0.25±0.23K）最小化地抵消。时间趋势分析显示，冬季每日平均增温效应以-0.052 K/十年的速度下降，主要由白天ΔLST_w的负趋势（-0.142 K/十年）主导；夏季白天冷却效应增强（-0.188 K/十年），导致每日平均冷却效应增强（-0.083 K/十年）。

impact of snow cover on daytime ΔLST_w dynamics

研究表明冬季ΔLST_w的负趋势主要源于辐射过程而非蒸发过程。净短波辐射吸收差异（ΔNSR_w）呈现显著趋势（-0.86 W m^-2/十年），而潜热差异（ΔLE_w）趋势不显著。反照率差异（Δα_w）呈现正趋势（0.018单位/十年），表明森林与开阔地之间的反照率对比在减小。开阔地反照率下降趋势（-0.036单位/十年）比森林（-0.017单位/十年）更明显，这种差异与积雪减少有关。开阔地反照率对积雪的敏感性是森林的两倍（空间回归斜率0.47 vs. 0.22），导致在积雪减少的地区，Δα_w趋势更大，白天ΔLST_w负趋势更强。

dominant role of increased soil dryness in daytime ΔLST_s dynamics

夏季欧洲经历了显著的气温上升，加剧了大气和土壤干旱。偏相关分析显示，在考虑协变量后，只有蒸气压亏缺（VPD_s）与白天ΔLST_s保持主导负相关（平均偏相关系数-0.42）。分层回归分析表明土壤水分（SSM_s）变化是ΔLST_s动态的主要驱动因子。随机森林模型显示SSM_s变化对模拟的负ΔLST_s趋势贡献最大（-0.152 K/十年）。结构方程模型揭示了SSM_s影响ΔLST_s的三条路径：通过叶面积指数差异（ΔLAI_s）的直接作用、通过潜热通量差异（ΔLE_s）的直接作用，以及通过ΔLAI_s→ΔLE_s的间接作用。

evaluation of ΔLST_s and ΔLST_w trends in four CMIP6 models

多模型均值显示ΔLST_w和ΔLST_s都存在广泛的下降趋势，但模型间存在较大差异。对于ΔLST_w，观测到的开阔地与森林反照率趋势比（2.10）与多模型均值（1.94）接近；Δα_w与ΔLST_w的回归斜率（-5.51±1.64）与多模型均值（-5.57±1.39）吻合良好。对于ΔLST_s，只有CNRM-ESM2-1和UKESM1-0-LL捕捉到了SSM_s对ΔLST_s动态的主导作用。

研究结论表明，在欧洲变暖背景下，森林的局地冷却效应正在增强。冬季由于积雪减少导致的反照率差异减弱，使造林的增温效应减弱并转向冷却；夏季由于森林对土壤干旱的更强韧性，使冷却效应进一步增强。这些发现挑战了生物物理效应在近二十年仅 marginally 时间依赖的传统观点，强调了在生物物理效应评估中考虑时间动态的重要性。揭示的积雪和土壤水分亏缺在控制生物物理敏感性中的主导作用，强调了准确参数化相关过程（如雪掩蔽效应和气候对植被叶面积的约束）对于预测未来森林气候效应和制定基于森林的气候政策的重要性。

研究的实际意义在于表明在适当地区植树仍然是应对变暖风险的有前景的局地解决方案，特别是在人口高度密集的地区。然而，树木恢复不是气候变化的万能药。尽管研究结果强调了森林对变暖趋势的负生物物理反馈，但这种反馈无法抵消由大气CO₂上升驱动的变暖趋势。因此，减少温室气体排放对于限制气候变化仍然至关重要。

需要注意的是，评估的LST是地表（植被冠层和土壤）的热辐射温度，在气候变化评估中，屏幕高度气温是更广泛使用的指标。将LST效应转换为相应的气温效应非常重要但仍然具有挑战性。此外，CO₂对植被生理的作用未在本研究中考虑，在高大气CO₂浓度条件下，忽略植被的生理反应可能导致高估森林冷却效应。