《Journal of Environmental Management》：Biophysical impacts of urbanization on climate change and vegetation in Borneo Island
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城市化对婆罗洲区域气候和植被的影响研究。通过CESM2模型对比城市化和控制情景，发现城市化导致气候变暖（+0.25°C）和干燥（-0.17mm/day），加剧植被损失，尤其在干季效应显著。研究强调需考虑生物物理气候效应评估城市化的复合影响。
作者：Danbi Lee, Ji-Hoon Oh, Jonghun Kam, So-Won Park, Jong-Seong Kug
韩国浦项科技大学（POSTECH）环境科学与工程系
摘要
城市化通过生物物理过程与气候变化共同对区域生态和社会产生负面影响。印度尼西亚的婆罗洲正在经历快速的城市化进程，但城市化在气候变化背景下的综合影响尚未得到充分研究。本研究利用Community Earth System Model 2（CESM2）模拟，结合两种土地覆盖情景（城市化情景和2025-2034年的无城市化对照情景），探讨了理想化城市化对区域气候和植被的影响。结果表明，城市化改变了地表生物物理特性，破坏了区域地表水循环平衡，导致整个岛屿气候变暖（+0.25°C）且降水量减少（-0.17毫米/天），尤其是干旱期的气候变化更为显著。此外，这些由城市化引发的气候变化进一步加剧了植被覆盖的减少。印度尼西亚新首都所在的加里曼丹地区的植被也极易受到城市化和气候变化的双重影响。本研究强调了在评估城市化综合影响时考虑生物物理气候效应的重要性，这一方法有助于为可持续城市发展提供政策指导。
引言
土地利用和土地覆盖变化（LULCC）对地球系统的生态和气候产生了深远影响。1850年，天然森林覆盖了全球70%以上的陆地面积，但到2015年，由于森林砍伐，这一比例降至约40%（Ito和Hajima，2020）。自1960年以来，人类活动改变了全球32%的土地（Winkler等人，2021）。这种大规模的历史性LULCC降低了森林吸收人为二氧化碳（CO?）的能力，导致2013至2022年间全球平均二氧化碳排放量为1.3±0.7 GtC/年（Friedlingstein等人，2023）。因此，LULCC及其相关的生物质燃烧已成为第二大人为二氧化碳排放源（Ito和Hajima，2020），对气候产生了重大影响（Oh等人，2022）。
LULCC还通过改变地表生物物理条件直接影响气候（Bonan，2008；Zhai等人，2014）。生物物理变化指的是地表物理特性的改变，如叶面积指数（LAI）、反照率和地表粗糙度。这些地表变化破坏了陆地与大气之间的水分和能量交换，最终影响局部和远程气候系统（Bonan，2008；Kimm等人，2024；Zhao等人，2021）。这些气候影响通常表现为地表能量和水循环的变化（Salazar等人，2015）。从地表能量平衡的角度来看，森林砍伐一方面减少了蒸散作用，导致地表升温（Dickinson和Henderson-Sellers，1988；Li等人，2022）；另一方面，森林砍伐增加了地表反照率，降低了净太阳辐射，从而引起地表降温（Bonan，1997；Yu等人，2015）。从水循环的角度来看，大规模的蒸散减少会抑制降雨，尽管具体效果因地区和环境条件而异（Li等人，2022；Luo等人，2022）。此外，LULCC引起的气候变化可能进一步影响植被覆盖，导致植被减少或增加（Wei等人，2021），从而形成反馈机制（Lee等人，2025）。
作为森林砍伐的热点地区，热带森林在过去十年中遭受了严重破坏（Meijaard等人，2020）。例如，巴西、印度尼西亚和刚果民主共和国经历了大规模的热带森林砍伐（Harris等人，2017），这些地区占2013至2022年间全球LULCC引起的二氧化碳排放量的55%（Friedlingstein等人，2023）。此外，热带森林对LULCC引起的气候变化非常敏感（Prevedello等人，2019）。由于蒸散减少导致的升温效应大于反照率增加带来的降温效应，从而导致净温度上升（Comarazamy等人，2013）。这种升温效应通过正的气候-碳反馈机制加剧了全球变暖，降低了附近地区的初级生产力和森林覆盖率，进而释放更多二氧化碳（Bonan，2008；Li等人，2022）。因此，热带森林砍伐的全球影响已成为一个重要的环境问题（McAlpine等人，2018）。为缓解这些不利影响，自21世纪00年代以来，热带地区的森林砍伐率有所下降（Li等人，2022）。
然而，预计未来热带地区仍将继续发生大规模的LULCC。2019年8月，印度尼西亚政府宣布计划将在2045年前将首都从雅加达迁至婆罗洲的东加里曼丹（Marzuki等人，2023）。这一决策旨在解决雅加达面临的挑战，包括海平面上升、水文气象灾害和人口过剩等问题（Marzuki等人，2023；Syaban和Appiah-Opoku，2023）。拟建的首都区域面积为256,000公顷，包括政府机构和城市基础设施的建设计划（Monk和Priatna，2022）。由于婆罗洲拥有广阔的雨林（de Bruyn等人，2014），这一大规模的城市和土地开发计划引发了对其对陆地生态系统潜在负面影响的担忧（Takamura等人，2023）。然而，关于城市化对热带地区气候影响的研究相对较少，而许多研究主要集中在中国（Liu等人，2018；Wei等人，2021）、美国（Zhang等人，2012）和欧洲（Teuling等人，2019）等主要城市。这种知识空白阻碍了我们对热带地区城市化气候影响及其植被响应的理解。
本研究旨在通过（1）探讨理想化情况下婆罗洲森林转化为城市化区域对区域气候的影响；（2）量化城市化引起的气候变化对植被的影响，来填补这些空白。虽然本研究受到印度尼西亚首都迁移计划的启发，但它探讨了未来婆罗洲理想化城市化对陆地和气候系统的一般响应。为此，我们进行了地球系统模型实验，比较了对照情景（EXPCTRL）和城市化情景（EXPurban）的模拟结果，以增进对未来气候变化下婆罗洲城市化综合影响的理解。
部分内容摘要
CESM2模拟在城市化实验中的应用
本研究使用了Community Earth System Model 2（CESM2）。CESM2是一个先进的地球系统模型，它结合了大气（Community Atmosphere Model 6，CAM6）、海洋（Parallel Ocean Program 2，POP2）、海冰（Community Ice CodE 5，CICE5）和陆地（Community Land Model 5，CLM5）组件，以模拟历史和未来情景下的物理和生物地球化学条件（Danabasoglu等人，2020）。
婆罗洲干旱期气候变暖和干燥化的加剧
LULCC改变了地表生物物理特性，通过影响地表水和能量循环平衡来改变区域气候（Jiang等人，2021）。为了研究这些影响，我们比较了EXPCTRL和EXPurban模拟结果。EXPCTRL模拟基于历史土地单元，而EXPurban模拟则将婆罗洲的中等密度城市土地面积增加了20%（详见方法部分）。
讨论
研究表明，婆罗洲的城市化改变了地表生物物理条件，破坏了区域水和能量平衡，导致整个岛屿气候变暖和干燥。鉴于热带地区的森林砍伐也会导致类似的变暖和干燥效应（Chapman等人，2020；Li等人，2022；Trancoso等人，2022），我们的发现表明，无论具体规模如何，婆罗洲的城市化都可能产生类似的气候响应。
结论
本研究通过CESM2模拟，比较了2025-2034年的城市化情景和对照情景，探讨了城市化对婆罗洲区域气候和植被的生物物理影响。研究结果表明，城市化显著改变了地表生物物理特性，破坏了区域水和能量平衡，导致整个岛屿气候变暖和干燥。值得注意的是，这些由城市化引起的气候变化进一步加剧了...
作者贡献声明
Danbi Lee：撰写、审稿与编辑、方法论、数据分析、正式分析。
Ji-Hoon Oh：撰写、审稿与编辑。
Jonghun Kam：撰写、审稿与编辑。
So-Won Park：撰写、审稿与编辑、方法论构建、概念化。
Jong-Seong Kug：撰写、审稿与编辑、监督、概念化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
J.-S. Kug得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（项目编号RS-2024-00438471）和韩国气象局的研究与发展计划（项目编号RS-2025-02222417）的支持。本研究还得到了韩国信息通信技术规划与评估院（IITP）的资助（项目编号NO.RS-2021-II211343，首尔国立大学人工智能研究生院项目）。
