长江三角洲城市群森林覆盖变化对平均与极端地表温度的影响

《Ecological Indicators》：Impact of forest cover change on mean and extreme surface temperatures in the Yangtze River Delta urban agglomeration, China

　　

森林覆盖变化——即造林（非森林向森林转化）和毁林（森林向非森林转化）——通过改变地表属性，经由辐射（如反照率）和非辐射（如蒸散发）途径影响区域平均与极端气候。然而，其对地表温度（LST）的净影响复杂且随纬度变化。在低纬度地区，蒸散发（ET）带来的非辐射冷却通常占主导地位，导致造林产生净冷却效应。相反，在高纬度地区，反照率降低往往会增加辐射强迫并导致造林引起地表增温。中纬度地区的气候影响仍存在高度争议，因为这些效应相互竞争，尚无明确共识表明哪种效应占主导。此外，尽管大多数研究聚焦于平均气候条件，但森林变化调节极端温度的机制仍知之甚少。鉴于极端天气事件频率增加及其严重影响，解决这些不确定性对于制定明智的土地利用政策和气候适应策略至关重要。本研究调查了中国长江三角洲（YRD）地区森林变化如何通过整合卫星观测与能量平衡模型来影响区域气候。研究人员首先利用多时相遥感数据和基于窗口的搜索策略识别森林覆盖变化区域。随后，采用时空分析方法量化了这些变化对平均与极端LST的气候影响。接着，基于内在生物物理机制（IBM）理论构建了一个校正的地表能量平衡模型来模拟这些温度变化，并将模拟响应与卫星观测变化进行比较，作为内部一致性评估。最后，计算了非辐射强迫指数（NRFI），将模拟的温度响应分解为辐射与非辐射组分，并量化其相对贡献。通过将平均与极端温度响应与地表能量归因相结合，该框架为YRD地区的森林管理和气候适应规划提供了科学依据。

一、研究背景与现存问题

森林覆盖变化——即造林（非森林向森林转化）和毁林（森林向非森林转化）——通过改变地表属性，经由辐射（如反照率）和非辐射（如蒸散发）途径影响区域平均与极端气候。然而，其对地表温度（LST）的净影响复杂且随纬度变化。在低纬度地区，蒸散发（ET）带来的非辐射冷却通常占主导地位，导致造林产生净冷却效应；而在高纬度地区，反照率降低往往增加辐射强迫并导致造林引起地表增温。中纬度地区的气候影响仍存在高度争议，因为辐射与非辐射效应相互竞争，尚无明确共识。此外，尽管多数研究聚焦于平均气候条件，森林变化调节极端温度的机制仍知之甚少。鉴于极端天气事件频率增加及其严重影响的现实，解决这些不确定性对于制定明智的土地利用政策和气候适应策略至关重要。

长江三角洲（YRD）作为中国高度发达且快速城市化地区，近几十年来经历了显著的森林覆盖变化，可能影响局地平均与极端气候。其中纬度位置和世界领先特大城市群的现状，使其成为研究森林变化如何调控温度的天然实验室。尽管已有工作量化了YRD地区森林覆盖转换的时空LST响应，但在不同地形背景下，地表能量机制和极端温度响应仍未被充分解析。

二、主要技术方法概述

研究人员采用了集成卫星观测与能量平衡模型的综合分析框架。首先，利用GLC_FCS30全球30米分辨率土地覆盖数据识别2010至2020年间的森林覆盖变化，并通过4×4公里非重叠网格采样策略筛选样本。其次，采用时空分析方法（比较同一位置变化前后的差异）量化森林变化对LST及其他地表通量的影响。再次，基于内在生物物理机制（IBM）理论构建地表能量平衡模型，模拟温度变化并与卫星观测进行内部一致性检验。最后，通过计算非辐射强迫指数（NRFI），将模拟的温度响应分解为辐射与非辐射组分并量化其贡献。研究使用了MODIS系列产品（MYD11A2 LST、MOD16A2 ET、MCD43A3反照率、MCD18A1短波辐射）、GLASS长波辐射数据、以及中国1公里月均近地表气温数据集等多源遥感与气象数据。

三、研究结果

3.1 森林覆盖变化对平均地表温度的影响

研究发现，造林（如雨养农田转为森林、灌溉农田转为森林）与白天降温显著相关，而毁林（森林转为雨养农田、灌溉农田、草地或不透水面）则与白天升温显著相关。夜间温度变化的幅度较小且方向不一。这一结果表明，森林覆盖变化主要通过白天过程影响热环境，非辐射机制在其中扮演关键角色。

3.2 森林覆盖变化对极端地表温度的影响

造林与较低的极端高温LST相关联，而毁林则与较高的极端高温LST相关联。具体而言，在平原地区，造林使极端高温LST降低约1.5°C，毁林使极端高温LST升高约1.2°C；在丘陵地区，相应变化幅度略小。对于极端低温LST，造林在冷季表现为增温效应，毁林则表现为降温效应，显示出季节不对称性。

3.3 季节性响应特征

造林在寒冷月份（冬季）与增温相关，在炎热月份（夏季）与降温相关，表现出明显的季节性反转模式。这种模式在平原和丘陵地区均存在，但平原地区的幅度更大。毁林则呈现相反的季节性模式。这一发现揭示了森林覆盖变化在不同季节对热环境的调节作用截然不同。

3.4 能量平衡归因分析

通过IBM模型和NRFI分解，研究人员发现非辐射效应（主要由能量再分配驱动，包括蒸散发和湍流交换的变化）主导了LST变化，而辐射效应（主要由反照率变化驱动）贡献较小。在夏季，造林通过增强蒸散发产生的非辐射冷却效应超过了反照率降低带来的辐射增温效应，导致净降温；在冬季，非辐射效应的减弱甚至反转使得辐射效应相对凸显，从而产生净增温。这解释了造林在冷季增温、暖季降温的季节性模式。

四、讨论与结论

讨论部分指出，本研究的结果与以往在中纬度地区的研究一致，即非辐射效应在森林覆盖变化对LST的影响中占据主导地位。研究强调了区分平均与极端温度响应的重要性，因为两者对森林变化的敏感性不同。极端高温对森林变化更为敏感，这为利用造林作为缓解极端高温事件的基于自然的解决方案提供了证据。同时，研究也指出地形（平原vs.丘陵）对森林气候效应的调节作用：平原地区由于更强烈的能量交换，其温度响应幅度通常大于丘陵地区。

研究结论可概括如下：在长江三角洲城市群，造林总体上与白天降温和极端高温降低相关，而毁林则与白天升温和极端高温升高相关；造林在冷季表现为增温、暖季表现为降温的季节性不对称模式；非辐射效应（能量再分配）主导了LST变化，辐射效应贡献较小。这些发现为理解中纬度地区森林-气候相互作用提供了关键机制见解，并为YRD地区的森林管理、生态规划和气候适应策略提供了科学依据。