撰文丨Chi Chen/陈驰
编辑丨JinTao.Li
卫星观测显示，全球叶面积指数（LAI）呈普遍上升趋势, 即地球变绿。然而，地球变绿对陆表温度（LST）的生物物理影响仍不清楚。研究人员量化了2000年至2014年地球变绿对LST的生物物理效应，并利用基于物理的归因模型对不同因素的贡献进行了分解。该研究发现，全球93%的植被面积在年际尺度上显示出LST与LAI负相关，尤其是半干旱地区的木本植被。进一步考虑LAI的变化趋势(P≤0.1)，30%的全球植被面积受其影响而变冷，5%的全球植被面积变暖。空气动力阻抗是控制地球变绿的生物物理效应的主导因素。增加LAI会减少空气动力阻抗，从而有利于增加土地和大气之间的湍流传热，特别是潜热通量。
原文信息
标题：Biophysical impacts of Earth greening largely controlled by aerodynamic resistance
期刊：Science Advances
类型：Article
作者：一作：Chi Chen/陈驰；共同通讯：Chi Che/陈驰 & Dan Li/李丹【Boston University】
时间：2020-11-20
DOI：https://doi.org/10.1126/sciadv.abb1981
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研究背景
植被是陆地与大气热能、质量和动量交换的重要调节器。其中，卫星记录的叶面积指数（LAI）是衡量植被绿度的一个指标。自20世纪80年代以来，由于气候变暖、二氧化碳施肥作用和土地管理等原因，LAI呈普遍上升趋势，即地球变绿（Earth Greening）。地球变绿通过影响各种生物物理因子，影响地表能量预算：(一) 反照率(α)，控制地表吸收太阳辐射的部分；(二) 空气动力阻抗(ra)，表征热量和水汽的湍流传输效率；(三) 表面阻抗(rs)，是水汽通过土壤和叶片上的孔隙传输的附加阻抗；(四) 发射率(ε)，是地表发射和吸收长波辐射的效率。这些生物物理因素的变化会影响陆表辐射温度(LST)，但我们对此依然知之甚少。
首先，目前还不清楚哪个生物物理因素主导了地球变绿对LST的影响。一项全球模型研究表明，由LAI增加引起的空气动力阻抗变化的作用微乎其微。与之相对，其他一些研究表明，空气动力阻抗是控制LST对植被变化反应的最关键的生物物理因素。其次，地球变绿对LST的生物物理影响不能简单地通过卫星观测到的LST变化来量化。观测到的LST变化是地球变绿和大尺度气候变化的复合效应。因此，通过统计学方法，如多元线性回归推断出的LST对LAI的敏感性可能存在因果关系问题。
研究方法
该研究的输入数据主要是美国宇航局MODIS卫星数据和NCAR的地球系统数值模型（CESM2/CLM5）。在此基础上，研究人员使用了一种基于机理的归因方法，即双阻抗机制(TRM)方法来衡量全球变绿对LST的影响。TRM通过解析生物物理途径[α，ra，rs，ε，和地表热通量(G)]，计算LST对地球变绿的敏感性。该方法与以往研究的不同之处在于，以往的研究通常检验显热通量和潜热通量变化对LST的影响。但其中有一个问题就是这两个热通量并不是相互独立的。他们在参数化时，均用到了空气动力阻抗，因此它俩的内在相关性会导致归因分析的不准确。此文中的研究人员不直接使用显热通量和潜热通量，而是去考虑更底层的空气动力阻抗(主要与表面粗糙度有关)和表面阻抗(主要与土壤水分和植被特征有关)的变化，这就规避了显热通量和潜热通量之间通过空气动力阻抗的强相关性。
另外，研究人员还考虑到了生物物理因素的变化不仅是由地球绿化引起的，也是可以由大气条件的变化引起的。例如，表面阻抗的变化可能是LAI、空气温度和比湿度变化的结果。因此，为了量化地球绿化对LST的生物物理影响，研究人员计算了一系列偏导数，也就是生物物理因子对LAI变化的敏感性。地球变绿引起的LST变化的最终表达式详见原文公式一。
研究结果
通过TRM对CLM5输出的解析，研究人员发现全球93%的植被面积在年际尺度上显示出LST对LAI负敏感性。在全球尺度上，每增加一个单位的LAI，可以减少0.36K的LST。这个敏感性的绝对值，在温带大一点（-0.44K），热带小一点（-0.29K）；半干旱木本植被大一些（-0.45K），湿润的森林小一些（-0.23K）；LAI低的地方大一些， LAI高的地方小一些。上述结果，研究人员使用了MERRA-2和CMIP5的数据进行了佐证。这些敏感度暗示着：在全球变绿的背景下，湿润的热带森林对局地LST的控制力在下降。
Fig.1 | 地球变绿对LST的生物物理效应
LST的变化是LST对LAI敏感度和LAI变化的乘积，两者都不可或缺。结合实际LAI的变化，21世纪前十五年的地球变绿，使得地表多散发了2.97×1021 J的热量，这相当于2015年人为生产的能量（5.71×1020 J）的五倍。这种由地球变绿引起的降温效应比包括热带森林砍伐在内的土地利用/覆盖物变化引起的升温效应强二十五倍。由此造成的LST变化，在中国东部，印度，东欧的信号要强一些；在美国西部，中国西部，澳洲，南非，阿根廷等地要弱一些，即便是那些地方显示出很强LST对LAI的敏感度。
Table.1 | 不同生物气候类型下LST对LAI的生物物理敏感性
归因分析发现，空气动力阻抗是控制地球绿化生物物理影响的主导因素。它主导了82%的全球植被面积。它的主导性，在森林和木本植被上要更强，在草地和农作物上要稍弱（但空气动力阻抗依然是主导因素）。增加LAI会减少空气动力阻抗，从而有利于增加土地和大气之间的湍流传热，特别是潜热通量。表面阻抗是第二重要的因素。它可以提供更多可蒸发的水蒸气源。研究人员发现，尽管表面阻抗对LAI非常敏感，但LST对表面阻抗的敏感度要远小于LST对空气动力阻抗的敏感度，造就了在全球变绿这个框架下，表面阻抗对LST的影响要小于空气动力阻抗对LST的影响。研究人员强调，不论是哪一个阻抗的变化，都会对潜热通量造成影响。模型模拟也证实了主要是由于空气动力阻抗的减小，使得湍流通量，特别是潜热通量的增加，最终造就了LST的下降。反照率在全球变绿这个框架下，是LST改变的第三重要的因素。在北方，全球变绿会使得反照率的下降，从而抬高LST，但这个信号要比湍流通量的信号小得多。另外，研究人员还有一个非常有意思的发现。在热带雨林，如果LAI增加，反照率也会增加。这是因为热带雨林几乎完全吸收了阳光的可见光波段，增加LAI几乎无法再增加可见光的吸收，但却可以增加近红外的散射，最后造就了反照率的轻微上升。因此在热带雨林，若增加叶面积，在反照率这个路径下，LST会降低。
Fig.2 | 在年际尺度上，调节LST对LAI的敏感性的主要生物物理因素(CLM5)
总结
本研究采用基于表面能量平衡方程的归因方法，评估了地球变绿对LST的生物物理影响。研究发现，广泛的地球变绿导致了全球范围内年际尺度上的LST冷却效应，这主要归因于空气动力阻抗的降低。在全球范围内，LAI的小扰动对湍流过程的改变比对辐射过程的改变更大，但辐射过程在北极地区和一些植被稀少的地区仍然至关重要。最后，TRM方法提供了一种诊断模型输出的新方法，并可进一步用于评估植被在未来气候条件下对温度的影响。如果地球绿化继续进行，湍流传输的空气动力阻抗将继续减弱，导大气边界层的不稳定性增加。同时，地表阻抗也会减少，可能导致更多的水汽进入大气，从而影响水文循环。这些影响是否可以通过观测发现，以及地球绿化是否会影响其他气候过程（如极端事件），仍有待研究。
| 本文为一作Chi Chen(陈驰)在Boston University读博时的工作，现在Lawrence Berkeley National Laboratory与UC Berkeley做博后
