1、第 42 卷 第 3 期2023 年 6 月高原气象PLATEAU METEOROLOGYVol.42 No.3June，2023鲍艳，王玉琦，南素兰，等，2023.青藏高原植被对未来气候变暖的反馈 J.高原气象，42（3）：553-563.BAO Yan，WANG Yuqi，NAN Sulan，et al，2023.Response of Vegetation over the Qinghai-Xizang Plateau to Projected Warming Climate J.Plateau Meteorology，42（3）：553-563.DOI：10.7522/j.issn.1
2、000-0534.2021.00109.青藏高原植被对未来气候变暖的反馈鲍艳1，2，王玉琦3，南素兰4，俞淼2（1.无锡学院，江苏 无锡 214105；2.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044；3.丹东市气象局，辽宁 丹东 118000；4.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室所，北京 100081）摘要：本文使用NCAR的公共陆面过程模型CLM4.5-CNDV对21世纪末青藏高原（以下简称高原）植被的变化趋势和时空分布进行了预测，以研究高原植被对未来气候进一步变暖的反馈。模式大气驱动数据基
3、于“美国大气科学研究中心”NCAR/NCEP历史时期的气候数据和“第五次国际耦合模式比较计划”CMIP5的多模式集成数据未来气候的变化构建而成，目的是为模式提供高原未来相对真实的气候变化特征。研究得到的主要结论如下：未来高原叶面积指数（LAI）总体呈增加趋势，植被覆盖度增加，高原总体变绿。在未来高原气候变暖湿的状况下，高原植被迁移活动明显，以乔木为代表的植被功能类型倾向于向更冷干的西北方向扩展，覆盖面积增大，高原植被类型整体呈现从冷到暖的一个“升级”调整过程。在未来气候进一步暖化的情况下，高原植被LAI的显著变化区与降水和土壤水变化表现出了较好的一致性，表明未来地表水循环分量（尤其是降水和土壤
4、水）可能成为限制植被生长的最重要的气候因子。研究中也发现CLM4.5-CNDV模式初始植被类型设置与高原实际植被分布严重不符，导致了高原植被模拟和预测上产生了较大的不确定性，这也是未来模式改进的方向。关键词：青藏高原；植被变化；覆盖度文章编号：1000-0534（2023）03-0553-11 中图分类号：P461.7 文献标识码：ADOI：10.7522/j.issn.1000-0534.2021.001091 引言 植被是全球陆地生态系统的最重要的功能性主体，是全球物质能量循环中的重要一环，植被通过光合作用和呼吸作用进行碳的存储和消耗，调节全球碳平衡，维护全球气候稳定（Field et a
5、l，1998；Marek et al，1997）。气候变化是影响全球陆地植被分布的最主要因素（Myneni et al，1997；符淙斌等，2002），在全球变暖的背景下，全球陆地植被会做出相应调整，进而对区域或者更大范围的大气起到影响，因此预估未来气候背景下植被的变化，了解植被对气候变化的反馈有十分重要的意义。青藏高原（以下简称高原）是世界上海拔最高且地形最复杂的高原，拥有世界上分布面积最广、最典型的高寒植被生态系统。在全球变暖的背景下，高原地区增温趋势明显，增温开始时间比同纬度其他地区早，增温趋势更为显著（Pepin et al，2015；Wang et al，2014；Yan and L
6、iu，2014；You et al，2008；Duan et al，2006；Liu and Chen，2000），是全球变暖区域响应最显著的地区之一。近期的研究表明，21世纪初期的十几年，在北半球多地出现温度增加暂停 hiatus 现象的情况下（Lean and Rind，2009；Kosaka and Xie，2013；England et al，2014），高原增温仍在持续，而且增温速度加快（Hua et al，2017）。研究表明，高原近 30 年来可能趋于暖湿（Gao et al，2014，2015），关于高原未来气候变化的收稿日期：20210112；定稿日期：20211129资助项
7、目：江苏省大学生创新创业项目（551422161，551422060）；成都信息工程大学开放课题基金项目（PAKL-2020-C5）作者简介：鲍艳（1977-），女，新疆石河子人，副教授，主要从事气候变化，陆气相互作用，植被动力研究.E-mail：高原气象42 卷预测也表明，相对于20世纪末，高原在21世纪末有显著变暖湿的倾向（王玉琦等，2019）。在这种情况下，植被生长获得了更好的水热条件，高原季节性冻土活动积温增加，积雪大面积消融，植被生长空间扩展，地表植被覆盖可能增加（杨元合和朴世龙，2006；Bao et al，2014）。但也有研究表明，高温可能导致高原地表水分流失，部分区域生态环境
8、恶化，自然植被覆盖呈退化趋势（徐维新和刘晓东，2009）。同时，高原植被的物候特征也随着气候增暖发生着一系列的变化，植被生长季和初花期都有提前的迹象（Jiang et al，2016；孔东东等，2017），且物候的区域性差别可能更明显。在全球变暖的背景下，未来高原植被无论发生哪一种变化都会对高原的生态环境保护工作起到显著的影响。因此探讨高原植被未来变化对理解全球变化在不同区域的反馈和改善高原生态环境均有重要意义。研究高原未来植被变化需要借助于模型工具，动态植被模型及耦合了动态植被模型的全球气候模式是研究植被对气候变化响应的主要工具。Jiang et al（2013）利用耦合了动态植被模式 DV
9、（Dynamic Vegetation）和碳氮模型CN（Carbon and Nitrogen）的公用地球系统模式CESM（Community Earth System Model），预测了在A2情景下，北美西部植被的未来变化；Notaro et al（2012）同时使用动态植被 模 式 LPJ-DGVM（Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model，由CMIP3多模型驱动）和生物统计模型，对21世纪美国西南部植被的迁移、类型转换及植被物种多样性进行了预测评估；Yu et al（2014）使用CMIP5 19个气候模型驱动动态植被模型CLM
10、4.0-CNDV预估了21世纪末全球植被时空分布。在自然环境类似于青藏高原的高纬度和高海拔地区，植被生态模型预测21世纪中期北极地区植被一半的地表覆盖类型将发生变化，森林覆盖将增加52%（Pearson et al，2013）。这些基于数值模拟的研究工作为我们的研究提供了很好的借鉴方法。已有的研究使用CMIP5多模式研究了历史时期高原植被的时空分布特征，探讨了高原植被对气候变暖的反馈机制（Bao et al，2014）。在研究中发现，耦合模型对植被模拟的精确性与其动态植被模型子模式对高原植被描述的精确度密切相关。在使用相同的陆面-植被动态模型的前提下，大气子模式物理过程越详尽，分辨率越高，越能
11、真实地反映大气状态，受其驱动的植被动力模型也能更好的模拟植被的动态分布特征。使用CMIP5多模式集成进行高原植被的模拟和未来变化的预测时，由于不同模式使用的大气模式和动态植被模型不同，会导致植被动力过程不统一，对高原植被的模拟和预测产生很大的不确定性。同时，因为CMIP5模式的水平分辨率较粗，有近50%的模式的分辨率都大于2，难以识别高原相对复杂的地形和植被类型分布。为了最大限度地减少预测中的不确定性，研究使用 CMIP5 多模式数据强迫 NCEP/NCAR 以驱动陆面-植被耦合模型CLM4.5-CNDV，以获取全球持续变暖的状况下，高原植被对气候变化的反馈作用，以期量化高原植被对气候变暖的反
12、馈效应，为高原生态环境保护和生物安全研究和政策制定提供依据。文中涉及的地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为GS（2019）1711的中国地图制作，底图无修改。2 模式强迫数据的构造 CLM4.5-CNDV的强迫数据基于NCEP/NCAR 大气低层数据（Qian et al，2006）提供的大气基本气候状态，在IPCC-AR5设定的高气溶胶浓度排放路径RCP8.5情景下，使用CMIP5多模式历史和未来时期的模拟结果计算气候变化率，以构造21世纪相对真实的气候变化状况，以此驱动陆面-植被耦合模型CLM4.5-CNDV，研究未来全球变暖的状况下，高原植被的
13、时空分布特点（具体方法和选用模式参见文献Yu et al，2014）。本研究重点研究在21世纪末全球进一步变暖的情况下，高原植被未来气候变化的反馈情况。3 高原未来植被预测 3.1植被叶面积指数叶面积指数（LAI，leaf area index）是衡量生态系统与大气能量和物质交换强度的重要参数（Zhou and Yu，2006），对植被生物量有直接的指示作用。图 1 首先给出了 RCP8.5 气溶胶浓度排放路径下（2081-2100）CLM4.5-CNDV模式模拟的LAI与历史参考期（1981-2000）相对比的季节循环和二者的相对变化。结果表明，在21世纪后20年高原月平均的LAI在3.0上
14、下浮动，相对于历史时期的气候554鲍艳等：青藏高原植被对未来气候变暖的反馈3 期平均，未来高原植被的LAI无论是在生长季（5-10月）还是在非生长季（12月至次年3月），整体都存在 20%30%的增加，其中生长季 LAI增加的幅度较非生长季稍大。非生长季高原植被LAI的显著增加反映了高原未来植被LAI的增加主要以常绿的乔木增加导致的LAI增加为主，生长季高原植被增加的幅度稍大则反映了高原植被覆盖度的扩展及植被类型的转变（如从叶面积较小的草地和灌木到叶面积较大的乔木之间类型的转变）。由此表明未来高原气候的暖湿化对各个季节的植被分布都有影响，以对生长季（尤其是夏季）的影响最显著。图 2 给出了高原
15、生长季 21 世纪末最后 20 年（2081-2100年）高原植被LAI和相对于历史时期的LAI的变化。相对于历史时期 图2（a），未来高原东部为主要的植被增加区域，植被较历史时期增加了 20%40%图 2（b）。线性趋势的空间分布图（图4）显示，高原东部是植被LAI增速最快的区域，在该区高原植被在生长期以1%（10a）-12%（10a）-1的线性趋势显著增加 图4（c）（f），虽然高原东南缘LAI的增速较历史时期放慢（历史时期在高原东图1不同时期高原叶面积指数（LAI）的季节循环Fig.1Seasonal cycle of LAI over the Qinghai-Xizang Platea
16、u（QXP）in different periods图2高原生长季（5-10月）LAI在历史参考期（1981-2000年）的空间分布（a）和未来（2081-2100年）LAI相对于历史参考期的变化（b）以及历史参考期和未来的线性趋势 c，e，单位：%（10a）-1 及其显著性（d，f）Fig.2LAI during growing season（May-October）and during historical period（1981-2000）（a）and its change in projection（2081-2100）relative to historical period（b），and LAI linear trend during historical period and projection c，e，unit：%（10a）-1 with their significance（d，f）over QXP555高原气象42 卷部相应的高速增加区增速可达到 3%10a-1）图 4（c），（d），但较高原中部和北部、西南部地区在历史参考期大面积的植被减少区域，LAI增加的区域