全球植被变化对局地温度的生物物理效应
文献类型：学位论文
| 作者 | 李弈韬 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 李召良 ; 吴骅 |
| 关键词 | 植被变化 地表能量平衡 生物物理效应 地表温度 空气温度 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 植被变化通过生物化学过程和生物物理过程对全球和局地温度产生深远影响。生物化学过程指植被通过光合作用或生物质燃烧改变大气二氧化碳浓度，从而引发全球性温度变化的过程；而生物物理过程指植被通过改变反照率、粗糙度等地表物理属性，调节地表水热平衡，对局地或非局地温度产生影响的过程。与生物化学效应相比，生物物理效应存在较大时空异质性，其影响强度随地理区位、季节更替和昼夜循环显著变化，因此在现有气候变化评估体系及气候政策制定中尚未得到充分考虑。精确评估历史时期及未来潜在植被变化生物物理过程的温度效应，对于制定全球气候变化缓解策略和区域性气候适应政策具有重要的科学指导意义。 卫星遥感技术的发展为探究陆地植被变化气候效应开辟了新的研究途径。尽管已有大量研究借助遥感数据解析植被生物物理过程及其温度响应机制，但当前仍存在三大核心科学问题亟待突破：第一，气候变化驱动的全球叶面积上升（即全球变绿过程）可以显著改变局地温度，然而由于植被指数与地表温度间存在复杂的相互作用，全球变绿对地表温度的生物物理反馈作用方向、强度及其驱动机制在全球或区域尺度仍存在显著认知分歧；第二，森林生态系统对缓解全球气候变暖具有重要意义，已有的数值模型研究证实气候变化对森林局地生物物理效应的时间变化具有动态调控作用，但这种时间维度上的影响及其物理驱动过程尚缺乏遥感观测证据支撑，历史气候演变是否显著改变了森林的局地气候调节功能仍存疑；第三，植树造林被证实为有效的局地尺度气候缓解措施，然而现有研究多聚焦地表温度，并非气候变化评估关注的近地表空气温度。森林对上述两个温度指标的调控作用差异及其背后的生物物理机制仍未被系统阐明。针对上述科学问题，本研究系统地开展了以下三方面研究。 （1）全球植被变绿的地表温度效应评估。基于2001-2018 年卫星时序遥感数据，构建空间回归模型对共变的植被指数与地表温度观测进行解耦，实现植被绿度变化对地表温度单向作用的定量分离。在全球尺度，地表温度对叶面积指数的敏感性为负值，且敏感性存在显著空间异质性和季节分异特征。通过多要素归因分析，研究揭示雪覆盖度、植被绿度和短波辐射是造成敏感性空间分异的三大主控因子。定量评估表明，研究期间全球植被变绿产生的地表降温效应达每十年-0.013 K，可抵消同期全球变暖速率的4.6%。这种降温效应在中国和印度尤为显著，其大小分别相当于地表变暖趋势的约20%和40%。上述结果强调了在制定局地气候适应策略时，将植被变绿生物物理效应纳入考虑的必要性。 （2）近20 年欧洲森林局地温度效应的时间变化分析。基于卫星观测数据和“空间代替时间”假设，研究探究了2003-2023 年间欧洲森林对局地地表温度的调控作用。结果显示，欧洲森林具有日间降温作用，且这种降温作用在研究期间显著增强：冬季和夏季的趋势值分别为每十年-0.17 K 和每十年-0.22 K。机制解析表明，森林的冬季日间降温增强是由于积雪消融背景下，森林冠层相较非森林植被额外吸收的短波辐射减少；森林的夏季日间降温增强则归因于森林和非森林植被对饱和水汽压差上升的不同响应，这种差异化响应导致森林的蒸发冷却作用增强。通过比较观测和模式结果，研究发现四个先进地球系统模式能大致模拟出森林局地温度效应的负向趋势，但对其生物物理过程的表述仍存在较大的不确定性。考虑到全球变暖趋势在短期内不可逆转，上述结果强调在评估森林局地气候效应时应充分考虑其生物物理效应的时间动态变化模式。 （3）潜在造林对地表和近地表空气温度的作用评估。基于多尺度观测数据，研究系统性地评估了地表和近地表空气温度对树木覆盖度敏感性的时空格局。遥感结果显示，气温和地表温度敏感性的符号在空间，季节和昼夜上的变化规律高度一致，但前者大小仅为后者的15~30%。研究创新性地提出了一种基于站点观测和插值气象数据的森林局地温度效应分离方法，并基于此方法对遥感评估的生物物理敏感性结果进行了验证。归因分析表明，地表和空气温度敏感性的差异可归因于森林中更小的空气动力阻抗和更平缓的地-气温度梯度。研究还将温度敏感性转换为等效的二氧化碳指标，对比了森林恢复的生物物理和生物化学效应。结果显示，基于气温评估的生物物理效应大小仅占生物化学效应的10%左右；而基于地表温度评估的生物物理效应可以达到生物化学效应的约40%。上述结果强调建立多参数协同的植被变化生物物理效应评估体系的必要性，同时为潜在森林变化的综合气候效应评估提供参考。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 140 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217343]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李弈韬. 全球植被变化对局地温度的生物物理效应[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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