植被恢复对黄土高原局地降水的反馈效应研究

为改善黄土高原植被覆盖状况和治理水土流失，自1999年国家开始实施退耕还林（草）工程。该工程实施20年来，大量坡耕地被转化为草地和林地，植被恢复效果显著，黄河流域产沙量大幅降低。大规模植被恢复会通过改变下垫面条件影响大气与地表间的水量和能量平衡关系，改变陆面与大气间的交互作用强度，进而对区域气候与局地降水过程产生反馈作用。如何定量分析黄土高原植被恢复对区域气候与局地降水的反馈效应，成为新时代背景下保障植被建设可持续健康发展亟需解决的科学问题。

目前，关于大规模植被恢复的区域水文效应研究方面，主要是利用遥感反演得到土地利用类型、植被覆盖度与地表反照率，分析其时空变化趋势，并将其代入离线的陆面过程模型或分布式水文模型中，探讨其对模型模拟结果的影响。现有研究往往忽略了陆面过程对区域气候的反馈作用，有关植被和地表参数变化对陆气交互作用和局地降水影响方面的研究较为薄弱。将陆面过程模型双向耦合到区域气候模式中，结合遥感获取的不同时期动态土地利用数据、动态植被和地表参数，构建考虑植被动态变化的陆气双向耦合模式，探讨植被覆盖变化对区域气候和地表过程的影响，对黄土高原植被恢复以及合理利用有限水资源等意义重大。

准确合理的区域气候模拟是利用陆气耦合模型探究黄土高原植被建设对局地降水反馈作用的前提。通过系统的参数化方案敏感性试验（图1），该研究为黄土高原区域气候模拟提供了一套优WRF模拟方案，提高了该区降水模拟精度。该优化方案为：RRTM长波辐射方案、 Dudhia短波辐射方案、CAM5.1云微物理方案、 MYNN2.5大气边界层方案、Kain-Fritsch积云对流方案和Noah陆面过程方案。

图1 区域气候模型WRF参数化方案比选结果

从左到右依次为云微物理方案、边界层方案和积云对流方案敏感性试验结果

文章基于两组陆气双向耦合模拟试验的对比分析得出，大规模植被恢复通过影响陆气交互作用，导致的降水增加速率为2.3mm a-2，对黄土高原降水量上升速率（6.15mm a-2）的贡献约为37.4%; 而外部水汽环流变化导致的降水增加速率为3.85mm a-2，对研究区降水量增加速率（6.15mm a-2）的贡献约占62.6%（图2）。动态植被情景下（WRF DYN，发生植被恢复的情景）区域降水量平均值为443mm a−1，而静态植被情景下（WRF CTL，未发生植被恢复的情景）区域降水量平均值为388mm a−1，WRF DYN比WRF CTL的区域降水量平均值高12.4%。两组模拟试验的年降水量模拟结果以黄土高原东南部的高塬沟壑区和丘陵沟壑区差距最大，在该区域WRF DYN的降水量普遍比WRF CTL高60mm a−1以上，个别区域可超过100mm a−1（图3）。研究区局地降水过程对大规模植被恢复具有显著的正向响应，植被建设对黄土高原年降水量的增加具有积极作用。

图2 动态植被（DYN）和植被不变（CTL）两种情景下年降水模拟结果与观测（OBS）的对比

图3 动态植被（DYN）和植被不变（CTL）两种情景模拟降水多年平均值的差值

文章还从流域下垫面水热状况变化、大气边界层发展和大气动力学角度出发，分析了大规模植被建设下水汽、能量、动量输送和交换的变化规律，阐明了植被动态对区域气候的反馈效应机理（图4）。动态植被情景下植被覆盖度和叶面积指数明显高于未发生植被建设情景（二者分别提升了+9.02%和+13.42%）。植被覆盖的增加一方面导致区域反照率降低（-5.11%），从而增加了接受的短波辐射，可理解为植被建设对地表的加热作用；另一方面，植被增加导致蒸散发（+17.18%）和潜热通量增加（+4.11W m-2），表现为对地表的冷却作用。然而，加热作用程度大于冷却作用，最终导致地表温度升高0.45℃，近地表（2m）气温升高0.36℃。植被建设还可以影响大气水分状况，蒸散发的增加使得大气边界层水汽含量增加3.25%。此外，地表温度、近地表气温和感热通量的增加（3.79W m-2）也可导致大气边界层中对流不稳定的增加（对流有效位能增加+15.94%）和垂直运动的增强（+18.93%）。通过以上物理过程，大规模植被建设最终促进了区域降水过程的形成。

图4 植被恢复对黄土高原局地降水反馈效应的作用机理示意图

该研究通过构建考虑植被动态变化的陆气双向耦合模式，分析了2000~2015年间黄土高原土地利用类型、不同植被和地表参数的时空变化趋势，在考虑植被恢复对流域水热循环和陆气交互作用强度影响的基础上，定量评估了植被恢复对该区局地降水的反馈效应，并阐明了其作用过程的物理机制。该文研究结果对黄土高原生态保护和高质量发展，以及植被建设的可持续性管理具有重要的理论与现实意义。

来源：中国科学杂志社