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Nature:21世纪初陆地反照率增加导致辐射强迫减少

来源: 地图与GIS研究中心 发布时间: 2025/8/4 21:30:30 查看:

期刊Nature

中文题目:21世纪初陆地反照率增加导致辐射强迫减少

英文题目Radiative forcing reduced by early twenty-first century increase in land albedo

作者Zhengyang Hou , Liqiang Zhang, Jingjing Peng, Giovanni Forzieri, Aolin Jia, Zhiqiang Xiao, Ying Qu, Jintai Lin, Duoying Ji, Zidong Zhu, Xin Yao, Shuwen Peng, Lanpu Zhao, Wenjie Fan, Zhaocong Wu, Hao Geng, Qihao Wang, Chenghu Zhou, Suhong Liu& Liangpei Zhang.

发表日期:2025年5月28日


摘 要

   地表反照率对地球的能量吸收有着极大影响。高强度的人类活动和加速的气候变化在时空尺度上改变了地表反照率,但此前在全球范围内对土地利用或土地覆盖(LULC)以及积雪变化对地表反照率影响的评估十分匮乏。正因如此,近几十年全球陆地表面反照率的动态变化及其对气候系统的辐射强迫效应仍不甚明了。本研究量化了 2001-2020 年间积雪动态、LULC 转化以及未转化区域对反照率变化的各自及共同影响,并估算了由此产生的辐射强迫。结果显示,过去二十年间,全球陆地表面反照率变化所产生的负辐射强迫为 - 0.142- 0.158- 0.114W/m²。全球无雪陆地表面反照率上升了 2.2%P < 0.001),对应的负辐射强迫为 - 0.164- 0.186- 0.138W/m²P < 0.001)。这一负强迫的绝对值是积雪动态变化引起的正强迫的七倍,相当于 2011 2019 年间二氧化碳排放所致辐射强迫的 59.9%。此外,因 LULC 未转化区域的反照率变化导致的全球辐射强迫,是 LULC 转化所致辐射强迫的3.98.1倍。反照率变化所诱导的辐射强迫凸显了陆地表面动态在调节全球变暖中发挥的关键作用。本研究对于理解陆地表面动态在全球变暖调节中的关键作用具有重要意义。


研究背景

地表反照率是影响地表温度和水平衡的关键变量,它决定了地球从太阳吸收能量的多少。人类活动导致的土地利用或覆盖变化以及持续的气候变化,会深刻改变景观特征和陆地物理过程,进而引起地表反照率的显著变化。例如,城市化扩张以及大规模的森林砍伐会使地表反射率特性发生突变,从而改变反照率。此外,即使未发生土地覆盖转化的区域,也会因自然生态系统的长期变绿或变褐以及湿润或干燥等过程和物候阶段变化、轮作等短期过程而经历重要的反照率变化。然而,由于不同地区陆地 - 气候相互作用的差异,即使是相同的土地覆盖类型,在不同区域也可能具有不同的反照率。这些不同尺度上作用的复杂过程,加上在观测这些动态变化时的数据和方法论差距,使得在全球尺度上量化陆地反照率的变化及其对气候的影响变得极具挑战性。


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1  2001年至2020年全球地表反照率变化

卫星数据能够系统地追踪地表反照率的时空动态变化,已被广泛用于全球地表能量预算评估。然而,现有的反照率产品存在大量数据缺失,主要原因是用于反照率反演的光学卫星图像受到云层污染,尤其在亚马逊森林等持续多云地区。准确估算缺失的反照率值需要考虑 LULC 类型以及由于 LULC 差异导致的地表反照率在空间和时间上的不连续性。考虑不同陆地表面属性的异质性反照率效应至关重要,因为它们会驱动不同的辐射强迫。以往的研究主要集中在特定的 LULC 类型或人类活动驱动的类型间转化及其对反照率和辐射强迫的影响。然而,由于未能涵盖所有 LULC 转化和积雪动态,这些研究仅能对地表反照率进行部分量化。此外,全球 63.5%-68.5% 的陆地表面未经历 LULC 转化,但关于这些未转化区域的地表反照率变化及其气候效应的研究仍十分不足。因此,目前尚缺乏对过去几十年 LULC 和积雪动态如何驱动全球陆地表面反照率变化并影响地表能量预算的全面研究。

本研究对 2001-2020 年期间全球陆地表面反照率动态变化及其引发的全球辐射强迫进行了综合分析。基于四个 LULC 分类方案中的 50 LULC 类型的 612 条转化路径,量化了积雪动态、LULC 转化和非转化区域的贡献。研究整合了 500 米分辨率的 MODIS 反照率、积雪覆盖和 LULC 产品,构建了一个统一的多维数组。然后,将反照率和 LULC 转化分别按每种 LULC 类型在 1°×1° 空间分辨率和月度时间尺度上进行聚合,并使用四维时空反距离加权(IDW)插值模型重建缺失数据。由此生成了 2001-2020 年的四套无缝月度反照率和土地覆盖查询图(ALLUMs),每套对应一个 LULC 分类方案。ALLUMs 用于解释积雪动态、LULC 转化和 LULC 非转化区域如何分别影响全球陆地表面反照率变化。研究还利用六个辐射强迫核估算过去二十年的全球陆地表面平均辐射强迫,并通过多元线性回归框架整合光合植被(PV)、非光合植被(NPV)和地表含水量(SWC),揭示非转化区域反照率变化的驱动机制。


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2  2001年至2020年反照率变化引起的辐射强迫

研究结果

(一)地表反照率变化

2001-2020 年间,全球无雪陆地表面反照率(GSLA)增加了 2.2%,绝对变化为 0.0038,显示出每十年平均反照率变化为 0.0011 的显著趋势。这一增长使全球陆地表面平均反照率上升了 0.0031,抵消了因积雪反照率变化以及积雪覆盖范围广泛减少而导致的全球陆地表面平均反照率下降(- 0.0013)。因此,2020 年的全球陆地表面平均反照率比 2001 年高出 0.72%。尽管如此,由于积雪覆盖变化的影响,年际波动使这一趋势在统计上不显著。积雪覆盖变化是这些波动的主要驱动因素,因为与其他土地覆盖类型相比,雪具有更高的反照率。

从空间变化来看,北温带无雪区域的平均反照率增加了 1.20%,但由于积雪融化导致的减少,整体(包括积雪和无雪区域)反照率几乎未发生变化。在高北纬度地区,如北亚,反照率显著下降。相比之下,积雪动态对热带地区和南温带地区的反照率变化几乎没有明显影响。热带地区反照率增加了 0.0034,而南温带地区(尤其是在澳大利亚、南非和南美洲)反照率增加了 9.5%

(二)诱发的辐射强迫

2001-2020 年间,全球平均辐射强迫因 GSLA 变化为 - 0.164W m^-2,显示出每十年 - 0.0427 W m^-2 的显著变化趋势。其强迫的量级约为二氧化碳辐射强迫的 59.9%,以及 2011 2019 年间温室气体总辐射强迫的 48.9%,但符号相反。当包括积雪动态引起的反照率降低时,同一时期全球平均辐射强迫为 - 0.142- 0.158- 0.114W m^-2t 检验,P < 0.001)。

(三)归因分析

LULC 转化往往会引发地表反照率的显著变化。在不同分类方案下,无雪区域中 LULC 转化区域的面积和范围存在较大差异。总体而言,无雪区域中 LULC 转化对 GSLA 变化的贡献为 12.6%-22.1%。而未发生 LULC 转化的区域覆盖了全球 78.6%-84.9% 的无雪陆地表面,并贡献了 GSLA 变化的 77.9%-87.4%,使全球陆地表面平均反照率增加了 0.0024-0.0027。在 2001-2020 年间,LULC 转化区域的全球平均辐射强迫仅为未转化区域的 1/3.9 1/8.1

在未发生 LULC 转化的区域,通过将光合植被(PV)、非光合植被(NPV)和地表含水量(SWC)纳入多元线性回归框架,揭示了这些区域反照率变化的驱动机制。研究发现,在太阳高度角小于 85° 的区域,该模型对预测白天空和黑天空反照率的分别为 0.931 0.943,均方根误差(RMSE)分别为 0.0102 0.0090。基于此模型,PVNPV SWC 的变化使全球陆地表面平均反照率估计增加了 0.0016,占实际 GSLA 增加量的 52.9%,或占非荒芜、未转化区域地表反照率变化的 68.5%。其中,NPV 的增加对 GSLA 变化的贡献最大,达 43.6%,而 SWC 的变化使全球陆地表面平均反照率增加了 0.0003,对 GSLA 增加的贡献为 10.0%


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3 基于LCCS 2的全球LULC和反照率变化。(aLCCS 2 定义的发生和未发生 LULC 转化区域的反照率变化。每个矩形的面积表示每种特定 LULC 类型所占土地的比例,颜色表示反照率的变化。由于占地面积较小(不到全球陆地面积的 0.1%),自然草本和 / 或农用地马赛克几乎不可见。b,通过 90 条转化路径的 LULC 转化面积。弧长表示与相应 LULC 类型 t 相关的 LULC 转化区域的面积。向内的箭头表示从其他 LULC 类型向 t 的转化,向外的箭头表示从 t 向其他类型的转化。箭头的粗细反映了转化区域的大小。


研究意义

量化了全球陆地表面反照率的变化,揭示了其对气候系统的辐射强迫效应,强调了陆地表面动态在全球变暖调节中的关键作用。研究结果对于评估气候变化的速度以及制定土地管理政策以实现气候缓解目标具有重要意义,同时为基于陆地的气候变化缓解措施的监测和验证提供了基准。


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4. 反照率变化及其辐射强迫的归因分析


研究创新之处

本研究的创新之处主要体现在以下几个方面:一是构建了 ALLUM 多维数组,整合了 MODIS 基础的反照率、积雪覆盖和土地覆盖产品,系统地追踪了地表反照率的时空动态变化,并重建了缺失数据;二是综合分析了积雪动态、LULC 转化及非转化区域对地表反照率变化的各自及共同影响,并估算了其引起的辐射强迫;三是通过多元线性回归模型,揭示了非转化区域反照率变化的驱动机制,为深入理解地表反照率变化的生物物理反馈机制提供了新视角。


对我们开展工作启示

本研究为我们在相关领域开展工作提供了诸多启示:一是数据整合与融合的重要性,通过将不同分辨率和来源的数据进行整合,可以更全面地分析复杂环境问题;二是多维度分析的必要性,从时间、空间和不同驱动因素等多个维度对地表反照率变化进行分析,有助于深入理解其变化规律和机制;三是在研究过程中,应注重模型的建立和应用,以提高研究结果的准确性和可靠性。在未来的研究中,我们应借鉴本研究的方法和技术,结合具体研究问题,开展更加深入和系统的研究。


文献来源:

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08987-z


声明:以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解,论文传递的准确信息请参照英文原文。






撰稿:王正

初审:任杰

审核:杜军

终审:鲁鹏