青藏高原植被变化特征及其对气候变化的影响

1、文章编号:1671-1742(2006增-0012-06青藏高原植被变化特征及其对气候变化的影响郭媛媛*, 范广洲(成都信息工程学院大气科学系,四川成都610225摘要:利用19822001年美国国家航天航空局(NASA的归一化植被指数(N DVI 资料以及55个青藏高原地区气象台站实测的最高气温、最低气温、平均气温和降水资料,初步分析了青藏高原地区各季节植被变化特征及其对气候变化的影响,通过分析发现,各季节青藏高原地区NDV I 均以增长为主。特别是高原南部、北部和西部等地区增加明显,高原中东部地区植被有所减少。通过相关分析和台站概率相关分析发现,高原冬季和春季N DVI 与后期春季和夏季的

2、最高气温、最低气温、平均气温和降水有较好的正相关关系,但有的表现在相关系数比较显著,有的表现为概率相关较明显。关 键 词:青藏高原;N DV I;植被季节变化;气候变化中图分类号:P461 文献标识码:A基金项目:国家自然科学基金资助项目(40675037;四川省青年科技基金资助项目(05ZQ026-023*成都信息工程学院大气科学系大气科学专业2002级1班1 引言陆地植被覆盖,在各种时间尺度上,通过生物地球物理反馈过程和生物地球化学反馈过程与大气进行广泛而复杂的动量、热量、水汽及物质的交换,可以说二者处于一个相对的动态平衡之中,一个系统的变化会引发另外一个系统的响应。大量观测资料分析表明,

3、作为气候系统下垫面,陆地植被覆盖的改变可能通过改变地表反照率、粗糙度、土壤湿度等地表属性,对局地和区域气候产生显著影响1-5。青藏高原隆起是地球演变史上的一个重大自然历史事件。多年来的研究表明,其下垫面的物理属性和物理状态特别是高原地区植被变化过程,决定着高原对大气的非绝热加热影响,对东亚乃至全球的大气环流和天气气候有重要影响,不少学者对青藏高原下垫面特征及其气候学效应作用有了大量的研究。王兰宁等6用一个CCM3和RegCM 2的嵌套模式研究发现高原植被大面积破坏后,西风急流偏西偏北,使北方冷空气难以到达我国长江流域,而孟加拉湾地区经向风减弱,导致向我国内陆输送的水汽减少,其综合作用使我国大部

4、分地区的降水明显减少;使用中尺度生态气象模式,对不同地形和不同天气背景条件下、中纬度半干旱区陆面变化对中尺度大气边界层结构和气候影响的研究表明7,植物的存在使其上空空气比周围地区湿度增加,气温下降,并因此产生热力强迫中尺度植物风环流,在植物风环流的锋区辐合带的辐合上升运动,可使对流性降水活动增大,且植物对降水增幅作用随大气湿度减小而增大。在地形复杂地区,植被的不同分布,产生和发展植被风环流与山谷风环流的相互作用,可导致不同形式的气候变化。张宪洲8等研究了青藏高原植被变化对气候变化以及陆气碳交换的影响及其机理,表明青藏高寒草原生态系统是碳汇,并且高寒草原生态系统土壤CO 2排放亦呈现明显的季节变

5、化,夏季增强,冬季明显减弱。范广洲等9指出,高原地区变为荒漠时,该区地表气温将略有增加。植被蒸腾耗热量变为0。地表蒸发耗热增加明显,可能会导致土壤湿度下降,荒漠化加剧。荒漠化后,地表热源将增加,说明荒漠化将影响高原夏季热源,从而可能对高原及其周边气候产生影响。上述研究工作,对青藏高原植被生态系统变化对区域气候的可能影响进行了分析研究,表明高原植被与气候变化之间存在明显的相互作用过程。20世纪90年代以来,随着卫星对地观测资料的积累,利用卫星遥感植被观测资料分析植被与气候变化相互作用的研究工作逐渐增多。朴世龙等10利用NOAA/AVH RR 的归一化植被指数(NDVI分析了我国植被活动的年际变化

6、趋势,认为青藏高原植被对全球变化的响应最为明显。李晓兵等11分析了NDV I 对降水季节性和年际变化的敏感性。杨元合等12发现青藏高原近18年来NDVI 显著增加,并存在明显的季节和年际变化,春季为NDVI 增加率和增加量最大的季节。张井勇等13认为我国多数地区前期ND -V I 与后期降水呈正相关关系,同时这种相关也存在地区差异,华中和青藏高原地区上年冬季NDVI 与降水的相第21卷增刊关性最好。而春季则以东部的干旱-半干旱区和青藏高原地区的相关性最好,并且指出这些地区植被变化对气候更敏感。董文杰14等指出,植被变化不仅对当地降水产生影响,也影响到其他地区的降水,尤其是沿季风的下游地区。这些

7、工作对研究植被与气候变化的关系有重要意义,但这些工作都没有突出青藏高原植被与区域气候变化关系的研究。因此利用美国国家航天航空局(NASA的GIM MS(Inventory Modelling and Mapping Studies植被归一化指数(NDVI和台站实测的气候资料,初步分析高原地区植被变化特征及其对气候变化的影响。NDV I 资料是NASA 于2003年11月推出的最新全球植被指数变化资料。资料空间分辨率为0125b 经度0125b 纬度,时间范围从1982年1月到2001年12月。GIMMS NDVI 资料是基于NOAA/AVHRR 的归一化植被指数(NDVI资料,并综合考虑了全球

8、范围内各种因素对NDV I 值的影响,通过使用不同的卫星通道、更换卫星传感器、利用交叉辐射定标及更先进的数据处理方式等各种手段,对以下各种影响作了校正:¹卫星传感器的不稳定校正;º热带阔叶林区云的覆盖引起的变形校正;»太阳天顶角和观测度的校正;¼火山气溶胶的校正;½对北半球冬季缺失的数据采用了插值处理;¾短期大气气溶胶、水蒸气及云层覆盖的影响校正,数据精度较前两代的NDV I 资料有了较大幅度的提高,被认为是相对标准的植被数据,并广泛应用于全球及区域陆气相互作用变化研究中15-16。气候数据为高原地区共55个台站的实测19822001

9、年共20年的逐月最高气温、最低气温、平均气温和降水资料。2 高原植被变化特征分析211 方法简介施能用下式定义了一个要素序列x t (t =1,2,n 的气候趋势系数:r x t 为n 个时刻NDV I 序列与自然数1,2,3,n 的相关系数,r xt =E n i =1(x i -x (i -tE n i =1(x i -x 2E n i =1(i -t2其中n 为年数,x i 是第i 年NDVI 值,x =1n E ni =1x i ,为NDVI 平均值。t =(n +1/2,为自然数序列的平均值。显然当r xt 为正时,表示该要素在所计算的n 年内有线性增加的趋势;为负时,有线性下降的趋

10、势。r x t n -21-r x t 2符合自由度为n -2的t 分布,从而可以检验这种趋势是否有意义。212 高原植被变化特征图1给出的是1982-2001年青藏高原地区春、夏、秋、冬NDVI 趋势相关系数分布图。从图1(a可以看到,整个青藏高原区域大部分地区为正相关系数,尤其在青藏高原西部、中部部分地区以及南部边缘相关系数达到016的水平,达到了99%的信度检验。中东部部分地区相关系数为负值,但一般负相关系数较小。从图1(b可以看到,青藏高原海拔较高的地区,相关系数全部为正值且相关性好。其中在高原西北部、南部地区及北部小部分区域相关系数可达016,达到了99%的信度检验。中部地区相关系数

11、为014,达到了90%的信度检验。而在青藏高原南部边缘、东部部分地区相关系数为较小的负值。从图1(c可以看到,青藏高原相关系数负值区域较其它季节相比范围有所增大。其中,高原西部、东部部分地区负相关明显;高原南部和北部地区相关系数以正值为主。从图1(d可以看到,高原北部、西部和南部大部分地区为正相关,其中在青藏高原西部及北部地区相关系数达到014的水平,达到了90%的信度检验。部分地区可以相关系数超过016,达到了99%的信度检验。高原中部和东部部分地区为负值。13增刊 郭媛媛等:青藏高原植被变化特征及其对气候变化的影响 (a( b(c( d图1 春季(a、夏季(b、秋季(c、冬季(dNDVI

12、变化趋势图3 高原冬、春NDVI 对春、夏气候变化的影响分析311 相关分析为了分析青藏高原地区冬、春NDVI 变化对春、夏气候变化的影响,分别计算了高原地区冬季NDVI 与后期春季和夏季最高气温、最低气温、平均气温和降水,以及春季NDVI 与后期夏季最高气温、最低气温、平均气温和降水的相关系数如表1、表2、表3。表1 冬季NDVI 与春季气候变化的相关系数表名称从青藏高原冬季NDVI 与春季最高气温、最低气温、平均气温和降水的相关系数表(表1中可以看到,相关系数均为正值,最大的为最低气温和降水,但都不能达到90%的信度检验。表2 冬季NDVI 与夏季气候变化的相关系数表名称从青藏高原冬季ND

13、VI 与夏季最高气温、最低气温、平均气温和降水的相关系数表(表2中可以看到,相关系数均为正值,最大的为最低气温和平均气温,但都不能达到90%的信度检验。14成 都 信 息 工 程 学 院 学 报 第21卷表3 春季NDVI 与夏季气候变化的相关系数表名称最高气温最低气温平均气温降水相关系数0.470.560.630.43从青藏高原春季NDVI 与夏季最高气温、最低气温、平均气温和降水的相关系数表(表3中可以看到,相关系数均为正值,其中,春季NDVI 与夏季最高气温的相关系数超过了95%的信度检验;春季NDVI 与夏季最低气温的相关系数超过了98%的信度检验;春季NDVI 与平均气温的相关系数超

14、过了99%的信度检验;春季NDVI 与夏季降水的相关系数超过了90%的信度检验。表明青藏高原春季NDVI 的变化对当年夏季最高气温、最低气温、平均气温及降水有较大影响。312 台站概率相关分析利用相关系数考查两个物理量的关系时,虽然相关系数能够较好的反映它们在数值上的紧密程度,但不能够很好的反映它们在变化趋势上的一致性,如1982-2001年,青藏高原地区冬季和春季NDVI 都呈明显的增加趋势(图2,这与高原春季和夏季的最高气温、最低气温、平均气温和降水的变化趋势一致,而这种一致性在冬季NDV I 与春季气候变化的相关系数和冬季NDVI 与夏季气候变化的相关系数中并没有表现出来。为了进一步分析

15、冬、春季高原NDVI 对后期春、夏气候变化的影响,又通过合成分析的方法分析了它们之间在变化趋势上的可能相关, 这种分析可以称为台站概率相关分析。(a( b图2 青藏高原冬季(a和春季(bNDVI 变化图根据图2所示,选取1999年和1983年分别代表青藏高原冬季NDVI 最大年和最小年,然后用1999年高原春季最高气温、最低气温、平均气温和降水减1983年春季最高气温、最低气温、平均气温和降水,通过分析其差值图,研究冬季NDVI 对春季气候变化的影响。表4 19991983年春季各物理量正值台站数名称最高气温最低气温平均气温降水正值台站数54555537从表4可以看到,冬季NDV I 大年与小

16、年相比,高原春季所有的台站的3个温度量都为正值(仅最高气温有一个台站为较小负值,尤其是高原的中部和南部地区差值更大(图略,下同。降水也有37个站为正值,占总台站数的67%。这些结果说明,冬季NDVI 与春季气候变化各物理量在概率上呈正相关的关系。表5 19991983年夏季各物理量正值台站数名称最高气温最低气温平均气温降水正值台站数32543934同样的方法,可以计算夏季最高气温、最低气温、平均气温和降水的差值图,研究冬季NDVI 对夏季气候变化的影响。表5给出的是19991983年夏季各物理量正值台站数。从表中可以看到,冬季NDVI 大年与小年相比,高原夏季最低气温的正值台站数最多,可达到5

17、4个。其余3个气候变量的正值台站数相对较少,但也都超过了半数。最高气温和平均气温的负值区域主要分布在高原南部地区;一个最低气温的负值台站也在高原南部地区。降水差值的负值区域主要分布在高原中东部和东北部地区。上述结果表明,冬季NDVI 与夏季气候变化各物理量在概率上也呈正相关的关系。15增刊 郭媛媛等:青藏高原植被变化特征及其对气候变化的影响16成都信息工程学院学报第21卷根据图2所示,选取1998年和1989年分别代表青藏高原春季NDVI最大年和最小年,然后用1998年高原夏季最高气温、最低气温、平均气温和降水减1989年春季最高气温、最低气温、平均气温和降水,通过分析其差值图,研究春季NDV

18、I对夏季气候变化的影响。表619981989年夏季各物理量正值台站数名称最高气温最低气温平均气温降水正值台站数48515133表6给出的是1998-1989年夏季各物理量正值台站数。从表中可以看到,春季NDVI大年与小年相比,高原夏季最低气温和平均气温的正值台站数最多,可达到51个。最高气温正值台站数为48个,降水正值台站数为33个,都超过了半数。最高气温和平均气温的负值区域主要分布在高原东南部地区;最低气温和降水的负值台站主要分布在高原东北部地区。上述结果表明,冬季NDVI与夏季气候变化各物理量在概率上也呈正相关的关系。4结论与讨论很多研究表明高原植被变化与气候变化之间存在明显相互作用。利用

19、NASA的植被归一化指数(NDV I资料和高原55个台站的实测气候资料,初步分析了青藏高原地区各季节NDVI的变化趋势,及其对气候变化的影响。通过趋势相关分析可以看到,一般而言,近20年来青藏高原各季节植被都以增加为主,特别是高原南部、北部和西部等地区增加明显,高原中东部地区植被有所减少。通过相关分析和台站概率相关分析结果可知,高原冬季和春季NDVI与后期春季和夏季的最高气温、最低气温、平均气温和降水有较好的正相关关系,但有的表现在相关系数比较显著(比如春季NDVI与夏季各气候量,有的表现为概率相关较明显(比如冬季NDVI与春季各温度量。简单分析了高原NDV I与后期气候变化的关系,但没有分析

20、这种影响的可能原因,这一问题将在以后的研究工作中进一步探讨。参考文献:1Padm avalli,R.Utilisation of Major Natural ResourcesC.in Proc Symposium resources developm ent andplanningA.Geog raphy Dept,M adras Univ,1976:1-19.2Zhang,K.The Influence of Deforestation of Tropical Rainforest on Local Climate and Disaster in Xishuang-banna Reg io

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